LOCA工况下环形燃料元件外包壳鼓胀爆破试验研究

为获得环形燃料元件外包壳在压水堆冷却剂丧失事故（LOCA）工况下鼓胀爆破温度和应变的经验关系式,为设计计算提供必要的输入,并初步评价其LOCA工况下的鼓胀爆破性能,在堆外对其开展了LOCA工况下的鼓胀爆破试验研究。在不同的升温速率和内压下,蒸汽环境中,以外表面红外加热的方式对环形燃料元件外包壳进行了鼓胀爆破试验。总结了试验得到的经验关系式,分析了试验中爆破温度和应变的影响因素,并将试验结果与美国核管理委员会出版的NUREG0630中的结果进行对比,验证了试验结果的合理性。获得的试验数据可用于环形燃料的设计、计算和改进。     

碳化硅复合材料包壳燃料棒在LOCA事故中的特性研究

碳化硅复合材料具有热膨胀系数低、中子吸收截面低、抵抗热冲击、高温下耐腐蚀、强度高等特点,是反应堆耐事故燃料的候选材料之一。为分析碳化硅复合材料包壳燃料棒在失水事故下的综合性能,利用公开文献实验数据,拟合碳化硅复合材料物性公式,用FRAPTRAN对比分析与Zr4包壳燃料棒在同种工况下的性能差异。本文整理的公式和使用的方法可初步用于分析碳化硅复合材料燃料棒的综合性能。计算结果表明:在失水事故中,碳化硅复合材料的燃料棒失效时间长,平均温度低,可有效延缓事故进程。     

LOCA工况下事故容错燃料对燃料棒性能影响的初步分析研究

事故容错燃料（ATF）包壳材料是在福岛核事故后为了提高燃料元件抵御严重事故的性能而提出的新一代核燃料概念,与目前的Zr-4合金包壳相比,ATF包壳材料能够在较长时间内抵御事故后果,同时还能保持或提高其在正常运行工况下的性能。基于FRAPTRAN-2.0程序,针对两种ATF包壳材料（FeCrAl和SiC）,通过改进包壳材料热物性模型、包壳力学行为模型和氧化模型,开发了适用于ATF包壳材料的燃料棒性能瞬态分析程序。以MT-1实验台架的燃料棒为对象,对其失水事故（LOCA）工况进行计算分析,研究了ATF包壳材料在该事故工况下的热工水力瞬态响应特性。结果表明,相比传统的Zr-4合金包壳,ATF包壳材料不仅可以降低LOCA下的包壳峰值温度,还能延缓或防止包壳失效。     

压水堆燃料棒包壳微振磨损计算方法

采用Archard磨损公式作为压水堆燃料棒包壳的磨损理论模型,预测燃料棒包壳与格架之间的微振磨损,其中关键的物理量是磨损系数、燃料棒与格架之间的接触力以及滑动距离。磨损系数一般通过试验确定。随着燃耗加深,燃料棒与格架之间的接触力是时变函数,燃料棒夹持力随燃耗的变化曲线可采用试验或经验公式确定。由格架刚凸的刚度、包壳与格架的接触力以及它们之间的摩擦系数确定滑动阈值,将最大湍流激励的振动响应与滑动阈值进行比较,确定燃料棒包壳相对于格架是否存在滑动,计算燃料棒包壳在微小时间间隔内的滑移距离。几个物理量确定后,对磨损公式时间积分得到燃料棒包壳的微振磨损量。根据圆柱和表面的磨损几何关系,理论推导磨损量与磨损深度的关系,确定磨损深度,将磨损深度与相关准则进行比较,评估燃料棒包壳是否满足机械完整性的要求。     

压水堆燃料包壳锆同位素共振计算研究

锆合金因具有耐腐蚀、耐辐照、低蠕变,以及较好的中子学性能等特点,被广泛用于制造压水堆燃料包壳管、定位格架等燃料组件构件。从中子物理学角度,锆同位素在中能区存在较为明显的共振现象。工业应用广泛的传统等价理论共振方法只考虑燃料区的共振效应,对于包壳材料中锆同位素的共振现象,通常予以忽略,或简单以典型参考背景截面（通常为3×10^-22 cm²）下产生的微观截面来考虑。这些传统处理方式可能会导致多达200～300 pcm的反应性偏差。因此,基于对影响压水堆燃料包壳锆同位素有效共振截面的各种主要因素的分析,本文确定了一种预制截面表的锆同位素共振计算方法。数值结果表明,这种共振处理方法可提供较为准确的锆同位素多群微观截面,并能有效改善组件无限增殖因数的计算精度。此外,也对这种方法在弥散型燃料锆基体共振计算中的适用性进行了探讨。     

压水堆完整和破损燃料棒燃料包壳化学相互作用层拉曼特征分析

为研究压水堆完整和破损燃料棒燃料包壳化学相互作用(FCCI)层物相结构组成及影响因素,通过拉曼光谱对燃耗为45 GW·d/tU和41 GW·d/tU的完整和破损燃料棒FCCI层进行了研究分析。结果表明：完整燃料棒形成了周向厚度为14～19μm的FCCI层,主要由两个不同相结构区域组成,分别为靠近包壳界面的单斜和四方相氧化锆混合区域及靠近燃料芯块的四方相区域,在包壳界面附近约7μm范围内,观察到明显的705 cm^-1特征峰,该峰的形成源于界面压应力和辐照缺陷的共同作用;破损燃料棒形成了周向厚度为37～61μm的FCCI层,主要由两个不同形貌和相结构区域组成,即靠近包壳界面附近具有多孔、裂纹特征的单斜相氧化锆区域以及靠近燃料芯块的非晶结构区域。对FCCI层相结构的分布及转变影响因素进行了分析讨论,完整燃料棒FCCI层中四方相氧化锆的稳定与界面压应力、中子辐照缺陷和裂变产物作用有关,破损燃料棒FCCI层中单斜相氧化锆的存在则主要来源于应力的弛豫和氧的正常化学计量比。     

压水堆燃料棒三维热-力学性能的精细模拟

压水堆燃料棒工作在复杂的辐照、热和力学环境中,对其性能进行定量评估涉及多种复杂的物理现象。目前常用的燃料性能分析程序一般对结构采用简化的轴对称假设,对辐照肿胀、辐照蠕变和高温蠕变等物理现象以及辐照-热-力等物理场之间的耦合考虑并不充分。基于ABAQUS有限元求解框架,开发了压水堆燃料棒三维热-力学性能的模拟程序,利用程序对压水堆燃料棒进行了稳态分析,以及升功率和反应性引入事故两种瞬态分析。结果表明:辐照引起燃料致密化和肿胀对燃料温度变化有重要影响;芯块应变增加主要是由裂变产物肿胀引起的;芯块几何结构导致包壳应力集中发生在芯块间的交界面处;燃料棒功率的急剧变化会加快芯块表面破裂的进程;反应性引入事故会导致芯块从内部开始破裂,并会引发芯块-包壳的接触。