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弥散型核燃料元件堆内辐照力学行为的计算模拟

丁淑蓉  霍永忠  姜馨  严晓青  万远富  王启名  
【摘要】:弥散型核燃料元件是由弥散型核燃料芯体和包壳所组成,而弥散型核燃料芯体一般是由核燃料颗粒弥散分布在金属基体中构成,在结构上类似于颗粒复合材料。弥散型核燃料元件的这种结构特点,使其具有高热导和高燃耗,并且具有可设计性,已广泛应用于世界各国的生产堆、研究试验堆,在核废料处理和商业堆当中也具有良好的发展前景。自从20世纪80年代国际原子能机构为防止核扩散推出降低研究实验堆用燃料富集度计划(RERTR)以来,对弥散型核燃料元件的研究与开发一直是一个热点问题。辐照实验和数值模拟的方法相结合已成为研制高性能弥散型核燃料元件的发展趋势。数值模拟方法可以考察元件内部材料或结构参数变化对燃料元件辐照力学行为的影响,确定影响元件性能的关键性指标;亦可以对辐照实验中元件的损伤机理进行分析,解释实验的现象;数值模拟可以为弥散型核燃料元件的优化设计和制造提供数值参考依据,越来越受到重视。弥散型核燃料元件具有复杂的堆内行为:(1)弥散核燃料芯体颗粒相中的铀原子受到中子冲击发生核裂变,释放出热量,导致元件内部出现非均匀的温度场;(2)同时铀原子核裂变会产生固体和气体的裂变产物,使燃料颗粒产生辐照肿胀;由于受到周围金属基体的约束作用,促使颗粒和基体,以及芯体与包壳之间产生强烈的力学相互作用;(3)气体裂变产物在燃料颗粒相中随燃耗发展运动迁移,在裂缝、缺陷等自由体积空间产生裂变气体释放;(4)一次核裂变会产生2到3个中子,其中能量超过1Mev的快中子不断地冲击周围的金属基体和包壳材料,使金属硬化变脆、产生辐照蠕变,而包壳还会产生辐照生长。我们对弥散型核燃料元件主要开展了两方面的研究工作:(1)为了考虑元件芯体当中颗粒和基体的相互作用,在细观力学代表性体元的建模方法基础上,考虑弥散型核燃料元件的结构特点,建立了对其堆内辐照热力耦合行为进行计算模拟的有限元模型;基于对燃料颗粒和基体堆内大变形本构关系的推导,提出在商业软件中模拟燃料颗粒辐照肿胀、基体辐照和包壳辐照生长以及辐照蠕变随燃耗发展的模拟方法;考察了元件芯体颗粒体积含量、尺寸和分布形式变化对板形和棒状弥散型核燃料元件堆内细观辐照力学行为的影响。(2)为了研究整个元件或组件的结构力学行为,通过细观计算力学的方法,分别研究了内部颗粒体积含量、大小、温度以及分布形式对芯体均匀化的等效热、力学性能参数的影响,并得到了解析公式,为弥散型核燃料元件的多尺度研究奠定了基础。

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