弥散型核燃料板辐照力学行为的数值模拟

摘要

金属基弥散型核燃料板与传统棒状核燃料元件相比具有高燃耗和高热导,已广泛应用于研究实验堆,在核废料的处理或飞行器当中亦具有良好的应用前景。
　　 金属基弥散型核燃料板是由金属包壳和金属基弥散型核燃料芯体组成。芯体是由核燃料颗粒弥散分布在金属基体所构成。在核反应堆苛刻的环境之中,核燃料颗粒裂变产生裂变热;裂变产物使颗粒发生辐照肿胀;金属基体随时间蠕变并硬化变脆。燃料板的安全使用需确保基体和包壳的完整性及板厚尺寸的稳定性。所以,本文利用有限元法研究燃料板的热力学行为随燃耗增长的变化情况、考察板的微观结构参数和操作参数变化对热力学行为产生的影响,对燃料板的使用安全性和优化设计都很有必要。
　　 本研究考虑了颗粒和基体之间、芯体与包壳之间的相互作用,采用代表性板元的方法,分别针对弥散型核燃料板不同的微观结构参数(燃料颗粒大小、形状、体积含量和分布形式)建立了相应的有限元模型。
　　 将燃料元件的寿期分为两个阶段:燃耗起始阶段和燃耗发展阶段。起始阶段,板内稳态温度和参考温度的高温差是导致板内应力应变的主因,主要对燃料板的热弹塑性行为进行了数值计算。而随着燃耗的增长,辐照肿胀起主导作用,考虑材料的热弹塑性和大变形效应,将整个寿期分为多个时间步。在每个时间步,都在新的构型下计算温度场;考虑温度变化所致热应变增量,并引入在该时间步中的颗粒肿胀体积应变,对结构场进行模拟。
　　 燃耗初期的研究结果表明,就温度场而言,表面热交换系数越低、燃料颗粒产热率越高、燃料颗粒体积含量越高、颗粒尺寸越大,板内温度越高。就结构场而言,表面热交换系数越低,Mises应力越低,而等效塑性应变和板厚增量却增大;颗粒体积含量越高、尺寸越大,燃料板的安全性越低。颗粒形状不影响温度场却影响微观应力应变场的分布。不同颗粒排列形式对应不同的温度和应力分布。
　　 燃耗发展阶段的计算结果显示:体积含量20％、直径100um的球形颗粒在基体中均匀分布的模型,30％FIMA燃耗时与单纯热效应作用时相比,基体内最大Mises应力增长30％,最大拉应力增长50％,最大等效塑性应变增大一个量级,厚度增量是原来的4倍;且最大值的作用位置发生变化。不同颗粒体积含量、尺寸、形状和排列形式显著影响肿胀效应下基体、包壳和界面上的强度,且影响趋势与燃耗相关。
　　 本研究可以为弥散型核燃料板的力学行为模拟提供方法、并为其实际操作和优化设计提供数值参考依据。