彌散型燃料的等效性質及棒狀元件的輻照力學行為的研究.pdf

1、彌散型燃料與傳統(tǒng)的燃料元件相比具有高燃耗和高熱導的優(yōu)點,已廣泛應用于研究試驗堆,且在核動力艦船和核廢料處理方面有著良好的應用前景。
　　 棒狀彌散型燃料由彌散型燃料芯體和包殼構成。芯體是由核裂變顆粒彌散分布在金屬基體中構成的。在核反應堆中,燃料棒處于非?？量痰沫h(huán)境之中,裂變熱使燃料棒內部產生較大的熱應力;裂變產物又會使燃料顆粒發(fā)生輻照腫脹而加劇其與基體之間的相互作用;基體在中子的沖擊下會發(fā)生硬化變脆和蠕變現(xiàn)象。所以如何保證燃料棒

2、的安全可靠性是一個非常值得研究的問題。
　　 本文首先對彌散型燃料的等效熱學性質和等效力學性質進行了研究。運用細觀力學理論結合有限元法計算了彌散型燃料的等效熱傳導系數(shù)、等效熱膨脹系數(shù)和等效彈性系數(shù),分析了燃耗、溫度、顆粒體積含量、顆粒排列方式和尺寸大小變化對等效性質的影響。研究結果表明,等效熱傳導系數(shù)的計算值和Maxwell模型及Braiisford模型的預測值最為接近:等效熱膨脹系數(shù)和線性混合模型的預測值最為接近;而顆粒隨機排

3、列時的彈性系數(shù)的計算值和Mori-Tanaka法以及自洽法的預測值最為接近。
　　 其次,針對棒狀彌散犁燃料,在基于一定假設的基礎上,建立了一個簡化的模型,用有限元軟件Ansys計算其內部的溫度場。并計算了燃耗初期和燃耗發(fā)展時基體和包殼中的應力應變場,考察了燃耗、顆粒產熱率、顆粒體積含量等因素的影響效應。
　　 對溫度場的計算結果表明,顆粒產熱率的增大或體積含量的增大會顯著提高燃料棒中溫度。外圍流體的熱交換系數(shù)不應低于0

4、.005W/mm2K,否則棒內溫度急劇上升。顆粒的半徑大小的變化對溫度場影響較小。
　　 在燃耗初期,裂變熱導致的熱應力場是影響燃料棒安全性的主要因素。顆粒產熱率的增大、體積含量的增多都會顯著增大燃料棒中的應力水平和塑性應變。顆粒半徑大小的變化則對其影響較小。
　　 當燃耗發(fā)展時,顆粒的輻照腫脹會導致其體積膨脹。通過虛擬溫升的方法來模擬顆粒的輻照腫脹行為。此時,燃料棒中的應力水平較燃耗初期大大地升高了,塑性應變也急劇增加