辐照蠕变对弥散型燃料元件力学可靠性的影响.doc

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1、辐照蠕变对弥散型燃料元件力学可靠性的影响丁淑蓉霍永忠*霍永忠，博士，教授（博导），email:yzhuo@fudan.edu.cn,电话：02155664171丁淑蓉，博士，副教授，email:dsr1971@163.com,电话：02155665178（复旦大学力学与工程科学系，上海，200433）摘要：初步建立了弥散型燃料元件的理论模型，针对弥散型燃料板的具体几何特征，借鉴颗粒复合材料细观力学的研究思路，沿厚度方向选取代表性体元，对其力学可靠性进行了数值模拟。针对所选取的辐照蠕变模型，考察了燃料颗粒达到一定的燃耗情况下

2、，不同快中子流所导致的辐照蠕变对弥散型燃料板力学可靠性的影响。关键词：弥散型燃料元件，辐照蠕变，颗粒复合材料，快中子流，裂变1引言核能作为可替代化石类能源的清洁燃料已受到世界各国的重视，我国也将其列入重点发展的新型能源。反应堆是和平利用核能的最主要的设施。反应堆的核心是核燃料元件。弥散型燃料[1]是由核裂变颗粒（如铀、钚等的化合物）分布在金属、陶瓷或石墨基体中构成，在结构上类似于颗粒增强复合材料。燃料元件分板型和棒状两种。金属基弥散型燃料板具有高燃耗和高热导[2]，适合于制造高比功率的小堆芯反应堆，除了在研究试验堆中应用，

3、主要用于舰船核动力堆中[2-3]。国际原子能机构确认的为防止核扩散、降低研究和试验反应堆用燃料富集度研究计划[3]（RERTR），使得对弥散型燃料的研究与开发成为近年来核燃料研究领域的一个热点问题。要保证弥散型燃料的安全应用，须确保燃料元件的完整性，使放射性裂变产物不泄漏；并且要保证其尺寸的稳定性（板型元件在厚度方向不要产生过大的变形，棒状元件在径向的变化要符合要求），使冷却剂能够正常地流动[3]。所以要确保燃料元件在其寿期内具有足够的强度和刚度，以保证其可靠性。由于辐照实验研究十分耗时，成本也很高，还很难在线观察。为设计

4、制备长寿命的弥散型核燃料元件，也为了减少实验的盲目性，建立合适的理论模型并进行数值模拟十分必要。弥散型燃料是一种特殊的复合材料，由于其处于复杂的堆内环境，使其具有复杂的堆内行为：燃料颗粒裂变产生裂变热[4]；燃料颗粒裂变产生固体裂变产物，在晶粒与晶界中产生惰性气体裂变产物，使其随燃耗增长不断地产生体积膨胀（肿胀）[5]，在高燃耗下肿胀的程度很高，导致燃料元件内部出现大变形和弹塑性变形问题；燃料颗粒裂变产生快中子流则会导致基体材料随时间硬化变脆和辐照蠕变[6]。早期在五、六十年代，Weber和Hirsch[7]，Weber[

5、8]等利用解析分析的方法对弥散型燃料进行了一些研究，取得了一些定性的结果。但这些理论仅限于球形燃料颗粒在整个基体中完全均匀分布。Rest[9]和邢忠虎等[10]对弥散型燃料进行了相关的研究。他们采用了球对称的模型，没有考虑颗粒之间的相互作用，得到的基体应力是球对称的。近年来，为更准确的分析基体与颗粒间相互作用，开始考虑更真实的颗粒分布，用有限元方法进行分析[11]。但由于颗粒数量众多，裂变过程也十分复杂，计算的准确性和有效性都远未达到实际应用的要求。本研究初步建立了弥散型燃料元件的理论模型，针对板型弥散型燃料板的具体几何特

6、征，借鉴颗粒复合材料细观力学的研究思路，沿厚度方向选取代表性体元，对弥散型燃料元件的力学可靠性进行了数值模拟。针对所选取的辐照蠕变模型，考察了燃料颗粒达到一定的燃耗情况下，不同快中子流所导致的辐照蠕变对弥散型燃料板力学可靠性的影响。2理论模型2.1UO2与锆基体的热传导系数对于UO2颗粒，Lucutaetal.(1996)[12]发展了热传导系数的模型，综合考虑了温度、燃耗、空隙度和裂变产物对热传导系数的影响，适合于高燃耗的情况。(1)K0表示未经辐照、致密的UO2的热传导系数，FD、FP、FM、FR分别表示各辐照影响系数

7、。锆从室温到熔点的热传导系数为(2)2.2本构模型UO2燃料颗粒的弹性模量用下式表示(3)式中，E为弹性模量，单位Pa。T为温度，单位摄氏度，D为理论密度（92%-98%）。锆基体的堆内蠕变方程为（/hr）(4):快中子流（n/cm2.s）,:Mises等效应力（kgf/mm2）锆的应变硬化曲线为(5)式中，s为真应力，为真应变，n为应变硬化指数。ft(n/cm2)为快中子通量，T(0C)表示温度，220≤T≤45000C。3有限元模型根据颗粒复合材料的研究思路[13]，首先考虑了比较简单的情况。假设球形颗粒在基体中周期性

8、排列，根据周期性和燃料板的具体尺寸（长度和宽度远大于厚度），选取的有限元模型见图1所示，Z=0表示板的中面，Z=h/2表示板的上表面。有限元模型离散为31777个单元，46983个结点。通过收敛性考察确定，能够达到足够的精度。计算温度场所用边界条件为：X=0,X=a/2,Y=0,Y=a/2,Z=0;Z=