秦山核电厂燃料棒 PCMI 效应和包壳疲劳分析

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1、第32卷第2期原子能科学技术Vol.32,No.21998年3月AtomicEnergyScienceandTechnologyMar.1998秦山核电厂燃料棒PCMI效应和包壳疲劳分析陈　彭(中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所,北京,102413)用FRAPCON22程序中二维有限元力学模块AXISYM分析了秦山核电厂燃料芯块与包壳之间的机械相互作用(PCMI),给出了包壳局部应力的计算结果。根据LANGER&O’DONNEL疲劳寿命经验公式和MINER法则,编制了疲劳分析程序FATIG21,分析了秦山核电厂燃料包壳在负荷追随运行工况下的积累

2、疲劳损伤因子,为秦山核电厂燃料元件的设计改进和安全审评提供依据。　　关键词有限元　PCMI　疲劳　燃料棒　　中图法分类号TL352122在早期压水堆核电站运行中,PCMI是导致燃料棒破损的重要原因之一。后来,燃料棒设计的改进使PCMI的破损率大大降低,但随着核燃料向高燃耗的发展,PCMI效应仍然是燃料棒设计中必需考虑的问题。[1]图1示出燃料棒PCMI作用的特点。在热源作用下,燃料芯块由于不均匀的热膨胀形成沙漏状结构,包壳在对应的芯块肩部产生环脊,并导致环脊附近局部应力集中,严重时可直接导致包壳局部开裂。在负荷追随运行工况下,局部应力集中随功率的变化

3、而变化,导致包壳局部疲劳破损。1　计算程序及模型的改进111FRAPCON-2程序及有限元模块AX2图1　燃料棒及PCMI效应所产生的变形示意图[2]Fig.1FuelrodanditsdeformationunderISYMpellet2claddingmechanicalinteractionFRAPCON22程序是燃料棒性能分析程序,陈　彭:男,32岁,反应堆安全分析专业,硕士,工程师收稿日期:1997206212　收到修改稿日期:1997210215116原子能科学技术　　第32卷分析对象是整个燃料棒:将燃料棒沿轴向分成若干段,每段的中点为轴

4、向节点;沿径向分成若干个同心圆环,每个圆环用1个径向节点来代表。FRAPCON22程序中的有限元模块AX2ISYM是1个二维轴对称有限元力学分析模型,它模拟半个芯块和包壳的相互作用。FRAPCON22程序先计算所有节点的温度以及裂变气体释放,然后用AXISYM模块进行弹塑性分析,求出芯块与包壳的局部应力。如图1所示,处于环脊部位的芯块与包壳的作用力最强。本文给出的应力数据均为该部位包壳单元的分析结果。原版FRAPCON22程序在CYBER2825机上运行,该机退役后,程序被移值到微机上,并对程序作了如下校正:(1)主程序与有限元分析模块AXISYM间

5、的温度传递接口有错,改正后,AXISYM在启动运行之前可获得正确的温度分布;(2)用AXISYM模块分析秦山燃料棒时,划分芯块碟形部位的有限元网格出现错误,改正后的程序可以给出正确的单元网格;(3)根据上海核工程研究设计院提供的秦山核电厂燃料棒参数,修改了FRAPCON22程序中燃料芯块热导及包壳杨氏模量等模型,使FRAPCON22可以针对秦山核电厂燃料棒进行PCMI作用下芯块和包壳局部应力的计算与分析。112　包壳疲劳分析程序FATIG-1当前秦山核电厂尚未采用负荷追随运行模式。但从电网的需求考虑,电厂的燃料棒应该满[3]足在负荷追随运行工况下所需

6、的疲劳寿命要求。因此,有必要对包壳的疲劳寿命进行分析。[4,5]FATIG21程序采用了MINER法则和LANGER&O’DONNEL疲劳寿命经验公式。11211　积累疲劳损伤因子的计算　MINER法则采用线性损伤积累,假定有一系列应力R1、R2、R3、⋯、Rm,Ni是在应力Ri作用下达到疲劳破坏的循环次数,ni是在应力Ri作用下的实际循环次数。按MINER法则,积累疲劳损伤因子F由式(1)给出。该因子小于1时,包壳不会发生疲劳破坏。mniF=∑(1)i=1Ni　　包壳的疲劳过程,可以考虑为与功率变化有关的损伤过程。在负荷追随运行模式下,为保证不发生

7、疲劳破坏,必须满足式(1)中的F<1。[4]11212LANGER&O’DONNEL经验表达式　导致Zr24材料疲劳破坏的循环次数的LANGER&O’DONNEL经验表达式为E1001Sa=(ln)+Se=Eõ$Et(2)100-RA24NR式中:Sa为导致材料失效的应力强度的幅度;$Et为总的应变范围;NR为导致疲劳失效的循环次数;E为杨氏模量;RA为单轴拉伸试验中的截面收缩率;Se为持久极限,Se=010014907E。其中,E、RA和Se是通过实验数据拟合得到的与温度有关的常数,根据文献[4],在计算中取RA=013268。包壳杨氏模量由上海核

8、工程研究设计院给出,取包壳外表面最高温度350℃下横向与纵向模量的平均值为85000MPa。11213　虚拟