[发明专利]非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模和应力分析方法

说明书

技术领域

本发明为高温气冷堆燃料元件技术领域，特别涉及非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的模型建立以及应力分析方法。

背景技术

具有固有安全性的模块式高温气冷堆被认为是最有希望满足第四代先进核能系统要求的堆型之一。高温气冷堆核电站安全性的第一道保障就是所使用的核燃料为TRISO(多层各项同性)型包覆颗粒，它由核燃料UO₂陶瓷核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅(SiC)层和外致密热解炭层组成。包覆燃料颗粒的复合包覆层构成微球形压力容器，约束核裂变产生的放射性产物，是高温气冷堆安全的主要保障。在四层包覆结构中最为重要的是SiC层，它是承受包覆燃料颗粒内压以及阻挡裂变产物释放的关键层。

燃料元件在运行过程中，随着燃耗的增加，气体裂变产物，一氧化碳和二氧化碳以及低挥发点固态裂变气体的积聚，均会造成包覆燃料颗粒的内压增加，在包覆燃料颗粒包覆层中产生应力。在热和辐照的作用下，不同材料性能的变化不同，也会在包覆层产生应力。当这些应力之和超过包覆燃料颗粒包覆层的强度时，包覆层就会发生压力壳式破损，失去约束裂变产物的能力，压力壳式破损是包覆燃料颗粒最主要的破损机制。建立压力壳式破损的模型，对包覆燃料颗粒在内压下的受力进行分析是必不可少的。

包覆燃料颗粒在正常的制备条件下是理想或者非常接近理想的球形颗粒，但是由于制造误差，会有一些非球形的包覆燃料颗粒被压制在燃料元件中，这些包覆燃料颗粒的应力分布与球形包覆燃料颗粒有着很大的区别，局部区域存在着很大的应力集中，因此，对它们几何形状建立相关模型并进行应力分析非常重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何建立非球形燃料颗粒SiC包覆层的模型并根据该模型获得包覆燃料颗粒在内压下的受力情况。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模方法，包括以下步骤：

S1：根据形状特点，将非球形燃料颗粒划分为椭球形、凸台形以及这两种形状的组合，对于椭球形颗粒，其模型为椭球壳，对于凸台形颗粒，其模型由三部分构成，包括两段圆球壳以及一段平台，三部分之间平滑连接；

S2：根据生产实际中燃料颗粒的物理参数，结合各参数的变化区间确定输入参数的变化范围；

S3：根据所输入的参数，分析非球形燃料颗粒的几何因素和内压对应力大小和分布的影响，建立应力分布图；

S4：根据应力分布图评判非球形燃料颗粒碳化硅包覆层承受内压的能力。

其中，建立椭球形颗粒模型的步骤包括：建立长轴为2a、短轴为2b、厚度为d的椭圆环，将此图形绕对称轴旋转一周得到三维的椭球壳。

其中，建立凸台形颗粒模型的步骤包括：

S11：建立半径R₁、截角ψ₁、绕原点旋转π/2+ψ₁的扇面；

S12：建立半径R₂、截角ψ₂、原点横坐标-(R₁-R₂)*sin(ψ₂)、纵坐标(R₁-R₂)*cos(ψ₂)的扇面；

S13：建立一个四边形，四个端点的坐标分别是：(0，0)、(0，R₂+(R₁-R₂)*cos(ψ₁))、(-(R₁-R₂)*sin(ψ₁)，R₂+(R₁-R₂)*cos(ψ₁))、(-(R₁-R₂)*sin(ψ₁)，(R₁-R₂)*cos(ψ₁))；

S14：建立并集，将S11、S12、S13中所做的三个图形合为第一图形A；

S15：将R₁和R₂的长度分别增加d，重复步骤S11、S12、S13、S14，形成一个合并的第二图形B；

S16：第二图形B减去第一图形A即得到凸台形包覆燃料颗粒的图形，将此图形绕对称轴旋转一周得到三维的凸台形。