[发明专利]一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法

说明书

本发明属于乏燃料包壳破损的临界应变能密度技术领域，具体涉及一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法，包括如下步骤：步骤S1，选取一段乏燃料包壳作为待测试样；步骤S2，在待测试样上截取若干测量段用于测量包壳氢含量、包壳腐蚀层厚度和径向氢化物比例；余下部分作为乏燃料包壳压缩试样，用于环向压缩试验，得到环向压缩试验发生破损时的压缩位移；步骤S3，通过有限元分析软件建立乏燃料包壳模型，乏燃料包壳模型的尺寸参照乏燃料包壳压缩试样的测量值；步骤S4，乏燃料包壳模型施加位移载荷的大小为环向压缩试验的压缩位移的数值，得到的乏燃料包壳模型的最大应变能密度，最大应变能密度即为乏燃料包壳破损的临界应变能密度。

技术领域

本发明属于乏燃料包壳破损的临界应变能密度技术领域，具体涉及一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法。

背景技术

压水堆核电厂使用的核燃料被封装在圆柱形燃料棒包壳内，并以燃料棒包壳作为核电厂包容放射性产物的第一道安全屏障。经反应堆消耗后卸出的核燃料称为乏燃料。乏燃料从堆内卸出后可能会经历湿法贮存、干法贮存和转运/运输等过程。乏燃料包壳在堆内运行过程中会积聚一定量的氢，可能会在上述燃料后端操作过程中发生氢化物应力再取向，从而导致包壳性能脆化，影响转运/运输过程的安全。

氢化物应力再取向是影响乏燃料转运/运输安全的主导性机理。对于压水堆中运行的燃料棒包壳，溶解度范围的氢以固溶方式溶解在包壳内，多余的氢以氢化物的形式存在。当燃料卸料并存入乏燃料水池中后，包壳的平均温度在数年的时间内会维持在50℃以下，大部分在卸料前固溶的氢会析出并形成锆的氢化物。氢化物在燃料棒横截面沿环向分布，如图1所示。当燃料组件从乏燃料水池的湿法贮存转移到干法贮存容器中后，包壳会经历一个温度上升的过程，一部分在乏燃料水池温度下出现的氢化物就会溶解。随着干法贮存过程中环境温度的逐渐降低，氢化物再次析出，在内压引起的包壳周向应力作用下就可能生成径向的氢化物分布，如图2所示。径向氢化物会大幅度降低包壳材料的环向压缩韧性。

临界应变能密度(CSED)是使包壳不发生破损的最大的应变能密度值，该参数考虑了氢化物应力再取向的影响，可用于评价包壳在发生氢化物应力再取向后的韧性特征，并判断包壳在容器跌落事故下是否发生破损。在乏燃料转运/运输容器跌落事故的包壳破损分析中，只要计算获得的包壳最大的应变能密度(strain energy density,下简称SED)不大于临界应变能密度(CSED)，即可认为包壳未发生破损。

在乏燃料转运/运输容器跌落事故分析中，乏燃料包壳破损的临界应变能密度是判断包壳破损的关键参数。乏燃料包壳破损的临界应变能密度(CSED)与乏燃料包壳的氢含量和径向氢化物物比例(或径向氢化物连续性系数)等因素有关。在乏燃料转运/运输容器跌落分析领域，获取该参数的主要途径是建立包壳耦合氢化物的三维模型并进行断裂分析，其计算结果是否准确很大程度依赖于计算人员的断裂力学基础以及对氢化物分布的准确建模，因而在工程应用中存在局限性。

发明内容

针对目前乏燃料包壳破损的临界应变能密度的计算所存在的问题，本发明的目的是提出一种获取临界应变能密度的方法，从原理上规避包壳氢化物建模和断裂分析过程，降低计算的难度，提高计算的准确性。

为达到以上目的，本专利提出一种通过乏燃料包壳环向压缩试验计算临界应变能密度(CSED)的方法。该方法结合了力学试验和有限元建模分析，通过乏燃料包壳的环向压缩试验，获取具有径向氢化物的乏燃料包壳试样受压开裂过程的载荷-位移曲线和开裂时的压缩位移。通过有限元分析软件模拟该试样的环向压缩试验过程，对比载荷-位移曲线所显示开裂时的压缩位移，计算获取试样在开裂时的应变能密度(SED)。该应变能密度(SED)即为乏燃料包壳试样所处状态的临界应变能密度(CSED)。

具体的，本发明采用的技术方案是一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法包括如下步骤：

步骤S1，选取具有径向氢化物的一段乏燃料包壳作为待测试样，所述乏燃料包壳应本身具有径向氢化物，或通过预制的方法生成径向氢化物；