[发明专利]金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法

权利要求书

1.一种金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在COMSOL中建立辐照过程中金属燃料多物理场耦合模型并耦合，在COMSOL中求解获得金属燃料辐照早期的燃料芯体最外侧的温度随时间的变化值；

金属燃料多物理场耦合模型包括燃料芯体与包壳的力学模型，燃料芯体的裂变气体模型，燃料芯体、间隙冷却剂和包壳的传热模型；

所述力学模型与裂变气体模型的耦合包括气泡所受的静水压P_h与气泡半径r_b的耦合、裂变气体孔隙率p对燃料芯体杨氏模量E的耦合、裂变气体肿胀swell对燃料芯体应变ε的耦合、燃料芯体释放的裂变气体对包壳的压力的耦合；

所述力学模型与传热模型的耦合包括材料物性与温度T的耦合、热膨胀导致的应变ε_th与温度T的耦合、蠕变导致的应变ε_cr与温度T的耦合；材料物性包括导热系数k、杨氏模量E、泊松比v；

所述裂变气体模型与传热模型的耦合包括裂变气体孔隙率p与燃料芯体导热系数k的耦合；

S2、导出步骤S1中获得的燃料芯体最外侧的温度随时间的变化值，通过最小二乘法拟合燃料芯体最外侧的温度，获得温度函数；

S3、去除步骤S1中金属燃料多物理场耦合模型中的间隙冷却剂传热模型，并将步骤S2所得的金属燃料最外侧的温度函数作为燃料芯体传热模型的边界条件，从而求解获得整个辐照过程中的金属燃料辐照性能参数。

2.根据权利要求1所述的金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法，其特征在于，步骤S1中，所述金属燃料辐照早期为燃料芯体与包壳接触前；

所述耦合包括所述力学模型、裂变气体模型与传热模型之间的两两耦合。

3.根据权利要求1所述的金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法，其特征在于，所述燃料芯体与包壳的力学模型采用COMSOL的固体力学模块，假设燃料芯体和包壳为轴对称模型并采用平面应变假设，同时还考虑燃料芯体中固体裂变产物导致的肿胀、燃料芯体与包壳的热膨胀及蠕变。

4.根据权利要求2所述的金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法，其特征在于，所述燃料芯体的裂变气体模型包括裂变气体导致的肿胀及裂变气体的释放；

所述裂变气体导致的裂变气体释放关系式如下式(1)：

其中，f为裂变气体释放比例；Bu为燃料棒的燃耗，单位at.％；

所述裂变气体导致的肿胀关系式如下：

PV＝nRT (4)

其中，swell为裂变气体导致的肿胀，单位m³；r_b为裂变气体气泡的半径，单位m；C_b为裂变气体气泡的体积密度，单位1/m³；γ为表面能，单位N/m；P_h为气泡所受的静水压，单位Pa；σ_r、σ_θ、σ_z为主应力；frate为单位体积燃料裂变速率，1/s/m³；yield为裂变产生气体原子的产额；

结合V＝4/3πr_b³C_b，r_b的计算通过将式(2)、气泡的力学平衡方程(5)及式(7)代入理想气体状态方程(4)所得，如上式(8)。

5.根据权利要求4所述的金属冷却快堆金属燃料多物理场模型耦合方法，其特征在于，气泡所受的静水压P_h与气泡半径r_b的耦合如所述式(8)；

裂变气体孔隙率p对燃料芯体杨氏模量E的耦合如下式(9)：

E＝E₀(1-p)² (9)

其中E₀为初始燃料芯体的杨氏模量；

裂变气体肿胀swell对燃料芯体应变ε的耦合如下式(10)：