[发明专利]核燃料裂变破碎过程中动力学受力分析方法

说明书

本发明公布了UO2/Zr核燃料板裂变力学分析有限元模型，模型由Zr合金基体、两个UO2芯体颗粒、及包覆于UO2芯体的裂变气孔组成；UO2/Zr核燃料板裂变模型为1/4圆形的扇形薄板结构；燃料板外部为Zr合金包壳，内部为UO2芯体，同时夹杂以UO2、Zr的小型颗粒和气孔等。将气孔、UO2和Zr颗粒均假设为球形，故符合轴对称问题，可以简化为平面问题，为实现在LS‑DYNA中施加面载荷，以球心为中心点建立薄片三维体为几何模型，厚度方向仅划分一层单元，进而大幅度减小有限元计算量，提升有限元求解速度。

技术领域

本发明涉及一种核燃料裂变破碎过程中动力学受力分析方法。

背景技术

目前商用的核反应堆最核心的部件即为燃料组件，而Zr和UO₂是常用的核材料，其一般是由单片式的UO₂/Zr燃料板组成。该组件类似于金属基的复合材料，即是由微米尺度的UO₂颗粒弥散分布于Zr基体合金的内部而成，所采取的制备工艺一般分为球磨制粉、混料、热等静压以及后续的挤压或轧制等大变形以降低孔隙率，从而达到控制形状和控制性能的双重目的。然而，在UO₂/Zr单片式燃料板的实际服役过程中，往往面临着严苛的高温、高压和辐照等环境，将不可避免的会在UO₂内部或板内界面处的孔隙聚集大量的高温裂变气体，并在如此复杂的多场耦合作用下，对Zr合金的基体发生迭代式的爆炸冲击作用，会有可能对Zr合金的基体带来塑性损伤甚至破坏的风险。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是建立UO2/Zr核燃料板裂变力学分析有限元模型，通过对模型的分析，判断气体裂变过程不同时刻燃料板等效应力的分布规律与塑性失效破碎情况。

为实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案如下。

UO2/Zr核燃料板裂变力学分析有限元模型，模型由Zr合金基体、两个UO2芯体颗粒、及包覆于UO2芯体的裂变气孔组成。

上述技术方案的进一步改进与优化，UO2/Zr核燃料板裂变模型为1/4圆形的扇形薄板结构。

上述技术方案的进一步改进与优化，薄板结构的厚度为0.05mm，Zr合金基体半径为40mm，UO2芯体颗粒内径为1mm、外径为5mm，并且UO2与Zr合金基体接触，裂变气孔半径为1mm并且包覆于UO2芯体内。

上述技术方案的进一步改进与优化，当核燃料发生裂变过程中，孔内气体冲击压强达到峰值800MPa时，最先受到破坏的是与气孔接触的UO₂颗粒，在双孔UO₂颗粒尺度下，脆性较大的UO₂颗粒绝大部分已破碎，圆孔周围受力大小沿圆周方向基本相同。

上述技术方案的进一步改进与优化，在裂变、爆炸冲击持续作用下，原UO₂颗粒位置的孔受冲击破坏程度进一步扩大，Zr合金基体上，裂变气体沿之前初始时刻应力分布最大值的路径前进破坏，并在核燃料板发生破坏的同时，由于裂变的链式反应特性，产生多次迭代式的裂变冲击。

上述技术方案的进一步改进与优化，当基体燃料板内存在更多的气孔条件下，初始时刻孔的圆周率先产生塑性失效和破碎，随着裂变过程进行，气体冲击持续作用下，圆心连线上易于产生应力集中，该应力集中会率先突破基体的抗压强度使其产生破坏，基体内间隙越多，产生破坏的速度越快。本发明提供的分析方法，可以快速评估气孔数量、分布与大小对核燃料服役行为与可靠性的影响情况，对于后续高性能核燃料的设计与制备具有重要的指导意义。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是。

图1为燃料板有限元模型。

图2为Zr基体双孔UO₂颗粒核燃料板裂变过程不同时刻等效应力分布规律及基体塑性失效破碎情况：（a）0.001s；（b）0.003s；（c）0.006s。