[发明专利]UO2/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法

权利要求书

1.UO₂/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法，其包括以下步骤：

S1、假设在气体裂变过程中产生高温，高温膨胀带来的脉冲载荷会对核燃料产生冲击和破坏，将裂变气体假设为内热源，热生成率为4×10⁸W/m³，UO₂的密度为9600kg/m³，Zr的密度为2510kg/m³，Zr的比热为270W/(m.K)；

S2、温度求解中，将几何模型等效为圆柱体，根据轴对称简化进行二维平面分析；内孔半径为1mm，UO₂的直径为5mm，Zr基体的尺寸为10mm×20mm，Zr的边界给予恒温300℃；

S3、依据裂变传热模型及相关标准，利用ANSYS有限元软件求解出核燃料板裂变发生3ms后核燃料板温度分布；

S4、根据修正的范德瓦尔方程可以求得一定温度和体积下的内部压力，修正的范德瓦尔方程可表示：

p(V-h_sb_VN)＝NkT (1)

其中，p为气体压强，也即为所求冲击载荷，单位Pa；V为气体体积，V的单位为m³；h_s＝0.6，为无量纲常数；b_V＝8.5×10^-29m³，为裂变气体Xe的范德瓦尔常数；k＝1.381×10^-23J/K为玻尔兹曼常数；N为总气体原子数；T为裂变中心温度。

2.根据权利要求1所述的UO₂/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法，有限元模型为厚度是0.05mm的1/4扇形薄板模型，有限元模型由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。

3.根据权利要求1所述的UO₂/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法，在S3中，裂变过程中内部气体快速升温，在几毫秒内裂变气孔中心处的温度可达约6117℃，温度升高过程中，气体膨胀进而对周围UO₂产生内高压，在该压力的作用下UO₂和Zr基体产生破碎。

4.根据权利要求1所述的UO₂/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法，在S4中，

方程(1)中可测量的具体数据如下：

裂变气体体积V：根气体单孔的半径1mm，厚度为0.05mm，柱形体积求得为1.57×10^-10m³；

裂变中心温度T：数据为6117.01℃，即6390.16K；

总气体原子数N：由两部分组成，常温状态下的气孔中气体原子数N₁，以及核燃料板裂变生成的气体N₂；

N₁根据标准气体状态方程：

pV＝NRT

其中，p为气体压强，单位Pa；V为气体体积m³；R＝8.314J/(mol/k)为热力学常数；T为裂变中心温度，K；N为总气体原子数；

依据气体体积V，可得气体原子数N₁为9.74×10¹⁷。

5.根据权利要求4所述的UO₂/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法，将计算所得的V、T，N带入修正的范德瓦尔方程(1)，最终求得迭代式冲击载荷的峰值p约为800MPa。