基于弥散燃料颗粒开裂的金属基体裂纹特征模型

发布时间：2021-07-07 23:31

　　金属基弥散燃料元件在特殊工况下会发生表面起泡失效。燃料颗粒开裂是金属基体开裂的前提条件,只有当金属基体开裂后元件才会发生表面起泡。燃料颗粒开裂后,裂纹宽度和塑性区长度等裂纹特征决定了金属基体开裂行为。基于弹塑性断裂力学和应力平衡条件,建立了基于弥散燃料颗粒开裂的金属基体裂纹特征模型。计算结果表明:裂纹张开位移随退火温度和燃耗深度的升高而增加;裂纹尖端塑性区长度主要与退火温度相关。裂纹张开位移和塑性区长度的计算结果与实验数据均符合较好,验证了金属基体裂纹特征模型的有效性。 

【文章来源】：原子能科学技术. 2020,54(02)北大核心EICSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

弹塑性裂纹Dugdale受力分析模型

气体压力会导致裂纹面在轴向发生应变,从而形成裂纹张开位移。由于裂纹面主要由燃料颗粒组成,而燃料颗粒的力学性能与金属基体相差较大,弹塑性Dugdale模型不适用于裂纹张开位移计算。在气体压力的作用下,裂纹面上部分的燃料芯体会受到压应力,而在裂纹面之外的金属基体(包括塑性变形区和弹性区)会对裂纹面上部分的燃料芯体产生拉应力,使燃料芯体保持应力平衡,如图2所示。因此,可根据应力平衡条件,计算由于裂纹气体压力引起的裂纹张开位移。根据燃料芯体在垂直于裂纹面方向(z轴)上的应力平衡可知:

2.1 金属基体裂纹特征模型的计算结果裂纹张开位移和塑性区长度与裂变气体释放量和退火温度等因素相关,而裂变气体释放量又与燃耗深度和退火温度等相关。通过建立的模型可计算退火温度等因素对裂纹特征的影响规律。图3为燃耗深度为10%时,退火温度对裂纹张开位移和塑性区长度影响的计算结果。由图3可知,随着退火温度的升高,塑性区长度和裂纹张开位移均增加。这是因为当退火温度升高时,金属基体的屈服强度降低,为保证燃料芯体内裂纹平行面上的应力平衡,裂纹面的气体压力会随之降低。在裂变气体释放量保持不变以及温度逐渐升高的条件下,欲使裂纹气体压力降低,只有增加裂纹张开位移。因此,退火温度增加会导致裂纹张开位移增加,且增加速率随温度的升高逐渐变大。同样,由于金属基体的屈服强度随温度的升高而降低,这会导致裂纹尖端塑性区向弹性区扩展,因而塑性区长度随退火温度的升高而增大。


本文编号：3270576