铅冷快堆燃料棒芯块热裂纹机理与数值模拟

发布时间：2021-10-30 20:44

　　核反应堆工作时,燃料棒内的温度最高,导致燃料棒芯块产生很大的热应力与应变,因而燃料棒芯块经常发生径向开裂破坏（龟裂）。采用数值模拟方法分析了燃料棒芯块开裂的力学机理,在ABAQUS软件中用Python语言进行了二次开发,估算了燃料棒芯块的径向开裂情况。发现燃料棒产热功率越大、芯块直径越大,芯块越容易发生径向开裂,开裂块数随着产热功率增加而增加。当芯块直径为7.8 mm时,芯块产热功率为100 MW/m³不会发生开裂。当产热功率为200、300、400 MW/m³时,最小开裂块数为3、4、6块,与工程实际中观察到的燃料芯块裂纹形状与开裂块数基本一致。 

【文章来源】：科学技术与工程. 2020,20(36)北大核心

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

燃料芯块径向开裂有限元分析模型与边界条件

当芯块的产热功率为100 MW/m3,选取中心角θ=360°时,发现在整个升温过程中,燃料芯块受到的最大拉应力均小于σb,此时燃料芯块并未发生开裂。当芯块的产热功率为200 MW/m3,中心角θ=180°时,监测点周向应力会超过σb[图2(a)], 意味着已经开裂的区域的外侧中间区域还会继续发生表面开裂;当中心角θ=120°时,监测点周向应力恰好不会超过σb[图2(b)],意味着已经开裂的区域的外侧中间区域不会继续发生表面开裂,因此当产热功率为200 MW/m3时,燃料芯块的开裂数至少为3块。当芯块的产热功率为300 MW/m3,选取燃料芯块的二维扇形模型的中心角θ=120°、90°时,在整个升温过程中,采用释放边界条件方法计算得到的结构应力云图如图3所示。可以看出在所施加的产热功率为300 MW/m3、中心角θ=120°时,已经开裂的区域的外侧中间区域还会继续发生表面开裂;中心角θ=90°时,已经开裂的区域的外侧中间区域不会继续发生表面开裂,因此产热功率为300 MW/m3时,燃料芯块的开裂数至少为4块[图3(b)]。

当芯块的产热功率为300 MW/m3,选取燃料芯块的二维扇形模型的中心角θ=120°、90°时,在整个升温过程中,采用释放边界条件方法计算得到的结构应力云图如图3所示。可以看出在所施加的产热功率为300 MW/m3,中心角θ=120°时,已经开裂的区域的外侧中间区域还会继续发生表面开裂;中心角θ=90°时,已经开裂的区域的外侧中间区域不会继续发生表面开裂,因此产热功率为300 MW/m3时,燃料芯块的开裂数至少为4块[图3(b)]。当芯块的产热功率为400 MW/m3,选取燃料芯块的二维扇形模型的中心角θ=72°、60°时,得到的结构应力云图如图4所示。可以看出当产热功率为400 MW/m3,中心角θ=72°时,扇形圆周表面中心点会首先达到材料拉伸极限应力,意味着已经开裂的区域的外侧中间区域还会继续发生表面开裂;中心角θ=60°时,圆周表面周向拉应力恰好不会超过极限拉应力,意味着已经开裂的区域的外侧中间区域不会继续发生表面开裂,因此产热率为400 MW/m3时,燃料芯块的开裂数至少为6块[图4(b)]。

【参考文献】：
硕士论文
[1]铅冷快堆核燃料棒热力耦合作用与破坏机理[D]. 王瑾.大连理工大学 2018



本文编号：3467399