[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

说明书

本发明公布了UO2/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法，其为了研究核燃料裂变破碎过程中的受力情况，并为高性能核试验堆的设计提供理论指导，本发明基于ANSYS LS‑DYNA软件，通过Johoson‑Cook失效准则模拟了单片式核燃料裂变受到裂变气体迭代冲击作用下破碎的过程，结果表明，在孔内气体压强冲击达到最高800MPa的连续冲击过程中，由于应力集中与叠加的综合作用，裂变气体将沿着临界应力分布最大值的路径，即相邻裂变气孔中心的连线前进，并在核燃料板进行裂变反应的同时发生二次、三次等迭代式的裂变冲击，使得破坏路径主要沿相邻圆孔中心连线的部位进行扩展，有限元分析结果可定量分析气孔裂变爆炸过程中的应力与变形情况。

技术领域

本发明涉及UO₂/Zr单片式核燃料裂变破碎过程的有限元模拟分析方法。

背景技术

UO₂/Zr单片式燃料板主要由UO₂芯体及锆合金包壳组成，具有结合强度 好，界面化学反应小等优点，在高性能研究核试验堆中具有良好的发展前景。在 反应堆内辐照环境下，燃料元件会经历复杂的多场耦合及多尺度关联的服役环境， 从而导致该燃料板破碎失效，其主要的破坏作用是在板内的孔隙聚集高温裂变气 体发生迭代式爆炸冲击。这些爆炸气体的冲击对燃料板不造成失效等影响，是保 证燃料元件正常运行的前提，故对该板在爆炸冲击条件下的应力和应变分析具有 重要的工程意义和经济价值。对UO₂/Zr片式燃料板进行爆炸冲击实验是最为直 接的研究途径，然而由于爆炸实验条件的差异性、复杂性和不可复制性等，以及 由于爆炸实验所需的人力、物力和财力投入较大等方面的限制，目前进行相应的 爆炸冲击实验仍然存在巨大的挑战。

与此相对，利用有限元模拟技术对工程部件在工况条件下可能发生的物 理、化学或力学等方面性质的变化进行计算模拟，可极大地提高工程设计的效率， 节约大量的人力和物力资源，已经引起了人们的广泛关注

发明内容

针对现有技术中存在的问题，为了定量分析气孔裂变爆炸过程中的应力 与变形情况，本文拟利用模拟仿真技术计算单片式核燃料裂变破碎过程，主要包 括Zr基体多孔UO2颗粒核燃料板模型，以及Zr包壳双孔UO2基体燃料板模型 受到裂变气体迭代冲击作用下的裂纹扩展情况。首先，建立核燃料板模型进行温 度分析，根据温度计算出冲击压力峰值，然后将该冲击压力变化作为冲击载荷边 界条件应用于后续的动力学冲击分析。分析软件为ANSYS LS-DYNA 19.0，核 燃料板包壳采用Zr合金，芯体材料为UO2，本次有限元分析材料模型利用 Johoson-Cook失效准则进行模拟。

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4×10⁸(W/m³)，UO₂的密 度为9600(kg/m³)，Zr的密度为2510(kg/m³)，Zr的比热为270(W/(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，范德尔方程可表示：

p(V-h_sb_VN)＝NkT