[发明专利]一种计算全陶瓷微封装燃料芯块有效热导率的有限元方法

说明书

本发明涉及一种计算全陶瓷微封装燃料芯块有效热导率的有限元方法。其包括以下步骤：S11)构建多层TRISO颗粒有限元模型；S12)基于球体法，利用有限元计算确定TRISO颗粒有效热导率；S21)根据FCM燃料芯块微结构特征，利用代表性体积单元方法构建其有限元模型；S22)根据傅里叶定律，利用体积平均方法，计算FCM燃料芯块有效热导率。本方法利用有限元模拟实现球体法，进而确定多层TRISO颗粒的有效热导率，可操作性高，准确性高；利用跨尺度等效方法解决了FCM燃料芯块复杂微结构建模与热导率预测问题，降低了模拟难度，提高了计算效率。

技术领域

本发明属于复合材料分析计算领域，具体涉及一种计算全陶瓷微封装燃料芯块有效热导率的有限元方法。

背景技术

全陶瓷微封装燃料(Fully Ceramic Microencapsulated，简称FCM)芯块是一种新型的事故容错燃料，也是典型的复合材料，由SiC基体和分散其中的TRISO颗粒组成。TRISO颗粒具有多层包覆结构，一般为5层，从内到外依次为核心燃料UO₂层，缓冲碳层Buffer层、致密热解碳层IpyC层、SiC层和致密热解碳层OpyC层。这种多层包覆的TRISO燃料颗粒弥散于SiC基体中形成的FCM核燃料芯块，具有良好的结构稳定性和裂变产物容纳性能，是事故容错燃料的主要研究方向之一。但由于TRISO颗粒复杂的多层包覆结构，目前对其热导率的预测还没有有效的方法，因而使得FCM核燃料芯块热导率的预测也成为难点。

发明内容

为解决上述问题，本发明利用有限元方法，提出了利用球体法预测TRISO颗粒有效热导率的方法；同时，提出了FCM核燃料芯块等效代表性体积单元，计算其热导率的方法。

本发明一个方面提供了一种TRISO颗粒的有效热导率预测方法，其包括以下步骤：

S11)根据TRISO颗粒多层微结构特征，构建多层TRISO颗粒有限元模型；

S12)基于球体法，利用有限元方法确定TRISO颗粒有效热导率。

在本发明的一些实施例中，步骤S11)为建立具有稳态热传导的TRISO颗粒简化模型，在简化模型中TRISO颗粒被设定为多层球体，在距离球心r₁距离形成的内球壁上施加t₁温度，并在距离球心r₂距离形成的外球壁上施加t₂温度，形成温度梯度，实现稳态热传导；然后进行网格划分，利用有限元计算获取流过内球壁或外球壁的热量。

在本发明的一些实施例中，步骤S12)为利用球体法，确定TRISO颗粒等效热导率，计算公式为：

式中：λ_T为球壁导热模型中内球壁和外球壁之间材料的热导率；Q为流过内球壁或外球壁的热量；r₁为内球壁的半径，r₂为外球壁的半径；Δt为施加在内球壁和外球壁之间的温差，即t₁与t₂的差值；其中，t₁大于t₂，r₂大于r₁。

在本发明的一些实施例中，步骤S11)中流过内球壁或外球壁的热量通过以下公式计算：

Q＝qA (1-2)

式中：q为热流密度；A为热流截面积。

在本发明的一些实施例中，步骤S11)中TRISO颗粒简化模型中选择八分之一、四分之一或二分之一的TRISO颗粒建立模型。

在本发明的一些实施例中，r₂与r₁比值大于5000。

本发明另一方面提供了一种FCM燃料芯块热的有效热导率预测方法，其包括以下步骤：