[发明专利]一种具有多层各向异性包壳的核燃料棒力学计算方法

说明书

本发明公开了一种具有多层各向异性包壳的核燃料棒力学计算方法，步骤如下：1、针对核燃料棒包壳各向异性材料建立应力应变关系；2、采用1.5维模型沿径向对包壳划分节点，有限差分获得相邻节点应力关系，建立基础矩阵写入程序；3、建立多层包壳间的锁合接触关系，得到边界重合节点应力关系写入程序；4、推导任意节点与边界节点应力关系形成转移矩阵，替换步骤二中基础矩阵；5、对芯块包壳力学相互作用工况引入包壳内壁面接触，正常运行工况引入内壁面压力，将边界条件编入程序；6、引入包壳外壁面压力及轴向宏观力学平衡，将边界条件编入程序；7、运行前述步骤编写的程序，求解具有多层各向异性包壳的核燃料棒的应力、应变和位移。

技术领域

本发明涉及用于新型核反应堆的事故容错燃料的性能分析，特别涉及核燃料棒的多层各向异性包壳的力学计算。

背景技术

核燃料元件是核动力系统的核心部件，其包壳主要用于包容放射性裂变产物，以免工作人员、大众居民和周围环境遭受放射性危害，包壳的几何完整性和功能的完备性是核动力系统安全的基础。

事故容错燃料(ATF)是一种能够提高核反应堆安全性的新型燃料。碳化硅(SiC)复合材料是目前ATF包壳材料的热门选型，具有高温强度高、抗蠕变、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、以及热稳定性好等优点。同时，作为一种新的材料选型，SiC复合包壳也存在很多问题有待研究。在传统的燃料性能分析程序中，通常认为包壳为单层各向同性材料，然而对于SiC复合包壳，这一前提不适用。在数值模拟计算中，现有的各向同性力学模型不能够真实地反映SiC复合包壳的特点，因此，有必要针对新型核燃料棒包壳的多层各向异性的特点建立一套力学计算方法。

本发明展示了一种具有多层各向异性包壳的核燃料棒力学计算方法，考虑了新型材料具有的力学各向异性特点，引入了多层包壳层间关系模型，讨论了燃料芯块包壳力学相互作用(PCMI)这一核燃料关键现象的影响，提供了一种可用于新型核燃料棒力学分析的计算方法。

发明内容

为了准确模拟核燃料棒在核反应堆正常运行和PCMI工况下的力学行为，基于广义平面应变方程和有限差分法提出了一种具有多层各向异性包壳的核燃料棒力学计算方法，可用于一般的燃料性能分析。

为了到达上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有多层各向异性包壳的核燃料棒力学计算方法，针对核燃料设计中的具有多层各向异性特点的包壳，考虑力学各向异性、多层包壳层间关系、燃料芯块-包壳关系，从力学模型出发以微分方程描述物理问题，并对核燃料棒的关键现象进行讨论，进而采用有限差分方法将方程推导转化为数值计算，最终实现对具有多层各向异性包壳的核燃料棒的力学分析；

该方法包括如下步骤：

步骤一：针对核燃料棒包壳的各向异性材料进行弹性力学建模，各向异性材料的应变与应力之间的关系用柔度矩阵描述：

式中：ε_r表示径向应变，ε_θ表示环向应变，ε_z表示轴向应变，σ_r表示径向应力，σ_θ表示环向应力，σ_z表示轴向应力，ε_r'、ε'_θ、ε_z'分别表示径向、环向、轴向的本征应变，E_r、E_θ、E_z分别表示径向、环向、轴向的杨氏模量，ν_θr表示环向-径向泊松比、ν_zr表示轴向-径向泊松比、ν_rθ表示径向-环向泊松比、ν_zθ表示轴向-环向泊松比、ν_rz表示径向-轴向泊松比、ν_θz表示环向-轴向泊松比，其中杨氏模量与泊松比为常数，其值由材料属性决定；