博士生邓阳斌获得陕西省优秀博士论文 - 巫英伟的个人主页空间 - 巫 英伟
基于全堆芯燃料性能分析的压水堆UO2-SiC燃料棒优化设计与失效概率研究
一、研究背景
福岛事故后,研发事故容错燃料以提升反应堆事故抵抗能力、延长事故不干预时间,成为了国际研究的前沿。碳化硅(SiC)拥有良好的中子经济性、高温强度、抗氧化性等优点,是最具前景的事故容错包壳之一。作为陶瓷材料,脆性失效是困扰SiC包壳工程应用的关键问题。然而,复杂的材料结构、严苛的工作环境和失效不确定性特征,使得SiC包壳失效评估成为了一项国际性难题,要求对现有燃料分析的数学模型、求解算法和评价手段都做出革新。
二、文章亮点
(1)基于SiC材料堆内辐照实验数据调研,建立了UO2-SiC燃料元件的核-热-力耦合分析模型,深入剖析了包壳脆性失效的潜在影响因素,揭示了多因素协同作用致SiC包壳失效机制,提出了潜在降低包壳失效概率的UO2-SiC燃料元件优化设计方案。
表1 UO2-SiC燃料元件优化设计方案
参数 |
数值/单位 |
参数 |
数值/单位 |
反应堆电功率 |
3587 MWth |
元件初始充压 |
2.41 MPa |
堆芯平均线功率密度 |
19.28 kW·m-1 |
元件上腔式长度 |
17.5 cm |
冷却剂进口温度 |
565.7 K |
CVD层厚度(外层) |
250 μm |
冷却剂压力 |
15.51 MPa |
CMC层厚度(内层) |
450 μm |
冷却剂进口质量流量 |
3434 kg·m-2·s-1 |
环形芯块内径 |
0.916 mm |
功率峰值因子 |
1.8 |
BeO添加物体积份额 |
5.0 % |
燃料棒总数 |
50952 |
燃料富集度 |
4.8 % |
包壳外径 |
9.76 mm |
堆芯一体化可燃毒物份额 |
30 % |
芯块-包壳气隙宽度 |
84.0 μm |
ZrB2中B-10的富集度 |
92.7 % |
燃料活性区长度 |
3.6576 m |
ZrB2层厚度 |
7.0 μm |
燃料理论密度 |
95.7 % |
ZrB2的理论密度 |
90 % |
(2)针对SiC复合包壳的多层结构的强非线性平面应变问题,开发了边界递归求解算法,在保持求解精度的同时,使求解速度相对有限元算法提升2-3个数量级,为大规模(100万棒次量级)的堆芯级别的pin-by-pin燃料分析奠定了技术基础。
图1 全堆芯包壳CMC材料层最大应力分布
(3)充分考虑CVD型和CMC型SiC材料特点,提出了具有实际工程意义的多层SiC复合包壳泄漏失效和破损失效的数学定义,并基于此开发了堆芯尺度的燃料包壳失效不确定性评价方法,丰富了SiC包壳概率风险评估理论。
图2 CMC材料类塑性参数对CVD失效概率的影响
(4)开展了全堆芯燃料Pin-by-pin多物理场耦合分析与失效不确定性评价,获得了全堆芯尺度的SiC包壳失效概率图,极大地提升了国内外对SiC包壳安全特性的认知水平,为SiC包壳的工程应用提供了重要的数据支撑。
图3 全堆芯燃料棒SiC包壳泄漏概率统计
三、展望
(1)开展SiC复合材料开展三维综合力学实验,开发精确的材料物性和非线性力学模型,揭示SiC复合包壳裂纹萌生-裂纹扩展-基体失效-纤维束失效的复杂失效机理,建立多轴应力致SiC复合材料的失效准则。
(2)基于先进离散元方法开展UO2-SiC燃料芯块重定位高保真数值模拟,开发重定位及恢复机理模型,揭示重定位对PCMI致包壳失效的影响机制,进一步寻缓解甚至消除PCMI致包壳失效的潜在方法。
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