《單片型UMo合金核燃料元件的界面破壞機理研究》是依託復旦大學，由丁淑蓉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：單片型UMo合金核燃料元件的界面破壞機理研究
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：丁淑蓉
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
UMo合金燃料元件在先進核反應堆中具有良好的套用前景。本研究考慮UMo核燃料中重溶、亞晶化效應以及外界靜壓的影響，建立時變輻照條件下裂變氣體腫脹理論模型和計算方法；將核燃料巨觀球形應力張量與裂變氣體腫脹相耦合，重點考慮輻照腫脹和蠕變效應，建立其三維大變形本構、應力更新算法和一致剛度模量；考慮隨時間、空間變化的輻照條件及裂變氣體腫脹對熱導率的影響，編制定義元件內各部分材料（核燃料、包殼）的熱力學本構關係的用戶材料子程式，建立元件堆內熱力耦合行為的計算方法；針對輻照測試的核燃料元件建模，將元件的一些計算結果與輻照試驗結果進行對比分析，獲得有效的理論模型和模擬方法；計算核燃料芯體與包殼之間的界面應力分布和演化規律，並結合輻照試驗的界面堆內破壞現象和元件等靜壓加工所獲界面強度分布情況，分析元件界面坡壞機理。此研究可為UMo元件的堆內行為預測提供理論模型和計算方法、為其先進制造奠定基礎。
結題摘要
UMo合金燃料具有鈾密度高、輻照性能穩定及中子吸收截面小的特點，在未來先進核反應堆中具有良好的套用前景。本研究考慮核燃料晶內、晶界氣泡中的裂變氣體原子重溶效應、亞晶化效應及時變輻照條件所導致的裂變氣體原子產生率及擴散係數的時變性，基於拉普拉斯變換及反變換建立了晶界氣體原子面濃度及其變化率的理論模型及計算方法，繼而考慮外界靜壓的影響獲得裂變氣體腫脹的計算模型。將應力張量球形部分的更新與裂變氣體腫脹計算相耦合，將應力張量偏斜部分的更新與輻照蠕變計算相關聯，推導出了UMo燃料的三維大變形本構、應力更新算法及一致剛度模量。考慮燃料的多孔結構、孔壓、孔半徑和表面張力的影響，建立了燃料細觀正應力的計算模型。進而考慮隨時間及空間變化的輻照條件編制了定義UMo合金燃料元件各部分材料熱-力學本構關係的用戶材料子程式，實現了元件輻照熱力耦合行為的計算模擬。對單片型UMo/Al元件的輻照實驗進行了數值模擬，所獲得的元件厚度變化結果與實驗結果符合很好，驗證了模型、算法及程式的正確性，並對元件的輻照熱力耦合行為進行了影響因素分析。分別對UMo/Al及UMo/Zr的塑性加工過程及堆內輻照下的界面細觀應力分布及演化行為進行了數值模擬，發現UMo/Al的界面破壞與界面層化學反應所產生的氣孔及孔壓密切相關，與其界面強度弱也有關，因為UMo/Zr元件軋制加工過程中的芯體與包殼最大接觸壓力為UMo/Al元件等靜壓加工過程所得接觸壓力的2-3倍多。為了防止UMo芯體與Al包殼產生化學反應，工程實際已經製造出含Zr層的UMo/Al燃料元件（在UMo表面包覆了Zr層），進一步的輻照實驗發現近UMo/Zr界面處的芯體會產生破壞。本研究考慮UMo的多孔結構、氣孔內壓及輻照蠕變損傷的影響，基於不同燃耗下的UMo彎曲強度實驗結果，又建立了UMo的細觀強度模型，很好地預測了含鋯層UMo/Al單片式燃料元件的芯體破壞位置及開裂燃耗，得出近界面芯體的破壞除了與多孔結構及氣孔內壓有關外，輻照蠕變損傷起了關鍵作用。本研究為UMo合金燃料元件的服役行為預測提供了理論模型及計算手段，可以為元件的先進制造及最佳化設計奠定基礎。
