高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

弥散型板状燃料元件跨尺度耦合特性计算与分析

向烽瑞 贺亚男 巫英伟 秋穗正 苏光辉

向烽瑞, 贺亚男, 巫英伟, 秋穗正, 苏光辉. 弥散型板状燃料元件跨尺度耦合特性计算与分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 93-101. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0093
引用本文: 向烽瑞, 贺亚男, 巫英伟, 秋穗正, 苏光辉. 弥散型板状燃料元件跨尺度耦合特性计算与分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 93-101. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0093
Xiang Fengrui, He Yanan, Wu Yingwei, Qiu Suizheng, Su Guanghui. Calculation and Analysis of Multiscale Coupling of Dispersion Plate-type Fuel[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 93-101. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0093
Citation: Xiang Fengrui, He Yanan, Wu Yingwei, Qiu Suizheng, Su Guanghui. Calculation and Analysis of Multiscale Coupling of Dispersion Plate-type Fuel[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 93-101. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0093

弥散型板状燃料元件跨尺度耦合特性计算与分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0093
基金项目: 中核集团领创科研项目
详细信息
    作者简介:

    向烽瑞(1996—),男,博士研究生,现主要从事核燃料数值模拟与多物理场耦合分析研究,E-mail: xelver@stu.xjtu.edu.cn

    通讯作者:

    贺亚男,E-mail: heyanan@xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL333

Calculation and Analysis of Multiscale Coupling of Dispersion Plate-type Fuel

  • 摘要: 弥散型板状燃料两相弥散材料的多尺度特点对其性能研究提出了挑战。为准确分析与评价U3Si2/Al弥散型板状燃料在堆内的性能,在已有的U3Si2/Al弥散型芯体的等效物性、行为模型基础上,针对等效芯体较为复杂的蠕变特性,建立其蠕变衰减系数模型以准确模拟两相复合材料的蠕变行为。同时,构建了三维燃料板模型、一维颗粒球模型,并提出了将三维燃料板模型与一维颗粒球模型耦合的跨尺度耦合方法,以在宏观分析的同时,获取燃料芯体各部位微观颗粒行为。基于跨尺度多物理场耦合分析工具,开展针对弥散型燃料的多物理场分析,并对燃料颗粒的尺寸与体积份额的影响进行了评估。结果显示,增加颗粒的尺寸和体积份额只略微提高燃料中心温度,影响可忽略;当体积份额从30%提升到40%时,燃料颗粒应力增加11.6%。

     

  • 图  1  MMC蠕变衰减系数与颗粒体积份额的关系

    Figure  1.  Relationship Between MMC Creep Reduction Factor and Particle Volume Fraction

    图  2  RVE模型与不同等效单元模型在蠕变作用下的应变变化

    Figure  2.  Strain Variation under Creep for RVE and Different Equivalent Models

    图  3  跨尺度耦合示意图

    Figure  3.  Schematic Diagram of Multi-Scale Coupling

    图  4  跨尺度耦合验证算例模型

    Figure  4.  Verification Models for Multi-Scale Coupling

    图  5  跨尺度耦合模型计算结果同其他模型的对比

    Figure  5.  Comparison of Calculation Results of Multi-scale Coupling Model with Other Models

    图  6  各模型燃料颗粒与基体界面处径向与环向应力对比

    Figure  6.  Comparison of Radial and Hoop Stresses at the Fuel Particle-Matrix Interface for Each Model

    图  7  1/8 JRR-3M标准燃料元件示意图

    Figure  7.  Schematic Diagram of 1/8 JRR-3M Standard Fuel Element

    图  8  等效芯体静水压力分布及其关键部位微观颗粒径向应力分布

    ADEFGH—关键部位编号

    Figure  8.  Hydrostatic Pressure Distribution of the Equivalent Fuel Meat and Radial Stress Distribution of Microscopic Particles at Key Locations

    图  9  各位置处燃料径向应力随燃料板最高燃耗的变化

    Figure  9.  Variation of Fuel Radial Stress at Various Positions with Maximum Burnup of Fuel Plate

    图  10  A点各应力随燃耗的变化

    Figure  10.  Variation of Stresses at Point A with Burnup

    图  11  不同燃料颗粒半径下宏观芯体中心颗粒温度分布

    Figure  11.  Distribution of Particle Temperature at the Center of Macroscopic Fuel Meat for Different Fuel Particle Radii

    图  12  不同燃料颗粒半径下宏观芯体A点处燃料应力随燃耗的变化

    Figure  12.  Variation of Fuel Stress at Point A in the Macroscopic Fuel Meat with Burnup for Different Fuel Particle Radii

    图  13  不同体积份额下芯体中心处一维颗粒温度分布

    Figure  13.  Temperature Distribution of One-Dimensional Particle at the Fuel Meat Center under Different Volume Fraction

    图  14  不同体积份额下芯体中心体应变随燃耗的变化

    Figure  14.  Variation of Fuel Meat Center Volumetric Strainwith Burnup under Different Volume Fraction

    图  15  不同体积份额下芯体应力最大点(A点)应力随燃耗变化

    Figure  15.  Variation of Stress with Burnup at the Maximum Stress Point (A) of the Fuel Meat under Different Volume Fraction

    图  16  包壳B点VonMises应力随燃耗的变化

    Figure  16.  Variation of Von Mises Stress with Burnup at Point B of the Fuel Cladding

    图  17  A点燃料颗粒的径向应力随燃耗变化

    Figure  17.  Variation of Radial Stress with Burnup at Point A of Fuel Particle

    表  1  跨尺度耦合方法综合验证算例输入参数

    Table  1.   Input Parameters for Verification Cases of Multi-Scale Coupling Method

    参数名 参数值
    体积份额/% 40
    颗粒尺寸/μm 25
    压力/MPa 300
    温度/K 400
    裂变率/ (s−1·cm−3) 1.2×1014
    时间/s 1×107
    最大燃耗/%FIMA(FIMA表示已裂变
    原子数与初始的总装料金属原子数之比)
    10.0
    下载: 导出CSV

    表  2  跨尺度耦合模拟输入参数

    Table  2.   Input Parameters for Multi-Scale Coupling Simulation

    参数名参数值
    芯体等效体功率/(W·m−3)3.68636×109×cos[(y/0.77)×3.14)]
    yY轴坐标,m)
    最大快中子注量率/(m−2·s−1)2.0×1018
    最大燃耗/%FIMA20
    冷却剂温度/K313.15
    对流换热系数/(W·m−2·K−1)25000
    冷却剂压力/MPa0.152
    下载: 导出CSV
  • [1] DENG Y B, WU Y W, ZHANG D L, et al. Thermal-mechanical coupling behavior analysis on metal-matrix dispersed plate-type fuel[J]. Progress in Nuclear Energy, 2017, 95: 8-22. doi: 10.1016/j.pnucene.2016.11.007
    [2] ZHAO Y M, GONG X, DING S R, et al. A numerical method for simulating the non-homogeneous irradiation effects in full-sized dispersion nuclear fuel plates[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2014, 81: 174-183. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2014.02.012
    [3] 严晓青. 弥散型核燃料板辐照力学行为的数值模拟[D]. 上海: 复旦大学,2009.
    [4] JEONG G Y, KIM Y S, PARK J. Analytical local stress model for UMo/Al dispersion fuel[J]. Journal of Nuclear Materials, 2020, 528: 151881. doi: 10.1016/j.jnucmat.2019.151881
    [5] JEONG G Y, KIM Y S, SOHN D S. Mechanical analysis of UMo/Al dispersion fuel[J]. Journal of Nuclear Materials, 2015, 466: 509-521.
    [6] REST J, HOFMAN G L. DART model for irradiation-induced swelling of uranium silicide dispersion fuel elements[J]. Nuclear Technology, 1999, 126(1): 88-101. doi: 10.13182/NT99-A2960
    [7] DAVIS L C, ALLISON J E. Micromechanics effects in creep of metal-matrix composites[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1995, 26(12): 3081-3089. doi: 10.1007/BF02669438
    [8] KRAJEWSKI P E, ALLISON J E, JONES J W. The effect of SiC particle reinforcement on the creep behavior of 2080 aluminum[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1997, 28(3): 611-620. doi: 10.1007/s11661-997-0046-1
    [9] ZHANG J, WANG H Y, WEI H Y, et al. Modelling of effective irradiation swelling for inert matrix fuels[J]. Nuclear Engineering and Technology, 2021, 53(8): 2616-2628. doi: 10.1016/j.net.2021.02.019
  • 加载中
图(17) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  29
  • HTML全文浏览量:  9
  • PDF下载量:  11
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-23
  • 修回日期:  2024-09-30
  • 刊出日期:  2025-01-06

目录

    /

    返回文章
    返回