49 / 2021-03-29 21:10:12

辐照条件下UO2燃料颗粒的统计强度模型研究

辐照；燃料颗粒；统计强度；开裂温度；开裂比例

高燃耗条件及事故工况下，弥散燃料中一定比例的二氧化铀燃料颗粒开裂，裂变气体释放，最终将会导致燃料元件发生宏观起泡现象，对反应堆的安全运行造成威胁。因此，导致一定比例燃料颗粒发生开裂的温度值可认为是弥散燃料元件起泡失效温度的下限。本研究聚焦辐照条件下燃料颗粒的开裂温度预测，在细观尺度下建立燃料颗粒的开裂力学模型，求解了燃料颗粒中最大拉应力的解析解；进一步地，模型引入燃料颗粒断裂强度的统计分布模型，并结合数值仿真技术，研究燃料颗粒内部裂变气孔尺寸和分布非均匀性对燃料颗粒开裂行为的影响规律，实现对给定退火温度和燃耗条件下，二氧化铀陶瓷燃料颗粒的开裂概率。基于文献报道的弥散燃料辐照后的气孔体积分数ρ_g、平均气孔半径R_g、弹性模量E、泊松比υ、裂变碎片损伤层厚度及断裂强度σ_b等实验数据，重点分析了燃耗深度、颗粒尺寸、颗粒体积分数等参数对燃料颗粒开裂温度的影响规律。结果表明：随着燃耗加深，气孔率增大，燃料颗粒的辐照开裂温度迅速降低；燃料颗粒开裂温度随其在芯体中的体积分数增大而近乎线性降低；一定程度增大燃料颗粒尺寸可提高其开裂温度；基于本模型，可实现给定退火温度和燃耗条件下，燃料芯体中燃料颗粒开裂比例的预测。本研究将为弥散燃料元件的辐照性能评估及优化设计提供理论支撑。