非对称条件下核燃料和包壳堆内瞬态相互作用性能研究

Fuel rods are the main fuel form utilized in current Pressurized Water Reactor nuclear power plants. Operation feedback and irradiation research showed that Pellet-Cladding Mechanical Interaction under asymmetric conditions such as Missing Pellet Surface or pellet chip lodging between pellet and cladding is a potential reason of fuel rods failure. In order to improve the asymmetric conditions simulation capability of current fuel performance code, in this research, the 3D numerical simulation method will be applied for the nuclear fuel rods’ PCMI performance simulation under asymmetric conditions. Considering thermal effects and irradiation effects for the pellet materials and cladding materials, the 3D numerical simulation method for the PCMI thermal-mechanical performance of fuel rods under asymmetric conditions will be established. Considering fuel fragmentation and power transient during the operation time, the PCMI performance of fuel rods under asymmetric conditions will be simulated. Meanwhile, the simulation method will be verified according to the experiment results. The sensitive analysis of some important parameters (the size of missing surface, burnup, power ramp rate, etc) will be carried out, and then the potential mechanism of PCMI failure would be preliminary built. In this research, the 3D numerical simulation method for the PCMI performance of nuclear fuel rods under asymmetrical conditions will be established, the asymmetric conditions simulation ability of current fuel performance code will be improved, the reference information of the fuel rods’ performance prediction, optimization design and operation requirements will be provided.

棒状燃料元件(燃料棒)是当前压水堆核电站的主要燃料形式，核电站运行经验和辐照研究表明芯块掉块、夹块等非对称条件下的芯块-包壳机械相互作用（PCMI）是造成燃料棒破损的潜在原因之一。为弥补当前基于一维轴对称模型的燃料棒性能分析程序在非对称现象模拟方面的缺陷，本研究拟采用三维数值方法对非对称条件下的燃料棒PCMI性能进行模拟研究。本研究在考虑芯块与锆合金包壳辐照损伤效应与热效应的基础上，建立描述非对称条件下燃料棒PCMI热力耦合性能的三维数值模拟方法；考虑反应堆运行过程中芯块开裂及功率瞬态的影响，对非对称条件下燃料棒PCMI性能进行模拟计算；通过实验验证该数值模拟方法的有效性；开展相关参数的敏感性分析，分析此类PCMI失效的潜在机理。本研究将建立非对称条件下燃料棒PCMI热力耦合性能分析的数值模拟方法，以弥补传统燃料棒性能分析程序的不足，为燃料棒的性能预测、优化设计及运行要求提供参考依据。

棒状燃料组件是当前压水堆核电站的主要燃料形式，核电站运行经验和辐照研究表明芯块掉块、夹块等非对称条件下的芯块-包壳机械相互作用（PCMI）是造成燃料棒破损的潜在原因之一。为弥补当前基于一维轴对称模型的燃料棒性能分析程序在非对称现象模拟方面的缺陷，本课题分别基于理论和实验对非对称条件下的燃料棒PCMI性能进行了研究。.在理论研究方面，本课题以建立的燃料芯块和包壳本构模型及应力更新算法为基础，采用有限元分析软件ABAQUS作为通用平台进行二次开发，构建了三维燃料辐照-热-力耦合框架，开发了三维燃料性能分析程序。针对典型算例与一维半燃料性能分析程序COPERNIC进行对比，验证了程序开发的正确性，并模拟了芯块掉块这类典型非对称条件下的燃料棒PCMI现象，分析了对热学、力学性能影响的机理。研究了不同掉块尺寸对燃料棒热-力学行为的影响，掉块深度越大，芯块最高温度越高，包壳最大压应力也越大，本研究还表明，在循环中期由于芯块掉块引起的包壳应力增加最为明显。.在实验研究方面，本课题建立了国内首个锆合金包壳管堆外芯轴膨胀实验台架，采用“CCD成像+氧含量激增测量”实现了薄壁圆管包壳加载变形过程中精准、实时的失效判定与应变测量，并对我国自主研发的N36锆合金开展了芯轴膨胀实验，获得了应变速率和碘环境对于N36锆合金失效行为的影响，大应变速率会增加包壳失效时的应变，而碘环境则会造成碘致应力腐蚀现象，使得包壳失效时的应变降低。本课题还结合芯轴膨胀实验数据开展了ABAQUS数值模拟方法研究芯块缺口附近的包壳呈明显应变，在芯块缺口附近出现应力峰值。.本课题通过对非对称下燃料棒PCMI性能的数值模拟方法和实验方法的建立，可为研究新锆合金包壳材料的PCMI性能提供有力的支撑。