弥散核燃料元件辐照损伤作用下的细观热力耦合行为研究

弥散核燃料元件由燃料芯体及金属包壳组成，芯体是由核燃料颗粒弥散分布在基体中构成的复合燃料。由于其可承受的燃耗更高，在第四代先进核反应堆及核废料处理领域具有非常好的应用前景。对其服役行为进行预测，考虑基体和包壳材料的辐照损伤效应非常重要。本研究基于大变形热弹塑性本构理论，着重引入核结构材料在堆内超常环境中的辐照损伤效应：辐照硬化、辐照蠕变、辐照生长和辐照肿胀，分别建立基体和包壳材料的三维大变形本构关系；建立对元件辐照损伤作用下的细观热力耦合行为演化进行数值预测的方法和程序；通过元件辐照后检验获取数据，验证方法、程序的有效性；结合辐照后检验结果，分析核结构材料堆内破坏的机理及条件；考察芯体颗粒大小、体积含量、分布形式及辐照和工况条件对元件堆内细观热力耦合行为的影响。本研究将发展材料在辐照条件下的大变形本构模型，为弥散核燃料元件设计提供理论基础和计算手段，具有科学意义且具重要工程应用价值。

金属基板型弥散核燃料元件由金属基弥散核燃料芯体和金属包壳组成。金属基弥散核燃料芯体由核燃料颗粒弥散分布在金属基体中构成。相对于目前核电站所用的核燃料元件，金属基弥散核燃料元件具有高热导，可以达到高燃耗，具有高的经济性和安全性，在先进核反应堆和核废料处理领域具有良好的发展前景。为了对弥散核燃料元件的堆内性能进行安全评估和优化设计，本项目建立了对元件细观尺度下的辐照热力耦合行为进行数值模拟的两种方法。分别考虑金属基体材料的辐照硬化、辐照蠕变效应，考虑金属包壳材料的辐照硬化、辐照蠕变和辐照生长效应，推导出其率形式的大变形本构关系和切线刚度模量，编制程序、建立了一种模拟方法。利用更新的拉格朗日方法，建立温度场、增量位移场所满足的微分控制方程，推导出其等效积分形式的弱形式、及有限元迭代求解的迭代格式；推导出针对对数应变增量的应力更新算法和一致刚度模量；编制用户材料子程序、建立了另一种模拟方法。对板型弥散核燃料元件进行辐照后检验，测量主要的尺寸变化和基体材料破坏的形式；对辐照元件建模所得数值模拟结果与辐照试验结果基本一致，验证了程序的正确性，并确定基体中的等效辐照蠕变是导致基体破坏的主要原因。针对不同的颗粒大小、体积含量、分布形式、裂变率及冷却剂温度，考虑裂变碎片损伤区，建立了有限元模型，计算了辐照热力耦合行为随燃耗发展变化的情况，分析了芯体微观结构和工况条件的影响；并计算分析了辐照损伤效应对计算结果的影响。本研究为弥散核燃料元件的辐照热力耦合行为研究奠定了理论基础、提供了计算手段，为弥散核燃料元件的优化设计提供了数值参考依据。