非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的建模和應力分析方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的建模方法和應力分析方法，包括：根據形狀特點，將非球形的燃料顆粒劃分為橢球形、凸臺形以及這兩種形狀的組合，根據生產實際燃料顆粒的物理參數，結合各參數的變化區(qū)間確定參數的變化范圍確立參數輸入；根據所輸入的參數，分析非球形幾何因素和內壓對應力大小和分布的影響，建立應力分布圖；根據應力分布圖評判非球形燃料顆粒包覆層承受內壓的能力。根據本發(fā)明的非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的建模和分析方法，能夠得到非球形燃料顆粒破損率的相關數據，以便控制燃料顆粒在生產過程中的質量，監(jiān)控燃料顆粒在堆內的運行狀態(tài)。
【專利說明】非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的建模和應力分析方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明為高溫氣冷堆燃料元件【技術領域】，特別涉及非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的模型建立以及應力分析方法。
【背景技術】
[0002]具有固有安全性的模塊式高溫氣冷堆被認為是最有希望滿足第四代先進核能系統(tǒng)要求的堆型之一。高溫氣冷堆核電站安全性的第一道保障就是所使用的核燃料為TRISO (多層各項同性)型包覆顆粒，它由核燃料UO2陶瓷核芯、疏松熱解炭層、內致密熱解炭層、碳化硅(SiC)層和外致密熱解炭層組成。包覆燃料顆粒的復合包覆層構成微球形壓力容器，約束核裂變產生的放射性產物，是高溫氣冷堆安全的主要保障。在四層包覆結構中最為重要的是SiC層，它是承受包覆燃料顆粒內壓以及阻擋裂變產物釋放的關鍵層。
[0003]燃料元件在運行過程中，隨著燃耗的增加，氣體裂變產物，一氧化碳和二氧化碳以及低揮發(fā)點固態(tài)裂變氣體的積聚，均會造成包覆燃料顆粒的內壓增加，在包覆燃料顆粒包覆層中產生應力。在熱和輻照的作用下，不同材料性能的變化不同，也會在包覆層產生應力。當這些應力之和超過包覆燃料顆粒包覆層的強度時，包覆層就會發(fā)生壓力殼式破損，失去約束裂變產物的能力，壓力殼式破損是包覆燃料顆粒最主要的破損機制。建立壓力殼式破損的模型，對包覆燃料顆粒在內壓下的受力進行分析是必不可少的。
[0004]包覆燃料顆粒在正常的制備條件下是理想或者非常接近理想的球形顆粒，但是由于制造誤差，會有一些非球形的包覆燃料顆粒被壓制在燃料元件中，這些包覆燃料顆粒的應力分布與球形包覆燃料顆粒有著很大的區(qū)別，局部區(qū)域存在著很大的應力集中，因此，對它們幾何形狀建立相關模型并進行應力分析非常重要。

【發(fā)明內容】

[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是:如何建立非球形燃料顆粒SiC包覆層的模型并根據該模型獲得包覆燃料顆粒在內壓下的受力情況。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的建模方法，包括以下步驟:
[0009]S1:根據形狀特點，將非球形燃料顆粒劃分為橢球形、凸臺形以及這兩種形狀的組合，對于橢球形顆粒，其模型為橢球殼，對于凸臺形顆粒，其模型由三部分構成，包括兩段圓球殼以及一段平臺，三部分之間平滑連接；
[0010]S2:根據生產實際中燃料顆粒的物理參數，結合各參數的變化區(qū)間確定輸入參數的變化范圍；
[0011]S3:根據所輸入的參數，分析非球形燃料顆粒的幾何因素和內壓對應力大小和分布的影響，建立應力分布圖；[0012]S4:根據應力分布圖評判非球形燃料顆粒碳化硅包覆層承受內壓的能力。
[0013]其中，建立橢球形顆粒模型的步驟包括:建立長軸為2a、短軸為2b、厚度為d的橢圓環(huán)，將此圖形繞對稱軸旋轉一周得到三維的橢球殼。
[0014]其中，建立凸臺形顆粒模型的步驟包括:
[0015]Sll:建立半徑R1、截角V1、繞原點旋轉π/2+Ψι的扇面；
[0016]S12:建立半徑R2、截角Ψ2、原點橫坐標-(R1-R2)=Ksin(F2)、縱坐標(R「R2)*cos(￥2)的扇面；
[0017]S13:建立一個四邊形，四個端點的坐標分別是:(0，O)、(O, R2+(R1-R2)^cos(F1)),(-(R「R2) *sin ( W1), R2+ (R1-R2) *cos ( Ψ ))、(_ (R「R2) *sin ( W1), (R1-R2) *cos ( W1))；
[0018]S14:建立并集，將Sll、S12、S13中所做的三個圖形合為第一圖形A ；
[0019]S15:將R1和R2的長度分別增加d，重復步驟SI 1、S12、S13、S14，形成一個合并的第二圖形B;
[0020]S16:第二圖形B減去第一圖形A即得到凸臺形包覆燃料顆粒的圖形，將此圖形繞對稱軸旋轉一周得到三維的凸臺形。
[0021]其中，生產所述燃料顆粒的參數包括非球形顆粒的內壓、碳化硅層厚度、碳化硅層內徑、橢球形和凸臺形的長徑比。
[0022]其中，所輸入的參數變化范圍為:燃料顆粒內壓為10~25MPa，碳化硅層厚度為25~45 μ m,碳化娃層內徑為355~415 μ m,長徑比為1.0~1.2。
[0023]本發(fā)明還提出了一種非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的應力分析方法，其中利用上述任意一種建模方法建立模型，其特征在于，包括:
[0024]改變橢球形和凸臺形顆粒的幾何參數分析應力狀態(tài)的變化；
[0025]改變包覆燃料顆粒的內壓分析應力狀態(tài)的變化；
[0026]根據材料力學領域的強度理論評判應力狀態(tài)對碳化硅層壓力殼式破損的影響。
[0027]其中，所述幾何參數包括半徑、厚度和長徑比。
[0028]其中，所述應力狀態(tài)包括應力大小、應力方向、二維應力分布圖、三維應力分布圖和應力集中程度。
[0029](三)有益效果
[0030]根據本發(fā)明的非球形燃料顆粒SiC包覆層的建模和分析方法，能夠得到非球形燃料顆粒應力狀態(tài)進而得到破損率的相關數據，以便控制燃料顆粒在生產過程中的質量，監(jiān)控燃料顆粒在堆內的運行狀態(tài)，從而提高高溫氣冷堆核電站的安全保障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些示例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1為橢球形包覆顆粒的幾何模型和網格劃分。
[0033]圖2為凸臺形包覆顆粒的幾何模型。
[0034]圖3為凸臺形碳化硅層幾何模型的建立過程和網格劃分。[0035]圖4為二維橢球形碳化硅層中應力分布。
[0036]圖5為三維橢球形碳化娃層中應力分布。
[0037]圖6為橢球形碳化硅層的應力集中程度隨長徑比的變化。
[0038]圖7為凸臺形碳化硅層應力隨R2的變化。
[0039]圖8為凸臺形碳化硅層應力隨長徑比的變化。
[0040]圖9為凸臺形碳化硅層的應力集中程度與長徑比的關系。
[0041]圖10為二維凸臺形碳化硅層應力分布圖。
[0042]圖11為三維凸臺形碳化娃層應力分布圖。
[0043]圖12為凸臺形碳化娃層主應力面示意圖(長徑比=1.04)。
【具體實施方式】
[0044]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0045]本發(fā)明的目的是通過模型建立和分析計算模擬在實際制造過程中非球形燃料顆粒SiC包覆層在內壓的作用下應力分布情況和應力變化特征。
[0046]1.非球形包覆燃料`顆粒計算幾何模型及網格劃分
[0047]在實際的包覆燃料顆粒中，非球形的幾何形狀具有多樣性，但總結起來，有兩種幾何結構非常具有代表性，分別是橢球形包覆燃料顆粒和凸臺形包覆燃料顆粒，其它包覆燃料顆粒的形狀，都可以由這兩種顆粒形狀綜合而成。在幾何建模中，采用長徑比(ε)這個參數對非球形的程度進行描述。
[0048]橢球形顆粒的幾何模型和網格劃分如圖1所示,橢圓內徑的長軸為2a，短軸為2b，厚度為d。將此圖形繞對稱軸旋轉一周即可得到三維的橢球殼。在這個模型中，長徑比為長軸與短軸之比，即:
【權利要求】
1.一種非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的建模方法，包括以下步驟: S1:根據形狀特點，將非球形燃料顆粒劃分為橢球形、凸臺形以及這兩種形狀的組合，對于橢球形顆粒，其模型為橢球殼，對于凸臺形顆粒，其模型由三部分構成，包括兩段圓球殼以及一段平臺，三部分之間平滑連接； S2:根據生產實際中燃料顆粒的物理參數，結合各參數的變化區(qū)間確定輸入參數的變化范圍； S3:根據所輸入的參數，分析非球形燃料顆粒的幾何因素和內壓對應力大小和分布的影響，建立應力分布圖； S4:根據應力分布圖評判非球形燃料顆粒碳化硅包覆層承受內壓的能力。
2.根據權利要求1所述的方法，其中建立橢球形顆粒模型的步驟包括:建立長軸為2a、短軸為2b、厚度為d的橢圓環(huán)，將此圖形繞對稱軸旋轉一周得到三維的橢球殼。
3.根據權利要求1所述的方法，其中建立凸臺形顆粒模型的步驟包括: 511:建立半徑R1、截角V1、繞原點旋轉π/2+Ψι的扇面； 512:建立半徑R2、截角Ψ2、原點橫坐標-(R1-R2)^sin(F2)、縱坐標(R1-R2)^cos(F2)的扇面； 513:建立一個四邊形，四個端點的坐標分別是:(0，0)、(O, R2+(R1-R2) ^cos(F1)),(-(R「R2) *sin ( W1), R2+ (R1-R2) *cos ( Ψ ))、(_ (R「R2) *sin ( W1), (R1-R2) *cos ( W1))； 514:建立并集，將S11、S·12、S13中所做的三個圖形合為第一圖形A ; 515:將R1和R2的長度分別增加d，重復步驟SI 1、S12、S13、S14，形成一個合并的第二圖形B ; 516:第二圖形B減去第一圖形A即得到凸臺形包覆燃料顆粒的圖形，將此圖形繞對稱軸旋轉一周得到三維的凸臺形。
4.根據權利要求1所述的方法，其中生產所述燃料顆粒的參數包括非球形顆粒的內壓、碳化硅層厚度、碳化硅層內徑、橢球形和凸臺形的長徑比。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所輸入的參數變化范圍為:燃料顆粒內壓為10~25MPa,碳化娃層厚度為25~45 μ m,碳化娃層內徑為355~415 μ m,長徑比為1.0~1.2。
6.一種非球形燃料顆粒碳化硅包覆層的應力分析方法，其中利用權利要求1-5中任意一種建模方法建立模型，其特征在于，包括: 改變橢球形和凸臺形顆粒的幾何參數分析應力狀態(tài)的變化； 改變包覆燃料顆粒的內壓分析應力狀態(tài)的變化； 根據強度理論評判應力狀態(tài)對碳化硅層壓力殼式破損的影響。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述幾何參數包括半徑、厚度和長徑比。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述應力狀態(tài)包括應力大小、應力方向、二維應力分布圖、三維應力分布圖和應力集中程度。
【文檔編號】G06F17/50GK103853892SQ201410108686
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權日:2014年3月21日
【發(fā)明者】劉榮正, 劉兵, 曹彬, 唐春和 申請人:清華大學