非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模和应力分析方法
【专利摘要】本发明揭示了一种非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模方法和应力分析方法，包括：根据形状特点，将非球形的燃料颗粒划分为椭球形、凸台形以及这两种形状的组合，根据生产实际燃料颗粒的物理参数，结合各参数的变化区间确定参数的变化范围确立参数输入；根据所输入的参数，分析非球形几何因素和内压对应力大小和分布的影响，建立应力分布图；根据应力分布图评判非球形燃料颗粒包覆层承受内压的能力。根据本发明的非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模和分析方法，能够得到非球形燃料颗粒破损率的相关数据，以便控制燃料颗粒在生产过程中的质量，监控燃料颗粒在堆内的运行状态。
【专利说明】非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模和应力分析方法
【技术领域】
[0001]本发明为高温气冷堆燃料元件【技术领域】，特别涉及非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的模型建立以及应力分析方法。
【背景技术】
[0002]具有固有安全性的模块式高温气冷堆被认为是最有希望满足第四代先进核能系统要求的堆型之一。高温气冷堆核电站安全性的第一道保障就是所使用的核燃料为TRISO (多层各项同性)型包覆颗粒，它由核燃料UO2陶瓷核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅(SiC)层和外致密热解炭层组成。包覆燃料颗粒的复合包覆层构成微球形压力容器，约束核裂变产生的放射性产物，是高温气冷堆安全的主要保障。在四层包覆结构中最为重要的是SiC层，它是承受包覆燃料颗粒内压以及阻挡裂变产物释放的关键层。
[0003]燃料元件在运行过程中，随着燃耗的增加，气体裂变产物，一氧化碳和二氧化碳以及低挥发点固态裂变气体的积聚，均会造成包覆燃料颗粒的内压增加，在包覆燃料颗粒包覆层中产生应力。在热和辐照的作用下，不同材料性能的变化不同，也会在包覆层产生应力。当这些应力之和超过包覆燃料颗粒包覆层的强度时，包覆层就会发生压力壳式破损，失去约束裂变产物的能力，压力壳式破损是包覆燃料颗粒最主要的破损机制。建立压力壳式破损的模型，对包覆燃料颗粒在内压下的受力进行分析是必不可少的。
[0004]包覆燃料颗粒在正常的制备条件下是理想或者非常接近理想的球形颗粒，但是由于制造误差，会有一些非球形的包覆燃料颗粒被压制在燃料元件中，这些包覆燃料颗粒的应力分布与球形包覆燃料颗粒有着很大的区别，局部区域存在着很大的应力集中，因此，对它们几何形状建立相关模型并进行应力分析非常重要。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题是:如何建立非球形燃料颗粒SiC包覆层的模型并根据该模型获得包覆燃料颗粒在内压下的受力情况。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提出了一种非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模方法，包括以下步骤:
[0009]S1:根据形状特点，将非球形燃料颗粒划分为椭球形、凸台形以及这两种形状的组合，对于椭球形颗粒，其模型为椭球壳，对于凸台形颗粒，其模型由三部分构成，包括两段圆球壳以及一段平台，三部分之间平滑连接；
[0010]S2:根据生产实际中燃料颗粒的物理参数，结合各参数的变化区间确定输入参数的变化范围；
[0011]S3:根据所输入的参数，分析非球形燃料颗粒的几何因素和内压对应力大小和分布的影响，建立应力分布图；[0012]S4:根据应力分布图评判非球形燃料颗粒碳化硅包覆层承受内压的能力。
[0013]其中，建立椭球形颗粒模型的步骤包括:建立长轴为2a、短轴为2b、厚度为d的椭圆环，将此图形绕对称轴旋转一周得到三维的椭球壳。
[0014]其中，建立凸台形颗粒模型的步骤包括:
[0015]Sll:建立半径R1、截角V1、绕原点旋转π/2+Ψι的扇面；
[0016]S12:建立半径R2、截角Ψ2、原点横坐标-(R1-R2)=Ksin(F2)、纵坐标(R「R2)*cos(￥2)的扇面；
[0017]S13:建立一个四边形，四个端点的坐标分别是:(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，将Sll、S12、S13中所做的三个图形合为第一图形A ；
[0019]S15:将R1和R2的长度分别增加d，重复步骤SI 1、S12、S13、S14，形成一个合并的第二图形B;
[0020]S16:第二图形B减去第一图形A即得到凸台形包覆燃料颗粒的图形，将此图形绕对称轴旋转一周得到三维的凸台形。
[0021]其中，生产所述燃料颗粒的参数包括非球形颗粒的内压、碳化硅层厚度、碳化硅层内径、椭球形和凸台形的长径比。
[0022]其中，所输入的参数变化范围为:燃料颗粒内压为10~25MPa，碳化硅层厚度为25~45 μ m,碳化娃层内径为355~415 μ m,长径比为1.0~1.2。
[0023]本发明还提出了一种非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的应力分析方法，其中利用上述任意一种建模方法建立模型，其特征在于，包括:
[0024]改变椭球形和凸台形颗粒的几何参数分析应力状态的变化；
[0025]改变包覆燃料颗粒的内压分析应力状态的变化；
[0026]根据材料力学领域的强度理论评判应力状态对碳化硅层压力壳式破损的影响。
[0027]其中，所述几何参数包括半径、厚度和长径比。
[0028]其中，所述应力状态包括应力大小、应力方向、二维应力分布图、三维应力分布图和应力集中程度。
[0029](三)有益效果
[0030]根据本发明的非球形燃料颗粒SiC包覆层的建模和分析方法，能够得到非球形燃料颗粒应力状态进而得到破损率的相关数据，以便控制燃料颗粒在生产过程中的质量，监控燃料颗粒在堆内的运行状态，从而提高高温气冷堆核电站的安全保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些示例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为椭球形包覆颗粒的几何模型和网格划分。
[0033]图2为凸台形包覆颗粒的几何模型。
[0034]图3为凸台形碳化硅层几何模型的建立过程和网格划分。[0035]图4为二维椭球形碳化硅层中应力分布。
[0036]图5为三维椭球形碳化娃层中应力分布。
[0037]图6为椭球形碳化硅层的应力集中程度随长径比的变化。
[0038]图7为凸台形碳化硅层应力随R2的变化。
[0039]图8为凸台形碳化硅层应力随长径比的变化。
[0040]图9为凸台形碳化硅层的应力集中程度与长径比的关系。
[0041]图10为二维凸台形碳化硅层应力分布图。
[0042]图11为三维凸台形碳化娃层应力分布图。
[0043]图12为凸台形碳化娃层主应力面示意图(长径比=1.04)。
【具体实施方式】
[0044]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]本发明的目的是通过模型建立和分析计算模拟在实际制造过程中非球形燃料颗粒SiC包覆层在内压的作用下应力分布情况和应力变化特征。
[0046]1.非球形包覆燃料`颗粒计算几何模型及网格划分
[0047]在实际的包覆燃料颗粒中，非球形的几何形状具有多样性，但总结起来，有两种几何结构非常具有代表性，分别是椭球形包覆燃料颗粒和凸台形包覆燃料颗粒，其它包覆燃料颗粒的形状，都可以由这两种颗粒形状综合而成。在几何建模中，采用长径比(ε)这个参数对非球形的程度进行描述。
[0048]椭球形颗粒的几何模型和网格划分如图1所示,椭圆内径的长轴为2a，短轴为2b，厚度为d。将此图形绕对称轴旋转一周即可得到三维的椭球壳。在这个模型中，长径比为长轴与短轴之比，即:
【权利要求】
1.一种非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的建模方法，包括以下步骤: S1:根据形状特点，将非球形燃料颗粒划分为椭球形、凸台形以及这两种形状的组合，对于椭球形颗粒，其模型为椭球壳，对于凸台形颗粒，其模型由三部分构成，包括两段圆球壳以及一段平台，三部分之间平滑连接； S2:根据生产实际中燃料颗粒的物理参数，结合各参数的变化区间确定输入参数的变化范围； S3:根据所输入的参数，分析非球形燃料颗粒的几何因素和内压对应力大小和分布的影响，建立应力分布图； S4:根据应力分布图评判非球形燃料颗粒碳化硅包覆层承受内压的能力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中建立椭球形颗粒模型的步骤包括:建立长轴为2a、短轴为2b、厚度为d的椭圆环，将此图形绕对称轴旋转一周得到三维的椭球壳。
3.根据权利要求1所述的方法，其中建立凸台形颗粒模型的步骤包括: 511:建立半径R1、截角V1、绕原点旋转π/2+Ψι的扇面； 512:建立半径R2、截角Ψ2、原点横坐标-(R1-R2)^sin(F2)、纵坐标(R1-R2)^cos(F2)的扇面； 513:建立一个四边形，四个端点的坐标分别是:(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，将S11、S·12、S13中所做的三个图形合为第一图形A ; 515:将R1和R2的长度分别增加d，重复步骤SI 1、S12、S13、S14，形成一个合并的第二图形B ; 516:第二图形B减去第一图形A即得到凸台形包覆燃料颗粒的图形，将此图形绕对称轴旋转一周得到三维的凸台形。
4.根据权利要求1所述的方法，其中生产所述燃料颗粒的参数包括非球形颗粒的内压、碳化硅层厚度、碳化硅层内径、椭球形和凸台形的长径比。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所输入的参数变化范围为:燃料颗粒内压为10~25MPa,碳化娃层厚度为25~45 μ m,碳化娃层内径为355~415 μ m,长径比为1.0~1.2。
6.一种非球形燃料颗粒碳化硅包覆层的应力分析方法，其中利用权利要求1-5中任意一种建模方法建立模型，其特征在于，包括: 改变椭球形和凸台形颗粒的几何参数分析应力状态的变化； 改变包覆燃料颗粒的内压分析应力状态的变化； 根据强度理论评判应力状态对碳化硅层压力壳式破损的影响。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述几何参数包括半径、厚度和长径比。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述应力状态包括应力大小、应力方向、二维应力分布图、三维应力分布图和应力集中程度。
【文档编号】G06F17/50GK103853892SQ201410108686
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】刘荣正, 刘兵, 曹彬, 唐春和 申请人:清华大学