【CAE案例】事故工況下的多尺度燃料包殼研究

CAE璐姐

01 案例背景

在壓水堆核電站中，反應性決定了核電廠的運行功率。控制棒是用于控制反應性的手段之一，一般用中子反應截面大的材料制成。通過操作控制棒，堆芯附近的中子通量可以快速得到控制，從而改變熱功率以及發電功率。

RIA（Reactivity Initiated Accident）指的是由反應性快速增加導致的事故，如彈棒、控制棒組件失控抽出等。反應性引入事故有兩種表現：其一是芯塊-包殼機械相互作用導致的材料失效；其二是偏離核態沸騰（DNB），此時燃料包殼表面大量氣泡聚集，傳熱惡化，傳熱系數急劇下降，壁溫急劇上升。在RIA情況下，包殼受到的熱載荷非常嚴重，溫度在300°C到600°C之間，應變的變化率在1到5s-1之間。

為此，EDF 研發部門建立和驗證了鋯合金燃料包殼的熱力學模型，以確保在安全框架內，建立可靠的破裂標準。本案例介紹了多尺度方法，涉及事故條件下包殼行為規律的識別、驗證以及應用。

02 模型驗證

目前，EDF理解的RIA事故下的模型考慮了各向異性包殼的表面情況、輻照、氫化以及氧化的影響。然而，準確復現這幾種現象的影響仍有困難，因此，本案例旨在建立一套完整的RIA情況下各向異性重結晶鋯-4合金的材料模型。

通用固體力學仿真軟件的Zmat定律中耦合了簡化的純粘塑性動力學Delobelle-Robinet- Sch?ffler定理。這一模型的參數校準由“材料點”在金屬板上的拉伸和循環剪切載荷計算驗證。包殼的雙軸拉伸/扭轉試驗提供了板材載荷的相關參數。此外，對平面缺口試樣的結構計算也得到了驗證（見圖一）。由于使用了各向異性材料，模型能夠很好地再現材料行為在RIA的溫度和溫度變化率范圍內載荷下的變化規律。

【CAE案例】事故工況下的多尺度燃料包殼研究的圖1

圖1 平面缺口試樣模型的應力計算結果

03 計算應用

基于鋯HCP晶格的“Cailletaud-Méric”晶體法，這一模型通過對晶粒的取向以及對每個滑動系統使用特定的參數來考慮材料的各向異性。這一模型構建的標準也同樣可以用于更復雜的結構計算中。

如圖二所示為淬火過程的包殼的結構計算。該案例的設置為LOCA事故下燃料棒被堵塞的情況。為了盡可能考慮結構上的應力，計算考慮了熱載荷的實時影響，淬火位置的演變以及包殼的最大溫度。

【CAE案例】事故工況下的多尺度燃料包殼研究的圖2

圖2 燃料棒軸向力隨燃料和導棒溫度的變化

此外，受益于EDF上游部門的研究，Lemaitre定律可以考慮包括各向異性α相的鋯合金在內的燃料包殼用到的各種合金的力學性質。基于這些材料屬性，可以對不同情形進行建模，模型囊括兩個網格之間的空間，并從安全角度出發，認為阻塞的燃料棒立刻完全嵌入網格中。這類建模能夠準確評估事故下的力學場。此外，這種方法也與傳統可靠的方法得到的結果一致。