PDF《用于TRISO燃料颗粒性能》

李伟 用于TRISO燃料颗粒性能 多物理场耦合分析的 COMSOL模型 -2-

1 背景简介 TRISO 燃料颗粒 ? 疏松热解碳层 Buffer层?致密热解碳层 IPyC层OPyC层?碳化硅层 SiC层 在役高温气冷堆燃料元件的核心部件,同时也是用于轻水堆的全陶瓷微密封 (FCM)耐事故燃料(ATF)元件的关键组成部分.

? 燃料核芯 UO2 TRistructure ISOtropic Dense Inner Pyrolytic Carbon Dense Outer Pyrolytic Carbon Porous graphite buffer layer 结构: -3-

1 背景简介 降低SiC层所受拉应力,减轻SiC层 侵蚀,阻止裂变产物往外迁移. 与IPyC层类似,还防止在燃料颗粒 的生产、装卸和转运等过程中SiC 层遭受损坏. 主要承压边界,阻止气、固态裂变 产物防止向外部释放和扩散. 裂变活性区 吸收裂变碎片,减轻辐照损伤, 包容核芯肿胀,容纳裂变气体. ? 各层结构功能: -4-

1 背景简介 J.J. Powers, B.D. Wirth Journal of Nuclear Materials

405 (2010) 74C82 J.D. Hales et al.,Journal of Nuclear Materials

443 (2013) 531C543 有限元、多物理场耦合――热/力/扩散 COMSOL BISON -5-

2 材料性能和行为模型 ? 控制方程组 能量守恒 动量守恒 质量守恒 采用 COMSOL 多物理场耦合计算平台, 基于有限元方法求解以上控制方程组! -6- TRISO燃料颗粒的材料物性和行为模型随燃耗、温度、快中子通量等参数 的变化具有明显的非线性特点,造成复杂的多物理场非线性耦合问题.

2 材料性能和行为模型 ? UO2核芯肿胀,密实,热膨胀 ? PyC层蠕变,辐照变形,热膨胀 Buffer IPyC和OPyC ? SiC层蠕变,热膨胀 -7-

2 材料性能和行为模型 ? 裂变气体释放和CO气体产生模型 ? 气隙热导,内压模型,失效概率 O/F为发生一次裂变所释放的平均氧原子数 从晶粒内部向晶界的扩散 晶界上的裂变气体原子等效体积源项 晶界裂变气体原子饱和浓度值 Rgb为晶粒半径 超过饱和浓度, 释放裂变气体 Booth模型 Proksch模型 (1)气隙导热系数由两部分组成:气体热导和热辐射 (2)假设能够容纳气体的自由容积包括Buffer层和 气隙,采用理想气体状态方程计算燃料颗粒内压. (3)Weibull参数理论计算压力壳式失效破损的概率 -8-

3 模型验证及应用 ? IAEA CRP6-case 4a 只包含IPyC和SiC层 温度恒定为1273 K,忽略热膨胀和辐照蠕变,仅考虑IPyC层的 各向同性辐照变形.对比验证的指标为IPyC和SiC层内表面切应 力随快中子注量的变化规律(快中子注量≤3*1025 n/m2). 初始条件:IPyC层内表面半径为350 μm,厚度为40 μm;

SiC层内表面半径为390 μm,厚度为35 μm. 边界条件:IPyC层内表面承受恒定内压25 MPa,SiC层外 表面承压0.1 MPa. SiC层内表面切应力 IPyC层内表面切应力 -9-

3 模型验证及应用 考虑热膨胀,辐照蠕变,辐照变形.对比验证的指标为IPyC和SiC层内表面切应力随快中子注量的变化规律(快中子注量 ≤3*1025 n/m2). 初始条件:IPyC层内表面半径为350 μm,厚度为40 μm;

SiC层内表面半径为390 μm,厚度为35 μm. 边界条件:IPyC层内表面承受内压和温度变化如下图,SiC 层外表面承压0.1 MPa. 包含IPyC,OPyC和SiC层SiC层内表面切应力 IPyC层内表面切应力 ? IAEA CRP6-case

8 -10-

3 模型验证及应用 高温气冷堆运行参数 ? TRISO颗粒 Case1:燃料颗粒外表面温度恒定1500 K;

Case2:燃料颗粒外表面温度在辐照末期跃升为1700 K 不均为的SiC厚度;

参数名称 值 燃料颗粒的热功率

50 mW 辐照时间 2.5 年(7.6*107 s) 快中子注量率 5*1017 n/(m2・ s) 最高燃耗 12% FIMA UO2核芯直径

425 μm Buffer层厚度

100 μm IPyC层厚度

40 μm SiC层厚度

35 μm OPyC层厚度

40 μm 不均匀的SiC层厚度 -11-

3 模型验证及应用 高温气冷堆运行参数 ? TRISO颗粒 温度分布 半径变化 Gap case1 case2 -12-

3 模型验证及应用 高温气冷堆运行参数 ? TRISO颗粒 裂变气体和内压 切向应力 SiC层压力壳失效概率 ? 考虑的裂变气体为Kr和Xe.由于气体在间隙和Buffer层累积,内压上升.辐照后期内压来 源主要为生成的CO气体. ? 随着裂变气体和CO气体造成的内压逐渐上升,SiC层在切向方向上受到拉应力.当拉应力 大于其断裂强度时,SiC层可能发生压力壳式失效从而造成燃料颗粒失去阻碍裂变产物泄漏 的屏障,因此内压对燃料颗粒结构完整性具有重要影响. ? SiC层的失效概率较低,但随着其所受拉应力增加,失效概率将迅速上升. case1 -13-

3 模型验证及应用 高温气冷堆运行参数 ? TRISO颗粒 case2 裂变产物Sr分布 燃料颗粒的外表面 温度为1500 K 燃料颗粒的外表面 温度跃升为1700 K 温度升高200 K,SiC层的阻挡能 力也在下降,浓度峰值下降22.2%. -14-

4 结论 ? 建立起了TRISO燃料颗粒的热传导、力学和裂变产物扩散方程的多物理场耦合 分析模型. ? 采用IAEA CRP-6基准题对建立的多物理场耦合分析模型进行了对比验证;

采用 本模型对典型的高温气冷堆TRISO燃料颗粒正常运行工况下的行为进行了分析 并且与BISON程序进行了对比,这表明了模型的合理性. ? 在TRISO燃料颗粒的辐照过程中,Buffer层与IPyC层之间将出现间隙,影响燃 料颗粒的导热效率;

Buffer层和间隙中累积的裂变气体和CO气体产生的内压对 SiC层的受力状态具有重要影响,过大的内压将明显提高SiC层失效概率.随着 温度增加,SiC层阻挡裂变产物往外扩散的能力也将下降.