CN108733927A - 一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于乏燃料包壳破损的临界应变能密度技术领域，具体涉及一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法，包括如下步骤：步骤S1，选取一段乏燃料包壳作为待测试样；步骤S2，在待测试样上截取若干测量段用于测量包壳氢含量、包壳腐蚀层厚度和径向氢化物比例；余下部分作为乏燃料包壳压缩试样，用于环向压缩试验，得到环向压缩试验发生破损时的压缩位移；步骤S3，通过有限元分析软件建立乏燃料包壳模型，乏燃料包壳模型的尺寸参照乏燃料包壳压缩试样的测量值；步骤S4，乏燃料包壳模型施加位移载荷的大小为环向压缩试验的压缩位移的数值，得到的乏燃料包壳模型的最大应变能密度，最大应变能密度即为乏燃料包壳破损的临界应变能密度。

Description

一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法
技术领域
本发明属于乏燃料包壳破损的临界应变能密度技术领域，具体涉及一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法。
背景技术
压水堆核电厂使用的核燃料被封装在圆柱形燃料棒包壳内，并以燃料棒包壳作为核电厂包容放射性产物的第一道安全屏障。经反应堆消耗后卸出的核燃料称为乏燃料。乏燃料从堆内卸出后可能会经历湿法贮存、干法贮存和转运/运输等过程。乏燃料包壳在堆内运行过程中会积聚一定量的氢，可能会在上述燃料后端操作过程中发生氢化物应力再取向，从而导致包壳性能脆化，影响转运/运输过程的安全。
氢化物应力再取向是影响乏燃料转运/运输安全的主导性机理。对于压水堆中运行的燃料棒包壳，溶解度范围的氢以固溶方式溶解在包壳内，多余的氢以氢化物的形式存在。当燃料卸料并存入乏燃料水池中后，包壳的平均温度在数年的时间内会维持在50℃以下，大部分在卸料前固溶的氢会析出并形成锆的氢化物。氢化物在燃料棒横截面沿环向分布，如图1所示。当燃料组件从乏燃料水池的湿法贮存转移到干法贮存容器中后，包壳会经历一个温度上升的过程，一部分在乏燃料水池温度下出现的氢化物就会溶解。随着干法贮存过程中环境温度的逐渐降低，氢化物再次析出，在内压引起的包壳周向应力作用下就可能生成径向的氢化物分布，如图2所示。径向氢化物会大幅度降低包壳材料的环向压缩韧性。
临界应变能密度(CSED)是使包壳不发生破损的最大的应变能密度值，该参数考虑了氢化物应力再取向的影响，可用于评价包壳在发生氢化物应力再取向后的韧性特征，并判断包壳在容器跌落事故下是否发生破损。在乏燃料转运/运输容器跌落事故的包壳破损分析中，只要计算获得的包壳最大的应变能密度(strain energy density,下简称SED)不大于临界应变能密度(CSED)，即可认为包壳未发生破损。
在乏燃料转运/运输容器跌落事故分析中，乏燃料包壳破损的临界应变能密度是判断包壳破损的关键参数。乏燃料包壳破损的临界应变能密度(CSED)与乏燃料包壳的氢含量和径向氢化物物比例(或径向氢化物连续性系数)等因素有关。在乏燃料转运/运输容器跌落分析领域，获取该参数的主要途径是建立包壳耦合氢化物的三维模型并进行断裂分析，其计算结果是否准确很大程度依赖于计算人员的断裂力学基础以及对氢化物分布的准确建模，因而在工程应用中存在局限性。
发明内容
针对目前乏燃料包壳破损的临界应变能密度的计算所存在的问题，本发明的目的是提出一种获取临界应变能密度的方法，从原理上规避包壳氢化物建模和断裂分析过程，降低计算的难度，提高计算的准确性。
为达到以上目的，本专利提出一种通过乏燃料包壳环向压缩试验计算临界应变能密度(CSED)的方法。该方法结合了力学试验和有限元建模分析，通过乏燃料包壳的环向压缩试验，获取具有径向氢化物的乏燃料包壳试样受压开裂过程的载荷-位移曲线和开裂时的压缩位移。通过有限元分析软件模拟该试样的环向压缩试验过程，对比载荷-位移曲线所显示开裂时的压缩位移，计算获取试样在开裂时的应变能密度(SED)。该应变能密度(SED)即为乏燃料包壳试样所处状态的临界应变能密度(CSED)。
具体的，本发明采用的技术方案是一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法包括如下步骤：
步骤S1，选取具有径向氢化物的一段乏燃料包壳作为待测试样，所述乏燃料包壳应本身具有径向氢化物，或通过预制的方法生成径向氢化物；
步骤S2，从所述乏燃料包壳截取若干测量段用于测量包壳氢含量、包壳腐蚀层的厚度和径向氢化物比例；所述乏燃料包壳截取所述测量段后余下的部分做为乏燃料包壳压缩试样，用于环向压缩试验，得到所述乏燃料包壳压缩试样在所述环向压缩试验发生破损时的压缩位移；
步骤S3，通过有限元分析软件建立乏燃料包壳模型，所述乏燃料包壳模型的几何尺寸参照所述乏燃料包壳压缩试样的测量值；所述乏燃料包壳模型的外径需要在所述乏燃料包壳压缩试样的测量值的基础上减去所述包壳腐蚀层的厚度；
步骤S4，向所述乏燃料包壳模型施加位移载荷，所述位移载荷的大小即为所述压缩位移的数值，得到的所述乏燃料包壳模型的最大应变能密度，所述最大应变能密度即为所述乏燃料包壳破损的临界应变能密度。
进一步，还包括步骤S5，针对不同的所述乏燃料包壳，重复所述步骤S1至所述步骤S4，得到不同的所述氢含量和所述径向氢化物比例或径向氢化物连续性系数等情况下的乏燃料包壳的所述临界应变能密度，通过数据拟合获取所述氢含量和所述径向氢化物比例或径向氢化物连续性系数等与所述乏燃料包壳破损的临界应变能密度的函数关系。
进一步，在所述步骤S2中，所述环向压缩试验需要在热室中使用力学试验机完成。
进一步，所述力学试验机加载的最大位移不超过所述乏燃料包壳压缩试样的外径的20％，记录下所述力学试验机的加载过程的载荷-位移曲线，通过所述载荷-位移曲线判断所述压缩位移。
进一步，所述压缩位移是修正试验误差和所述力学试验机的初始虚位移后获取的所述乏燃料包壳压缩试样发生破损的真实压缩位移。
进一步，在所述步骤S1中，作为试样的所述乏燃料包壳的长度为8-15mm，由所述乏燃料包壳截取的所述测量段的总长度不超过3mm。
进一步，在所述步骤S3中，所述乏燃料包壳模型的材料性能参数与所述乏燃料包壳的材料性能参数一致，使用弹塑性有限元分析理论进行计算。
本发明的有益效果在于：
1.该方法使用了环向压缩试验测量的乏燃料包壳开裂的压缩位移作为有限元计算的输入数据，有限元力学分析采用基础的弹塑性分析理论，不涉及氢化物建模及断裂分析，降低了计算的难度，也降低了对计算人员的要求。
2.该方法以试验实测数据作为断裂判据，以有限元分析软件的计算结果获取断裂时的临界应变能密度，从设计原理上规避了氢化物建模和断裂分析带来的复杂性和不确定性；同时，计算紧密依托试验测量数据，提高了临界应变能密度计算的准确性。
3.该方案能够有效的获取大量具有不同氢含量和径向氢化物比例(或径向氢化物连续性系数等)的乏燃料包壳试样破损的临界应变能密度，为乏燃料转运/运输容器跌落事故下的安全分析提供支撑。
附图说明
图1是本发明背景技术中所述的氢化物在燃料棒横截面沿环向分布的示意图；
图2是本发明背景技术中所述的乏燃料包壳上径向的氢化物分布的示意图；
图3是本发明具体实施方式中将乏燃料包壳压缩试样1置于力学加载试验机2进行加载的示意图(图中箭头为力学加载试验机加载的作用力的方向)；
图4是本发明具体实施方式中通过有限元分析软件建立的乏燃料包壳模型的示意图；
图中：1-乏燃料包壳压缩试样，2-力学试验机，3-乏燃料包壳模型，4-刚性加载平面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供的一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法包括如下步骤：
步骤S1，选取一段乏燃料包壳作为试样，乏燃料包壳应本身具有径向氢化物，或通过预制的方法生成径向氢化物；从乏燃料包壳切割截取下若干测量段用于破坏性测量，余下部分作为乏燃料包壳压缩试样1；作为试样的乏燃料包壳的长度约为8-15mm，截取下的测量段的总长度不超过3mm。
步骤S2，测量段用于测量乏燃料包壳的氢含量、包壳腐蚀层的厚度和径向氢化物比例(或径向氢化物连续性系数)，乏燃料包壳压缩试样1用于无损伤的测量(包括测量乏燃料包壳压缩试样1的外径、内径、长度)和环向压缩试验，得到乏燃料包壳压缩试样1在环向压缩试验发生破损时的压缩位移；环向压缩试验需要在热室中使用力学试验机2完成(如图3所示)，将乏燃料包壳压缩试样1置于力学试验机2中进行加载(图3中箭头表示力学试验机2的加载方向)；
在上述步骤中，其它涉及乏燃料(包括乏燃料包壳)的操作也在热室中进行；
力学试验机2加载的最大位移不超过乏燃料包壳压缩试样1的外径的20％，记录下力学试验机2的加载过程的载荷-位移曲线，通过载荷-位移曲线判断乏燃料包壳压缩试样1在环向压缩试验发生破损时的压缩位移；
压缩位移是修正试验误差和力学试验机2(即加载装置)的初始虚位移后获取的乏燃料包壳压缩试样1发生破损的真实压缩位移。
步骤S3，通过有限元分析软件建立乏燃料包壳模型3(如图4所示)，乏燃料包壳模型3的尺寸(包括长度、内径)参照压缩试验段的测量值；乏燃料包壳模型3的外径需要在乏燃料包壳压缩试样1测量值的基础上减去包壳腐蚀层的厚度；
乏燃料包壳模型3的材料性能参数与乏燃料包壳在相应燃耗下的材料性能参数一致，使用弹塑性有限元分析理论进行计算；
步骤S4，在有限元分析软件中通过刚性加载平面4向乏燃料包壳模型3施加位移载荷，位移载荷的大小即为压缩位移的数值(也就是作为试样的乏燃料包壳发生开裂的真实压缩位移)，得到的乏燃料包壳模型3的最大应变能密度(从有限元分析模型中提取)，最大应变能密度即为乏燃料包壳破损的临界应变能密度。临界应变能密度是氢含量和径向氢化物比例(或径向氢化物连续性系数)的函数。该试样的氢含量和径向氢化物比例(或径向氢化物连续性系数)已由测量段测出。
步骤S5，针对不同的乏燃料包壳，通过使用大量的乏燃料包壳(每个乏燃料包壳的氢含量和径向氢化物比例均不相同)，重复步骤S1至步骤S4，得到不同的氢含量和径向氢化物比例情况下的乏燃料包壳的临界应变能密度。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种计算乏燃料包壳破损的临界应变能密度的方法包括如下步骤：
步骤(S1)，选取具有径向氢化物的一段乏燃料包壳作为待测试样；
步骤(S2)，从所述乏燃料包壳截取若干测量段用于测量包壳氢含量、包壳腐蚀层的厚度和径向氢化物比例；所述乏燃料包壳截取所述测量段后余下的部分做为乏燃料包壳压缩试样(1)，用于环向压缩试验，得到所述乏燃料包壳压缩试样(1)在所述环向压缩试验发生破损时的压缩位移；
步骤(S3)，通过有限元分析软件建立乏燃料包壳模型(3)，所述乏燃料包壳模型(3)的几何尺寸参照所述乏燃料包壳压缩试样(1)的测量值；所述乏燃料包壳模型(3)的外径需要在所述乏燃料包壳压缩试样(1)的测量值的基础上减去所述包壳腐蚀层的厚度；
步骤(S4)，向所述乏燃料包壳模型(3)施加位移载荷，所述位移载荷的大小即为所述压缩位移的数值，得到的所述乏燃料包壳模型(3)的最大应变能密度，所述最大应变能密度即为所述乏燃料包壳破损的临界应变能密度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是：还包括步骤(S5)，针对不同的所述乏燃料包壳，重复所述步骤(S1)至所述步骤(S4)，得到不同的所述氢含量和所述径向氢化物比例情况下的乏燃料包壳的所述临界应变能密度，通过数据拟合获取所述氢含量和所述径向氢化物比例(或径向氢化物连续性系数等)与所述乏燃料包壳破损的临界应变能密度的函数关系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是：在所述步骤(S2)中，所述环向压缩试验需要在热室中使用力学试验机(2)完成。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是：所述力学试验机(2)加载的最大位移不超过所述乏燃料包壳压缩试样(1)的外径的20％，记录下所述力学试验机(2)的加载过程的载荷-位移曲线，通过所述载荷-位移曲线判断所述压缩位移。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是：所述压缩位移是修正试验误差和所述力学试验机(2)的初始虚位移后获取的所述乏燃料包壳压缩试样(1)发生破损的真实压缩位移。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是：在所述步骤(S1)中，作为试样的所述乏燃料包壳的长度为8-15mm，由所述乏燃料包壳截取的所述测量段的总长度不超过3mm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是：在所述步骤(S3)中，所述乏燃料包壳模型(3)的材料性能参数与所述乏燃料包壳的材料性能参数一致，使用弹塑性有限元分析理论进行计算。
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