KR20190141482A - Apparatus and method of analyzing stress of accident tolerant fuel and computer readable medium - Google Patents

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KR20190141482A
KR20190141482A KR1020180068309A KR20180068309A KR20190141482A KR 20190141482 A KR20190141482 A KR 20190141482A KR 1020180068309 A KR1020180068309 A KR 1020180068309A KR 20180068309 A KR20180068309 A KR 20180068309A KR 20190141482 A KR20190141482 A KR 20190141482A
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김효찬
김동현
신창환
양용식
김현길
양재호
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한국원자력연구원
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a stress analysis device of accident tolerant fuel is configured of a multi-layer structure of a cylindrical cladding pipe layer provided with a fuel pellet inside and a cylindrical coating layer which is coated onto an outer circumferential surface of the cylindrical cladding pipe layer and is formed of different materials from the cylindrical cladding pipe layer. The stress analysis device of accident tolerant fuel comprises: a modeling unit modeling a stress equation of a radial (r) direction, a circumferential (θ) direction, and an axial (z) direction with regard to the cylindrical cladding pipe layer and the cylindrical coating layer; a first calculation unit obtaining an unknown value of the stress equation by applying boundary conditions between the cylindrical cladding pipe layer and the cylindrical coating layer to the modeled stress equation; and a second calculation unit obtaining stress of the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction for each of the cylindrical cladding pipe layer and the cylindrical coating layer by substituting the unknown value into the stress equation.

Description

사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치, 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체{APPARATUS AND METHOD OF ANALYZING STRESS OF ACCIDENT TOLERANT FUEL AND COMPUTER READABLE MEDIUM}FIELD AND METHOD OF ANALYZING STRESS OF ACCIDENT TOLERANT FUEL AND COMPUTER READABLE MEDIUM

본 출원은, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치, 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체에 관한 것이다.The present application relates to an apparatus, a method and a computer readable recording medium for stress analysis of an accident resistant fuel.

원자력 발전소는 핵연료의 핵분열에 의한 발열을 이용하여 증기를 발생시켜서, 이 증기로 터빈을 돌려서 발전을 하는 시설이며, 핵연료를 원자로에 장전하여 핵분열을 일으키는 과정에서 핵연료에는 응력 및 변형이 발생하며, 이 응력 및 변형이 일정 범위 이상이 되면 핵연료의 건전성에 손상을 주어 원자로 안전성에 영향을 미치게 된다.A nuclear power plant is a facility that generates steam by using heat generated by nuclear fission of nuclear fuel, and then rotates a turbine to generate electricity.In the process of loading nuclear fuel into a nuclear reactor and causing nuclear fission, stress and deformation are generated in the nuclear fuel. If stresses and strains are above a certain range, the fuel's integrity will be compromised, affecting reactor safety.

현재, 국내 원자력발전소의 80% 이상을 차지하고 있는 가압형 경수로에서는 핵분열이 발생하는 노심에 약 7만여개 이상의 핵연료봉이 장전되어 있고, 정상적인 운전상태에서는 냉각수의 압력 150기압, 냉각수온도 350℃ 정도를 유지하고 있다.At present, more than 70,000 nuclear fuel rods are loaded in the core where nuclear fission occurs in the pressurized light water reactor, which accounts for more than 80% of domestic nuclear power plants.In normal operation, the pressure of the coolant is maintained at 150 atm and the coolant temperature is 350 ℃. have.

일반적인 경수로의 핵연료봉은 원통형 지르코늄 합금 피복관의 내부에 핵연료 UO2 펠릿이 배치되어 있고, 이들 사이에는 약간의 간극이 존재하며, 그 간극에는 열전도도가 우수한 헬륨이 가압되어 있다.In fuel rods of general light reactors, nuclear fuel UO2 pellets are arranged inside a cylindrical zirconium alloy cladding tube, and there is a slight gap between them, and helium is pressurized with excellent thermal conductivity.

핵연료가 연소하는 동안의 방사성 물질의 차단을 위해 피복관의 건전성은 매우 중요하며, 핵연료 설계시 피복관의 거동평가는 필수적이다.Integrity of the cladding is very important for the interception of radioactive material during the combustion of the fuel, and it is essential to evaluate the behavior of the cladding when designing the fuel.

이러한 핵연료의 응력을 해석하는 방법은 핵연료를 얇은 두께의 실린더(thin-walled cylinder)로 모델링하는 방법이 있다. 얇은 두께는 원통형 실린더의 반경 방향의 두께 대비 원통형 실린더의 내면까지의 반경의 비가 10 이상인 경우를 말한다.One way to analyze the stress of these fuels is to model them as thin-walled cylinders. The thin thickness refers to the case where the ratio of the radius to the inner surface of the cylindrical cylinder to the radial thickness of the cylindrical cylinder is 10 or more.

하지만, 최근에는 고온 산화 저항성을 향상시켜 핵연료의 사고시 안정성을 향상시키기 위해 피복관의 외주면을 다른 재질로 코팅한 다층 구조의 사고 저항성 핵연료(accident tolerant fuel)를 개발하고 있다.However, in recent years, in order to improve high temperature oxidation resistance and to improve stability in case of an accident of nuclear fuel, a multi-layered accident resistant fuel having a coated outer circumferential surface of a cladding tube has been developed.

따라서, 종래의 얇은 두께의 실린더(thin-walled cylinder)를 기반으로 한 모델링 방법을 통해서는 사고 저항성 핵연료의 응력 및 변형률을 정확히 구할 수 없는 문제점이 있다.Accordingly, there is a problem in that stress and strain of an accident resistant fuel cannot be accurately obtained through a modeling method based on a conventional thin-walled cylinder.

한국공개특허 제2014-0050287호(“핵연료의 응력 및 변형률 시뮬레이션방법 및 시뮬레이션장치”, 공개일: 2014년04월29일)Korean Laid-open Patent No. 2014-0050287 (“Stress and Strain Simulation Method and Apparatus for Nuclear Fuel”, Publication Date: April 29, 2014)

본 발명은, 이종 재질로 구성된 다층 구조의 사고 저항성 핵연료의 반경 방향, 원주 방향 및 축 방향의 응력을 구할 수 있는 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치, 방법 및 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an apparatus, a method and a computer-readable recording medium for stress resistant nuclear fuel which can obtain stresses in the radial, circumferential and axial directions of accidentally resistant nuclear fuel having a multilayer structure composed of different materials.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 내부에 핵연료 펠릿이 구비된 원통형 피복관층과, 상기 원통형 피복관층의 외주면에 코팅되며 상기 원통형 피복관층과는 다른 재질로 구성된 원통형 코팅층의 다층 구조로 구성된 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치에 있어서, 상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대하여, 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링하는 모델링부; 모델링된 상기 응력 방정식에 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 적용하여 상기 응력 방정식의 미지수를 구하는 제1 연산부; 및 구한 미지수를 상기 응력 방정식에 대입하여 상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구하는 제2 연산부;를 포함하는, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치가 제공된다.According to one embodiment of the present invention, an accident-resistant nuclear fuel composed of a multi-layered structure of a cylindrical cladding tube layer having nuclear fuel pellets therein and a cylindrical coating layer coated on an outer circumferential surface of the cylindrical cladding layer and composed of a material different from the cylindrical cladding layer An apparatus for stress analysis, comprising: a modeling unit for modeling stress equations in a radial (r) direction, a circumferential (θ) direction, and an axial (z) direction with respect to each of the cylindrical sheath and the cylindrical coating layer; A first calculation unit applying a boundary condition between the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer to the modeled stress equation to obtain an unknown figure of the stress equation; And a second calculation unit which obtains the stresses in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction for each of the cylindrical coating tube layer and the cylindrical coating layer by substituting the obtained unknown equation into the stress equation. An apparatus for stress analysis of accidentally resistant fuel is provided.

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 내부에 핵연료 펠릿이 구비된 원통형 피복관층과, 상기 원통형 피복관층의 외주면에 코팅되며 상기 원통형 피복관층의 재질과는 다른 재질로 구성된 원통형 코팅층의 다층 구조를 포함하는 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법에 있어서, 모델링부에서, 상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대하여, 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링하는 단계; 제1 연산부에서, 모델링된 상기 응력 방정식에 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 적용하여 상기 응력 방정식의 미지수를 구하는 단계; 및 제2 연산부에서, 구한 미지수를 상기 응력 방정식에 대입하여 상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구하는 단계;를 포함하는, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a cylindrical coating tube layer having nuclear fuel pellets therein, and a multilayer structure of a cylindrical coating layer coated on an outer circumferential surface of the cylindrical coating tube layer and composed of a material different from that of the cylindrical coating tube layer. In the stress analysis method of the accident-resistant nuclear fuel, the modeling unit, for each of the cylindrical cladding tube layer and the cylindrical coating layer, to model the stress equation in the radial (r) direction, circumferential (θ) direction and axial (z) direction step; Obtaining a unknown value of the stress equation by applying a boundary condition between the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer to the modeled stress equation in a first calculation unit; And calculating a stress in a radial (r) direction, a circumferential (θ) direction, and an axial (z) direction for each of the cylindrical coating pipe layer and the cylindrical coating layer by substituting the obtained unknown value into the stress equation in the second calculation unit. Provided is a stress analysis method of an accident resistant fuel.

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 상기 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the method is provided.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 원통형 피복관층과 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 이용하여 응력 방정식의 미지수를 구함으로써, 이종 재질로 구성된 원통형 피복관층과 원통형 코팅층으로 구성된 다층 구조 피복관을 포함하는 사고 저항성 핵연료의 반경 방향, 원주 방향 및 축 방향의 응력을 구할 수 있으며, 향후 개발되는 다기능 차세대 핵연료에 대한 예비적인 성능 평가가 가능하여 새로운 핵연료 개발시 설계 가이드라인을 제시할 수 있는 이점이 있다.According to one embodiment of the present invention, by obtaining an unknown value of the stress equation using boundary conditions between the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer, accident-resistant nuclear fuel comprising a cylindrical cladding layer composed of a heterogeneous material and a multi-layer cladding layer composed of a cylindrical coating layer The radial, circumferential and axial directions of the stress can be obtained, and preliminary performance evaluation of the multifunctional next-generation fuels to be developed in the future can provide a design guideline when developing a new fuel.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 단층의 원통형 실린더(thick-walled cynlinder)를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다층 구조를 가진 사고 저항성 핵연료의 개략 절단도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 오픈 갭 영역(Open Gap Region)에서의 하중 조건인 제1 경계 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 클로우즈 갭 영역(closed Gap Region)에서의 하중 조건인 제2 경계 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법을 설명하는 흐름도이다.
1 is a block diagram of a stress analysis device for an accident resistant fuel according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates a single-layered cylindrical cylinder (thick-walled cynlinder) in accordance with one embodiment of the present invention.
3 is a schematic cutaway view of an accident resistant nuclear fuel having a multilayer structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a first boundary condition which is a load condition in an open gap region according to an embodiment of the present invention.
It is a figure for demonstrating the 2nd boundary condition which is a load condition in the closed gap region which concerns on one Embodiment of this invention.
6 is a flowchart illustrating a stress analysis method of an accident resistant nuclear fuel according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for more clear explanation, elements represented by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치(100)의 블록도이다. 한편 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 단층의 원통형 실린더(thick-walled cylinder)를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다층 구조를 가진 사고 저항성 핵연료의 개략 절단도이다.1 is a block diagram of a stress analysis device 100 of an accident resistant nuclear fuel according to an embodiment of the present invention. 2 illustrates a single-walled cylindrical cylinder according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a schematic cutaway view of an accident resistant nuclear fuel having a multilayer structure according to an embodiment of the present invention. .

상술한 사고 저항성 핵연료(Accident Tolerant Fuel, ATF)는 내부에 핵연료 펠릿이 구비된 원통형 피복관층과, 원통형 피복관층의 외주면에 코팅되며 원통형 피복관층과는 다른 재질로 구성된 원통형 코팅층의 다층 구조로 구성된 것일 수 있다.The above-described accident resistant fuel (ATF) is composed of a cylindrical cladding tube layer having nuclear fuel pellets and a cylindrical coating layer coated on the outer circumferential surface of the cylindrical cladding layer and made of a different material from the cylindrical cladding layer. Can be.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치(100)는, 모델링부(110), 제1 연산부(120) 및 제2 연산부(130)를 포함할 수 있다.First, as illustrated in FIG. 1, the stress resistant apparatus 100 for an accident resistant fuel according to an embodiment of the present invention may include a modeling unit 110, a first calculating unit 120, and a second calculating unit 130. It may include.

모델링부(110)는, 사고 저항성 핵연료의 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층 각 층에 대하여, 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링할 수 있다.The modeling unit 110 may model stress equations in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction with respect to each of the cylindrical sheath tube and the cylindrical coating layer of the accident resistant nuclear fuel.

더욱 구체적으로, 모델링부(110)는, 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층 각각의 탄성 계수, 푸아송비 및 열팽창 계수를 반영하여, 원통형 피복관에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식 및 원통형 코팅층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링할 수 있다.More specifically, the modeling unit 110 reflects the elastic modulus, Poisson's ratio, and thermal expansion coefficient of each of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer, and thus the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axis (z) with respect to the cylindrical cladding tube. The stress equation in the () direction and the radial (r) direction, the circumference (θ) direction and the axial (z) direction for the cylindrical coating layer can be modeled.

이를 위해, 모델링부(110)는, 도 2에 도시된 바와 같은 단층 구조를 가진 원통형 실린더(200)를 기반으로 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층으로 구성된 다층 구조의 사고 저항성 핵연료를 모델링할 수 있다.To this end, the modeling unit 110 may model an accident-resistant nuclear fuel having a multilayer structure composed of a cylindrical cladding tube layer and a cylindrical coating layer based on the cylindrical cylinder 200 having a single layer structure as shown in FIG. 2.

도 2에서, 도면부호 201은 원통형 실린더(200) 내부의 중공(hollow)을, a는 원통형 실린더(200)의 내면까지의 거리를, b는 원통형 실린더(200)의 외면까지의 거리를, r는 반경 방향(radial direction), θ는 원주 방향(tangential direction), z는 축방향(axial direction), ε0는 축방향 변형률, CX는 원통형 실린더(200)의 중심축을 의미한다.In FIG. 2, reference numeral 201 denotes a hollow inside the cylindrical cylinder 200, a denotes a distance to the inner surface of the cylindrical cylinder 200, b denotes a distance to an outer surface of the cylindrical cylinder 200, r Denotes a radial direction, θ denotes a tangential direction, z denotes an axial direction, ε 0 denotes an axial strain, and CX denotes a central axis of the cylindrical cylinder 200.

즉, 도 2에 도시된 바와 같은 단층 구조의 원통형 실린더를 원통형 피복관층 또는 원통형 코팅층 중 어느 하나라고 가정하면, 지름이 다른 원통형 피복관층과 원통형 코팅층이 접합된 구조를 사고 저항성 핵연료로 볼 수 있다.That is, assuming that the cylindrical cylinder of the single-layer structure as shown in FIG. 2 is either a cylindrical cladding tube layer or a cylindrical coating layer, a structure in which a cylindrical cladding tube layer having a different diameter and a cylindrical coating layer are joined may be regarded as an accident resistant nuclear fuel.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 단층 구조의 원통형 실린더를 기반으로 각 층(원통형 피복관층과 원통형 코팅층)에 대한 응력 방정식을 모델링할 수 있으며, 이후 원통형 피복관층과 원통형 코팅층 사이의 경계 조건을 적용함으로써 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a stress equation for each layer (cylindrical cladding layer and cylindrical coating layer) can be modeled based on a single-cylindrical cylindrical cylinder, and then a boundary condition between the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer is applied. As a result, stresses in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction with respect to each of the cylindrical coating tube layer and the cylindrical coating layer can be obtained.

도 3에는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다층 구조를 가진 사고 저항성 핵연료의 개략 절단도가 도시되어 있다. 즉, 도 2에 도시된 원통형 실린더를 기반으로 지름이 다른 원통형 피복관층(211)과 원통형 코팅층(212)이 접합된 개략 절단도로(도 2의 A-A' 참조), 내부(201)의 핵연료 펠릿은 별도로 도시하지 않았다.3 is a schematic cutaway view of an accident resistant nuclear fuel having a multilayer structure in accordance with one embodiment of the present invention. That is, based on the cylindrical cylinder shown in FIG. 2 is a schematic cutaway view (see AA 'of FIG. 2) in which the cylindrical coating pipe layer 211 and the cylindrical coating layer 212 having different diameters are bonded, the nuclear fuel pellets in the interior 201 Not shown separately.

도 3에 도시된 바와 같이, 원통형 피복관층(211)의 두께는 대략 490㎛이며, 원통형 피복관층(211)의 외주면에 코팅된 원통형 코팅층(212)의 두께는 대략 80㎛일 수 있다. 상술한 구체적인 수치는 발명의 이해를 돕기 위한 것에 불과하며, 구체적인 수치에 한정되는 것은 아님에 유의하여야 한다.As shown in FIG. 3, the thickness of the cylindrical cladding layer 211 may be about 490 μm, and the thickness of the cylindrical coating layer 212 coated on the outer circumferential surface of the cylindrical cladding layer 211 may be about 80 μm. It should be noted that the specific numerical values described above are merely to aid the understanding of the invention and are not limited to the specific numerical values.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 원통형 피복관층(211) 및 원통형 코팅층(212)의 반경 방향의 두께의 합 대비 원통형 피복관층(211)의 내면까지의 반경의 비는 10 미만일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the ratio of the radius of the sum of the radial thicknesses of the cylindrical cladding layer 211 and the cylindrical coating layer 212 to the inner surface of the cylindrical cladding layer 211 may be less than 10.

지름이 다른 원통형 피복관층과 원통형 코팅층이 접합된 구조의 사고 저항성 핵연료에 대한 응력 방정식을 모델링하기 위해서, 도 2에 도시된 바와 같은 단층 구조의 원통형 실린더에 대한 응력 방정식을 먼저 모델링할 필요가 있으며, 이하 단층 구조의 원통형 실린더의 응력 방정식을 모델링하는 방법을 설명한다.In order to model stress equations for accident resistant fuels having a structure in which cylindrical sheaths having different diameters and cylindrical coating layers are joined together, it is necessary to first model stress equations for single-cylindrical cylindrical cylinders as shown in FIG. Hereinafter, a method of modeling a stress equation of a cylindrical cylinder of a single layer structure will be described.

우선, 도 2에 도시된 단층의 원통형 실린더(200)에 대한 반경 방향 변형률(radial strain)(εr), 원주 방향 변형률(hoop strain)(εθ), 축방향 변형률(axial strain)(εz) 및 응력 평형 관계식(stress equilibrium relations)은 하기의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.First, the radial strain ε r , the circumferential strain hoop strain ε θ , and the axial strain ε z for the single-cylindrical cylindrical cylinder 200 shown in FIG. 2. ) And stress equilibrium relations may be defined as in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1에서, εr은 반경 방향 변형률, εθ는 원주 방향 변형률, εz은 축방향 변형률, u는 반경 방향 변위, r은 중심축(CX)으로부터 반경 방향 거리, σr은 반경 방향 응력, σθ은 원주 방향 응력을 의미한다.In Equation 1, ε r is the radial strain, ε θ is the circumferential strain, ε z is the axial strain, u is the radial displacement, r is the radial distance from the central axis CX, σ r is the radial stress , σ θ means circumferential stress.

상술한 수학식 1로부터 반경 방향의 변위(u)는 하기와 같은 미지수 2개(C1, C2)를 가지는 식으로 표현될 수 있다.Displacement u in the radial direction from Equation 1 described above may be represented by an equation having two unknowns C 1 and C 2 as follows.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, C1 및 C2는 미지수, r은 중심축(CX)으로부터 반경 방향 거리, v는 포와송비(poission ratio), △T는 온도 변화, εc, r은 반경 방향 크립 변형률, εc, z은 축 방향 크립 변형률, εc, θ은 원주 방향 크립 변형률,

Figure pat00003
는 축 방향 조사 성장(irradiation growth)을 의미한다.Where C 1 and C 2 are unknowns, r is the radial distance from the central axis CX, v is the poission ratio, ΔT is the temperature change, ε c, r is the radial creep strain, ε c, z is the axial creep strain, ε c, θ is the circumferential creep strain,
Figure pat00003
Denotes axial irradiation growth.

한편, 응력과 변형률의 상관관계를 이용하면, 도 2에 도시된 단층의 원통형 실린더(200)에 대한 반경 방향 응력(σr), 원주 방향 응력(σθ) 및 축 방향 응력(σz)은 하기와 같은 수학식 3으로 나타낼 수 있다.On the other hand, using the correlation between the stress and the strain, the radial stress (σ r ), the circumferential stress (σ θ ) and the axial stress (σ z ) for the single-layer cylindrical cylinder 200 shown in FIG. It can be represented by the following equation (3).

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서, σr 반경 방향 응력, σθ은 원주 방향 응력, σz은 축방향 응력, E는 영계수(Young's modulus), ε0는 축방향 변형률, α는 열팽창 계수이며, 기타 나머지 변수들은 위에서 정의된 바와 같다. Where σ r is The radial stress, σ θ is the circumferential stress, σ z is the axial stress, E is the Young's modulus, ε 0 is the axial strain, α is the coefficient of thermal expansion, and the other parameters are as defined above.

상술한 수학식 3에서 3개의 미지수(C1, C2, ε0)가 발생되며, 이 3개의 미지수들은 FRACAS의 모델 방법론을 이용하여 계산될 수 있다. FRACAS(Fuel Rod And Cladding Analysis Subcode) 모델 방법론은 핵연료 성능 코드 안에서 경계 조건을 적용하여 응력을 해석하기 위한 공지의 방법론 중 하나이다.In Equation 3, three unknowns C 1 , C 2 , ε 0 are generated, and these three unknowns can be calculated using the model methodology of FRACAS. The Fuel Rod And Cladding Analysis Subcode (FRACAS) model methodology is one of the well-known methodologies for analyzing stresses by applying boundary conditions within fuel performance codes.

FRACAS의 모델 방법론은 도 2에 도시된 바와 같은 단층의 원통형 실린더의 경우에 적용되나, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면 하기와 같이 가정(후술하는 경계 조건에 이용)함으로써 피복층-코팅층으로 구성된 다층 구조를 가진 원통형 실린더에 확장 적용할 수 있다.The model methodology of FRACAS is applied to the case of a single-layer cylindrical cylinder as shown in FIG. 2, but according to one embodiment of the present invention, a multilayer structure composed of a coating layer-coating layer by making the following assumption (using the boundary conditions described below) It can be extended to cylindrical cylinders with

(1) 2개의 층(피복관층-코팅층)을 가지는 다층 구조의 피복재(1) Multi-layered coating material having two layers (coating layer-coating layer)

(2) 2개의 층(피복관층-코팅층)은 완전 접합되어 있음(2) The two layers (coating layer-coating layer) are completely bonded

(3) 피복재의 탄성 변형만 고려(3) Consider only elastic deformation of cladding

(4) 축대칭 하중 및 변형으로 가정(원주 방향의 비대칭성을 고려하지 않음)(4) Assumption of axisymmetric loads and deformations (no consideration of circumferential asymmetry)

(5) 핵연료 펠릿과 피복관층 접촉시 축방향의 미끄러짐은 발생하지 않음(5) No axial slippage occurs when the fuel pellet contacts the cladding layer.

(6) 굽힘 응력 및 변형값은 고려하지 않음(6) Bending stress and strain value are not considered

(7) 피복관층과 핵연료 펠릿의 접촉 응력에 의해 핵연료 펠릿은 변형하지 않음(rigid pellet assumption)(7) The fuel pellets do not deform due to the contact stress between the cladding layer and the fuel pellets.

(8) 피복관층은 등방성을 가지는 재질로 구성됨(8) The cladding layer consists of a material having isotropy

상술한 단층 구조의 원통형 실린더를 기반으로 한 사고 저항성 핵연료의 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층 각 층에 대한, 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식은 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.The stress equations in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction for each of the cylindrical cladding tube layers and the cylindrical coating layer of the accident resistant nuclear fuel based on the cylindrical cylinder of the single-layer structure described above are as follows. It can be expressed as Equation 4.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서, i는 자연수로, 1은 원통형 피복관층을 2는 원통형 코팅층을 의미하며, σr,i는 반경 방향(r)의 응력, σθ,i는 원주 방향(θ)의 응력, σz,i는 축 방향(z)의 응력, 기타 변수는 상술한 바와 같다. 한편, 상술한 수학식 4에서 구하고자 하는 미지수는 C1, i, C2, i, ε0이다.Where i is a natural number, 1 is a cylindrical cladding layer, 2 is a cylindrical coating layer, σ r, i is a stress in the radial direction r, σ θ, i is a stress in the circumferential direction θ z, i is the stress in the axial direction z, and other variables are as described above. On the other hand, the unknown to be obtained in the above equation (4) is C 1, i , C 2, i , ε 0 .

사고 저항성 핵연료가 원자로 내에 설치될 때 핵연료 펠릿과 원통형 피복관층 사이에는 간극이 존재하게 되며, 이후 반응이 진행됨에 따라 핵연료 펠릿과 원통형 피복관층은 접합되어 간극이 없어지게 된다. When an accident resistant fuel is installed in the reactor, a gap exists between the fuel pellet and the cylindrical cladding layer, and as the reaction proceeds, the fuel pellet and the cylindrical cladding layer are joined to eliminate the gap.

전자는 오픈 갭 영역(Open Gap Region), 후자는 클로우즈 갭 영역(Closed Gap Region)으로 지칭될 수 있으며, 각각의 경우에 적합한 경계 조건을 대입하여 응력 방정식의 미지수를 구하기로 한다.The former may be referred to as an open gap region and the latter may be referred to as a closed gap region. The unknown equation of the stress equation is determined by substituting appropriate boundary conditions in each case.

오픈 갭 영역(Open Gap Region)의 경계 조건Boundary Conditions for Open Gap Regions

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 오픈 갭 영역(Open Gap Region)에서의 하중 조건인 제1 경계 조건을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a first boundary condition which is a load condition in an open gap region according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이 오픈 갭 영역에서는 핵연료 펠릿(202)과 원통형 피복관층(211) 사이에는 간극(201)이 존재하며, 간극(201)에 채워진 헬륨에 의해 내압(Pi)이 존재하며, 냉각수 압력에 의해 외부에는 외압(Po)이 존재할 수 있다.As shown in FIG. 4, in the open gap region, a gap 201 exists between the fuel pellet 202 and the cylindrical cladding layer 211, and internal pressure P i is formed by helium filled in the gap 201. , it is outside the external pressure (P o) by the cooling water pressure can be present.

한편, 센터축(CX)과 원통형 피복관층(211)의 내면 사이의 거리를 R1, 센터축(CX)과 원통형 피복관층(211)과 원통형 피복관층(212)의 접합면까지의 거리를 R2, 센터축(CX)과 원통형 피복관층(212)의 외면까지의 거리를 R3라고 가정한다.Meanwhile, R1 represents the distance between the center axis CX and the inner surface of the cylindrical cladding layer 211, and R2 represents the distance between the center axis CX and the joint surface of the cylindrical cladding layer 211 and the cylindrical cladding layer 212. Assume that the distance between the center axis CX and the outer surface of the cylindrical sheath layer 212 is R3.

상술한 오픈 갭 영역에서는 원통형 피복관층과 원통형 코팅층의 접합면에서 반경 방향의 응력 평형 조건(하기 수학식 6의 3번째 수식 참조)과 원주 방향의 변형률 평형 조건(하기 수학식 6의 4번째 수식 참조), 원통형 피복관층의 내면과 원통형 코팅층의 외면에서 반경 방향의 응력 평형 조건(하기 수학식 6의 1번째 및 2번째 수식 참조) 및 원통형 피복관층과 원통형 코팅층의 축방향의 응력 평형 조건(하기 수학식 6의 5번째 수식 참조)을 경계 조건('제1 경계 조건'이라 함)으로 할 수 있으며, 이를 하기의 수학식 5에 도시하였다.In the open gap region described above, the radial stress equilibrium condition (see Equation 6 below) and the circumferential strain equilibrium condition (see Equation 6 below) at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer ), Radial stress equilibrium conditions on the inner surface of the cylindrical cladding layer and the outer surface of the cylindrical coating layer (see equations 1 and 2 below) and axial stress equilibrium conditions of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer The fifth equation of Equation 6) may be referred to as a boundary condition (called 'first boundary condition'), which is shown in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, σ(R1)r,1은 원통형 피복관층의 내면에서 반경 방향의 응력, Pi는 원통형 피복관층과 핵연료 펠릿 사이의 내압, σ(R3)r,2는 원통형 코팅층의 외면에서 반경 방향의 응력, Po는 원통형 피복관층의 외면에 작용하는 외압, ε(R2)θ,1은 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 피복관층의 원주 방향의 변형률, ε(R2)θ,2는 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 코팅층의 원주 방향의 변형률, σ(R2)r,1는 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 피복관층의 반경 방향의 응력, σ(R2)r,2는 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 코팅층의 반경 방향의 응력, A1은 원통형 피복관층의 축방향 면적, σz, 1은 원통형 피복관층의 축방향 응력, A2는 원통형 코팅층의 축방향 면적, σz, 2은 원통형 코팅층의 축방향 응력, R1은 사고 저항성 핵연료 중심축으로부터 원통형 피복관층의 내면까지의 거리, R3는 사고 저항성 핵연료 중심축으로부터 원통형 피복관층의 외면까지의 거리일 수 있다.Where σ (R 1 ) r, 1 is the radial stress at the inner surface of the cylindrical cladding layer, P i is the internal pressure between the cylindrical cladding layer and the fuel pellets, and σ (R 3 ) r, 2 is the radius at the outer surface of the cylindrical coating layer Direction stress, P o is the external pressure acting on the outer surface of the cylindrical cladding layer, ε (R 2 ) θ, 1 is the strain in the circumferential direction of the cylindrical cladding layer at the junction between the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer, ε (R 2 θ, 2 is the strain in the circumferential direction of the cylindrical coating layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer, σ (R 2 ) r, 1 is the radial direction of the cylindrical cladding layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer Σ (R 2 ) r, 2 is the radial stress of the cylindrical coating layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer, A 1 is the axial area of the cylindrical cladding layer, sigma z, 1 is the cylindrical cladding layer of the axial stress, a 2 in the axial direction of the cylindrical coat Ever, σ z, 2 is the axial stress of the cylindrical coat, R 1 is a distance from the inner surface of the cylindrical cladding layer from the incident resistant nuclear fuel central axis, R 3 is the distance of the outer surface to the cylindrical cladding layer from a central axis incident resistant nuclear fuel Can be.

한편, 제1 연산부(120)는 상술한 제1 경계 조건을 수학식 4에 대입하여 응력 방정식의 미지수(C1,1, C1,2, C2,1, C2,1, ε0)를 구할 수 있다.Meanwhile, the first calculation unit 120 substitutes the above-described first boundary condition into Equation 4 to determine an unknown value of the stress equation (C 1,1 , C 1,2 , C 2,1 , C 2,1 , ε 0 ). Can be obtained.

마지막으로, 제2 연산부(130)는 구한 미지수(C1,1, C1,2, C2,1, C2,1, ε0)를 응력 방정식에 대입하여 원통형 피복관층(211) 및 원통형 코팅층(212) 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구할 수 있다.Finally, the second calculating unit 130 substitutes the obtained unknown values C 1,1 , C 1,2 , C 2,1 , C 2,1 , ε 0 into the stress equation to form the cylindrical cover pipe layer 211 and the cylindrical shape. The stress in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction for each layer of the coating layer 212 can be obtained.

클로우즈 갭 영역(Closed Gap Region)의 경계 조건Boundary Conditions for Closed Gap Regions

도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 클로우즈 갭 영역(closed Gap Region)에서의 하중 조건인 제2 경계 조건을 설명하기 위한 도면이다.It is a figure for demonstrating the 2nd boundary condition which is a load condition in the closed gap region which concerns on one Embodiment of this invention.

도 5에 도시된 바와 같이 클로우즈 갭 영역에서는 핵연료 펠릿(202)과 원통형 피복관층(211)이 접합되어 간극이 존재하지 않는다.As shown in FIG. 5, in the closed gap region, the nuclear fuel pellet 202 and the cylindrical cladding layer 211 are bonded to each other so that there is no gap.

마찬가지로, 센터축(CX)과 원통형 피복관층(211)의 내면 사이의 거리를 R1, 센터축(CX)과 원통형 피복관층(211)과 원통형 피복관층(212)의 접합면까지의 거리를 R2, 센터축(CX)과 원통형 피복관층(212)의 외면까지의 거리를 R3라고 가정한다.Similarly, the distance between the center axis CX and the inner surface of the cylindrical cladding layer 211 is R1, and the distance between the center axis CX and the joint surface of the cylindrical cladding layer 211 and the cylindrical cladding layer 212 is R2, Assume that the distance between the center axis CX and the outer surface of the cylindrical sheath layer 212 is R3.

상술한 클로우즈 갭 영역에서는 리지드 펠릿(Rigid Pellet) 가정에 따라 팽윤(swelling)이나 열팽창에 의해 발생한 핵연료의 외부 반경의 변위 결과는 피복재(211, 212) 내부의 반경 방향 변위(u0) 조건으로 입력된다. In the above closed gap region, the displacement result of the outer radius of the fuel caused by swelling or thermal expansion according to the Rigid Pellet assumption is inputted under the condition of radial displacement (u 0 ) inside the cladding 211 and 212. do.

또한, 클로우즈 갭 영역에서는 핵연료 펠릿과 피복재(211, 212) 사이에 미끄러짐이 발생하지 않고 완전 접합되어 있다고 가정하므로, 핵연료 펠릿(202)이 축방향으로 변형한만큼 피복재(211, 212)도 동일한 변형률(ε0)을 가지고 변형하게 된다.In addition, in the close gap region, since the fuel pellet and the coating materials 211 and 212 are assumed to be completely bonded without slipping, the coating materials 211 and 212 are also subjected to the same strain rate as the fuel pellets 202 are deformed in the axial direction. ε 0 ) to deform.

도 5에 도시된 바와 같이, 클로우즈 갭 영역에서는 축방향 변형률(ε0)이 사전에 주어지는 값이므로, 수학식 4에서는 축방향 변형률(ε0)를 제외한 4개의 미지수(C1,1, C1,2, C2,1, C2,1)를 구할 수 있다.As shown in FIG. 5, since the axial strain ε 0 is a value previously given in the closed gap region, four unknowns C 1 , 1 and C 1 except for the axial strain ε 0 in Equation 4. , 2 , C 2,1 , C 2,1 ).

구체적으로, 상술한 클로우즈 갭 영역에서는 원통형 피복관층(211) 내부의 변위 조건(하기 수학식 6의 1번째 수식 참조), 원통형 피복관층(211)과 원통형 코팅층(212)의 접합면에서 반경 방향의 응력 평형 조건(하기 수학식 6의 2번째 수식 참조)과 원주 방향의 변형률 평형 조건(하기 수학식 6의 3번째 수식 참조) 및 원통형 코팅층(211)의 외면에서 반경 방향의 응력 평형 조건(하기 수학식 6의 4번째 수식 참조)을 경계 조건('제2 경계 조건'이라 함)으로 할 수 있으며, 이를 하기의 수학식 6에 도시하였다.Specifically, in the above-described closed gap region, the radial displacement conditions (see the first equation of Equation 6 below) inside the cylindrical cladding layer 211 and the bonding surface of the cylindrical cladding layer 211 and the cylindrical coating layer 212 are radial. Stress equilibrium conditions (see the second equation of Equation 6 below) and strain equilibrium conditions in the circumferential direction (see the third equation of Equation 6 below) and radial stress equilibrium conditions on the outer surface of the cylindrical coating layer 211 The fourth equation of Equation 6) may be referred to as a boundary condition (called a 'second boundary condition'), which is shown in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, u(R1)은 원통형 피복관층의 내면에서 반경 방향의 변위, uo는 핵연료 펠릿의 반경 방향의 변위, σ(R2)r,1은 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 피복관층의 반경 방향의 응력, σ(R2)r,2는 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 코팅층의 반경 방향의 응력, ε(R2)θ,1은 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 피복관층의 원주 방향의 변형률, ε(R2)θ,2는 원통형 피복관층과 원통형 피복관층의 접합면에서 원통형 코팅층의 원주 방향의 변형률, ε(R3)r은 원통형 피복관층의 외면에서 반경 방향의 변형률일 수 있다.Where u (R 1 ) is the radial displacement at the inner surface of the cylindrical cladding layer, u o is the radial displacement of the fuel pellets, and σ (R 2 ) r, 1 is the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer The radial stress of the cylindrical cladding layer, σ (R 2 ) r, 2 is the radial stress of the cylindrical coating layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer, ε (R 2 ) θ, 1 is the cylindrical cladding layer The circumferential strain of the cylindrical cladding layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer, ε (R 2 ) θ, 2 is the circumferential strain of the cylindrical coating layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer, ε (R 3 ) r May be the radial strain on the outer surface of the cylindrical sheath layer.

한편, 제1 연산부(120)는 상술한 제2 경계 조건을 수학식 4에 대입하여 응력 방정식의 미지수(C1,1, C1,2, C2,1, C2,1)를 구할 수 있다.On the other hand, the first calculation unit 120 can obtain the unknown value (C 1,1 , C 1,2 , C 2,1 , C 2,1 ) of the stress equation by substituting the above-described second boundary condition in equation (4). have.

마지막으로, 제2 연산부(130)는 구한 미지수(C1,1, C1,2, C2,1, C2,1)를 응력 방정식에 대입하여 원통형 피복관층(211) 및 원통형 코팅층(212) 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구할 수 있다.Lastly, the second calculating unit 130 substitutes the obtained unknown values C 1 , 1 , C 1,2 , C 2,1 , C 2,1 into the stress equation to form the cylindrical cladding layer 211 and the cylindrical coating layer 212. The stresses in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction for each layer can be obtained.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 원통형 피복관층과 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 이용하여 응력 방정식의 미지수를 구함으로써, 이종 재질로 구성된 원통형 피복관층과 원통형 코팅층으로 구성된 다층 구조 피복관을 포함하는 사고 저항성 핵연료의 반경 방향, 원주 방향 및 축 방향의 응력을 구할 수 있는 이점이 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, by obtaining the unknown value of the stress equation using the boundary condition between the cylindrical cladding tube layer and the cylindrical coating layer, a multi-layered cladding tube composed of a cylindrical cladding tube layer and a cylindrical coating layer composed of different materials. There is an advantage to obtain the stress in the radial, circumferential and axial directions of the accident-resistant fuel containing.

한편, 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법을 설명하는 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a stress analysis method of an accident resistant nuclear fuel according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법을 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 5에서 설명된 사항과 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, a stress analysis method for an accident resistant nuclear fuel according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. However, for simplicity of the invention, descriptions duplicated with those described in FIGS. 1 to 5 will be omitted.

우선, 모델링부(110)는, 사고 저항성 핵연료의 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층 각 층에 대하여, 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링할 수 있다(S601).First, the modeling unit 110 may model stress equations in a radial (r) direction, a circumferential (θ) direction, and an axial (z) direction for each layer of the cylindrical cladding tube and the cylindrical coating layer of the accident resistant nuclear fuel ( S601).

더욱 구체적으로, 모델링부(110)는, 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층 각각의 탄성 계수, 푸아송비 및 열팽창 계수를 반영하여, 원통형 피복관에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식 및 원통형 코팅층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링할 수 있다.More specifically, the modeling unit 110 reflects the elastic modulus, Poisson's ratio, and thermal expansion coefficient of each of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer, and thus the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axis (z) with respect to the cylindrical cladding tube. The stress equation in the () direction and the radial (r) direction, the circumference (θ) direction and the axial (z) direction for the cylindrical coating layer can be modeled.

다음, 제1 연산부(110)는, 원통형 피복관층과 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 대입하여 응력 방정식의 미지수를 구할 수 있다(S602).Next, the first calculation unit 110 may obtain the unknown of the stress equation by substituting the boundary condition between the cylindrical cladding tube layer and the cylindrical coating layer (S602).

제1 연산부(110)는 상술한 바와 같이, 제1 경계 조건을 적용하여 핵연료 펠릿과 원통형 피복관층 사이에는 간극이 존재하는 경우와 제2 경계 조건을 적용하여 핵 연료 펠릿과 원통형 피복관층은 접합되어 간극이 없는 경우 각각에 대하여 미지수를 구할 수 있음은 상술한 바와 같다.As described above, the first calculating unit 110 applies the first boundary condition to the case where the gap exists between the fuel pellet and the cylindrical cladding layer and the nuclear fuel pellet and the cylindrical cladding layer are bonded by applying the second boundary condition. If there is no gap, the unknown can be obtained for each as described above.

마지막으로, 제2 연산부(130)는, 구한 미지수를 응력 방정식에 대입하여 원통형 피복관층 및 원통형 코팅층 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구할 수 있다(S603).Finally, the second calculation unit 130 substitutes the obtained unknowns into the stress equation to calculate stresses in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction for each of the cylindrical sheath and the cylindrical coating layer. It may be (S603).

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 원통형 피복관층과 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 이용하여 응력 방정식의 미지수를 구함으로써, 이종 재질로 구성된 원통형 피복관층과 원통형 코팅층으로 구성된 다층 구조 피복관을 포함하는 사고 저항성 핵연료의 반경 방향, 원주 방향 및 축 방향의 응력을 구할 수 있는 이점이 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, by obtaining the unknown value of the stress equation using the boundary condition between the cylindrical cladding tube layer and the cylindrical coating layer, a multi-layered cladding tube composed of a cylindrical cladding tube layer and a cylindrical coating layer composed of different materials. There is an advantage to obtain the stress in the radial, circumferential and axial directions of the accident-resistant fuel containing.

상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.The stress analysis method of the accident resistant nuclear fuel according to the embodiment of the present invention described above may be produced as a program for execution in a computer and stored in a computer-readable recording medium. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like. The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion. And functional programs, codes and code segments for implementing the method can be easily deduced by programmers in the art to which the present invention belongs.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, '~ 부'는 다양한 방식, 예를 들면 프로세서, 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 명령들, 소프트웨어 모듈, 마이크로 코드, 컴퓨터 프로그램 생성물, 로직 회로, 애플리케이션 전용 집적 회로, 펌웨어 등에 의해 구현될 수 있다.In addition, in describing the present invention, '~ part' may be used in various ways, for example, a processor, program instructions executed by a processor, software module, microcode, computer program product, logic circuit, application-specific integrated circuit, firmware. It may be implemented by such.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings. It is intended to limit the scope of the claims by the appended claims, and that various forms of substitution, modification and change can be made without departing from the spirit of the present invention as set forth in the claims to those skilled in the art. Will be self explanatory.

100: 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치
110: 모델링부
120: 제1 연산부
130: 제2 연산부
200: 원통형 실린더
201: 내부(중공)
202: 핵연료 펠릿
211: 원통형 피복관층
212: 원통형 코팅층
100: stress analysis device of accident resistant fuel
110: modeling unit
120: first operation unit
130: second operation unit
200: cylindrical cylinder
201: internal (hollow)
202: nuclear fuel pellets
211: cylindrical sheath layer
212: cylindrical coating layer

Claims (10)

내부에 핵연료 펠릿이 구비된 원통형 피복관층과, 상기 원통형 피복관층의 외주면에 코팅되며 상기 원통형 피복관층과는 다른 재질로 구성된 원통형 코팅층의 다층 구조로 구성된 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치에 있어서,
상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대하여, 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링하는 모델링부;
모델링된 상기 응력 방정식에 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 적용하여 상기 응력 방정식의 미지수를 구하는 제1 연산부; 및
구한 미지수를 상기 응력 방정식에 대입하여 상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구하는 제2 연산부;
를 포함하는, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
In the stress resistant fuel stress analysis device composed of a multi-layered structure of a cylindrical cladding tube layer having nuclear fuel pellets and a cylindrical coating layer coated on an outer circumferential surface of the cylindrical cladding layer and composed of a material different from the cylindrical cladding layer,
A modeling unit for modeling stress equations in a radial (r) direction, a circumferential (θ) direction, and an axial (z) direction with respect to each of the cylindrical coating tube layer and the cylindrical coating layer;
A first calculation unit applying a boundary condition between the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer to the modeled stress equation to obtain an unknown figure of the stress equation; And
A second calculation unit for obtaining the stresses in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction for each of the cylindrical coating tube layer and the cylindrical coating layer by substituting the obtained unknown equation into the stress equation;
An apparatus for stress analysis of accident resistant fuel comprising a.
제1항에 있어서,
상기 모델링부는,
상기 원통형 피복관층과 상기 핵연료 펠릿 사이에 간극이 존재하는 사고 저항성 핵연료에 대한 응력 방정식을 모델링하며,
상기 응력 방정식의 제1 경계 조건은,
상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 코팅층의 접합면에서 반경 방향의 응력 평형 조건과 원주 방향의 변형률 평형 조건, 상기 원통형 피복관층의 내면과 상기 원통형 코팅층의 외면에서 반경 방향의 응력 평형 조건 및 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 코팅층의 축방향의 응력 평형 조건을 포함하는, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
The method of claim 1,
The modeling unit,
Modeling a stress equation for an accident resistant fuel in which a gap exists between the cylindrical cladding layer and the fuel pellet,
The first boundary condition of the stress equation,
Stress equilibrium conditions in the radial direction and strain equilibrium conditions in the circumferential direction, radial stress equilibrium conditions in the inner surface of the cylindrical cladding layer and the outer surface of the cylindrical coating layer and the cylindrical cladding layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer And stress balancing conditions in the axial direction of the cylindrical coating layer.
제1항에 있어서,
상기 모델링부는,
상기 원통형 피복관층과 상기 핵연료 펠릿이 접합되어 간극이 없는 사고 저항성 핵연료에 대한 응력 방정식을 모델링하며,
상기 응력 방정식의 제2 경계 조건은,
상기 원통형 피복관층 내부의 변위 조건, 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 코팅층의 접합면에서 반경 방향의 응력 평형 조건과 원주 방향의 변형률 평형 조건 및 상기 원통형 코팅층의 외면에서 반경 방향의 응력 평형 조건을 포함하는, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
The method of claim 1,
The modeling unit,
The cylindrical sheath layer and the fuel pellets are bonded to model stress equations for accident-resistant fuel without gaps,
The second boundary condition of the stress equation,
A displacement condition inside the cylindrical cladding layer, a radial stress equilibrium condition and a circumferential strain equilibrium condition at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer, and a radial stress equilibrium condition at the outer surface of the cylindrical coating layer. Device for stress analysis of accident resistant fuels.
제1항에 있어서,
상기 모델링부는,
상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각각의 탄성 계수, 푸아송비 및 열팽창 계수를 반영하여, 상기 원통형 피복관에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식 및 상기 원통형 코팅층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링하는, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
The method of claim 1,
The modeling unit,
Reflecting the elastic modulus, Poisson's ratio, and thermal expansion coefficient of each of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer, the stress equation in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction and the axial (z) direction for the cylindrical cladding and the cylindrical An apparatus for stress resistant nuclear resistant fuel, which models stress equations in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction, and the axial (z) direction with respect to the coating layer.
제1항에 있어서,
원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층의 반경 방향의 두께의 합 대비 상기 원통형 피복관층의 내면까지의 반경의 비는 10 미만인, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
The method of claim 1,
The ratio of the radius of the sum of the radial thickness of the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer to the inner surface of the cylindrical cladding layer is less than 10, stress analysis device for accident resistant nuclear fuel.
제1항에 있어서,
상기 응력 방정식은, 하기 수학식 1:
Figure pat00008

Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
에 의하며,
i는 자연수로, 1은 원통형 피복관층을 2는 원통형 코팅층을 의미하며, σr,i는 반경 방향(r)의 응력, σθ,i는 원주 방향(θ)의 응력, σz,i는 축 방향(z)의 응력, E는 영계수(young's modulus), ν는 포와송비(poisson ratio), r은 중심축으로부터의 반경 방향의 거리, α는 열팽창 계수, △T는 온도 변화, εc,r은 반경 방향 크립 변형률,εc,z은 축 방향 크립 변형률,
Figure pat00013
는 축 방향 조사 성장(irradiation growth), ε0는 축방향 변형률인, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
The method of claim 1,
The stress equation is the following equation 1:
Figure pat00008

Figure pat00009
,
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
By
i is a natural number, 1 is a cylindrical coating layer, 2 is a cylindrical coating layer, σ r, i is the stress in the radial direction r, σ θ, i is the stress in the circumferential direction θ, and σ z, i is The stress in the axial direction z, E is the young's modulus, ν is the poisson ratio, r is the radial distance from the central axis, α is the coefficient of thermal expansion, ΔT is the temperature change, ε c, r is the radial creep strain, ε c, z is the axial creep strain,
Figure pat00013
Is an axial irradiation growth, ε 0 is an axial strain, the stress resistant device of an accident resistant fuel.
제2항에 있어서,
상기 제1 경계 조건은, 하기의 수학식 2:
Figure pat00014
에 의하며,
여기서, σ(R1)r,1은 상기 원통형 피복관층의 내면에서 반경 방향의 응력, Pi는 상기 원통형 피복관층과 상기 핵연료 펠릿 사이의 내압, σ(R3)r,2는 상기 원통형 코팅층의 외면에서 반경 방향의 응력, Po는 상기 원통형 피복관층의 외면에 작용하는 외압, ε(R2)θ,1은 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 피복관층의 원주 방향의 변형률, ε(R2)θ,2는 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 코팅층의 원주 방향의 변형률, σ(R2)r,1는 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 피복관층의 반경 방향의 응력, σ(R2)r,2는 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 코팅층의 반경 방향의 응력, A1은 상기 원통형 피복관층의 축방향 면적, σz, 1은 상기 원통형 피복관층의 축방향 응력, A2는 상기 원통형 코팅층의 축방향 면적, σz, 2은 상기 원통형 코팅층의 축방향 응력, R1은 상기 사고 저항성 핵연료 중심축으로부터 상기 원통형 피복관층의 내면까지의 거리, R3는 상기 사고 저항성 핵연료 중심축으로부터 상기 원통형 피복관층의 외면까지의 거리인, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
The method of claim 2,
The first boundary condition is represented by Equation 2:
Figure pat00014
By
Where σ (R 1 ) r, 1 is the radial stress at the inner surface of the cylindrical cladding layer, P i is the internal pressure between the cylindrical cladding layer and the fuel pellet, and σ (R 3 ) r, 2 is the cylindrical coating layer The radial stress at the outer surface of, P o is the external pressure acting on the outer surface of the cylindrical cladding layer, ε (R 2 ) θ, 1 is the circumference of the cylindrical cladding layer at the joint surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer Direction strain, ε (R 2 ) θ, 2 is the strain in the circumferential direction of the cylindrical coating layer at the junction surface of the cylindrical cladding tube layer and the cylindrical cladding layer, σ (R 2 ) r, 1 is the cylindrical cladding tube layer and the The radial stress of the cylindrical cladding layer at the joining surface of the cylindrical cladding layer, σ (R 2 ) r, 2 is the radial stress of the cylindrical coating layer at the joining surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer, A 1 Silver cylindrical sheath Axial area of the tube layer, σ z, 1 is the axial stress of the cylindrical coating tube layer, A 2 is the axial area of the cylindrical coating layer, σ z, 2 is the axial stress of the cylindrical coating layer, R 1 is the accident resistance And a distance from the fuel central axis to the inner surface of the cylindrical cladding layer, R 3 is the distance from the accident resistant fuel central axis to the outer surface of the cylindrical cladding layer.
제3항에 있어서,
상기 제2 경계 조건은, 하기의 수학식 3:
Figure pat00015
에 의하며,
여기서, u(R1)은 상기 원통형 피복관층의 내면에서 반경 방향의 변위, uo는 상기 핵연료 펠릿의 반경 방향의 변위, σ(R2)r,1은 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 피복관층의 반경 방향의 응력, σ(R2)r,2는 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 코팅층의 반경 방향의 응력,ε(R2)θ,1은 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 피복관층의 원주 방향의 변형률, ε(R2)θ,2는 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 피복관층의 접합면에서 상기 원통형 코팅층의 원주 방향의 변형률, ε(R3)r은 상기 원통형 피복관층의 외면에서 반경 방향의 변형률인, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 장치.
The method of claim 3,
The second boundary condition is represented by Equation 3:
Figure pat00015
By
Where u (R 1 ) is the radial displacement in the inner surface of the cylindrical sheath layer, u o is the radial displacement of the fuel pellet, σ (R 2 ) r, 1 is the cylindrical sheath layer and the cylindrical sheath layer The radial stress of the cylindrical cladding layer at the joining surface of σ (R 2 ) r, 2 is the radial stress of the cylindrical coating layer at the joining surface of the cylindrical cladding layer and the cylindrical cladding layer, ε (R 2 ) θ, 1 is the strain in the circumferential direction of the cylindrical cladding tube layer at the joint surface of the cylindrical cladding tube layer, ε (R 2 ) θ, 2 is the joining surface of the cylindrical cladding tube layer and the cylindrical cladding tube layer The strain in the circumferential direction of the cylindrical coating layer, ε (R 3 ) r is the radial strain on the outer surface of the cylindrical cladding tube layer, the stress resistant fuel stress analysis device.
내부에 핵연료 펠릿이 구비된 원통형 피복관층과, 상기 원통형 피복관층의 외주면에 코팅되며 상기 원통형 피복관층의 재질과는 다른 재질로 구성된 원통형 코팅층의 다층 구조를 포함하는 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법에 있어서,
모델링부에서, 상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대하여, 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력 방정식을 모델링하는 단계;
제1 연산부에서, 모델링된 상기 응력 방정식에 상기 원통형 피복관층과 상기 원통형 코팅층 간의 경계 조건을 적용하여 상기 응력 방정식의 미지수를 구하는 단계; 및
제2 연산부에서, 구한 미지수를 상기 응력 방정식에 대입하여 상기 원통형 피복관층 및 상기 원통형 코팅층 각 층에 대한 반경(r) 방향, 원주(θ) 방향 및 축(z) 방향의 응력을 구하는 단계;
를 포함하는, 사고 저항성 핵연료의 응력 해석 방법.
In the stress analysis method of accident-resistant fuel comprising a multi-layered structure of a cylindrical cladding tube layer having nuclear fuel pellets and a cylindrical coating layer coated on an outer circumferential surface of the cylindrical cladding layer and composed of a material different from that of the cylindrical cladding layer. ,
In the modeling unit, for each of the cylindrical sheath tube layer and the cylindrical coating layer, modeling the stress equation in the radial (r) direction, the circumferential (θ) direction and the axial (z) direction;
Obtaining a unknown value of the stress equation by applying a boundary condition between the cylindrical cladding layer and the cylindrical coating layer to the modeled stress equation in a first calculation unit; And
Calculating a stress in a radial (r) direction, a circumferential (θ) direction, and an axial (z) direction for each of the cylindrical coating tube layer and the cylindrical coating layer by substituting the obtained unknown value into the stress equation in the second calculating part;
Comprising a stress analysis method of accident resistant fuel.
제9항의 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the method of claim 9.
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