考虑裂变气体释放的高燃耗燃料颗粒动态开裂行为研究

Study on dynamic cracking behavior of high burnup fuel particles with fission gas release

摘要

陶瓷燃料在高燃耗条件下产生大量裂变气孔，气孔中的裂变气体释放至裂纹空腔对裂纹扩展行为具有较大的影响。开发了一种变内压作用下的裂纹动态扩展模型，实现了裂纹空腔内压与裂纹扩展过程相互耦合作用的动态开裂技术。内压大小随裂纹扩展而变化，同时开裂行为受内压大小的影响。并将此模型成功应用于高燃耗结构陶瓷燃料颗粒内的开裂行为模拟，研究了裂变气体释放对裂纹扩展的力学作用。基于全局内聚力单元模拟了裂纹产生和扩展过程，建立了气体释放对裂纹扩展力学作用的研究方法，分析了气体压力对燃料颗粒内部裂纹产生和扩展过程的影响。结果表明，气体总量不变情况下气体释放至裂纹空腔会基于气体压力和裂纹几何特征对裂纹扩展产生抑制的效果。对于不同气体初始压力的情况，气体初始压力越大，止裂时裂纹扩展长度越长。该动态裂纹模拟技术为精确研究弥散型燃料芯体失效提供了分析方法及数值参考，也为载荷与裂纹扩展相耦合的情况提供一种研究方法。

Abstract

A large number of fission pores are generated in ceramic fuel under high burnup conditions，and the fission gas released into the crack cavity has a great influence on the crack propagation behavior.In this study，a dynamic crack propagation model under variable internal pressure is developed to address the dynamic cracking technique of the coupling effect between the internal pressure and crack propagation.The internal pressure in crack cavity varies with crack propagation，while the cracking behavior is simultaneously affected by the pressure.The presented model is successfully applied to simulate the cracking behavior of ceramic fuel particles of high burnup structure，and the mechanical effect of fission gas release on crack propagation is studied.Based on the cohesive element，the crack initiation and propagation process are simulated，and the mechanical research method of gas release on crack propagation is established here.Furthermore，the effects of gas pressure on the crack initiation and propagation process in fuel particles are analyzed.The results show that the release of gas into the crack cavity can inhibit crack propagation based on gas pressure and crack geometry characteristics.For different initial gas pressures，the larger the initial gas pressure is，the longer the crack propagation length will be.The developed dynamic cracking simulation technique provides an analytical method and numerical foundation for accurately analyzing the failure of dispersion fuel meat.It also provides a method to study the coupling of load and crack propagation.

关键词

陶瓷燃料颗粒 / 内聚力单元法 / 动态开裂 / 裂变气体

Key words

ceramic fuel particle / cohesive element / dynamic cracking / fission gas

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(12172270)

反应堆燃料及材料重点实验资助项目(K902023-04-FW-HT-20220003)