考虑裂变气体释放的高燃耗燃料颗粒动态开裂行为研究

晁昊宇; 董颖璇; 曹肸丞; 吕俊男; 李群

应用力学学报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (6) : 1285 -1291.

晁昊宇, 董颖璇, 曹肸丞, 吕俊男, 李群

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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。