轻水堆用多层碳化硅燃料包壳应力分析与设计优化

论文摘要

在失水事故(loca)或高温下,当前的锆合金包层将与冷却剂反应,然后形成氢气。氢的积聚是危险的,因为它可能引起爆炸,并容易将放射性物质暴露在环境中。多层SiC基复合材料作为一种重要的耐事故燃料包壳材料,近年来成为研究热点。为了满足燃料对强度和抗渗性能的要求,对多层SiC覆盖层的概念设计进行了研究。本文在热弹性力学理论的基础上,考虑了径向温度梯度和膨胀效应,建立了多层SiC的应力分布模型。通过对稳态温度分布的分析,研究了熔覆层的传热行为。利用有限元分析软件ANSYS建立了双相SiC覆层的有限元分析模型,得到了模拟压水堆稳态条件下的应力和温度分布。此外,还建立了一个matlab模型来验证有限元模型在BOL和EOL燃耗条件下的数值模拟结果。然后,利用修正的威布尔模量计算了各种情况下的失效概率。此外,对多层包层的优化设计仍有必要。从20%整体SiC到80%共研究了 7个设计点。研究了压水堆循环过程中各设计点的应力分布。然后计算每个设计点的失效概率。该失效概率给出了包层如何失效以及压水堆1个运行周期内的失效时间。结果表明,以40%SiCf/SiC为内层,60%整体SiC为外层,是承受应力和辐射并含有裂变气体的最佳设计方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• NOMENCLATURE
• CHAPTER 1. INTRODUCTION
•   1.1 BACKGROUND
•     1.1.1 Advanced LWRs Development
•     1.1.2 Accident Tolerant Fuel
•   1.2 RESEARCH PROGRESS OF SILICON CARBIDE
•     1.2.1 Failure Mode Analysis
•     1.2.2 Design Optimization
•     1.2.3 Modelling of Fuel
•     1.2.4 SiC Cladding Irradiation
•     1.2.5 Silicon Carbide Cladding Options
•   1.3 NEED FOR FAILURE ASSESSMENT OF MULTI-LAYER SIC CLADDING
•   1.4 OBJECTIVES AND SCOPES
•   1.5 RESEARCH METHODOLOGY
• CHAPTER 2. STRUCTURAL MODEL OF MULTI-LAYERED SICCLADDING FOR PWR
•   2.1 INTRODUCTION
•   2.2 STRUCTURAL MODEL FOR SIC CLADDING
•     2.2.1 Design of the Multi Layered SiC Cladding
•     2.2.2 Statistical Treatment of Brittle Nature
•   2.3 STRESS DISTRIBUTION IN SIC CLADDING
•     2.3.1 Assumptions in the Model
•     2.3.2 Mathematical Model for Duplex Cladding Design
•     2.3.3 Derivation of Multi-Layer SiC Cladding Model
• CHAPTER 3. FINITE ELEMENT MODEL FOR STRESS ANALYSIS
•   3.1 INTRODUCTION
•   3.2 CAPABILITIES OF FEA
•   3.3 STEPS FOR FEA
•   3.4 STRESS SINGULARITY
•   3.5 COMPUTER PROGRAMS FOR FINITE ELEMENT ANALYSIS
•   3.6 MODELLING AND ANALYSIS IN ANSYS
•     3.6.1 Model Design
•     3.6.2 Material Properties
•     3.6.3 Boundary Conditions
•     3.6.4 Design Points
• CHAPTER 4. ANALYSIS & RESULTS
•   4.1 INTRODUCTION
•   4.2 CLADDING FAILURE DUE TO TENSILE AND COMPRESSIVE STRESSES
•   4.3 RESULTS
•     4.3.1 Design Optimization
•     4.3.2 Failure Probability
• CHAPTER 5. CONCLUSION & RECOMMENDATION
•   5.1 CONCLUSION
•   5.2 RECOMMENDATION FOR FUTURE WORK
• REFERENCES
• PUBLICATIONS DURING STUDY
• ACKNOWLEDGEMENTS

文章来源

类型: 硕士论文

作者: NOFAL KHAN

导师: 吕雪峰,郝祖龙

关键词: 覆层,碳化硅,失效概率,应力分析

来源: 华北电力大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,核科学技术

单位: 华北电力大学(北京)

基金: the Beijing Natural Science Foundation (1192016)

分类号: O343.6;TL352

DOI: 10.27140/d.cnki.ghbbu.2019.001209

总页数: 75

文件大小: 4898K

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