Сравнение различных методов моделирования растрескивания топливной таблетки из диоксида урана

При эксплуатации в тепловыделяющем элементе происходит большое количество взаимосвязанных сложных физических процессов. В интегральных кодах с целью снижения вычислительной сложности для описания этих процессов использованы многочисленные упрощающие предположения. В то же время большой интерес представляет и более подробное изучение некоторых отдельных явлений. Проведено моделирование растрескивания топливной таблетки из диоксида урана в участке тепловыделяющего элемента при выходе мощности тепловыделения на номинальное значение. Приведена математическая модель, соответствующая осесимметричному термоупругому приближению. Численная модель основана на методе конечных элементов. Для учета растрескивания материала использованы методы размазанных и дискретных трещин. Выполнены расчеты и сравнительный анализ полей напряжений, полученных двумя методами. По результатам расчетов установлено, что модель размазанных трещин позволяет уменьшить уровень растягивающих напряжений до значения, не превышающего выбранный предел прочности материала. Применение модели дискретных трещин привело к кратному уменьшению уровня только осевых напряжений.
EDN: ZCDLBV, https://elibrary/zcdlbv

Литература

[1] Yagnik S. Fuel analysis and licensing code: FALCON MOD01. Vol. 1. Theoretical and numerical bases. EPRI, Palo Alto, CA. 2004. 246 p.

[2] Большов Л.А., ред. Труды ИБРАЭ РАН. Вып. 12. Разработка и применение интегральных кодов для анализа безопасности. Москва, Наука, 2011. 300 с.

[3] Тарасов А.Е., Чалый Р.В., Томащик Д.Ю. и др. Исследование термомеханического поведения оболочек ТВЭЛов ВВЭР с помощью кода СОКРАТ/В1. ВАНТ. Сер. Физика ядерных реакторов, 2019, № 2, с. 91–99.

[4] Ватулин А.В., Каширин Б.А., Темис Ю.М. Учет несимметричных факторов при расчете дисперсионных твэлов на основе полупространственной теории стержней. Препринт ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, 2002, № 2. 33 с.

[5] Кузнецов В.И., Демьянов П.Г., Ханков А.А. и др. Облучение таблеточного топлива из дисилицида урана: верификация кода СТАРТ-4А. Тез. док. XII Межд. конф. по реакторному материаловедению. Димитровград, ГНЦ НИИАР, 2024, с. 126–128.

[6] Фрост Б. ТВЭЛы ядерных реакторов. Москва, Энергоатомиздат, 1986. 248 с.

[7] Галанин М.П., Родин А.С. Решение связанной задачи о термомеханическом контакте элементов твэла. Прикладная механика и техническая физика, 2024, т. 65, № 2, с. 99–109, doi: https://doi.org/10.15372/PMTF202315387

[8] Качанов Л.М. Основы механики разрушения. Москва, Наука, 1974. 312 с.

[9] Besson J., Cailletaud G., Chaboche J.-L. et al. Non-linear mechanics of materials. Springer, 2010. 433 p.

[10] Lemaitre J. A course on damage mechanics. Springer, 1996. 228 p.

[11] Dahlblom O., Ottosen N.S. Smeared crack analysis of concrete using a nonlinear fracture model. In: Fracture Mechanics of Concrete. Nordic Seminar Held at Division of Building Materials. Lund Institute of Materials, 1986, pp. 31–46.

[12] Hillerborg A. Application of the fictitious crack model to different types of materials. Int. J. Fract., 1991, vol. 51, no. 2, pp. 95–102, doi: https://doi.org/10.1007/BF00033972

[13] Suzuki M., Saitou H. Light water reactor fuel analysis code FEMAXI-6. Detailed structure and user’s manual. Japan Atomic Energy Agency, 2006. 415 p.

[14] Галанин М.П., Лукин В.В., Родин А.С. и др. Модель разрушения хрупкого материала под действием тепловых нагрузок. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2014, № 6, с. 96–118. EDN: TCSEKV

[15] Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Математические модели термомеханики. Москва, Физматлит, 2002. 168 с.

[16] SCDAP/RELAP5/MOD3.1 Code Manual. Vol. IV. MATPRO — a library of materials. Properties for light-water-reactor accident analysis, Idaho National Engineering Laboratory, 1995. 668 p.

[17] Bathe K.-J. Finite element procedures. Prentice-Hall, 1996. 1037 p.

[18] Marchal N., Campos C., Gamier С. Finite element simulation of Pellet-Cladding Interaction (PCI) in nuclear fuel rods. Comput. Mater. Sci., 2009, vol. 45, no. 3, pp. 821–826, doi: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.10.015

[19] Wriggers P. Computational contact mechanics. Springer, 2006. 518 p.

[20] Галанин М.П., Родин А.С. Исследование и применение метода декомпозиции области для моделирования тепловыделяющего элемента. Журнал вычислительной математики и математической физики, 2022, т. 62, № 4, с. 659–676.