[發(fā)明專利]一種計算全陶瓷微封裝燃料芯塊有效熱導率的有限元方法

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• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113139324A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設計）人: 張旭東;鄧俊楷;曹慧穎;楊帆
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/23;G06F113/26;G06F119/08
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈;李玉娜

本發(fā)明涉及一種計算全陶瓷微封裝燃料芯塊有效熱導率的有限元方法。其包括以下步驟：S11)構建多層TRISO顆粒有限元模型；S12)基于球體法，利用有限元計算確定TRISO顆粒有效熱導率；S21)根據(jù)FCM燃料芯塊微結構特征，利用代表性體積單元方法構建其有限元模型；S22)根據(jù)傅里葉定律，利用體積平均方法，計算FCM燃料芯塊有效熱導率。本方法利用有限元模擬實現(xiàn)球體法，進而確定多層TRISO顆粒的有效熱導率，可操作性高，準確性高；利用跨尺度等效方法解決了FCM燃料芯塊復雜微結構建模與熱導率預測問題，降低了模擬難度，提高了計算效率。

技術領域

本發(fā)明屬于復合材料分析計算領域，具體涉及一種計算全陶瓷微封裝燃料芯塊有效熱導率的有限元方法。

背景技術

全陶瓷微封裝燃料(Fully Ceramic Microencapsulated，簡稱FCM)芯塊是一種新型的事故容錯燃料，也是典型的復合材料，由SiC基體和分散其中的TRISO顆粒組成。TRISO顆粒具有多層包覆結構，一般為5層，從內(nèi)到外依次為核心燃料UO₂層，緩沖碳層Buffer層、致密熱解碳層IpyC層、SiC層和致密熱解碳層OpyC層。這種多層包覆的TRISO燃料顆粒彌散于SiC基體中形成的FCM核燃料芯塊，具有良好的結構穩(wěn)定性和裂變產(chǎn)物容納性能，是事故容錯燃料的主要研究方向之一。但由于TRISO顆粒復雜的多層包覆結構，目前對其熱導率的預測還沒有有效的方法，因而使得FCM核燃料芯塊熱導率的預測也成為難點。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明利用有限元方法，提出了利用球體法預測TRISO顆粒有效熱導率的方法；同時，提出了FCM核燃料芯塊等效代表性體積單元，計算其熱導率的方法。

本發(fā)明一個方面提供了一種TRISO顆粒的有效熱導率預測方法，其包括以下步驟：

S11)根據(jù)TRISO顆粒多層微結構特征，構建多層TRISO顆粒有限元模型；

S12)基于球體法，利用有限元方法確定TRISO顆粒有效熱導率。

在本發(fā)明的一些實施例中，步驟S11)為建立具有穩(wěn)態(tài)熱傳導的TRISO顆粒簡化模型，在簡化模型中TRISO顆粒被設定為多層球體，在距離球心r₁距離形成的內(nèi)球壁上施加t₁溫度，并在距離球心r₂距離形成的外球壁上施加t₂溫度，形成溫度梯度，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)熱傳導；然后進行網(wǎng)格劃分，利用有限元計算獲取流過內(nèi)球壁或外球壁的熱量。

在本發(fā)明的一些實施例中，步驟S12)為利用球體法，確定TRISO顆粒等效熱導率，計算公式為：

式中：λ_T為球壁導熱模型中內(nèi)球壁和外球壁之間材料的熱導率；Q為流過內(nèi)球壁或外球壁的熱量；r₁為內(nèi)球壁的半徑，r₂為外球壁的半徑；Δt為施加在內(nèi)球壁和外球壁之間的溫差，即t₁與t₂的差值；其中，t₁大于t₂，r₂大于r₁。

在本發(fā)明的一些實施例中，步驟S11)中流過內(nèi)球壁或外球壁的熱量通過以下公式計算：

Q＝qA (1-2)

式中：q為熱流密度；A為熱流截面積。

在本發(fā)明的一些實施例中，步驟S11)中TRISO顆粒簡化模型中選擇八分之一、四分之一或二分之一的TRISO顆粒建立模型。

在本發(fā)明的一些實施例中，r₂與r₁比值大于5000。

本發(fā)明另一方面提供了一種FCM燃料芯塊熱的有效熱導率預測方法，其包括以下步驟：