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运用仿真技术研究反应堆的新型低浓缩铀(LEU)燃料

2015/11/2    来源:ANSYS    作者:Markus Piro  Anthony Williams      
关键字:ANSYS Mechanical  材料测试  仿真技术  
本文介绍了仿真技术可以帮助设计一种新型低浓缩的核燃料,可用于降低扩散危险的材料测试、同位素生产和中子射线照相术研究。

    研究反应堆可以用于多种用途,其中包括材料测试、中子射线照相术以及医疗与工业用同位素生产。作为加拿大最重要的核科学与技术实验室,加拿大核实验室(CNL,前加拿大原子能公司)正在开发一种适用于全球研究反应堆的新型低浓缩铀(LEU)燃料。LEU燃料对研究反应堆有利,因为它与高浓缩铀(HEU)燃料相比扩散风险更低。

开发新型反应堆燃料

    核研究反应堆能够产生适用于众多研究和工业用途的中子源。HEU燃料可用于许多研究反应堆,因为它可以实现小型堆芯和保持合理的较长换料间隔时间。由于国际上对使用HEU燃料的安全担忧不断增加,许多研究反应堆转而采用LEU燃料。

    CNL正在设计和验证适用于研究反应堆的新型LEU燃料,以替代HEU与目前在用的LEU硅化铀燃料。铀钼(U-Mo)弥散型燃料对于新一代燃料是一种吸引人的选择,因为其便于乏燃料再加工而且具有优于硅化铀燃料的巨大密度改善潜力。无论是何种燃料设计,热-机械属性的建模都是概念评估的关键。ANSYS软件可以提供一套高效工具集,能够完成上述评估和指导更详细的燃料设计。此外,由于能够在放入反应堆进行终结试验之前研究备选燃料设计方案的热与流体行为,数值仿真可以帮助指导安全试验分析。

    ANSYS Mechanical有限元分析(FEA)软件提供的微结构建模帮助CNL的科学家评估了备选LEU燃料的热导率,这是预测燃料行为的最重要材料特性。ANSYS Fluent计算流体动力学(CFD)软件被用于执行两种备选LEU燃料的固体-流体共轭热传递仿真,以确定几种设计变量如何影响其工作温度、压力损失和功率输出。相关仿真结果帮助优化了用于计划近期反应堆内测试的燃料元件设计。

FEA预测热导率

    确定燃料在照射过程中的热导率是仿真的关键第一步,因为燃料性能和安全性均依赖其热行为。测量辐照燃料的热导率不但困难而且成本高昂。对扩散到铝或镁基的铀钼燃料至关重要的是,获得铀钼燃料颗粒与基体之间化学反应形成的相互作用层的低热导率。CNL的研究人员采用ANSYS Mechanical以实体单元构成的棱柱形单位单元建立了燃料棒代表区域的模型。单位单元内部元素根据其位置被指定了燃料或基体的材料特性,以表现随机分布的、具有与成品燃料类似的粒度分布的燃料颗粒。

    通过添加指定了每个燃料颗粒周围相关有限元的第三组材料特性,研究小组仿真了燃料基体相互作用层的存在。通过选择可以最佳匹配观察到的燃料样本热导率降级、作为相互作用层体积分率函数的值,研究人员评估了相互作用层的热导率。在单位单元上应用适当的热流可以确定作为燃料颗粒体积分率函数的单位单元有效热导率。以相互作用层体积分率的函数确定了材料的有效热导率。

图1 ANSYS Mechanical模型中的典型颗粒分布

图1 ANSYS Mechanical模型中的典型颗粒分布

CFD预测整体燃料性能

    CNL的研究人员然后采用仿真的热导率值作为建议铀钼弥散型燃料的CFD仿真输入信息,以针对物理测试优化燃料设计并确保其安全性。在3D几何结构中仿真了燃料组件的流体流动与热传递。燃料的核裂变产生热量,其完全由铝包覆。燃料与包壳合称燃料元件。每个燃料元件的包壳连接8个同心鳍片,以加强燃料向周围冷却剂排热。CFD软件仿真了热传递的所有三种模式:对流、传导与辐射。

图2 对比U-Mo/Al(情景1)和U-Mo/Mg(情景6)燃料的预测温度

图2 对比U-Mo/Al(情景1)和U-Mo/Mg(情景6)燃料的预测温度

责任编辑:吴星星
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