金屬基彌散燃料元件在特殊工況下會發(fā)生表面起泡失效。燃料顆粒開裂是金屬基體開裂的前提條件,只有當金屬基體開裂后元件才會發(fā)生表面起泡。燃料顆粒開裂后,裂紋寬度和塑性區(qū)長度等裂紋特征決定了金屬基體開裂行為。基于彈塑性斷裂力學和應力平衡條件,建立了基于彌散燃料顆粒開裂的金屬基體裂紋特征模型。計算結果表明:裂紋張開位移隨退火溫度和燃耗深度的升高而增加;裂紋尖端塑性區(qū)長度主要與退火溫度相關。裂紋張開位移和塑性區(qū)長度的計算結果與實驗數(shù)據(jù)均符合較好,驗證了金屬基體裂紋特征模型的有效性。 

【文章來源】：原子能科學技術. 2020,54(02)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

彈塑性裂紋Dugdale受力分析模型

氣體壓力會導致裂紋面在軸向發(fā)生應變,從而形成裂紋張開位移。由于裂紋面主要由燃料顆粒組成,而燃料顆粒的力學性能與金屬基體相差較大,彈塑性Dugdale模型不適用于裂紋張開位移計算。在氣體壓力的作用下,裂紋面上部分的燃料芯體會受到壓應力,而在裂紋面之外的金屬基體(包括塑性變形區(qū)和彈性區(qū))會對裂紋面上部分的燃料芯體產生拉應力,使燃料芯體保持應力平衡,如圖2所示。因此,可根據(jù)應力平衡條件,計算由于裂紋氣體壓力引起的裂紋張開位移。根據(jù)燃料芯體在垂直于裂紋面方向(z軸)上的應力平衡可知:

2.1 金屬基體裂紋特征模型的計算結果裂紋張開位移和塑性區(qū)長度與裂變氣體釋放量和退火溫度等因素相關,而裂變氣體釋放量又與燃耗深度和退火溫度等相關。通過建立的模型可計算退火溫度等因素對裂紋特征的影響規(guī)律。圖3為燃耗深度為10%時,退火溫度對裂紋張開位移和塑性區(qū)長度影響的計算結果。由圖3可知,隨著退火溫度的升高,塑性區(qū)長度和裂紋張開位移均增加。這是因為當退火溫度升高時,金屬基體的屈服強度降低,為保證燃料芯體內裂紋平行面上的應力平衡,裂紋面的氣體壓力會隨之降低。在裂變氣體釋放量保持不變以及溫度逐漸升高的條件下,欲使裂紋氣體壓力降低,只有增加裂紋張開位移。因此,退火溫度增加會導致裂紋張開位移增加,且增加速率隨溫度的升高逐漸變大。同樣,由于金屬基體的屈服強度隨溫度的升高而降低,這會導致裂紋尖端塑性區(qū)向彈性區(qū)擴展,因而塑性區(qū)長度隨退火溫度的升高而增大。


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