苗一非,焦擁軍,張 坤,邢 碩,陳 平,唐昌兵,王 璐
(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610213)
鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)是指包殼在無(wú)應(yīng)力作用下,快中子輻照使鋯合金包殼基體內(nèi)自間隙原子重新分布,包殼在體積守恒的前提下發(fā)生軸向生長(zhǎng)的現(xiàn)象。包殼溫度、織構(gòu)、位錯(cuò)密度、晶粒大小、合金元素和快中子注量等因素均會(huì)使鋯合金產(chǎn)生輻照生長(zhǎng)行為。
鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)過(guò)大會(huì)造成燃料棒彎曲甚至破損,破壞燃料棒完整性,影響核電站的正常運(yùn)行。因此,研究鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)行為具有十分重要的意義。作為我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鋯合金包殼,N36鋯合金包殼燃料棒的堆內(nèi)輻照生長(zhǎng)行為尚未得到研究。
國(guó)外先進(jìn)鋯合金包殼一般采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P兔枋鲚椪丈L(zhǎng)行為,經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛥?shù)由輻照數(shù)據(jù)計(jì)算得到。典型鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P涂煞譃?類(lèi):第1類(lèi)為冪次函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停剂闲阅芊治龀绦騀RAPCON[1-3]、COPERNIC[4]、FEMAXI[5]、有限元計(jì)算軟件BISON[6]和BACO[7]等采用了該模型;第2類(lèi)為指數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停珿riffiths等[8]在研究輻照生長(zhǎng)行為時(shí)采用了該模型;第3、4類(lèi)分別為對(duì)數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P秃碗p曲正切經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,法?guó)燃料性能分析程序COPERNIC[4]采用了這兩個(gè)模型。
上述4類(lèi)模型中參數(shù)取值不同,模型能夠描述不同的輻照生長(zhǎng)行為,因此鋯合金輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛥?shù)取值對(duì)建模數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的依賴(lài)性。為此,本文基于N36鋯合金包殼燃料棒堆內(nèi)輻照考驗(yàn)的部分池邊檢查數(shù)據(jù),得出適用于N36鋯合金包殼的典型輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛥?shù),建立N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀?/p>
典型的鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P腿缦隆绱魏瘮?shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑椋?/p>
ΔL/L=aΦb
(1)
指數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑椋?/p>
ΔL/L=a(1-exp(-bΦ))+cΦ
(2)
對(duì)數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑椋?/p>
ΔL/L=alg(1+bΦ)
(3)
雙曲正切經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蜑椋?/p>
ΔL/L=atanh(bΦ)+cΦ
(4)
其中:ΔL/L為輻照生長(zhǎng)量;Φ為快中子注量;a、b和c為模型參數(shù)。
利用部分池邊檢查數(shù)據(jù),運(yùn)用全局優(yōu)化算法對(duì)式(1)~(4)的模型參數(shù)進(jìn)行求解,計(jì)算結(jié)果列于表1。
表1 模型參數(shù)及相關(guān)度計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation result of model parameter and correlation coefficient
由表1可看出,雙曲正切經(jīng)驗(yàn)?zāi)P团cN36鋯合金輻照生長(zhǎng)數(shù)據(jù)相關(guān)度最高,適合描述N36鋯合金包殼的輻照生長(zhǎng)行為。
N36鋯合金包殼雙曲正切經(jīng)驗(yàn)?zāi)P团c建模數(shù)據(jù)如圖1所示,橫坐標(biāo)為歸一化快中子注量,縱坐標(biāo)為N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)應(yīng)變。建立的計(jì)算模型為:
ΔL/L=0.261 2tanh(2.532×10-22Φ)+
5.381 7×10-35Φ
(5)
對(duì)不同加工工藝的N36鋯合金包殼在堆內(nèi)進(jìn)行了輻照考驗(yàn)?;诔剡厵z查數(shù)據(jù),在式(5)基礎(chǔ)上添加工程因子,考慮了加工工藝對(duì)N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)的影響,進(jìn)而改進(jìn)了N36鋯合金輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,改進(jìn)后的模型為:
ΔL/L=k(0.261 2tanh(2.532×10-22Φ)+
5.381 7×10-35Φ)
(6)
其中,k為與N36鋯合金加工工藝有關(guān)的常數(shù)。不同加工工藝的N36鋯合金包殼所對(duì)應(yīng)的k列于表2,式(5)適用于工藝1加工得到的N36鋯合金包殼。鋯合金輻照生長(zhǎng)行為與織構(gòu)密切相關(guān),不同加工工藝制造出的N36織構(gòu)均控制在合適的范圍內(nèi)。N36鋯合金包殼軸向織構(gòu)取向因子為0.056,徑向織構(gòu)取向因子為0.582,切向織構(gòu)取向因子為0.362[9]。
圖1 雙曲正切經(jīng)驗(yàn)?zāi)P团c建模數(shù)據(jù)Fig.1 Hyperbolic tangent empirical model and modeling data
借鑒法國(guó)COPRENIC中包絡(luò)模型的建模方法[3],建立了95%置信度N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)包絡(luò)模型,包絡(luò)模型至少包絡(luò)95%的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在式(6)基礎(chǔ)上添加乘子,上包絡(luò)模型和
下包絡(luò)模型分別如式(7)和(8)所示:
ΔL/L=(1+kupper)k(0.261 2tanh(2.532×
10-22Φ)+5.381 7×10-35Φ)
(7)
ΔL/L=(1+klower)k(0.261 2tanh(2.532×
10-22Φ)+5.381 7×10-35Φ)
(8)
其中:kupper為上包絡(luò)模型因子,該值始終大于0;klower為下包絡(luò)模型因子,該值始終小于0。kupper和klower的取值應(yīng)當(dāng)保證式(7)、(8)包絡(luò)95%以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
表2 k的計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation result of k
不同加工工藝下的包絡(luò)模型如圖2所示。圖2中曲線從上至下依次為上包絡(luò)模型、最佳估算模型和下包絡(luò)模型,圓點(diǎn)代表建模數(shù)據(jù)點(diǎn)。
a——工藝1,kupper=0.35、klower=-0.20;b——工藝2,kupper=0.05、klower=-0.13;c——工藝3,kupper=0.20、klower=-0.20;d——工藝4,kupper=0.23、klower=-0.20圖2 不同加工工藝下的包絡(luò)模型Fig.2 Irradiation growth bound model under different processes
由圖2可見(jiàn),當(dāng)kupper和klower取值恰當(dāng)時(shí),所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于上、下包絡(luò)模型之間,包絡(luò)模型均能包絡(luò)所有建模數(shù)據(jù)點(diǎn)。
工藝1的N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P万?yàn)證結(jié)果如圖3所示。由圖3a可見(jiàn),最佳估算模型與驗(yàn)證數(shù)據(jù)符合較好,但包絡(luò)模型未能包絡(luò)兩個(gè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn),包絡(luò)模型只包絡(luò)了93.75%的數(shù)據(jù)點(diǎn),不滿(mǎn)足95%置信度包絡(luò)模型要求,因此,上包絡(luò)模型需要改進(jìn)。
將工藝1的N36鋯合金包殼的kupper改為0.4,修正模型如圖3b所示。由圖3b可見(jiàn),包絡(luò)模型能包絡(luò)96.875%數(shù)據(jù)點(diǎn),滿(mǎn)足95%置信度包絡(luò)模型原則。
工藝2~4的N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P万?yàn)證結(jié)果如圖4所示。由圖4a可見(jiàn),工藝2的最佳估算模型與驗(yàn)證數(shù)據(jù)符合較好,包絡(luò)模型包絡(luò)了96.875%數(shù)據(jù)點(diǎn),滿(mǎn)足95%置信度包絡(luò)模型原則。
由圖4b可見(jiàn),工藝3的最佳估算模型與驗(yàn)證數(shù)據(jù)符合較好,包括建模數(shù)據(jù)在內(nèi),所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均在包絡(luò)模型內(nèi),滿(mǎn)足95%置信度包絡(luò)模型原則。
由圖4c可見(jiàn),工藝4的最佳估算模型與驗(yàn)證數(shù)據(jù)符合較好,包絡(luò)模型包絡(luò)了96.875%數(shù)據(jù)點(diǎn),滿(mǎn)足95%置信度包絡(luò)模型的建模原則。
·——建模數(shù)據(jù)點(diǎn);?——驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)a——驗(yàn)證模型;b——修正模型圖3 工藝1的N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷尿?yàn)證Fig.3 Validation of irradiation growth experience model of process 1 for N36 zirconium alloy cladding
·——建模數(shù)據(jù)點(diǎn);?——驗(yàn)證數(shù)據(jù)點(diǎn)a——工藝2;b——工藝3;c——工藝4圖4 不同加工工藝的N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷尿?yàn)證Fig.4 Validation of irradiation growth experience model of different processes for N36 zirconium alloy cladding
1) 描述的鋯合金輻照生長(zhǎng)行為的冪次函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?、指?shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀?duì)數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P秃碗p曲正切經(jīng)驗(yàn)?zāi)P椭?,雙曲正切經(jīng)驗(yàn)?zāi)P妥钸m合描述N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)行為;
2) 得到了適用于N36鋯合金包殼的雙曲正切輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛥?shù);
3) 建立了不同加工工藝的N36鋯合金包殼燃料棒的輻照生長(zhǎng)最佳估算模型和包絡(luò)模型;
4) 隨輻照數(shù)據(jù)的增加,N36鋯合金包殼輻照生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P托璨粩嗤晟啤?/p>