高燃耗燃料包壳多轴热-机械疲劳特性及环境退化机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51471116
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    84.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0103.金属材料使役行为与表面工程
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

To ensure the longlife and reliable service of some key components used in nuclear power, the project attemps to address the thermo-mechanical failure mechanism and fatigue life prediction model of high burn-up fuel cladding in advanced nuclear power plant due to the pellet cladding mechanical interaction (PCMI) during a reactivity-initiated accident (RIA) occurs. The following issues will be focused in the present project: (1) Illuminate the effect of multiaxial stress on deformation mechanism and fatigue resistance, clarify the influence of temperature, loading rate, stress ratio and multiaxial stress on ratcheting strain and its rate, realize the ratcheting and fatigue interaction mechanism. (2) Specific the thermo-mechanical fatigue failure of Zr alloy, investigate the roles of particular complicated loading conditions and temperature on hydride content, orientation,and distribution in detail, clarify the rules of competition behavior among thermo-mechanical loading, hydride concentration and oxidation on ductile to brittle transition of Zr alloy. (3) Develop a life prediction model through the combination of damage-coupled cyclic visco-plastic constitutive model and strain energy density theory. The effect of multiaxial stress, ratcheting strain, thermo-mechanical loading, dydride-induced degradation and oxidation on the fatigue life can be reflected in this model. In this interdisciplinary program, the mechancial, material and chemical analyses were included. Through the accomplishment of the project,the basic rule of PCMI during a RIA through the view point of thermo-mechanical- chemical analysis can be found and the life prediction model which can be used for engineering application can be developed. Also, this project could provide some important insights on the improvement of the long-life design and manufacturing of high burn-up fuel cladding in advanced nuclear power.
面向先进核电关键部件长寿命可靠运行的需求,针对反应堆反应性引入事故时高燃耗燃料包壳的热-机械疲劳失效机理及寿命预测模型开展研究。主要包括:(1)阐明多轴载荷对包壳材料变形机制及疲劳抗力的影响,澄清温度、加载率、应力比、多轴应力对棘轮应变及其累积速率的影响规律,揭示棘轮变形与疲劳载荷的交互作用机制;(2)开展锆合金热-机械疲劳失效研究,澄清复杂应力、温度对析出氢化物形态、分布及指向的作用机制,揭示热-机械载荷、氢含量、氧化对锆合金延脆转化行为的影响规律并建立映射关联;(3)基于损伤耦合的粘塑性循环本构模型和应变能密度理论,建立虑及多轴应力、棘轮应变、热-机械载荷、氢致退化、氧化效应的寿命预测模型。本项目体现了力学、材料和化学等多学科领域的交叉,可望从热-力学-化学角度阐明反应性引入事故时芯块与包壳相互机械作用的基本规律并建立预测方法,为高燃耗燃料包壳的寿命设计方法和制造水平提升提供科学支持。

结项摘要

面向先进核电关键部件长寿命可靠运行的需求,针对反应堆反应性引入事故时高燃耗燃料包壳的热-机械疲劳失效机理及预测模型开展研究。项目取得了如下重要成果:(1)在室温与高温条件下对锆包壳的单轴与多轴棘轮变形及失效行为进行了研究,澄清了平均应力、应力幅、加载率、加载历史、内压、温度和蠕变对棘轮应变及其累积速率的影响,结果表明棘轮应变随平均应力与应力幅的增大而增大,随加载率的增加而减小。高应力加载历史以及内压均对包壳管的后续棘轮应变累积具有显著的抑制作用。温度越高,锆包壳的棘轮应变及其速率显著增大。峰值应力保持时间越长,锆包壳的疲劳寿命越短,说明蠕变会显著加速锆包壳的疲劳失效。以上研究表明,棘轮变形累积若未出现安定,将会显著促进锆包壳的疲劳失效进程,导致包壳的变形失效甚至提前开裂破坏。(2)在单轴与多轴应力作用下对锆合金的变形机制系统地进行了研究。结果表明,包壳管在轴向拉伸作用下,柱滑移是主导变形机制;而在轴向压缩作用下,以柱滑移和{10-12}拉伸孪生为主,其中{10-12}拉伸孪生可协调包壳壁厚方向的应变。双轴加载会激活大量{10-12}拉伸孪生,表明拉伸孪生是双轴加载的主导变形机制。然而,孪生只可在一定程度上协调锆合金厚度方向的变形,双轴加载下试件会因为变形不协调而提前开裂。(3)微观组织对渗氢包壳管的疲劳及失效机制研究,探讨晶粒大小、织构对氢化物析出方向及开裂机制的影响,结果表明:相比于纤维态微观组织包壳管,等轴态微观组织包壳管的切向织构增加,导致更多的径向氢化物析出。径向氢化物容易产生微裂纹,并加速裂纹扩展,降低锆包壳的疲劳寿命。(4)提出损伤耦合的粘塑性循环本构模型,对锆合金在热-机加载下的应力应变响应进行了描述。结果表明,修正模型可准确描述锆合金在热机载荷下的应力应变滞环,尤其适用于应变幅较大的场合。本项目体现了力学、材料和化学等多学科领域的交叉,为高燃耗燃料包壳的寿命设计方法和制造水平提升提供科学支持。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(8)
Uniaxial ratcheting behaviors of Zircaloy-4 tubes at 400 degrees C
Zircloy-4 管在 400°C 时的单轴棘轮行为
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Journal of Nuclear Materials
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Cheng Haichao;Chen Gang;Zhang Zhe;Chen Xu
  • 通讯作者:
    Chen Xu
Multiaxial ratcheting behavior of zirconium alloy tubes under combined cyclic axial load and internal pressure
轴向循环载荷和内压联合作用下锆合金管的多轴棘轮行为
  • DOI:
    10.1016/j.jnucmat.2017.03.039
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Nuclear Materials
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Chen Gang;Zhang Xu;Xu DaoKui;Li DongHuai;Chen Xu;Zhang Zhe
  • 通讯作者:
    Zhang Zhe
A critical review of constitutive models for solders in electronic packaging
电子封装焊料本构模型的批判性回顾
  • DOI:
    10.1177/1687814017714976
  • 发表时间:
    2017-08-03
  • 期刊:
    ADVANCES IN MECHANICAL ENGINEERING
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Chen, Gang;Zhao, Xiaochen;Wu, Hao
  • 通讯作者:
    Wu, Hao
Ratcheting behavior of zirconium alloy tubes under combined cyclic axial load and internal pressure at 350 degrees C
350℃循环轴向载荷和内压联合作用下锆合金管的棘轮行为
  • DOI:
    10.1016/j.jnucmat.2017.05.006
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Nuclear Materials
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Chen Gang;Xu Cheng;Qu Huan;Chen Xu
  • 通讯作者:
    Chen Xu
Constitutive modelling on the whole-life uniaxial ratcheting behavior of sintered nano-scale silver paste at room and high temperatures
室温和高温下烧结纳米级银浆全寿命单轴棘轮行为的本构模型
  • DOI:
    10.1016/j.microrel.2017.11.010
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Microelectronics Reliability
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Chen Gang;Zhao Xiaochen
  • 通讯作者:
    Zhao Xiaochen

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 通讯作者:
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台风对钱塘江涌潮影响研究
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    10.3969/j.issn.1001-909x.2020.04.004
  • 发表时间:
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  • 作者:
    潘存鸿;潘冬子;郑君;陈刚
  • 通讯作者:
    陈刚

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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