Ключевые слова: дисилицид триурана, толерантное топливо, теория функционала плотности, метод конечных элементов, ВВЭР-1000.
Аннотация
Целью данной работы является исследование влияния гидридообразования на напряженно-деформированное состояние дисилицида триурана (U3Si2), рассматриваемого в качестве перспективного толерантного ядерного топлива (ATF). Для оценки устойчивости U3Si2 к взаимодействию с водородом использовался комплексный подход, включающий квантово-механическое моделирование с использованием теории функционала плотности (DFT+U) и численное моделирование методом конечных элементов в COMSOL Multiphysics. Структурные параметры модели были откалиброваны в соответствии с экспериментальными данными. Установлено, что при образовании гидрида U3Si2H1.8 происходит увеличение объема кристаллической решетки приблизительно на 9%. В рамках расчета методом конечных элементов было смоделировано поведение материала в условиях аварийной ситуации на реакторе ВВЭР-1000. Выявлено, что эквивалентные напряжения по Мизесу в гидридированной фазе примерно в 20 раз превышают значения, возникающие при обычном термическом расширении. Такие напряжения потенциально превышают предел прочности материала и могут приводить к его разрушению. Полученные результаты подтверждают необходимость учёта процессов гидридирования при проектировании и эксплуатации топливных элементов на основе U3Si2.
Keywords: triuranium disilicide, accident tolerant fuel, density functional theory, finite element method, VVER-1000.
Abstract
The aim of this work is to study the influence of hydride formation on the stress-strain state of triuranium disilicide (U3Si2), considered as a promising tolerant nuclear fuel (ATF). To assess the stability of U3Si2 to interaction with hydrogen, an integrated approach was used, including quantum-mechanical modeling using density functional theory (DFT+U) and numerical modeling by the finite element method in COMSOL Multiphysics. The structural parameters of the model were calibrated in accordance with experimental data. It was found that the formation of U3Si2H1.8 hydride increases the volume of the crystal lattice by approximately 9%. The finite element calculation modeled the behavior of the material under emergency conditions at the VVER-1000 reactor. It was found that the von Mises equivalent stresses in the hydrided phase are approximately 20 times higher than the values that occur during normal thermal expansion. Such stresses potentially exceed the ultimate strength of the material and can lead to its destruction. The results confirm the need to take into account hydriding processes in the design and operation of U3Si2-based fuel elements.
[ Full text ]