(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111388354.4 (22)申请日 2021.11.22 (71)申请人 华北电力大 学 地址 102206 北京市昌平区北农路2号 (72)发明人 郝祖龙　易柏全　杜婧　 (74)专利代理 机构 北京众合诚成知识产权代理 有限公司 1 1246 代理人 张文宝 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G16C 60/00(2019.01) G16C 20/10(2019.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 119/02(2020.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失 效评估模型 (57)摘要 本发明公开了属于核工业材料技术领域的 一种反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失效评 估模型。 该模型是通过分析大破口事故L OCA的再 淹没阶段时多层碳化硅复合材料包壳与冷却剂 之间的传热行为， 并引入发生LOCA时的包壳氧化 因素， 得到内外压差、 径向温度梯度和辐照肿胀 引起的应力分布， 进而运用Weibull断裂理论计 算出在碳化硅复合材料伪塑性下的包壳失效概 率； 本发明不但考虑了传热系数的变化， 涉及的 变量因素更加全面； 还引入了事故时碳化硅复合 材料包壳与冷却剂之间的氧化反应和碳化硅复 合材料伪塑性对失 效概率的影 响。 本发明可评估 核反应堆在事故阶段的包壳完整性， 保证核反应 堆的安全。 所得的失效概率数据对安全评估更具 有参考价值。 权利要求书3页 说明书9页 附图2页 CN 114021380 A 2022.02.08 CN 114021380 A 1.一种反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失效评估模型， 其特征在于， 所述反应堆事 故工况下碳化硅复合包壳失效评估模型是通过分析大破口事故LOCA的再淹没阶段时多层 碳化硅复合材料包壳与冷却剂之间的传热行为， 并引入发生LOCA时的包壳氧化因素， 得到 内外压差、 径向温度梯度和辐 照肿胀引起的应力分布， 进而运用Weibull断裂理论计算出在 碳化硅复合材 料伪塑性下的包壳失效概 率； 包括如下步骤： 步骤1： 设置初始时间T＝0， 开始仿真计算； 步骤2： 在初始参数输入板块中将参数初始化； 其中初始参数输入板块参数包括包壳各 层厚度、 导热系数、 密度、 比热容、 弹性模量、 特 征应力、 威布尔模量、 热膨胀系数和泊松比； 步骤3： 进行再淹没传热板块的计算得到包壳表面换热系数值； 其中， 考虑再淹没状态 下， 初始参数输入板块 参数包括包壳 内外压强、 冷却剂温度、 包壳测量 点在T时刻的温度； 步骤4： 进行应力分析板块的计算得到应力在包壳内的分布； 其中， 考虑多层碳化硅复 合材料包壳各层特性， 步骤5： 进行失效概 率分析板块的计算得到包壳总失效概 率； 步骤6： 结束失效概率分析板块和应力分析板块的计算， 返回步骤2进行下一时间步长 的计算。 步骤7： 迭代计算至设定的终止时间， 结束失效评估模型的计算， 并显示各时间点的包 壳总失效概 率值。 2.根据权利要求1所述的反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失效评估模型， 其特征在 于， 所述步骤2中应力分析板块的计算方法包括如下步骤： 步骤(21)： 计算因包壳氧化而减小的最外层包壳厚度， 对最外层包壳厚度进行修 正； 步骤(22)： 计算内外 压差引起的机 械应力在径向、 轴向和环向方向上的分布； 步骤(23)： 计算径向温度梯度引起的热应力在径向、 轴向和环向方向上的分布； 步骤(24)： 计算辐照肿胀引起的应力在径向、 轴向和环向方向上的分布； 步骤(25)： 将内外压差、 径向温度梯度、 辐照肿胀引起的应力进行拟合得到综合应力在 径向、 轴向和环向方向上的分布。 3.根据权利要求1所述的反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失效评估模型， 其特征在 于， 所述步骤3中再淹没传热板块的计算方法包括如下步骤： 步骤(31)： 设定初始热流密度假设值。 步骤(32)： 根据温度场控制方程得到温度计算 值。 步骤(33)： 根据敏感系数场控制方程计算得到敏感系数计算 值。 步骤(34)： 根据敏感系数计算 值和温度计算 值以及温度测量 值得到热流密度修 正值； 步骤(35)： 判断热流密度修正值与热流密度假设值之间的误差是否满足最小误差范 围， 若是则将结果代入到应力 分析板块中， 若否则将热流密度修正值赋予至热流密度假设 值中再重复步骤(32)。 4.根据权利要求1所述的反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失效评估模型， 其特征在 于， 所述步骤4中计算应力 分析板块时， 引入包壳氧化因素对碳化硅包壳的厚度进行分析； 所述应力在包壳 内的分布， 具体公式如下 所示：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114021380 A 2其中， k＝1， 2表示内层(碳化硅复合材料层)和外层(碳化硅单质层)。 σr， σθ， σz表示环 向、 径向和轴向应力。 Ek为弹性模量， vk为泊松比， αk为热膨胀系数， 为待定常数， 可 根据边界条件进行 方程组求 解。 5.根据权利要求1所述的反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失效评估模型， 其特征在 于， 所述步骤5中失效概 率分析板块的计算方法包括如下步骤： 步骤(51)： 计算 碳化硅单质层的失效概 率； 步骤(52)： 求出εΔUP， σΔUP， σP的概率密度曲线顶点处所对应的参数值； σP为比例极限应 力； σΔUP为PLS(比例极限应力)与 UTS(极限拉伸应力)的应力差值； εΔUP为PLS与UTS的应变差 值； 步骤(53)： 将复合材 料应力‑应变曲线中点的弹性模量作为材 料的等效弹性模量； 步骤(54)： 计算 碳化硅复合材 料层的失效概 率； 步骤(55)： 运用碳化硅 复合材料层和单质层的失效概率得到包壳总失效概率； 其中， 计 算失效概 率分析板块时， 引入伪塑性因素对碳 化硅复合材 料层失效概 率进行分析。 6.根据权利要求5所述的反应堆事故工况下碳化硅复合包壳失效评估模型， 其特征在 于， 所述步骤(55)运用碳 化硅复合材 料层和单质层的失效概 率得到包壳总失效概 率， 其中： 在单质层失效概 率计算的计算公式为： 式中， m为威布尔模量， σ0为特征应力， 这两个参数可通过实验数据拟合确定； j＝1， 2， 3 表示径向、 环向及轴向3个主应力方向； 在计算碳化硅复合材料层的失效概率 时， 在计算碳化硅复合材料层时引入了伪塑性因 素， 运用非线性弹性力学计算复合材 料层的失效概 率， 计算公式为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114021380 A 3