Modelado de formación y evolución de fisuras en materiales de una barra de combustible
2021
| Tesista | Ezequiel GOLDBERG Ingeniero en sistemas de información, Universidad Tecnológica Nacional - Argentina |
| Directores | Dr. Alejandro Soba. CNEA - Argentina |
| Lugar de realización | Sección Códigos y Modelos, Gerencia Combustibles Nucleares . CNEA, CAC - Argentina |
| Fecha Defensa | 16/06/2021 |
| Jurado | Dr. Alfredo E. HUESPE. UNL - Argentina |
| Código | ITS/TD-150/2021 |
Título completo
Modelado de formación y evolución de fisuras en materiales de una barra de combustible
Resumen
En esta tesis se han desarrollado modelos numéricos con el objetivo de simular la
formación y evolución de fisuras en las vainas de elementos combustibles de reactores
nucleares. Los algoritmos se basan en el Método de Zona Cohesiva, en el marco de los
elementos finitos, que otorga ventajas considerables por sobre otros enfoques. En primer
lugar, permite representar la nucleación de la fisura sin requerir una hendidura previa
que obre como concentrador de tensiones. Por otro lado, al utilizar una zona cohesiva,
el estado de tensiones es calculado alrededor de la fisura del mismo modo que en zonas
no dañadas y es utilizado para predecir el contacto o la separación entre las superficies
formadas después de la apertura de una fisura. Finalmente, el método puede representar
no solo una apertura entre materiales, sino el contacto entre dos superficies. Utilizando
entonces una derivación del método mencionado, se pudo representar el contacto entre
materiales en geometrías tridimensionales, siendo aplicado para los fenómenos de contacto
pastilla-pastilla y principalmente pastilla-vaina, de carácter sustancial en los procesos de
falla.
Los modelos fueron incluidos en el código de combustible nuclear DIONISIO, creado, desarrollado y mantenido por la Sección Códigos y Modelos de la Gerencia Ciclo del
Combustible Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica. El modelo de contacto permitió al programa alcanzar su versión actual al poder simular dominios en tres
dimensiones, lo cual posibilita representar de forma precisa fenómenos que carecen de
simetrías.
Inicialmente se ha puesto el enfoque en vainas de Zircaloy y materiales base circonio como el Zr-1 %Nb. Se realizaron comparaciones con soluciones analíticas de casos de
prueba, ensayos controlados de materiales nucleares sin irradiación y numerosos ejercicios
experimentales sometiendo barras combustibles a abruptas rampas de potencia, en muchas de las cuales se producen roturas a causa del contacto con las pastillas. A su vez, se
ha estudiado el comportamiento de los modelos en conjunción con otros fenómenos que
ocurren en una barra de combustible y que el código puede simular, como el crecimiento
bajo irradiación.
formación y evolución de fisuras en las vainas de elementos combustibles de reactores
nucleares. Los algoritmos se basan en el Método de Zona Cohesiva, en el marco de los
elementos finitos, que otorga ventajas considerables por sobre otros enfoques. En primer
lugar, permite representar la nucleación de la fisura sin requerir una hendidura previa
que obre como concentrador de tensiones. Por otro lado, al utilizar una zona cohesiva,
el estado de tensiones es calculado alrededor de la fisura del mismo modo que en zonas
no dañadas y es utilizado para predecir el contacto o la separación entre las superficies
formadas después de la apertura de una fisura. Finalmente, el método puede representar
no solo una apertura entre materiales, sino el contacto entre dos superficies. Utilizando
entonces una derivación del método mencionado, se pudo representar el contacto entre
materiales en geometrías tridimensionales, siendo aplicado para los fenómenos de contacto
pastilla-pastilla y principalmente pastilla-vaina, de carácter sustancial en los procesos de
falla.
Los modelos fueron incluidos en el código de combustible nuclear DIONISIO, creado, desarrollado y mantenido por la Sección Códigos y Modelos de la Gerencia Ciclo del
Combustible Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica. El modelo de contacto permitió al programa alcanzar su versión actual al poder simular dominios en tres
dimensiones, lo cual posibilita representar de forma precisa fenómenos que carecen de
simetrías.
Inicialmente se ha puesto el enfoque en vainas de Zircaloy y materiales base circonio como el Zr-1 %Nb. Se realizaron comparaciones con soluciones analíticas de casos de
prueba, ensayos controlados de materiales nucleares sin irradiación y numerosos ejercicios
experimentales sometiendo barras combustibles a abruptas rampas de potencia, en muchas de las cuales se producen roturas a causa del contacto con las pastillas. A su vez, se
ha estudiado el comportamiento de los modelos en conjunción con otros fenómenos que
ocurren en una barra de combustible y que el código puede simular, como el crecimiento
bajo irradiación.
Complete Title
Modeling of formation and evolution of cracks in materials of a fuel rod
Abstract
En esta tesis se han desarrollado modelos numéricos con el objetivo de simular la
formación y evolución de fisuras en las vainas de elementos combustibles de reactores
nucleares. Los algoritmos se basan en el Método de Zona Cohesiva, en el marco de los
elementos finitos, que otorga ventajas considerables por sobre otros enfoques. En primer
lugar, permite representar la nucleación de la fisura sin requerir una hendidura previa
que obre como concentrador de tensiones. Por otro lado, al utilizar una zona cohesiva,
el estado de tensiones es calculado alrededor de la fisura del mismo modo que en zonas
no dañadas y es utilizado para predecir el contacto o la separación entre las superficies
formadas después de la apertura de una fisura. Finalmente, el método puede representar
no solo una apertura entre materiales, sino el contacto entre dos superficies. Utilizando
entonces una derivación del método mencionado, se pudo representar el contacto entre
materiales en geometrías tridimensionales, siendo aplicado para los fenómenos de contacto
pastilla-pastilla y principalmente pastilla-vaina, de carácter sustancial en los procesos de
falla.
Los modelos fueron incluidos en el código de combustible nuclear DIONISIO, creado, desarrollado y mantenido por la Sección Códigos y Modelos de la Gerencia Ciclo del
Combustible Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica. El modelo de contacto permitió al programa alcanzar su versión actual al poder simular dominios en tres
dimensiones, lo cual posibilita representar de forma precisa fenómenos que carecen de
simetrías.
Inicialmente se ha puesto el enfoque en vainas de Zircaloy y materiales base circonio como el Zr-1 %Nb. Se realizaron comparaciones con soluciones analíticas de casos de
prueba, ensayos controlados de materiales nucleares sin irradiación y numerosos ejercicios
experimentales sometiendo barras combustibles a abruptas rampas de potencia, en muchas de las cuales se producen roturas a causa del contacto con las pastillas. A su vez, se
ha estudiado el comportamiento de los modelos en conjunción con otros fenómenos que
ocurren en una barra de combustible y que el código puede simular, como el crecimiento
bajo irradiación.
formación y evolución de fisuras en las vainas de elementos combustibles de reactores
nucleares. Los algoritmos se basan en el Método de Zona Cohesiva, en el marco de los
elementos finitos, que otorga ventajas considerables por sobre otros enfoques. En primer
lugar, permite representar la nucleación de la fisura sin requerir una hendidura previa
que obre como concentrador de tensiones. Por otro lado, al utilizar una zona cohesiva,
el estado de tensiones es calculado alrededor de la fisura del mismo modo que en zonas
no dañadas y es utilizado para predecir el contacto o la separación entre las superficies
formadas después de la apertura de una fisura. Finalmente, el método puede representar
no solo una apertura entre materiales, sino el contacto entre dos superficies. Utilizando
entonces una derivación del método mencionado, se pudo representar el contacto entre
materiales en geometrías tridimensionales, siendo aplicado para los fenómenos de contacto
pastilla-pastilla y principalmente pastilla-vaina, de carácter sustancial en los procesos de
falla.
Los modelos fueron incluidos en el código de combustible nuclear DIONISIO, creado, desarrollado y mantenido por la Sección Códigos y Modelos de la Gerencia Ciclo del
Combustible Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica. El modelo de contacto permitió al programa alcanzar su versión actual al poder simular dominios en tres
dimensiones, lo cual posibilita representar de forma precisa fenómenos que carecen de
simetrías.
Inicialmente se ha puesto el enfoque en vainas de Zircaloy y materiales base circonio como el Zr-1 %Nb. Se realizaron comparaciones con soluciones analíticas de casos de
prueba, ensayos controlados de materiales nucleares sin irradiación y numerosos ejercicios
experimentales sometiendo barras combustibles a abruptas rampas de potencia, en muchas de las cuales se producen roturas a causa del contacto con las pastillas. A su vez, se
ha estudiado el comportamiento de los modelos en conjunción con otros fenómenos que
ocurren en una barra de combustible y que el código puede simular, como el crecimiento
bajo irradiación.
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