This paper describes a three-dimensional finite element method programme, named TOMAC, for the analysis of thermo-mechanical behavior of the fuel rod system under power increase.
In the development of the code, the isoparametric finite element formulation is adopted, and the Galerkins' technique is used in the derivation of the thermal element equation, and the principle of virtual displacements is used in the derivation of the displacement element equation.
The pellet-cladding interaction mechanism is exactly treated using the nodal equilibrium equations and continuity conditions with various frictional conditions.
The combined initial and tangential stiffness approach is used to solve non-linear system efficiently.
The transient temperature distribution is solved by a step-by-step time incremental procedure and introduced into the elasto-plastic analysis as a thermal load and stresses and deformation are calculated.
In order to validate the code, TOMAC, the time dependent temperature distribution of a solid cylinder with heat source and the elasto-plastic stress distribution of a hollow cylinder with internal pressure and thermal stress distribution of a hollow cylinder with a temperature gradient are calculated and compared with the analytical solutions.
Comparisons of the results predicted by TOMAC to the analytical solutions show quite good agreements.
The finite element geometrical model is confined to a half-pellet-height region. And the temperature distribution, deformation, and the thermo-elasto-plastic stress distribution of a cracked and non-cracked fuel rod system, which are calculated by TOMAC, show correct qualitative trends. And the effects of the dish and chamfer are examined.
출력 상승시에 핵연료 페레트와 피복관의 열-역학적 거동변화를 분석하기 위하여 유한 요소법을 이용한 새로운 3차원 코드를 개발하였다.
코드의 개발에서 Galerkins' Technique 와 가상일의 원리가 열-역학 평형 방정식을 얻기 위하여 각각 이용하였고, 두 물체의 접촉 문제는 여러 가지 마찰 조건에 따른 평형 방정식과 연속 조건을 이용하여 정확히 다루어졌다. 코드의 신뢰도를 높이기 위하여 일정한 열원일 때 시간에 대한 온도 변화, 탄-소성 변형시 변위와 응력 분포와 열응력을 구하여 각각의 해석해와 비교하였다.
출력 변화에 따라 페레트와 피복관의 온도 변화를 구하여 균열이 없을 경우와 있을 경우에 페레트와 피복관의 변위와 응력 분포를 구하여 비교하였다. 균열이 있을 경우에 핵연료 봉의 거동을 정확히 분석하기 위하여 3차원 분석이 불가피함을 알 수 있었다. 또한, Dish와 Chamfer를 가진 페레트가 피복관의 국지 응력과 손상을 줄이는데 효과적임을 보였다.
