The Fuel Rod Analysis (FURA) code is developed using two-dimensional finite element analysis for axisymmetric and plane stress system of fuel rod. It predicts the thermal and mechanical behavior of fuel rod system during normal and load follow operations.
To evaluate the exact temperature distribution and inner gas pressure, the radial deformation of pellet and clad, the fission gas release are considered full-length fuel rod. The thermal element equation is derived using Galerkin's technique.
The displacement element equation is derived using the principle of virtual works. The mechanical analysis can accommodate various components of strain: elastic, plastic, creep and thermal strain, as well as strain due to swelling and densification. The 4-node quadratic isoparametric elements are adopted, and the geometric model is confined to a half-pellet-height region with the assumption that pellet-pellet interaction is symmetrical. The pellet cracking and crack healing, pellet-cladding interaction are modelled. The Newton- Raphson iteration with an implicit algorithm is applied to perform the analysis of non-linear material behavior accurately and stably.
The pellet and cladding model has been compared with both analytical solutions and experimental results. The observed and predicted results are in good agreement.
The general behavior of fuel rod system is calculated by axisymmetric system and the cladding behavior against radial crack is used by plane stress system. The sensitivity of strain aging of PWR fuel cladding tube due to load following is evaluated in terms of linear power, load cycle frequency and amplitude.
본 연구에서는 2차원의 유한요소법을 이용하여 axisymmetric system과 R-Θ system으로 나누어서 정상 작동시와 load-following 작동시에서의 핵연료 페레트와 피복관의 열역학적 거동 변화를 분석하기 위하여 FURA 전산코드를 개발하였다. 이 program에서는 열-역학 평형방정식을 얻기 위해서 Galerkin's Technique와 가상일의 원리를 사용하였고, 정확한 온도, 내부 압력과 역학적 해석을 얻기위해서 페레트에서는 스웰링, 재배열, 고밀화 현상을 고려하였고, 피복관에서는 크리프를 음해법으로 사용하였으며 페레트의 균열과 페레트와 피복과의 접촉 상태를 마찰상태에 따라서 조건을 주었다. 프로그램의 검증은 해석해와 실험 데이타를 비교하였다. 원자로의 정상적인 작동과 loadfollowing 작동시에서의 응력 분포와 변위의 변화량을 비교 분석하였으며 균열된 페레트와 접촉한 피복관에서의 응력이 피복관의 인장강도(ultimate tensile strength)를 넘지 않았음을 알수 있었으며, load-following 작동시에서는 비접촉 상태에서는 정상작동과 거의 같았으며, 접촉상태에서는 30일까지는 응력이 증가하다가 일정한 값에 수렴함을 알 수 있었다.
