一种核燃料UO₂服役过程中气体扩散-变形-断裂耦合模拟方法、模型构建、电子设备及程序产品
知识产权简介
本专利提出了一种用于核燃料 UO₂中扩散、 变形和断裂耦合问题的有限元多层次交叉优化算法。该算法基于连续介质热力学理论， 通过位移场、 气体浓度、 气泡相场和裂纹相场四个基本场变量描述系统状态， 并严格遵循热力学第一、 第二定律及守恒定律推导控制方程。 在能量模型中， 引入降解函数以描述气泡和裂纹对力学性能的影响， 并通过正则化方法处理裂纹表征。 算法设计上， 将耦合方程分离为扩散子问题和位移 - 裂纹子问题， 在同一时间步内交叉求解， 采用牛顿 - 拉弗森方法和变分不等式求解器分别处理非线性方程组和裂纹相场更新。 数值实现基于 FEniCSx 开源框架， 通过多层次有限元交叉优化算法， 实现了气体扩散、 变形和断裂问题的多场耦合求解。
转化前景
本专利的多物理场耦合模型能够同时考虑气体扩散、 变形和断裂的复杂相互作用，构建的模型能够精确模拟核燃料在极端条件下的行为，为核燃料的设计和优化提供了更全面的分析工具 在核反应堆的运行和维护中。此外 本专利的算法可以用于实时监测和预测燃料的性能变化，为核安全评估提供了有力支持。本专利所采用的多层次有限元交叉优化算法具有高效的计算性能，适合在高性能计算平台上实现，这为开发相关的工业软件提供了技术基础， 可以为核燃料设计和安全评估提供更强大的工具。 本专利的技术方案在核燃料设计、核反应堆运行、核安全评估、高性能计算等多个领域具有重要的产业化应用前景。通过提供更全面、高效和精确的分析工具，本专利能够显著提升核燃料的性能和安全性，推动核能行业的技术进步和可持续发展。