Säteilytyskokeissa käytettävän mekaanisen koestuslaitteen lämpöanalyysi

In this study, temperature distribution in the mechanical loading device for irradiation experiments is calculated using the finite element method. The device is designed to study creep behaviour of the fuel cladding material under neutron radiation. The device will produce controlled bi-axial load on a tubular test specimen. The submitted load consists of axial tensile or compression load and internal pressure load introduced in the test specimen. The device will also measure deformations of the test specimen on-line. Thermal analyses are needed to support the design of the loading device since the neutron radiation increases temperature in the device. The purpose of the calculations is to determine the design parameters in order to achieve the desired experimental conditions. The parameters to be determined are related to specific nuclear heat, gas gap thickness for thermal regulation in the irradiation rig, and use of electrical heaters in order to produce additional heat if necessary. The goal is to achieve a temperature of 350 °C on the test specimen surface. The temperature distribution calculations are performed using ABAQUS code. Due to the complicated geometry of the device and limitations in the computational capacity it was not reasonable to model the device completely. The calculations are performed using different models which either describe a specific part of the device or a wider entity. In addition, a CATIA V5 model is utilized in creating the calculation models. The thermal analyses are performed with both steady-state and time-dependent transient calculations. The first analysis type is used to determine the design parameters for the experimental conditions. The second analysis type is used to study the heating effect of the feeler arms during diameter change measurements. The results of each model were compared with each other and found to be consistent. The purpose of the comparison was to verify the results since other experimental verification data was not available. A major difference is seen between the 2D plane and the 3D section model of which the first model describes only the cross section plane in radial direction of the device while the 3D model describes a wider entity. Hence, the 3D model can he used to model the temperature distribution in the flanges which is not possible to be modelled by using the 2D plane model, since the neutron radiation is not constant in the vertical direction. In addition, the mesh independency and the sufficient time incrimination were ensured with sensitivity studies. The results show that by using the design parameters determined in this work the desired temperature of 350 °C can be achieved in the research reactor conditions.Tässä työssä tutkitaan polttoainesauvojen suojakuorimateriaalin tutkimiseen suunnitellun koelaitteen lämpötilajakaumia elementtimenetelmällä. Koelaite on suunniteltu neutronisäteilytetyn suojakuorimateriaalin virumisen tutkimukseen. Laite tuottaa putkimaiseen koekappaleeseen kaksiaksiaalisen jännitystilan. Kuormitus koostuu aksiaalisuuntaisesta veto- tai puristuskuormituksesta sekä paineesta, joka kohdistetaan putken sisälle. Laite mittaa koekappaleeseen syntyneet muodonmuutokset reaaliajassa. Lämpöanalyyseja tarvitaan laitteen suunnittelun tueksi, koska neutronisäteily nostaa lämpötilaa. Laskennan tarkoitus on määrittää koeolosuhteisiin vaikuttavat suunnitteluparametrit niin, että halutut koeolosuhteet saavutetaan. Määritettäviä parametreja ovat säteilytehon voimakkuus, kaasuraon paksuus koestuskapselissa lämpötilan säätelyä varten ja lisälämpötehon tuottaminen tarvittaessa elektronisilla lämmittimillä. Tavoitteena on saavuttaa noin 350 °C:n lämpötila koekappaleen pinnalla. Lämpöanalyysit on suoritettu ABAQUS-ohjelmistoa käyttäen. Laitteen geometrian monimutkaisuuden ja laskentakapasiteetin rajallisuuden vuoksi ei ollut tarkoituksenmukaista mallintaa laitetta täydellisesti. Laskenta on suoritettu käyttäen erilaisia malleja, jotka kuvaavat joko vain tiettyä kohtaa laitteesta tai laajempaa kokonaisuutta. Laskentamallien luomisessa on käytetty apuna 3D-malleja, jotka on luotu CATIA V5- suunnitteluohjelmalla. Lämpöanalyyseissä on käytetty sekä ajasta riippumattomia että ajasta riippuvia analyyseja. Ensimmäistä analyysityyppiä on käytetty suunnitteluparametrien määrittämisessä. Ajasta riippuvaa analyysityyppiä on puolestaan käytetty koelaitteen mitta-anturien lämpövaikutuksen määrittämiseen mittausperiodin aikana. Eri malleilla saatuja tuloksia on verrattu keskenään ja ne on todettu yhteneviksi. Vertailun tarkoituksena on verifioida laskentatuloksia, koska kokeellista verifiointidataa ei ollut saatavilla. Mallien erot tulevat ilmi etenkin 2D- ja 3D-malleilla, joista ensimmäinen malli kuvaa vain poikkileikkaustasoa mittalaitteen keskeltä kun taas jälkimmäinen malli kuvaa tarkempaa kokonaisuutta. Näin ollen 3D-malli kuvaa hyvin laippoihin syntyviä lämpöjakaumia, joita ei voi kuvata 2D-tasomallilla, koska säteilystä aiheutuva lämpökuormitus ei ole vakio aksiaalisuunnassa. Lisäksi, verkontiheyden ja aikainkrementin pituuden riittävyys varmistettiin herkkyystarkasteluilla. Tulokset osoittavat, että tässä työssä määritetyillä suunnitteluparametreilla voidaan saavuttaa haluttu noin 350 °C:n lämpötila koereaktoriolosuhteissa