Estudio de la propagación de fisuras en vainas de combustibles nucleares mediante mecánica de fractura elasto-plástica

Abstract

Dentro del Sector Códigos y Modelos de la Gerencia Ciclo de Combustible Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica, se ha desarrollado un código denominado DIONISIO que analiza el comportamiento de una barra de combustible nuclear bajo irradiación. El mismo provee información, tanto en casos de operación normal del reactor como en casos de accidente, del comportamiento de las pastillas de UO2 (combustible usado en el 95% de los reactores del mundo) así como de la vaina que las contiene, en general de Zircaloy. En particular, en el marco de este trabajo, se analiza un modelo de crecimiento de fisuras en vainas de combustibles nucleares bajo irradiación, incluido en el código. Dicho modelo parte de considerar la existencia de un iniciador (tip) suficientemente profundo como para concentrar tensiones y comenzar la propagación. Posteriormente, se estudia la condición de propagación dúctil mediante la función de intensidad de tensiones J, resuelta en múltiples caminos alrededor del tip de la fisura, para después vincular dicho resultado promediado con la curva JR del material. Los resultados obtenidos de las simulaciones se comparan con resultados analíticos obtenidos de la literatura, con resultados experimentales y contra soluciones numéricas de otros códigos de elementos finitos existentes en el mercado. El modelo analizado se aplica a geometrías en dos y tres dimensiones, usando el método de elementos finitos con mallas estructuradas y no estructuradas, construidas ad-hoc mediante malladores propios o de código libre, tanto con elementos lineales como con elementos de segundo orden. En los casos bidimensionales se considera deformación plana (plane strain), incluyendo las componentes elásticas y plásticas.