Analyzing the Three-Dimensional Deformation Behaviour of an Empty CANDU Fuel Bundle Using the Finite Element Method

Abstract

During off-normal or accident conditions, a CANDU fuel bundle may be subjected to thermal and mechanical loads when it is heated above its normal operating temperature. In these conditions, the fuel elements may deform due to two mechanisms: bowing of the fuel elements due to changes in mechanical properties caused by thermal gradients and sagging of the fuel elements under their self-weight. The resulting deformation may impede heat transfer from the fuel elements to the coolant and exacerbates the cooling of the bundle. Therefore, it is important to understand and quantify the conditions under which the fuel bundle will sufficiently deform such that the coolant flow distribution and the ability of the coolant to cool the fuel is not adversely impacted. A model capable of predicting the fuel performance and the 3-D deformation of a full bundle has not been developed yet. This thesis presents a detailed 3-D deformation model of an empty fuel bundle in order to set the stage for the development of such a model. The bundle deformation model presented in this work is capable of simulating the sag of the elements and the end-plates, differential thermal expansion of the bundle, fuel element bowing, and creep deformation of the bundle. The deformation results were validated against experimental data, which were made available for the first time for simulation purposes by Canadian Nuclear Labs (CNL). The results show good agreement with the experimental results, indicating that the model was able to capture the overall trends observed in the experiment. The feasibility of a bundle deformation model which includes contact between adjacent elements, non-uniform temperature gradients, and creep deformation at off-normal condition was demonstrated.

En cas de conditions accidentelles, une grappe de combustible CANDU peut être soumise à des charges thermiques et mécaniques lorsqu'elle est chauffée au-delà de sa température normale de fonctionnement. Dans ces conditions, les éléments de combustible pourraient se déformer selon deux mécanismes: la flexion des éléments de combustible à cause des changements de propriétés mécaniques provoqués par des gradients thermiques, et l'affaissement des éléments de combustible sous leur propre poids. La déformation résultante peut restreindre le transfert de la chaleur des éléments de combustible vers le caloporteur et nuire au refroidissement de la grappe. Il est donc nécessaire de comprendre et de quantifier les conditions dans lesquelles la grappe de combustible se déforme suffisamment afin que la distribution du flux de caloporteur et sa capacité à refroidir le combustible nucléaire ne soient pas affectées négativement. Un modèle capable de prédire la performance du combustible et la déformation 3-D d'une grappe entière n'a pas encore été développé. Cette thèse présente un modèle de déformation 3-D détaillé d'une grappe de combustible vide afin de préparer la voie pour le développement d'un tel modèle. Le modèle de déformation présenté dans ce travail est capable de simuler l'affaissement des crayons de combustible et des plaques d'extrémité, la dilatation thermique différentielle de la grappe, l'inclinaison des éléments de combustible et la déformation par fluage de la grappe. Les résultats de la déformation ont été validés en comparant avec des données expérimentales qui ont été mises à disposition pour la première fois pour les besoins de la simulation par les Laboratoires Nucléaires Canadiens. Les résultats montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux. Ceci indique que le modèle a correctement prédit les tendances globales observées dans l'expérience. On a démontré la faisabilité d'un modèle de déformation d’une grappe qui inclut le contact entre des éléments adjacents, des gradients de température non uniformes et une déformation par fluage dans des conditions accidentelles.