《Journal of Nuclear Engineering》：Finite Element Simulation on Irradiation Effect of Nuclear Graphite with Real Three-Dimensional Pore Structure
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本文推荐一篇关于核石墨在高温气冷堆（HTGR）中服役行为的前沿研究。该研究创新性地将X射线微计算机断层扫描（X-μCT）获取的真实三维孔隙结构，与ABAQUS有限元软件中的ManUMAT方法相结合，建立了能够模拟核石墨在高温、高压及强中子辐照（剂量高达3×1022n/cm2）下长期性能的有限元框架。该模型成功应用于HTR-PM侧反射层石墨砖的应力-应变分析，预测了其30全功率年（fpy）服役期内以辐照收缩为主导的变形行为，为评估石墨构件结构完整性及寿命提供了关键理论基础。
基于真实三维孔隙结构的核石墨辐照效应有限元模拟
引言
高温气冷堆（HTGR）是第四代核能系统的关键技术。在HTGRs中，核石墨被广泛用作燃料元件基体材料、慢化剂、反射层和结构材料。这些石墨构件在涉及高温、高压和强中子辐照的极端条件下运行，其结构完整性对于反应堆的安全运行和寿命至关重要。由于实验方法在研究辐照、温度和应力协同条件下核石墨性能方面存在局限性，有限元法（FEM）成为一种有效的替代工具。然而，当前的FEM应用大多将核石墨视为均匀致密结构，忽略了其显著影响服役性能的孔隙结构。本研究旨在通过集成真实孔隙结构模型，建立一个更精确的有限元模拟框架。
材料与方法
研究所用材料为IG-110核石墨，这是一种由日本东洋炭素公司开发的石油焦基石墨，采用等静压成型，平均晶粒尺寸约为20微米，表观密度为1.77 g/cm3，总孔隙率约为21.6%。利用布鲁克SkyScan2211多尺度X射线纳米CT系统表征了IG-110石墨的三维孔隙结构，并通过Avizo软件进行三维重建和图像处理，最终在ABAQUS软件中建立基于真实孔隙几何的有限元模型。
本研究的核心模拟方法是ManUMAT方法。该方法基于哈威尔PLUTO材料试验堆中Gilsocarbon材料的中子辐照实验数据，利用ABAQUS的UMAT（用户材料）子程序来定义核石墨应力-应变关系的本构方程。总应变被表示为弹性应变、热应变、辐照诱导尺寸变化应变、第一阶段和第二阶段辐照蠕变应变以及由蠕变诱导的热相互作用应变和尺寸变化相互作用应变的线性组合。该方法采用预测-校正算法进行计算，并为ABAQUS主程序提供所需的雅可比矩阵。
结果与讨论
首先，研究通过对二维和三维单元进行模拟，验证了ManUMAT方法的准确性。随后，将该方法应用于先进气冷堆（AGR）石墨砖的应力-应变状态模拟。二维模拟结果显示，在关键部位（如内孔和键槽）的热应变、尺寸变化应变、杨氏模量和位移等参数与参考文献数据吻合良好。然而，在弹性应变以及由此推导出的环向应力和辐照蠕变应变方面观察到一些差异。三维AGR石墨砖模型的模拟结果在0-15全功率年（fpy）期间与参考文献高度一致，但在15-30 fpy期间出现偏差，这可能源于输入数据、初始条件或三维几何应力状态复杂性的差异。
在成功验证方法后，研究对HTR-PM侧反射层石墨砖组件进行了有限元模拟。几何模型基于INET-GRA3D模型进行了简化。模拟考虑了沿半径呈指数衰减的中子剂量率分布和呈二次分布的温度场。30年运行后的模拟结果表明，核石墨构件发生了显著变形：在靠近堆芯的高剂量区域，辐照收缩占主导地位，导致明显收缩；而在远离堆芯的低剂量区域，仅发生轻微的热膨胀。这些结果与已有报道相符。
为了更精确地反映核石墨的微观结构效应，研究进一步开展了基于X-μCT三维孔隙结构的有限元模拟。从原始CT图像中提取了200微米见方的代表性体积单元（RVE），在Avizo中进行包括双边滤波、分水岭算法分割和去噪在内的图像处理，并生成四面体网格导入ABAQUS。在该模型中，石墨基体被赋予弹性模量，孔隙区域则被赋予一个极低的模量值以维持数值稳定性。初步的力学分析成功揭示了微观孔隙结构周围的应力集中现象，展示了将微观结构特征与宏观力学行为（如有效弹性模量）直接关联的潜力，为组件尺度模拟提供了更物理化的输入参数。
结论
本研究系统性地利用有限元模拟评估了核石墨在高温气冷堆中的服役行为。成功将ManUMAT方法扩展到HTR-PM反应堆中IG-110石墨的分析，证实了该本构模型在不同石墨材料间的可移植性。30年设计寿命内的FEM结果揭示了在高中子通量区域辐照收缩是主导变形机制。更重要的是，开发了基于X-CT成像获取的真实三维孔隙结构模型，为量化微观结构异质性及其演化对宏观力学行为的影响提供了新途径，超越了均质材料属性假设在核石墨寿命预测模型中的局限性。
