The CANDU® industry has supported the energy transition away from fossil fuels for over 50 years whilst continuing to invest in design and safety improvements. As part of this investment, they have pursued development of fuel bundle deformation models. The Royal Military College of Canada (RMC) has supported model development since 2015;​ demonstrating feasibility to replicate thermal bowing of fuel elements and begin work on a 3D bundle model using Finite Element Analysis (FEA). This study adds to that model by refining boundary conditions and applied loads, with a specific focus on end plate deformation. End plates have seldom been the focus of modeling studies and are in need of further investigation.

A model with several reactor based loads and frictional contact between the bundle and pressure tube was developed. In doing so, the effects of end plate constraints from both fuel latch and Fuel String Supporting Shield Plug (F3SP) modified fuel channels were compared. Deformation characteristics of the final models were in close agreement with measurements of an irradiated bundle from the Bruce generating station. Within the end plate, stresses were observed to concentrate in corners of the lower webs while deformation was greatest in the center ring. The bundle’s end plate orientation was observed to affect end plate deformation, with increases of up to 54% in some instances. Thicker end plates reduced fuel element deformation by an average of 15% and decreased maximum end plate deformation by up to 21%. Controlling bundle orientation and increasing end plate thickness were assessed as promising factors for mitigating bundle deformation.

L’industrie CANDU^MD a contribué à la transition énergétique pour s’éloigner des combustibles fossiles depuis plus de cinquante ans tout en continuant d’investir dans l’amélioration des designs et de la sûreté. Une partie de ces investissements a été la poursuite du développement des modèles de la déformation de la grappe de combustible. Le Collège militaire royal du Canada (CMR) a supporté le développement de modèles depuis 2015, démontrant la faisabilité de reproduire la flexion thermique des crayons de combustible et le début de la recherche d’un modèle de grappe en trois dimensions à l’aide de l’analyse par éléments finis (AEF). La présente étude continue le développement de ce modèle en raffinant les conditions-frontières et les charges appliquées, avec une attention portée spécifiquement sur la déformation des plaques d’extrémité. Celles-ci ont rarement été le point focal des études de modélisation et un besoin existe pour de la recherche future.

On a développé un modèle comprenant plusieurs charges basées sur le réacteur et des contacts par friction entre la grappe et le tube de force, tout en comparant les contraintes de la plaque d’extrémité à partir des deux loquets du combustible et des canaux de combustible modifiés par des écrans de protection supportant l’enfilade des grappes de combustible. Les caractéristiques de déformation du modèle final étaient rapprochées des valeurs mesurées sur une grappe de combustible irradiée provenant de l’un des réacteurs de la centrale de Bruce. Dans la plaque d’extrémité, on a observé des contraintes concentrées dans les coins inférieurs des membrures de la plaque tandis que la déformation était la plus prononcée dans l’anneau central. On a observé que l’orientation de la plaque d’extrémité de la grappe avait un effet sur la déformation de la plaque, avec des allongements aussi élevés que 54 % dans certains cas. Des épaisseurs plus grandes pour les plaques d’extrémité réduisaient la déformation des grappes de combustible par 15 % en moyenne et la déformation maximale des plaques d’extrémité était réduite par 21 %. Un contrôle de l’orientation des grappes et une épaisseur accrue des plaques d’extrémité se sont révélées être des facteurs prometteurs pour réduire la déformation de la grappe de combustible.