高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

殷 勇，李其朋，馬慶俊

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518124)

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高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

殷 勇，李其朋，馬慶俊

(中廣核研究院有限公司，廣東深圳518124)

隨著中國(guó)壓水堆核電站核燃料燃耗不斷增加，高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器在燃料后端物流中必不可少。本文介紹了高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能和性能參數(shù)；詳細(xì)闡述了乏燃料運(yùn)輸容器滿(mǎn)足各種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。通過(guò)數(shù)值分析和相應(yīng)試驗(yàn)，論證高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及結(jié)構(gòu)安全分析方法的正確性，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足放射性物質(zhì)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)要求。

乏燃料；運(yùn)輸容器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析

截至2016年2月，中國(guó)大陸運(yùn)行的核電機(jī)組30臺(tái)，總裝機(jī)容量2831萬(wàn)千瓦，在建的核電機(jī)組24臺(tái)，總裝機(jī)容量2672萬(wàn)千瓦。截至2013年底，中國(guó)大陸已累計(jì)產(chǎn)生了乏燃料約2400tHM，并且每年按約350tHM的速度遞增。根據(jù)國(guó)防科工局統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)核電廠(chǎng)累計(jì)產(chǎn)生的乏燃料將達(dá)9000tHM，每年產(chǎn)生量約1300tHM；2030年將達(dá)19500tHM，每年產(chǎn)生量約2000tHM；我國(guó)乏燃料的產(chǎn)生量呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1]。核電廠(chǎng)的乏燃料水池通常只能滿(mǎn)足反應(yīng)堆正常運(yùn)行10～20年卸出的乏燃料貯存需求，之后需要將乏燃料外運(yùn)。我國(guó)大陸目前僅大亞灣核電廠(chǎng)兩臺(tái)機(jī)組開(kāi)展了乏燃料外運(yùn)工作，每年外運(yùn)4罐。自2003年始至2012年年底大亞灣核電廠(chǎng)已累計(jì)外運(yùn)了800多組乏燃料。隨著越來(lái)越多的機(jī)組投運(yùn)和各機(jī)組乏燃料貯存量增加，乏燃料的外運(yùn)量將大幅增加。乏燃料的后端物流對(duì)核工業(yè)整體運(yùn)營(yíng)的安全、高效和經(jīng)濟(jì)性起了非常重要的作用，而乏燃料運(yùn)輸容器作為后端物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，能很大程度地影響整個(gè)物流系統(tǒng)的性能。

1 設(shè)計(jì)要求

乏燃料運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)需考慮燃料組件特性及接口，核電廠(chǎng)操作廠(chǎng)房條件和設(shè)備接口、運(yùn)輸模式及物流設(shè)施接口、接收廠(chǎng)房條件及設(shè)備接口等要求，并符合國(guó)內(nèi)放射性物質(zhì)運(yùn)輸相關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

a.燃料組件

需滿(mǎn)足目前壓水堆核電站使用的AFA-2G、AFA-3G和AFA-3GAA型燃料組件，以初始富集度為4.5%，最大燃耗深度為57000MW·d/tU，冷卻時(shí)間為5年為基準(zhǔn)計(jì)算的衰變熱及輻射源強(qiáng)。

圖1 高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure of high burnup spent fuel transport cask

b.核電廠(chǎng)接口

需滿(mǎn)足CPR1000機(jī)組Kx廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)及操作吊車(chē)的限制要求，包括廠(chǎng)房空間布局、130t廠(chǎng)房吊車(chē)、廠(chǎng)房環(huán)境條件、輔助吊車(chē)及裝罐池中水的特性。

c.燃料接收廠(chǎng)房

需滿(mǎn)足乏燃料接收廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)及操作吊車(chē)的限制要求，包括乏燃料運(yùn)輸容器卸載池、乏燃料運(yùn)輸容器冷卻池、乏燃料運(yùn)輸容器清洗池和乏燃料運(yùn)輸容器臨時(shí)貯存區(qū)域、提升吊車(chē)以及水、電、氣接口。

d.運(yùn)輸要求

運(yùn)輸方式優(yōu)先選用公路運(yùn)輸，采用拖車(chē)等方式運(yùn)輸至燃料接收廠(chǎng)房，后期可考慮公、海、鐵組合聯(lián)運(yùn)方式；相關(guān)尺寸需滿(mǎn)足公路用車(chē)的尺寸、軸負(fù)載和重量的限制要求。

e.功能要求

在滿(mǎn)足外部接口條件及尺寸、重量限制條件下，盡可能多地裝載乏燃料組件，并包容放射性物質(zhì)使其泄漏率低于限值、屏蔽放射性使得容器表面劑量率低于限值、保持乏燃料組件一直處于次臨界狀態(tài)。

f.放射性物質(zhì)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)要求

在乏燃料運(yùn)輸容器滿(mǎn)載(包含乏燃料)運(yùn)輸過(guò)程中，容器需要滿(mǎn)足如下輻射劑量限制要求：在常規(guī)運(yùn)輸情況下，乏燃料運(yùn)輸容器的外表面的任何一點(diǎn)，最大輻射劑量率不能超過(guò)2mSv/h。在常規(guī)運(yùn)輸情況下，距乏燃料運(yùn)輸容器的外表面2m處，最大輻射劑量率不能超過(guò)0.1mSv/h。

乏燃料運(yùn)輸容器運(yùn)輸過(guò)程中，乏燃料組件在容器內(nèi)溫度不高于400℃。沒(méi)有日照的情況下，乏燃料運(yùn)輸容器運(yùn)輸過(guò)程中，任何包裝可達(dá)表面的溫度不能超過(guò)85℃[2]。

2 運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)

高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器屬于一類(lèi)放射性物質(zhì)運(yùn)輸設(shè)備。其設(shè)計(jì)和試驗(yàn)需滿(mǎn)足GB 11806—2004《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)；其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需依據(jù)各部件的安全等級(jí)，參照ASME的相應(yīng)章節(jié)完成。高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器主要由前、后減震器組件(后稱(chēng)減震器)，容器本體，吊籃組件，中子屏蔽體等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

減震器安裝在容器兩端，用于吸收正常運(yùn)輸和事故工況下的沖擊能量，減震器為包容邊界的密封和臨界控制起重要作用。減震器的主要減震材料是杉木和輕木，外部包覆不銹鋼板。減震器外徑Φ3m多，高1m多，包覆容器的深度為0.5m。每個(gè)減震器用減震器螺栓與容器本體相連，減震器螺栓配有擰緊螺母和防松螺母。容器本體由容器外蓋、容器內(nèi)蓋、密封組件、容器內(nèi)外筒體、鉛屏蔽層、容器底板、中子屏蔽材料及散熱翅片等構(gòu)成。容器筒體、容器底板、內(nèi)蓋、內(nèi)蓋孔蓋及其密封組件構(gòu)成了放射性包容邊界。在正常運(yùn)輸條件和運(yùn)輸事故條件下都必須保證包容邊界的密閉性，其任何單一故障都會(huì)導(dǎo)致放射性物質(zhì)從邊界處泄漏，容器外蓋是密封的冗余設(shè)置。鉛屏蔽層和金屬筒體、內(nèi)外蓋以及容器底板等共同屏蔽伽馬射線(xiàn)，其中鉛屏蔽層起主要作用。中子屏蔽體用于降低容器外的中子劑量率，由含慢化作用的元素組分、碳化硼、耐火材料及固化劑等組成。吊籃組件在操作和運(yùn)輸過(guò)程中支承燃料組件，其內(nèi)含中子吸收材料并保證乏燃料組件維持次臨界狀態(tài)，吊籃最多能夠裝運(yùn)26組乏燃料組件。

3 主要特性參數(shù)

高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器主要特性參數(shù)如表1 所示。

表1 運(yùn)輸容器主要特性參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

為了滿(mǎn)足《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》要求，根據(jù)放射性物品運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)安全評(píng)價(jià)要求，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)需包括：貨包的提升和栓系準(zhǔn)則，正常運(yùn)輸條件下貨包的安全，運(yùn)輸事故條件下的貨包安全等。高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器均通過(guò)理論計(jì)算和有限元結(jié)合的計(jì)算方法分析了提升貨包和內(nèi)外蓋等裝置均滿(mǎn)足ANSI N14.6《special lifting devices for shipping containers weighing 10000pounds (4500kg) or more》的要求。正常運(yùn)輸條件下通過(guò)有限元計(jì)算，并且根據(jù)運(yùn)輸規(guī)程的要求設(shè)計(jì)了比例容器進(jìn)行跌落試驗(yàn)驗(yàn)證。正常運(yùn)輸條件下需考慮貨包的受熱、受冷、外壓的減小、外壓的增加、振動(dòng)、噴水試驗(yàn)、自由下落、角下落、堆積試驗(yàn)、貫穿等各種組合下的分析計(jì)算。正常運(yùn)輸條件下的載荷組合見(jiàn)表2所示，其中受熱需考慮包絡(luò)的最大熱負(fù)荷在整個(gè)容器中的熱分布并將其映射到整個(gè)模型[3]。

表2 正常運(yùn)輸條件和運(yùn)輸事故條件下的載荷組合(部分)

正常運(yùn)輸條件下運(yùn)輸容器應(yīng)力應(yīng)符合ASME III的要求，乏燃料容器的力學(xué)準(zhǔn)則如下：

(1)Pm≤1.0Sm(其中：Pm為薄膜應(yīng)力，Sm為材料許用強(qiáng)度)；

(2)Pm+Pb≤1.5Sm(其中：Pm為薄膜應(yīng)力，Pb為彎曲應(yīng)力)。

運(yùn)輸事故條件下運(yùn)輸容器應(yīng)力應(yīng)符合ASME III的要求，乏燃料容器力學(xué)的準(zhǔn)則如下：

(1)Pm≤min{0.7Su，2.4Sm}；

(2)Pm+Pb≤min{1.0Su，3.6Sm}；(其中Su為材料極限強(qiáng)度，Sm為材料許用強(qiáng)度)。

在乏燃料運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，絕大部分結(jié)構(gòu)采用焊接連接方式，在有限元分析中處理成共節(jié)點(diǎn)。而在容器計(jì)算溫度分布和熱應(yīng)力時(shí)，各部件之間的接觸，采用三維面面接觸單元，具體的以TARGE 170和CONTA 174單元作為接觸對(duì)來(lái)建模。這些接觸對(duì)主要為：(1) 鉛層與容器內(nèi)、外殼之間的接觸；(2) NS-4-FR材料層與下端封頭內(nèi)、外蓋板之間的接觸；(3) NS-4-FR材料層與上端內(nèi)蓋之間的接觸；(4) 內(nèi)蓋上表面與外蓋下表面之間的接觸；(5) 內(nèi)蓋與上部鍛件之間的接觸；(6) 外蓋與上部鍛件表面之間的接觸；(7) 緩沖塊與罐體上、下表面之間的接觸。通過(guò)選擇合適的接觸(或罰)剛度因子以及穿透容差因子使計(jì)算收斂并且穿透較小。在有限元模型中，容器各個(gè)部分主要采用SOLID70實(shí)體單元，此三維單元模型是在二維網(wǎng)格基礎(chǔ)上繞軸旋轉(zhuǎn)180°而成，有限元模型如圖2所示。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，在離跌落碰撞較近的區(qū)間適當(dāng)增加網(wǎng)格密度。容器內(nèi)、外蓋的螺栓采用BEAM4梁?jiǎn)卧?可用于承受拉、壓、彎、扭的三維彈性梁?jiǎn)卧?建模。

圖2 運(yùn)輸容器有限元模型及網(wǎng)格劃分Fig. 2 Finite element model of transport containers and grid division

在給整個(gè)容器施加跌落時(shí)的反彈作用力之前還需計(jì)算跌落時(shí)的反彈加速度，并以整體反彈加速度值施加到整個(gè)模型中去計(jì)算各部件在該跌落下的應(yīng)力分布。在施加初始條件時(shí)還需施加保證各種工況下的內(nèi)蓋、外蓋密封要求的螺栓密封預(yù)緊力。容器金屬材料參數(shù)采用ASME及相關(guān)材料數(shù)據(jù)。減震器木材中紅木和輕木參數(shù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)試值，力學(xué)數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示。

圖 3a) 紅木順紋方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn) Fig. 3 a) Stress-strain curves in the direction of mahogany圖 3b) 紅木橫紋方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig. 3b) Stress-strain curve in the direction of mahogany

圖4 輕木順紋、橫紋方向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Stress-strain curve of gravure and stripes

根據(jù)以上有限元模型，計(jì)算分析各工況的應(yīng)力，各條件下應(yīng)力提取截面位置如圖5所示。計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足要求。以運(yùn)輸事故條件下1m擊穿外筒體中部計(jì)算結(jié)果為例，計(jì)算模型如圖6 所示，選取外筒體應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為285MPa，滿(mǎn)足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

圖5 應(yīng)力提取截面位置示意圖Fig. 5 Schematic of the stress extraction section

圖 6 1m擊穿外筒體中部有限元模型Fig. 6 Finite element model of 1m strikes of the middle part of the outer cylinder

圖7 1m擊穿外筒體中部外筒體應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud of the outer cylinder at 1m strikes of the middle of the outer cylinder

5 結(jié)論

高燃耗乏燃料運(yùn)輸容器滿(mǎn)足乏燃料運(yùn)輸，安全性和可靠性的要求極高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)安全性分析工況較多。相比選用不銹鋼作為主體材料而言，運(yùn)輸容器通過(guò)選用低合金鋼作為主體材料，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、衰變熱導(dǎo)出能力更佳，能滿(mǎn)足高燃耗乏燃料運(yùn)輸?shù)母咭?，并且提高了其?jīng)濟(jì)性。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的運(yùn)輸容器在正常運(yùn)輸條件和事故運(yùn)輸條件各個(gè)工況的有限元分析計(jì)算，驗(yàn)證此設(shè)計(jì)結(jié)果均滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1] 汪海，童明炎，孫勝，等. 乏燃料運(yùn)輸容器研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程師，2015(12)：65-69.

[2] 放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程：GB 11806—2004[S].

[3] Yu mei, Jiang Yang, et al. Thermal analysis on NAC-STC spent fuel transport cask under different transport conditions[J]. Nuclear Engineering and Design, 2013, 265:682-690.

Study on the Structural Design of High Burnup Spent Fuel Transport Cask

YIN Yong, LI Qi-peng, MA Qing-jun

(China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518124, China)

With the continuous increasing of the amount of spent fuel assemblies in China, the high burnup spent fuel transport cask is indispensable. The design requirements, structural characters, function and performance parameters are introduced, and the structural strength which meet the requirements in different conditions are also elaborated in this paper. Through the numerical analysis and the correlative experiments, the structural design is reasonable and the analysis method is certificated, the design can meet the standards of the radioactive material transport.

Spent fuel; Transport cask; Structural design; Strength analysis

2016-09-29

殷 勇(1970—)，男，高級(jí)工程師，目前主要從事核電站核級(jí)設(shè)備研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化供貨工作

TL93+2.1

A

0258-0918(2017)02-0308-06