某核電廠輻照監(jiān)督管運(yùn)輸容器的研制

周寅鵬，汪 軍，張 強(qiáng)，衣大勇，張金山，范月容，姚成志，石辰蕾，郭志家，彭朝暉

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

為了保證壓水堆核電廠反應(yīng)堆壓力容器的安全可靠，有必要對(duì)其輻照損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)和運(yùn)行監(jiān)督，為此，通常在堆內(nèi)熱屏與壓力容器之間設(shè)置輻照監(jiān)督管[1]。某核電廠反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督管包括與壓力容器完全相同的材料及參考材料試樣、中子探測(cè)裝置以及溫度監(jiān)測(cè)裝置等。通過(guò)定期提取輻照監(jiān)督管并進(jìn)行試驗(yàn)，以監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆壓力容器材料因輻照而引起的機(jī)械性能變化。其試驗(yàn)結(jié)果可用于評(píng)估反應(yīng)堆壓力容器快速脆斷的風(fēng)險(xiǎn)、驗(yàn)證預(yù)測(cè)的RTNDT曲線(xiàn)以及確定一回路水壓試驗(yàn)溫度，為電廠壽命管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為將某核電廠機(jī)組運(yùn)行期間從堆內(nèi)取出的壓力容器輻照監(jiān)督管通過(guò)公路可靠地運(yùn)輸?shù)椒治鰴z驗(yàn)單位，中國(guó)原子能科學(xué)研究院研制了輻照監(jiān)督管運(yùn)輸容器。該運(yùn)輸容器的研制采用設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法[2]。

(1)根據(jù)輻照監(jiān)督管的源項(xiàng)計(jì)算確定運(yùn)輸容器的類(lèi)型及屏蔽層的厚度，考慮輻照監(jiān)督管結(jié)構(gòu)尺寸與取放輻照監(jiān)督管的可實(shí)現(xiàn)性，完成運(yùn)輸容器的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；

(2)對(duì)運(yùn)輸容器開(kāi)展屏蔽性能校驗(yàn)和正常運(yùn)輸條件下的力學(xué)評(píng)定，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，完成運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)[3，4]；

(3)按照設(shè)計(jì)圖紙及文件制造運(yùn)輸容器模擬件，對(duì)該模擬件進(jìn)行安全驗(yàn)證試驗(yàn)，包括自由下落試驗(yàn)和貫穿試驗(yàn)[5]；

(4)在安全驗(yàn)證試驗(yàn)前后分別進(jìn)行屏蔽試驗(yàn)，以驗(yàn)證容器的屏蔽性能；

(5)根據(jù)安全驗(yàn)證試驗(yàn)及屏蔽試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最終制造出輻照監(jiān)督管運(yùn)輸容器。

1 運(yùn)輸容器屏蔽計(jì)算

通過(guò)origen2程序，按照輻照監(jiān)督管材料成分、所處位置的中子通量及輻照歷史，可計(jì)算得到運(yùn)輸容器的放射源強(qiáng)，如表1所示。

表1 輻照監(jiān)督管光子源強(qiáng)

其中對(duì)容器外劑量率貢獻(xiàn)較大的核素主要為54Mn、58Co、60Co。

取容器的屏蔽厚度為160 mm(鉛當(dāng)量厚度)，利用MCNP程序的計(jì)算建模對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行保守簡(jiǎn)化，模型如圖1所示。

圖1 MCNP程序建模示意圖Fig.1 Molding of program MCNP

主要的簡(jiǎn)化假設(shè)為：忽略監(jiān)督管本身的自屏效應(yīng)，增加了光子源向外的泄漏量，達(dá)到保守的目的；對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的容器底部區(qū)域采取屏蔽等效原則進(jìn)行簡(jiǎn)化；對(duì)可能存在泄漏的部位進(jìn)行精細(xì)幾何描述。

由于運(yùn)輸容器為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此采用環(huán)探測(cè)器進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，探測(cè)器位置選取容器側(cè)表面及距離表面1 m、2 m處。屏蔽計(jì)算結(jié)果考慮2倍的安全系數(shù)，計(jì)算得到容器表面及周?chē)畲髣┝柯?，具體結(jié)果如表2所示。

表2 屏蔽計(jì)算結(jié)果

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，容器表面的劑量當(dāng)量率為0.012 mSv/h，遠(yuǎn)低于法規(guī)要求的限值[5]，因此該屏蔽厚度的選取是可行的；距離容器表面1 m處的劑量率為6.28×10-4mSv/h，因此其運(yùn)輸指數(shù)為0.1，根據(jù)貨包分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[5]，該貨包設(shè)計(jì)為Ⅱ級(jí)(黃)。

2 運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)概述

某核電站輻照監(jiān)督管輸容器主要由容器本體、減震器及緊固件等組成，減震器在連接法蘭處通過(guò)螺栓與容器本體相連接。容器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸容器示意圖Fig.2 Scheme of transport vessel

其中，容器本體主體材料均為60Cr19Ni10，主要由內(nèi)殼、外殼、上下封頭、上下端塞、上下連接法蘭、密封圈、吊桶、旋轉(zhuǎn)閥門(mén)組件、鋼絲繩及其引管、加強(qiáng)圈、緊固件及鉛屏蔽等組成。內(nèi)、外殼與上封頭分別采用焊接連接；上、下端塞與上、下封頭分別采用螺栓連接，并采用密封圈進(jìn)行密封；吊桶為圓筒形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鋁，輻照監(jiān)督管裝載于吊桶內(nèi)，吊桶內(nèi)設(shè)有橡膠防震套；鋼絲繩引管兩端分別與內(nèi)殼及上封頭焊接；鋼絲繩密封塞在上封頭通過(guò)螺紋擰緊密封；下封頭處設(shè)有兩個(gè)排水孔，排水孔用螺釘密封；旋轉(zhuǎn)閥門(mén)內(nèi)部澆鑄鉛，以保證容器軸向屏蔽，其手柄可隨時(shí)進(jìn)行拆裝，運(yùn)輸時(shí)為拆卸狀態(tài)。容器本體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 容器本體示意圖Fig.3 Scheme of main body of vessel

2.2 結(jié)構(gòu)分析

(1)滿(mǎn)足核電廠現(xiàn)場(chǎng)及檢驗(yàn)熱室現(xiàn)場(chǎng)的操作要求

某核電站輻照監(jiān)督管切割提取設(shè)備要求其向運(yùn)輸容器內(nèi)的裝載操作為豎直方向，且滿(mǎn)足提取設(shè)備最大外形尺寸要求。為便于容器的豎直吊運(yùn)并防止容器發(fā)生傾倒，本運(yùn)輸容器配有專(zhuān)用吊具及防倒支架，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。容器上部開(kāi)孔尺寸大于提取設(shè)備最大外形尺寸，且設(shè)有錐形段結(jié)構(gòu)，利于輻照監(jiān)督管的豎直裝載操作。

圖4 吊具及防倒支架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Spreader and anti-inversion bracket

另外，本運(yùn)輸容器充分滿(mǎn)足檢驗(yàn)熱室現(xiàn)場(chǎng)的操作要求，操作流程如下：首先拆除減震器，并將其豎直吊入熱室頂部房間；打開(kāi)熱室頂部的旋轉(zhuǎn)門(mén)并拆下容器下端塞，隨后轉(zhuǎn)動(dòng)容器旋轉(zhuǎn)閥門(mén)組件，將輻照監(jiān)督管與吊桶一起通過(guò)容器旋轉(zhuǎn)閥門(mén)及熱室頂部旋轉(zhuǎn)門(mén)，由鋼絲繩緩緩吊入熱室內(nèi)；在熱室內(nèi)再將輻照監(jiān)督管從吊桶中取出進(jìn)行試驗(yàn)。操作流程如圖5所示。該操作流程滿(mǎn)足檢驗(yàn)熱室現(xiàn)場(chǎng)的操作要求，且旋轉(zhuǎn)閥門(mén)的設(shè)計(jì)最大程度降低了輻照監(jiān)督管對(duì)周?chē)僮魅藛T的放射性危害。

(2)滿(mǎn)足強(qiáng)度及屏蔽性能要求

如圖6所示，容器設(shè)有內(nèi)、外加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)。其中，內(nèi)加強(qiáng)圈能夠充分提高容器整體強(qiáng)度，并對(duì)內(nèi)部鉛屏蔽層起固定作用。由于不銹鋼的屏蔽性能低于鉛，內(nèi)加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)為多孔的孔板結(jié)構(gòu)，以避免大幅度降低該位置的屏蔽性能。外加強(qiáng)圈為厚壁不銹鋼板，可以進(jìn)一步彌補(bǔ)加強(qiáng)圈處屏蔽性能的喪失，同時(shí)在容器的水平運(yùn)輸過(guò)程中，外加強(qiáng)圈對(duì)容器外壁起到很好的加強(qiáng)作用。

另外，如圖2所示，在運(yùn)輸過(guò)程中，容器兩端裝有減震器，減震器的翅片結(jié)構(gòu)能夠?qū)θ萜鞯鋾r(shí)進(jìn)行緩沖，充分避免包容邊界發(fā)生破壞。跌落工況下的力學(xué)分析將在下文中得到闡述。

圖5 輻照監(jiān)督管取出流程示意圖Fig.5 Taking-out process ofirradiation monitoring pipe

圖6 內(nèi)、外加強(qiáng)圈示意圖Fig.6 Internal and external reinforcing rings

(3)滿(mǎn)足輻照監(jiān)督管的可靠固定要求

輻照監(jiān)督管被裝載于運(yùn)輸容器吊桶內(nèi)部，吊桶為圓筒形結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鋁。為保證運(yùn)輸中監(jiān)督管不致?lián)p壞，吊桶內(nèi)設(shè)置橡膠防震套，其結(jié)構(gòu)尺寸與輻照監(jiān)督管配合(間隙約為1 mm)，以保證監(jiān)督管在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)有大的震動(dòng)和撞擊，容器上端塞下部設(shè)有橡膠墊，輻照監(jiān)督管通過(guò)該橡膠墊被壓緊于吊桶內(nèi)。

3 運(yùn)輸容器力學(xué)分析

根據(jù)規(guī)范要求[5]，本運(yùn)輸容器在研制過(guò)程中進(jìn)行了1.2 m自由下落試驗(yàn)的有限元分析，并進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)評(píng)價(jià)，鑒于容器主體材料均為金屬材料，故采用彈塑性模型[6]。為確定容器的跌落姿態(tài)，分別對(duì)容器的豎直跌落姿態(tài)、水平跌落姿態(tài)、15°跌落姿態(tài)及角跌落姿態(tài)進(jìn)行了有限元分析，各姿態(tài)跌落后的變形狀態(tài)如圖7所示。

分析結(jié)果顯示，各跌落姿態(tài)下容器本體均未發(fā)生明顯變形，而減震器均發(fā)生不同程度的變形，其中水平跌落姿態(tài)為容器包容邊界變形最大且受力最大的跌落姿態(tài)，且其評(píng)定結(jié)果能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求[7]。具體計(jì)算值和評(píng)定限值如表3所示。

圖7 跌落后的變形狀態(tài)Fig.7 Deformation state after falling

表3 計(jì)算值及評(píng)定限值

4 安全驗(yàn)證試驗(yàn)

源項(xiàng)及屏蔽計(jì)算結(jié)果顯示，本運(yùn)輸容器的貨包類(lèi)型為A型Ⅱ級(jí)(黃)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定及使用要求，需對(duì)容器進(jìn)行貫穿試驗(yàn)和自由下落試驗(yàn)。

貫穿試驗(yàn)采用一根直徑為3.2 cm、一端呈半球形、質(zhì)量為6 kg的棒自由下落至容器表面最薄弱部分的中心部位，下落高度為1 m。試驗(yàn)結(jié)果顯示，貫穿棒在容器本體外殼表面造成直徑9 mm的淺撞擊痕跡，對(duì)運(yùn)輸容器的正常使用無(wú)影響。

自由下落試驗(yàn)要求容器在1.2 m高度水平自由下落至試驗(yàn)用水平面靶。試驗(yàn)結(jié)果顯示，容器兩端減震器發(fā)生小幅度彎曲變形，容器本體未發(fā)現(xiàn)變形和損傷，內(nèi)部輻照監(jiān)督管可正常取出。

安全驗(yàn)證試驗(yàn)前后分別將放射源均勻布置在容器內(nèi)腔，檢測(cè)運(yùn)輸容器各方向表面輻射水平及距離容器表面1 m處的輻射水平。測(cè)量結(jié)果表明，試驗(yàn)前后輻射水平未有顯著差異，劑量率變化未超過(guò)20%，符合規(guī)范要求[5]。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)輸容器的貫穿試驗(yàn)及1.2 m自由下落試驗(yàn)未破壞運(yùn)輸容器的屏蔽性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)某核電廠提供的輻照監(jiān)督管運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合源項(xiàng)屏蔽計(jì)算及力學(xué)分析評(píng)定結(jié)果，同時(shí)考慮容器在某核電廠現(xiàn)場(chǎng)和檢驗(yàn)熱室現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，研制了既能保證運(yùn)輸安全又能滿(mǎn)足操作要求的輻照監(jiān)督管運(yùn)輸容器。

相關(guān)結(jié)構(gòu)分析及安全驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果表明，該運(yùn)輸容器能夠滿(mǎn)足運(yùn)輸安全要求并能可靠實(shí)現(xiàn)操作使用功能。

與其他結(jié)構(gòu)形式的運(yùn)輸容器相比，該運(yùn)輸容器可在熱室頂部直接將輻照監(jiān)督管卸至熱室內(nèi)進(jìn)行切割檢驗(yàn)，從而有效降低了對(duì)操作人員產(chǎn)生的放射性危害。

目前，該運(yùn)輸容器已完成某核電廠首根壓力容器輻照監(jiān)督管的裝載及安全運(yùn)輸，并已抵達(dá)檢驗(yàn)熱室完成了相關(guān)檢驗(yàn)工作。