MJTR 堆水池貯存裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213）

岷江堆（Minjiang test reactor,MJTR）經(jīng)過(guò)低濃化改造后[1]，在2019 年重新獲得了運(yùn)行許可，多種多樣的輻照生產(chǎn)任務(wù)隨之而來(lái)。目前在MJTR 上共有8 根單晶硅孔道，在對(duì)較大輻照裝置進(jìn)行輻照時(shí)需先對(duì)單晶硅孔道進(jìn)行拆除，然后輻照裝置入堆至指定輻照位置，最后單晶硅孔道回堆。鋁材、不銹鋼材料經(jīng)輻照后劑量較高，只能在水池內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)貯存或長(zhǎng)期貯存。MJTR 干燥井已被廢棄的單晶硅孔道占用，不再具備貯存其他裝置的條件，為了滿(mǎn)足輻照生產(chǎn)任務(wù)的需求，需在MJTR 堆水池上方安裝貯存裝置。

為了使貯存裝置滿(mǎn)足使用要求，依據(jù)MJTR 堆水池的特點(diǎn)、單晶硅改造后堆內(nèi)布置[2]和以往輻照裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)[3—4]，對(duì)貯存裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，依據(jù)相關(guān)規(guī)定[5]對(duì)貯存裝置進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析[6—10]。根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果可以看出，初步設(shè)計(jì)的貯存裝置結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)不合理，因此為了便于安裝和減輕質(zhì)量，對(duì)貯存裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[11—12]。

1 貯存裝置設(shè)計(jì)

1.1 貯存裝置安裝位置

MJTR 為泳池反應(yīng)堆，泳池內(nèi)分布有反應(yīng)堆、乏燃料貯存格架及相應(yīng)的回路管道。在遠(yuǎn)離堆芯一側(cè)為乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)，經(jīng)過(guò)對(duì)比乏燃料貯存區(qū)域的測(cè)量尺寸和乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)罐尺寸，在此區(qū)域安裝一寬度小于600 mm 的貯存格架，如圖1 所示。

圖1 貯存格架安裝位置Fig.1 Installation position of storage grid

1.2 貯存裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輻照裝置入堆輻照時(shí)需占用單晶硅孔道位置，需增加貯存裝置用來(lái)對(duì)單晶硅孔道的暫存和輻照裝置的長(zhǎng)期貯存，為了滿(mǎn)足未來(lái)輻照生產(chǎn)任務(wù)需求，貯存裝置在現(xiàn)有尺寸約束下布置合理的貯存位置。MJTR堆頂共有2 塊對(duì)稱(chēng)蓋板，每個(gè)蓋板上有3 種單晶硅孔道，分別為1 根256 mm 孔道、1 根228 mm 孔道、2根125 mm 孔道。輻照裝置入堆時(shí)需把單個(gè)蓋板上的單晶硅孔道全部取出，因此貯存裝置設(shè)計(jì)有 1 個(gè)256 mm 孔道暫存位置、1 個(gè)228 mm 孔道暫存位置、2 個(gè)125 mm 孔道暫存位置和3 個(gè)輻照裝置暫存位置，如圖2 所示。

單晶硅孔道或輻照裝置經(jīng)輻照后帶有較高的劑量，通過(guò)遠(yuǎn)程吊車(chē)不易控制，因此貯存時(shí)孔道出堆后應(yīng)立即入水。貯存裝置上的卡箍可圍繞卡箍旋轉(zhuǎn)柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，打開(kāi)大于輻照孔道直徑的開(kāi)口，孔道進(jìn)入貯存位置后關(guān)閉卡箍并鎖緊，通過(guò)固定螺栓固定在貯存裝置上，如圖3 所示。

圖2 貯存裝置貯存位置分布Fig.2 Storage location distribution of storage device

貯存裝置結(jié)構(gòu)包括支撐板、調(diào)整螺栓、橫梁、卡箍等結(jié)構(gòu)組成，橫梁由上板、下板、前支撐板、后支撐板和肋板組成，如圖4 所示。貯存裝置橫跨MJTR堆水池，通過(guò)調(diào)整螺栓支撐在水池池壁上，支撐板坐在堆水池池邊臺(tái)階上，支撐板一側(cè)緊貼堆水池池壁，另一側(cè)與堆水池蓋板相接，如圖5 所示。

圖3 單晶硅孔道固定Fig.3 Fixing of monocrystalline silicon channel

圖4 貯存裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of storage device

圖5 貯存裝置安裝方式Fig.5 Installation mode of storage device

2 有限元分析

為了確保貯存裝置的安全可靠，在 Workbench中對(duì)貯存裝置進(jìn)行了靜力學(xué)分析。

2.1 材料

貯存裝置主要采用06Cr19Ni10（304）不銹鋼，在對(duì)材料加工前需取樣進(jìn)行理化分析，通過(guò)晶間腐蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證了其對(duì)晶間腐蝕不敏感，對(duì)貯存裝置使用的材料取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和拉伸試驗(yàn)，材料成分滿(mǎn)足GB/T 24511—2017，如表1 所示；力學(xué)性能滿(mǎn)足GB/T 4238—2015，其性能需滿(mǎn)足：抗拉強(qiáng)度σb≥515 MPa，屈服強(qiáng)度σp≥205 MPa，伸長(zhǎng)率δ≥10%。在Workbench 中對(duì)貯存裝置所有零部件的材料屬性進(jìn)行了定義。

表1 不銹鋼06Cr19Ni10的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of stainless steel 06Cr19Ni10

2.2 受力與約束條件分析

貯存裝置承受的載荷主要包括自重（277 kg）、1個(gè)256 mm 孔道（240 kg）、1 個(gè)228 mm 孔道（180 kg）、2 個(gè)125 mm 孔道（160 kg）、3 個(gè)輻照裝置（900 kg）和操作人員（320 kg）。

在Workbench 中對(duì)貯存裝置施加載荷和約束，如圖6 所示。調(diào)整螺栓約束裝置x軸方向位移、支撐板側(cè)面約束裝置y軸方向位移、兩個(gè)支撐板約束裝置z軸移動(dòng)，支撐板與調(diào)整螺栓共同約束其3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。在貯存裝置的貯存位置施加孔道和輻照裝置的重力，在貯存裝置橫梁上部施加操作人員的重力，通過(guò)施加地球重力來(lái)考慮裝置自重。

圖6 貯存裝置受力與約束Fig.6 Force and restriction of storage device

2.3 網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，網(wǎng)格劃分的主要目的是將求解域分成有限個(gè)離散的單元，以便求解時(shí)在單元節(jié)點(diǎn)建立方程。眾所周知，網(wǎng)格劃分得越細(xì)越接近實(shí)物模型，但是網(wǎng)格劃分得越細(xì)求解時(shí)間越長(zhǎng)，并且求解誤差越大。

貯存裝置限元模型采用六面體主導(dǎo)的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小采用全局單元尺寸控制，控制尺寸為5 mm。動(dòng)臂有限元模型包含494 199 個(gè)單元和1 744 483 個(gè)節(jié)點(diǎn)，貯存裝置局部有限元模型如圖7 所示。

圖7 貯存裝置局部有限元模型Fig.7 Local finite element model of storage device

2.4 分析結(jié)果

用Workbench 進(jìn)行求解，Workbench 中對(duì)求解結(jié)果提供了多種多樣的評(píng)判工具，其中等效應(yīng)力和總應(yīng)變適用于貯存裝置應(yīng)力和變形的評(píng)判。

為了避免由于網(wǎng)格劃分不合理引起的應(yīng)力奇異，需要對(duì)網(wǎng)格不斷細(xì)化，隨著網(wǎng)格的不斷加密，應(yīng)力值變化范圍在5%以下時(shí)表示應(yīng)力收斂，即應(yīng)力大小變化與網(wǎng)格劃分無(wú)關(guān)，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如圖8 所示。

圖8 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)Fig.8 Grid independence test

圖9 分析結(jié)果Fig.9 Analysis results

最終分析結(jié)果如圖9 所示，貯存裝置的最大等效應(yīng)力為147 MPa、最大變形為0.78 mm，貯存裝置的最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，變形量較小，符合強(qiáng)度要求。

3 優(yōu)化分析

從上述分析可以看出貯存裝置的安全裕度較大，有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間，優(yōu)化設(shè)計(jì)是為了在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和其他約束條件下使貯存裝置的質(zhì)量減少，降低貯存裝置的安裝難度，并且尺寸減小更有利于MJTR 乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。貯存裝置的優(yōu)化變量有支撐板厚度D1和長(zhǎng)度L1、上板壁厚D2和寬度L2、下板厚度D3和寬度L3、中部支撐板厚度D4和高度H1。約束條件包括貯存裝置最大等效應(yīng)力強(qiáng)度小于材料許用強(qiáng)度，貯存裝置總變形小于3 mm。貯存裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型可以表述如下：

利用Isight[13—15]集成SolidWorks 和Workbench，SolidWorks 使用通用集成模塊Simcode，Workbench使用專(zhuān)用集成模塊，如圖10 所示。Isight 優(yōu)化算法向SolidWorks 集成模塊傳遞一組設(shè)計(jì)值，SolidWorks 集成模塊對(duì)模型進(jìn)行修改產(chǎn)生新模型，Workbench 使用專(zhuān)用集成模塊讀取新模型并對(duì)其進(jìn)行分析，分析結(jié)果傳遞至Isight 中，依次進(jìn)行循環(huán)完成優(yōu)化過(guò)程。

圖10 Isight 集成SolidWorks 和WorkbenchFig.10 Isight integrated SolidWorks and Workbench

經(jīng)過(guò)30 次循環(huán)得到優(yōu)化結(jié)果，如表3 所示。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，在滿(mǎn)足約束條件的情況下，貯存裝置的質(zhì)量從277 kg 下降到183 kg，優(yōu)化率為33.9%。優(yōu)化后最大等效應(yīng)力和最大變形云圖如圖10 所示。相比優(yōu)化前最大等效應(yīng)力從143 MPa 增大至216 MPa和最大變形從0.78 mm 增大至2.56 mm，優(yōu)化后的結(jié)果仍滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。

表2 優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Optimization results mm

圖11 優(yōu)化后分析結(jié)果Fig.11 Analysis results after optimization

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)約束條件的確認(rèn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及其他接口的約束條件，為裝置的設(shè)計(jì)提供了支撐。

2）在裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了力學(xué)有限元分析，初步對(duì)裝置的強(qiáng)度進(jìn)行了校驗(yàn)。

3）通過(guò)對(duì)貯存裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)裝置進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和其他約束條件下減少了貯存裝置的質(zhì)量，降低了安裝難度并且裝置尺寸減小更有利于MJTR 的其他作業(yè)。