一種新燃料組件運輸容器設計研究

段春輝，黃新東，谷明非，青濤

一種新燃料組件運輸容器設計研究

段春輝，黃新東，谷明非，青濤

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041）

新燃料組件運輸容器是新燃料組件制造和運輸過程中必須具備的重要設備，根據(jù)運輸容器設計準則，在對國內(nèi)核電站所采用運輸容器調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合新燃料組件的性能特點，確定了運輸容器的運輸姿態(tài)及裝載量，并從強度設計、減震設計、隔熱設計幾個主要方面開展了運輸容器結(jié)構(gòu)方案研究，確定了運輸容器的結(jié)構(gòu)方案。利用ANSYS軟件對運輸容器9 m自由跌落試驗及800℃火燒試驗進行了仿真分析，分析結(jié)果表明在經(jīng)受運輸事故工況時運輸容器的完整性可以得到有效保證。

新燃料組件；運輸容器；ANSYS

隨著核能在各個領(lǐng)域越來越廣泛的應用，放射性物質(zhì)的運輸需求量也日益增長。若發(fā)生泄漏，會造成大量人員傷亡、財產(chǎn)損失，留下幾十年無法消除的后患，因此放射性物質(zhì)運輸?shù)陌踩燥@得尤為重要[1]。新燃料組件運輸容器是新燃料組件制造和運輸過程中必須具備的重要設備，隨著我國軍用和民用核領(lǐng)域的快速發(fā)展，新燃料組件的運輸數(shù)量和品種不斷增加，對新燃料組件運輸容器的需求將不斷擴大。在新燃料組件運輸過程中，周圍的環(huán)境和條件在不斷變化，盡管有了詳細的運輸計劃，但實際發(fā)生的情況還是難以精確預見和控制，因此新燃料組件運輸容器設計中最重要的原則就是保證其固有安全性，保證在運輸過程中可能發(fā)生的各種事故條件下（包括翻車跌落、沉入江河、其他剛性貫穿件刺穿等惡劣條件），都不會導致貨包受損而造成放射性泄漏。

因此，為了安全可靠地將新燃料組件運輸?shù)焦ぷ鳜F(xiàn)場，在運輸過程中必須保證組件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。本研究旨在通過對運輸容器關(guān)鍵技術(shù)的研究，尤其是事故情況下的仿真分析，掌握新燃料組件運輸容器研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)，為新燃料組件運輸容器的研制奠定基礎(chǔ)。

1 運輸容器設計原則

（1）新燃料組件運輸容器（簡稱運輸容器）設計主要遵循GB 11806《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程》[2]的規(guī)定。

（2）運輸容器的設計應有足夠的剛度，防止在運輸和吊裝過程中產(chǎn)生不可接受的變形、損壞燃料組件，并在經(jīng)受9 m跌落試驗后保持運輸容器的完整性。

（3）在運輸正常條件下燃料組件軸向加速度限值為4、橫向加速度限值為6。

（4）運輸容器應確保在不小于800℃的火燒環(huán)境下保持30 min，燃料組件處溫度應不大于200℃，以保證組件不會受到高溫損傷。

2 運輸容器結(jié)構(gòu)方案研究

2.1 資料調(diào)研

國內(nèi)核電站目前多采用進口新燃料組件運輸容器，例如田灣核電站采用俄羅斯設計和制造的新燃料組件運輸容器，M310堆型采用法國設計的新燃料組件運輸容器。

M310堆型新燃料組件運輸容器由上、下殼體組成一個臥式圓柱形的密封箱體。每個運輸容器裝入兩個燃料組件，采取臥式運輸方式。箱體內(nèi)有一個減振框架，通過彈性橡膠墊塊與下殼體連接。減振框架上設有一個支承組件的支承框架，為了裝載燃料組件，支承框架可以通過底板上的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到垂直的位置。

2.2 運輸姿態(tài)及裝載數(shù)量確定

新型燃料組件中間無固定格架，且燃料組件重量較大，如采用臥式運輸方式，易使燃料組件產(chǎn)生彎曲變形，此外還需要增加豎起機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)復雜、可靠性降低、同時增加了現(xiàn)場工作量，并需要更多的輔助設備。

由于新型燃料組件高度較小，采用立式安放形式有助于改善燃料組件的受力狀態(tài)，提高燃料組件在運輸過程中的剛度。為了安全可靠地運輸新型燃料組件，防止臨界情況出現(xiàn)，采取單個獨立運輸方案，即一個運輸容器裝載一個燃料組件，通過運輸容器外輪廓尺寸限制燃料組件接近，以保證在極端條件下燃料組件的臨界安全。

2.3 運輸容器結(jié)構(gòu)設計方案研究

為滿足GB 11806規(guī)定的相關(guān)試驗要求，運輸容器的結(jié)構(gòu)設計應滿足強度設計、減振設計、密封設計和耐溫設計等四個方面的設計要求。

（1）強度設計

運輸容器應保證在正常運輸過程、9 m跌落試驗及800℃不小于30 min的火燒試驗中具有足夠的結(jié)構(gòu)強度，其結(jié)構(gòu)完整性不被破壞，以保證燃料組件不會因運輸容器結(jié)構(gòu)強度不足而受到損傷或造成放射性物質(zhì)的泄露。

為滿足以上設計要求，運輸容器采用雙層結(jié)構(gòu)，外層為圓柱形雙層筒體結(jié)構(gòu)（雙層筒體內(nèi)部填充隔熱材料），內(nèi)層為固定燃料組件的夾具體。為避免燃料組件因受沖擊而變形，夾具體具有較強剛性，同時夾具體四周設有減震裝置，雙層結(jié)構(gòu)的厚度等參數(shù)經(jīng)理論計算獲得。

（2）減振設計

運輸容器應具有專門設計的彈性減振系統(tǒng)，如圖1所示，其能盡量減小運輸過程中燃料組件的加速度響應，以減小燃料組件承受的沖擊載荷，保證燃料組件運輸?shù)陌踩浴Ｔ谠O計隔振系統(tǒng)時需要從隔振器的載荷、撓度、固有頻率、支撐方式等多角度考慮[3]。

圖1 減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)GB 11806相關(guān)規(guī)定，運輸容器應能經(jīng)受800℃的耐熱試驗，因此其內(nèi)部的減振系統(tǒng)應采用耐高溫（≥800℃）的金屬型彈性減振元件（例如鋼絲繩減振器、金屬絲網(wǎng)減振器等），以避免橡膠類減震器因高溫熱解產(chǎn)生大量氣體而造成容器爆炸等事故。

鋼絲繩隔振器是以不同結(jié)構(gòu)的多股鋼絲絞合線按特定的捻向和螺距加工而成的不銹鋼鋼絲繩作為彈性體，使隔振器在各個方向上形成非線性（軟化型或軟化－硬化型）彎曲剛度和最大變形空間，具有高抗腐蝕能力和持久的使用壽命，具有非線性軟特性、大阻尼和多向隔振性、耐高低溫等優(yōu)點[3]。它可在空間任意方向動載荷作用下產(chǎn)生彈性動變形，大量吸收和消耗系統(tǒng)的振動能量，有效實現(xiàn)系統(tǒng)過載保護。環(huán)境適應能力強，耐高低溫、耐鹽霧、霉菌、潮濕、臭氧、油脂、日照、核輻射、塵埃和各種有機溶劑的腐蝕。選擇隔振器時要考慮剛度及其承受的載荷，設備的最大重量一般不應超過隔振器所能承受的總載荷的80%。鋼絲繩隔振器具有較好的抗沖性能，同時鋼絲繩隔振器支撐系統(tǒng)固有頻率可以做到足夠低[5-6]。

（3）隔熱設計

為保證運輸容器在不小于800℃火燒環(huán)境下經(jīng)受30 min的考驗，且燃料組件處溫度不大于200℃，運輸容器設有隔熱層。隔熱材料采用具有較好隔熱性能的耐高溫材料硅酸鋁纖維（可耐溫1000℃），同時運用了整體縱深隔熱技術(shù)，通過設置硅酸鋁纖維隔熱層、空氣隔熱層、木質(zhì)隔熱[7-8]，實現(xiàn)容器整體隔熱。

硅酸鋁纖維具有重量輕、熱穩(wěn)定性好、熱傳導率低、熱容小等優(yōu)點，體積密度為190 kg/m3，不同平均溫度下高溫硅酸鋁纖維最大導熱系數(shù)可參見GB/T 16400[9]，800℃時導熱系數(shù)為0.239 W/m·K（采用插值法確定）。木材具多孔性，是熱的不良導體，可作優(yōu)良的隔熱和保溫材料[7]，而云杉作為比強度（強度與密度之比）較高的木材，其纖維長、紋理直、質(zhì)地軟，具有良好的韌性恢復彈性，且干燥后尺寸穩(wěn)定，沖擊條件下不僅可通過纖維胞壁結(jié)構(gòu)的屈曲破裂吸能，還能在高溫下產(chǎn)生碳化避免內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度升高[8]，既是優(yōu)良的隔熱材料，也是良好的減震材料，其設置在燃料組件接觸部位還可防止壓傷組件。

2.4 結(jié)構(gòu)描述

根據(jù)對運輸容器結(jié)構(gòu)方案的研究，確定了運輸容器的初步結(jié)構(gòu)，其為一個立式圓柱形的金屬貯艙，采用立式安裝方式固定在運輸容器內(nèi)部，一個運輸容器裝載一個燃料組件，運輸容器由固緊組件和筒體組件兩部分組成，如圖2所示。

固緊組件用以夾持、固定燃料組件，提高燃料組件在運輸過程中抗變形能力，燃料組件與固緊組件之間設有云杉軟木墊板。同時在其上部、下部及側(cè)向均布置有鋼絲繩減振器，保證運輸過程中對燃料組件各方向上的減震。筒體組件用于抵抗外力沖擊、破壞，防止異物侵入，保護內(nèi)部固緊組件和燃料組件。

3 運輸容器跌落及耐熱仿真分析

根據(jù)GB 11806的相關(guān)要求，運輸容器需要進行9 m自由跌落試驗并經(jīng)受800℃至少半小時的火燒試驗，該兩項試驗均為破壞性試驗，目的是驗證運輸容器經(jīng)受運輸事故情況下保持結(jié)構(gòu)完整性的能力。為確保運輸容器最終能夠經(jīng)受這些試驗，在設計過程中對運輸容器進行了建模和有限元仿真分析。

圖2 運輸容器結(jié)構(gòu)圖

3.1 9 m自由跌落仿真分析

根據(jù)跌落試驗規(guī)范，當運輸容器跌落點與重心在一條鉛垂線時，對運輸容器的破壞最大，此時運輸容器的跌落姿態(tài)傾斜20°。運輸容器最低點從9 m高度自由下落到平坦的水平靶上，靶的材料為Q235，厚度為60 mm。

運輸容器跌落仿真分析包括材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性。LS-DYNA是通用非線性動力分析有限元程序，適合求解非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞等非線性動力沖擊問題[10-11]。動態(tài)跌落仿真分析是一種瞬態(tài)動力學分析，是用于確定承受任意隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)動力學響應的一種方法[12]?？梢杂盟矐B(tài)動力學分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷及其隨意組合載荷作用下的隨時間變化的位移、應變、應力。載荷與時間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼變得比較重要。瞬態(tài)動力學分析求解的基本運動方程[13]為：

[]{}＋[]{}＋[]{}＝{()} （1）

式中：[]為質(zhì)量矩陣；[]為阻尼矩陣；[]為剛度矩陣；{}為節(jié)點加速度向量；{}為節(jié)點速度向量；{}為節(jié)點位移向量。

在任意給定的時間，這些方程可看作一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學平衡方程。

本分析通過ANSYS/LS-DYNA建立了9 m自由跌落的分析模型，分析模型，如圖3所示，詳細模擬了新燃料組件運輸容器筒體組件的外筒、底板、法蘭蓋及固緊組件，對于筒體組件內(nèi)筒、燃料組件模擬體及其他部件，考慮其質(zhì)量且質(zhì)量均布在筒體組件外筒或固緊組件模型上。緊固組件上的減震器結(jié)構(gòu)比較復雜，分析模型作了一定的簡化處理，采用實體結(jié)構(gòu)進行模擬，實體結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)通過減震器的剛度特性及模型的尺寸計算。計算方法如下：

式中：為彈性模型，Pa；為剪切模量，Pa；為泊松比；K為拉壓剛度，N/m；K為剪切剛度，N/m；為減震器高度，m；為減震器截面積，m2。

分析模型采用SOLID164全積分單元，由于結(jié)構(gòu)局部可能發(fā)生塑性變形，分析模型中采用的是理想彈塑性材料模型，即材料在進入塑性后，應力不再變化，同時還采用了隨動應力強化材料模型，即在材料進入塑性后，材料的彈性模型取極限拉伸應力和屈服應力之差與延伸率0.2%的比值。新燃料組件運輸容器承受重力加速度（9.81 m/s2），為節(jié)省計算時間，新燃料組件運輸容器施加初始速度（13.3 m/s），即從新燃料組件運輸容器觸地前一瞬間開始計算。分析過程主要關(guān)注運輸容器在跌落過程中的最大應力和應變。

圖4給出了新燃料組件運輸容器的塑性應變分布。從圖中可看出：運輸容器筒體組件底板、下法蘭及外筒局部發(fā)生了較大的塑性變形，其余位置均處在彈性范圍內(nèi)，沒有發(fā)生塑性變形。最大的塑性應變?yōu)?.201，小于材料的延伸率0.4。因此，新燃料組件運輸容器在跌落過程中，局部會出現(xiàn)較大的塑性變形，但最大塑性應變沒有超過材料的延伸率，說明破壞性試驗后運輸容器的完整性沒有被破壞。

圖3 運輸容器計算模型圖

圖4 筒體組件的應變分布

3.2 800℃火燒試驗仿真分析

運輸容器設計為筒形結(jié)構(gòu)，外部為筒體組件，內(nèi)部安裝燃料組件及固緊組件。筒體組件有外壁、隔熱層、內(nèi)壁三層結(jié)構(gòu)，外壁由上下法蘭、法蘭蓋和圍筒組成，隔熱層由上下隔熱板、隔熱環(huán)和隔熱層組成，內(nèi)壁由內(nèi)圍筒底板和內(nèi)圍筒組成。

隔熱材料選用硅酸鋁纖維，其熱導率如表1所示，其余材料均選用不銹鋼。

考慮到運輸容器的對稱性，采用二維軸對稱單元來進行運輸容器的耐熱性能分析。在分析內(nèi)圍筒內(nèi)表面的溫度時，計算模型如圖5所示。在內(nèi)圍筒內(nèi)表面，進行絕熱處理，這樣具有一定的保守性。

表1 硅酸鋁纖維的熱導率

圖5 火燒試驗仿真計算模型

本分析計算了運輸容器從恒溫38℃環(huán)境中置入800℃火燒條件中炙烤30 min后又放置在環(huán)境溫度為38℃的環(huán)境中進行自然冷卻的整個過程，并給出燃料組件側(cè)面上、中、下三點（分別記為T1、T2、T3）的溫度變化曲線，如圖6所示。計算結(jié)果表明：在整個加熱與冷卻過程中，燃料組件外表面T1、T2、T3三點的最高溫度分別為105.0℃、77.7℃、113.7℃，滿足設計要求，并有一定裕量，說明運輸容器具有良好的隔熱效果。

圖6 燃料組件外表面溫度變化情況

4 結(jié)論

（1）運輸容器設有全向鋼絲繩減振裝置，可有效減弱燃料組件運輸過程中各種沖擊，并且由于是全金屬減振裝置，在遭遇火燒事件時不會因產(chǎn)生裂變氣體而造成容器爆炸。

（2）9 m跌落仿真分析結(jié)果表明，運輸容器經(jīng)受9 m跌落試驗后局部會出現(xiàn)較大的塑性變形，但最大塑性應變沒有超過材料的延伸率，運輸容器可保持其結(jié)構(gòu)完整性。

（3）運輸容器四周設有耐高溫且隔熱性能良好的硅酸鋁纖維隔熱層及杉木隔熱層，耐熱仿真分析結(jié)果表明，在30 min、800℃的火燒試驗中，燃料組件處溫度不大于200℃，且有一定裕量，滿足新燃料組件運輸容器設計要求。

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Design and Research on one New Fuel Assembly Transport Cask

DUAN Chunhui，HUANG Xindong，GU Mingfei，QING Tao

( Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu610041,China )

New fuel transport cask is an essential and important device during fuel assembly manufacture and transportation. Based on design criterion for nuclear fuel transport cask and applied nuclear fuel transport cask in domestic nuclear power station, the posture and loading capacity of the cask is determined, as well as combined with the performance characteristics of the new fuel, the structure scheme of the cask is established by way of research in strength design, damping design, and insulation design. The simulation analysis for 9-meter free drop test and 800℃ burning test are carried out with ansys software, the analysis result shows that the integrity of the cask can be effectively hold after bearing accident conditions during fuel transportation.

new fuel assembly；transport cask；ANSYS

TL93+2.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.05.009

1006－0316 (2020) 05－0054－06

2019－11－20

段春輝（1983－），男，河南駐馬店人，碩士，工程師，主要從事反應堆結(jié)構(gòu)及反應堆換料工藝技術(shù)研究工作，E-mail：icyheart@163.com；黃新東（1971－），男，四川成都人，研究員級高級工程師，主要從事反應堆換料工藝技術(shù)研究工作；谷明非（1969－），男，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事反應堆燃料組件技術(shù)研究工作；青濤（1983－），男，河南駐馬店人，碩士，工程師，主要從事反應堆燃料組件技術(shù)研究工作。