后處理廠乏燃料儲(chǔ)運(yùn)吊籃設(shè)計(jì)與分析

梅華平 楊國威 段成君 劉書勇

（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所 合肥230031）

早在20世紀(jì)80年代，我國就確定了走核燃料閉式循環(huán)的路線，為適應(yīng)核電的快速發(fā)展，現(xiàn)階段乏燃料后處理廠正在緊密籌建之中。由于乏燃料具有高釋熱、強(qiáng)放射性和易臨界等屬性，乏燃料儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)需要使用專用的貯存格架或儲(chǔ)運(yùn)吊籃。目前國內(nèi)中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司與中國廣核集團(tuán)有限公司均已自主掌握了乏燃料貯存格架研制技術(shù)［1?2］，但對(duì)于后處理廠乏燃料水池用儲(chǔ)運(yùn)吊籃，僅有中國廣核集團(tuán)有限公司莫懷森等［3］公開了一項(xiàng)可一次裝載8盒乏燃料組件的貯運(yùn)兩用吊籃實(shí)用新型專利，未見其他公開文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

法國阿海琺公司阿格核燃料后處理廠有豐富的乏燃料儲(chǔ)運(yùn)吊籃使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并研制了可一次性裝載9盒和16盒乏燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)吊籃［4］，但未公開詳細(xì)方案。韓國弘益大學(xué)Kwon等［5］設(shè)計(jì)了可裝載4盒方形壓水堆乏燃料組件的圓筒型吊籃，并分析了乏燃料組件采取不同角度陣列下的吊籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)果表明圍繞吊籃中心軸旋轉(zhuǎn)30°～35°的吊籃具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

本文針對(duì)國內(nèi)壓水堆商業(yè)核電站典型乏燃料組件參數(shù)和后處理廠乏燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)需求，設(shè)計(jì)了可一次性裝載8盒乏燃料組件的儲(chǔ)運(yùn)吊籃，并對(duì)儲(chǔ)運(yùn)吊籃進(jìn)行了臨界安全和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，研究結(jié)果對(duì)后處理廠乏燃料儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)有一定參考價(jià)值。

1 吊籃的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于后處理廠乏燃料貯存水池儲(chǔ)運(yùn)乏燃料組件，使用吊籃與貯存格架相比，吊籃具有一定優(yōu)勢，包括：

1)轉(zhuǎn)運(yùn)能力高

乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，如使用貯存格架儲(chǔ)存，乏燃料抓取機(jī)需將乏燃料組件從貯存格架中緩慢完全抽出后，轉(zhuǎn)移至后處理首端工藝廠房，每次僅能轉(zhuǎn)運(yùn)1盒乏燃料組件，導(dǎo)致操作頻次高，增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；如使用吊籃，則無需將乏燃料組件抽出，乏燃料抓取機(jī)可每次轉(zhuǎn)運(yùn)1個(gè)吊籃（一般不少于4盒乏燃料組件），從而極大提高乏燃料組件的水下轉(zhuǎn)運(yùn)能力，更好適應(yīng)商業(yè)后處理廠首端工藝的生產(chǎn)能力需求。

2)安全性好

乏燃料貯存水池如采用貯存格架，乏燃料組件轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)距貯存水池池底約5～6 m。而吊籃在水下轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)距水池池底可小于1 m，遠(yuǎn)低于使用貯存格架情況。如發(fā)生抓取脫落事故，吊籃水下轉(zhuǎn)運(yùn)過程產(chǎn)生的沖擊力比貯存格架轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)小，相應(yīng)地對(duì)乏燃料組件和貯存水池底部的不銹鋼覆面損壞更小。

3)經(jīng)濟(jì)性好

采用吊籃可以減小水池深度（減少一個(gè)組件運(yùn)輸層的高度），從而降低乏燃料貯存水池的池水量和建造成本。還可根據(jù)乏燃料組件的接收合同，按計(jì)劃分期分批加工，從而減少一次性投資［6］。

2 吊籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 燃料組件參數(shù)

本文研究的乏燃料儲(chǔ)運(yùn)吊籃，設(shè)計(jì)裝載對(duì)象為AFA 2G乏燃料組件，組件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)[7?10]見表1。

表1 AFA 2G燃料組件主要參數(shù)Table 1 Parameters of AFA 2G fuel assembly

2.2 吊籃能力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照后處理廠每年處理800 t乏燃料計(jì)算，平均每個(gè)工作日須轉(zhuǎn)運(yùn)約3.2 t乏燃料至后處理首端工藝廠房?？紤]乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)過程操作步驟繁瑣，放射性操作人員職業(yè)健康對(duì)年工作時(shí)間的限制等因素，儲(chǔ)運(yùn)吊籃的裝載能力按照一次裝載8盒乏燃料組件設(shè)計(jì)。

乏燃料儲(chǔ)運(yùn)吊籃由組件盒、中子吸收板、外圍桶、連接板、底板、吊裝部件等組成，吊籃俯視結(jié)構(gòu)示意見圖1。吊籃長0.92 m、寬0.83 m、高4.09 m，主體結(jié)構(gòu)由8個(gè)相同的組件盒與居中的吊裝部件按照九宮格排列，并利用外圍桶、連接板、底板將組件盒和吊裝部件固定連接。組件盒為方形套筒結(jié)構(gòu)，高4.06 m、外對(duì)邊距0.229 m、壁厚2.5 mm，每個(gè)組件盒外壁安裝兩塊中子吸收板。中子吸收板長3.66 m、寬0.19 m、厚度為2.7 mm，中子吸收板材料為鋁基碳化硼（天然硼），其中碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，中子吸收板安裝的高度位置與燃料組件活性區(qū)對(duì)應(yīng)。外圍桶和組件盒下端設(shè)有流道孔，為乏燃料水池池水冷卻乏燃料組件提供流道。底板為20 mm厚度的不銹鋼板并設(shè)計(jì)有6個(gè)U型槽，用于吊籃的水平方向固定。

圖1 吊籃結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basket

3 臨界安全分析

3.1 單盒吊籃滿載下臨界安全分析

采用核能安全技術(shù)研究所自主研發(fā)的中子輸運(yùn)蒙特卡羅計(jì)算軟件SuperMC，對(duì)單盒吊籃滿載乏燃料組件的情況進(jìn)行了臨界安全計(jì)算，計(jì)算的物理模型見圖2。吊籃內(nèi)裝載8盒表1所述的燃料組件并完全浸入純水，燃料組件中235U富集度按照新燃料計(jì)算未考慮燃耗影響，燃料組件導(dǎo)向筒內(nèi)無控制棒中子吸收體。計(jì)算模型建模時(shí)燃料最小單元為燃料棒，純水充滿燃料棒包殼之間的間隙。臨界計(jì)算結(jié)果表明：單盒吊籃滿載情況下keff為0.803，滿足乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)的臨界安全要求。

3.2 吊籃貯存方式下水池滿載狀態(tài)的臨界安全分析

針對(duì)乏燃料貯存水池內(nèi)采用吊籃儲(chǔ)存乏燃料的情況，對(duì)無限大貯存水池、吊籃密集裝載且吊籃滿載乏燃料組件的情況，進(jìn)行臨界安全計(jì)算。計(jì)算軟件和柵元模型同§3.1，但設(shè)置柵元模型的6個(gè)最外邊界均為全反射條件，相當(dāng)于吊籃柵元在無限大空間內(nèi)最密集排布。計(jì)算結(jié)果表明：無限大貯存水池滿載吊籃且吊籃滿載乏燃料組件時(shí)貯存水池內(nèi)keff為0.906，滿足乏燃料儲(chǔ)存的臨界安全要求。

圖2 吊籃物理計(jì)算柵元模型Fig.2 Physical calculation cell model of the basket

4 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

4.1 計(jì)算模型

乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)吊籃具有高徑比大的特點(diǎn)，使吊籃的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震問題突出，因此本文利用ANSYS有限元軟件對(duì)吊籃的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算分析模型見圖3。設(shè)計(jì)的乏燃料貯存水池底部鋼敷面固定連接具有導(dǎo)向功能的螺桿，吊籃通過底板上的6個(gè)U型槽與螺桿連接，實(shí)現(xiàn)吊籃水平方向固定，吊籃垂直方向不固定。因裝載的燃料組件與吊籃無剛性連接，燃料組件對(duì)吊籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響通過附加質(zhì)量體現(xiàn)。吊籃主體結(jié)構(gòu)材料為SS304不銹鋼，力學(xué)分析計(jì)算時(shí)采用室溫下的材料物性參數(shù)。計(jì)算模型劃分網(wǎng)格時(shí)，主體網(wǎng)格為Map面映射網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量65 576個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量385 451個(gè)。

圖3 吊籃力學(xué)分析模型(a)機(jī)械模型，(b)網(wǎng)格模型Fig.3 Mechanical analysis model of the basket(a)Mechanical model,(b)Mesh model

4.2 模態(tài)分析

對(duì)吊籃進(jìn)行了模態(tài)分析，計(jì)算了前6階的固有頻率和X、Y、Z方向的分布質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可以看出，吊籃基態(tài)頻率為27.95 Hz，基態(tài)頻率較高表明吊籃具有較好的抗震性能；在X、Y、Z三個(gè)方向上，吊籃前6階模態(tài)的有效質(zhì)量比之和均大于90%，因此后續(xù)地震反應(yīng)譜分析時(shí)選擇前6階振型參與計(jì)算。

表2 前6階模態(tài)參數(shù)Table 2 Parameters of the preceding 6 modes

圖4給出了吊籃的前6階模態(tài)振型。從圖4可以看出，1階、2階模態(tài)為吊籃沿Z方向振動(dòng)，3～6階模態(tài)振動(dòng)集中于吊籃內(nèi)部不同組件盒位置。分析認(rèn)為由于吊籃組件盒壁較薄，且吊籃裝載的燃料組件質(zhì)量附加于組件盒，屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)，易激發(fā)振動(dòng)。

圖4 吊籃前6階模態(tài)振型(a)1階，(b)2階，(c)3階，(d)4階，(e)5階，(f)6階Fig.4 The first six vibration modes of the basket vibration(a)Mode 1,(b)Mode 2,(c)Mode 3,(d)Mode 4,(e)Mode 5,(f)Mode 6

4.3 抗震計(jì)算

吊籃主體為SS304不銹鋼焊接件，并采用底板上的6個(gè)U型槽水平固定，參考GB 50267《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］要求，極限安全地震工況下，吊籃的阻尼比按照7%取值。乏燃料貯存水池場址按照基巖場地，計(jì)算用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)見表3。在0.3 g的設(shè)計(jì)地震震動(dòng)加速度下，吊籃ANSYS反應(yīng)譜分析結(jié)果見圖5。

表3 標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)Table 3 Data of standard response spectrum

從圖5可以看出，在0.3 g設(shè)計(jì)地震動(dòng)的作用下，吊籃最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為7.92 MPa，最大應(yīng)力位于底板U型槽處，應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于SS304不銹鋼材料許用應(yīng)力；吊籃形變量小，集中在組件盒頂部位置，與模態(tài)分析結(jié)果相吻合；吊籃最大形變量為0.32 mm，設(shè)計(jì)吊籃組件盒裝載燃料組件后的單邊間隙為5 mm，因此該形變量不影響燃料組件在吊籃內(nèi)的裝載和抽出。

圖5 抗震計(jì)算結(jié)果(a)應(yīng)力分布，(b)應(yīng)變分布Fig.5 Results of seismic calculation(a)The stress distribution,(b)The strain distribution

5 結(jié)語

對(duì)于后處理廠乏燃料貯存水池，使用吊籃儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)乏燃料，具有轉(zhuǎn)運(yùn)能力高、安全性和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。本文針對(duì)壓水堆商業(yè)核電站AFA 2G燃料組件，設(shè)計(jì)了可用于后處理廠乏燃料貯存水池內(nèi)使用的儲(chǔ)運(yùn)吊籃，并對(duì)裝載乏燃料后的儲(chǔ)運(yùn)吊籃進(jìn)行了臨界安全和結(jié)構(gòu)抗震分析，結(jié)果表明：

1）設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)運(yùn)吊籃在滿載燃料組件情況下keff為0.803；在無限大貯存水池滿載吊籃且吊籃滿載燃料組件的情況下，貯存水池keff為0.906；吊籃設(shè)計(jì)滿足乏燃料儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)的臨界安全要求。

2）吊籃具有較好的抗振性能，在設(shè)計(jì)地震震動(dòng)加速度為0.3 g時(shí)，吊籃最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為7.92 MPa，低于結(jié)構(gòu)材料許用強(qiáng)度；最大形變量為0.32 mm，不影響吊籃安全和儲(chǔ)運(yùn)功能。