乏燃料貯存運輸容器熱傳導(dǎo)試驗裝置設(shè)計研究

張白茹 盧可可

（中國核電工程有限公司核設(shè)備所，北京100840）

0 引言

乏燃料貯存運輸容器（以下簡稱“容器”）是壓水堆乏燃料組件離堆干式貯存的關(guān)鍵設(shè)備，兼帶運輸功能。

在正常運輸/貯存條件下，容器熱傳導(dǎo)功能是否滿足設(shè)計要求，各結(jié)構(gòu)材料的工作溫度能否在其許用限值內(nèi)，是評估容器能否穩(wěn)定執(zhí)行熱工設(shè)計功能的關(guān)鍵因素。為證明容器能夠穩(wěn)定執(zhí)行熱工性能，需采用一種熱傳導(dǎo)試驗裝置對容器進(jìn)行熱傳導(dǎo)試驗。本文設(shè)計了一種熱傳導(dǎo)試驗裝置，并對其所應(yīng)實現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及熱傳導(dǎo)試驗設(shè)計，并給出了驗收準(zhǔn)則。

1 熱傳導(dǎo)試驗裝置設(shè)計

1.1 熱傳導(dǎo)試驗裝置功能分析

熱傳導(dǎo)試驗裝置主要用于驗證容器能夠穩(wěn)定執(zhí)行熱工設(shè)計功能，從而保證容器在正常貯存運輸條件下，容器各結(jié)構(gòu)材料的工作溫度在其許用限值內(nèi)，穩(wěn)定執(zhí)行設(shè)計功能，確保材料溫度不超差、結(jié)構(gòu)功能不喪失，進(jìn)而確保容器功能不失效。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 設(shè)計分析

根據(jù)容器對熱傳導(dǎo)試驗裝置功能的要求，對熱傳導(dǎo)試驗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮以下方面：

（1）考慮到乏燃料組件放射性很強(qiáng)，不便于用真實組件模擬，所以需要用其他裝置代替，使模擬盡可能接近真實的工況。

（2）由于在正常運輸條件下，容器各結(jié)構(gòu)材料的工作溫度是否在其許用限值內(nèi)，是判定容器能否穩(wěn)定執(zhí)行熱工設(shè)計功能的關(guān)鍵因素，所以需要考慮如何實現(xiàn)溫度的測量，判定其是否在許用限值之內(nèi)。

（3）要驗證容器的熱工設(shè)計功能需進(jìn)行熱傳導(dǎo)試驗。由于熱傳導(dǎo)試驗需要在容器筒體內(nèi)部放置加熱裝置并布線，加熱管和熱電偶的導(dǎo)線需從容器蓋上引出，容器蓋不能滿足此功能，所以需要重新設(shè)計。

1.2.2 結(jié)構(gòu)

根據(jù)熱傳導(dǎo)試驗裝置的功能和上述的設(shè)計分析，熱傳導(dǎo)試驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱傳導(dǎo)試驗裝置設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計分析，要完成熱傳導(dǎo)試驗裝置設(shè)計，需解決衰變熱的模擬、溫度的測量以及包容邊界密封和散熱功能的驗證。

（1）衰變熱的模擬。在貯存期間，容器內(nèi)容物會產(chǎn)生衰變熱，為了模擬衰變熱[1]，設(shè)計了加熱管組件來模擬真實的燃料組件。

加熱管組件由加熱管、定位板、支撐板組件、管組成。

加熱管采用380V管狀電加熱元件。根據(jù)燃料組件所產(chǎn)生的衰變熱等效的熱功率，選擇加熱管。

為了定位和支撐加熱管，設(shè)計了定位板和支撐板組件。

由于加熱管是一種線性熱源，為了使散熱均勻，設(shè)計了與之配合的管組件。管組件主要由管、支撐板和底板組成。

（2）溫度的測量。為了實現(xiàn)筒體內(nèi)腔體表面不同位置的溫度測定，實現(xiàn)筒體內(nèi)腔熱電偶與測點的緊密貼合，配合吊籃接口尺寸，設(shè)計了不同類型的熱電偶支架，用于將熱電偶壓緊在筒體內(nèi)腔上，測定相應(yīng)位置的溫度。

（3）包容邊界密封和散熱功能的驗證。為實現(xiàn)包容邊界的密封和驗證其導(dǎo)熱功能，同時由于熱傳導(dǎo)試驗需要在容器筒體內(nèi)部放置加熱裝置并布線，加熱管和熱電偶的導(dǎo)線需從容器蓋上引出，原容器蓋不能滿足此功能，因此設(shè)計了熱傳導(dǎo)試驗專用蓋。

為了盡可能地減小熱傳導(dǎo)試驗專用蓋的厚度，節(jié)約成本，同時保證容器內(nèi)熱效應(yīng)等效。選用了耐高溫纖維針刺毯來作為隔熱層以達(dá)到隔熱效果。

熱傳導(dǎo)試驗專用蓋上設(shè)置了兩類管口。一類用于連接抽真空和充氦系統(tǒng)以及用于連接壓力表和真空計。另一類用于安裝航空插頭，將加熱管和熱電偶的導(dǎo)線引出，如圖1所示。

2 試驗設(shè)計與驗證

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

熱傳導(dǎo)試驗，是為了檢驗容器作為運輸容器用時，在正常運輸工況下熱工設(shè)計功能能否滿足設(shè)計要求；作為貯存容器用時，在正常工況下熱工設(shè)計功能能否滿足設(shè)計要求。

2.2 驗收準(zhǔn)則

根據(jù)容器熱工設(shè)計特性，其驗收準(zhǔn)則為容器各結(jié)構(gòu)的溫度不超過容器相應(yīng)位置材料的許用限值。

2.3 試驗內(nèi)容

2.3.1 試驗設(shè)施

（1）試驗場地。由于試驗要在環(huán)境溫度均勻、試驗空間足夠的條件下進(jìn)行，為了給試驗提供一個穩(wěn)定封閉的室內(nèi)環(huán)境。因此，要求房間內(nèi)表面面積需為容器外表面面積的50倍以上，室內(nèi)大氣溫度應(yīng)均勻且不易受室外環(huán)境影響。

（2）加熱裝置。試驗時在吊籃的每個貯存套管中放置了電加熱管。為了實現(xiàn)對電加熱管熱功率的測量與調(diào)節(jié)能力，設(shè)置了加熱裝置和調(diào)壓器，加熱裝置原理如圖2所示。

圖2 熱傳導(dǎo)試驗原理圖

（3）溫度測量裝置。鑒于試驗時容器內(nèi)溫度比較高，試驗選用耐高溫、可以實現(xiàn)溫度直接測量的熱電偶作為溫度數(shù)據(jù)測量元件[2]。

2.3.2 試驗方案

（1）正常運輸工況下熱傳導(dǎo)試驗。當(dāng)容器作為運輸容器使用時，裝置臥式放置，在容器頂部和底部分別安裝上、下減震器，來模擬裝置在正常運輸工況下的熱傳導(dǎo)試驗。

為保證數(shù)據(jù)的完整，在每個高度位置周向設(shè)置測點，為準(zhǔn)確估測環(huán)境溫度，并在容器周圍設(shè)置環(huán)境熱電偶，熱電偶布置示意圖如圖3所示。

圖3 運輸工況熱電偶布置示意圖

（2）貯存工況下熱傳導(dǎo)試驗。當(dāng)容器作為貯存容器使用時，裝置立式放置（不安裝減震器），來模擬裝置在貯存工況下的熱傳導(dǎo)試驗。

為保證數(shù)據(jù)的完整，在每個高度位置周向設(shè)置測點，為準(zhǔn)確估測環(huán)境溫度，并在容器周圍設(shè)置環(huán)境熱電偶，熱電偶布置示意圖如圖4。

圖4 貯存工況熱電偶布置示意圖

（3）試驗步驟。為了盡量模擬容器常規(guī)運輸/貯存狀況下的真實工況，首先要對容器進(jìn)行抽真空，再進(jìn)行試驗。

首先給電加熱管供電，同時監(jiān)控所有熱電偶數(shù)據(jù)和加熱器功率，并調(diào)整總加熱功率至所需數(shù)值，記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)容器達(dá)到傳熱平衡狀態(tài)后，記錄N組數(shù)據(jù)并關(guān)閉電源，讓容器自然冷卻至外表面接近室溫，結(jié)束試驗。

（4）試驗結(jié)果的等效修正。為了得到容器放置在正常工況中的各測量部位的等效溫度，需要對熱傳導(dǎo)試驗測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正式如下：

式中，t為環(huán)境溫度，℃；Tt，i為修正后各測量位置部件的等效溫度，℃；Ttest，En為試驗中環(huán)境平均溫度測量值，℃；Ttest，i為各部位溫度試驗測量值，℃；i為試驗各部位測量序號。

3 結(jié)語

本文針對乏燃料貯存運輸容器所需具備的熱傳導(dǎo)功能設(shè)計了熱傳導(dǎo)試驗裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計從衰變熱的模擬、溫度的測量以及包容邊界密封和散熱功能的驗證等多方面綜合考慮，可以有效地模擬乏燃料貯存運輸容器的實際工況，同時兼顧了成本因素，材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安裝操作便利；同時，對熱傳導(dǎo)裝置進(jìn)行了試驗方案設(shè)計，并給出了試驗的驗收準(zhǔn)則、試驗步驟，方案明確詳細(xì)、合理可行，可以為以后類似容器提供借鑒。