AP1000型燃料組件水平放置對格架彈簧影響分析

溫國義，蔡宏偉

AP1000型燃料組件水平放置對格架彈簧影響分析

溫國義，蔡宏偉

（國核示范電站有限責任公司，山東威海 264300）

核電廠建設的工期延誤和組件制造廠的燃料組件存貯場地不足，不能按期交付的首爐燃料組件被迫存放在組件運輸容器內水平放置，有的燃料組件在運輸容器內水平放置時間約1年以上。針對燃料組件在運輸容器內長期水平放置是否對組件格架彈簧的力學特性有影響，以AP1000型燃料組件為例，對格架彈簧進行了力學特性影響分析。分析認為，燃料組件在運輸容器內長期水平放置，對格架彈簧本身影響較?。蝗剂辖M件改為豎直放置后，格架彈簧在力學特性上能夠完全恢復原狀。

燃料組件；格架彈簧；水平放置

在核電廠的工程建設過程中，由于設備采購進度延誤、工程建設進度滯后等原因，造成了核電廠不能按照計劃日期投用，采購的燃料組件無法按期交付，但由于組件制造廠組件存貯場地的限制，被迫將燃料組件存放在組件運輸容器內水平放置，有的燃料組件在運輸容器內水平放置時間約1年以上。為了解燃料組件長期水平放置在運輸容器內是否對燃料組件格架彈簧造成一定的影響，本文以AP1000型燃料組件為例，從燃料組件結構出發(fā)，對燃料組件水平放置在運輸容器內格架彈簧分別在組件靜止和運輸條件下的受力情況進行了綜合力學分析，得出了燃料組件在運輸容器內長期水平放置對燃料組件格架彈簧沒有影響的結論。

1　AP1000型燃料組件結構

AP1000型燃料組件結構包含上管座、下管座、導向管、儀表管、燃料棒及15層格架。15層格架分別為1層頂部格架、1層底部格架、1層保護格架、8層中間格架和4層中間攪混格架。每個燃料組件內，燃料棒和導向管、儀表管呈17×17正方形排列，共289個柵元。其中264個柵元為燃料棒，24個柵元為導向管，1個中心柵元為儀表管。

儀表管位于燃料組件的中心位置，為堆內中子通量探測器提供插入通道。AP1000型燃料組件結構簡圖如圖1所示。

圖1　AP1000型燃料組件結構簡圖

一個組件運輸容器只能放置一個AP1000型燃料組件[1]，燃料組件裝入運輸容器后，運輸容器將水平存放在指定位置，燃料組件水平放置在運輸容器內，如圖2所示。

圖2　燃料組件運輸容器水平放置圖

2　格架分析

燃料組件水平放置在運輸容器內，對燃料組件起支撐作用的除上、下管座外還有格架[2、3]。當燃料組件水平放置時，由于格架的支撐作用，靠運輸容器底部的格架彈簧受力最大，外力主要是組件自身重量，AP1000型燃料組件重量約為789.6 kg，燃料棒重量約741.8 kg，占組件總重量的93.9%，每組燃料組件有264根燃料棒，根據設計文件[3]，單根燃料棒重約2.81 kg。在組件運輸容器內，組件上、下管座由于和容器支撐板接觸，故格架彈簧主要承受燃料棒的重量，具體燃料組件水平放置示意圖如圖3所示，格架彈簧及與燃料棒包殼管外壁接觸如圖4、圖5所示。

圖3　燃料組件水平放置示意圖

圖4　格架彈簧與燃料棒包殼管外壁的接觸

圖5　中間格架內條帶彈簧

根據圖3所示，燃料組件1層底部格架、8層中間格架、1層頂部格架從左到右的距離分別為：392.10 mm、473.00 mm、514.70 mm、515.60 mm、515.60 mm、515.70 mm、515.60 mm、515.60 mm、452.10 mm。

一組燃料組件有五種類型格架，這五種類型格架中，對燃料棒起支撐作用的有頂部格架、中間格架和底部格架，他們的共同點是都有彈簧，中間攪拌格架（IFM格架）、保護格架沒有彈簧。AP1000型燃料組件格架情況如表1所示，燃料棒示意圖如圖6所示。

燃料棒上端為氣腔彈簧，下端為支撐管、支承塊，氣腔彈簧重6.4 g，支撐塊重3.5 g，支撐管重8.9 g。氣腔彈簧、支撐塊、支撐管質量較輕且相對整個燃料棒而言較短，二氧化鈾芯塊集中在中間段（活性段），為質量主要集中區(qū)域，可以假設以燃料棒的質量集中在活性段進行測算。

2.1　格架彈簧力學性能

無論是底部格架、頂部格架還是中間格架，其格架彈簧與條帶是一個整體，其材質有兩種，分別為Inconel 718和Zirlo，其格架彈簧的基本參數如表2所示。

表1　AP1000型燃料組件格架情況

圖6　燃料棒示意圖

1—上端塞；2—氣腔彈簧；3—包殼管；4—標準芯塊；5—IFBA芯塊；6—環(huán)形芯塊；7—長芯塊；8—支撐塊；9—支撐管；10—下端塞

表2可以看出，Inconel 718材質的各項性能指標在承載力方面遠遠大于Zirlo材質的各項性能指標，因此本文只分析燃料組件水平放置時Zirlo材料的格架彈簧。

根據燃料組件結構，燃料組件水平放置時，格架各層受力不同，靠近運輸容器最底層的格架受力最大位置的柵元對應的彈簧支撐其上面最多為17根燃料棒的重量，每根燃料棒由10個柵元彈簧支撐，從各層格架的間距數據上得知，燃料組件從下往上的第四層格架為受力最大部分，其承受的燃料棒最大長度1為：

1=(515.70+515.60)/2=515.65 mm

表2　兩種不同材質格架彈簧基本參數表

如圖 6 所示，燃料棒活性段全長為4 267.2 mm，則分布到第四層格架柵元彈簧上的重量W1為：

根據格架產品技術條件及技術圖紙[4,5]，格架的接觸面積不小于2.54×2.16=13.9 mm2，如圖7、圖8所示。

圖7　格架內條帶彈簧接觸面積

圖8　格架外條帶彈簧接觸面積

2.2　靜止條件下格架彈簧分析

在靜止條件下，燃料組件平放在運輸容器內。靜止時接觸面積為，格架彈簧接觸面壓強1為：

1=1×/=5.77×9.8/13.90=4.068 1 MPa

根據燃料組件機械設計限值的規(guī)定，對結構部件，應規(guī)定適用于每類設計工況的下列機械設計限值：應驗證一次應力加二次應力（）小于0.7u，即＜0.7u其中u為材料的強度極限[6]。

這里，

=0.7×380=266 MPa

若進一步假設安全系數為2，則：

綜上所述，靜止條件下，充分考慮極限情況和安全系數，格架彈簧所受壓強度遠小于Zirlo的屈服強度極限，故彈簧處于彈性形變內，組件水平放置對其格架結構沒有影響，一旦恢復豎直放置，格架彈簧能立即恢復原狀。

2.3　設計加速度情況下格架彈簧分析

AP1000型燃料組件在設計時，考慮了其運輸載荷，最大的運輸載荷是組件4（軸向）和6（橫向）加速度引起的載荷。相當于4倍（軸向）和6倍（橫向）的組件重量分布在各格架上，進而分布在每個格架柵元的彈簧上。組件設計加速度示意圖如圖9所示。

圖9　燃料組件設計加速度示意圖

此時，格架彈簧接觸面壓強2為：

2=1×/=5.77×6×/18.75

=5.77×6×9.8/13.9=24.408 MPa

根據燃料組件機械設計限值的規(guī)定，對結構部件，應規(guī)定適用于每類設計工況的下列機械設計限值：應驗證一次應力加二次應力（）小于0.7u，即＜0.7u。

假設安全系數為2，綜上所述：

綜上所述，設計加速度條件下，充分考慮極限情況和安全系數，格架彈簧所受壓強度遠小于Zirlo的屈服強度極限，故彈簧處于彈性形變內，組件水平放置對其格架結構沒有影響，一旦恢復豎直放置，格架彈簧能立即恢復原狀。

3　結論

從力學方面的分析看，燃料組件水平放置，對格架彈簧的影響極小，其受力遠在其屈服強度之下，當燃料組件由水平放置改為豎直放置后，組件格架彈簧在力學特性上能夠立即恢復原狀。

［1］ 楊文峰．AP1000新燃料運輸容器國產化分析［C］．北京：中國核能可持續(xù)發(fā)展論壇，2013．

［2］ 曹博，陳義學，等．AP1000典型燃料組件物理特性初步分析［J］．原子能科學技術，2013，47（S2）：599-602．

［3］ 童幸．燃料組件設計說明書［R］．2010：1-2．

［4］ 張杰．燃料組件圖冊［R］．2019：51-52．

［5］ 盧俊強．格架產品技術條件［R］．2014．

［6］ 高加正．AP1000燃料組件的熱工水力研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2014：22-26．

Analysis of the Influence of AP1000 Fuel Assembly Horizontal Placement on the Grid Spring

WEN Guoyi，CAI Hongwei

（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Weihai of Shandong Prov. 264300，China）

Due to delays in the construction of nuclear power plant and insufficient fuel assembly storage space in the assembly manufacturing plant，the first fuel assemblies which cannot be delivered as scheduled are forced to be placed horizontally in the shipping container. Some fuel assemblies have been placed horizontally in the shipping container for more than one year. In view of whether the long-term horizontal placement of the fuel assembly in the shipping container will affect the mechanical characteristics of the grid spring，taking the AP1000 fuel assembly as an example，the mechanical characteristics of the grid spring are analyzed. The analysis shows that the long-term horizontal placement of the fuel assembly in the shipping container has little influence on the grid spring itself. When the fuel assembly is placed vertically，the grid spring can be completely restored to the original state in terms of mechanical characteristics.

Fuel Assembly；Grid spring；Horizontal placement

TL48

A

0258-0918（2022）01-0059-05

2021-01-20

溫國義（1972—），男，內蒙古赤峰人，高級工程師，碩士，現主要從事核燃料管理方面研究