VVER乏燃料貯存格架與貯運(yùn)吊籃結(jié)構(gòu)淺析

秦瑋，祁杰

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

核電是安全、高效的低碳能源，推進(jìn)沿海建設(shè)逐步提高核電在能源供應(yīng)中的比例，是我國(guó)重要戰(zhàn)略。通過(guò)在確保安全的前提下積極有序發(fā)展核電，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)多元化，減少對(duì)煤炭、進(jìn)口石油等傳統(tǒng)不可再生化能源的依賴，是響應(yīng)和落實(shí)國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略及核電規(guī)劃的具體舉措。同時(shí)核電對(duì)減少二氧化碳排放，改善環(huán)境質(zhì)量的作用是非常明顯的，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要意義。隨著我國(guó)規(guī)?；l(fā)展核電，從核電站卸出的乏燃料將大幅增加，核電站產(chǎn)生的乏燃料需要在電站乏燃料貯存水池的乏燃料貯存格架中存放一定時(shí)間后進(jìn)行外運(yùn)，以保證核電站運(yùn)行時(shí)的乏燃料安全貯存容量。根據(jù)我國(guó)核燃料閉合循環(huán)的核能發(fā)展路線，在對(duì)乏燃料組件進(jìn)行后處理工作前，通過(guò)乏燃料貯運(yùn)吊籃對(duì)乏燃料接收貯存和轉(zhuǎn)運(yùn)，以提高效率匹配乏燃料后處理廠工藝操作的連續(xù)性。因此，乏燃料貯存格架和乏燃料貯運(yùn)吊籃都是保證乏燃料組件安全的重要設(shè)備。

1 格架和吊籃設(shè)計(jì)的安全原則

乏燃料貯存格架和貯運(yùn)吊籃設(shè)計(jì)總體安全原則遵循HAF102-2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》、HAD102/15-2021《核動(dòng)力廠燃料裝卸與貯存系統(tǒng)設(shè)計(jì)》和EJ/T878-2011《乏燃料離堆貯存水池安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》中保持燃料次臨界、排出已輻照燃料的余熱和包容放射性物質(zhì)的總要求。結(jié)合乏池環(huán)境條件，格架和吊籃設(shè)計(jì)原則具體體現(xiàn)為如下。

1.1 保持相關(guān)安全功能

乏池內(nèi)貯存燃料組件的格架或吊籃需確保能維持燃料組件安全貯存的功能性要求，具體為：正常貯存狀態(tài)、地震工況以及燃料組件及工具跌落工況下，格架或吊籃依賴結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料能夠確保乏燃料的次臨界安全。

1.2 保證燃料組件冷卻能力

格架或吊籃設(shè)計(jì)應(yīng)確保所存乏燃料衰變熱的移除能力。通過(guò)流道的布置及尺寸保證燃料組件完全由冷卻劑自然冷卻循環(huán)冷卻。

1.3 包容放射性物質(zhì)

防止燃料組件操作中的損壞和貯存時(shí)的裸露。燃料貯存小室應(yīng)按一定柵距垂直排列，頂部應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向段便于進(jìn)行燃料組件的裝卸操作，不應(yīng)出現(xiàn)燃料組件的卡阻或損壞燃料組件的現(xiàn)象。

1.4 保證結(jié)構(gòu)完整性

防止格架或吊籃結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致違反燃料組件安全貯存準(zhǔn)則的結(jié)果。格架或吊籃屬于安全相關(guān)級(jí)設(shè)備，抗震等級(jí)為1I，在地震情況下須保持結(jié)構(gòu)完整性，地震或燃料組件跌落、吊籃跌落產(chǎn)生的幾何條件變化（含彈性變形）也能夠確保格架或吊籃的次臨界安全以及不影響燃料組件衰變熱的導(dǎo)出。

2 格架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

格架為安全相關(guān)級(jí)設(shè)備，最終成型后尺寸的偏差直接影響臨界計(jì)算結(jié)果，單臺(tái)格架的質(zhì)量重達(dá)20t，因此制造中配備特制的工裝以保證高精度要求。本設(shè)計(jì)中，提出格架總體方案，包含燃料組件貯存單元和密封桶貯存單元，使得電站中格架種類單一，利于制造加工工藝可靠穩(wěn)定、降低成本。格架為整體呈長(zhǎng)方形的金屬貯艙，六角形硼鋼管垂直按照一定柵距排列形成燃料組件貯存小室，2個(gè)密封桶貯存小室置于其中（圖1）。

圖1 VVER-1200堆型乏燃料貯存格架

2.1 外圍框架

外圍框架采用支承柱、圍板和支承板焊接而成，作為格架的主要承載結(jié)構(gòu)，應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度抵抗因水隙小帶來(lái)的較大載荷，為提升整體連接剛度從而減小彈性變形，結(jié)構(gòu)上采用全焊透等強(qiáng)的連接方式。

圍板的尺寸對(duì)抗震分析和制造難度有較大的影響，通過(guò)增設(shè)中部支承板將圍板由一張整板變?yōu)閮蓮埌?，圍板中心?yīng)力下降了18%；單塊圍板的焊接長(zhǎng)度也大大減小，利于控制焊接變形。中部支承板可視為框架中間的“加強(qiáng)筋”，對(duì)與之相鄰的六角形硼鋼管起到限位作用，在密封桶貯存小室中作為密封桶的中部支撐，為密封桶的力學(xué)評(píng)定提供了有利條件。

2.2 燃料組件貯存小室

格架中子吸收材料選用的六角形硼鋼管為含硼的鐵素體不銹鋼，焊接后會(huì)出現(xiàn)材料脆化現(xiàn)象，為了避免脆化發(fā)生，硼鋼管的固定采用銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)。為保證燃料組件的次臨界安全，須精準(zhǔn)控制燃料組件貯存小室之間的柵距，由于硼鋼管厚度的偏差，采用2個(gè)連接塊之間增加調(diào)整墊板（圖2），加工一系列厚度的調(diào)整墊板，根據(jù)實(shí)際組裝間距選用。

圖2 燃料組件貯存小室

每根硼鋼管對(duì)應(yīng)下支承板位置設(shè)置流道，保證冷卻劑自下而上自然循環(huán)實(shí)現(xiàn)燃料組件衰變熱的導(dǎo)出。

2.3 破損燃料密封桶貯存小室

采用在燃料組件貯存小室之間嵌入2個(gè)密封桶貯存小室實(shí)現(xiàn)格架種類唯一。密封桶內(nèi)使用與燃料組件貯存小室所用的同規(guī)格中子吸收材料，且與燃料組件貯存小室之間間距大于燃料組件貯存小室之間柵距，因此，破損燃料組件臨界安全可以得到很好保證。

密封桶小室結(jié)構(gòu)應(yīng)確保裝載的密封桶得到最大化冷卻。下支撐板位置的6個(gè)流道分別為密封桶6個(gè)換熱管束提供冷卻劑循環(huán)的保障（圖3）。

圖3 破損燃料密封桶貯存小室

2.4 “可拆卸式”支撐結(jié)構(gòu)研究

格架支撐結(jié)構(gòu)位于格架本體下方，承受格架的自重載荷及地震載荷。我國(guó)“華龍一號(hào)”核電站的格架均采用直接座落在乏池底面、無(wú)任何機(jī)械連接的調(diào)整支腿結(jié)構(gòu)，在地震工況下，格架的布置間距保證相鄰格架或格架與池壁不發(fā)生碰撞。在VVER堆型里，格架質(zhì)量較大且布置間距較小，自由座落的方式將導(dǎo)致碰撞的可能，因此，采用支撐結(jié)構(gòu)與池底固定連接的方式，降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

燃料組件抽插對(duì)格架貯存小室的垂直度有較高的要求，垂直度通過(guò)制造和安裝控制。格架支撐結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能在支架基礎(chǔ)上增加調(diào)整螺紋。支架由若干支撐管和板焊接而成，支撐管的數(shù)量和布置對(duì)單臺(tái)格架的抗震分析有明顯的影響。

調(diào)整螺紋布置在支架的下方，并且采用插接的形式連接（圖4），這種“可拆卸式”支撐結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)必要時(shí)的移出需求。在保證抗震需求的前提下，減小支架連接板寬度，為FAK管道預(yù)留空間。

圖4 VVER-1200型號(hào)格架支撐結(jié)構(gòu)

3 吊籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

目前，針對(duì)四邊形燃料組件的貯運(yùn)吊籃已經(jīng)完成科研樣機(jī)的驗(yàn)收工作，而對(duì)于六邊形燃料組件的吊籃仍處于國(guó)內(nèi)空白階段。本章節(jié)以VVER格架的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，淺析六邊形燃料組件吊籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

吊籃中燃料組件貯存小室延續(xù)格架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，六邊形硼鋼管作為功能性材料，采用銷(xiāo)釘連接并通過(guò)不同厚度的墊板控制柵距。為了滿足起吊重量限制要求，單吊籃中含7個(gè)燃料貯存單元，整體呈圓形陣列。上支撐板采用方形板將貯存單元陣列與外圍框架連接，上支撐板設(shè)有吊裝孔用于吊籃自動(dòng)操作裝置對(duì)吊籃的起吊運(yùn)輸操作。相較于格架，吊籃的高徑比較大，可使用四邊形燃料組件貯運(yùn)吊籃的“燕尾槽”結(jié)構(gòu)防止地震工況下吊籃的傾翻，同時(shí)與吊籃水下自動(dòng)運(yùn)輸小車(chē)的接口相匹配。

本文所屬格架底部支撐結(jié)構(gòu)不適用于需要移動(dòng)的貯運(yùn)吊籃，參考“華龍一號(hào)”核電站中格架的自由座落在乏池底面、無(wú)任何機(jī)械連接的調(diào)整支腿結(jié)構(gòu)（圖5），既能保證吊籃整體吊運(yùn)，又具備安裝調(diào)試階段吊籃垂直度調(diào)節(jié)功能。

圖5 調(diào)整支腿結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

福島事故后，核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)更加重視乏燃料水池的安全問(wèn)題。乏燃料貯存格架或吊籃安全性、乏燃料水池的補(bǔ)水能力以及維修的可行性成為核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文基于乏燃料貯存的總體安全原則，提出了燃料組件貯存小室和密封桶貯存小室于一體的單一化格架結(jié)構(gòu)方案，有效提升了格架的抗震能力，開(kāi)發(fā)了一種“可拆卸式”的格架支撐結(jié)構(gòu)及配套的安裝工藝。針對(duì)貯運(yùn)吊籃的功能要求和需求，結(jié)合六角形燃料組件貯存格架的結(jié)構(gòu)方案，提出了吊籃的燃料貯存單元、整體框架和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，為六角形燃料組件離堆貯存提供設(shè)計(jì)思路,也為未來(lái)更新、更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)參考。