新燃料運輸容器運輸多根小型組件的跌落分析

沈勇堅，沈光耀，艾衛(wèi)江，張振雨，陳秀明

新燃料運輸容器運輸多根小型組件的跌落分析

沈勇堅，沈光耀，艾衛(wèi)江，張振雨，陳秀明

（上海核工程研究設(shè)計院股份有限公司，上海 200233）

通過跌落分析，確認STC容器可用于運輸多根小型組件。設(shè)計一個可裝載多根小型組件的運輸內(nèi)膽，并從外形尺寸、質(zhì)量、安裝方式、重心位置等維度對內(nèi)膽組件和新燃料組件進行比較，從而明確運輸多根小型組件時STC容器的跌落姿態(tài)——與運輸新燃料組件時一致。最后，比較STC容器在裝載2種組件時的跌落分析。跌落分析表明，在各種工況下的跌落中，相較于運輸新燃料組件，STC容器運輸多根小型組件的變形量要小。通過內(nèi)容物比對和跌落分析，證明了STC容器不僅可用于運輸新燃料組件，還可以用于運輸多根小型組件。該運輸方案滿足了跌落驗收標準，確保了容器在各工況下跌落的閉合狀態(tài)，從而提高了設(shè)計效率，節(jié)約了研制成本。

STC容器、跌落分析、小型組件、新燃料組件

根據(jù)《放射性物品分類和名錄》規(guī)定，新燃料組件（未經(jīng)受過輻射照射富集度低于5%的核燃料組件）屬于一類放射性物品，新燃料運輸容器用于運輸新燃料組件，屬于一類放射性物品運輸容器[1-2]。國務(wù)院令第562號文規(guī)定，一類放射性物品運輸容器的設(shè)計，應(yīng)當在首次用于制造前報國務(wù)院核安全監(jiān)管部門審查批準。同時需要遵循GB 11806—2019進行設(shè)計和試驗。

運輸不同的組件，一般需要匹配不同的運輸容器，但一種運輸容器從原型樣機設(shè)計、多專業(yè)協(xié)同分析、原型樣機制造及試驗到最終設(shè)計定型和取證需要較高的成本和時間。因此開展成熟運輸容器運輸不同組件的研究很有意義，是提高設(shè)計效率、節(jié)約研制成本的有效途徑。

本文從現(xiàn)有的STC新燃料運輸容器著手，對其展開了跌落分析。

1 需求分析

1.1 容器簡述

我國目前在用的新燃料運輸容器有多種[3-5]，其中STC新燃料運輸容器（下文簡稱STC容器）是我國某設(shè)計院設(shè)計的新燃料運輸容器，可運輸一組三代核電的新燃料組件。

容器主要分為外殼和內(nèi)殼，外殼主要作用是保護燃料組件和隔熱。同時它也在運輸過程中起到提升、堆放以及栓系作用。內(nèi)殼主要作用是保護組件及限制組件的移位。圖1為STC容器的三維圖。

1.2 原內(nèi)容物

STC容器的原內(nèi)容物為一根CAP/AP系列的新燃料組件[6]。

1.3 新內(nèi)容物

有一種小型組件[7]需要運輸，圓棒形組件結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。小型組件由三部分組成：頂端結(jié)構(gòu)、中間結(jié)構(gòu)和底端結(jié)構(gòu)。

2 運輸分析

2.1 內(nèi)膽結(jié)構(gòu)

根據(jù)小型組件外形尺寸和質(zhì)量，STC容器可裝載多根小型組件。設(shè)計一種運輸內(nèi)膽，內(nèi)膽中放置多根小型組件，形成內(nèi)膽組件，整個內(nèi)膽組件可放置在STC容器內(nèi)殼中運輸。

運輸內(nèi)膽方案設(shè)計如下：運輸內(nèi)膽外形尺寸與燃料組件保持一致，內(nèi)膽為長方形殼體，采用厚度為10 mm的不銹鋼材料；整體分為左中右三部分，左右兩端分為上下2層結(jié)構(gòu)，設(shè)置組件放置格架，格架上面放置橡膠墊減震，格架可拆卸，滿足不同位置組件安裝的需要；中間為單層設(shè)計；總共可放置9根小型組件。小型組件在STC容器中的布置方案參見圖3。

圖1 STC新燃料運輸容器三維圖

圖2 小型組件

圖3 內(nèi)膽運輸多根小型組件方案

2.2 參數(shù)比對

三代核電新燃料組件和內(nèi)膽組件2種不同內(nèi)容物的參數(shù)比對見表1。2種不同內(nèi)容物的三維模型圖見圖4，其中圖4a為內(nèi)膽組件，圖4b為新燃料組件。

表1 2種不同內(nèi)容物參數(shù)比對

Tab.1 Parameter comparison of two contents

圖4 內(nèi)膽組件及燃料組件

STC容器在裝載新燃料組件和內(nèi)膽組件時的重心位置在高度方向上保持一致，在水平方向略有偏差。重心位置的示意參見圖5和圖6。

2種不同內(nèi)容物在STC容器內(nèi)的位置如圖7所示。

內(nèi)膽組件下端放置在容器內(nèi)殼底部，內(nèi)膽組件上端通過容器內(nèi)殼頂桿進行固定；安裝方式與新燃料組件在內(nèi)殼內(nèi)的安裝方式保持一致。

STC容器在運輸新燃料組件和內(nèi)膽組件時，對比如下：

1）2種內(nèi)容物固定方式相同，與運輸容器間接觸和邊界條件相同。

圖5 裝載新燃料組件時的重心位置

圖6 裝載內(nèi)膽組件時的重心位置

2）內(nèi)膽組件比新燃料組件質(zhì)量減小了34%，對運輸容器沖擊載荷減小。

3）內(nèi)膽殼體由10 mm厚鋼板圍成，殼體剛度好，不易變形。

4）小型組件在內(nèi)膽中放置時有橡膠填充，增加了緩沖性能。

5）2種內(nèi)容物重心位置基本一致。

3 跌落分析

根據(jù)GB 11806—2019的要求[8]，跌落包括驗證運輸正常條件能力的自由下落試驗（1.2 m）、貫穿試驗（1 m落棒）、驗證運輸事故條件能力的自由下落試驗Ⅰ（9 m）和自由下落試驗Ⅱ（1 m穿刺）。驗收標準為在運輸事故條件下，運輸容器內(nèi)外殼保持閉合，保證燃料組件處于次臨界狀態(tài)。正常運輸條件能力的試驗后，還需要確保容器屏蔽防護能力減弱小于20%[9]。

圖7 2種內(nèi)容物在STC容器中的位置示意

跌落分析是針對薄弱位置選擇的跌落分析，確保容器的設(shè)計滿足GB 11806—2019的要求。跌落分析采用LS–DYNA有限元方法進行動力學(xué)分析[10-11]，判斷容器在各跌落姿態(tài)下能夠保持閉合，并由分析結(jié)果確定最危險的跌落姿態(tài)進行試驗。跌落試驗是為證實計算的特定跌落角度的結(jié)構(gòu)分析是正確的[12-14]。通過外推法，未經(jīng)試驗的跌落角度的分析也是有效的[15]。

自由下落試驗（1.2 m）分析發(fā)現(xiàn)，9°小角度跌落時外殼的徑向變形最大，對屏蔽分析的影響最大，同時考慮二次跌落的影響，選取9°小角度跌落姿態(tài)是最危險姿態(tài)[16]。

貫穿試驗（1 m落棒）對容器損傷很小，因此選擇容器外殼支撐薄弱環(huán)節(jié)進行試驗。

運輸事故條件能力考慮對次臨界作用的保持，在自由下落試驗I（9 m）時，分析發(fā)現(xiàn)正向垂直跌落姿態(tài)下外殼、內(nèi)殼和燃料組件的下管座損傷最大，燃料組件包殼受到的沖擊最大。組件包殼完整性是驗證是否次臨界的關(guān)鍵指標，因此選擇正向跌落作為最危險試驗姿態(tài)。

自由下落試驗Ⅱ（1 m穿刺）分析發(fā)現(xiàn)，鉸鏈跌落會導(dǎo)致外殼間隙增大，在后續(xù)耐熱試驗中增加熱流道，對慢化劑影響更大，因此姿態(tài)更危險，選擇鉸鏈跌落姿態(tài)進行1 m穿刺試驗。

根據(jù)3.2節(jié)2種不同內(nèi)容物的參數(shù)比對和跌落分析的驗收準則，STC容器運輸內(nèi)膽組件和新燃料組件2種不同內(nèi)容物時可采用的同樣的跌落分析姿態(tài)。

3.1 分析模型

建立新燃料運輸容器的有限元模型，包括外殼、內(nèi)殼部分，模型圖參見圖8和圖9。整個新燃料運輸容器的有限元模型節(jié)點為428 427個、單元為335 087個。模型使用SOLID164和SHELL163單元建成，除部分剛性部件采用剛體材料模型*MAT020外，其余主要采用分段線性彈塑性模型*MAT024進行建模。

3.2 分析結(jié)果比對

1）1.2 m跌落，采用小角度9°跌落姿態(tài)。STC容器運輸新燃料組件時，變形最大處為外殼加強筋，理論變形量為49 mm；STC容器運輸內(nèi)膽組件時，變形最大處為外殼加強筋，理論變形量為46.7 mm。分析圖參見圖10。

圖8 STC容器有限元模型

圖9 各跌落有限元模型

圖10 1.2 m跌落分析結(jié)果

STC容器運輸新燃料組件時，進行了1.2 m跌落試驗，試驗結(jié)果表明運輸容器仍然能夠保證結(jié)構(gòu)完整性，未發(fā)生部件斷裂或脫落，僅發(fā)生局部塑性變形。變形最大處為外殼加強筋，變形量小于理論變形量（49 mm），試驗圖參見圖11。

圖11 1.2 m跌落試驗

2）1 m落棒。落棒垂直跌落到運輸容器外殼無支承位置，結(jié)構(gòu)與外殼有關(guān)，與內(nèi)容物無關(guān)，因此運輸2種組件的變形量一致。理論分析凹陷深度為6 mm。分析圖參見圖12。

圖12 1 m落棒跌落分析結(jié)果

STC容器運輸新燃料組件時，進行了1 m落棒試驗。試驗結(jié)果表明凹陷深度小于6 mm。分析圖參見圖13。

圖13 1 m落棒試驗

3）9 m跌落，跌落姿態(tài)采取正向垂直跌落姿態(tài)。STC容器運輸新燃料組件時，封頭軸向壓縮最大變形量為52 mm，燃料組件所承受的最大沖擊力為1.78 MN。STC容器運輸內(nèi)膽組件時，封頭軸向壓縮最大變形量為50.8 mm，內(nèi)膽組件所承受的最大沖擊力為1.53 MN。分析圖參見圖14。

2種內(nèi)容物跌落時，內(nèi)殼組件均保持完整，中子吸收材料未見破損，燃料組件的活性區(qū)仍在容器內(nèi)殼的中子吸收范圍內(nèi)。

圖14 9 m跌落分析結(jié)果

STC容器運輸新燃料組件進行了9 m自由下落試驗。試驗結(jié)果顯示，運輸容器仍然能夠保證結(jié)構(gòu)完整性，未發(fā)生部件斷裂或脫落，僅發(fā)生局部塑性變形。封頭軸向壓縮最大變形量未超過理論變形量（52 mm）。試驗圖參見圖15。

圖15 9 m跌落試驗

4）穿刺試驗，采取鉸鏈角穿刺姿態(tài)。STC容器運輸新燃料組件時，分析顯示撞擊鉸鏈部位凹坑深度為67 mm；STC容器運輸內(nèi)膽組件時，分析顯示撞擊鉸鏈部位凹坑深度為64.3 mm。分析圖參見圖16。

圖16 1 m穿刺分析結(jié)果

STC容器運輸新燃料組件進行了1 m穿刺試驗。試驗結(jié)果顯示，運輸容器仍然能夠保證結(jié)構(gòu)完整性，未發(fā)生部件斷裂或脫落，僅在撞擊鉸鏈部位發(fā)生局部塑性變形，凹坑深度小于理論分析變形量（67 mm）。試驗圖參見圖17。

圖17 1 m穿刺試驗

跌落分析結(jié)果表明，在各種跌落工況下，STC容器運輸內(nèi)膽組件時的變形量均不大于運輸新燃料組件時的變形量，因此容器的屏蔽防護能力滿足減弱不超過20%的要求。同時結(jié)果也表明，STC容器運輸內(nèi)膽組件的方案是滿足跌落分析驗收準則的。

4 結(jié)語

STC容器在設(shè)計取證時，遵循法規(guī)條例，完成了各專業(yè)的理論分析，制造了樣機并完成了容器功能試驗以及滿足GB 11806—2019要求的運輸正常條件和運輸事故條件下的驗證試驗。

本文通過設(shè)計內(nèi)膽運輸多個小型組件的跌落分析研究表明，STC容器運輸內(nèi)膽裝載多根小型組件的跌落結(jié)果是滿足驗收準則。該研究為其他燃料組件的運輸提供了一種參考的方法，即采用成熟的容器進行運輸?shù)浞治?。通過設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)匹配燃料組件和容器的方式，可有效提高設(shè)計效率，降低研制成本，為后續(xù)分析研究提供基礎(chǔ)。

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Drop Analysis of Transporting Multiple Small Assemblies with New Fuel Transport Casks

SHEN Yong-jian, SHEN Guang-yao, AI Wei-jiang, ZHANG Zhen-yu, CHEN Xiu-ming

(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

The work aims to confirm that the STC transport cask can be used to transport multiple small assemblies through drop analysis. A transport inner liner that can load multiple small assemblies was designed. The inner liner and new fuel assemblies were compared from the dimensions of external size, weight, installation method, and center of gravity position to clarify the drop posture of the STC cask when transporting multiple small assemblies, which was consistent with that of transporting new fuel assemblies. Finally, drop analysis of the STC transport cask when loading two types of assemblies was compared. The drop analysis showed that the deformation of the STC cask when transporting multiple small assemblies was smaller than that of transporting new fuel assemblies under various working conditions. Through content comparison and drop analysis, it is proved that the STC cask can not only be used to transport new fuel assemblies, but can also be reused to transport multiple small assemblies. This transportation scheme meets the drop acceptance standards, ensures the closed state of the cask during drops under various working conditions, improves design efficiency, and saves development costs.

STC cask; drop analysis; small assemblies; new fuel assemblies

TB485.3

A

1001-3563(2023)13-0285-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.034

2023?01?09

國家科技重大專項（2017ZX06002004）

沈勇堅（1980—），男，碩士。

責任編輯：曾鈺嬋