研究堆乏燃料元件貯存架結構設計與安全分析

吳 瑞,羅文廣,王萬金,王亞軍，張先萌

(中國核動力研究設計院，四川 成都 610041)

研究堆換料過程中將卸出乏燃料元件，而乏燃料元件具有很強的放射性并伴隨著一定熱量的釋放。卸出來的乏燃料元件需要在乏燃料水池中貯存相當長時間，長時間的貯存以及不斷卸出乏燃料元件，研究堆乏燃料水池就會形成乏燃料元件大量貯存的情況[1-3]。最近在設計乏燃料元件貯存架時，在貯存單元中采用了中子吸收體材料，該材料可以將乏燃料元件衰變過程中釋放的中子料吸收掉，從而降低了由于乏燃料元件距離較近而引發臨界反應的可能性。因此，筆者考慮將乏燃料元件貯存架的設計轉為密集型，由此相鄰貯存單元的距離也變得更小，乏燃料貯存架的貯存量則隨之增大。本文針對研究堆乏燃料元件，設計新型的密集貯存架，以滿足研究堆乏燃料元件在任何工況下都保持在次臨界狀態，保證燃料元件的完整性、可靠的冷卻以及對放射性物質進行包容的安全要求[4-5]。

1 乏燃料元件貯存架設計要求

1.1 結構設計要求

1)乏燃料元件貯存架應設計可以調節格架高度的可調支腿，以便乏燃料貯存格架在現場安裝時可以進行調平。

2)乏燃料元件貯存架應具有足夠的剛度和強度，能確保乏燃料元件穩定、安全地貯存在相應的貯存單元中[6]。

3)貯存單元應便于乏燃料元件的放入和取出，且能保證其取放暢通無阻，不得帶有尖銳的邊角，避免損傷乏燃料元件。

4)乏燃料元件貯存架的貯存量需滿足運行要求，外形尺寸滿足研究堆乏燃料水池的空間布置要求。

1.2 安全要求

1)研究堆乏燃料元件貯存架在貯存單元間距的設計上應保證不會發生臨界事故[7]，即使在貯存架存滿乏燃料元件以及中子吸收體材料失效的情況下，整個貯存水池乏燃料元件也必須處于次臨界狀態。

2)在正常貯存過程中、地震事故工況下以及乏燃料元件跌落等工況下，乏燃料元件貯存架應保證不會由于結構變形發生臨界事故。

3)乏燃料元件貯存架的設計應保證，在乏燃料元件最大貯存量、最大燃耗及輻照后最短冷卻時間的情況下，乏燃料元件貯存水池系統必須滿足EJ/T 883—2006[8]的熱工要求。

2 總體結構設計

2.1 整體結構

研究堆乏燃料元件貯存架主要用來貯存乏燃料元件及暫存出堆的燃料元件，它沉浸在乏燃料水池中，由若干個支腿支撐，自由放置在池底的不銹鋼覆面上。乏燃料元件貯存架主要由貯存管、吊環、上托板、下托板、加強筋、支腿等組成，材料全部選用06Cr18Ni11Ti。乏燃料元件貯存架通過支撐管和貯存管將上、下托板焊接成一體，下托板下面有加強筋進行加固，并有6條支腿支撐。上托板焊接有4個吊耳，用于乏燃料元件貯存架的吊裝。其結構如圖1所示。

1—吊耳；2—貯存管板；3—上托板；4—支撐管；5—下托板；6—可調支腿；7—不可調支腿；8—加強筋組件；9—中子吸收體貯存管；10—標示環圖1 乏燃料元件貯存架示意圖

2.2 貯存單元布置

為保證貯存架的貯存能力，研究堆乏燃料元件貯存架的貯存單元呈正三角形排列，相鄰兩個貯存單元之間的中心距一定。在保證物理熱工和臨界安全的條件下，能最大化地利用貯存架的有效空間，從而實現乏燃料元件的高密集貯存。

2.3 貯存單元設計

貯存單元是貯存乏燃料組元件的主體部件，要求其既能穩固可靠地存放乏燃料又能保證乏燃料元件的取放暢通無阻。針對研究堆乏燃料元件的結構特點，設計一定直徑的不銹鋼管作為貯存單元，貯存管長度需便于乏燃料元件的吊裝操作。其中下端插入下托板的凹槽內用以定位，同時以正六邊形形式均勻布置含碳化硼板材的六邊形貯存管，以有效降低系統的次臨界度。采用不銹鋼包殼與六邊形管點焊接方式將鋁基碳化硼板材包裹住，并將其緊緊貼在六邊形管的各個壁上，確保鋁基碳化硼復合板材的穩定性。鋁基碳化硼復合材料輕質、耐磨，具有良好的機械力學性能，且具有熱中子吸收截面高、吸收中子的能量范圍寬的特性，可以同時作為結構材料和功能材料，是目前核電領域用得較多的乏燃料元件貯存架功能材料[9]。

2.4 雙層板結構

貯存格架的雙層板結構由上、下兩層托板組成，主要起到支撐和定位格架的作用。上托板選用一定厚度的不銹鋼板，且四角焊接有4個吊耳，板面四角布置有供可調支腿操作工具使用的通孔。板面其余通孔與貯存管采用間隙配合，通孔呈正三角形陣列布置，每兩個通孔的中心距與貯存單元中心距相同。貯存架下托板上方的自重和乏燃料的重力將全部作用在下托板上，因此下托板是主要的支撐件。下托板制作材料為不銹鋼鋼板，且開有通孔，通孔上部與乏燃料底座配合的部位加工出相應的倒角，以便與乏燃料底座形成緊密的配合。通孔的布置與上托板相似，各個通孔都與上托板相應的通孔對應。上表面有與通孔同心的圓形凹槽，以便于貯存管的定位。

2.5 支腿

整個貯存架的重力將全部作用在支腿上，因此支腿是承力最大的部位。為了能在保存水池內將乏燃料元件貯存架進行調平，兩邊的4條支腿采用可調支腿，中間2條支腿作為支點，采用不可調的固定支腿結構。可調支腿的調節結構由支柱螺母與螺柱組成，支柱螺母與螺柱螺紋連接形成螺旋副，螺柱旋轉帶動支腿實現上下移動。

3 安全分析

3.1 臨界分析

本文采用三維蒙特卡羅程序MCNP-4C及基于ENDF/B-VI的連續能量截面數據庫ENDF60對乏燃料元件貯存架進行臨界安全計算。計算模型如圖2所示，計算時假設：乏燃料水池中4個乏燃料元件貯存架裝滿新燃料元件，其中水的密度取1 g/cm3。

圖2 MCNP乏燃料元件貯存架計算模型

計算結果顯示：乏燃料元件貯存架的次臨界度為0.807 7，遠低于臨界安全限值0.95，能保證乏燃料元件在堆外貯存的臨界安全。

3.2 物理熱工計算

根據HAD 301//02《乏燃料貯存設施的設計》、HAD 301//04《乏燃料貯存設施的安全評價》的相關規定，乏燃料貯存水池的總熱源必須考慮乏燃料元件最大貯存量、最大燃耗及輻照后最短冷卻時間。

本文在考慮水池表面蒸發作用的情況下，計算貯存水池達到沸騰的時間。計算模型采用了下述簡化的假設：1)整個乏燃料貯存水池作為一個質點，并具有單一的壓力和溫度；2)水池的加熱升溫是絕熱過程；3)忽略水池壁傳熱作用損失的熱量；4)近似認為水的密度、比熱是常數；5)忽略乏燃料貯存水池內熱源隨時間的變化。

通過以上計算模型，得到以下能量平衡關系式：

MCPdT=(P-P散)dt

(1)

式中：M為乏燃料貯存水池池水質量，kg；CP為水的定壓比熱，J/(kg·K)；T為乏燃料貯存水池水溫，℃；P為乏燃料貯存水池熱源，W；P散為單位時間乏燃料貯存水池的蒸發散熱量，W；t為時間變量，s。

P散=Wr

(2)

W=β(pq,b-pq)F

(3)

β=(α+0.003 63v) ×10-5

(4)

式中：W為單位時間蒸發量，kg/s；r為汽化潛熱，2.3×106J/kg；β為蒸發系數，與水溫和水面上空氣流速有關，s/m；pq,b為該時刻水表面溫度下飽和空氣的水蒸氣分壓，Pa；pq為空氣中水蒸氣的分壓，Pa；F為乏燃料貯存水池敞口換熱面積，m2；α為周圍空氣溫度為15～30 ℃時不同水溫下的擴散系數，s/m；v為水面上空氣流速，m/s。

由此可見，僅P散隨時間變化。因此可以將式(1)變形為：

(5)

pq,b與池水溫度T關系較復雜，擴散系數α也與T有關，可以用最小二乘法擬合成如下關系：

pq,b=23T2-1 789T+42 869

(6)

α=0.000 1T+0.001 7

(7)

假設空氣溫度為26 ℃，相對濕度為80%，空氣中水蒸氣的分壓pq=1 800 Pa。已知乏燃料貯存水池敞口換熱面積F=4.95×7.435=36.803 25 m2。事故工況下，假設水面上方空氣流速v=0 m/s。將已知的值代入式(2)中，得：

P散=1.946 9T3-118.337 2T2+902.003 5×T+59 098.581 5

(8)

將式(8)代入式(4)，利用MATLAB求解積分方程，得到池水溫度T與時間t的關系，從而得到當突然失去最終熱阱時重新達到熱穩態所需時間和乏燃料貯存水池池水溫度。

通過計算分析，得到研究堆乏燃料貯存水池水溫隨時間的變化趨勢，如圖3所示。

圖3 乏燃料貯存水池水溫隨時間的變化

在喪失熱阱后，考慮乏燃料貯存水池表面蒸發散熱，由圖可以看出：貯存水池池水達到穩態所需時間為148 h，此時乏燃料貯存水池池水溫度為79.89 ℃，沒有沸騰，滿足EJ/T 883—2006《壓水堆核電廠乏燃料貯存設施設計準則》的熱工要求。

3.3 靜應力計算

采用有限元分析軟件ANSYS[10]對乏燃料元件貯存架進行靜應力分析。乏燃料元件貯存架的主要材料為06Cr18Ni11Ti，抗拉強度在520 MPa左右，屈服強度約為205 MPa。考慮到工作環境和安全系數的選用原則等因素，計算靜載荷時取安全系數為2。

乏燃料元件貯存架凈重約3 773 kg，滿載時總重約6 253 kg。通過在上下托板施加9.5 m的水靜液壓力。在重力加速度(g=9.81 m/s2)及靜液壓力作用下，乏燃料元件貯存架在裝滿乏燃料元件時的最大應力強度約為71 MPa，在留有安全裕度的情況下，滿足強度要求。貯存架等效應力分布如圖4所示。

3.4 抗震計算

地震事故工況下的應力評定應包括自重、靜液壓力、SSE(安全停堆地震)和最高溫度。由乏燃料元件貯存架模態分析可知，乏燃料元件貯存架的基準頻率為0～33 Hz，因此對乏燃料元件貯存架采用動力法進行SSE作用下的抗震計算，并依據研究堆密閉廠房樓層反應譜，采用反應譜法計算乏燃料元件貯存架在SSE作用下的應力。

計算結果顯示乏燃料元件貯存架在地震事故工況下最大應力強度約為108.2 MPa，具有足夠的安全裕度，滿足強度要求。其地震事故工況下應力分布如圖5所示。

圖5 地震事故工況下應力分布圖

4 結束語

乏燃料元件貯存架作為研究堆內存放乏燃料元件的關鍵設備以及保證反應堆正常運行的重要設備，其設計的可靠性、安全性以及操作方便性是確保乏燃料元件安全的關鍵因素。研究堆乏燃料元件貯存架呈正三角形布置，最大化地利用了貯存空間，通過中子吸收體材料，減小了貯存單元中心距，增大了貯存架的貯存量。通過安全分析可知，在物理熱工方面，滿足臨界、熱工安全要求；在結構強度方面，滿足正常貯存和地震事故工況下的結構安全。