CEFR堆芯燃料組件抗震試驗方法研究

高付海，莫亞飛，王魯波

(中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413)

自2011年中國實驗快堆(CEFR)首次并網發電以來，為充分發揮其實驗平臺作用，CEFR堆芯燃料的設計和制造國產化逐步被提上日程。國產的CEFR燃料組件在材料選擇、結構型式、制造裝配和焊接工藝上均與CEFR堆芯目前使用的組件存在差異，如結構材料采用國產316Ti不銹鋼、燃料棒下端塞與小柵板配合改為蒜頭型設計方案等，國產燃料組件在地震下能否保證結構完整性和氣密性，可通過抗震試驗的方式予以論證。針對快堆堆芯地震動力學響應，國外特別是法國和日本進行了大量的試驗和數值計算研究工作，建立地震模擬振動臺，開展堆芯抗震試驗，開發專用計算程序(如法國CEA的CASTEM和日本PNC的FINAS)，研究目的在于準確預測和正確評價地震作用下堆芯的結構動力學響應[1-6]。俄羅斯為了驗證CEFR組件的動態可靠性，開展了組件模擬件的耐振試驗考驗研究[7]。國內中國原子能科學研究院[8-12]和華北電力大學[13-14]組織開展了持續的堆芯抗震研究工作，計算了CEFR堆芯在地震載荷下的動力學響應，掌握了快堆堆芯抗震的數值計算方法。在試驗研究方面中國原子能科學研究院委托清華大學測試了CEFR組件模擬件在水中的固有頻率和阻尼比等動力學特性，積累了良好的工作基礎。

本文基于俄羅斯的組件耐振試驗方案，結合國內機械設備抗震試驗法規標準要求，針對組件的結構、堆內安裝和變形特點，提出一套新的組件抗震試驗方法，新方法可保證對組件的抗震性能考驗是全面的，且更加符合組件在堆芯處的實際變形狀態。

1 俄羅斯CEFR組件耐振試驗臺架用于組件抗震試驗的適用性分析

組件耐振試驗的目的主要是考察主泵長時機械振動載荷對組件結構性能的影響，載荷雖不同于地震，但其試驗方案對制定抗震試驗方案仍具有借鑒意義。試驗使用的臺架如圖1所示[1]，臺架模擬組件在堆芯中的安裝條件，試驗基本思想是取堆芯中由1根組件和其周圍介質構成的1個單元為試驗對象，以單根組件試驗來代替堆芯多排組件試驗。組件凸臺部位的定位通過螺釘來實現，保留燃料組件上、中兩個凸臺處間隙。臺架柱形容器內充滿水，模擬液鈉的影響。

圖1所示的試驗臺架基本能反映組件在堆芯內的實際安裝條件(圖2)，在振動載荷下組件管腳隨臺架一起運動，定位凸臺部位處受到臺架容器上設置的螺釘的約束，以模擬組件受到的相鄰組件凸臺約束作用。若該臺架方案直接用于組件抗震試驗，其與地震作用下處于堆芯中組件的響應存在差異：模擬相鄰組件凸臺作用的螺釘是完全剛性的，會使得試驗組件受到的沖擊力高，頂端位移響應卻較小；實際情況是相鄰組件并不是完全剛性的，是可變形的柔性體。因此可從定性角度判斷俄羅斯試驗臺架設計對組件約束得過硬，使得組件受到更為苛刻的高頻沖擊，以造成較大的機械振動疲勞損傷，實現耐振試驗的目的，但這與抗震試驗目的不完全等同。

圖1 試驗臺架與試驗件Fig.1 Test set-up and subassembly

圖2 堆芯組件的安裝狀態[8] Fig.2 Installation state of subassembly in core[8]

2 組件抗震試驗新方法

2.1 新方法的提出

按照文獻[15]，試驗程序是根據設備安裝位置處的運行基準地震(SL1)和安全停堆地震(SL2)樓層響應譜，采用單向、雙向或三向人工時程對設備先做5次SL1地震模擬試驗，再做1次SL2地震模擬試驗。科學合理的組件抗震試驗方法須處理好兩個基本問題：1) 在滿足試驗要求的前提下，從降低試驗難度角度考慮，可否以單向地震試驗替代三向試驗；2) 能否設計一合理的試驗臺架，準確有效地模擬地震作用下堆芯組件的安裝條件和碰撞接觸相互作用狀態。

關于能否采用單向激振進行抗震試驗，《核設備抗震鑒定試驗指南》中規定：當三向中的每兩向相互耦合很小，或無耦合，單向試驗是適用的；若是單向試驗，應分別對x、y、z軸進行。組件的結構基本對稱，存在3個正交軸，各正交方向在地震下的響應基本上無耦合，符合單向試驗的條件。組件的縱向剛度偏大，響應可忽略不計。組件響應以水平兩個方向響應為主，組件之間的碰撞主要體現在水平方向，鑒于此，組件的抗震試驗可忽略縱向試驗，只進行水平方向的試驗。

關于試驗臺架設計，嚴格講為了準確模擬堆芯地震響應組件的抗震試驗臺架應能容納全堆芯的所有組件，但這對試驗費用和振動試驗臺提出了不必要的過高要求。俄羅斯采用的以單組件振動試驗來替代全堆芯試驗的臺架設計思路是可借鑒的，它大幅降低了全堆芯組件同時振動試驗的難度，且基本能反映出振動時組件的狀態，但在對可能出現碰撞作用的相鄰組件的處理上采用螺釘近似，該處理過于剛性，不能模擬出相鄰組件的柔性特征，試驗結果可能會對組件受到的碰撞沖擊力估計偏高，而對組件產生的變形和應力水平估計偏低。為敘述方便，將該種類型臺架稱為剛性臺架。為了模擬出相鄰組件的柔性，也可將相鄰組件簡化成一柔性元件，其剛度約等于相鄰組件的抗彎剛度，組件間隙同樣保留，將該種臺架稱為柔性臺架。一個科學合理的抗震試驗方法必須兼顧考慮以上兩種臺架方案對組件的不同影響，本文提出的組件抗震試驗新方法即同時考慮以上兩種臺架試驗。

2.2 抗震試驗新方法的計算分析

使用專業計算軟件CASTEM，分別建立安裝于剛性臺架上的單組件(方案1)、安裝于柔性臺架上的單組件(方案2)及接近真實狀態的堆芯單排組件(方案3)抗震計算模型，分析計算地震時3種方案下組件的位移和沖擊力響應，通過計算結果的對比驗證單組件抗震試驗方法的可行性。

1) 抗震計算模型

在地震情況下燃料組件主要表現出梁的特性，因此計算模型中采用變截面梁模擬單根組件，采用虛擬的液體附加質量考慮液鈉與組件的流固耦合作用。組件下部管腳與管座之間存在間隙，使用等效彈簧元模擬，以等效的線性邊界條件代替非線性的間隙條件，等效彈簧的剛度均為8.8×105N/m。組件凸臺與其他組件凸臺之間、組件凸臺與外緣圍板之間在地震時可能發生碰撞，均采用間隙-彈簧單元模擬。

圖3 地震作用下的堆芯加速度時程輸入Fig.3 Core acceleration history input for seismic action

地震時堆芯柵板處加速度時程如圖3所示，時間步長為0.01 s，共3 200步，即總時間為32 s。

(1) 方案1，單組件在剛性臺架上地震下的位移和沖擊力響應

組件與臺架之間的接觸剛性碰撞通過間隙彈簧單元模擬，如圖4所示，間隙值與實際一致，碰撞彈簧認為是剛性的，所以要求其剛度取值較大，計算設定為3.0×109N/m。

圖4 單組件處于剛性臺架上的計算模型Fig.4 Computation model for single subassembly at rigid set-up

(2) 方案2，單組件在柔性臺架上SL1地震下的位移和沖擊力響應

圖5 單組件處于柔性臺架上的計算模型Fig.5 Computation model for single subassembly at flexible set-up

保守考慮，組件凸臺高度處可能發生的最大單側位移取堆芯單排組件的最大總間隙為9.7 mm。抗震計算模型通過兩組間隙-彈簧單元模擬組件之間的相互作用，如圖5所示。一組模擬組件的最大單側位移限位，間隙為9.7 mm，彈簧碰撞剛度為3.0×109N/m；另一組模擬相鄰組件的柔性碰撞，間隙值跟實際一致，彈簧剛度設定為相鄰組件的抗彎剛度，有限元軟件計算出上部凸臺彈簧剛度為5.4×103N/m，中部凸臺彈簧剛度為1.1×104N/m。

(3) 方案3，單排組件在地震下的位移和沖擊力響應

組件與組件之間的接觸剛性碰撞通過間隙彈簧單元模擬，如圖6所示，間隙值與實際一致，碰撞彈簧剛度取墊塊局部結構剛度，均設定為3.0×107N/m。

圖6 單排組件計算模型Fig.6 Computation model for single array of subassemblies

2) 抗震計算結果對比分析

圖7 單根組件處于剛性臺架上的 沖擊力響應與單排組件沖擊力響應對比Fig.7 Impact force response result comparison of single subassembly at rigid set-up and single array of subassemblies

對于單組件剛性臺架計算模型，組件在定位凸臺處由于剛性碰撞作用，與單排組件計算模型獲得的計算結果相比，組件在剛性臺架上凸臺受到的碰撞沖擊力更大(圖7)，碰撞力基本可包絡單排組件的結果；但組件在剛性臺架上產生的頭部變形由于受到限制，變形遠小于單排組件的計算結果(圖8)；由此可判斷剛性臺架使得組件在地震時受到更大的局部高頻沖擊載荷作用。對于單組件柔性臺架計算模型，與單排組件計算模型獲得的計算結果相比：組件在柔性臺架上凸臺受到的碰撞沖擊力遠小于單排組件的結果(圖9)，但組件頭部產生的變形基本包絡單排組件的結果(圖10)，由此可判斷柔性臺架必然使得組件受到更多的低頻振動，而低頻振動更易與柵板聯箱處作為地震輸入作用到組件的反應譜的峰值頻段重疊、引發組件結構一次應力破壞。單排組件的計算結果顯示：堆芯中組件的實際響應既有高頻沖擊，又有低頻振動。以上結果表明如果對單組件在剛性臺架和柔性臺架依次分別進行抗震試驗，其試驗結果既偏保守，又有代表性，可保證在相同地震輸入下單組件的變形(應力)和沖擊振動包絡堆芯組件群中的組件響應。

圖8 單根組件處于剛性臺架上的 位移響應與單排組件位移響應對比Fig.8 Displacement response result comparison of single subassembly at rigid set-up and single array of subassemblies

圖9 單根組件處于柔性臺架上的 沖擊力響應與單排組件沖擊力響應對比Fig.9 Impact force response result comparison of single subassembly at flexible set-up and single array of subassemblies

圖10 單根組件處于柔性臺架上的 位移響應與單排組件位移響應對比Fig.10 Displacement response result comparison of single subassembly at flexible set-up and single array of subassemblies

3 結論

本文以組件耐振試驗方案為基礎，基于有限元計算結果，結合國內抗震試驗法規要求，保守考慮提出了一種新的組件抗震試驗方法，得到如下結論。

1) 俄羅斯組件耐振試驗雖不同于抗震試驗，但其試驗臺架設計方案可借鑒用于組件抗震試驗。俄羅斯的組件耐振試驗臺架設計對組件約束過硬，使得組件受到的偏苛刻的高頻沖擊，但對于頻率成分以低頻為主的地震激勵，使得組件的位移響應偏小，低頻應力偏低，從應力強度角度判斷基于該臺架方案的抗震試驗結果不保守。

2) 按照《核設備抗震鑒定試驗指南》中的試驗要求，分別依次開展單根組件位于本文提出的剛性臺架和柔性臺架上的開展抗震試驗，其結果是偏保守的，可保證在相同地震輸入下單組件位移響應、沖擊響應基本可包絡位于堆芯組件群中的各組件的響應。因此本文提出的基于單根組件的抗震試驗新方法要求組件模擬件依次在剛性臺架和柔性臺架上完成抗震試驗，試驗后檢查組件結構完整性和氣密性。