乏燃料貯存運輸容器熱傳導試驗裝置設計研究

張白茹 盧可可

（中國核電工程有限公司核設備所，北京100840）

0 引言

乏燃料貯存運輸容器（以下簡稱“容器”）是壓水堆乏燃料組件離堆干式貯存的關鍵設備，兼帶運輸功能。

在正常運輸/貯存條件下，容器熱傳導功能是否滿足設計要求，各結構材料的工作溫度能否在其許用限值內，是評估容器能否穩定執行熱工設計功能的關鍵因素。為證明容器能夠穩定執行熱工性能，需采用一種熱傳導試驗裝置對容器進行熱傳導試驗。本文設計了一種熱傳導試驗裝置，并對其所應實現的功能進行了分析、結構設計以及熱傳導試驗設計，并給出了驗收準則。

1 熱傳導試驗裝置設計

1.1 熱傳導試驗裝置功能分析

熱傳導試驗裝置主要用于驗證容器能夠穩定執行熱工設計功能，從而保證容器在正常貯存運輸條件下，容器各結構材料的工作溫度在其許用限值內，穩定執行設計功能，確保材料溫度不超差、結構功能不喪失，進而確保容器功能不失效。

1.2 結構設計

1.2.1 設計分析

根據容器對熱傳導試驗裝置功能的要求，對熱傳導試驗裝置進行結構設計時需要考慮以下方面：

（1）考慮到乏燃料組件放射性很強，不便于用真實組件模擬，所以需要用其他裝置代替，使模擬盡可能接近真實的工況。

（2）由于在正常運輸條件下，容器各結構材料的工作溫度是否在其許用限值內，是判定容器能否穩定執行熱工設計功能的關鍵因素，所以需要考慮如何實現溫度的測量，判定其是否在許用限值之內。

（3）要驗證容器的熱工設計功能需進行熱傳導試驗。由于熱傳導試驗需要在容器筒體內部放置加熱裝置并布線，加熱管和熱電偶的導線需從容器蓋上引出，容器蓋不能滿足此功能，所以需要重新設計。

1.2.2 結構

根據熱傳導試驗裝置的功能和上述的設計分析，熱傳導試驗裝置的結構如圖1所示。

圖1 熱傳導試驗裝置設計方案

根據設計分析，要完成熱傳導試驗裝置設計，需解決衰變熱的模擬、溫度的測量以及包容邊界密封和散熱功能的驗證。

（1）衰變熱的模擬。在貯存期間，容器內容物會產生衰變熱，為了模擬衰變熱[1]，設計了加熱管組件來模擬真實的燃料組件。

加熱管組件由加熱管、定位板、支撐板組件、管組成。

加熱管采用380V管狀電加熱元件。根據燃料組件所產生的衰變熱等效的熱功率，選擇加熱管。

為了定位和支撐加熱管，設計了定位板和支撐板組件。

由于加熱管是一種線性熱源，為了使散熱均勻，設計了與之配合的管組件。管組件主要由管、支撐板和底板組成。

（2）溫度的測量。為了實現筒體內腔體表面不同位置的溫度測定，實現筒體內腔熱電偶與測點的緊密貼合，配合吊籃接口尺寸，設計了不同類型的熱電偶支架，用于將熱電偶壓緊在筒體內腔上，測定相應位置的溫度。

（3）包容邊界密封和散熱功能的驗證。為實現包容邊界的密封和驗證其導熱功能，同時由于熱傳導試驗需要在容器筒體內部放置加熱裝置并布線，加熱管和熱電偶的導線需從容器蓋上引出，原容器蓋不能滿足此功能，因此設計了熱傳導試驗專用蓋。

為了盡可能地減小熱傳導試驗專用蓋的厚度，節約成本，同時保證容器內熱效應等效。選用了耐高溫纖維針刺毯來作為隔熱層以達到隔熱效果。

熱傳導試驗專用蓋上設置了兩類管口。一類用于連接抽真空和充氦系統以及用于連接壓力表和真空計。另一類用于安裝航空插頭，將加熱管和熱電偶的導線引出，如圖1所示。

2 試驗設計與驗證

2.1 試驗目的

熱傳導試驗，是為了檢驗容器作為運輸容器用時，在正常運輸工況下熱工設計功能能否滿足設計要求；作為貯存容器用時，在正常工況下熱工設計功能能否滿足設計要求。

2.2 驗收準則

根據容器熱工設計特性，其驗收準則為容器各結構的溫度不超過容器相應位置材料的許用限值。

2.3 試驗內容

2.3.1 試驗設施

（1）試驗場地。由于試驗要在環境溫度均勻、試驗空間足夠的條件下進行，為了給試驗提供一個穩定封閉的室內環境。因此，要求房間內表面面積需為容器外表面面積的50倍以上，室內大氣溫度應均勻且不易受室外環境影響。

（2）加熱裝置。試驗時在吊籃的每個貯存套管中放置了電加熱管。為了實現對電加熱管熱功率的測量與調節能力，設置了加熱裝置和調壓器，加熱裝置原理如圖2所示。

圖2 熱傳導試驗原理圖

（3）溫度測量裝置。鑒于試驗時容器內溫度比較高，試驗選用耐高溫、可以實現溫度直接測量的熱電偶作為溫度數據測量元件[2]。

2.3.2 試驗方案

（1）正常運輸工況下熱傳導試驗。當容器作為運輸容器使用時，裝置臥式放置，在容器頂部和底部分別安裝上、下減震器，來模擬裝置在正常運輸工況下的熱傳導試驗。

為保證數據的完整，在每個高度位置周向設置測點，為準確估測環境溫度，并在容器周圍設置環境熱電偶，熱電偶布置示意圖如圖3所示。

圖3 運輸工況熱電偶布置示意圖

（2）貯存工況下熱傳導試驗。當容器作為貯存容器使用時，裝置立式放置（不安裝減震器），來模擬裝置在貯存工況下的熱傳導試驗。

為保證數據的完整，在每個高度位置周向設置測點，為準確估測環境溫度，并在容器周圍設置環境熱電偶，熱電偶布置示意圖如圖4。

圖4 貯存工況熱電偶布置示意圖

（3）試驗步驟。為了盡量模擬容器常規運輸/貯存狀況下的真實工況，首先要對容器進行抽真空，再進行試驗。

首先給電加熱管供電，同時監控所有熱電偶數據和加熱器功率，并調整總加熱功率至所需數值，記錄監測數據。當容器達到傳熱平衡狀態后，記錄N組數據并關閉電源，讓容器自然冷卻至外表面接近室溫，結束試驗。

（4）試驗結果的等效修正。為了得到容器放置在正常工況中的各測量部位的等效溫度，需要對熱傳導試驗測量數據進行修正，修正式如下：

式中，t為環境溫度，℃；Tt，i為修正后各測量位置部件的等效溫度，℃；Ttest，En為試驗中環境平均溫度測量值，℃；Ttest，i為各部位溫度試驗測量值，℃；i為試驗各部位測量序號。

3 結語

本文針對乏燃料貯存運輸容器所需具備的熱傳導功能設計了熱傳導試驗裝置，該裝置的結構設計從衰變熱的模擬、溫度的測量以及包容邊界密封和散熱功能的驗證等多方面綜合考慮，可以有效地模擬乏燃料貯存運輸容器的實際工況，同時兼顧了成本因素，材料選型、結構設計合理，安裝操作便利；同時，對熱傳導裝置進行了試驗方案設計，并給出了試驗的驗收準則、試驗步驟，方案明確詳細、合理可行，可以為以后類似容器提供借鑒。