壓水堆核燃料組件壓緊系統(tǒng)研究進(jìn)展

李 蓓 黃春蘭 唐 楊

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都 610213)

壓緊系統(tǒng)是核燃料組件的重要結(jié)構(gòu)部件,壓緊系統(tǒng)的出現(xiàn)主要?dú)w因于壓水堆中冷卻劑的流動(dòng),并與燃料組件的鋯合金骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。壓緊系統(tǒng)的功能是平衡水力提升力以防止燃料組件向上竄動(dòng),并補(bǔ)償燃料組件與堆內(nèi)構(gòu)件間的熱膨脹差和燃料組件鋯合金結(jié)構(gòu)輻照生長帶來的自身高度變化[1]。隨著壓水堆核燃料組件技術(shù)的不斷發(fā)展,針對壓緊系統(tǒng)的研究一直都在進(jìn)行,形成了各具特色的燃料組件壓緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)體系。為滿足新型燃料組件的研發(fā)需求,對已開展的壓緊系統(tǒng)相關(guān)研究進(jìn)行系統(tǒng)分析,總結(jié)世界上主要核電研發(fā)機(jī)構(gòu)在商用壓水堆核燃料組件壓緊系統(tǒng)方面的研究情況及結(jié)果,以為相關(guān)研究者提供參考。

1 壓緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

1.1 結(jié)構(gòu)形式與應(yīng)用

壓緊彈簧是壓緊系統(tǒng)的主要功能件,主要有螺旋彈簧和板彈簧兩種結(jié)構(gòu)形式,二者都具有較為廣泛的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

板彈簧壓緊系統(tǒng)主要由四組安裝在上管座頂部的板彈簧及其固定結(jié)構(gòu)組成（見圖1）。板彈簧通常采用鎳基高溫合金（Inconel 718/ GH4169）材質(zhì),并通過壓緊螺釘或銷釘進(jìn)行固定。若板彈簧采用壓緊螺釘壓緊固定,壓緊螺釘材質(zhì)通常與板彈簧相同；若板彈簧采用銷釘或螺釘與壓蓋等結(jié)構(gòu)聯(lián)合固定,銷釘或螺釘通常采用不銹鋼材質(zhì)。采用板彈簧壓緊系統(tǒng)的燃料組件主要以法國FRAMATOME 公司（后名AREVA 公司）和美國西屋公司研發(fā)的多種17×17 型燃料組件為代表,前者包括AFA 系列組件（含多個(gè)型號）、HTPLE 組件、U.S.EPR 組件、GAIA組件等燃料組件,后者有SFA 組件、OFA 組件、VANTAGE 組件、PERFORMANCE 組件、ROBUST 組件等燃料組件。我國近年研發(fā)的用于大型商用壓水堆的CF系列組件、STEP 系列組件等燃料組件也采用板彈簧壓緊系統(tǒng),以及日本三菱重工開發(fā)的US-APWR 堆燃料組件、韓國的ACE7 燃料組件等也采用了該類設(shè)計(jì)。

圖1 典型的板彈簧壓緊系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)

螺旋彈簧壓緊系統(tǒng)主要由若干螺旋彈簧、彈簧導(dǎo)桿及相關(guān)固定結(jié)構(gòu)組成（見圖2）。螺旋彈簧采用鎳基高溫合金（Inconel 718/ GH4169）或不銹鋼材質(zhì),相關(guān)固定結(jié)構(gòu)一般采用不銹鋼。采用螺旋彈簧壓緊系統(tǒng)的燃料組件以俄羅斯用于VVER 型反應(yīng)堆的UTVS 組件、FA-2 組件和FA-2M（TVS-2M）組件等六角形燃料組件為代表,我國上海核工程研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)開發(fā)的秦山一期核電廠用FA300 燃料組件采用了螺旋彈簧壓緊系統(tǒng),西屋公司開發(fā)的CE16NGFTM 組件、韓國的PLUS7 組件和HIPER16 組件等也采用了該類設(shè)計(jì)。

圖2 典型的螺旋彈簧壓緊系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)

方形布置的燃料組件多數(shù)采用板彈簧壓緊系統(tǒng)、少部分采用螺旋彈簧壓緊系統(tǒng)；六邊形布置的燃料組件都采用了螺旋彈簧壓緊系統(tǒng)、且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于螺旋彈簧在各行業(yè)均有廣泛應(yīng)用,相比板彈簧壓緊系統(tǒng)而言,無論是在性能分析或是制造工藝、試驗(yàn)測試等方面的技術(shù)都更加成熟。但在相同壓緊力需求下,采用螺旋彈簧比板彈簧需要更大的軸向結(jié)構(gòu)空間,因而多數(shù)燃料組件采用板彈簧壓緊系統(tǒng),本文后續(xù)章節(jié)所述研究內(nèi)容也主要集中在板彈簧壓緊系統(tǒng)方面。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

在技術(shù)發(fā)展過程中,基于燃料組件的堆內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn),對壓緊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn),優(yōu)化彈簧性能和改善運(yùn)行中燃料組件出現(xiàn)的問題。改進(jìn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

1.2.1 彈簧組結(jié)構(gòu)與參數(shù)改進(jìn),包括增加彈簧數(shù)量、增加彈簧組壓縮行程、調(diào)整板彈簧片之間的接觸狀態(tài)等,從而獲得滿足使用需求的壓緊力。

1.2.2 彈簧結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化改進(jìn),如根部無折彎板彈簧、板彈簧厚度減薄、螺旋彈簧絲徑調(diào)整等,通過改進(jìn)使得在滿足結(jié)構(gòu)相容性要求的同時(shí)可獲得最佳的壓緊力,并優(yōu)化彈簧應(yīng)力狀態(tài)。

1.2.3 彈簧組安裝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：對板彈簧而言目前主要有壓緊螺釘直接擰緊固定、螺釘或銷釘與上管座開槽及壓蓋等結(jié)構(gòu)配合固定兩種方式,螺旋彈簧的安裝結(jié)構(gòu)主要由彈簧導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)和相關(guān)固定結(jié)構(gòu)組成,并根據(jù)需要在彈簧外設(shè)置外殼以增加抗磨蝕性能。

2 壓緊系統(tǒng)特性分析研究

2.1 力與變形特性

韓國原子能研究院的Kee Nam Song 等人采用應(yīng)變能理論對兩種典型結(jié)構(gòu)的彈簧TT-HDS 和TW-HDS（見圖3）分區(qū)段進(jìn)行了特性分析,并推導(dǎo)出了線彈性情況下的板彈簧剛度計(jì)算公式[12]。分析中主要考慮了彈簧工作在線彈性階段,沒有考慮彈簧實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的塑性變形。

圖3 TT-HDS 和TW-HDS 板彈簧外形結(jié)構(gòu)

法國FRAMATOME 公司Dr Bérenger d′Uston 提出板彈簧特性分析中應(yīng)考慮彈簧的大變形和大轉(zhuǎn)角特性、彈塑性材料特性以及帶滑移和摩擦的接觸,可更真實(shí)的模擬板彈簧壓緊系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)[13]。分析時(shí)首先假設(shè)板彈簧平面對稱的平面應(yīng)力問題,通過計(jì)算局部的彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變獲得總的局部應(yīng)變,然后根據(jù)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得局部的真實(shí)應(yīng)力。彈簧組內(nèi)的彈簧相互之間考慮接觸時(shí),上堆芯板和頂部彈簧片之間采用圓弧和直線的接觸進(jìn)行模擬,頂部彈簧片和下部彈簧片之間采用點(diǎn)和直線的接觸進(jìn)行模擬,下部彈簧片之間采用線段和直線的接觸進(jìn)行模擬。圖4 給出了力-變形的計(jì)算曲線與實(shí)測曲線的對比,可知采用該方法能使板彈簧特性分析更加準(zhǔn)確。

圖4 板彈簧組力- 變形特性的計(jì)算曲線與實(shí)測曲線對比

韓國的Jeong Sik Yim 等提出采用有限元方法（ANSYS）分析壓緊板彈簧的非線性特性,包括力-變形關(guān)系、應(yīng)力分布[14]。基于分析結(jié)果,對板彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。對包含2～4 片板彈簧的彈簧組進(jìn)行建模,分析彈簧組特性。分析時(shí)考了彈簧片間及彈簧片與安裝結(jié)構(gòu)間的摩擦力,并考慮不同的邊界條件和加載狀態(tài)。為了滿足燃料組件燃耗擴(kuò)展需求,通過降低上管座高度來增加燃料棒與上管座間的間隙,以為燃料棒輻照生長提供更大的軸向空間。為此,對壓緊彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),采用了根部無折彎的直臂彈簧結(jié)構(gòu)（見圖5）,該結(jié)構(gòu)彈簧具有更好的線性特征。從應(yīng)力分布可知,根部折彎的板彈簧最大應(yīng)力發(fā)生在根部折彎區(qū)域,該應(yīng)力超過了彈簧材料的屈服強(qiáng)度,從而導(dǎo)致彈簧片進(jìn)入塑性狀態(tài)呈現(xiàn)非線性行為,設(shè)計(jì)中需要盡可能避免。

圖5 含3 片直臂彈簧的板彈簧組有限元分析模型

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院蒲曾坪等研究了板彈簧壓緊系統(tǒng)運(yùn)行過程中的非線性特點(diǎn),包括結(jié)構(gòu)非線性、幾何非線性、材料非線性和輻照效應(yīng)等特點(diǎn),并進(jìn)行非線性數(shù)值模擬分析[15]。在非線性特征數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,蒲曾坪等進(jìn)一步提出了設(shè)計(jì)應(yīng)對措施,并對壓緊系統(tǒng)性能評價(jià)方法進(jìn)行了探討[16]。

表1 多種商用壓水堆燃料組件的壓緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征匯總[2～11]

2.2 輻照松弛特性

板彈簧在堆內(nèi)受到快中子照射會(huì)出現(xiàn)輻照松弛現(xiàn)象,使得彈簧壓緊力不斷減小,在壓緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要考慮輻照松弛對壓緊力的影響。

西屋公司開展了板彈簧的輻照松弛研究,通過輻照試驗(yàn)獲得了Inconel 718 板彈簧輻照松弛特性曲線。FRAMATOME 公司進(jìn)行了板彈簧的輻照松弛特性研究,通過輻照數(shù)據(jù)獲得了AFA3G 板彈簧的輻照松弛規(guī)律。

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院張林等人總結(jié)了典型的板彈簧壓緊系統(tǒng)的輻照松弛規(guī)律,通過堆芯燃料管理確定的對應(yīng)燃耗下的快中子注量可計(jì)算出板彈簧在壽期內(nèi)的輻照松弛率[1]。

2.3 應(yīng)力腐蝕特性

板彈簧材料（Inconel 718 合金）在反應(yīng)堆冷卻劑介質(zhì)中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）現(xiàn)象。

西屋公司采用有限元方法（ANSYS）對板彈簧進(jìn)行了應(yīng)力分析,評價(jià)其應(yīng)力腐蝕開裂問題,并基于西屋公司的標(biāo)準(zhǔn)17×17 型燃料組件壓緊板彈簧的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定了板彈簧應(yīng)力腐蝕開裂的臨界水平限值。

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院陳亮等對Inconel 718 合金壓緊彈簧應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力閾值進(jìn)行了研究[17]。研究表明采用適當(dāng)?shù)臒崽幚頃r(shí)效工藝,可改善Inconel 718 合金對壓水堆一回路水質(zhì)條件的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。為防止鎳基合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）,其承受的應(yīng)力不應(yīng)超過合金屈服強(qiáng)度的75%～80%。

2.4 特性分析模型與方法

針對商用有限元軟件對板彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)能力有限的問題,中廣核研究院有限公司金淵開展了燃料組件壓緊板彈簧的剛度分析模型研究[18]。通過對單片板彈簧受壓條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?將板彈簧葉片劃分為4 段（見圖6）。對圖中分析幾何模型中的4 個(gè)歐拉梁單元,通過撓度控制方程推導(dǎo)變厚度梁單元的剛度矩陣,建立了剛度求解的理論分析模型。通過改變板彈簧葉片的主要設(shè)計(jì)參數(shù),評估各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對板彈簧剛度的影響,進(jìn)而對板彈簧剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖6 板彈簧葉片剛度分析幾何模型

針對板彈簧壓緊系統(tǒng),中廣核研究院有限公司任啟森開展了剛度模型研究[19]。基于懸臂梁小撓度變形理論,建立了變厚度板彈簧剛度計(jì)算的簡化模型,并研究了主要參數(shù)對板彈簧剛度的影響。為實(shí)現(xiàn)燃料組件壓緊力的準(zhǔn)確預(yù)測,中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院王浩煜等基于板彈簧精細(xì)化結(jié)構(gòu)模型,考慮輻照對材料塑性和蠕變的影響,建立了板彈簧壓緊系統(tǒng)壓緊力計(jì)算的數(shù)字模擬方法,相關(guān)對比驗(yàn)證表明該數(shù)字模擬方法具有一定合理性和準(zhǔn)確性[20]。

3 壓緊力計(jì)算分析研究

3.1 分析方法

從方法上講,燃料組件壓緊力計(jì)算方法可分為確定論方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。目前壓緊力分析主要采用確定論法,其分析結(jié)果的保守性很大。在采用確定論方法驗(yàn)證分析出現(xiàn)壓緊力裕量不足后,AREVA 公司提出采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行壓緊力驗(yàn)證[21],即采用方和根法考慮各變量的不確定性,并將該方法運(yùn)用在芬蘭的OL3 EPR 設(shè)計(jì)中。NRC 于2005 年批準(zhǔn)采用“方和根”的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行壓緊系統(tǒng)驗(yàn)證。AREVA 用此方法對EDF 反應(yīng)堆AFA 3G 燃料組件和嶺澳AFA 3GAA 燃料組件進(jìn)行過評價(jià)。

韓國的Sang Youn Jeon 等研究了蒙特卡洛方法用于壓水堆燃料組件壓緊力分析的裕量,根據(jù)對比分析確定論方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的壓緊力計(jì)算結(jié)果,提出蒙特卡洛法的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可以提供更多的壓緊力裕量[22]。針對實(shí)際工程項(xiàng)目中出現(xiàn)壓緊力裕量不足的問題,中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院張林等對壓緊力計(jì)算方法進(jìn)行了初步研究[1],包括確定論法、平方和開根法的統(tǒng)計(jì)法（RMS）和蒙特卡洛分析方法。分析認(rèn)為造成壓緊力不足的主要原因?yàn)榉治龇椒ㄟ^于保守。

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院李云等開展了統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在燃料組件壓緊驗(yàn)證中的應(yīng)用研究[23]。研究了方和根統(tǒng)計(jì)法計(jì)算不確定性及其在壓緊系統(tǒng)分析中的適用性,結(jié)果表明,采用方和根法計(jì)算所得壓緊力及壓緊裕量遠(yuǎn)大于采用傳統(tǒng)的確定論法對應(yīng)的值,燃料組件可以得到可靠的壓緊。

3.2 分析程序

燃料組件壓緊力的影響因素眾多,為計(jì)算燃料組件壓緊力,通常需要建立專用軟件進(jìn)行分析。針對AFA 2G燃料組件的板彈簧壓緊系統(tǒng),FRAMATOME 公司研究開發(fā)了SYSMA 程序,用于分析計(jì)算燃料組件壽期內(nèi)的壓緊力。隨著研究開發(fā)的深入和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,在針對AFA3G 燃料組件的SYSMA 程序中,引入了試驗(yàn)獲得并修正后的彈簧冷態(tài)剛度特性,使計(jì)算結(jié)果更加接近于實(shí)際情況并具有足夠的保守性。采用SYSMA 程序分析驗(yàn)證壓緊功能時(shí),考慮了很大的保守性。AFA 3GAA 燃料組件采用了與AFA 3G 燃料組件完全相同的壓緊系統(tǒng),采用確定論方法進(jìn)行壓緊力設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí),出現(xiàn)了壓緊力裕量不滿足準(zhǔn)則要求的問題。通過研究修改了保守的驗(yàn)證方法,并提出了新的驗(yàn)證接收準(zhǔn)則,從而保證了原有壓緊系統(tǒng)仍滿足壓緊功能驗(yàn)證要求。針對AP1000 燃料組件板彈簧壓緊系統(tǒng),西屋公司開發(fā)了TNHDF 程序,用于分析計(jì)算燃料組件壓緊力。該程序可以計(jì)算AP1000燃料在每種流動(dòng)工況、每個(gè)循環(huán)初與循環(huán)末的最小壓緊余量,計(jì)算時(shí)考慮了燃料芯塊密度變化帶來的燃料組件質(zhì)量不確定性。與AFA 3G 燃料組件壓緊力計(jì)算一樣,該程序也采用了試驗(yàn)獲得的板彈簧冷態(tài)剛度特性作為計(jì)算輸入。AP1000 組件采用的壓緊力裕量與AFA 2G/3G 組件早期使用的壓緊力裕量相當(dāng),采用該裕量進(jìn)行驗(yàn)證,其壓緊力仍有較大余量。近年,中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院針對主自研發(fā)的17×17 型壓水堆核電燃料組件,開發(fā)了HOFA 程序,用于分析計(jì)算燃料組件壓緊力。該程序綜合考慮了輻照生長、輻照松弛、熱膨脹等效應(yīng),能夠采用確定論計(jì)算方法、均方根方法計(jì)算出燃料組件在每個(gè)輻照循環(huán)中的壓緊力情況。該程序還考慮了采用蒙特卡洛方法分析壓緊力的可能。

4 總結(jié)與建議

壓緊系統(tǒng)是核反應(yīng)堆燃料組件的重要結(jié)構(gòu)部件,主要有板彈簧壓緊系統(tǒng)和螺旋彈簧壓緊系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)形式。針對壓緊系統(tǒng)的研究一直都在不斷進(jìn)行,其主要目的都是為了更好地滿足燃料組件的壓緊功能需求和減小對燃料組件的不利影響,歸結(jié)起來主要有以下幾方面：

4.1 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,在板彈簧局部結(jié)構(gòu)及參數(shù)、彈簧安裝結(jié)構(gòu)、彈簧組組合參數(shù)等方面進(jìn)行了改進(jìn),以達(dá)到改善應(yīng)力分布、降低輻照松弛、優(yōu)化燃料組件壓緊力、增強(qiáng)抗磨蝕能力等目的。

4.2 壓緊彈簧特性分析研究主要包括采用力學(xué)理論分析研究和有限元分析研究。基于基礎(chǔ)力學(xué)理論的分析主要針對板彈簧的線彈性特性,利用變形能理論、應(yīng)力-應(yīng)變理論分析板彈簧力-變形特性（即剛度）；通過采用有限元方法和借助計(jì)算機(jī)程序輔助分析彈簧的剛度特性和應(yīng)力分布等,使分析越加成熟并更符合實(shí)際應(yīng)用情況,并建立了相應(yīng)的分析模型和數(shù)值模擬方法。

4.3 壓緊彈簧特性試驗(yàn)研究主要包括剛度、應(yīng)力腐蝕、輻照松弛等方面的試驗(yàn),通過試驗(yàn)獲得壓緊彈簧的相關(guān)性能。試驗(yàn)往往是對設(shè)計(jì)及理論分析的進(jìn)一步驗(yàn)證,在當(dāng)前的技術(shù)水平下某些特性必須通過試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)才能獲得。

4.4 燃料組件壓緊力分析計(jì)算方法由早期的確定論法到后續(xù)的蒙特卡洛法,分析結(jié)果朝著更加準(zhǔn)確方向發(fā)展,并采用更加合理的壓緊力裕量限值。無論采用何種方法,通常都開發(fā)了專用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)壓緊力的計(jì)算。

壓緊彈簧的輻照松弛特性與堆內(nèi)所受的中子輻照相關(guān),是研究的難點(diǎn)之一,需要依靠一定樣品數(shù)量的輻照試驗(yàn)才能獲得,目前尚未建立理論分析方法,特別是板彈簧的輻照松弛,后續(xù)在相關(guān)輻照試驗(yàn)基礎(chǔ)上需進(jìn)一步開展這方面的研究工作。