VVER乏燃料貯存格架與貯運吊籃結構淺析

秦瑋，祁杰

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電是安全、高效的低碳能源，推進沿海建設逐步提高核電在能源供應中的比例，是我國重要戰略。通過在確保安全的前提下積極有序發展核電，實現能源供應多元化，減少對煤炭、進口石油等傳統不可再生化能源的依賴，是響應和落實國家能源發展戰略及核電規劃的具體舉措。同時核電對減少二氧化碳排放，改善環境質量的作用是非常明顯的，為我國實現碳達峰、碳中和目標具有重要意義。隨著我國規模化發展核電，從核電站卸出的乏燃料將大幅增加，核電站產生的乏燃料需要在電站乏燃料貯存水池的乏燃料貯存格架中存放一定時間后進行外運，以保證核電站運行時的乏燃料安全貯存容量。根據我國核燃料閉合循環的核能發展路線，在對乏燃料組件進行后處理工作前，通過乏燃料貯運吊籃對乏燃料接收貯存和轉運，以提高效率匹配乏燃料后處理廠工藝操作的連續性。因此，乏燃料貯存格架和乏燃料貯運吊籃都是保證乏燃料組件安全的重要設備。

1 格架和吊籃設計的安全原則

乏燃料貯存格架和貯運吊籃設計總體安全原則遵循HAF102-2016《核動力廠設計安全規定》、HAD102/15-2021《核動力廠燃料裝卸與貯存系統設計》和EJ/T878-2011《乏燃料離堆貯存水池安全設計準則》中保持燃料次臨界、排出已輻照燃料的余熱和包容放射性物質的總要求。結合乏池環境條件，格架和吊籃設計原則具體體現為如下。

1.1 保持相關安全功能

乏池內貯存燃料組件的格架或吊籃需確保能維持燃料組件安全貯存的功能性要求，具體為：正常貯存狀態、地震工況以及燃料組件及工具跌落工況下，格架或吊籃依賴結構的幾何形狀和材料能夠確保乏燃料的次臨界安全。

1.2 保證燃料組件冷卻能力

格架或吊籃設計應確保所存乏燃料衰變熱的移除能力。通過流道的布置及尺寸保證燃料組件完全由冷卻劑自然冷卻循環冷卻。

1.3 包容放射性物質

防止燃料組件操作中的損壞和貯存時的裸露。燃料貯存小室應按一定柵距垂直排列，頂部應設置導向段便于進行燃料組件的裝卸操作，不應出現燃料組件的卡阻或損壞燃料組件的現象。

1.4 保證結構完整性

防止格架或吊籃結構失效導致違反燃料組件安全貯存準則的結果。格架或吊籃屬于安全相關級設備，抗震等級為1I，在地震情況下須保持結構完整性，地震或燃料組件跌落、吊籃跌落產生的幾何條件變化（含彈性變形）也能夠確保格架或吊籃的次臨界安全以及不影響燃料組件衰變熱的導出。

2 格架結構設計研究

格架為安全相關級設備，最終成型后尺寸的偏差直接影響臨界計算結果，單臺格架的質量重達20t，因此制造中配備特制的工裝以保證高精度要求。本設計中，提出格架總體方案，包含燃料組件貯存單元和密封桶貯存單元，使得電站中格架種類單一，利于制造加工工藝可靠穩定、降低成本。格架為整體呈長方形的金屬貯艙，六角形硼鋼管垂直按照一定柵距排列形成燃料組件貯存小室，2個密封桶貯存小室置于其中（圖1）。

圖1 VVER-1200堆型乏燃料貯存格架

2.1 外圍框架

外圍框架采用支承柱、圍板和支承板焊接而成，作為格架的主要承載結構，應具備足夠的強度抵抗因水隙小帶來的較大載荷，為提升整體連接剛度從而減小彈性變形，結構上采用全焊透等強的連接方式。

圍板的尺寸對抗震分析和制造難度有較大的影響，通過增設中部支承板將圍板由一張整板變為兩張板，圍板中心應力下降了18%；單塊圍板的焊接長度也大大減小，利于控制焊接變形。中部支承板可視為框架中間的“加強筋”，對與之相鄰的六角形硼鋼管起到限位作用，在密封桶貯存小室中作為密封桶的中部支撐，為密封桶的力學評定提供了有利條件。

2.2 燃料組件貯存小室

格架中子吸收材料選用的六角形硼鋼管為含硼的鐵素體不銹鋼，焊接后會出現材料脆化現象，為了避免脆化發生，硼鋼管的固定采用銷釘結構。為保證燃料組件的次臨界安全，須精準控制燃料組件貯存小室之間的柵距，由于硼鋼管厚度的偏差，采用2個連接塊之間增加調整墊板（圖2），加工一系列厚度的調整墊板，根據實際組裝間距選用。

圖2 燃料組件貯存小室

每根硼鋼管對應下支承板位置設置流道，保證冷卻劑自下而上自然循環實現燃料組件衰變熱的導出。

2.3 破損燃料密封桶貯存小室

采用在燃料組件貯存小室之間嵌入2個密封桶貯存小室實現格架種類唯一。密封桶內使用與燃料組件貯存小室所用的同規格中子吸收材料，且與燃料組件貯存小室之間間距大于燃料組件貯存小室之間柵距，因此，破損燃料組件臨界安全可以得到很好保證。

密封桶小室結構應確保裝載的密封桶得到最大化冷卻。下支撐板位置的6個流道分別為密封桶6個換熱管束提供冷卻劑循環的保障（圖3）。

圖3 破損燃料密封桶貯存小室

2.4 “可拆卸式”支撐結構研究

格架支撐結構位于格架本體下方，承受格架的自重載荷及地震載荷。我國“華龍一號”核電站的格架均采用直接座落在乏池底面、無任何機械連接的調整支腿結構，在地震工況下，格架的布置間距保證相鄰格架或格架與池壁不發生碰撞。在VVER堆型里，格架質量較大且布置間距較小，自由座落的方式將導致碰撞的可能，因此，采用支撐結構與池底固定連接的方式，降低碰撞風險。

燃料組件抽插對格架貯存小室的垂直度有較高的要求，垂直度通過制造和安裝控制。格架支撐結構為了實現調節功能在支架基礎上增加調整螺紋。支架由若干支撐管和板焊接而成，支撐管的數量和布置對單臺格架的抗震分析有明顯的影響。

調整螺紋布置在支架的下方，并且采用插接的形式連接（圖4），這種“可拆卸式”支撐結構能夠實現必要時的移出需求。在保證抗震需求的前提下，減小支架連接板寬度，為FAK管道預留空間。

圖4 VVER-1200型號格架支撐結構

3 吊籃結構設計分析

目前，針對四邊形燃料組件的貯運吊籃已經完成科研樣機的驗收工作，而對于六邊形燃料組件的吊籃仍處于國內空白階段。本章節以VVER格架的結構為基礎，淺析六邊形燃料組件吊籃結構設計方案。

吊籃中燃料組件貯存小室延續格架的結構設計，六邊形硼鋼管作為功能性材料，采用銷釘連接并通過不同厚度的墊板控制柵距。為了滿足起吊重量限制要求，單吊籃中含7個燃料貯存單元，整體呈圓形陣列。上支撐板采用方形板將貯存單元陣列與外圍框架連接，上支撐板設有吊裝孔用于吊籃自動操作裝置對吊籃的起吊運輸操作。相較于格架，吊籃的高徑比較大，可使用四邊形燃料組件貯運吊籃的“燕尾槽”結構防止地震工況下吊籃的傾翻，同時與吊籃水下自動運輸小車的接口相匹配。

本文所屬格架底部支撐結構不適用于需要移動的貯運吊籃，參考“華龍一號”核電站中格架的自由座落在乏池底面、無任何機械連接的調整支腿結構（圖5），既能保證吊籃整體吊運，又具備安裝調試階段吊籃垂直度調節功能。

圖5 調整支腿結構

4 結語

福島事故后，核安全監管機構更加重視乏燃料水池的安全問題。乏燃料貯存格架或吊籃安全性、乏燃料水池的補水能力以及維修的可行性成為核安全監管機構重點關注的問題。本文基于乏燃料貯存的總體安全原則，提出了燃料組件貯存小室和密封桶貯存小室于一體的單一化格架結構方案，有效提升了格架的抗震能力，開發了一種“可拆卸式”的格架支撐結構及配套的安裝工藝。針對貯運吊籃的功能要求和需求，結合六角形燃料組件貯存格架的結構方案，提出了吊籃的燃料貯存單元、整體框架和支撐結構的設計方案，為六角形燃料組件離堆貯存提供設計思路,也為未來更新、更具競爭力的產品開發提供了技術參考。