核电站高密度交联聚乙烯高完整性容器抗跌落和贯穿的安全评估

刘 峰，刘夏杰，吕永红

(中广核研究院有限公司 环境工程中心，广东 深圳 518034)

0 前言

随着我国能源需求的不断增长和国民对环境保护认识的不断提高，核能作为一种高效清洁能源，近年来发展十分迅速。如今，我国已成为在核能领域发展最迅速的国家之一，相对而言我国的核废料处理能力还不能满足核能产业的发展需要，尤其是带有中低放射性的核废料的处理效率亟待提高。目前，国际上对于中低放射性核废料的处理，通常需要固化减容、隔离放置与地下深埋3个阶段，处理过程中核废料的储运安全与储运容器的轻量化是提高处理效率的关键因素。

随着塑料工业的不断发展，20世纪开始70年代日、法、德等国家将高密度聚乙烯(PE-HD)应用于核工业领域。80年代美国ES公司制造的PE-XHD-HIC开始投入使用，至今已使用30多年[1-2]。近年来，随着我国核工业的快速发展以及对于核废料处理的迫切需要，国产PE-XHD-HIC开始应用于核电站废弃的树脂、活性炭、过滤芯等中低放射性核废物的装运和储存[3]。HIC主要由容器、顶盖、密封圈、内置脱水构件、排水阀、泡沫材料、吊篮等构成。HIC容器通常采用滚塑工艺制备，在容器的喉部安装密封圈，成型过程中通过压缩使顶盖和密封圈与紧密结合形成密闭结构。HIC具有良好的密封性和使用强度，但是填装核废物的容器在装输和存放过程中会出现由于非主观因素导致跌落与异物贯穿等事故，因此需要验证其在跌落和异物贯穿时的安全性能。

1 跌落模拟

本文采用非线性动力分析为主的LS-DYNA有限元软件建立HIC模型并模拟其跌落冲击过程，以验证PE-XHD-HIC在出现事故工况时的安全性。对容器倾斜45 °自由下落至刚性平板的典型工况进行仿真模拟，模型底部的最低点离刚性平板上的表面高度为1.2 m。

1.1 有限元模型

首先，设置有限元模型的参数单位，其中质量单位为t，长度单位为mm，时间单位为s，应力单位为MPa，力的单位为N，能量单位为10-3J，速度单位为mm/s，加速度单位为mm/s2。

采用有限元构建的HIC模型的主体结构包括：容器、顶盖、吊篮和内容物，如图1所示。其中，容器的高度为1 854 mm，直径为1 524 mm，厚度为13 mm。实际情况中，跌落时内容物的质量与重心对跌落冲击过程有明显影响，本模型选用等效密度为1.6 g/cm3的沙子作为内容物。采用的模拟方法为无网格技术中的光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)。

分析跌落冲击过程时，模型的自由跌落过程由于不会对模型产生影响因此可以忽略这一过程，直接赋予模型在1.2 m自由落体过程后获得的速度4.85 m/s。

图1 PE-XHD-HIC跌落模型Fig.1 Drop model of PE-XHD-HIC

1.2 网格处理

PE-XHD-HIC的主体结构的网格化情况如图2所示，分别对容器、吊篮和顶盖进行局部网格化处理。划分网格后的总装模型中各部件依照实际连接关系进行装配，各部件间不存在干涉现象。模型采用了壳单元、实体单元对各部分主体结构进行网格划分，其中内容物采用无网格SPH算法进行处理，无需进行网格划分，由SPH节点代替。

(a)容器部分 (b)吊篮结构 (c)顶盖图2 各部分结构有限元网格划分Fig.2 Mesh elements of each part structure

1.3 材料参数的定义

对10种不同型号的PE-XHD材料进行拉伸试验，得到不同型号PE-XHD的应力 - 应变曲线，试验结果如图3所示。10种型号的PE-XHD材料中，平均屈服强度为22.75 MPa，拉断时破坏应变最小为137 %，为了设计安全考虑，依照应变失效准则，本文选取断裂应变为137 %。吊篮采用含碳量为0.2 %低碳钢No.20钢制备，其性能参数如表1所示。

核废料等容器内容物在有限元模拟中采用SPH粒子来模拟，沙子与流体如水等均有一定流动特性，因此SPH粒子的材料属性可以由本构关系方程(*MAT_NULL)与压力相关状态方程(*EOS_GRUNEISEN)共同模拟。

表1 20#钢性能参数Tab.1 Properties of Steel No.20

●—LS-1 ◆—LS-2 ▲—LS-3 ▼—LS-4 ◆—LS-5 ◀—LS-6 ▶—LS-7 ●—LS-8 ●—LS-9 ●—LS-10图3 PE-XHD的应力 - 应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of PE-XHD

压缩材料压力：

+(γ0+aμ)E

(1)

膨胀材料压力：

P=ρ0C2μ+(γ0+aμ)E

(2)

式中vs——冲击波速度

vp——粒子速度

C——vs-vp曲线的截距

S1、S2、S3——vs-vp曲线的斜率系数

γ0——Gruneisn常数

a——γ0的一阶体积校正系数

其中：

μ=ρ/ρ0-1

(3)

式中ρ0——初始密度

ρ——当前密度

本次有限元模拟中沙子的材料参数见表2(单位采用t-mm-s制)。

表2 沙子的材料性能参数Tab.2 Sand properties

1.4 装配关系定义

本次模拟仿真试验中PE-XHD-HIC涉及的主要部件包括容器、顶盖和吊篮三者的装配关系在实际情况的基础上做一定简化处理。

容器和顶盖间实际采用压紧密封圈实现紧密结合，由于模拟试验中只模拟HIC底部承受冲击的情况，顶部结构对跌落冲击过程产生的影响微乎其微，因此模式试验中将容器与顶盖的连接简化为绑定接触形式连接，这种连接方式是不可脱落的。

吊篮与容器的接触方式采用的是面 - 面接触的方式。吊篮本身的钢片与上部盖板的连接方式在实际情况中使用的是螺栓连接，由于螺栓连接不影响容器与吊篮的相互作用，可以把螺栓去掉，将吊篮本身的钢片与吊篮盖板的连接方式简化为绑定接触。

1.5 跌落实验结果分析

图4为HIC模型系统的跌落仿真全局能量特性曲线，图中曲线1表示系统动能，曲线2表示系统内能，曲线3表示系统总能量等于系统动能和系统内能的总和。从图中可以看出，随时间推移系统动能减少，内能增加，系统总能量逐渐增加，这是由于跌落撞击过程中由于系统受到地面阻力作用，动能减少并发生形变，动能和重力势能转化为内能导致系统内能增加。由图5整体重心y向位移曲线可以看出，在0.22 s时系统重心达到最低点，这时系统重力势能不再减少，系统内能与动能之和也达到最大值。此时应力云图见图6。

■—系统内能 ●—内能 ▲—总能量图4 全局能量特性曲线Fig.4 Global energy characteristic curve

图5 整体重心y向位移曲线Fig.5 Whole center of gravity y- direction displacement curve

(a)容器的等效应变云图 (b)容器的等效应力云图图6 计算结果云图Fig.6 Contours of the results

从计算结果云图中可以看出，跌落到0.25 s时HIC所承受的最大应力小于材料的强度极限22.75 MPa，撞击过程中容器会进入塑性阶段，发生塑性变形，其最大等效应变为125 %，小于PE-XHD材料的极限应变137 %，因此结构安全可靠。当吊篮的应力达到屈服应力进入塑性阶段时，容器顶盖仍然在弹性范围以内。

2 PE-XHD-HIC贯穿模拟

本文还对HIC进行了5.0 m贯穿模拟仿真分析，PE-XHD-HIC的贯穿模型如图7所示。贯穿钢棒直径为3.2 cm，长度为266 mm，一端呈半球形、质量为6 kg。钢棒自由下落并沿着垂直方向落在模型最薄弱部分的中心位置，考虑到钢棒的刚度相对于容器的刚度大很多，因此为了简化计算可以把钢棒设为刚性体。

图7 贯穿模型Fig.7 penetration model

图8为HIC模型系统的贯穿全局能量特性曲线，从图中可以看出，能量变化可分为3个阶段:第一阶段系统总能量增加，动能增加，内能为零，这是由于系统受到冲击时重心位置首先向下偏移，重力势能减少导致系统动能增加；第二阶段系统由于阻力做功产生形变，因此总能量、动能和内能均增加；第三阶段由于系统动能和重力势能不断转化为弹性势能，最终引起系统振动，因此系统能量随重心位置开始振荡变化。由图9冲击棒的速度响应曲线可知，冲击棒的速度先延y轴负方向增加，然后降低，冲击棒速度在0.25 s附近变为零后又延y轴正方向增加，然后又降低至零点后开始延y轴负方向增加，往复这一过程表明系统能量变化与冲击棒速度变化和系统重心位置的上下变化一致。

■—系统动能 ●—系统内能 ▲—总能量图8 贯穿全局能量特性曲线Fig.8 Global energy characteristic curve

如图9所示，在 0.248～0.256 s之间冲击棒的速度变为零，此时冲击力达到最大值，容器承受的应力最大，也是最危险的状态。

如图10贯穿仿真部分结果云图所示，冲击过程中容器所承受的最大应力为20.04 MPa，小于PE-XHD的屈服应力22.75 MPa；最大平均应变为72.9 %，小于PE-XHD的极限应变137 %，容器不会被贯穿，因此设计满足安全性能要求。

图9 冲击棒的速度响应曲线Fig.9 Velocity response curve of the impact bar

3 结论

(1)针对PE-XHD-HIC及其相关部件在跌落、贯穿条件下进行应力应变分析，基于对其应力应变的保守估计，建立载荷模型；结构的最大许用应力数据来自国产PE-XHD的测试结果，模拟的计算结果能够进一步支撑国家标准的建立；

(2)利用非线性动力分析软件 LS-DYNA模型跌落和外物贯穿两种典型工况，仿真结果显示：填满90 %沙子的容器进行1.2 m跌落，吊篮与容器均会发生塑性变形，容器不会破坏发生泄露，容器安全可靠；刚棒5 m贯穿填满90 %沙子的容器，也不会将其穿破，容器是安全的；

(a)容器等效应力云图 (b)容器等效应变云图图10 仿真计算应力应变云图Fig.10 Contours of simulation results

(3)在国产PE-XHD的材料性能基础上，国产PE-XHD-HIC的使用性能完全能够达到国家标准[4-5]关于整体容器的自由落体、贯穿性能要求，能够适应核电站的特殊工况的要求和运输过程中的工况要求[6]。

参考文献：

[1] JOSEPHSON W S. High Integrity Container Evaluation for Solid Waste Disposal Burial Containers[J]. Office of Scientific & Technical Information Technical Reports，1996.

[2] 罗上庚，张传智，邵辅义，等. 低、中放固体废物包装容器[J]. 原子能科技技术，1998，22(6)：692-692.

LUO S G, ZHANG C Z, SHAO F Y, et al. Low and Middle Solid Waste Packaging Containers[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1988, 22(6): 692-692.

[3] 沈佳敏. 核电站放射性固废容器实现国产[N]. 中国能源报，2016-08-22(12).

[4] 国家技术监督局. GB 12711—91低、中水平放射性固体废物包装安全标准[S]. 北京：中国标准出版社，1991-01-28.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB 11806—2004放射性物质安全运输规定[S]. 北京：中国标准出版社，2004-10-14.

[6] SUZUKI O，ISHIZAKI K，OZAWA D S. Process for Producing a High Integrity Container: US4687614[P]. 1987.