海洋环境下浮动核电站堆内燃料组件结构安全分析

梁双令，吴婉烨

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

燃料组件作为反应堆内的核心部件[1]，其结构安全至关重要。与陆上核电站相比，海洋环境下的船体随机运动响应对浮动核电站堆内燃料组件的结构安全十分不利，尤其是当需要在海上进行换料作业时。目前，我国尚未有浮动核电站投入实际运行，因此针对海洋环境下浮动核电站堆内燃料组件的结构安全分析，仍需借鉴陆上核电站在该方面的研究成果。

许多学者针对陆上核电站堆内燃料组件的结构力学性能进行了研究。陈杰等[2]采用计算流体力学方法，系统研究了燃料组件格架几何建模和网格划分对其搅混性能的影响。杜修力等[3]基于试验测定的燃料组件非线性动力特性，提出了考虑摩擦、滑移和碰撞因素的燃料组件地震反应分析方法。谢永诚等[4]在多年响应分析和试验研究的基础上，对燃料组件在地震和失水工况下的结构动力响应进行了详细而又系统的分析与评定。王万惠等[5]采用流固耦合问题中的附加质量计算方法，研究了浸没在液态钠中的快堆燃料组件在地震作用下发生振动时的结构损坏或变形。鲁剑超等[6]采用计算流体力学方法，针对绕肋结构和组件围筒结构进行多方案论证，分析结果表明，对燃料组件围筒设置塞条结构，可大幅减小组件截面温差，进一步对组件围筒采用倒圆角结构，可使组件截面温差满足设计要求。

海洋核动力平台作为我国首座浮动核电站示范工程，需确保在海洋环境下平台堆内燃料组件的结构安全，同时为缩短换料周期和保持能源持续供给，需对平台实施海上换料作业的可行性进行论证。因此，首先对在换料工况下的平台进行水动力学分析，确定船体重心的六自由度运动，然后对在堆内作业和海上换料两种状态下燃料组件的结构载荷进行计算，从而实现对燃料组件的结构安全分析。

1 船体水动力学分析

平台由软刚臂单点系泊系统长期定位于渤海海域，综合考虑海洋环境条件对船体的激励载荷，以及由软刚臂配重提供的系泊回复力，其时域运动方程[7]为：

Cx(t)=Fw(t)+Fwd(t)+Fc(t)+Fm(t)

(1)

经初步论证，平台在不超过四级海况的环境条件下可进行海上换料作业，对应有义波高2.5 m、谱峰周期8.8 s、峰值增长因子1.0、表面流速0.58 m/s和定常风速17.1 m/s。因此，以四级海况作为海上换料工况用于平台的水动力学分析，同时根据平台作业海域环境监测结果，选取6种常见风、浪、流方向组合作为分析工况(表1)。

表1 风、浪、流方向组合Table 1 Direction combinations of wind,wave and current

采用水动力学软件AQWA对平台进行频域和时域运动响应分析，船体网格划分如图1所示，共计23 339个节点，7 658个单元。软刚臂单点系泊系统模型如图2所示，采用tube单元，系泊腿两端节点与系泊支架、软刚臂之间仅能自由转动，软刚臂末端与塔架相连且可自由转动[8]。

首先采用LINE模块对裸船体进行频域分析，得到船体重心运动幅值响应、附加质量和辐射阻尼等固有属性，然后在频域结果基础上，采用DRIFT模块对平台整体进行时域分析，得到在不同工况下船体重心的六自由度运动响应时历曲线，限于篇幅，只列出工况3结果，如图3所示。

图1 船体网格模型Fig.1 Hull mesh model

图2 软刚臂单点系泊系统模型Fig.2 Soft yoke mooring system model

图3 工况3对应重心运动时历曲线Fig.3 Motion time serial curve of center of gravity in case 3

2 燃料组件模型力学等效

图4 燃料组件模型Fig.4 Fuel assembly model

燃料组件实际模型由3部分组成：顶端结构、中间结构和底端结构，如图4所示。考虑到燃料组件内部构成十分复杂，为便于建模和计算，分别对3部分结构进行结构力学等效。

顶端结构最大外径为74 mm，总长度为140 mm，总质量为1.27 kg，如图5a所示，其中上接头和上套筒采用相同材质304L不锈钢。根据质量分布等效和刚度等效的简化原则，保持顶端结构总质量不变，以及上接头和上套筒的尺寸不变，通过增大上接头和上套筒的材质密度，将凸肩、定位压紧弹簧和控制棒导向管的质量进行等效，等效后的模型如图5b所示，密度为8 737 kg/m3，杨氏模量为2×1011Pa。

a——实际模型；b——等效模型图5 顶端结构模型Fig.5 Top structure model

中间结构外径为73.6 mm，总长度为1 546 mm，总质量为22.97 kg，如图6所示。

图6 中间结构模型Fig.6 Middle structure model

中间结构的横截面如图7所示，最外层为元件盒，最内层为控制棒导向管，燃料棒在两者中间均匀布置。元件盒、燃料棒的包壳管、控制棒导向管的材质均为Zr-4，横截面如图8所示，关于各自中心轴的截面惯性矩由式(2)计算得到。

图7 中间结构横截面示意图Fig.7 Cross section schematic of middle structure

图8 燃料棒横截面示意图Fig.8 Cross section schematic of fuel rod

(2)

式中，DZr-4和dZr-4分别为元件盒、燃料棒的包壳管、控制棒导向管的外径和内径。根据质量分布等效和刚度等效的简化原则，保持中间结构总质量、横截面惯性矩和外径不变，增大元件盒的壁厚和密度用于等效其他部件的重量和横截面惯性矩，等效后的模型为外径73.6 mm、内径66.1 mm的圆筒结构，密度为18 055 kg/m3，杨氏模量为9×1010Pa。

底端结构总长度为182 mm，总质量为1.16 kg，如图9a所示。根据质量分布等效和刚度等效的简化原则，保持底端结构总质量和下接头尺寸不变，增大下接头的密度用于等效定位钩部件的质量，等效后的模型如图9b所示，密度为11 690 kg/m3，杨氏模量为2×1011Pa。

3 燃料组件结构力学分析

3.1 堆内作业

在堆内作业时，燃料组件整齐布置在上、下堆芯栅格板之间，跟随平台一起运动，如图10所示。其中顶端结构的上套筒与上堆芯栅格板、底端结构的下接头与下堆芯栅格板之间相互接触。

a——实际模型；b——等效模型图9 底端结构模型Fig.9 Bottom structure model

图10 堆内燃料组件布置Fig.10 Arrangement of fuel assembly in reactor

1) 船体静止

采用结构静力学模块对在船体静止状态下的堆内燃料组件进行线性静力学分析。上套筒与上堆芯栅格板之间和下接头与下堆芯栅格板之间均为非线性实体表面接触，因此将接触类型设为非对称摩擦接触，上套筒和下接头外表面设为接触面，上、下堆芯栅格板孔径表面设为目标面[9]。依据《机械设计手册》，金属摩擦系数取0.1，并采用增广拉格朗日公式进行求解[10-12]。

结构载荷计算结果列于表2，由于需承受顶端结构和中间结构的重量，因此等效Mises应力和等效弹性应变按照大小依次为底端结构、中间结构和顶端结构。

表2 堆内作业时船体静止状态下燃料组件结构载荷结果Table 2 Structural load result of fuel assembly working in reactor in ship static state

2) 船体运动

采用瞬态动力学模块，对在船体运动状态下的堆内燃料组件进行瞬态动力学分析[13-15]。远程位移可将船体重心的运动传递到反应堆，从而模拟海洋环境下平台搭载反应堆的强迫运动。由于平台采用双堆对称布置，相对于船体重心，反应堆中心的位置为(-3.46 m，±5.60 m，-5.45 m)。结构载荷计算结果列于表3。

对比表2、3可知，与船体静止状态相比，在船体运动状态下堆内作业时，燃料组件的顶端结构、中间结构和底端结构的等效Mises应力和等效弹性应变最大值都明显增大。由于顶端结构的上套筒与上堆芯栅格板之间相互接触，船体运动对其结构载荷的影响最大，与船体静止状态相比分别增大25～32倍和19～23倍，而对底端结构影响最小。

3.2 海上换料

换料作业包含卸料和装料两个流程，二者操作相反，分别对应燃料装卸机对堆内燃料组件的上提和下放，速度均为500 mm/min。为防止燃料组件与堆芯栅格板之间发生刚性接触，从而避免因为燃料组件的载荷过大而发生塑性变形或损坏，因此在燃料装卸机的吊装系统下方安装十字联轴器组件结构[16]。十字联轴器能自由转动，用于减小燃料组件与堆芯栅格板之间的作用力，从而提高燃料组件的结构安全。十字联轴器组件结构包括万向联轴器和套筒两部分，如图11所示。

表3 堆内作业时船体运动状态下燃料组件结构载荷结果Table 3 Structural load result of fuel assembly working in reactor in ship moving state

图11 十字联轴器组件结构Fig.11 Cross shaft universal joint

1) 船体静止

以燃料组件最下端与上堆芯栅格板上端相平为临界，燃料组件装卸过程持续时间为211.92 s。在结构静力学模块中，设置反应堆固定，并在燃料组件上接头处施加垂直向上或向下的定常速度，以及针对燃料组件整体施加自身重力载荷作为边界条件，从而模拟燃料组件的整个装卸过程。

结构载荷计算结果列于表4。由于在装卸过程中需承受下部结构的重量，因此等效Mises应力和等效弹性应变最大值按照大小依次为顶端结构、中间结构和底端结构。

表4 海上换料时船体静止状态下燃料组件结构载荷结果Table 4 Structural load result of fuel assembly refueling at sea in ship static state

2) 船体运动

在瞬态动力学模块中，需创建两个坐标系：一是总体坐标系，坐标原点位于船体重心，用于模拟船体的六自由度运动，并传递给反应堆；二是局部坐标系，坐标原点位于反应堆中心，用于模拟燃料组件相对于反应堆的垂向运动。结构载荷计算结果列于表5。

表5 海上换料时船体运动状态下燃料组件结构载荷结果Table 5 Structural load result of fuel assembly refueling at sea in ship moving state

对比表4、5可知，与船体静止状态相比，在船体运动状态下实施海上换料作业时，燃料组件的顶端结构、中间结构和底端结构的等效Mises应力和等效弹性应变最大值都明显增大3.7～5.1倍。由于顶端结构需承受中间结构和底端结构自身重力载荷以及由于随船体运动产生的惯性载荷，因此结构载荷最大值在三者中最大。

4 结论

本文以海洋核动力平台为例，分析了在船体运动状态下，浮动核电站堆内燃料组件在堆内作业和海上换料两种状态下的结构载荷。通过计算可得出结论：在两种状态下，海洋环境下的船体随机运动响应对燃料组件的结构载荷影响都很大；堆内作业和海上换料分别对应底端结构和顶端结构的结构载荷最大。