研究堆乏燃料元件贮存架结构设计与安全分析

吴 瑞,罗文广,王万金,王亚军，张先萌

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610041)

研究堆换料过程中将卸出乏燃料元件，而乏燃料元件具有很强的放射性并伴随着一定热量的释放。卸出来的乏燃料元件需要在乏燃料水池中贮存相当长时间，长时间的贮存以及不断卸出乏燃料元件，研究堆乏燃料水池就会形成乏燃料元件大量贮存的情况[1-3]。最近在设计乏燃料元件贮存架时，在贮存单元中采用了中子吸收体材料，该材料可以将乏燃料元件衰变过程中释放的中子料吸收掉，从而降低了由于乏燃料元件距离较近而引发临界反应的可能性。因此，笔者考虑将乏燃料元件贮存架的设计转为密集型，由此相邻贮存单元的距离也变得更小，乏燃料贮存架的贮存量则随之增大。本文针对研究堆乏燃料元件，设计新型的密集贮存架，以满足研究堆乏燃料元件在任何工况下都保持在次临界状态，保证燃料元件的完整性、可靠的冷却以及对放射性物质进行包容的安全要求[4-5]。

1 乏燃料元件贮存架设计要求

1.1 结构设计要求

1)乏燃料元件贮存架应设计可以调节格架高度的可调支腿，以便乏燃料贮存格架在现场安装时可以进行调平。

2)乏燃料元件贮存架应具有足够的刚度和强度，能确保乏燃料元件稳定、安全地贮存在相应的贮存单元中[6]。

3)贮存单元应便于乏燃料元件的放入和取出，且能保证其取放畅通无阻，不得带有尖锐的边角，避免损伤乏燃料元件。

4)乏燃料元件贮存架的贮存量需满足运行要求，外形尺寸满足研究堆乏燃料水池的空间布置要求。

1.2 安全要求

1)研究堆乏燃料元件贮存架在贮存单元间距的设计上应保证不会发生临界事故[7]，即使在贮存架存满乏燃料元件以及中子吸收体材料失效的情况下，整个贮存水池乏燃料元件也必须处于次临界状态。

2)在正常贮存过程中、地震事故工况下以及乏燃料元件跌落等工况下，乏燃料元件贮存架应保证不会由于结构变形发生临界事故。

3)乏燃料元件贮存架的设计应保证，在乏燃料元件最大贮存量、最大燃耗及辐照后最短冷却时间的情况下，乏燃料元件贮存水池系统必须满足EJ/T 883—2006[8]的热工要求。

2 总体结构设计

2.1 整体结构

研究堆乏燃料元件贮存架主要用来贮存乏燃料元件及暂存出堆的燃料元件，它沉浸在乏燃料水池中，由若干个支腿支撑，自由放置在池底的不锈钢覆面上。乏燃料元件贮存架主要由贮存管、吊环、上托板、下托板、加强筋、支腿等组成，材料全部选用06Cr18Ni11Ti。乏燃料元件贮存架通过支撑管和贮存管将上、下托板焊接成一体，下托板下面有加强筋进行加固，并有6条支腿支撑。上托板焊接有4个吊耳，用于乏燃料元件贮存架的吊装。其结构如图1所示。

1—吊耳；2—贮存管板；3—上托板；4—支撑管；5—下托板；6—可调支腿；7—不可调支腿；8—加强筋组件；9—中子吸收体贮存管；10—标示环图1 乏燃料元件贮存架示意图

2.2 贮存单元布置

为保证贮存架的贮存能力，研究堆乏燃料元件贮存架的贮存单元呈正三角形排列，相邻两个贮存单元之间的中心距一定。在保证物理热工和临界安全的条件下，能最大化地利用贮存架的有效空间，从而实现乏燃料元件的高密集贮存。

2.3 贮存单元设计

贮存单元是贮存乏燃料组元件的主体部件，要求其既能稳固可靠地存放乏燃料又能保证乏燃料元件的取放畅通无阻。针对研究堆乏燃料元件的结构特点，设计一定直径的不锈钢管作为贮存单元，贮存管长度需便于乏燃料元件的吊装操作。其中下端插入下托板的凹槽内用以定位，同时以正六边形形式均匀布置含碳化硼板材的六边形贮存管，以有效降低系统的次临界度。采用不锈钢包壳与六边形管点焊接方式将铝基碳化硼板材包裹住，并将其紧紧贴在六边形管的各个壁上，确保铝基碳化硼复合板材的稳定性。铝基碳化硼复合材料轻质、耐磨，具有良好的机械力学性能，且具有热中子吸收截面高、吸收中子的能量范围宽的特性，可以同时作为结构材料和功能材料，是目前核电领域用得较多的乏燃料元件贮存架功能材料[9]。

2.4 双层板结构

贮存格架的双层板结构由上、下两层托板组成，主要起到支撑和定位格架的作用。上托板选用一定厚度的不锈钢板，且四角焊接有4个吊耳，板面四角布置有供可调支腿操作工具使用的通孔。板面其余通孔与贮存管采用间隙配合，通孔呈正三角形阵列布置，每两个通孔的中心距与贮存单元中心距相同。贮存架下托板上方的自重和乏燃料的重力将全部作用在下托板上，因此下托板是主要的支撑件。下托板制作材料为不锈钢钢板，且开有通孔，通孔上部与乏燃料底座配合的部位加工出相应的倒角，以便与乏燃料底座形成紧密的配合。通孔的布置与上托板相似，各个通孔都与上托板相应的通孔对应。上表面有与通孔同心的圆形凹槽，以便于贮存管的定位。

2.5 支腿

整个贮存架的重力将全部作用在支腿上，因此支腿是承力最大的部位。为了能在保存水池内将乏燃料元件贮存架进行调平，两边的4条支腿采用可调支腿，中间2条支腿作为支点，采用不可调的固定支腿结构。可调支腿的调节结构由支柱螺母与螺柱组成，支柱螺母与螺柱螺纹连接形成螺旋副，螺柱旋转带动支腿实现上下移动。

3 安全分析

3.1 临界分析

本文采用三维蒙特卡罗程序MCNP-4C及基于ENDF/B-VI的连续能量截面数据库ENDF60对乏燃料元件贮存架进行临界安全计算。计算模型如图2所示，计算时假设：乏燃料水池中4个乏燃料元件贮存架装满新燃料元件，其中水的密度取1 g/cm3。

图2 MCNP乏燃料元件贮存架计算模型

计算结果显示：乏燃料元件贮存架的次临界度为0.807 7，远低于临界安全限值0.95，能保证乏燃料元件在堆外贮存的临界安全。

3.2 物理热工计算

根据HAD 301//02《乏燃料贮存设施的设计》、HAD 301//04《乏燃料贮存设施的安全评价》的相关规定，乏燃料贮存水池的总热源必须考虑乏燃料元件最大贮存量、最大燃耗及辐照后最短冷却时间。

本文在考虑水池表面蒸发作用的情况下，计算贮存水池达到沸腾的时间。计算模型采用了下述简化的假设：1)整个乏燃料贮存水池作为一个质点，并具有单一的压力和温度；2)水池的加热升温是绝热过程；3)忽略水池壁传热作用损失的热量；4)近似认为水的密度、比热是常数；5)忽略乏燃料贮存水池内热源随时间的变化。

通过以上计算模型，得到以下能量平衡关系式：

MCPdT=(P-P散)dt

(1)

式中：M为乏燃料贮存水池池水质量，kg；CP为水的定压比热，J/(kg·K)；T为乏燃料贮存水池水温，℃；P为乏燃料贮存水池热源，W；P散为单位时间乏燃料贮存水池的蒸发散热量，W；t为时间变量，s。

P散=Wr

(2)

W=β(pq,b-pq)F

(3)

β=(α+0.003 63v) ×10-5

(4)

式中：W为单位时间蒸发量，kg/s；r为汽化潜热，2.3×106J/kg；β为蒸发系数，与水温和水面上空气流速有关，s/m；pq,b为该时刻水表面温度下饱和空气的水蒸气分压，Pa；pq为空气中水蒸气的分压，Pa；F为乏燃料贮存水池敞口换热面积，m2；α为周围空气温度为15～30 ℃时不同水温下的扩散系数，s/m；v为水面上空气流速，m/s。

由此可见，仅P散随时间变化。因此可以将式(1)变形为：

(5)

pq,b与池水温度T关系较复杂，扩散系数α也与T有关，可以用最小二乘法拟合成如下关系：

pq,b=23T2-1 789T+42 869

(6)

α=0.000 1T+0.001 7

(7)

假设空气温度为26 ℃，相对湿度为80%，空气中水蒸气的分压pq=1 800 Pa。已知乏燃料贮存水池敞口换热面积F=4.95×7.435=36.803 25 m2。事故工况下，假设水面上方空气流速v=0 m/s。将已知的值代入式(2)中，得：

P散=1.946 9T3-118.337 2T2+902.003 5×T+59 098.581 5

(8)

将式(8)代入式(4)，利用MATLAB求解积分方程，得到池水温度T与时间t的关系，从而得到当突然失去最终热阱时重新达到热稳态所需时间和乏燃料贮存水池池水温度。

通过计算分析，得到研究堆乏燃料贮存水池水温随时间的变化趋势，如图3所示。

图3 乏燃料贮存水池水温随时间的变化

在丧失热阱后，考虑乏燃料贮存水池表面蒸发散热，由图可以看出：贮存水池池水达到稳态所需时间为148 h，此时乏燃料贮存水池池水温度为79.89 ℃，没有沸腾，满足EJ/T 883—2006《压水堆核电厂乏燃料贮存设施设计准则》的热工要求。

3.3 静应力计算

采用有限元分析软件ANSYS[10]对乏燃料元件贮存架进行静应力分析。乏燃料元件贮存架的主要材料为06Cr18Ni11Ti，抗拉强度在520 MPa左右，屈服强度约为205 MPa。考虑到工作环境和安全系数的选用原则等因素，计算静载荷时取安全系数为2。

乏燃料元件贮存架净重约3 773 kg，满载时总重约6 253 kg。通过在上下托板施加9.5 m的水静液压力。在重力加速度(g=9.81 m/s2)及静液压力作用下，乏燃料元件贮存架在装满乏燃料元件时的最大应力强度约为71 MPa，在留有安全裕度的情况下，满足强度要求。贮存架等效应力分布如图4所示。

3.4 抗震计算

地震事故工况下的应力评定应包括自重、静液压力、SSE(安全停堆地震)和最高温度。由乏燃料元件贮存架模态分析可知，乏燃料元件贮存架的基准频率为0～33 Hz，因此对乏燃料元件贮存架采用动力法进行SSE作用下的抗震计算，并依据研究堆密闭厂房楼层反应谱，采用反应谱法计算乏燃料元件贮存架在SSE作用下的应力。

计算结果显示乏燃料元件贮存架在地震事故工况下最大应力强度约为108.2 MPa，具有足够的安全裕度，满足强度要求。其地震事故工况下应力分布如图5所示。

图5 地震事故工况下应力分布图

4 结束语

乏燃料元件贮存架作为研究堆内存放乏燃料元件的关键设备以及保证反应堆正常运行的重要设备，其设计的可靠性、安全性以及操作方便性是确保乏燃料元件安全的关键因素。研究堆乏燃料元件贮存架呈正三角形布置，最大化地利用了贮存空间，通过中子吸收体材料，减小了贮存单元中心距，增大了贮存架的贮存量。通过安全分析可知，在物理热工方面，满足临界、热工安全要求；在结构强度方面，满足正常贮存和地震事故工况下的结构安全。