CEFR堆芯燃料组件抗震试验方法研究

高付海，莫亚飞，王鲁波

(中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413)

自2011年中国实验快堆(CEFR)首次并网发电以来，为充分发挥其实验平台作用，CEFR堆芯燃料的设计和制造国产化逐步被提上日程。国产的CEFR燃料组件在材料选择、结构型式、制造装配和焊接工艺上均与CEFR堆芯目前使用的组件存在差异，如结构材料采用国产316Ti不锈钢、燃料棒下端塞与小栅板配合改为蒜头型设计方案等，国产燃料组件在地震下能否保证结构完整性和气密性，可通过抗震试验的方式予以论证。针对快堆堆芯地震动力学响应，国外特别是法国和日本进行了大量的试验和数值计算研究工作，建立地震模拟振动台，开展堆芯抗震试验，开发专用计算程序(如法国CEA的CASTEM和日本PNC的FINAS)，研究目的在于准确预测和正确评价地震作用下堆芯的结构动力学响应[1-6]。俄罗斯为了验证CEFR组件的动态可靠性，开展了组件模拟件的耐振试验考验研究[7]。国内中国原子能科学研究院[8-12]和华北电力大学[13-14]组织开展了持续的堆芯抗震研究工作，计算了CEFR堆芯在地震载荷下的动力学响应，掌握了快堆堆芯抗震的数值计算方法。在试验研究方面中国原子能科学研究院委托清华大学测试了CEFR组件模拟件在水中的固有频率和阻尼比等动力学特性，积累了良好的工作基础。

本文基于俄罗斯的组件耐振试验方案，结合国内机械设备抗震试验法规标准要求，针对组件的结构、堆内安装和变形特点，提出一套新的组件抗震试验方法，新方法可保证对组件的抗震性能考验是全面的，且更加符合组件在堆芯处的实际变形状态。

1 俄罗斯CEFR组件耐振试验台架用于组件抗震试验的适用性分析

组件耐振试验的目的主要是考察主泵长时机械振动载荷对组件结构性能的影响，载荷虽不同于地震，但其试验方案对制定抗震试验方案仍具有借鉴意义。试验使用的台架如图1所示[1]，台架模拟组件在堆芯中的安装条件，试验基本思想是取堆芯中由1根组件和其周围介质构成的1个单元为试验对象，以单根组件试验来代替堆芯多排组件试验。组件凸台部位的定位通过螺钉来实现，保留燃料组件上、中两个凸台处间隙。台架柱形容器内充满水，模拟液钠的影响。

图1所示的试验台架基本能反映组件在堆芯内的实际安装条件(图2)，在振动载荷下组件管脚随台架一起运动，定位凸台部位处受到台架容器上设置的螺钉的约束，以模拟组件受到的相邻组件凸台约束作用。若该台架方案直接用于组件抗震试验，其与地震作用下处于堆芯中组件的响应存在差异：模拟相邻组件凸台作用的螺钉是完全刚性的，会使得试验组件受到的冲击力高，顶端位移响应却较小；实际情况是相邻组件并不是完全刚性的，是可变形的柔性体。因此可从定性角度判断俄罗斯试验台架设计对组件约束得过硬，使得组件受到更为苛刻的高频冲击，以造成较大的机械振动疲劳损伤，实现耐振试验的目的，但这与抗震试验目的不完全等同。

图1 试验台架与试验件Fig.1 Test set-up and subassembly

图2 堆芯组件的安装状态[8] Fig.2 Installation state of subassembly in core[8]

2 组件抗震试验新方法

2.1 新方法的提出

按照文献[15]，试验程序是根据设备安装位置处的运行基准地震(SL1)和安全停堆地震(SL2)楼层响应谱，采用单向、双向或三向人工时程对设备先做5次SL1地震模拟试验，再做1次SL2地震模拟试验。科学合理的组件抗震试验方法须处理好两个基本问题：1) 在满足试验要求的前提下，从降低试验难度角度考虑，可否以单向地震试验替代三向试验；2) 能否设计一合理的试验台架，准确有效地模拟地震作用下堆芯组件的安装条件和碰撞接触相互作用状态。

关于能否采用单向激振进行抗震试验，《核设备抗震鉴定试验指南》中规定：当三向中的每两向相互耦合很小，或无耦合，单向试验是适用的；若是单向试验，应分别对x、y、z轴进行。组件的结构基本对称，存在3个正交轴，各正交方向在地震下的响应基本上无耦合，符合单向试验的条件。组件的纵向刚度偏大，响应可忽略不计。组件响应以水平两个方向响应为主，组件之间的碰撞主要体现在水平方向，鉴于此，组件的抗震试验可忽略纵向试验，只进行水平方向的试验。

关于试验台架设计，严格讲为了准确模拟堆芯地震响应组件的抗震试验台架应能容纳全堆芯的所有组件，但这对试验费用和振动试验台提出了不必要的过高要求。俄罗斯采用的以单组件振动试验来替代全堆芯试验的台架设计思路是可借鉴的，它大幅降低了全堆芯组件同时振动试验的难度，且基本能反映出振动时组件的状态，但在对可能出现碰撞作用的相邻组件的处理上采用螺钉近似，该处理过于刚性，不能模拟出相邻组件的柔性特征，试验结果可能会对组件受到的碰撞冲击力估计偏高，而对组件产生的变形和应力水平估计偏低。为叙述方便，将该种类型台架称为刚性台架。为了模拟出相邻组件的柔性，也可将相邻组件简化成一柔性元件，其刚度约等于相邻组件的抗弯刚度，组件间隙同样保留，将该种台架称为柔性台架。一个科学合理的抗震试验方法必须兼顾考虑以上两种台架方案对组件的不同影响，本文提出的组件抗震试验新方法即同时考虑以上两种台架试验。

2.2 抗震试验新方法的计算分析

使用专业计算软件CASTEM，分别建立安装于刚性台架上的单组件(方案1)、安装于柔性台架上的单组件(方案2)及接近真实状态的堆芯单排组件(方案3)抗震计算模型，分析计算地震时3种方案下组件的位移和冲击力响应，通过计算结果的对比验证单组件抗震试验方法的可行性。

1) 抗震计算模型

在地震情况下燃料组件主要表现出梁的特性，因此计算模型中采用变截面梁模拟单根组件，采用虚拟的液体附加质量考虑液钠与组件的流固耦合作用。组件下部管脚与管座之间存在间隙，使用等效弹簧元模拟，以等效的线性边界条件代替非线性的间隙条件，等效弹簧的刚度均为8.8×105N/m。组件凸台与其他组件凸台之间、组件凸台与外缘围板之间在地震时可能发生碰撞，均采用间隙-弹簧单元模拟。

图3 地震作用下的堆芯加速度时程输入Fig.3 Core acceleration history input for seismic action

地震时堆芯栅板处加速度时程如图3所示，时间步长为0.01 s，共3 200步，即总时间为32 s。

(1) 方案1，单组件在刚性台架上地震下的位移和冲击力响应

组件与台架之间的接触刚性碰撞通过间隙弹簧单元模拟，如图4所示，间隙值与实际一致，碰撞弹簧认为是刚性的，所以要求其刚度取值较大，计算设定为3.0×109N/m。

图4 单组件处于刚性台架上的计算模型Fig.4 Computation model for single subassembly at rigid set-up

(2) 方案2，单组件在柔性台架上SL1地震下的位移和冲击力响应

图5 单组件处于柔性台架上的计算模型Fig.5 Computation model for single subassembly at flexible set-up

保守考虑，组件凸台高度处可能发生的最大单侧位移取堆芯单排组件的最大总间隙为9.7 mm。抗震计算模型通过两组间隙-弹簧单元模拟组件之间的相互作用，如图5所示。一组模拟组件的最大单侧位移限位，间隙为9.7 mm，弹簧碰撞刚度为3.0×109N/m；另一组模拟相邻组件的柔性碰撞，间隙值跟实际一致，弹簧刚度设定为相邻组件的抗弯刚度，有限元软件计算出上部凸台弹簧刚度为5.4×103N/m，中部凸台弹簧刚度为1.1×104N/m。

(3) 方案3，单排组件在地震下的位移和冲击力响应

组件与组件之间的接触刚性碰撞通过间隙弹簧单元模拟，如图6所示，间隙值与实际一致，碰撞弹簧刚度取垫块局部结构刚度，均设定为3.0×107N/m。

图6 单排组件计算模型Fig.6 Computation model for single array of subassemblies

2) 抗震计算结果对比分析

图7 单根组件处于刚性台架上的 冲击力响应与单排组件冲击力响应对比Fig.7 Impact force response result comparison of single subassembly at rigid set-up and single array of subassemblies

对于单组件刚性台架计算模型，组件在定位凸台处由于刚性碰撞作用，与单排组件计算模型获得的计算结果相比，组件在刚性台架上凸台受到的碰撞冲击力更大(图7)，碰撞力基本可包络单排组件的结果；但组件在刚性台架上产生的头部变形由于受到限制，变形远小于单排组件的计算结果(图8)；由此可判断刚性台架使得组件在地震时受到更大的局部高频冲击载荷作用。对于单组件柔性台架计算模型，与单排组件计算模型获得的计算结果相比：组件在柔性台架上凸台受到的碰撞冲击力远小于单排组件的结果(图9)，但组件头部产生的变形基本包络单排组件的结果(图10)，由此可判断柔性台架必然使得组件受到更多的低频振动，而低频振动更易与栅板联箱处作为地震输入作用到组件的反应谱的峰值频段重叠、引发组件结构一次应力破坏。单排组件的计算结果显示：堆芯中组件的实际响应既有高频冲击，又有低频振动。以上结果表明如果对单组件在刚性台架和柔性台架依次分别进行抗震试验，其试验结果既偏保守，又有代表性，可保证在相同地震输入下单组件的变形(应力)和冲击振动包络堆芯组件群中的组件响应。

图8 单根组件处于刚性台架上的 位移响应与单排组件位移响应对比Fig.8 Displacement response result comparison of single subassembly at rigid set-up and single array of subassemblies

图9 单根组件处于柔性台架上的 冲击力响应与单排组件冲击力响应对比Fig.9 Impact force response result comparison of single subassembly at flexible set-up and single array of subassemblies

图10 单根组件处于柔性台架上的 位移响应与单排组件位移响应对比Fig.10 Displacement response result comparison of single subassembly at flexible set-up and single array of subassemblies

3 结论

本文以组件耐振试验方案为基础，基于有限元计算结果，结合国内抗震试验法规要求，保守考虑提出了一种新的组件抗震试验方法，得到如下结论。

1) 俄罗斯组件耐振试验虽不同于抗震试验，但其试验台架设计方案可借鉴用于组件抗震试验。俄罗斯的组件耐振试验台架设计对组件约束过硬，使得组件受到的偏苛刻的高频冲击，但对于频率成分以低频为主的地震激励，使得组件的位移响应偏小，低频应力偏低，从应力强度角度判断基于该台架方案的抗震试验结果不保守。

2) 按照《核设备抗震鉴定试验指南》中的试验要求，分别依次开展单根组件位于本文提出的刚性台架和柔性台架上的开展抗震试验，其结果是偏保守的，可保证在相同地震输入下单组件位移响应、冲击响应基本可包络位于堆芯组件群中的各组件的响应。因此本文提出的基于单根组件的抗震试验新方法要求组件模拟件依次在刚性台架和柔性台架上完成抗震试验，试验后检查组件结构完整性和气密性。