AP1000型燃料组件水平放置对格架弹簧影响分析

温国义，蔡宏伟

AP1000型燃料组件水平放置对格架弹簧影响分析

温国义，蔡宏伟

（国核示范电站有限责任公司，山东威海 264300）

核电厂建设的工期延误和组件制造厂的燃料组件存贮场地不足，不能按期交付的首炉燃料组件被迫存放在组件运输容器内水平放置，有的燃料组件在运输容器内水平放置时间约1年以上。针对燃料组件在运输容器内长期水平放置是否对组件格架弹簧的力学特性有影响，以AP1000型燃料组件为例，对格架弹簧进行了力学特性影响分析。分析认为，燃料组件在运输容器内长期水平放置，对格架弹簧本身影响较小；燃料组件改为竖直放置后，格架弹簧在力学特性上能够完全恢复原状。

燃料组件；格架弹簧；水平放置

在核电厂的工程建设过程中，由于设备采购进度延误、工程建设进度滞后等原因，造成了核电厂不能按照计划日期投用，采购的燃料组件无法按期交付，但由于组件制造厂组件存贮场地的限制，被迫将燃料组件存放在组件运输容器内水平放置，有的燃料组件在运输容器内水平放置时间约1年以上。为了解燃料组件长期水平放置在运输容器内是否对燃料组件格架弹簧造成一定的影响，本文以AP1000型燃料组件为例，从燃料组件结构出发，对燃料组件水平放置在运输容器内格架弹簧分别在组件静止和运输条件下的受力情况进行了综合力学分析，得出了燃料组件在运输容器内长期水平放置对燃料组件格架弹簧没有影响的结论。

1　AP1000型燃料组件结构

AP1000型燃料组件结构包含上管座、下管座、导向管、仪表管、燃料棒及15层格架。15层格架分别为1层顶部格架、1层底部格架、1层保护格架、8层中间格架和4层中间搅混格架。每个燃料组件内，燃料棒和导向管、仪表管呈17×17正方形排列，共289个栅元。其中264个栅元为燃料棒，24个栅元为导向管，1个中心栅元为仪表管。

仪表管位于燃料组件的中心位置，为堆内中子通量探测器提供插入通道。AP1000型燃料组件结构简图如图1所示。

图1　AP1000型燃料组件结构简图

一个组件运输容器只能放置一个AP1000型燃料组件[1]，燃料组件装入运输容器后，运输容器将水平存放在指定位置，燃料组件水平放置在运输容器内，如图2所示。

图2　燃料组件运输容器水平放置图

2　格架分析

燃料组件水平放置在运输容器内，对燃料组件起支撑作用的除上、下管座外还有格架[2、3]。当燃料组件水平放置时，由于格架的支撑作用，靠运输容器底部的格架弹簧受力最大，外力主要是组件自身重量，AP1000型燃料组件重量约为789.6 kg，燃料棒重量约741.8 kg，占组件总重量的93.9%，每组燃料组件有264根燃料棒，根据设计文件[3]，单根燃料棒重约2.81 kg。在组件运输容器内，组件上、下管座由于和容器支撑板接触，故格架弹簧主要承受燃料棒的重量，具体燃料组件水平放置示意图如图3所示，格架弹簧及与燃料棒包壳管外壁接触如图4、图5所示。

图3　燃料组件水平放置示意图

图4　格架弹簧与燃料棒包壳管外壁的接触

图5　中间格架内条带弹簧

根据图3所示，燃料组件1层底部格架、8层中间格架、1层顶部格架从左到右的距离分别为：392.10 mm、473.00 mm、514.70 mm、515.60 mm、515.60 mm、515.70 mm、515.60 mm、515.60 mm、452.10 mm。

一组燃料组件有五种类型格架，这五种类型格架中，对燃料棒起支撑作用的有顶部格架、中间格架和底部格架，他们的共同点是都有弹簧，中间搅拌格架（IFM格架）、保护格架没有弹簧。AP1000型燃料组件格架情况如表1所示，燃料棒示意图如图6所示。

燃料棒上端为气腔弹簧，下端为支撑管、支承块，气腔弹簧重6.4 g，支撑块重3.5 g，支撑管重8.9 g。气腔弹簧、支撑块、支撑管质量较轻且相对整个燃料棒而言较短，二氧化铀芯块集中在中间段（活性段），为质量主要集中区域，可以假设以燃料棒的质量集中在活性段进行测算。

2.1　格架弹簧力学性能

无论是底部格架、顶部格架还是中间格架，其格架弹簧与条带是一个整体，其材质有两种，分别为Inconel 718和Zirlo，其格架弹簧的基本参数如表2所示。

表1　AP1000型燃料组件格架情况

图6　燃料棒示意图

1—上端塞；2—气腔弹簧；3—包壳管；4—标准芯块；5—IFBA芯块；6—环形芯块；7—长芯块；8—支撑块；9—支撑管；10—下端塞

表2可以看出，Inconel 718材质的各项性能指标在承载力方面远远大于Zirlo材质的各项性能指标，因此本文只分析燃料组件水平放置时Zirlo材料的格架弹簧。

根据燃料组件结构，燃料组件水平放置时，格架各层受力不同，靠近运输容器最底层的格架受力最大位置的栅元对应的弹簧支撑其上面最多为17根燃料棒的重量，每根燃料棒由10个栅元弹簧支撑，从各层格架的间距数据上得知，燃料组件从下往上的第四层格架为受力最大部分，其承受的燃料棒最大长度1为：

1=(515.70+515.60)/2=515.65 mm

表2　两种不同材质格架弹簧基本参数表

如图 6 所示，燃料棒活性段全长为4 267.2 mm，则分布到第四层格架栅元弹簧上的重量W1为：

根据格架产品技术条件及技术图纸[4,5]，格架的接触面积不小于2.54×2.16=13.9 mm2，如图7、图8所示。

图7　格架内条带弹簧接触面积

图8　格架外条带弹簧接触面积

2.2　静止条件下格架弹簧分析

在静止条件下，燃料组件平放在运输容器内。静止时接触面积为，格架弹簧接触面压强1为：

1=1×/=5.77×9.8/13.90=4.068 1 MPa

根据燃料组件机械设计限值的规定，对结构部件，应规定适用于每类设计工况的下列机械设计限值：应验证一次应力加二次应力（）小于0.7u，即＜0.7u其中u为材料的强度极限[6]。

这里，

=0.7×380=266 MPa

若进一步假设安全系数为2，则：

综上所述，静止条件下，充分考虑极限情况和安全系数，格架弹簧所受压强度远小于Zirlo的屈服强度极限，故弹簧处于弹性形变内，组件水平放置对其格架结构没有影响，一旦恢复竖直放置，格架弹簧能立即恢复原状。

2.3　设计加速度情况下格架弹簧分析

AP1000型燃料组件在设计时，考虑了其运输载荷，最大的运输载荷是组件4（轴向）和6（横向）加速度引起的载荷。相当于4倍（轴向）和6倍（横向）的组件重量分布在各格架上，进而分布在每个格架栅元的弹簧上。组件设计加速度示意图如图9所示。

图9　燃料组件设计加速度示意图

此时，格架弹簧接触面压强2为：

2=1×/=5.77×6×/18.75

=5.77×6×9.8/13.9=24.408 MPa

根据燃料组件机械设计限值的规定，对结构部件，应规定适用于每类设计工况的下列机械设计限值：应验证一次应力加二次应力（）小于0.7u，即＜0.7u。

假设安全系数为2，综上所述：

综上所述，设计加速度条件下，充分考虑极限情况和安全系数，格架弹簧所受压强度远小于Zirlo的屈服强度极限，故弹簧处于弹性形变内，组件水平放置对其格架结构没有影响，一旦恢复竖直放置，格架弹簧能立即恢复原状。

3　结论

从力学方面的分析看，燃料组件水平放置，对格架弹簧的影响极小，其受力远在其屈服强度之下，当燃料组件由水平放置改为竖直放置后，组件格架弹簧在力学特性上能够立即恢复原状。

［1］ 杨文峰．AP1000新燃料运输容器国产化分析［C］．北京：中国核能可持续发展论坛，2013．

［2］ 曹博，陈义学，等．AP1000典型燃料组件物理特性初步分析［J］．原子能科学技术，2013，47（S2）：599-602．

［3］ 童幸．燃料组件设计说明书［R］．2010：1-2．

［4］ 张杰．燃料组件图册［R］．2019：51-52．

［5］ 卢俊强．格架产品技术条件［R］．2014．

［6］ 高加正．AP1000燃料组件的热工水力研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014：22-26．

Analysis of the Influence of AP1000 Fuel Assembly Horizontal Placement on the Grid Spring

WEN Guoyi，CAI Hongwei

（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Weihai of Shandong Prov. 264300，China）

Due to delays in the construction of nuclear power plant and insufficient fuel assembly storage space in the assembly manufacturing plant，the first fuel assemblies which cannot be delivered as scheduled are forced to be placed horizontally in the shipping container. Some fuel assemblies have been placed horizontally in the shipping container for more than one year. In view of whether the long-term horizontal placement of the fuel assembly in the shipping container will affect the mechanical characteristics of the grid spring，taking the AP1000 fuel assembly as an example，the mechanical characteristics of the grid spring are analyzed. The analysis shows that the long-term horizontal placement of the fuel assembly in the shipping container has little influence on the grid spring itself. When the fuel assembly is placed vertically，the grid spring can be completely restored to the original state in terms of mechanical characteristics.

Fuel Assembly；Grid spring；Horizontal placement

TL48

A

0258-0918（2022）01-0059-05

2021-01-20

温国义（1972—），男，内蒙古赤峰人，高级工程师，硕士，现主要从事核燃料管理方面研究