二氧化铀粉末运输容器假想跌落事故下的安全设计与试验验证

张振雨，陈孟，庄小东，沈光耀，邵长磊，沈勇坚，陈秀明，袁广银

二氧化铀粉末运输容器假想跌落事故下的安全设计与试验验证

张振雨1,2，陈孟1，庄小东2，沈光耀1，邵长磊1，沈勇坚1，陈秀明1，袁广银2

（1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；2.上海交通大学，上海 200240）

设计易裂变二氧化铀粉末运输容器，证明容器在最危险姿态下，可以满足9 m跌落的核临界、屏蔽安全和放射性物质包容相关设计准则。设计外柔内刚的三层密封容器，内外壳之间填充聚氨酯减振吸能材料，建模分析容器多种姿态下的结构与功能材料动态响应，确定最危险跌落姿态。针对最危险工况开展实际跌落测试试验，证明容器在假想事故下的安全性。容器在最危险跌落工况下，聚氨酯材料减振吸能效果与设计计算相符，中子吸收板、中子慢化板等功能材料位置和缺损量符合要求。二氧化铀粉末的密封性得以保障。以有限元分析为基础的容器仿真分析与样机试验结果匹配度较高，试验样机通过了相关跌落试验，证明了容器在危险姿态下的9 m跌落安全性能。

放射性物品运输；跌落试验；二氧化铀粉末；跌落动力学

二氧化铀属于带辐射、易裂变危险品，一旦发生运输事故，将会造成核爆炸、放射性污染、核材料外泄等重大事故，故国内外对二氧化铀粉末的运输安全性尤为关注。

二氧化铀粉末具有放射性且颗粒度小，因而跌落等事故工况下的密封和保护是运输容器研发的难点。通常可考虑在容器中增加跌落缓冲措施以达到防冲的目的。

上海核工程研究设计院开发的STC-NF1A新燃料运输容器采用了聚氨酯减振器，该减振器外壳包附了一层不锈钢外壳，安装在新燃料运输容器内部；法国ENSA公司开发的ENUN 32乏燃料运输容器采用了蜂窝铝和聚氨酯复合型减振器，减振器采用外部聚氨酯，内部泡沫铝的双层结构，可以有效保证大吨位乏燃料跌落的安全性；中核二院开发的RY-1A型乏燃料运输容器采用木头作为减振器填充材料，也能保证大吨位下运输容器的跌落安全。

目前，二氧化铀运输容器的相关研究较少，公开文献中也未见二氧化铀容器减振器的详细内容。本研究提出一种二氧化铀运输容器的结构，重点选取二氧化铀运输容器9 m跌落事故进行分析，从聚氨酯减振结构设计、跌落动力学仿真、最危险姿态选取和样机跌落试验测试的角度进行介绍。相关研究对国内外放射性物品运输领域的工作有一定的借鉴作用。

1 容器结构与跌落验证方法

1.1 结构概述

容器设计有外壳、内壳和粉末桶的三层结构，各层之间均有密封，相关结构见图1。其中内外壳之间填充聚氨酯，主要用于承受跌落工况下的吸能。运输容器内壳起到跌落下支撑粉末桶周围空间的作用，内部安装有中子吸收板和中子慢化板，用于控制事故下的临界和屏蔽安全。同时运输容器内部安装有慢化剂板等非金属材料，在正常运输工况和事故运输工况条件下起到保护内容物的功能。

1.2 跌落验证方法

根据GB 11806要求，容器研发需采用最危险工况进行9 m跌落的实际试验，但是标准并没有介绍最危险工况的确定方法。由于容器造价较高，采用多个试验样机分别进行跌落是不经济的。本研究采用有限元方法进行动力学分析，判断容器在各种典型跌落姿态下的宏观变形、冲击加速度和应变情况，综合确定容器的最危险跌落姿态。进一步采用最危险跌落姿态进行样机实际的试验，比对理论分析值和实际测试值的差别，进而证明容器最危险跌落姿态下的安全性。

图1 二氧化铀粉末运输容器简图

2 基于跌落动力学仿真方法的最危险工况确认

2.1 分析方法介绍

使用ANSYS和LS-PrePost的前处理功能建立二氧化铀粉末运输容器的有限元模型，包括外壳、内壳和试验撞击目标刚性面3个部分，如图2所示。对二氧化铀粉末运输容器划分薄壳单元和实体单元。

分析中采用了弹性本构体模型假设，不锈钢包壳采用分段线性动态硬化本构模型，聚氨酯泡沫采用泡沫材料本构，三元乙丙橡胶采用橡胶材料本构。运输容器外壳与外壳盖通过连接螺栓进行连接，内壳筒体与内壳盖也通过连接螺栓进行连接，连接螺栓使用关键字为*CONSTRAINED_NODE_SET的方式进行模拟。确定底面垂直跌落等8种具体姿态进行分析。

2.2 分析结果

容器外壳的宏观变形将对容器的屏蔽和密封产生影响。通过有限元分析，将各跌落姿态下的二氧化铀粉末运输容器9 m跌落冲击响应时间、最大塑性应变和材料断后伸长率计算结果列于表1。

图2 运输容器顶盖与壳体有限元模型

表1 运输容器各跌落姿态下的形变结果汇总

Tab.1 Summary of deformation results of transport container under each dropping posture

根据分析结果，二氧化铀粉末运输容器在侧边倾斜跌落、底角跌落和顶角跌落姿态下的塑性应变较大，分别达到0.741、0.592和0.609。其中侧边倾斜跌落姿态下，由于上盖侧边未与外壳侧边完全贴合，因此未贴合的部分壳体发生了较大的局部变形；底角跌落和顶角跌落姿态下外壳和上盖壳体发生了较大的局部变形。从最大塑性应变结果来看，二氧化铀粉末运输容器在所有跌落姿态下的最大塑性应变结果均在失效应变范围内，仅有侧边倾斜跌落和顶角跌落的上盖局部区域的塑性应变超过了失效应变的范围，局部区域可能发生局部结构失效，但区域很小。从结构来看，上盖为方形，而外壳的边缘处倒圆角，侧边倾斜跌落和顶角跌落时均为上盖凸出来的部分位置最先承受冲击载荷，因此造成此处的变形较大。

二氧化铀粉末运输容器外壳聚氨酯泡沫在各跌落姿态下原厚度及变化后的厚度见表2。根据分析结果，底角跌落后聚氨酯泡沫的厚度最小，最小厚度约为38 mm，仍能满足屏蔽要求。

二氧化铀粉末运输容器内壳的变相量将对容器的密封性能产生影响，通过有限元分析，容器在各跌落姿态下塑性应变结果见表3。其中顶面垂直跌落的应变值最大，为0.002 4。

表2 运输容器外壳聚氨酯泡沫厚度变化结果汇总

Tab.2 Summary of variation results of polyurethane foam thickness for the container shell

表3 运输容器内壳最大塑性应变结果汇总

Tab.3 Summary of plastic strain results of inner shell of transport container

顶面垂直跌落状态下内壳的最大整体刚体加速度时程见图3，最大加速度为618。通过与其他姿态下整体刚体加速度时程曲线的比较可得，该姿态下内壳的整体刚体加速度最大。结合前序分析，确定为容器的最危险试验姿态，执行后续实际试验。

图3 顶面垂直跌落内壳的整体刚体加速度时程

3 试验设计与实施

3.1 传感器布置

为获得自由下落试验中部分位置处的试验数据，以便后续的比对和分析。本次试验将在试验容器的内、外布置一定数量的测点。除永久变形外，加速度和应变需要布置专门的加速度传感器和应变片进行测量。加速度传感器相关测点总计7个（其中7号为三向传感器，三向标记为A7X、A7Y和AYZ）。应变片相关测点总计6个（其中S6在正面和侧面分别布置了传感器，记为S6-0°和S6-90°）。测点布置见图4与图5。

图4 传感器布置示意图1

图5 传感器布置示意图2

3.3 试验实施比对

测量与比对结果与分析结果比对如下。

在宏观变形量方面，图6显示了实际试验后的结果，其中样机上盖产生了外突变形，最大变形量为3 mm，器核心功能部件完整，未出现二氧化铀模拟粉末泄漏的迹象。与图7和图8对比可知，实际样机试验与有限元分析模型分析的变形趋势相符。

图6 样机9 m跌落试验结果

图7 有限元分析示意图1

图8 有限元分析示意图2

在加速度测量方面，试验过程中A2/A5/A6加速度传感器出现故障，显示异常，剔除异常传感器数据后的加速度时程曲线见图9。将试验测试曲线（图9）与理论分析曲线（图3）比对可知，传感器A7X/A4/A1实测曲线与计算结果趋势基本一致，最大加速出现在11.478 s，对应峰值加速度为669，与理论分析的618非常接近。传感器A3在11.479 s时出现高峰，与其他传感器峰值中心线距离较远，疑似为高频冲击响应的测量噪声，对试验结果无影响。上述分析证明了容器设计阶段数值模拟计算的准确性。

在应变测量方面，S1/S3/S4应变传感器出现故障，显示异常，剔除异常传感器数据后的时程曲线见图10。将实际试验曲线（图10）与理论分析值（表3顶面垂直跌落）比对可知，传感器S2/S5/S6实测曲线与计算结果趋势基本一致，最大应变值出现在11.478 s附近，最大应变值为0.001 03。最大应变值较理论分析值小，证明了设计阶段数值模拟计算是保守的。

图9 跌落加速度响应曲线

图10 跌落应变响应曲线

4 结语

本文介绍了二氧化铀粉末运输容器的跌落安全设计理念，选取了易破损聚氨酯材料作为跌落缓冲材料。通过跌落动力学仿真确认了容器最危险跌落姿态。通过实际试验验证，验证了最危险跌落姿态下的安全性。

容器在最危险跌落工况下，聚氨酯材料减振吸能效果与设计计算相符，二氧化铀粉末的密封性得以保障。二氧化铀粉末运输容器在加速度、应变等物理量的数值模拟与实际试验结果匹配性较好，理论计算具有一定的保守性。

综上所述，以有限元分析为基础的容器仿真分析与样机试验结果匹配度较高，试验样机通过了相关跌落试验，证明了容器在危险姿态下的9 m跌落安全性能。该研究为小吨位核材料9 m跌落试验提供了成功案例，也为其他危险品包装设计与分析验证工作提供了参考。

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Safety Design and Test Verification of Uranium Dioxide Powder Transport Container under Imaginary Drop Accident

ZHANG Zhenyu1,2, CHEN Meng2,ZHUANG Xiaodong2,SHEN Guangyao1,SHAO Changlei1,SHEN Yongjian1, CHEN Xiuming1,YUAN Guangyin2

(1. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200233, China; 2. Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China)

The work aims to design a transport container for fissionable uranium dioxide powder and prove that the container can meet the design criteria of nuclear criticality, shielding safety and radioactive material containment under a 9 m drop in the most dangerous posture. A three-layer sealed container that was flexible on the outside and rigid on the inside was designed, the vibration-reducing and energy-absorbing polyurethane materials were filled between the inner and outer shells, the dynamic response of the structure and functional materials of the container under various postures was established and analyzed, and the most dangerous dropping posture was determined. An actual drop test was carried out for the most dangerous working conditions to prove the safety of the container under imaginary accidents. Under the most dangerous dropping condition of the container, the vibration-reducing and energy-absorbing effect of polyurethane materials was consistent with the design calculation, and the position and defect amount of functional materials such as neutron absorption plate and neutron moderator plate met the requirements. The tightness of uranium dioxide powder was guaranteed. The container simulation analysis based on finite element analysis has a high matching degree with the prototype test results. The prototype has passed the relevant drop test, proving the safety performance of the container in a dangerous posture under a 9 meter drop.

radioactive material transport; drop test; uranium dioxide powder; drop dynamics

TB485.3

A

1001-3563(2024)01-0273-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.032

2023-07-26

国家科技重大专项课题（2017ZX06002004）