后处理厂乏燃料储运吊篮设计与分析

2021-05-24梅华平杨国威段成君刘书勇

核技术 2021年5期

梅华平杨国威段成君刘书勇

（中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所合肥230031）

早在20世纪80年代，我国就确定了走核燃料闭式循环的路线，为适应核电的快速发展，现阶段乏燃料后处理厂正在紧密筹建之中。由于乏燃料具有高释热、强放射性和易临界等属性，乏燃料储存和转运需要使用专用的贮存格架或储运吊篮。目前国内中国核工业集团有限公司与中国广核集团有限公司均已自主掌握了乏燃料贮存格架研制技术［1−2］，但对于后处理厂乏燃料水池用储运吊篮，仅有中国广核集团有限公司莫怀森等［3］公开了一项可一次装载8盒乏燃料组件的贮运两用吊篮实用新型专利，未见其他公开文献报导。

法国阿海珐公司阿格核燃料后处理厂有丰富的乏燃料储运吊篮使用经验，设计并研制了可一次性装载9盒和16盒乏燃料组件的转运吊篮［4］，但未公开详细方案。韩国弘益大学Kwon等［5］设计了可装载4盒方形压水堆乏燃料组件的圆筒型吊篮，并分析了乏燃料组件采取不同角度阵列下的吊篮结构强度，结果表明围绕吊篮中心轴旋转30°～35°的吊篮具有更稳定的结构。

本文针对国内压水堆商业核电站典型乏燃料组件参数和后处理厂乏燃料组件的转运需求，设计了可一次性装载8盒乏燃料组件的储运吊篮，并对储运吊篮进行了临界安全和结构强度分析，研究结果对后处理厂乏燃料储存和转运有一定参考价值。

1 吊篮的优点

对于后处理厂乏燃料贮存水池储运乏燃料组件，使用吊篮与贮存格架相比，吊篮具有一定优势，包括：

1)转运能力高

乏燃料转运时，如使用贮存格架储存，乏燃料抓取机需将乏燃料组件从贮存格架中缓慢完全抽出后，转移至后处理首端工艺厂房，每次仅能转运1盒乏燃料组件，导致操作频次高，增加了作业风险；如使用吊篮，则无需将乏燃料组件抽出，乏燃料抓取机可每次转运1个吊篮（一般不少于4盒乏燃料组件），从而极大提高乏燃料组件的水下转运能力，更好适应商业后处理厂首端工艺的生产能力需求。

2)安全性好

乏燃料贮存水池如采用贮存格架，乏燃料组件转运时距贮存水池池底约5～6 m。而吊篮在水下转运时距水池池底可小于1 m，远低于使用贮存格架情况。如发生抓取脱落事故，吊篮水下转运过程产生的冲击力比贮存格架转运时小，相应地对乏燃料组件和贮存水池底部的不锈钢覆面损坏更小。

3)经济性好

采用吊篮可以减小水池深度（减少一个组件运输层的高度），从而降低乏燃料贮存水池的池水量和建造成本。还可根据乏燃料组件的接收合同，按计划分期分批加工，从而减少一次性投资［6］。

2 吊篮结构设计

2.1 燃料组件参数

本文研究的乏燃料储运吊篮，设计装载对象为AFA 2G乏燃料组件，组件主要结构参数[7−10]见表1。

表1 AFA 2G燃料组件主要参数Table 1 Parameters of AFA 2G fuel assembly

2.2 吊篮能力与结构设计

按照后处理厂每年处理800 t乏燃料计算，平均每个工作日须转运约3.2 t乏燃料至后处理首端工艺厂房。考虑乏燃料转运过程操作步骤繁琐，放射性操作人员职业健康对年工作时间的限制等因素，储运吊篮的装载能力按照一次装载8盒乏燃料组件设计。

乏燃料储运吊篮由组件盒、中子吸收板、外围桶、连接板、底板、吊装部件等组成，吊篮俯视结构示意见图1。吊篮长0.92 m、宽0.83 m、高4.09 m，主体结构由8个相同的组件盒与居中的吊装部件按照九宫格排列，并利用外围桶、连接板、底板将组件盒和吊装部件固定连接。组件盒为方形套筒结构，高4.06 m、外对边距0.229 m、壁厚2.5 mm，每个组件盒外壁安装两块中子吸收板。中子吸收板长3.66 m、宽0.19 m、厚度为2.7 mm，中子吸收板材料为铝基碳化硼（天然硼），其中碳化硼质量分数为30%，中子吸收板安装的高度位置与燃料组件活性区对应。外围桶和组件盒下端设有流道孔，为乏燃料水池池水冷却乏燃料组件提供流道。底板为20 mm厚度的不锈钢板并设计有6个U型槽，用于吊篮的水平方向固定。

图1 吊篮结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the basket

3 临界安全分析

3.1 单盒吊篮满载下临界安全分析

采用核能安全技术研究所自主研发的中子输运蒙特卡罗计算软件SuperMC，对单盒吊篮满载乏燃料组件的情况进行了临界安全计算，计算的物理模型见图2。吊篮内装载8盒表1所述的燃料组件并完全浸入纯水，燃料组件中235U富集度按照新燃料计算未考虑燃耗影响，燃料组件导向筒内无控制棒中子吸收体。计算模型建模时燃料最小单元为燃料棒，纯水充满燃料棒包壳之间的间隙。临界计算结果表明：单盒吊篮满载情况下keff为0.803，满足乏燃料转运的临界安全要求。

3.2 吊篮贮存方式下水池满载状态的临界安全分析

针对乏燃料贮存水池内采用吊篮储存乏燃料的情况，对无限大贮存水池、吊篮密集装载且吊篮满载乏燃料组件的情况，进行临界安全计算。计算软件和栅元模型同§3.1，但设置栅元模型的6个最外边界均为全反射条件，相当于吊篮栅元在无限大空间内最密集排布。计算结果表明：无限大贮存水池满载吊篮且吊篮满载乏燃料组件时贮存水池内keff为0.906，满足乏燃料储存的临界安全要求。

图2 吊篮物理计算栅元模型Fig.2 Physical calculation cell model of the basket

4 结构力学分析

4.1 计算模型

乏燃料转运吊篮具有高径比大的特点，使吊篮的结构稳定性和抗震问题突出，因此本文利用ANSYS有限元软件对吊篮的结构强度进行了计算分析，计算分析模型见图3。设计的乏燃料贮存水池底部钢敷面固定连接具有导向功能的螺杆，吊篮通过底板上的6个U型槽与螺杆连接，实现吊篮水平方向固定，吊篮垂直方向不固定。因装载的燃料组件与吊篮无刚性连接，燃料组件对吊篮结构强度的影响通过附加质量体现。吊篮主体结构材料为SS304不锈钢，力学分析计算时采用室温下的材料物性参数。计算模型划分网格时，主体网格为Map面映射网格，网格数量65 576个，节点数量385 451个。

图3 吊篮力学分析模型(a)机械模型，(b)网格模型Fig.3 Mechanical analysis model of the basket(a)Mechanical model,(b)Mesh model

4.2 模态分析

对吊篮进行了模态分析，计算了前6阶的固有频率和X、Y、Z方向的分布质量，计算结果见表2。从表2可以看出，吊篮基态频率为27.95 Hz，基态频率较高表明吊篮具有较好的抗震性能；在X、Y、Z三个方向上，吊篮前6阶模态的有效质量比之和均大于90%，因此后续地震反应谱分析时选择前6阶振型参与计算。

表2 前6阶模态参数Table 2 Parameters of the preceding 6 modes

图4给出了吊篮的前6阶模态振型。从图4可以看出，1阶、2阶模态为吊篮沿Z方向振动，3～6阶模态振动集中于吊篮内部不同组件盒位置。分析认为由于吊篮组件盒壁较薄，且吊篮装载的燃料组件质量附加于组件盒，属于抗震薄弱环节，易激发振动。

图4 吊篮前6阶模态振型(a)1阶，(b)2阶，(c)3阶，(d)4阶，(e)5阶，(f)6阶Fig.4 The first six vibration modes of the basket vibration(a)Mode 1,(b)Mode 2,(c)Mode 3,(d)Mode 4,(e)Mode 5,(f)Mode 6

4.3 抗震计算

吊篮主体为SS304不锈钢焊接件，并采用底板上的6个U型槽水平固定，参考GB 50267《核电厂抗震设计规范》［11］要求，极限安全地震工况下，吊篮的阻尼比按照7%取值。乏燃料贮存水池场址按照基岩场地，计算用标准反应谱数据见表3。在0.3 g的设计地震震动加速度下，吊篮ANSYS反应谱分析结果见图5。

表3 标准反应谱数据Table 3 Data of standard response spectrum

从图5可以看出，在0.3 g设计地震动的作用下，吊篮最大结构应力为7.92 MPa，最大应力位于底板U型槽处，应力水平远低于SS304不锈钢材料许用应力；吊篮形变量小，集中在组件盒顶部位置，与模态分析结果相吻合；吊篮最大形变量为0.32 mm，设计吊篮组件盒装载燃料组件后的单边间隙为5 mm，因此该形变量不影响燃料组件在吊篮内的装载和抽出。