乏燃料贮存运输容器热传导试验装置设计研究

张白茹 卢可可

（中国核电工程有限公司核设备所，北京100840）

0 引言

乏燃料贮存运输容器（以下简称“容器”）是压水堆乏燃料组件离堆干式贮存的关键设备，兼带运输功能。

在正常运输/贮存条件下，容器热传导功能是否满足设计要求，各结构材料的工作温度能否在其许用限值内，是评估容器能否稳定执行热工设计功能的关键因素。为证明容器能够稳定执行热工性能，需采用一种热传导试验装置对容器进行热传导试验。本文设计了一种热传导试验装置，并对其所应实现的功能进行了分析、结构设计以及热传导试验设计，并给出了验收准则。

1 热传导试验装置设计

1.1 热传导试验装置功能分析

热传导试验装置主要用于验证容器能够稳定执行热工设计功能，从而保证容器在正常贮存运输条件下，容器各结构材料的工作温度在其许用限值内，稳定执行设计功能，确保材料温度不超差、结构功能不丧失，进而确保容器功能不失效。

1.2 结构设计

1.2.1 设计分析

根据容器对热传导试验装置功能的要求，对热传导试验装置进行结构设计时需要考虑以下方面：

（1）考虑到乏燃料组件放射性很强，不便于用真实组件模拟，所以需要用其他装置代替，使模拟尽可能接近真实的工况。

（2）由于在正常运输条件下，容器各结构材料的工作温度是否在其许用限值内，是判定容器能否稳定执行热工设计功能的关键因素，所以需要考虑如何实现温度的测量，判定其是否在许用限值之内。

（3）要验证容器的热工设计功能需进行热传导试验。由于热传导试验需要在容器筒体内部放置加热装置并布线，加热管和热电偶的导线需从容器盖上引出，容器盖不能满足此功能，所以需要重新设计。

1.2.2 结构

根据热传导试验装置的功能和上述的设计分析，热传导试验装置的结构如图1所示。

图1 热传导试验装置设计方案

根据设计分析，要完成热传导试验装置设计，需解决衰变热的模拟、温度的测量以及包容边界密封和散热功能的验证。

（1）衰变热的模拟。在贮存期间，容器内容物会产生衰变热，为了模拟衰变热[1]，设计了加热管组件来模拟真实的燃料组件。

加热管组件由加热管、定位板、支撑板组件、管组成。

加热管采用380V管状电加热元件。根据燃料组件所产生的衰变热等效的热功率，选择加热管。

为了定位和支撑加热管，设计了定位板和支撑板组件。

由于加热管是一种线性热源，为了使散热均匀，设计了与之配合的管组件。管组件主要由管、支撑板和底板组成。

（2）温度的测量。为了实现筒体内腔体表面不同位置的温度测定，实现筒体内腔热电偶与测点的紧密贴合，配合吊篮接口尺寸，设计了不同类型的热电偶支架，用于将热电偶压紧在筒体内腔上，测定相应位置的温度。

（3）包容边界密封和散热功能的验证。为实现包容边界的密封和验证其导热功能，同时由于热传导试验需要在容器筒体内部放置加热装置并布线，加热管和热电偶的导线需从容器盖上引出，原容器盖不能满足此功能，因此设计了热传导试验专用盖。

为了尽可能地减小热传导试验专用盖的厚度，节约成本，同时保证容器内热效应等效。选用了耐高温纤维针刺毯来作为隔热层以达到隔热效果。

热传导试验专用盖上设置了两类管口。一类用于连接抽真空和充氦系统以及用于连接压力表和真空计。另一类用于安装航空插头，将加热管和热电偶的导线引出，如图1所示。

2 试验设计与验证

2.1 试验目的

热传导试验，是为了检验容器作为运输容器用时，在正常运输工况下热工设计功能能否满足设计要求；作为贮存容器用时，在正常工况下热工设计功能能否满足设计要求。

2.2 验收准则

根据容器热工设计特性，其验收准则为容器各结构的温度不超过容器相应位置材料的许用限值。

2.3 试验内容

2.3.1 试验设施

（1）试验场地。由于试验要在环境温度均匀、试验空间足够的条件下进行，为了给试验提供一个稳定封闭的室内环境。因此，要求房间内表面面积需为容器外表面面积的50倍以上，室内大气温度应均匀且不易受室外环境影响。

（2）加热装置。试验时在吊篮的每个贮存套管中放置了电加热管。为了实现对电加热管热功率的测量与调节能力，设置了加热装置和调压器，加热装置原理如图2所示。

图2 热传导试验原理图

（3）温度测量装置。鉴于试验时容器内温度比较高，试验选用耐高温、可以实现温度直接测量的热电偶作为温度数据测量元件[2]。

2.3.2 试验方案

（1）正常运输工况下热传导试验。当容器作为运输容器使用时，装置卧式放置，在容器顶部和底部分别安装上、下减震器，来模拟装置在正常运输工况下的热传导试验。

为保证数据的完整，在每个高度位置周向设置测点，为准确估测环境温度，并在容器周围设置环境热电偶，热电偶布置示意图如图3所示。

图3 运输工况热电偶布置示意图

（2）贮存工况下热传导试验。当容器作为贮存容器使用时，装置立式放置（不安装减震器），来模拟装置在贮存工况下的热传导试验。

为保证数据的完整，在每个高度位置周向设置测点，为准确估测环境温度，并在容器周围设置环境热电偶，热电偶布置示意图如图4。

图4 贮存工况热电偶布置示意图

（3）试验步骤。为了尽量模拟容器常规运输/贮存状况下的真实工况，首先要对容器进行抽真空，再进行试验。

首先给电加热管供电，同时监控所有热电偶数据和加热器功率，并调整总加热功率至所需数值，记录监测数据。当容器达到传热平衡状态后，记录N组数据并关闭电源，让容器自然冷却至外表面接近室温，结束试验。

（4）试验结果的等效修正。为了得到容器放置在正常工况中的各测量部位的等效温度，需要对热传导试验测量数据进行修正，修正式如下：

式中，t为环境温度，℃；Tt，i为修正后各测量位置部件的等效温度，℃；Ttest，En为试验中环境平均温度测量值，℃；Ttest，i为各部位温度试验测量值，℃；i为试验各部位测量序号。

3 结语

本文针对乏燃料贮存运输容器所需具备的热传导功能设计了热传导试验装置，该装置的结构设计从衰变热的模拟、温度的测量以及包容边界密封和散热功能的验证等多方面综合考虑，可以有效地模拟乏燃料贮存运输容器的实际工况，同时兼顾了成本因素，材料选型、结构设计合理，安装操作便利；同时，对热传导装置进行了试验方案设计，并给出了试验的验收准则、试验步骤，方案明确详细、合理可行，可以为以后类似容器提供借鉴。