VVER乏燃料贮存格架与贮运吊篮结构浅析

秦玮，祁杰

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电是安全、高效的低碳能源，推进沿海建设逐步提高核电在能源供应中的比例，是我国重要战略。通过在确保安全的前提下积极有序发展核电，实现能源供应多元化，减少对煤炭、进口石油等传统不可再生化能源的依赖，是响应和落实国家能源发展战略及核电规划的具体举措。同时核电对减少二氧化碳排放，改善环境质量的作用是非常明显的，为我国实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。随着我国规模化发展核电，从核电站卸出的乏燃料将大幅增加，核电站产生的乏燃料需要在电站乏燃料贮存水池的乏燃料贮存格架中存放一定时间后进行外运，以保证核电站运行时的乏燃料安全贮存容量。根据我国核燃料闭合循环的核能发展路线，在对乏燃料组件进行后处理工作前，通过乏燃料贮运吊篮对乏燃料接收贮存和转运，以提高效率匹配乏燃料后处理厂工艺操作的连续性。因此，乏燃料贮存格架和乏燃料贮运吊篮都是保证乏燃料组件安全的重要设备。

1 格架和吊篮设计的安全原则

乏燃料贮存格架和贮运吊篮设计总体安全原则遵循HAF102-2016《核动力厂设计安全规定》、HAD102/15-2021《核动力厂燃料装卸与贮存系统设计》和EJ/T878-2011《乏燃料离堆贮存水池安全设计准则》中保持燃料次临界、排出已辐照燃料的余热和包容放射性物质的总要求。结合乏池环境条件，格架和吊篮设计原则具体体现为如下。

1.1 保持相关安全功能

乏池内贮存燃料组件的格架或吊篮需确保能维持燃料组件安全贮存的功能性要求，具体为：正常贮存状态、地震工况以及燃料组件及工具跌落工况下，格架或吊篮依赖结构的几何形状和材料能够确保乏燃料的次临界安全。

1.2 保证燃料组件冷却能力

格架或吊篮设计应确保所存乏燃料衰变热的移除能力。通过流道的布置及尺寸保证燃料组件完全由冷却剂自然冷却循环冷却。

1.3 包容放射性物质

防止燃料组件操作中的损坏和贮存时的裸露。燃料贮存小室应按一定栅距垂直排列，顶部应设置导向段便于进行燃料组件的装卸操作，不应出现燃料组件的卡阻或损坏燃料组件的现象。

1.4 保证结构完整性

防止格架或吊篮结构失效导致违反燃料组件安全贮存准则的结果。格架或吊篮属于安全相关级设备，抗震等级为1I，在地震情况下须保持结构完整性，地震或燃料组件跌落、吊篮跌落产生的几何条件变化（含弹性变形）也能够确保格架或吊篮的次临界安全以及不影响燃料组件衰变热的导出。

2 格架结构设计研究

格架为安全相关级设备，最终成型后尺寸的偏差直接影响临界计算结果，单台格架的质量重达20t，因此制造中配备特制的工装以保证高精度要求。本设计中，提出格架总体方案，包含燃料组件贮存单元和密封桶贮存单元，使得电站中格架种类单一，利于制造加工工艺可靠稳定、降低成本。格架为整体呈长方形的金属贮舱，六角形硼钢管垂直按照一定栅距排列形成燃料组件贮存小室，2个密封桶贮存小室置于其中（图1）。

图1 VVER-1200堆型乏燃料贮存格架

2.1 外围框架

外围框架采用支承柱、围板和支承板焊接而成，作为格架的主要承载结构，应具备足够的强度抵抗因水隙小带来的较大载荷，为提升整体连接刚度从而减小弹性变形，结构上采用全焊透等强的连接方式。

围板的尺寸对抗震分析和制造难度有较大的影响，通过增设中部支承板将围板由一张整板变为两张板，围板中心应力下降了18%；单块围板的焊接长度也大大减小，利于控制焊接变形。中部支承板可视为框架中间的“加强筋”，对与之相邻的六角形硼钢管起到限位作用，在密封桶贮存小室中作为密封桶的中部支撑，为密封桶的力学评定提供了有利条件。

2.2 燃料组件贮存小室

格架中子吸收材料选用的六角形硼钢管为含硼的铁素体不锈钢，焊接后会出现材料脆化现象，为了避免脆化发生，硼钢管的固定采用销钉结构。为保证燃料组件的次临界安全，须精准控制燃料组件贮存小室之间的栅距，由于硼钢管厚度的偏差，采用2个连接块之间增加调整垫板（图2），加工一系列厚度的调整垫板，根据实际组装间距选用。

图2 燃料组件贮存小室

每根硼钢管对应下支承板位置设置流道，保证冷却剂自下而上自然循环实现燃料组件衰变热的导出。

2.3 破损燃料密封桶贮存小室

采用在燃料组件贮存小室之间嵌入2个密封桶贮存小室实现格架种类唯一。密封桶内使用与燃料组件贮存小室所用的同规格中子吸收材料，且与燃料组件贮存小室之间间距大于燃料组件贮存小室之间栅距，因此，破损燃料组件临界安全可以得到很好保证。

密封桶小室结构应确保装载的密封桶得到最大化冷却。下支撑板位置的6个流道分别为密封桶6个换热管束提供冷却剂循环的保障（图3）。

图3 破损燃料密封桶贮存小室

2.4 “可拆卸式”支撑结构研究

格架支撑结构位于格架本体下方，承受格架的自重载荷及地震载荷。我国“华龙一号”核电站的格架均采用直接座落在乏池底面、无任何机械连接的调整支腿结构，在地震工况下，格架的布置间距保证相邻格架或格架与池壁不发生碰撞。在VVER堆型里，格架质量较大且布置间距较小，自由座落的方式将导致碰撞的可能，因此，采用支撑结构与池底固定连接的方式，降低碰撞风险。

燃料组件抽插对格架贮存小室的垂直度有较高的要求，垂直度通过制造和安装控制。格架支撑结构为了实现调节功能在支架基础上增加调整螺纹。支架由若干支撑管和板焊接而成，支撑管的数量和布置对单台格架的抗震分析有明显的影响。

调整螺纹布置在支架的下方，并且采用插接的形式连接（图4），这种“可拆卸式”支撑结构能够实现必要时的移出需求。在保证抗震需求的前提下，减小支架连接板宽度，为FAK管道预留空间。

图4 VVER-1200型号格架支撑结构

3 吊篮结构设计分析

目前，针对四边形燃料组件的贮运吊篮已经完成科研样机的验收工作，而对于六边形燃料组件的吊篮仍处于国内空白阶段。本章节以VVER格架的结构为基础，浅析六边形燃料组件吊篮结构设计方案。

吊篮中燃料组件贮存小室延续格架的结构设计，六边形硼钢管作为功能性材料，采用销钉连接并通过不同厚度的垫板控制栅距。为了满足起吊重量限制要求，单吊篮中含7个燃料贮存单元，整体呈圆形阵列。上支撑板采用方形板将贮存单元阵列与外围框架连接，上支撑板设有吊装孔用于吊篮自动操作装置对吊篮的起吊运输操作。相较于格架，吊篮的高径比较大，可使用四边形燃料组件贮运吊篮的“燕尾槽”结构防止地震工况下吊篮的倾翻，同时与吊篮水下自动运输小车的接口相匹配。

本文所属格架底部支撑结构不适用于需要移动的贮运吊篮，参考“华龙一号”核电站中格架的自由座落在乏池底面、无任何机械连接的调整支腿结构（图5），既能保证吊篮整体吊运，又具备安装调试阶段吊篮垂直度调节功能。

图5 调整支腿结构

4 结语

福岛事故后，核安全监管机构更加重视乏燃料水池的安全问题。乏燃料贮存格架或吊篮安全性、乏燃料水池的补水能力以及维修的可行性成为核安全监管机构重点关注的问题。本文基于乏燃料贮存的总体安全原则，提出了燃料组件贮存小室和密封桶贮存小室于一体的单一化格架结构方案，有效提升了格架的抗震能力，开发了一种“可拆卸式”的格架支撑结构及配套的安装工艺。针对贮运吊篮的功能要求和需求，结合六角形燃料组件贮存格架的结构方案，提出了吊篮的燃料贮存单元、整体框架和支撑结构的设计方案，为六角形燃料组件离堆贮存提供设计思路,也为未来更新、更具竞争力的产品开发提供了技术参考。