梅華平 楊國威 段成君 劉書勇

（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所 合肥230031）

早在20世紀(jì)80年代，我國就確定了走核燃料閉式循環(huán)的路線，為適應(yīng)核電的快速發(fā)展，現(xiàn)階段乏燃料后處理廠正在緊密籌建之中。由于乏燃料具有高釋熱、強放射性和易臨界等屬性，乏燃料儲存和轉(zhuǎn)運需要使用專用的貯存格架或儲運吊籃。目前國內(nèi)中國核工業(yè)集團有限公司與中國廣核集團有限公司均已自主掌握了乏燃料貯存格架研制技術(shù)［1?2］，但對于后處理廠乏燃料水池用儲運吊籃，僅有中國廣核集團有限公司莫懷森等［3］公開了一項可一次裝載8盒乏燃料組件的貯運兩用吊籃實用新型專利，未見其他公開文獻報導(dǎo)。

法國阿?，m公司阿格核燃料后處理廠有豐富的乏燃料儲運吊籃使用經(jīng)驗，設(shè)計并研制了可一次性裝載9盒和16盒乏燃料組件的轉(zhuǎn)運吊籃［4］，但未公開詳細(xì)方案。韓國弘益大學(xué)Kwon等［5］設(shè)計了可裝載4盒方形壓水堆乏燃料組件的圓筒型吊籃，并分析了乏燃料組件采取不同角度陣列下的吊籃結(jié)構(gòu)強度，結(jié)果表明圍繞吊籃中心軸旋轉(zhuǎn)30°～35°的吊籃具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

本文針對國內(nèi)壓水堆商業(yè)核電站典型乏燃料組件參數(shù)和后處理廠乏燃料組件的轉(zhuǎn)運需求，設(shè)計了可一次性裝載8盒乏燃料組件的儲運吊籃，并對儲運吊籃進行了臨界安全和結(jié)構(gòu)強度分析，研究結(jié)果對后處理廠乏燃料儲存和轉(zhuǎn)運有一定參考價值。

1 吊籃的優(yōu)點

對于后處理廠乏燃料貯存水池儲運乏燃料組件，使用吊籃與貯存格架相比，吊籃具有一定優(yōu)勢，包括：

1)轉(zhuǎn)運能力高

乏燃料轉(zhuǎn)運時，如使用貯存格架儲存，乏燃料抓取機需將乏燃料組件從貯存格架中緩慢完全抽出后，轉(zhuǎn)移至后處理首端工藝廠房，每次僅能轉(zhuǎn)運1盒乏燃料組件，導(dǎo)致操作頻次高，增加了作業(yè)風(fēng)險；如使用吊籃，則無需將乏燃料組件抽出，乏燃料抓取機可每次轉(zhuǎn)運1個吊籃（一般不少于4盒乏燃料組件），從而極大提高乏燃料組件的水下轉(zhuǎn)運能力，更好適應(yīng)商業(yè)后處理廠首端工藝的生產(chǎn)能力需求。

2)安全性好

乏燃料貯存水池如采用貯存格架，乏燃料組件轉(zhuǎn)運時距貯存水池池底約5～6 m。而吊籃在水下轉(zhuǎn)運時距水池池底可小于1 m，遠(yuǎn)低于使用貯存格架情況。如發(fā)生抓取脫落事故，吊籃水下轉(zhuǎn)運過程產(chǎn)生的沖擊力比貯存格架轉(zhuǎn)運時小，相應(yīng)地對乏燃料組件和貯存水池底部的不銹鋼覆面損壞更小。

3)經(jīng)濟性好

采用吊籃可以減小水池深度（減少一個組件運輸層的高度），從而降低乏燃料貯存水池的池水量和建造成本。還可根據(jù)乏燃料組件的接收合同，按計劃分期分批加工，從而減少一次性投資［6］。

2 吊籃結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 燃料組件參數(shù)

本文研究的乏燃料儲運吊籃，設(shè)計裝載對象為AFA 2G乏燃料組件，組件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)[7?10]見表1。

表1 AFA 2G燃料組件主要參數(shù)Table 1 Parameters of AFA 2G fuel assembly

2.2 吊籃能力與結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照后處理廠每年處理800 t乏燃料計算，平均每個工作日須轉(zhuǎn)運約3.2 t乏燃料至后處理首端工藝廠房?？紤]乏燃料轉(zhuǎn)運過程操作步驟繁瑣，放射性操作人員職業(yè)健康對年工作時間的限制等因素，儲運吊籃的裝載能力按照一次裝載8盒乏燃料組件設(shè)計。

乏燃料儲運吊籃由組件盒、中子吸收板、外圍桶、連接板、底板、吊裝部件等組成，吊籃俯視結(jié)構(gòu)示意見圖1。吊籃長0.92 m、寬0.83 m、高4.09 m，主體結(jié)構(gòu)由8個相同的組件盒與居中的吊裝部件按照九宮格排列，并利用外圍桶、連接板、底板將組件盒和吊裝部件固定連接。組件盒為方形套筒結(jié)構(gòu)，高4.06 m、外對邊距0.229 m、壁厚2.5 mm，每個組件盒外壁安裝兩塊中子吸收板。中子吸收板長3.66 m、寬0.19 m、厚度為2.7 mm，中子吸收板材料為鋁基碳化硼（天然硼），其中碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，中子吸收板安裝的高度位置與燃料組件活性區(qū)對應(yīng)。外圍桶和組件盒下端設(shè)有流道孔，為乏燃料水池池水冷卻乏燃料組件提供流道。底板為20 mm厚度的不銹鋼板并設(shè)計有6個U型槽，用于吊籃的水平方向固定。

圖1 吊籃結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basket

3 臨界安全分析

3.1 單盒吊籃滿載下臨界安全分析

采用核能安全技術(shù)研究所自主研發(fā)的中子輸運蒙特卡羅計算軟件SuperMC，對單盒吊籃滿載乏燃料組件的情況進行了臨界安全計算，計算的物理模型見圖2。吊籃內(nèi)裝載8盒表1所述的燃料組件并完全浸入純水，燃料組件中235U富集度按照新燃料計算未考慮燃耗影響，燃料組件導(dǎo)向筒內(nèi)無控制棒中子吸收體。計算模型建模時燃料最小單元為燃料棒，純水充滿燃料棒包殼之間的間隙。臨界計算結(jié)果表明：單盒吊籃滿載情況下keff為0.803，滿足乏燃料轉(zhuǎn)運的臨界安全要求。

3.2 吊籃貯存方式下水池滿載狀態(tài)的臨界安全分析

針對乏燃料貯存水池內(nèi)采用吊籃儲存乏燃料的情況，對無限大貯存水池、吊籃密集裝載且吊籃滿載乏燃料組件的情況，進行臨界安全計算。計算軟件和柵元模型同§3.1，但設(shè)置柵元模型的6個最外邊界均為全反射條件，相當(dāng)于吊籃柵元在無限大空間內(nèi)最密集排布。計算結(jié)果表明：無限大貯存水池滿載吊籃且吊籃滿載乏燃料組件時貯存水池內(nèi)keff為0.906，滿足乏燃料儲存的臨界安全要求。

圖2 吊籃物理計算柵元模型Fig.2 Physical calculation cell model of the basket

4 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

4.1 計算模型

乏燃料轉(zhuǎn)運吊籃具有高徑比大的特點，使吊籃的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震問題突出，因此本文利用ANSYS有限元軟件對吊籃的結(jié)構(gòu)強度進行了計算分析，計算分析模型見圖3。設(shè)計的乏燃料貯存水池底部鋼敷面固定連接具有導(dǎo)向功能的螺桿，吊籃通過底板上的6個U型槽與螺桿連接，實現(xiàn)吊籃水平方向固定，吊籃垂直方向不固定。因裝載的燃料組件與吊籃無剛性連接，燃料組件對吊籃結(jié)構(gòu)強度的影響通過附加質(zhì)量體現(xiàn)。吊籃主體結(jié)構(gòu)材料為SS304不銹鋼，力學(xué)分析計算時采用室溫下的材料物性參數(shù)。計算模型劃分網(wǎng)格時，主體網(wǎng)格為Map面映射網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量65 576個，節(jié)點數(shù)量385 451個。

圖3 吊籃力學(xué)分析模型(a)機械模型，(b)網(wǎng)格模型Fig.3 Mechanical analysis model of the basket(a)Mechanical model,(b)Mesh model

4.2 模態(tài)分析

對吊籃進行了模態(tài)分析，計算了前6階的固有頻率和X、Y、Z方向的分布質(zhì)量，計算結(jié)果見表2。從表2可以看出，吊籃基態(tài)頻率為27.95 Hz，基態(tài)頻率較高表明吊籃具有較好的抗震性能；在X、Y、Z三個方向上，吊籃前6階模態(tài)的有效質(zhì)量比之和均大于90%，因此后續(xù)地震反應(yīng)譜分析時選擇前6階振型參與計算。

表2 前6階模態(tài)參數(shù)Table 2 Parameters of the preceding 6 modes

圖4給出了吊籃的前6階模態(tài)振型。從圖4可以看出，1階、2階模態(tài)為吊籃沿Z方向振動，3～6階模態(tài)振動集中于吊籃內(nèi)部不同組件盒位置。分析認(rèn)為由于吊籃組件盒壁較薄，且吊籃裝載的燃料組件質(zhì)量附加于組件盒，屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)，易激發(fā)振動。

圖4 吊籃前6階模態(tài)振型(a)1階，(b)2階，(c)3階，(d)4階，(e)5階，(f)6階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 抗震計算

吊籃主體為SS304不銹鋼焊接件，并采用底板上的6個U型槽水平固定，參考GB 50267《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》［11］要求，極限安全地震工況下，吊籃的阻尼比按照7%取值。乏燃料貯存水池場址按照基巖場地，計算用標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)見表3。在0.3 g的設(shè)計地震震動加速度下，吊籃ANSYS反應(yīng)譜分析結(jié)果見圖5。

表3 標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)Table 3 Data of standard response spectrum

從圖5可以看出，在0.3 g設(shè)計地震動的作用下，吊籃最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為7.92 MPa，最大應(yīng)力位于底板U型槽處，應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于SS304不銹鋼材料許用應(yīng)力；吊籃形變量小，集中在組件盒頂部位置，與模態(tài)分析結(jié)果相吻合；吊籃最大形變量為0.32 mm，設(shè)計吊籃組件盒裝載燃料組件后的單邊間隙為5 mm，因此該形變量不影響燃料組件在吊籃內(nèi)的裝載和抽出。

圖5 抗震計算結(jié)果(a)應(yīng)力分布，(b)應(yīng)變分布Fig.5 Results of seismic calculation(a)The stress distribution,(b)The strain distribution

5 結(jié)語

對于后處理廠乏燃料貯存水池，使用吊籃儲存和轉(zhuǎn)運乏燃料，具有轉(zhuǎn)運能力高、安全性和經(jīng)濟性好的特點。本文針對壓水堆商業(yè)核電站AFA 2G燃料組件，設(shè)計了可用于后處理廠乏燃料貯存水池內(nèi)使用的儲運吊籃，并對裝載乏燃料后的儲運吊籃進行了臨界安全和結(jié)構(gòu)抗震分析，結(jié)果表明：

1）設(shè)計的轉(zhuǎn)運吊籃在滿載燃料組件情況下keff為0.803；在無限大貯存水池滿載吊籃且吊籃滿載燃料組件的情況下，貯存水池keff為0.906；吊籃設(shè)計滿足乏燃料儲存和轉(zhuǎn)運的臨界安全要求。

2）吊籃具有較好的抗振性能，在設(shè)計地震震動加速度為0.3 g時，吊籃最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為7.92 MPa，低于結(jié)構(gòu)材料許用強度；最大形變量為0.32 mm，不影響吊籃安全和儲運功能。