溫國(guó)義，蔡宏偉

AP1000型燃料組件水平放置對(duì)格架彈簧影響分析

溫國(guó)義，蔡宏偉

（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司，山東威海 264300）

核電廠建設(shè)的工期延誤和組件制造廠的燃料組件存貯場(chǎng)地不足，不能按期交付的首爐燃料組件被迫存放在組件運(yùn)輸容器內(nèi)水平放置，有的燃料組件在運(yùn)輸容器內(nèi)水平放置時(shí)間約1年以上。針對(duì)燃料組件在運(yùn)輸容器內(nèi)長(zhǎng)期水平放置是否對(duì)組件格架彈簧的力學(xué)特性有影響，以AP1000型燃料組件為例，對(duì)格架彈簧進(jìn)行了力學(xué)特性影響分析。分析認(rèn)為，燃料組件在運(yùn)輸容器內(nèi)長(zhǎng)期水平放置，對(duì)格架彈簧本身影響較小；燃料組件改為豎直放置后，格架彈簧在力學(xué)特性上能夠完全恢復(fù)原狀。

燃料組件；格架彈簧；水平放置

在核電廠的工程建設(shè)過(guò)程中，由于設(shè)備采購(gòu)進(jìn)度延誤、工程建設(shè)進(jìn)度滯后等原因，造成了核電廠不能按照計(jì)劃日期投用，采購(gòu)的燃料組件無(wú)法按期交付，但由于組件制造廠組件存貯場(chǎng)地的限制，被迫將燃料組件存放在組件運(yùn)輸容器內(nèi)水平放置，有的燃料組件在運(yùn)輸容器內(nèi)水平放置時(shí)間約1年以上。為了解燃料組件長(zhǎng)期水平放置在運(yùn)輸容器內(nèi)是否對(duì)燃料組件格架彈簧造成一定的影響，本文以AP1000型燃料組件為例，從燃料組件結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)燃料組件水平放置在運(yùn)輸容器內(nèi)格架彈簧分別在組件靜止和運(yùn)輸條件下的受力情況進(jìn)行了綜合力學(xué)分析，得出了燃料組件在運(yùn)輸容器內(nèi)長(zhǎng)期水平放置對(duì)燃料組件格架彈簧沒(méi)有影響的結(jié)論。

1　AP1000型燃料組件結(jié)構(gòu)

AP1000型燃料組件結(jié)構(gòu)包含上管座、下管座、導(dǎo)向管、儀表管、燃料棒及15層格架。15層格架分別為1層頂部格架、1層底部格架、1層保護(hù)格架、8層中間格架和4層中間攪混格架。每個(gè)燃料組件內(nèi)，燃料棒和導(dǎo)向管、儀表管呈17×17正方形排列，共289個(gè)柵元。其中264個(gè)柵元為燃料棒，24個(gè)柵元為導(dǎo)向管，1個(gè)中心柵元為儀表管。

儀表管位于燃料組件的中心位置，為堆內(nèi)中子通量探測(cè)器提供插入通道。AP1000型燃料組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　AP1000型燃料組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

一個(gè)組件運(yùn)輸容器只能放置一個(gè)AP1000型燃料組件[1]，燃料組件裝入運(yùn)輸容器后，運(yùn)輸容器將水平存放在指定位置，燃料組件水平放置在運(yùn)輸容器內(nèi)，如圖2所示。

圖2　燃料組件運(yùn)輸容器水平放置圖

2　格架分析

燃料組件水平放置在運(yùn)輸容器內(nèi)，對(duì)燃料組件起支撐作用的除上、下管座外還有格架[2、3]。當(dāng)燃料組件水平放置時(shí)，由于格架的支撐作用，靠運(yùn)輸容器底部的格架彈簧受力最大，外力主要是組件自身重量，AP1000型燃料組件重量約為789.6 kg，燃料棒重量約741.8 kg，占組件總重量的93.9%，每組燃料組件有264根燃料棒，根據(jù)設(shè)計(jì)文件[3]，單根燃料棒重約2.81 kg。在組件運(yùn)輸容器內(nèi)，組件上、下管座由于和容器支撐板接觸，故格架彈簧主要承受燃料棒的重量，具體燃料組件水平放置示意圖如圖3所示，格架彈簧及與燃料棒包殼管外壁接觸如圖4、圖5所示。

圖3　燃料組件水平放置示意圖

圖4　格架彈簧與燃料棒包殼管外壁的接觸

圖5　中間格架內(nèi)條帶彈簧

根據(jù)圖3所示，燃料組件1層底部格架、8層中間格架、1層頂部格架從左到右的距離分別為：392.10 mm、473.00 mm、514.70 mm、515.60 mm、515.60 mm、515.70 mm、515.60 mm、515.60 mm、452.10 mm。

一組燃料組件有五種類型格架，這五種類型格架中，對(duì)燃料棒起支撐作用的有頂部格架、中間格架和底部格架，他們的共同點(diǎn)是都有彈簧，中間攪拌格架（IFM格架）、保護(hù)格架沒(méi)有彈簧。AP1000型燃料組件格架情況如表1所示，燃料棒示意圖如圖6所示。

燃料棒上端為氣腔彈簧，下端為支撐管、支承塊，氣腔彈簧重6.4 g，支撐塊重3.5 g，支撐管重8.9 g。氣腔彈簧、支撐塊、支撐管質(zhì)量較輕且相對(duì)整個(gè)燃料棒而言較短，二氧化鈾芯塊集中在中間段（活性段），為質(zhì)量主要集中區(qū)域，可以假設(shè)以燃料棒的質(zhì)量集中在活性段進(jìn)行測(cè)算。

2.1　格架彈簧力學(xué)性能

無(wú)論是底部格架、頂部格架還是中間格架，其格架彈簧與條帶是一個(gè)整體，其材質(zhì)有兩種，分別為Inconel 718和Zirlo，其格架彈簧的基本參數(shù)如表2所示。

表1　AP1000型燃料組件格架情況

圖6　燃料棒示意圖

1—上端塞；2—?dú)馇粡椈桑?—包殼管；4—標(biāo)準(zhǔn)芯塊；5—IFBA芯塊；6—環(huán)形芯塊；7—長(zhǎng)芯塊；8—支撐塊；9—支撐管；10—下端塞

表2可以看出，Inconel 718材質(zhì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)在承載力方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Zirlo材質(zhì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此本文只分析燃料組件水平放置時(shí)Zirlo材料的格架彈簧。

根據(jù)燃料組件結(jié)構(gòu)，燃料組件水平放置時(shí)，格架各層受力不同，靠近運(yùn)輸容器最底層的格架受力最大位置的柵元對(duì)應(yīng)的彈簧支撐其上面最多為17根燃料棒的重量，每根燃料棒由10個(gè)柵元彈簧支撐，從各層格架的間距數(shù)據(jù)上得知，燃料組件從下往上的第四層格架為受力最大部分，其承受的燃料棒最大長(zhǎng)度1為：

1=(515.70+515.60)/2=515.65 mm

表2　兩種不同材質(zhì)格架彈簧基本參數(shù)表

如圖 6 所示，燃料棒活性段全長(zhǎng)為4 267.2 mm，則分布到第四層格架柵元彈簧上的重量W1為：

根據(jù)格架產(chǎn)品技術(shù)條件及技術(shù)圖紙[4,5]，格架的接觸面積不小于2.54×2.16=13.9 mm2，如圖7、圖8所示。

圖7　格架內(nèi)條帶彈簧接觸面積

圖8　格架外條帶彈簧接觸面積

2.2　靜止條件下格架彈簧分析

在靜止條件下，燃料組件平放在運(yùn)輸容器內(nèi)。靜止時(shí)接觸面積為，格架彈簧接觸面壓強(qiáng)1為：

1=1×/=5.77×9.8/13.90=4.068 1 MPa

根據(jù)燃料組件機(jī)械設(shè)計(jì)限值的規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)部件，應(yīng)規(guī)定適用于每類設(shè)計(jì)工況的下列機(jī)械設(shè)計(jì)限值：應(yīng)驗(yàn)證一次應(yīng)力加二次應(yīng)力（）小于0.7u，即＜0.7u其中u為材料的強(qiáng)度極限[6]。

這里，

=0.7×380=266 MPa

若進(jìn)一步假設(shè)安全系數(shù)為2，則：

綜上所述，靜止條件下，充分考慮極限情況和安全系數(shù)，格架彈簧所受壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Zirlo的屈服強(qiáng)度極限，故彈簧處于彈性形變內(nèi)，組件水平放置對(duì)其格架結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，一旦恢復(fù)豎直放置，格架彈簧能立即恢復(fù)原狀。

2.3　設(shè)計(jì)加速度情況下格架彈簧分析

AP1000型燃料組件在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了其運(yùn)輸載荷，最大的運(yùn)輸載荷是組件4（軸向）和6（橫向）加速度引起的載荷。相當(dāng)于4倍（軸向）和6倍（橫向）的組件重量分布在各格架上，進(jìn)而分布在每個(gè)格架柵元的彈簧上。組件設(shè)計(jì)加速度示意圖如圖9所示。

圖9　燃料組件設(shè)計(jì)加速度示意圖

此時(shí)，格架彈簧接觸面壓強(qiáng)2為：

2=1×/=5.77×6×/18.75

=5.77×6×9.8/13.9=24.408 MPa

根據(jù)燃料組件機(jī)械設(shè)計(jì)限值的規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)部件，應(yīng)規(guī)定適用于每類設(shè)計(jì)工況的下列機(jī)械設(shè)計(jì)限值：應(yīng)驗(yàn)證一次應(yīng)力加二次應(yīng)力（）小于0.7u，即＜0.7u。

假設(shè)安全系數(shù)為2，綜上所述：

綜上所述，設(shè)計(jì)加速度條件下，充分考慮極限情況和安全系數(shù)，格架彈簧所受壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Zirlo的屈服強(qiáng)度極限，故彈簧處于彈性形變內(nèi)，組件水平放置對(duì)其格架結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，一旦恢復(fù)豎直放置，格架彈簧能立即恢復(fù)原狀。

3　結(jié)論

從力學(xué)方面的分析看，燃料組件水平放置，對(duì)格架彈簧的影響極小，其受力遠(yuǎn)在其屈服強(qiáng)度之下，當(dāng)燃料組件由水平放置改為豎直放置后，組件格架彈簧在力學(xué)特性上能夠立即恢復(fù)原狀。

［1］ 楊文峰．AP1000新燃料運(yùn)輸容器國(guó)產(chǎn)化分析［C］．北京：中國(guó)核能可持續(xù)發(fā)展論壇，2013．

［2］ 曹博，陳義學(xué)，等．AP1000典型燃料組件物理特性初步分析［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47（S2）：599-602．

［3］ 童幸．燃料組件設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)［R］．2010：1-2．

［4］ 張杰．燃料組件圖冊(cè)［R］．2019：51-52．

［5］ 盧俊強(qiáng)．格架產(chǎn)品技術(shù)條件［R］．2014．

［6］ 高加正．AP1000燃料組件的熱工水力研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014：22-26．

Analysis of the Influence of AP1000 Fuel Assembly Horizontal Placement on the Grid Spring

WEN Guoyi，CAI Hongwei

（State Nuclear Power Demonstration Plant Co.，Ltd.，Weihai of Shandong Prov. 264300，China）

Due to delays in the construction of nuclear power plant and insufficient fuel assembly storage space in the assembly manufacturing plant，the first fuel assemblies which cannot be delivered as scheduled are forced to be placed horizontally in the shipping container. Some fuel assemblies have been placed horizontally in the shipping container for more than one year. In view of whether the long-term horizontal placement of the fuel assembly in the shipping container will affect the mechanical characteristics of the grid spring，taking the AP1000 fuel assembly as an example，the mechanical characteristics of the grid spring are analyzed. The analysis shows that the long-term horizontal placement of the fuel assembly in the shipping container has little influence on the grid spring itself. When the fuel assembly is placed vertically，the grid spring can be completely restored to the original state in terms of mechanical characteristics.

Fuel Assembly；Grid spring；Horizontal placement

TL48

A

0258-0918（2022）01-0059-05

2021-01-20

溫國(guó)義（1972—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)主要從事核燃料管理方面研究