黃春蘭 肖 忠 李 華 李 云 張 瀛

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213）

0 引言

核電是綠色低碳、安全高效的清潔能源。燃料組件是核電反應(yīng)堆的心臟和能量源泉，關(guān)系到核電運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。燃料組件由燃料棒、上管座、下管座、定位格架、導(dǎo)向管等部件組成。上管座位于燃料組件頂部，承擔(dān)導(dǎo)流、承載、定位等功能，對(duì)燃料組件的性能有重要影響。典型的上管座結(jié)構(gòu)見圖1，由上（框板）、中（圍板）、下（連接板）三部分組裝焊接而成，并在頂部設(shè)置有板彈簧壓緊系統(tǒng)以壓緊燃料組件。連接板上開設(shè)有導(dǎo)向管/儀表管連接孔和若干流水孔，流水孔主要有帶圓弧的三角形、圓形和長(zhǎng)條形幾種。上管座工作在高溫、高壓、動(dòng)水和強(qiáng)輻照環(huán)境下，對(duì)其材料、力學(xué)和水力學(xué)等方面的性能要求很高。上管座的主要功能要求見表1。

表1 上管座功能要求

近年來，我國(guó)自主研發(fā)了大型商用壓水堆用17×17型燃料組件，可用于三代核電華龍一號(hào)反應(yīng)堆，并可作為國(guó)內(nèi)多數(shù)在役壓水堆核電站堆芯換料的替代產(chǎn)品。為滿足燃料組件自主研發(fā)需求，開展上管座設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)出綜合性能優(yōu)良并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型上管座，為自主化燃料組件提供可用的部件，并為其性能提升提供支撐。

1 上管座設(shè)計(jì)考慮的因素

上管座設(shè)計(jì)集結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱工水力、機(jī)械設(shè)計(jì)等多學(xué)科為一體，載荷分布均勻、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性高、流通面積大、阻力系數(shù)低、流量分配均勻、加工性能好等都是上管座設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)，但這幾方面存在相互制約的關(guān)系，各項(xiàng)特性之間需要協(xié)調(diào)匹配，從而提高上管座的綜合使用性能。在上管座設(shè)計(jì)中需要考慮以下因素的影響：

（1）載荷，包括：燃料組件及插入燃料組件的相關(guān)組件的重力；燃料組件吊裝、運(yùn)輸載荷（橫向6g、軸向4g加速度）；板彈簧壓緊力；控制棒落棒沖擊力；地震載荷；LOCA載荷等。

（2）幾何接口，包括：燃料棒/導(dǎo)向管柵元尺寸；上堆芯板定位銷尺寸（直徑、高度等）；堆芯中相鄰燃料組件間的中心距；堆腔高度；燃料組件高度等。

（3）冷、熱態(tài)下上管座材料性能的變化，輻照和長(zhǎng)期動(dòng)水環(huán)境對(duì)材料性能的影響等。

2 上管座設(shè)計(jì)研究

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)17×17型燃料組件使用需求，上管座采用方箱型結(jié)構(gòu)，并保持國(guó)內(nèi)商用壓水堆現(xiàn)用燃料組件的主要接口特征，包括外形及外輪廓尺寸、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、定位銷孔、板彈簧安裝結(jié)構(gòu)、吊裝面、防錯(cuò)位孔等要素。上管座采用兩段組合式結(jié)構(gòu)（見圖2），由兩塊方形鋼材分別加工成框板和帶圍板的連接板，并通過一道周向焊縫焊接為一體，取消了現(xiàn)有上管座中連接板與圍板之間的焊縫（見圖1），簡(jiǎn)化上管座制造工藝，并提高上管座可靠性。

圖1 典型的上管座結(jié)構(gòu)

圖2 上管座外觀結(jié)構(gòu)

2.2 連接板設(shè)計(jì)

連接板是實(shí)現(xiàn)上管座功能的主要部分，對(duì)于17×17型燃料組件，已形成固定的導(dǎo)向管/儀表管布置方式，因而無須再進(jìn)行連接孔的布置設(shè)計(jì)，主要針對(duì)連接板上的流水孔開展設(shè)計(jì)。根據(jù)燃料組件中燃料棒的排列位置和柵元尺寸，提出了包括長(zhǎng)條形、五邊形、帶圓弧長(zhǎng)條形、不同尺寸的圓形等多種流水孔布置設(shè)計(jì)方案。利用數(shù)字化手段，建立三維模型并進(jìn)行分析、計(jì)算和仿真，對(duì)流水孔的形狀、尺寸和布置進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)型篩選，最終獲得了“側(cè)面帶內(nèi)凹圓弧的長(zhǎng)條形流水孔與圓形中心流水孔交叉陣列布置的組合流水孔群”設(shè)計(jì)（見圖2、圖3）。

圖3 上管座連接板

所有流水孔相對(duì)于上管座的對(duì)角線和縱向、橫向中心線對(duì)稱布置，在連接板上均勻分布，連接板上各區(qū)域內(nèi)燃料棒對(duì)應(yīng)的平均流通面積相近，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的載荷分配和流量分配；側(cè)面帶內(nèi)凹圓弧的長(zhǎng)條形流水孔為主流水孔，其圓弧邊與圓形中心流水孔、導(dǎo)向管/儀表管連接孔的圓弧邊達(dá)到良好匹配，在保證強(qiáng)度的情況下使上管座結(jié)構(gòu)得到充分有效利用，流通面積占上管座總橫截面積的份額較大（超過45%），且正對(duì)燃料棒的位置均有連接筋，可有效阻擋燃料棒向上竄出燃料組件；流水孔采用大圓弧邊或直邊設(shè)計(jì)，無尖角、小尺寸倒角和倒圓，常規(guī)機(jī)加工方法易于實(shí)現(xiàn)。

2.3 材料設(shè)計(jì)

用于上管座的材料應(yīng)耐高溫水腐蝕、耐輻照并具有滿意的力學(xué)性能，因此，上管座選用具有廣泛堆內(nèi)運(yùn)行使用經(jīng)驗(yàn)的奧氏體不銹鋼材料（022Cr19Ni10），并與堆內(nèi)構(gòu)件材料熱膨脹相容。在已選定牌號(hào)材料的基礎(chǔ)上，對(duì)材料的拉伸性能、沖擊韌性、晶間腐蝕、熱處理等方面的要求進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，并對(duì)成品上管座開展生銹試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證其腐蝕性能和制造工藝的影響。

3 上管座性能分析與驗(yàn)證

3.1 應(yīng)力分析

采用有限元方法分析了上管座在各種運(yùn)行工況下的應(yīng)力。根據(jù)對(duì)稱性取四分之一上管座建模，并針對(duì)在包含121組、157組和177組燃料組件的不同功率堆芯中使用分別進(jìn)行了分析，表2和圖4給出了上管座用于自主化先進(jìn)燃料組件在三代核電華龍一號(hào)堆芯中使用時(shí)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。可以看出，上管座總體受力均勻，無明顯應(yīng)力集中，各連接筋的應(yīng)力均小于相應(yīng)的應(yīng)力限值，滿足ASME規(guī)范要求，并有較大裕量。

表2 上管座連接筋的應(yīng)力

圖4 上管座應(yīng)力分布

3.2 水力學(xué)特性分析

采用相同的方法和邊界條件，對(duì)比分析了設(shè)計(jì)的上管座與圖1所示上管座（定義為參考上管座）的流通面積份額和阻力系數(shù)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的上管座的流通面積份額與參考上管座相當(dāng)；同時(shí)設(shè)計(jì)的上管座的流水孔大量采用了圓弧邊結(jié)構(gòu)，因而使得其阻力系數(shù)較參考上管座低約6%。

通過對(duì)比連接板上各區(qū)域內(nèi)分配到單根燃料棒上的平均流通面積，評(píng)價(jià)上管座的流量分配均勻性。根據(jù)對(duì)稱性將連接板劃分為如圖5所示的流通區(qū)域，表3列出了各區(qū)域內(nèi)分配到單根燃料棒上的平均流通面積以及各區(qū)域內(nèi)的平均值與整個(gè)上管座范圍內(nèi)總平均值的偏差。為了便于對(duì)比分析，表4給出了參考上管座的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖5 連接板區(qū)域劃分示意圖

表3 設(shè)計(jì)的上管座流通面積

表4 參考上管座流通面積

可以看出，兩種上管座在中心區(qū)和中間區(qū)的流通性整體上都優(yōu)于其他區(qū)域。根據(jù)各區(qū)域中單根燃料棒的平均流通面積與上管座范圍內(nèi)總平均值的偏差，設(shè)計(jì)的上管座在流量分配均勻性方面略優(yōu)于參考上管座。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上管座設(shè)計(jì)方案，開展上管座加工工藝研究，并試制出實(shí)物產(chǎn)品。試制情況良好，設(shè)計(jì)的上管座加工性能優(yōu)良，采用常規(guī)機(jī)加工方法可實(shí)現(xiàn)性好，產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于降低批量化生產(chǎn)成本十分有利。

采用研制的1∶1模擬燃料組件開展了堆外燃料組件整體性能試驗(yàn)，在經(jīng)歷模擬各種運(yùn)行條件的拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、落棒沖擊、地震等相關(guān)試驗(yàn)載荷作用后，上管座保持結(jié)構(gòu)完整和穩(wěn)定，未出現(xiàn)變形、裂紋、斷裂、凹坑等現(xiàn)象。

燃料組件各部件阻力系數(shù)的確定對(duì)反應(yīng)堆水力學(xué)設(shè)計(jì)十分重要，通常工程上采用整體水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)方法來獲得。在燃料組件水力學(xué)試驗(yàn)中，測(cè)定了上管座與堆芯上板組合時(shí)的阻力系數(shù)，并在同等試驗(yàn)條件下對(duì)參考上管座也進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的上管座的阻力系數(shù)低于參考上管座約4.4%，水力學(xué)性能更優(yōu)，與分析結(jié)果趨勢(shì)是一致的。

采用研制的先導(dǎo)燃料組件在商用壓水堆中進(jìn)行了實(shí)堆運(yùn)行考驗(yàn)，燃料組件在堆內(nèi)輻照3個(gè)循環(huán)，并在每一循環(huán)后進(jìn)行了池邊檢查。輻照3個(gè)循環(huán)后，燃料組件情況良好，上管座結(jié)構(gòu)完好無可見變形、損傷和異常的表面腐蝕等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

根據(jù)自主化17×17型燃料組件研發(fā)需求，開展了上管座設(shè)計(jì)研究，獲得了“側(cè)面帶內(nèi)凹圓弧的長(zhǎng)條形流水孔與圓形中心流水孔交叉陣列布置的組合流水孔群”設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的上管座具有合理的壓降，流量分配和載荷分配均勻，各工況下的應(yīng)力滿足ASME規(guī)范要求，經(jīng)分析和堆內(nèi)外試驗(yàn)驗(yàn)證滿足自主化先進(jìn)燃料組件使用要求，并且加工性能優(yōu)良，有利于降低批量化生產(chǎn)成本。