孫謙，莊大杰，孫洪超，張煜航，王學(xué)新，徐瀟瀟，李國強(qiáng)

核燃料組件運(yùn)輸容器應(yīng)用現(xiàn)狀概述

孫謙，莊大杰，孫洪超，張煜航，王學(xué)新，徐瀟瀟，李國強(qiáng)

（中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006）

充分了解國內(nèi)外核燃料組件運(yùn)輸容器的主要應(yīng)用現(xiàn)狀，通過對(duì)照國外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，為更好地實(shí)現(xiàn)國內(nèi)運(yùn)輸容器自主化發(fā)展提出意見建議。調(diào)研和分析國際上主要核大國代表性核燃料組件運(yùn)輸容器的技術(shù)現(xiàn)狀，以及國內(nèi)容器的研發(fā)、應(yīng)用狀況，梳理了自主化發(fā)展中仍需改進(jìn)的方向。國際上主要核大國利用核能技術(shù)較早，均已針對(duì)本國的反應(yīng)堆技術(shù)開發(fā)了成熟的運(yùn)輸容器產(chǎn)品，相比之下，目前國內(nèi)在引進(jìn)和吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，也已逐漸實(shí)現(xiàn)了部分核燃料組件運(yùn)輸容器的國產(chǎn)化，并針對(duì)高溫氣冷堆開發(fā)了新型運(yùn)輸容器。建議注重核燃料組件運(yùn)輸容器的系列化發(fā)展，增加攻克關(guān)鍵技術(shù)的投入，繼續(xù)推進(jìn)容器設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)軟件開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的建設(shè)。

核燃料組件；運(yùn)輸容器；容器設(shè)計(jì)；自主化發(fā)展

核燃料組件作為核反應(yīng)堆中提供能量的部件，主要包括2種：將天然六氟化鈾進(jìn)行富集，或直接加工成為核燃料組件；通過后處理流程，將乏燃料加工成為MOX新燃料。核燃料組件運(yùn)輸容器是實(shí)現(xiàn)核燃料組件從元件制造廠到反應(yīng)堆安全轉(zhuǎn)移，保障運(yùn)輸過程中內(nèi)容物結(jié)構(gòu)完整、臨界安全和貨包屏蔽性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的關(guān)鍵設(shè)備。我國商用核電站分布于沿海地區(qū)，元件制造廠地處內(nèi)陸，核燃料組件運(yùn)輸路程較長(zhǎng)、路況復(fù)雜，因此高質(zhì)量的核燃料組件運(yùn)輸容器極為重要。

隨著我國核能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，核電裝機(jī)總量不斷增加，新燃料運(yùn)輸需求增加，同時(shí)也對(duì)核燃料組件運(yùn)輸容器性能提出了更高要求。截至2020年底，我國大陸運(yùn)行的核電機(jī)組共有49臺(tái)，額定裝機(jī)容量為5 102.716萬kW，在建機(jī)組16臺(tái)?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》[1]指出，到2025年我國核電運(yùn)行裝機(jī)容量達(dá)到7 000萬kW。

1 核燃料組件運(yùn)輸容器簡(jiǎn)介

核燃料組件運(yùn)輸容器用于裝載未經(jīng)輻照、未發(fā)生核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的燃料組件，能夠滿足放射性危險(xiǎn)貨物安全運(yùn)輸?shù)囊骩2]。運(yùn)輸容器應(yīng)確保具有足夠的剛度，主要由外部支撐部件和包容結(jié)構(gòu)、減震器、托架、吊耳等部件構(gòu)成。其中，減震器用于減緩核燃料組件在運(yùn)輸過程中受到的振動(dòng)、沖擊等，材質(zhì)通常為橡膠、木材等?？紤]到新燃料組件輻射水平通常較低，因此運(yùn)輸容器一般不需要設(shè)置專門的γ射線屏蔽層。為滿足在運(yùn)輸過程中對(duì)核燃料組件加速度監(jiān)測(cè)的需求，運(yùn)輸容器內(nèi)部還可安裝加速度計(jì)。

根據(jù)我國《放射性物品分類和名錄》（修訂征求意見稿）[3]的規(guī)定，反應(yīng)堆新燃料屬于一類放射性物品，裝載該內(nèi)容物的運(yùn)輸容器多屬于AF型貨包。國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）發(fā)布的《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸條理》（SSR–6）對(duì)運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)作出了推薦規(guī)定，我國也基于此制定了《放射性物品安全運(yùn)輸規(guī)程》（GB 11806—2019）[4]。除此之外，我國《壓水堆核電廠新燃料組件運(yùn)輸容器通用技術(shù)條件》（NB/T 20184—2012）[2]從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的角度對(duì)壓水堆核電廠新燃料組件運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和運(yùn)輸提出技術(shù)要求。在我國，新設(shè)計(jì)的核燃料組件運(yùn)輸容器須滿足GB 11806的要求，經(jīng)受正常運(yùn)輸條件和運(yùn)輸事故條件下的安全驗(yàn)證試驗(yàn)，包括自由下落試驗(yàn)、耐熱試驗(yàn)、水泄漏試驗(yàn)等，最終獲得我國核安全監(jiān)管部門的設(shè)計(jì)與制造許可后，方可申請(qǐng)運(yùn)輸。

2 國外技術(shù)現(xiàn)狀

相較于國內(nèi)，國際上主要核大國核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，在新燃料運(yùn)輸方面經(jīng)驗(yàn)豐富，且部分容器在國際上應(yīng)用廣泛。當(dāng)前，我國也引進(jìn)了一部分國外進(jìn)口運(yùn)輸容器用于核燃料組件運(yùn)輸，主要來自法國、美國、俄羅斯等國家。進(jìn)口容器均適配于國外引進(jìn)的反應(yīng)堆燃料組件，例如VVER–1000堆燃料組件運(yùn)輸容器由俄羅斯設(shè)計(jì)，M310堆燃料組件運(yùn)輸容器由法國設(shè)計(jì)等[5]。

2.1 主要核大國的代表性運(yùn)輸容器

2.1.1 法國

法國是國際上核電大國，全國約70%的電力來自核能發(fā)電，核電裝機(jī)容量達(dá)61 370 MW。在法國國內(nèi)，每年大約有100～120次以公路方式運(yùn)輸新燃料組件以及20～30次以鐵路方式運(yùn)輸新燃料組件[6]。為滿足新燃料組件安全運(yùn)輸?shù)囊?，法國主管部門批準(zhǔn)了FCC3型和FCC4型運(yùn)輸容器，屬于IP2型貨包，容器見圖1[8]。國內(nèi)臺(tái)山核電站引進(jìn)法國第3代核電EPR技術(shù)，同時(shí)引進(jìn)了法國TN International公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的FCC4–V1型運(yùn)輸容器用于新燃料運(yùn)輸[7]，該容器運(yùn)輸指數(shù)為0.6。

圖1 FCC3型和FCC4型運(yùn)輸容器

在MOX新燃料組件運(yùn)輸方面，早期法國采用FS65、FS69型運(yùn)輸容器裝運(yùn)，其中FS65僅能裝載1組PWR燃料組件或2組BWR燃料組件，F(xiàn)S69僅能裝載2組燃料組件?？紤]到容器容量較小，運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性差，TN international公司設(shè)計(jì)研發(fā)了MX6、MX8 2種新型MOX燃料組件運(yùn)輸容器[9]，容器結(jié)構(gòu)見圖2。MX6和MX8型運(yùn)輸容器屬于B(U)F型貨包，主要由內(nèi)部燃料籃和外部容器體組成。外部容器體為雙層鋼結(jié)構(gòu)，外層能夠提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，內(nèi)層作為安全殼，內(nèi)外層之間填充有中子屏蔽樹脂和散熱銅片。容器兩端固定有直徑較大的木材減震器，保護(hù)容器在沖擊事故條件下的完整性。為降低容器裝卸過程中對(duì)人員的輻射影響，設(shè)計(jì)和開發(fā)了屏蔽板。MX6運(yùn)輸容器能夠裝載6組PWR燃料組件或16組BWR燃料組件，MX8運(yùn)輸容器能夠裝載8組燃料組件，大大提高了內(nèi)容物裝載量，目前在法國、德國、瑞士等國家使用。

圖2 MX6型和MX8型運(yùn)輸容器

2.1.2 美國

美國作為世界上最大核能發(fā)電國，核能發(fā)電量占全球核電的30%，裝機(jī)容量為95 523 MW[10]。在美國國內(nèi)，用于裝運(yùn)未經(jīng)輻照的新燃料組件的運(yùn)輸容器均依據(jù)10CFR第71部分，經(jīng)美國NRC批準(zhǔn)為A(F)或B(F)型貨包，且均采用卡車運(yùn)輸?shù)姆绞?。美國境?nèi)裝運(yùn)BWR新燃料組件采用TNB1型，SP1、2、3型運(yùn)輸容器，裝運(yùn)PWR新燃料組件采用MAP12/13型、Traveller運(yùn)輸容器等[8]。

以TNB1型運(yùn)輸容器[11]為例，該容器在美國被批準(zhǔn)裝運(yùn)2種BWR新燃料組件，且235U富集度不大于5%。該運(yùn)輸容器外形為矩形，由內(nèi)、外兩部分構(gòu)成，內(nèi)容器設(shè)置有隔熱板和泡沫聚乙烯緩沖板，外容器為一個(gè)覆蓋著鋼板的角框架，TNB1型運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)見圖3。

美國西屋公司設(shè)計(jì)了Traveller系列運(yùn)輸容器裝運(yùn)PWR燃料組件，該容器具有標(biāo)準(zhǔn)（STD）、XL和VVER 3個(gè)版本[11]，在美國境內(nèi)其裝載富集度授權(quán)為235U的富集度≤5%，容器結(jié)構(gòu)見圖4。該運(yùn)輸容器為圓柱形外筒與矩形箱體內(nèi)筒構(gòu)成的管狀結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有聚氯乙烯慢化塊和中子吸收板用于控制臨界狀態(tài)。國內(nèi)早期為滿足AP1000堆新燃料組件的運(yùn)輸需求，三門核電引進(jìn)了美國西屋公司設(shè)計(jì)、美國哥倫比亞高科技公司制造的Traveller XL型燃料組件運(yùn)輸容器[12]。該運(yùn)輸容器外筒與內(nèi)筒間填充有硬質(zhì)聚氨酯泡沫，構(gòu)成“鋼—泡沫塑料—鋼”結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸指數(shù)為0.2，臨界安全指數(shù)為0.7。XL版本運(yùn)輸容器的內(nèi)筒尺寸較長(zhǎng)，能夠同時(shí)滿足裝載較長(zhǎng)和橫截面較大核燃料組件的要求，可以通過添加鋁墊塊的方法來裝載長(zhǎng)度較短的核燃料組件，裝載橫截面較小的核燃料組件時(shí)可以在V型定位板中添加組件墊圈。

圖3 TNB1型運(yùn)輸容器示意圖

圖4 Traveller型標(biāo)準(zhǔn)版本容器

Fig.4 Schematic diagram of Traveller transport package (standard version)

2.1.3 俄羅斯

作為較早利用核能的國家，俄羅斯正在穩(wěn)步推進(jìn)核能技術(shù)的發(fā)展，包括開發(fā)新的反應(yīng)堆技術(shù)[13]。在俄羅斯國內(nèi)，早期采用TK–C5型運(yùn)輸容器運(yùn)輸VVER–1000型新燃料組件，并能夠用于航空運(yùn)輸[14]，容器結(jié)構(gòu)見圖5。該容器于1993年獲得俄方設(shè)計(jì)批準(zhǔn)，按照IAEA–85 Regulations對(duì)B（F）型貨包的設(shè)計(jì)要求，完成了正常運(yùn)輸條件（噴淋、1.2 m自由下落、堆積、落棒試驗(yàn)）和運(yùn)輸事故條件（9 m自由下落、貫穿、壓碎、火燒、水浸沒試驗(yàn)）下的驗(yàn)證試驗(yàn)。在TK–C5型運(yùn)輸容器的基礎(chǔ)上，俄羅斯做過多次設(shè)計(jì)升級(jí)。例如，為滿足IAEA對(duì)航空運(yùn)輸貨包新的設(shè)計(jì)要求，2001年TK–C5型運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)更新為TK–C5–B型。更新后的運(yùn)輸容器適用于所有運(yùn)輸方式，能夠滿足速度為90 m/s的沖擊試驗(yàn)和60 min火燒試驗(yàn)（800 ℃以上）的要求。

圖5 TK–C5型運(yùn)輸容器

在國內(nèi)，田灣核電站先后引進(jìn)了TK–C5型、TK–C5–M型核燃料組件運(yùn)輸容器[15]，用于VVER–1000型反應(yīng)堆TVS–2M燃料組件的運(yùn)輸，均由俄羅斯新西伯利亞化學(xué)濃縮物廠設(shè)計(jì)和制造[16]。TK–C5–M型燃料組件運(yùn)輸容器是TK–C5型運(yùn)輸容器的改進(jìn)版，運(yùn)輸指數(shù)為0.3。該容器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，外殼為2個(gè)鋼管的焊接結(jié)構(gòu)，頂部和底部設(shè)有支架和定位孔等，便于固定和堆碼，容器沒有設(shè)置中子屏蔽層，因此單個(gè)容器的臨界安全指數(shù)較高（CSI值為8.34）。由于容器沒有緩震結(jié)構(gòu)，為了保證核燃料組件安全，容器須安裝在特制的緩震裝置上進(jìn)行運(yùn)輸。

除此之外，俄羅斯也開發(fā)了多種用于裝運(yùn)研究堆新燃料組件的運(yùn)輸容器。為運(yùn)輸RA、RB試驗(yàn)反應(yīng)堆的TWR–S型燃料組件，俄羅斯設(shè)計(jì)開發(fā)了TK–S16型運(yùn)輸容器[17-18]。該容器由雙層鋼制外殼和蓋子組成，能夠裝載235U富集度最高為80%的新燃料組件。國內(nèi)引進(jìn)了TK–C57型運(yùn)輸容器開展實(shí)驗(yàn)快堆新燃料的運(yùn)輸，該容器由俄羅斯開放式股份公司機(jī)器制造廠設(shè)計(jì)和制造，裝載富集度不大于65%，運(yùn)輸指數(shù)小于10，臨界安全指數(shù)為1[19-20]。

2.2 小結(jié)

1）美、法、俄等主要核電大國利用核能技術(shù)較早，已針對(duì)各自掌握的反應(yīng)堆技術(shù)研制和形成了技術(shù)成熟的核燃料組件運(yùn)輸容器產(chǎn)品。

2）美國按照A(F)或B(F)型貨包的要求進(jìn)行核燃料組件運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)，在力學(xué)、臨界安全等方面的考慮更充分，而俄羅斯TK–C5型、TK–C5–M型等運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有進(jìn)行臨界安全、減震等方面的設(shè)計(jì)。

3）國外核燃料組件運(yùn)輸容器裝載兼容性和系列化程度較高。

3 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

近些年，為滿足我國新燃料組件運(yùn)量增加的需求，國內(nèi)自主設(shè)計(jì)了多款新燃料組件運(yùn)輸容器，取得了審管部門的設(shè)計(jì)、制造許可，適用于裝載蓋壓水堆、高溫氣冷堆、研究堆等新燃料組件。

3.1 國內(nèi)代表性運(yùn)輸容器

3.1.1 中國核電工程有限公司

中國核電工程有限公司在放射性物品運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，成功研制了RY–I型、“龍舟–CNSC”等技術(shù)難度較大的乏燃料運(yùn)輸容器[21]。在核燃料組件運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)方面，針對(duì)國內(nèi)應(yīng)用較多的壓水堆，中國核電工程有限公司與中核建中核燃料元件有限公司共同設(shè)計(jì)研發(fā)了CNFC–3G燃料組件運(yùn)輸容器[15]。該運(yùn)輸容器主要由外殼、內(nèi)件和撐桿等部件構(gòu)成，使用硼不銹鋼304B7作為中子吸收材料，能夠裝載2組AFA3G、CF或STEP–12型新燃料組件，運(yùn)輸指數(shù)為0.5，臨界安全指數(shù)為0[22-23]。西安核設(shè)備有限公司取得了CNFC–3G燃料組件運(yùn)輸容器制造方法的發(fā)明專利[24]，實(shí)現(xiàn)了該設(shè)備的自主制造，達(dá)到降低成本、提高制造水平的目的。

在此基礎(chǔ)上，中國核電工程公司設(shè)計(jì)了用于裝載FA300新燃料組件的CNFC–300燃料組件運(yùn)輸容器。該容器與CNFC–3G燃料組件運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)、材料、外形尺寸相似，運(yùn)輸指數(shù)為0.3[25]。CNFC–3G和CNFC–300燃料組件運(yùn)輸容器均采用標(biāo)準(zhǔn)集裝架進(jìn)行栓系和運(yùn)輸，能夠滿足公路和鐵路安全運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

高溫氣冷堆作為我國掌握的新一代核電技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。為滿足國內(nèi)運(yùn)輸需求，中國核電工程公司自主設(shè)計(jì)了適用于裝運(yùn)高溫氣冷堆燃料組件的CNFC–HTR燃料組件運(yùn)輸容器[26]。該容器主要由外容器、內(nèi)容器、吊籃和集束管組成，容器結(jié)構(gòu)見圖6?？紤]到運(yùn)輸過程中振動(dòng)和火燒事故可能對(duì)核燃料組件造成的影響，外容器采用了不銹鋼填充硬質(zhì)聚氨酯泡沫的結(jié)構(gòu)，起到減震阻燃的作用。為了保證運(yùn)輸過程中核燃料組件的臨界安全，在吊籃外層設(shè)置了鋁基中子吸收材料[27-28]。

圖6 CNFC–HTR燃料組件運(yùn)輸容器

3.1.2 中廣核研究院

中廣核研究院有限公司作為中國廣核集團(tuán)的企業(yè)技術(shù)中心，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了適用于裝載壓水堆STEP–12系列和AFA 3G系列新燃料組件的ANT–12A型燃料組件運(yùn)輸容器[29]。運(yùn)輸容器主要由上殼體、下殼體、浮床和門組件構(gòu)成。其中上、下殼體均為雙層結(jié)構(gòu)，主體材料為SA–240M 304不銹鋼，并填充納米孔復(fù)合絕熱氈作為隔熱材料，浮床的主要材料為SA–479M 304不銹鋼。為減輕運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和碰撞，容器上殼體和浮床處分別安裝有輕木材料減震器和橡膠減震器，并采用鋁基碳化硼作為中子吸收材料來保證臨界安全。

3.1.3 上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司

上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司于2017年完成了AP1000燃料組件裝運(yùn)容器——STC–NF1A燃料組件運(yùn)輸容器的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)[30]，該容器主體結(jié)構(gòu)材料為304不銹鋼和6000系列鋁合金，能夠裝載一組改進(jìn)型RFA–XL型新燃料組件（235U富集度≤4.95%），類型為A（F）型。2018年南通中集能源裝備有限公司取得了STC–NF1A燃料組件運(yùn)輸容器的制造許可，2019年完成了首批運(yùn)輸容器的制造，并配合容器使用單位開展了道路運(yùn)輸試驗(yàn)、加速度試驗(yàn)、淋雨試驗(yàn)等多種試驗(yàn)，最終確認(rèn)AP1000燃料組件國產(chǎn)化運(yùn)輸容器滿足實(shí)際道路運(yùn)輸要求[31]。

3.1.4 中國原子能科學(xué)研究院

國內(nèi)除商用核電站反應(yīng)堆外，還運(yùn)行著研究堆、實(shí)驗(yàn)堆等小型反應(yīng)堆，其新燃料組件也需要專用的運(yùn)輸容器裝載。為滿足某實(shí)驗(yàn)堆新燃料組件的運(yùn)輸需求，中國原子能科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了YJ–1型運(yùn)輸容器[32]。該容器為箱式結(jié)構(gòu)[33]，主要由外殼和內(nèi)部材料組成，外殼的箱蓋和箱體通過M16螺栓連接，內(nèi)部由隔熱材料、軟木板和緩沖材料等填充。

針對(duì)中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）使用的混合氧化物MOX新燃料組件，中國原子能科學(xué)研究院設(shè)計(jì)開發(fā)了CEFR–MOX新燃料組件運(yùn)輸容器[34]。CEFR–MOX新燃料組件運(yùn)輸容器的結(jié)構(gòu)見圖7，容器外形為圓柱形，主要由緩沖器、第1層壓緊端蓋、第2層壓緊端蓋、筒體組件和中間貫穿件5個(gè)部分構(gòu)成，主體材料為16MnDR和16MnD[35]。由于CEFR–MOX新燃料組件的富集度和放射性活度較高，根據(jù)《放射性物品分類和名錄》的規(guī)定，裝載了該燃料組件的運(yùn)輸容器屬于B(U)F型貨包，該容器也經(jīng)受了GB 11806要求的相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)[36]。

3.1.5 核燃料組件運(yùn)輸容器的主要安全問題

依據(jù)GB 11806的要求，核燃料組件運(yùn)輸容器在設(shè)計(jì)時(shí)須具備能夠承受一定堆積壓力荷載的能力。在運(yùn)輸條件下，考慮到臨界和運(yùn)輸安全要求，核燃料組件運(yùn)輸容器須采用專用的栓系方式在車輛上進(jìn)行固定，控制容器的堆碼形式和間距，確保貨包在運(yùn)輸過程中不會(huì)發(fā)生位移。

1.緩沖器；2.第1層壓緊端蓋；3.第2層壓緊端蓋；4.筒體組件；5.中間貫穿件。

為確保栓系強(qiáng)度及吊裝操作的便捷，核燃料組件運(yùn)輸容器通常在合適的位置設(shè)計(jì)有吊耳，并按照一定的安全裕度進(jìn)行驗(yàn)證。運(yùn)輸容器在投入使用后，需要定期開展維修維護(hù)和安全性能評(píng)價(jià)工作，確保吊耳沒有變形、扭曲和裂紋發(fā)生，以保證吊耳強(qiáng)度滿足安全吊裝要求。

除此之外，核燃料組件運(yùn)輸容器在運(yùn)輸中還需滿足IAEA《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程咨詢材料》推薦的加速度設(shè)計(jì)要求，因此為減輕運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，核燃料組件運(yùn)輸容器多使用橡膠、木材等進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，否則必須配備專用的緩沖裝置進(jìn)行運(yùn)輸。

核燃料組件運(yùn)輸容器裝載的未經(jīng)輻照的核燃料組件，主要由UO2芯塊制成，其射線能量較弱，輻射水平相對(duì)較低，因此核燃料組件運(yùn)輸容器通常不需要設(shè)置專門的輻射屏蔽層，主要利用鋼制外殼起到一定的屏蔽作用。核燃料組件運(yùn)輸容器的運(yùn)輸指數(shù)較小，因此在運(yùn)輸活動(dòng)中對(duì)人員和環(huán)境的輻射影響相對(duì)較小。

在臨界安全方面，核燃料組件運(yùn)輸容器通常設(shè)置中子吸收層來保證臨界安全，使得單個(gè)容器的臨界安全指數(shù)盡量低。GB 11806規(guī)定，非獨(dú)家使用的單個(gè)車輛上裝載貨包的臨界安全指數(shù)總和不超過50，若單個(gè)容器的臨界安全指數(shù)過大，則會(huì)在一定程度上增加運(yùn)輸難度。建議增加對(duì)容器臨界安全設(shè)計(jì)的考慮，使得單個(gè)容器臨界安全指數(shù)盡量小，便于運(yùn)輸時(shí)增加單個(gè)車輛中容器的裝載數(shù)量，提高運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。

3.2 國內(nèi)容器設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

與核大國相比我國核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，因此早期國內(nèi)使用的核燃料組件運(yùn)輸容器均由國外引進(jìn)。近些年，在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了部分型號(hào)燃料組件運(yùn)輸容器的自主化發(fā)展，這得益于放射性物品運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)和計(jì)算能力的提高，以及相關(guān)試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)。

3.2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算能力發(fā)展

核燃料組件運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、熱工安全設(shè)計(jì)、臨界安全設(shè)計(jì)等方面。在結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)單位通常采用ANSYS/LS– DYNA、ABAQUS等成熟的商用有限元分析軟件進(jìn)行運(yùn)輸容器建模[37-38]，分析和評(píng)價(jià)力學(xué)試驗(yàn)對(duì)運(yùn)輸容器造成的影響。仿真計(jì)算的結(jié)果還能夠確定造成容器變形量最大的跌落角度[39]，作為開展角下落試驗(yàn)的下落姿態(tài)，能夠極大地節(jié)省試驗(yàn)資源。CFX、FLUENT等流體力學(xué)計(jì)算軟件被用于放射性物品容器的熱工安全分析[40-41]，分析計(jì)算GB 11806要求的正常運(yùn)輸及運(yùn)輸事故條件下容器的溫度場(chǎng)分布，確定各部分工作溫度是否滿足許用限值。為節(jié)約計(jì)算資源，在考慮運(yùn)輸容器結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的前提下，可以采用對(duì)容器一定比例扇區(qū)進(jìn)行建模的方法進(jìn)行熱工分析[42]。

在容器臨界安全設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)多采用蒙特卡洛方法進(jìn)行計(jì)算分析[43]，還可通過可視化軟件獲得模型的集合圖像。目前，西安交通大學(xué)核工程計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了蒙特卡洛–確定論耦合粒子輸運(yùn)計(jì)算軟件NECP–MCX[44-45]，其計(jì)算精度與國外同類軟件相當(dāng)，在屏蔽深穿透問題方面的計(jì)算效率更高，有效地推動(dòng)了臨界安全計(jì)算軟件的自主化發(fā)展。

3.2.2 試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

根據(jù)GB 11806的要求，放射性物品運(yùn)輸容器的驗(yàn)證試驗(yàn)主要包括力學(xué)試驗(yàn)、耐熱試驗(yàn)、水浸沒試驗(yàn)、堆積試驗(yàn)、密封試驗(yàn)等，我國相關(guān)單位已具備了滿足B型貨包安全試驗(yàn)驗(yàn)證要求的能力。中國輻射防護(hù)研究院[46-48]具有開展130 t容器力學(xué)試驗(yàn)的能力，具備150 kPa水浸沒試驗(yàn)和2 MPa強(qiáng)化水浸沒試驗(yàn)的條件，已承擔(dān)了新燃料組件、放射源、六氟化鈾、乏燃料等多種運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)取證和試驗(yàn)評(píng)價(jià)任務(wù)，并在國內(nèi)首次完成了大型放射性物品運(yùn)輸容器原型樣機(jī)的力學(xué)試驗(yàn)。

3.3 小結(jié)

1）我國已經(jīng)掌握了國內(nèi)部分型號(hào)壓水堆、小型堆燃料組件運(yùn)輸容器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，且開發(fā)設(shè)計(jì)了適用于高溫氣冷堆燃料組件運(yùn)輸?shù)腃NFC–HTR運(yùn)輸容器，為我國新一代核電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了保障。

2）我國放射性物品運(yùn)輸容器的仿真計(jì)算能力與試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的建設(shè)均得到加強(qiáng)，具備開展B型貨包設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)工作的能力。

4 結(jié)語

主要核大國研制核燃料組件運(yùn)輸容器較早，我國早期開展容器設(shè)計(jì)、制造的能力較弱，但隨著核工業(yè)的發(fā)展，我國已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了部分燃料組件運(yùn)輸容器的國產(chǎn)化和自主化。綜上所述，對(duì)我國燃料組件運(yùn)輸容器自主化發(fā)展有如下建議。

1）增加容器設(shè)計(jì)單位之間的交流，增強(qiáng)運(yùn)輸容器的裝載兼容性，更好地實(shí)現(xiàn)核燃料組件運(yùn)輸容器的系列化發(fā)展。

2）重視容器安全評(píng)價(jià)計(jì)算軟件的國產(chǎn)化開發(fā)，推進(jìn)更全面的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的建設(shè)，努力實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)的完全自主化。

3）針對(duì)新一代核電技術(shù)，增加對(duì)相應(yīng)核燃料組件運(yùn)輸容器的研制投入，研究和攻克關(guān)鍵技術(shù)，爭(zhēng)取技術(shù)領(lǐng)先。

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Overview of Application Status for Nuclear Fuel Assembly Transport Package

SUN Qian, ZHUANG Da-jie, SUN Hong-chao, ZHANG Yu-hang, WANG Xue-xin,XU Xiao-xiao, LI Guo-qiang

(China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China)

The work aims to fully understand the main application status ofnuclear fuel assembly transport packages at home and abroad and put forward suggestions based on the experience of foreign countries so as to realize the independent development of domestic transport packages. The technical status of representative fuel transport packages in major nuclear countries as well as the domestic R&D and application status were surveyed and analyzed. The directions that still need to be improved in independent development were viewed. Main nuclear countries in the world developed the nuclear energy industry earlier and have formed mature transport package products for their own reactor technologies. At present, on the basis of introducing and absorbing foreign advanced technology, the domestic development of some nuclear fuel assembly transport packages had been gradually realized. The new type transport package for high-temperature gas-cooled reactor fuel assembly had been developed. It is recommended to pay more attention to the serialized development of transport packages and increase the investment in overcoming key technologies. The development of package structure design software and the construction of the test platform need to be strengthened.

nuclear fuel assembly; transport package; package design; independent development

TB485.3

A

1001-3563(2022)13-0142-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.018

2021–12–20

孫謙（1994—），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向?yàn)榉派湫晕锲愤\(yùn)輸安全。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋