CEFR—MOX燃料組件運輸容器的實驗分析與驗證

劉兆陽　李曉軒

【摘 要】為了進(jìn)行CEFR-MOX燃料組件運輸容器的安全分析，對運輸容器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特征和有限元模擬分析，確定出了整個驗證實驗內(nèi)容和順序，找出對包容邊界及燃料組件破壞最嚴(yán)重的實驗姿態(tài)，然后對運輸容器進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，測量結(jié)果與有限元分析結(jié)果較為吻合，運輸容器的安全能滿足規(guī)范的要求。

【關(guān)鍵詞】運輸容器；實驗姿態(tài)；有限元模擬

Analysis and Validation of the CEFR-MOX Fuel Assemblies Transport Cask Experiment

LIU Zhao-yang LI Xiao-xuan

（China Institution of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

【Abstract】In order to accomplish the safety analysis of CEFR-MOX fuel transport cask，the structure characteristics and finite element simulation had been analysed.The whole experiment content and sequence had been confirmed.The experiment posture of the most serious destruction to the containment boundary and the fuel assemblies had been found，and the validated experiment had been accomplished.The experiment result indicated that the measurement can match the finite element analysis preferably，and the safety characteristics of the transport cask can meet the command of the regulations.

【Key words】Transport cask；Experiment posture；Finite element simulation

0 概述

CEFR-MOX燃料組件運輸容器用于中國實驗快堆 MOX 燃料組件的運輸。CEFR-MOX燃料組件運輸容器滿載時屬B（U）F型貨包，適用于公路、鐵路和船舶運輸，II級（黃）。臨界安全指數(shù)（CSI）：0。設(shè)計壽命：30 年。

CEFR-MOX燃料組件運輸容器（如圖1）的內(nèi)容物為4根MOX 燃料組件。運輸容器的外部尺寸為：610mm×620mm×3400mm。運輸容器的總質(zhì)量（含組件）為 2494kg 。

1 實驗內(nèi)容及實驗順序

根據(jù)GB11806-2004，B（U）型貨包驗證運輸正常條件能力的實驗包括噴水實驗、自由下落實驗、堆積實驗和貫穿實驗。[1]

由于CEFR-MOX燃料組件運輸容器的主體材料為金屬材料，不會積水和顯著地增大其質(zhì)量，因此可不做噴水實驗。

由于CEFR-MOX燃料芯塊為易裂變材料，但是臨界安全計算評定已作水滲入或滲出的程度能導(dǎo)致最大反應(yīng)性的分析，因此不必經(jīng)受水泄漏實驗。

CEFR-MOX燃料組件運輸容器的內(nèi)容物為4根MOX燃料組件，其總活度小于105A2，不需做強(qiáng)化水浸沒實驗。

CEFR-MOX燃料組件運輸容器的堆積實驗，做了有限元模擬分析計算，支架及筒體的材料為16MnDR，屈服強(qiáng)度為315MPa，模擬計算得出支架的最大應(yīng)力為69.275MPa，堆積實驗中支架為安全的。并且在加工完成后，出廠前的驗證實驗中有使運輸容器承受相當(dāng)于貨包5倍重量的壓力載荷的堆積實驗，要求運輸容器在組裝完成后，將運輸容器放置在平坦的水平面上，上支架表面均勻地承載5倍貨包重量的壓力載荷，運輸容器應(yīng)無裂紋現(xiàn)象。

因此在本實驗內(nèi)容中，不包括噴水實驗和堆積實驗。

根據(jù)GB11806的8.5.7.1條，驗證貨包經(jīng)受運輸事故條件能力的實驗時，實驗貨包水浸沒實驗可不與力學(xué)實驗和耐熱實驗使用同一貨包。IAEA TS-G-1.1（ST-2）（2008版）的726.3條解釋，因為水浸沒事故與熱/機(jī)械事故同時發(fā)生的概率極小，故水浸沒實驗可在單獨的試樣上進(jìn)行。故實驗中先進(jìn)行水浸沒實驗。[2-4]

CEFR-MOX燃料組件運輸容器的所有實驗內(nèi)容在同一貨包上進(jìn)行，先進(jìn)行驗證運輸正常條件能力的實驗，然后進(jìn)行驗證運輸事故條件能力的實驗。正常情況下的實驗，根據(jù)對貨包可能的損傷程度從小到大，先進(jìn)行貫穿實驗，然后進(jìn)行自由下落實驗。事故情況下的力學(xué)實驗和耐熱實驗，根據(jù)GB11806的8.5.7.1和8.5.7.2條的要求，按照自由下落實驗I、自由下落實驗II和耐熱實驗的順序進(jìn)行。其總體實驗順序如圖2所示。

圖2 總體實驗流程

2 力學(xué)實驗姿態(tài)的確定

2.1 水浸沒實驗姿態(tài)

水浸沒實驗采用外部加壓至少150kPa的方式完成。水浸沒實驗設(shè)施為柱形容器，內(nèi)徑1200mm，高4000mm。CEFR-MOX燃料組件運輸容器的截面尺寸為610mm×620mm×3400mm。因此實驗時運輸容器為豎直狀態(tài)。水浸沒實驗姿態(tài)如圖3所示。

2.2 貫穿實驗姿態(tài)

容器外部側(cè)面材料均為16MnDR，厚度為10mm。容器兩端為壓緊端蓋和緩沖器。壓緊端蓋材料為 16MnD Ⅳ，厚度為35mm。緩沖器材料為16MnDR，主體厚度為10mm。壓緊端蓋隱藏于緩沖器下方。故選擇易于受到打擊的筒體表面，沖擊位置是運輸容器的筒體外表面近中心處。由于在截面上，中心位置處有加強(qiáng)筋板，故貫穿位置偏離中心位置，避開加強(qiáng)筋為損壞程度最大的貫穿方式。貫穿實驗姿態(tài)如圖4所示。

2.3 自由下落實驗姿態(tài)

下自由下落實驗姿態(tài)通過有限元分析了水平自由下落Ⅰ（支座底面與靶接觸）、水平自由下落Ⅱ（支座角與靶接觸）、傾斜自由下落和豎直自由下落4種下落姿態(tài)（碰撞力及碰撞時間對比如圖5），4種姿態(tài)中，水平自由下落對容器內(nèi)筒壁、密封螺栓、端蓋等包容邊界和燃料組件的破壞均為最大。水平I跌落沖擊部位局部破壞最小，而水平II局部破損較大部位為支架，傾斜與豎直跌落的局部破損較大部位為起緩沖作用的緩沖器，而且接觸力較小，碰撞時間顯著加長，對事故會有較好的緩解作用。因此自由下落實驗選擇水平自由下落I的姿態(tài)（如圖6）。[5-6]

2.4 自由下落實驗Ⅰ實驗姿態(tài)

通過有限元分析了水平自由下落Ⅰ（支座底面與靶接觸）、水平自由下落Ⅱ（支座角與靶接觸）、傾斜自由下落和豎直自由下落4種下落姿態(tài)，計算結(jié)果表明，在4種姿態(tài)下，水平自由下落Ⅰ對容器內(nèi)筒壁、密封螺栓、端蓋等包容邊界和燃料組件的破壞均為最大。水平I跌落沖擊部位局部破壞最小，而水平II局部破損較大部位為支架，傾斜與豎直跌落的局部破損較大部位為起緩沖作用的緩沖器，而且接觸力較小，碰撞時間顯著加長，對事故會有較好的緩解作用。通過有限元分析了自由下落實驗Ⅰ的小角度跌落，分別計算了2°、3°、5°、10°、15°共5種角度9m自由下落到靶面上，跌落角度為2°、3°時，會產(chǎn)生二次碰撞，2°跌落時對容器內(nèi)筒壁、密封螺栓、端蓋等包容邊界和燃料組件的破壞較大，但其對包容邊界及燃料組件的破壞程度小于水平自由下落Ⅰ。隨著角度的增大，緩沖器起到了一定的緩沖作用，對包容邊界和燃料組件的破壞有所減小。自由下落實驗Ⅰ的碰撞力、碰撞時間仿真計算結(jié)果如圖7。比較對運輸容器包容邊界和組件的損壞程度，水平自由下落Ⅰ對容器內(nèi)筒壁、密封螺栓、端蓋等包容邊界和燃料組件的破壞均為最大。因此，自由下落實驗Ⅰ采取水平I下落跌落姿態(tài)（如圖8）。[7-8]

2.5 自由下落實驗Ⅱ?qū)嶒炞藨B(tài)

有限元分析容器側(cè)面分別以 0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°和40°角下落到貫穿棒的9種下落姿態(tài)后，包容邊界上螺栓碰撞力及外筒變形結(jié)果（如圖9）表明，30°下落是對運輸容器外筒壁造成最大損壞的姿態(tài)。因此，運輸容器下落姿態(tài)為30°傾角下落，沖擊點為容器中心（如圖10）。

3 實驗損壞匯總及驗收

3.1 驗證經(jīng)受正常運輸條件能力實驗

CEFR-MOX燃料組件運輸容器在系列驗證正常運輸條件能力實驗后，包容邊界無明顯塑性變形，外表面局部有輕微塑性變形，臨界安全邊界無破壞，屏蔽性影響在GB11806的范圍之內(nèi)。各實驗損壞描述及驗收結(jié)論如下：

1）貫穿實驗后，貫穿位置產(chǎn)生1個沿軸向直徑為8mm，沿徑向直徑為7mm，深度為0.2mm的橢圓形小坑，其他位置無影響。滿足貫穿實驗的驗收準(zhǔn)則：a）燃料組件能從燃料組件通道拿出。b）燃料組件外形完整，無芯塊散落。c）運輸容器外筒貫穿實驗點無貫穿孔，局部變形量不超過5mm。

2）自由下落實驗后，容器結(jié)構(gòu)完整，無明顯變形，外筒局部變形量約0.1mm。實驗結(jié)果滿驗收準(zhǔn)則：a）燃料組件能從燃料組件通道拿出。b）燃料組件外形完整，無芯塊散落。c）運輸容器外筒局部變形量不超過5mm。[9-10]

3.2 驗證經(jīng)受事故條件能力實驗

CEFR-MOX 燃料組件運輸容器在系列驗證事故條件能力實驗后，包容邊界無明顯塑性變形。外部表面和中心貫穿件有局部塑性變形。燃料組件外套管在中心貫穿件支承點處有局部塑性變形。臨界安全邊界的破壞在理論分析安全的范圍內(nèi)，屏蔽性影響在GB11806的范圍之內(nèi)。熱破壞在燃料組件的允許范圍內(nèi)。各實驗損壞描述及驗收結(jié)論如下：

1）水浸沒實驗后，外層端蓋石棉密封墊有約20cm長浸濕。內(nèi)層端蓋無浸濕。滿足實驗驗收準(zhǔn)則：a）燃料組件能從燃料組件通道拿出燃料組件。b）燃料組件外形完整，無芯塊散落。c）運輸容器外筒完整，無明顯變形。

2）自由下落實驗Ⅰ后，底部擱置支架焊縫變形5～8mm，上下支架間有10mm的凸起區(qū)域，底部支架壓陷入外筒體7～8mm，外筒體直徑變化最大14mm。中間貫穿件底部連接板擠壓貫穿件，減震套筒彎曲變形10mm，連接板變形10mm，貫穿件的螺絲斷裂29個。容器內(nèi)端蓋的均載墊有破壞，頭端最大破壞徑向2cm。燃料組件外套管最大有深度5mm的坑，整體彎曲變形量2mm。滿足實驗驗收準(zhǔn)則：a）運輸容器外筒無貫穿孔，無撕裂，局部變形量不超過50mm。b）燃料組件保持在筒體內(nèi)。c）燃料組件外形完整，無芯塊散落。d）燃料組件彎曲變形量不超過10mm。

1）自由下落實驗Ⅱ后，貫穿點有最大深度26mm的凹坑。滿足實驗驗收準(zhǔn)則：a）運輸容器外筒無貫穿孔，無撕裂，局部變形量不超過50mm。b）燃料組件保持在筒體內(nèi)。燃料組件外形完整，無芯塊散落。c）燃料組件彎曲變形量不超過10mm。

2）耐熱實驗后，運輸容器表面油漆燒化開裂。第二層密封墊燒碳化。屏蔽體材料靠近容器筒體外側(cè)部分約有10mm厚度變黃，同時局部（容器筒體兩端）有融化現(xiàn)象。滿足實驗驗收準(zhǔn)則：a）燃料組件保持在筒體內(nèi)。b）燃料組件彎曲變形量不超過10mm。c）燃料芯塊未從燃料棒中漏出。

CEFR-MOX 燃料組件運輸容器在系列驗證正常運輸條件能力實驗后和系列驗證事故條件能力實驗后，均滿足實驗的驗收準(zhǔn)則，運輸容器的安全性得到了驗證，能滿足GB11806的各項要求。

4 實驗采集數(shù)據(jù)分析

CEFR-MOX燃料組件運輸容器的實驗?zāi)康挠袃蓚€。一個目的是驗證其安全性滿足實驗驗收準(zhǔn)則，滿足GB11806的要求。另一個目的是實驗過程中測量、采集的數(shù)據(jù)與模擬計算進(jìn)行對比，驗證模擬計算的準(zhǔn)確性。

CEFR-MOX燃料組件運輸容器力學(xué)實驗采集的數(shù)據(jù)包括包容邊界上典型部位的應(yīng)力應(yīng)變（如圖11），包容邊界上典型部位和燃料組件上典型部位的加速度（如圖12）。整個實驗的數(shù)據(jù)處理濾波頻率參考IAEA TS-G-1.1的701.9條，為（100～200）×（100/m）1/3=（100～200）×（100/2.494）1/3=343～685Hz。濾波頻率保守取1000Hz。

CEFR-MOX燃料組件運輸容器耐熱實驗測量、采集的數(shù)據(jù)包括包容邊界內(nèi)表面、運輸容器外表面、燃料組件典型部位的溫度。

4.1 自由下落實驗

實驗采集的運輸容器內(nèi)筒最大主應(yīng)為509.2MPa，模擬計算出內(nèi)筒的最大應(yīng)力為487MPa，相差在4%范圍內(nèi)。

測量的最大加速度測量值為36000g，模擬計算出組件處的最大加速度為25000g，在同一數(shù)量級范圍內(nèi)。

4.2 自由下落實驗I

實驗采集的運輸容器內(nèi)筒測量點的應(yīng)變在1%左右，通過模擬計算，運輸容器內(nèi)筒的最大應(yīng)力為508MPa，根據(jù)材料的動態(tài)曲線，在應(yīng)力為508MPa的時候，應(yīng)變約為11000με，可以判斷內(nèi)筒在應(yīng)力限值范圍內(nèi)。

根據(jù)加速度的測量結(jié)果，燃料組件上加速度為水平3.16E4g，垂直1.37E4g。模擬計算結(jié)果中，加速度垂直為30000g，水平加速度為16000g。與計算機(jī)模擬計算在同一數(shù)量級。

外筒的直徑變形測量為14mm，模擬計算直徑變形量為6.2mm，測量值比模擬計算值略大。

4.3 自由下落實驗Ⅱ

30°自由下落實驗Ⅱ測量的內(nèi)筒最大主應(yīng)力為215.9MPa，模擬計算出內(nèi)筒的最大應(yīng)力為234.58MPa，相差在8%范圍內(nèi)。

測量組件上的最大加速度測量值為8728g，模擬計算出同一位置組件處的最大加速度為23000g。模擬計算為貫穿點在筋板上，實驗姿態(tài)選擇會對外筒產(chǎn)生最大變形，避開剛性筋板處作為貫穿點，因此加速度有所降低。

測量的變形為深度26mm，模擬計算出的應(yīng)變?yōu)?0%，變形深度為10.42mm。模擬計算為貫穿點在筋板上，實驗姿態(tài)選擇會對外筒產(chǎn)生最大變形，避開剛性筋板處作為貫穿點，變形量比模擬計算大，內(nèi)筒最大主應(yīng)力比模擬計算小，與理論分析相吻合。

4.4 耐熱實驗

實驗測量得到外表面最高溫度776.5℃，包容邊界端蓋中心溫度<160℃，包容邊界筒體上的溫度<216℃，燃料組件上的溫度<166℃，遠(yuǎn)小于事故條件下燃料組件包殼的要求700℃。

5 結(jié)語

CEFR-MOX燃料組件運輸容器的實驗要求是根據(jù)GB11806的要求，結(jié)合運輸容器的結(jié)構(gòu)特征和各實驗的驗證目的，基于大量有限元分析提出的。通過對運輸容器包容邊界的應(yīng)力、加速度，組件上的加速度，外部的變形，臨界安全邊界的變形，碰撞力、碰撞時間的分析，找出對驗證目標(biāo)破壞最嚴(yán)重的實驗姿態(tài)。

根據(jù)實驗要求，對運輸容器進(jìn)行了逐項驗證實驗。實驗測量結(jié)果均能滿足實驗驗收準(zhǔn)則的要求。驗收準(zhǔn)則是結(jié)合臨界安全、屏蔽性、熱、包容性的設(shè)計要求確定的可測量、可考證的指標(biāo)。實驗后各項指標(biāo)能達(dá)到驗收準(zhǔn)則的要求，運輸容器的安全性即得到了驗證。

CEFR-MOX燃料組件運輸容器實驗后采集的數(shù)據(jù)與測量結(jié)果，與有限元分析計算的結(jié)果進(jìn)行了對比，采集的應(yīng)力應(yīng)變、加速度和變形情況，與有限元的分析結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步驗證了理論分析的準(zhǔn)確性。[11-14]

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[責(zé)任編輯：田吉捷]