先進(jìn)燃料組件上管座設(shè)計研究

黃春蘭 肖 忠 李 華 李 云 張 瀛

（中國核動力研究設(shè)計院，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、圓形和長條形幾種。上管座工作在高溫、高壓、動水和強(qiáng)輻照環(huán)境下，對其材料、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反應(yīng)堆，并可作為國內(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)計研究，設(shè)計出綜合性能優(yōu)良并具有自主知識產(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)計考慮的因素

上管座設(shè)計集結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱工水力、機(jī)械設(shè)計等多學(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)計所追求的目標(biāo)，但這幾方面存在相互制約的關(guān)系，各項特性之間需要協(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，輻照和長期動水環(huán)境對材料性能的影響等。

2 上管座設(shè)計研究

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

連接板是實現(xiàn)上管座功能的主要部分，對于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，主要針對連接板上的流水孔開展設(shè)計。根據(jù)燃料組件中燃料棒的排列位置和柵元尺寸，提出了包括長條形、五邊形、帶圓弧長條形、不同尺寸的圓形等多種流水孔布置設(shè)計方案。利用數(shù)字化手段，建立三維模型并進(jìn)行分析、計算和仿真，對流水孔的形狀、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（見圖2、圖3）。

圖3 上管座連接板

所有流水孔相對于上管座的對角線和縱向、橫向中心線對稱布置，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，無尖角、小尺寸倒角和倒圓，常規(guī)機(jī)加工方法易于實現(xiàn)。

2.3 材料設(shè)計

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。在已選定牌號材料的基礎(chǔ)上，對材料的拉伸性能、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，并對成品上管座開展生銹試驗，以進(jìn)一步驗證其腐蝕性能和制造工藝的影響。

3 上管座性能分析與驗證

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)對稱性取四分之一上管座建模，并針對在包含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堆芯中使用時的應(yīng)力計算結(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，對比分析了設(shè)計的上管座與圖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)計的上管座的流通面積份額與參考上管座相當(dāng)；同時設(shè)計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，評價上管座的流量分配均勻性。根據(jù)對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)的平均值與整個上管座范圍內(nèi)總平均值的偏差。為了便于對比分析，表4給出了參考上管座的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖5 連接板區(qū)域劃分示意圖

表3 設(shè)計的上管座流通面積

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 試驗驗證

基于上管座設(shè)計方案，開展上管座加工工藝研究，并試制出實物產(chǎn)品。試制情況良好，設(shè)計的上管座加工性能優(yōu)良，采用常規(guī)機(jī)加工方法可實現(xiàn)性好，產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計要求，對于降低批量化生產(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，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)的確定對反應(yīng)堆水力學(xué)設(shè)計十分重要，通常工程上采用整體水力學(xué)模擬實驗方法來獲得。在燃料組件水力學(xué)試驗中，測定了上管座與堆芯上板組合時的阻力系數(shù)，并在同等試驗條件下對參考上管座也進(jìn)行了測試，結(jié)果表明設(shè)計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)行了實堆運(yùn)行考驗，燃料組件在堆內(nèi)輻照3個循環(huán)，并在每一循環(huán)后進(jìn)行了池邊檢查。輻照3個循環(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)計研究，獲得了“側(cè)面帶內(nèi)凹圓弧的長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)計方案。設(shè)計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)外試驗驗證滿足自主化先進(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。