二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器假想跌落事故下的安全設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

張振雨，陳孟，莊小東，沈光耀，邵長(zhǎng)磊，沈勇堅(jiān)，陳秀明，袁廣銀

二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器假想跌落事故下的安全設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

張振雨1,2，陳孟1，莊小東2，沈光耀1，邵長(zhǎng)磊1，沈勇堅(jiān)1，陳秀明1，袁廣銀2

（1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

設(shè)計(jì)易裂變二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器，證明容器在最危險(xiǎn)姿態(tài)下，可以滿足9 m跌落的核臨界、屏蔽安全和放射性物質(zhì)包容相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)外柔內(nèi)剛的三層密封容器，內(nèi)外殼之間填充聚氨酯減振吸能材料，建模分析容器多種姿態(tài)下的結(jié)構(gòu)與功能材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)，確定最危險(xiǎn)跌落姿態(tài)。針對(duì)最危險(xiǎn)工況開(kāi)展實(shí)際跌落測(cè)試試驗(yàn)，證明容器在假想事故下的安全性。容器在最危險(xiǎn)跌落工況下，聚氨酯材料減振吸能效果與設(shè)計(jì)計(jì)算相符，中子吸收板、中子慢化板等功能材料位置和缺損量符合要求。二氧化鈾粉末的密封性得以保障。以有限元分析為基礎(chǔ)的容器仿真分析與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果匹配度較高，試驗(yàn)樣機(jī)通過(guò)了相關(guān)跌落試驗(yàn)，證明了容器在危險(xiǎn)姿態(tài)下的9 m跌落安全性能。

放射性物品運(yùn)輸；跌落試驗(yàn)；二氧化鈾粉末；跌落動(dòng)力學(xué)

二氧化鈾屬于帶輻射、易裂變危險(xiǎn)品，一旦發(fā)生運(yùn)輸事故，將會(huì)造成核爆炸、放射性污染、核材料外泄等重大事故，故國(guó)內(nèi)外對(duì)二氧化鈾粉末的運(yùn)輸安全性尤為關(guān)注。

二氧化鈾粉末具有放射性且顆粒度小，因而跌落等事故工況下的密封和保護(hù)是運(yùn)輸容器研發(fā)的難點(diǎn)。通?？煽紤]在容器中增加跌落緩沖措施以達(dá)到防沖的目的。

上海核工程研究設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)的STC-NF1A新燃料運(yùn)輸容器采用了聚氨酯減振器，該減振器外殼包附了一層不銹鋼外殼，安裝在新燃料運(yùn)輸容器內(nèi)部；法國(guó)ENSA公司開(kāi)發(fā)的ENUN 32乏燃料運(yùn)輸容器采用了蜂窩鋁和聚氨酯復(fù)合型減振器，減振器采用外部聚氨酯，內(nèi)部泡沫鋁的雙層結(jié)構(gòu)，可以有效保證大噸位乏燃料跌落的安全性；中核二院開(kāi)發(fā)的RY-1A型乏燃料運(yùn)輸容器采用木頭作為減振器填充材料，也能保證大噸位下運(yùn)輸容器的跌落安全。

目前，二氧化鈾運(yùn)輸容器的相關(guān)研究較少，公開(kāi)文獻(xiàn)中也未見(jiàn)二氧化鈾容器減振器的詳細(xì)內(nèi)容。本研究提出一種二氧化鈾運(yùn)輸容器的結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)選取二氧化鈾運(yùn)輸容器9 m跌落事故進(jìn)行分析，從聚氨酯減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、跌落動(dòng)力學(xué)仿真、最危險(xiǎn)姿態(tài)選取和樣機(jī)跌落試驗(yàn)測(cè)試的角度進(jìn)行介紹。相關(guān)研究對(duì)國(guó)內(nèi)外放射性物品運(yùn)輸領(lǐng)域的工作有一定的借鑒作用。

1 容器結(jié)構(gòu)與跌落驗(yàn)證方法

1.1 結(jié)構(gòu)概述

容器設(shè)計(jì)有外殼、內(nèi)殼和粉末桶的三層結(jié)構(gòu)，各層之間均有密封，相關(guān)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中內(nèi)外殼之間填充聚氨酯，主要用于承受跌落工況下的吸能。運(yùn)輸容器內(nèi)殼起到跌落下支撐粉末桶周?chē)臻g的作用，內(nèi)部安裝有中子吸收板和中子慢化板，用于控制事故下的臨界和屏蔽安全。同時(shí)運(yùn)輸容器內(nèi)部安裝有慢化劑板等非金屬材料，在正常運(yùn)輸工況和事故運(yùn)輸工況條件下起到保護(hù)內(nèi)容物的功能。

1.2 跌落驗(yàn)證方法

根據(jù)GB 11806要求，容器研發(fā)需采用最危險(xiǎn)工況進(jìn)行9 m跌落的實(shí)際試驗(yàn)，但是標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有介紹最危險(xiǎn)工況的確定方法。由于容器造價(jià)較高，采用多個(gè)試驗(yàn)樣機(jī)分別進(jìn)行跌落是不經(jīng)濟(jì)的。本研究采用有限元方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，判斷容器在各種典型跌落姿態(tài)下的宏觀變形、沖擊加速度和應(yīng)變情況，綜合確定容器的最危險(xiǎn)跌落姿態(tài)。進(jìn)一步采用最危險(xiǎn)跌落姿態(tài)進(jìn)行樣機(jī)實(shí)際的試驗(yàn)，比對(duì)理論分析值和實(shí)際測(cè)試值的差別，進(jìn)而證明容器最危險(xiǎn)跌落姿態(tài)下的安全性。

圖1 二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器簡(jiǎn)圖

2 基于跌落動(dòng)力學(xué)仿真方法的最危險(xiǎn)工況確認(rèn)

2.1 分析方法介紹

使用ANSYS和LS-PrePost的前處理功能建立二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器的有限元模型，包括外殼、內(nèi)殼和試驗(yàn)撞擊目標(biāo)剛性面3個(gè)部分，如圖2所示。對(duì)二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器劃分薄殼單元和實(shí)體單元。

分析中采用了彈性本構(gòu)體模型假設(shè)，不銹鋼包殼采用分段線性動(dòng)態(tài)硬化本構(gòu)模型，聚氨酯泡沫采用泡沫材料本構(gòu)，三元乙丙橡膠采用橡膠材料本構(gòu)。運(yùn)輸容器外殼與外殼蓋通過(guò)連接螺栓進(jìn)行連接，內(nèi)殼筒體與內(nèi)殼蓋也通過(guò)連接螺栓進(jìn)行連接，連接螺栓使用關(guān)鍵字為*CONSTRAINED_NODE_SET的方式進(jìn)行模擬。確定底面垂直跌落等8種具體姿態(tài)進(jìn)行分析。

2.2 分析結(jié)果

容器外殼的宏觀變形將對(duì)容器的屏蔽和密封產(chǎn)生影響。通過(guò)有限元分析，將各跌落姿態(tài)下的二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器9 m跌落沖擊響應(yīng)時(shí)間、最大塑性應(yīng)變和材料斷后伸長(zhǎng)率計(jì)算結(jié)果列于表1。

圖2 運(yùn)輸容器頂蓋與殼體有限元模型

表1 運(yùn)輸容器各跌落姿態(tài)下的形變結(jié)果匯總

Tab.1 Summary of deformation results of transport container under each dropping posture

根據(jù)分析結(jié)果，二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器在側(cè)邊傾斜跌落、底角跌落和頂角跌落姿態(tài)下的塑性應(yīng)變較大，分別達(dá)到0.741、0.592和0.609。其中側(cè)邊傾斜跌落姿態(tài)下，由于上蓋側(cè)邊未與外殼側(cè)邊完全貼合，因此未貼合的部分殼體發(fā)生了較大的局部變形；底角跌落和頂角跌落姿態(tài)下外殼和上蓋殼體發(fā)生了較大的局部變形。從最大塑性應(yīng)變結(jié)果來(lái)看，二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器在所有跌落姿態(tài)下的最大塑性應(yīng)變結(jié)果均在失效應(yīng)變范圍內(nèi)，僅有側(cè)邊傾斜跌落和頂角跌落的上蓋局部區(qū)域的塑性應(yīng)變超過(guò)了失效應(yīng)變的范圍，局部區(qū)域可能發(fā)生局部結(jié)構(gòu)失效，但區(qū)域很小。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，上蓋為方形，而外殼的邊緣處倒圓角，側(cè)邊傾斜跌落和頂角跌落時(shí)均為上蓋凸出來(lái)的部分位置最先承受沖擊載荷，因此造成此處的變形較大。

二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器外殼聚氨酯泡沫在各跌落姿態(tài)下原厚度及變化后的厚度見(jiàn)表2。根據(jù)分析結(jié)果，底角跌落后聚氨酯泡沫的厚度最小，最小厚度約為38 mm，仍能滿足屏蔽要求。

二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器內(nèi)殼的變相量將對(duì)容器的密封性能產(chǎn)生影響，通過(guò)有限元分析，容器在各跌落姿態(tài)下塑性應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表3。其中頂面垂直跌落的應(yīng)變值最大，為0.002 4。

表2 運(yùn)輸容器外殼聚氨酯泡沫厚度變化結(jié)果匯總

Tab.2 Summary of variation results of polyurethane foam thickness for the container shell

表3 運(yùn)輸容器內(nèi)殼最大塑性應(yīng)變結(jié)果匯總

Tab.3 Summary of plastic strain results of inner shell of transport container

頂面垂直跌落狀態(tài)下內(nèi)殼的最大整體剛體加速度時(shí)程見(jiàn)圖3，最大加速度為618。通過(guò)與其他姿態(tài)下整體剛體加速度時(shí)程曲線的比較可得，該姿態(tài)下內(nèi)殼的整體剛體加速度最大。結(jié)合前序分析，確定為容器的最危險(xiǎn)試驗(yàn)姿態(tài)，執(zhí)行后續(xù)實(shí)際試驗(yàn)。

圖3 頂面垂直跌落內(nèi)殼的整體剛體加速度時(shí)程

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 傳感器布置

為獲得自由下落試驗(yàn)中部分位置處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的比對(duì)和分析。本次試驗(yàn)將在試驗(yàn)容器的內(nèi)、外布置一定數(shù)量的測(cè)點(diǎn)。除永久變形外，加速度和應(yīng)變需要布置專門(mén)的加速度傳感器和應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。加速度傳感器相關(guān)測(cè)點(diǎn)總計(jì)7個(gè)（其中7號(hào)為三向傳感器，三向標(biāo)記為A7X、A7Y和AYZ）。應(yīng)變片相關(guān)測(cè)點(diǎn)總計(jì)6個(gè)（其中S6在正面和側(cè)面分別布置了傳感器，記為S6-0°和S6-90°）。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4與圖5。

圖4 傳感器布置示意圖1

圖5 傳感器布置示意圖2

3.3 試驗(yàn)實(shí)施比對(duì)

測(cè)量與比對(duì)結(jié)果與分析結(jié)果比對(duì)如下。

在宏觀變形量方面，圖6顯示了實(shí)際試驗(yàn)后的結(jié)果，其中樣機(jī)上蓋產(chǎn)生了外突變形，最大變形量為3 mm，器核心功能部件完整，未出現(xiàn)二氧化鈾模擬粉末泄漏的跡象。與圖7和圖8對(duì)比可知，實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)與有限元分析模型分析的變形趨勢(shì)相符。

圖6 樣機(jī)9 m跌落試驗(yàn)結(jié)果

圖7 有限元分析示意圖1

圖8 有限元分析示意圖2

在加速度測(cè)量方面，試驗(yàn)過(guò)程中A2/A5/A6加速度傳感器出現(xiàn)故障，顯示異常，剔除異常傳感器數(shù)據(jù)后的加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖9。將試驗(yàn)測(cè)試曲線（圖9）與理論分析曲線（圖3）比對(duì)可知，傳感器A7X/A4/A1實(shí)測(cè)曲線與計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)基本一致，最大加速出現(xiàn)在11.478 s，對(duì)應(yīng)峰值加速度為669，與理論分析的618非常接近。傳感器A3在11.479 s時(shí)出現(xiàn)高峰，與其他傳感器峰值中心線距離較遠(yuǎn)，疑似為高頻沖擊響應(yīng)的測(cè)量噪聲，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。上述分析證明了容器設(shè)計(jì)階段數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

在應(yīng)變測(cè)量方面，S1/S3/S4應(yīng)變傳感器出現(xiàn)故障，顯示異常，剔除異常傳感器數(shù)據(jù)后的時(shí)程曲線見(jiàn)圖10。將實(shí)際試驗(yàn)曲線（圖10）與理論分析值（表3頂面垂直跌落）比對(duì)可知，傳感器S2/S5/S6實(shí)測(cè)曲線與計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)基本一致，最大應(yīng)變值出現(xiàn)在11.478 s附近，最大應(yīng)變值為0.001 03。最大應(yīng)變值較理論分析值小，證明了設(shè)計(jì)階段數(shù)值模擬計(jì)算是保守的。

圖9 跌落加速度響應(yīng)曲線

圖10 跌落應(yīng)變響應(yīng)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器的跌落安全設(shè)計(jì)理念，選取了易破損聚氨酯材料作為跌落緩沖材料。通過(guò)跌落動(dòng)力學(xué)仿真確認(rèn)了容器最危險(xiǎn)跌落姿態(tài)。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了最危險(xiǎn)跌落姿態(tài)下的安全性。

容器在最危險(xiǎn)跌落工況下，聚氨酯材料減振吸能效果與設(shè)計(jì)計(jì)算相符，二氧化鈾粉末的密封性得以保障。二氧化鈾粉末運(yùn)輸容器在加速度、應(yīng)變等物理量的數(shù)值模擬與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果匹配性較好，理論計(jì)算具有一定的保守性。

綜上所述，以有限元分析為基礎(chǔ)的容器仿真分析與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果匹配度較高，試驗(yàn)樣機(jī)通過(guò)了相關(guān)跌落試驗(yàn)，證明了容器在危險(xiǎn)姿態(tài)下的9 m跌落安全性能。該研究為小噸位核材料9 m跌落試驗(yàn)提供了成功案例，也為其他危險(xiǎn)品包裝設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證工作提供了參考。

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Safety Design and Test Verification of Uranium Dioxide Powder Transport Container under Imaginary Drop Accident

ZHANG Zhenyu1,2, CHEN Meng2,ZHUANG Xiaodong2,SHEN Guangyao1,SHAO Changlei1,SHEN Yongjian1, CHEN Xiuming1,YUAN Guangyin2

(1. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200233, China; 2. Shanghai JiaoTong University, Shanghai 200240, China)

The work aims to design a transport container for fissionable uranium dioxide powder and prove that the container can meet the design criteria of nuclear criticality, shielding safety and radioactive material containment under a 9 m drop in the most dangerous posture. A three-layer sealed container that was flexible on the outside and rigid on the inside was designed, the vibration-reducing and energy-absorbing polyurethane materials were filled between the inner and outer shells, the dynamic response of the structure and functional materials of the container under various postures was established and analyzed, and the most dangerous dropping posture was determined. An actual drop test was carried out for the most dangerous working conditions to prove the safety of the container under imaginary accidents. Under the most dangerous dropping condition of the container, the vibration-reducing and energy-absorbing effect of polyurethane materials was consistent with the design calculation, and the position and defect amount of functional materials such as neutron absorption plate and neutron moderator plate met the requirements. The tightness of uranium dioxide powder was guaranteed. The container simulation analysis based on finite element analysis has a high matching degree with the prototype test results. The prototype has passed the relevant drop test, proving the safety performance of the container in a dangerous posture under a 9 meter drop.

radioactive material transport; drop test; uranium dioxide powder; drop dynamics

TB485.3

A

1001-3563(2024)01-0273-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.032

2023-07-26

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題（2017ZX06002004）