鉛鉍冷卻反應(yīng)堆含配重燃料組件結(jié)構(gòu)完整性分析

1、鉛鉍冷卻反應(yīng)堆含配重燃料組件結(jié)構(gòu)完整性分析以鉛或鉛合金 （統(tǒng)稱鉛基材料 ） 為冷卻劑的反應(yīng)堆具有良好的中子學(xué)、 熱工水 力和安全特性 , 已成為第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的主要候選堆型之一。燃料組件作為 堆芯核心部件之一 ,其結(jié)構(gòu)受堆芯結(jié)構(gòu)和服役環(huán)境的影響 , 而鉛鉍冷卻反應(yīng)堆具 有許多與傳統(tǒng)反應(yīng)堆不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) , 如堆芯體積小、服役溫度高、冷卻劑密度 大以及換料周期長等等 , 因此需要對(duì)其燃料組件開展系統(tǒng)詳細(xì)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作 包括完成燃料組件的設(shè)計(jì)限值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)性能分析和驗(yàn)證等。本文基于10MWS迫循環(huán)的鉛鉍冷卻反應(yīng)堆服役環(huán)境,提出了針對(duì)于鉛鉍冷 卻反應(yīng)堆含配重燃料組件的設(shè)計(jì)流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方

2、案。在此基礎(chǔ)上 , 采用有限元 分析方法 , 對(duì)燃料元件和組件分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性研究。首先 , 本文在廣泛調(diào)研國內(nèi)外鉛基冷卻反應(yīng)堆燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究方法 的基礎(chǔ)上,結(jié)合鉛鉍冷卻反應(yīng)堆的服役特點(diǎn) ,深入研究并提出了燃料組件的設(shè)計(jì) 原則、約束條件和設(shè)計(jì)限值等。在此基礎(chǔ)上 , 提出了適用于鉛鉍冷卻反應(yīng)堆的含 配重燃料組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和方案,選擇富集度為19.75%的U02作為首選燃 料,15-15Ti不銹鋼為包殼管結(jié)構(gòu)材料,貧鈾為配重材料。燃料棒呈三角形排列 , 整盒組件為六邊形 , 燃料棒之間通過繞絲固定 , 組件之 間通過墊塊固定。其次 , 針對(duì)鉛基反應(yīng)堆小型化、換料周期長等特點(diǎn)

3、所導(dǎo)致的芯 塊溫度過高、結(jié)構(gòu)材料負(fù)荷過大的風(fēng)險(xiǎn) ,提出了高份額的燃料元件設(shè)計(jì)方案。通過溫度場計(jì)算分析可得 , 正常運(yùn)行工況下 , 活性區(qū)的燃料芯塊中心溫度為880.712 C ,低于U02的熔化溫度限值,包殼最高溫度為488.313 C ,低于15-15Ti 不銹鋼的正常使用溫度限值 , 均滿足設(shè)計(jì)限值中關(guān)于上限使用溫度的要求。熱應(yīng) 力分析結(jié)果表明 ,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)活性區(qū)的最大應(yīng)變?yōu)?0.1%；嚴(yán)重事故下 ,最大應(yīng) 變?yōu)?0.5%，均滿足設(shè)計(jì)限值的要求。因此, 高份額的燃料元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可用于解決鉛基反應(yīng)堆小型化、換料 周期長等特點(diǎn)導(dǎo)致的芯塊溫度過高、 結(jié)構(gòu)材料負(fù)荷過大等服役問題。 在元件活性

4、 區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上 , 針對(duì)具有高密度的冷卻劑帶來的浮力大于重力問題 ,提出 了燃料元件一體化配重的燃料組件固定方式。配重區(qū)芯塊最高溫度為406C,包殼管最高溫度為402.053 C,均滿足使用溫 度限值。熱應(yīng)力分析可以得出 , 配重區(qū)最大應(yīng)變?yōu)?0.0024%,滿足設(shè)計(jì)限值的要求。含配重燃料棒的堆外的靜力學(xué)分析結(jié)果表明 , 受力部件 （下端塞、包殼管和配 重塊） 的變形量在設(shè)計(jì)限值允許范圍以內(nèi)。 對(duì)整盒組件受力分析后 , 承力最大的零 部件（ 即下管座和喇叭口 ） 的受力都在合理范圍內(nèi) , 符合設(shè)計(jì)限值的要求。最后 , 開展燃料元件和組件的模態(tài)分析以及地震譜響應(yīng)分析 , 獲得元件和組 件的

5、固有頻率和振型 , 并識(shí)別組件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié) , 從而加以重點(diǎn)分析和優(yōu)化。 單 根元件在僅受到上下端約束而徑向自由的情況下 , 變形量較大 , 且一階頻率較低。整盒組件的模態(tài)分析表明 , 操作頭處變形最明顯 , 因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化中 , 在此處加墊塊 , 起進(jìn)一步固定的作用。組件在通用地震位移譜下的最大變形量出 現(xiàn)在X方向?yàn)?.00117mm滿足設(shè)計(jì)限值的要求。因此 , 在該地震位移譜作用下 , 組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理 , 結(jié)構(gòu)完整性較為理想。 通過燃料組件結(jié)構(gòu)完整性的分析表明 , 燃料元件一體化配重方案解決了由于鉛基 反應(yīng)堆的冷卻劑密度大導(dǎo)致的燃料組件無法依靠重力安裝和固定的問題 , 為鉛基 反應(yīng)堆堆芯組件設(shè)計(jì)提供了一種思路。本文針對(duì)鉛鉍冷卻反應(yīng)堆的服役環(huán)境 , 提出了一種高份額、一體化配重的燃 料組件結(jié)構(gòu)方案 , 并