摘要：本文建立了乏燃料储存架临界计算模型，详细研究了临界安全分析中的关键因素。最后初步设计了一种符合我国最新（临界）标准和要求的、可应用于实际工程的高密度乏燃料储存架。
关键词：高储存密度；乏燃料组件储架；结构特点
高储存密度乏核燃料组件储架可在不改变已有燃料储存水池的条件下，能提高储存乏核燃料组件的能力，因此，在核电站建设中推广这种先进的储架结构能获得很大的经济效益。
一、高储存密度乏燃料组件储架的结构特点
单个高储存密度乏核燃料组件储存架主要由蜂窝式贮存单元、底板、中子毒物板和支撑脚组成。在乏燃料水池的底部安放多个储存架，形成高储存密度的乏核燃料组件储存架系统。
1、充分利用乏燃料水池的总面积，尽量减小储架间和储架与水池壁间的间隙，尽量扩大用于储存的有效面积。储架间的间隙可小到10mm以下；储架与池壁的间隙可小到50mm以下。
2、采用中子吸收率高、物理化学性能稳定、与储架结构材料相容性好、机械强度高、重量轻、机械加工性好的高性能中子毒物板对储存单元中的乏燃料组件进行隔离。在系统处于次临界状态的情况下，减小存储单元的间距，提高存储密度。
3、采用焊接薄板蜂窝结构构成储架主体，每个蜂窝单元为一个燃料组件储存单元。焊接薄板蜂窝结构，可在结构材料用量最小的条件下，使燃料储架结构具有良好强度、刚度和稳定性。另外，燃料组件与储存格架内壁间的间隙严格控制在10mm左右，在燃料组件可自由插入和抽出的条件下，尽可能减小装置的横截面积，从而提高储存密度。
4、采用自支撑、自由布置的支撑结构。储存格架可自由放置在水池底部，四个或四个以上的支脚未用支脚螺栓固定；储存格架之间、储存格架与池壁之间没有侧支撑结构。每个支撑脚都配有调节其高度的装置，即使池底水平度不满足需求，也能调整每个支撑脚，以保持储存格架水平，使每个支撑脚与池底接触，均匀受力以提高结构的稳定性。该方式可完全消除固定支架引起的结构热应力，简化了储存格架的安装、调整和吊出工作。
5、燃料储存装置设有水循环回路，以保证储存格架内的乏燃料组件的衰变热能及时散除，储存架的部分结构不会因乏燃料的持续放射性裂变过热造成损坏而影响系统安全。
6、储存格架特殊的局部结构，能有效防止地震时储存格架在有源燃料区碰撞造成的局部变形，以致乏燃料组件损坏或取不出的问题。
二、储架系统的安全
1、临界安全。临界安全分析的目的是用最高放射性的乏燃料组件和与燃料对应的最高放射性温度的燃料池装满硼酸水，以保证储存系统中中子增殖系数k的概率在0.95置信水平下小于0.95。
分析中，除考虑额定设计条件外，还应考虑制造过程中各种公差引起的不确定性，如中子毒物板的性能和尺寸公差、存储单元间距和板厚公差、存储架之间的水隙公差等。此外，还应考虑异常运行条件和事故条件，如水温和乏核燃料温度异常、某个燃料组件错放在储架间而未放入储存单元中、燃料组件偏向装置、燃料组件掉落并平放在格架顶部，以及由于储架水平位移造成的储架间的水隙减小等现象。
2、流体力学与传热分析。储存架单元设有池水循环回路，将乏燃料衰变产生的热量输送到池水中。池水中的热量通过强制循环排出系统，以确保整个系统的温度在允许的范围内。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为此，应对高储存密度的乏燃料储存系统进行以下流体力学和传热分析：①乏燃料衰变过程中的产热率和时间变化之间的关系，以及池内平均温度和时间变化之间的关系；②储存密度高的乏燃料储存系统所有强制冷却系统失效时，池水达到沸点所需的时间；③当池水的平均温度达到允许的最高温度时，估算池水的最高局部温度：④估算乏燃料组件包壳表面的最高温度，以确保在强制冷却系统的故障下，燃料组件表面的任何位置都不会出现气泡形核沸腾；⑤估计在装有燃料组件的机组中，会产生水循环回路，中断事故对机组水温和燃料温度的影响。
3、结构动力响应分析。放射性乏燃料储存架属于抗震Ι类设备，必须进行详细可靠的分析，以证明在发生峰值强度地震或燃料跌落事故时，储存架和储存的燃料组件能保持结构的完整性，而不会发生损坏和放射性物质泄漏等严重事故，水池壁面和底面也不会由于与储架碰撞而损坏。
1）储架系统地震动力响应分析。乏燃料储存架系统是一个高度非线性的系统，由于燃料组件与存储单元的四个壁之间的间隙，地震时燃料组件会在单元周围摇摆，并不断与单元的每一面壁碰撞。储存格架的支撑脚与池底之间存在摩擦，在地震中，支脚可能会在池底滑动，或不会滑动，但只有储存格架会振荡。一些支脚也可能由于储存格架的并排而离开池底一段时间，然后接触池底，反复跳跃和碰撞池底。另外，储存格架也可能与顶部或底部的相邻储存格架或池壁发生碰撞。燃料池中储存架的移动由于固液耦合和池中水的移动而变得复杂---储存装置中燃料组件的移动也与装置中水的移动有固液耦合。此外，三维地震对三维非线性结构在各个方向上的受力也有耦合作用。因此，对这种乏燃料储存系统，只有采用近年来发展起来的三维多自由度非线性系统动态响应时程分析技术，才能得到反映系统真实基本动态响应特性的结果。
采用三维多自由度非线性系统动态响应时程分析技术对乏燃料储存框架系统进行动态响应分析的基本步骤如下：
①依据给定的燃料池池底三维地震反应谱，建立了池底三维地震加速度时程，建立的三维地震加速度时程也必须满足核技术管理机构规定的可接受性标准。
②建立燃料储存架系统动态响应时程分析的数学模型和计算机程序，并对程序进行考核和验证。为了对该系统进行详细、全面的分析，一般需要建立两种数学模型和计算机程序，即单储架和全罐储架系统。数学模型除考虑水的弹性、惯性、结构阻尼和浮力外，还必须考虑以下非线性因素：燃料组件与存储单元四壁间的间隙、存储架支撑脚与罐底之间的摩擦及可能出现的间隙和碰撞；储存架顶部或底部与罐壁之间可能发生的碰撞、储存架在燃料池中的移动与池水的移动之间的固液耦合、储存装置中燃料组件的移动与装置中水的移动之间的固液耦合等。此外，应考虑燃料组件的不同装载条件，如满、半满和卸载燃料组件等。
③利用建立的三维地震加速度时程数据作为地震动力扰动的输入程序，通过计算机计算，可得到储存系统对地震基本动力响应的时程结果，并对基本动力响应结果进行后处理后，可得到需要的动态响应结果，比如，存储架的最大位移、存储架周围的变形和应力、可能的碰撞位置和存储架内的最大碰撞力等，依据这些结果和规定的安全数据，能判断存储系统的设计是否安全、可靠和合理。
需注意的是，对高存储密度的存储系统，由于其非线性特性的不同，其地震响应特性不可忽视；其中一些非线性特性，如同液耦合，在减小或防止水隙很小时，储存架和淹没在水隙中的燃料组件之间的碰撞方面起着重要和积龊的作用。而高存储密度乏燃料格架技术也充分利用了这些积龊效应。
2）燃料组件坠落事故分析。根据核技术管理机构的规定，至少应进行以下两种假设下的燃料组件坠落事故分析：
①燃料组件从指定高度掉落下来，并通过燃料储存单元与储存架底板碰撞。在这种事故中，底板的局部变形和损坏是可接受的，但必须确保燃料组件不会穿透底板，或变形的底板不会损坏水池底部的密封衬层。
②燃料组件从指定高度掉落并撞击燃料储存架的顶部。在这种事故中，一些存储单元顶部的蜂窝结构板会发生较小的永久变形是可接受的，但必须确保永久变形限制在机组的燃料有效区内，使燃料有效区的储存机组横截面的几何形状不变。
三、结语
综上所述，核电站初期乏燃料组装架是固定在水池的底部，储存格架与储存格架之间、储存格架与池壁之间经常有侧支撑结构，以此来保证地震时储存格架不会相互碰撞。
参考文献：
[1]徐鸿.高储存密度乏燃料组件储架系统的结构特点与分析[J].核动力工程，2014.
论文作者:姜琳,薛思雄
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：燃料论文; 组件论文; 结构论文; 系统论文; 密度论文; 单元论文; 池水论文; 《电力设备》2018年第31期论文;