鉛鉍冷卻反應(yīng)堆含配重燃料組件結(jié)構(gòu)完整性分析.pdf

1、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，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，因此需要對其燃料組件開展系統(tǒng)詳細(xì)的設(shè)計和驗證工作，包括完成燃料組件的設(shè)計限值和結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)性能分析和驗證等。本文基于10MW強(qiáng)迫循環(huán)的鉛鉍

2、冷卻反應(yīng)堆服役環(huán)境，提出了針對于鉛鉍冷卻反應(yīng)堆含配重燃料組件的設(shè)計流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法，對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，深入研究并提出了燃料組件的設(shè)計原則、約束條件和設(shè)計限值等。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)計參數(shù)和方案，選擇富集度為19.7

3、5％的UO2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，針對鉛基反應(yīng)堆小型化、換料周期長等特點所導(dǎo)致的芯塊溫度過高、結(jié)構(gòu)材料負(fù)荷過大的風(fēng)險，提出了高份額的燃料元件設(shè)計方案。通過溫度場計算分析可得，正常運行工況下，活性區(qū)的燃料芯塊中心溫度為880.712℃，低于UO2的熔化溫度限值，包殼最高溫度為488.313℃，

4、低于15-15Ti不銹鋼的正常使用溫度限值，均滿足設(shè)計限值中關(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)運行時活性區(qū)的最大應(yīng)變?yōu)?.1％;嚴(yán)重事故下，最大應(yīng)變?yōu)?.5％，均滿足設(shè)計限值的要求。因此，高份額的燃料元件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可用于解決鉛基反應(yīng)堆小型化、換料周期長等特點導(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。
　　在元件活性區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對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

5、料組件固定方式。配重區(qū)芯塊最高溫度為406℃，包殼管最高溫度為402.053℃，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)?.0024％，滿足設(shè)計限值的要求。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)計限值允許范圍以內(nèi)。對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

6、析，獲得元件和組件的固有頻率和振型，并識別組件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而加以重點分析和優(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方向為0.00117mm，滿足設(shè)計限值的要求。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