铅铋冷却反应堆含配重燃料组件结构完整性分析
发布时间：2020-05-12 20:58
【摘要】：以铅或铅合金(统称铅基材料)为冷却剂的反应堆具有良好的中子学、热工水力和安全特性,已成为第四代先进核能系统的主要候选堆型之一。燃料组件作为堆芯核心部件之一,其结构受堆芯结构和服役环境的影响,而铅铋冷却反应堆具有许多与传统反应堆不同的结构特点,如堆芯体积小、服役温度高、冷却剂密度大以及换料周期长等等,因此需要对其燃料组件开展系统详细的设计和验证工作,包括完成燃料组件的设计限值和结构设计、结构性能分析和验证等。本文基于10MW强迫循环的铅铋冷却反应堆服役环境,提出了针对于铅铋冷却反应堆含配重燃料组件的设计流程和结构设计方案。在此基础上,采用有限元分析方法,对燃料元件和组件分别进行结构力学和结构完整性研究。首先,本文在广泛调研国内外铅基冷却反应堆燃料组件结构设计和研究方法的基础上,结合铅铋冷却反应堆的服役特点,深入研究并提出了燃料组件的设计原则、约束条件和设计限值等。在此基础上,提出了适用于铅铋冷却反应堆的含配重燃料组件的结构设计参数和方案,选择富集度为19.75%的U02作为首选燃料,15-15Ti不锈钢为包壳管结构材料,贫铀为配重材料。燃料棒呈三角形排列,整盒组件为六边形,燃料棒之间通过绕丝固定,组件之间通过垫块固定。其次,针对铅基反应堆小型化、换料周期长等特点所导致的芯块温度过高、结构材料负荷过大的风险,提出了高份额的燃料元件设计方案。通过温度场计算分析可得,正常运行工况下,活性区的燃料芯块中心温度为880.712℃,低于U02的熔化温度限值,包壳最高温度为488.313℃,低于15-15Ti不锈钢的正常使用温度限值,均满足设计限值中关于上限使用温度的要求。热应力分析结果表明,在稳态运行时活性区的最大应变为0.1%；严重事故下,最大应变为0.5%，均满足设计限值的要求。因此,高份额的燃料元件结构设计方案可用于解决铅基反应堆小型化、换料周期长等特点导致的芯块温度过高、结构材料负荷过大等服役问题。在元件活性区结构设计的基础上,针对具有高密度的冷却剂带来的浮力大于重力问题,提出了燃料元件一体化配重的燃料组件固定方式。配重区芯块最高温度为406℃,包壳管最高温度为402.053℃,均满足使用温度限值。热应力分析可以得出,配重区最大应变为0.0024%,满足设计限值的要求。含配重燃料棒的堆外的静力学分析结果表明,受力部件(下端塞、包壳管和配重块)的变形量在设计限值允许范围以内。对整盒组件受力分析后,承力最大的零部件(即下管座和喇叭口)的受力都在合理范围内,符合设计限值的要求。最后,开展燃料元件和组件的模态分析以及地震谱响应分析,获得元件和组件的固有频率和振型,并识别组件结构的薄弱环节,从而加以重点分析和优化。单根元件在仅受到上下端约束而径向自由的情况下,变形量较大,且一阶频率较低。整盒组件的模态分析表明,操作头处变形最明显,因此在结构设计的优化中,在此处加垫块,起进一步固定的作用。组件在通用地震位移谱下的最大变形量出现在X方向为0.00117mm,满足设计限值的要求。因此,在该地震位移谱作用下,组件的结构设计合理,结构完整性较为理想。通过燃料组件结构完整性的分析表明,燃料元件一体化配重方案解决了由于铅基反应堆的冷却剂密度大导致的燃料组件无法依靠重力安装和固定的问题,为铅基反应堆堆芯组件设计提供了一种思路。本文针对铅铋冷却反应堆的服役环境,提出了一种高份额、一体化配重的燃料组件结构方案,并开展了结构完整性分析研究。力求在国际上已有的设计中取长补短,研发适合铅铋冷却反应堆设计原则和服役条件的燃料组件,为未来燃料组件通过安全评审提供重要的数据和依据。
【图文】：
目前，各核电大国的研究热点一一第四代核能系统，共推荐６种堆型，分别逡逑为铅冷快堆，钢冷快堆，高温气冷快堆，超临界水堆，超高温堆和溶盐堆＾１］。逡逑第四代核能系统国际论坛组织２０１４年发布的路线图见图１．川２１。逡逑ＧＩＦ邋ｒｏａｄｍａｐ邋２０１３逡逑超高沮气冷堆邋ＶＨ巧逦－邋ＩＩ邋；Ｉ逡逑巧冷快巧ＳＦＲｊ—Ｉ相逦．，；，！邋Ｉ逡逑超化界水堪ＳＣＷＲ逦１１１逦；邋：逦Ｉ逡逑烙盐巧邋ＭＳＲ逦；逦Ｉ逡逑铅基快堆邋ｌｆｒ邋ｊｉｉＨｉｉｉｉｍｉｎｉ逦］＿＿＿逡逑气冷快堆邋ＧＦＲ邋］—ｐＷＭＩｉｐ国国ｌｌｌｌｊｌｌｌ逦，邋Ｉ逡逑２０的邋２００５邋巧…２０。逦２０２＾逦２０２５逦２０３０逡逑田邋Ｖｉａｂｉｌｉｔｙ邋□邋Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ邋Ｄ邋Ｄｅｍ５ｎｓｔａｔｉｏｎ逡逑图１．１国际第四代反应堆发展路线最新变化图逡逑由于铅或铅合金（统称铅基材料）具有良好的中子学、热工水力和安全特性，逡逑铅冷快堆已成为第四代先进核能系统、加速器驱动核废料擅变系统主要候选堆型逡逑之一邋ｔｕ－ｗ。与其他反应堆冷却剂相比，铅基材料具有１＾下优势：逡逑１）中子利用率较高：不易吸收和慢化中子，因此加速器驱动的反应堆系统逡逑具有更高的~尡浜蚗椫衬芰Γ岣叻从Χ研省ｅ义锨扇刃蕑呵淙醇粱蝗认凳细撸艹性亟细叩亩研竟β拭芏群徒襄义细叩姆从Χ训某隹谖露
本文编号：2660832
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