乏燃料運(yùn)輸容器減震器應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

孫謙，莊大杰，孫洪超，王長(zhǎng)武，王智鵬，連一仁，孫樹(shù)堂，李國(guó)強(qiáng)

乏燃料運(yùn)輸容器減震器應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

孫謙，莊大杰，孫洪超，王長(zhǎng)武，王智鵬，連一仁，孫樹(shù)堂，李國(guó)強(qiáng)

（中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006）

了解國(guó)內(nèi)外乏燃料運(yùn)輸容器減震器的成熟結(jié)構(gòu)形式，分析應(yīng)用技術(shù)的主要特點(diǎn)，整理現(xiàn)有減震器緩沖材料的材料特性和研究現(xiàn)狀，為國(guó)內(nèi)減震器設(shè)計(jì)發(fā)展提供一定參考。綜述國(guó)內(nèi)外代表性乏燃料運(yùn)輸容器的減震器應(yīng)用現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有緩沖材料的優(yōu)缺點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的注意事項(xiàng)。目前，國(guó)內(nèi)外乏燃料運(yùn)輸容器多采用木材填充的殼式減震器，在填充材料方面，聚氨酯泡沫、蜂窩鋁等工程材料也有應(yīng)用，此外泡沫鋁、碳泡沫、雙向瓦楞蜂窩鋁等新型材料也被研究用作減震器緩沖材料。建議繼續(xù)增加對(duì)新型緩沖材料以及對(duì)減震器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，以滿足未來(lái)國(guó)內(nèi)大型乏燃料運(yùn)輸容器的應(yīng)用需要，同時(shí)建議注重減震器產(chǎn)品的適配性和兼容性，開(kāi)發(fā)系列化產(chǎn)品。

乏燃料運(yùn)輸容器；減震器；緩沖材料；木材；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

乏燃料運(yùn)輸容器是專用于管理、運(yùn)輸乏燃料組件的關(guān)鍵設(shè)備，其特別高的安全性能是乏燃料安全運(yùn)輸?shù)母颈ＷC。出于對(duì)容器安全功能的設(shè)計(jì)需要，乏燃料運(yùn)輸容器往往重量巨大，為保證事故沖擊下的容器結(jié)構(gòu)完整性，在開(kāi)展運(yùn)輸活動(dòng)時(shí)必須安裝專門(mén)設(shè)計(jì)的減震器，起到緩沖減震作用，減輕嚴(yán)重事故的后果。

我國(guó)乏燃料運(yùn)輸容器減震器的設(shè)計(jì)通常遵循IAEA《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》和GB 11806—2019的相關(guān)要求，其中B型貨包須滿足9 m自由下落等力學(xué)試驗(yàn)的要求[1]。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有乏燃料運(yùn)輸容器減震器的形式多樣，主要結(jié)構(gòu)為外部鋼殼包裹內(nèi)部緩沖材料，多設(shè)計(jì)安裝在運(yùn)輸容器端部[2]。其中，鋼制外殼能夠防護(hù)和限制內(nèi)部的緩沖材料，而緩沖材料起到支撐容器和事故沖擊下緩沖吸能的關(guān)鍵作用。

1 乏燃料運(yùn)輸容器減震器應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼制外殼包裹緩沖材料的殼式結(jié)構(gòu)是乏燃料運(yùn)輸容器減震器較通用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要以木材、聚氨酯泡沫、蜂窩鋁等材料作為緩沖材料，國(guó)外已有較多成熟的減震器產(chǎn)品。除此之外，國(guó)外一些小型乏燃料運(yùn)輸容器也根據(jù)使用需求，采用了其他結(jié)構(gòu)形式的減震器設(shè)計(jì)。

1.1 木材填充殼式減震器

以木材作為填充材料的殼式減震器是目前應(yīng)用成熟、范圍較廣的結(jié)構(gòu)形式。國(guó)外容器以美國(guó)NAC–STC型乏燃料運(yùn)輸容器為代表，包括美國(guó)NFS–4型運(yùn)輸容器[3]、德國(guó)CASTOR系列容器[4]、法國(guó)TN系列（TN–12、TN–13、TN–24、TN–32等）容器[5]、日本MSF系列容器[6]、俄羅斯TK系列容器、韓國(guó)KN–18 SNF型運(yùn)輸容器[7-8]等均采用殼式減震器，一般選擇輕木、紅木、松木、云杉等木材作為緩沖材料[9]。

美國(guó)NAC公司生產(chǎn)的NAC–STC型運(yùn)輸容器是國(guó)際上使用較為廣泛的夾鉛屏蔽乏燃料運(yùn)輸容器，在運(yùn)輸條件下，容器上、下兩端須安裝圓柱形殼式減震器，減震器以紅木、松木作為填充材料，外部包裹304不銹鋼材質(zhì)鋼層，用于保持減震器結(jié)構(gòu)的完整性[10]。德國(guó)GNS公司研制的CASTOR系列大型球墨鑄鐵運(yùn)輸容器也采用了類似的減震設(shè)計(jì)，兩端減震器采用云杉、山毛櫸等歐洲資源較豐富的木材作為緩沖材料[11]。其中，以CASTOR HAW/TB2型號(hào)運(yùn)輸容器[12]為例，容器兩端木材填充減震器的徑向尺寸沒(méi)有過(guò)多超出容器筒體尺寸，這主要是因?yàn)樵谌萜魍搀w外還安裝了3條環(huán)式鋁制減震器，在跌落時(shí)利用環(huán)式減震器吸收一定的沖擊能量，容器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。相比木材，鋁材的性質(zhì)更均勻、強(qiáng)度更大，因此具有相對(duì)高的吸能能力，但鋁材的大塑性變形也會(huì)導(dǎo)致變形區(qū)出現(xiàn)溫度較大的升高。

除常規(guī)木材外，阿根廷、巴西和智利三國(guó)共同研制的研究堆乏燃料運(yùn)輸容器，使用木質(zhì)復(fù)合材料（OSB）填充減震器[13]。木質(zhì)復(fù)合材料（OSB）是在加熱和壓力條件下由小直徑圓木切片黏合而成的，是一種工程化、墊成型的面板產(chǎn)品。填充材料在減震器的中心區(qū)域垂直排列，在外圍區(qū)域水平排列，以獲得更好的各向同性的力學(xué)性能。

圖1 CASTOR HAW/TB2運(yùn)輸容器[12]

國(guó)內(nèi)的乏燃料運(yùn)輸容器同樣以采用木材填充減震器為主，包括RY–I型乏燃料運(yùn)輸容器[14-15]、BQH系列乏燃料運(yùn)輸容器[16]、CNSC–24型乏燃料運(yùn)輸容器[17]等。由于國(guó)內(nèi)木材資源的限制，我國(guó)多采用泡桐木作為減震器緩沖材料。其中，國(guó)內(nèi)RY–I型小型乏燃料運(yùn)輸容器，首次采用國(guó)產(chǎn)泡桐木代替國(guó)際上通用的輕木作為減震器填充材料。除此之外，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了新型減震器設(shè)計(jì)，例如清華大學(xué)天津高端裝備研究院采用了內(nèi)置彈簧的結(jié)構(gòu)，能夠在保證事故沖擊安全的前提下，減輕正常運(yùn)輸條件下振動(dòng)對(duì)乏燃料造成的影響[18]。

1.2 其他填充殼式減震器

木材作為緩沖材料雖然具有質(zhì)量小、吸能效果好等特點(diǎn)，但也存在各向異性、耐濕熱能力差等固有缺陷，因此部分乏燃料運(yùn)輸容器也采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫、蜂窩鋁等其他工程材料作為減震器緩沖材料。美國(guó)T–3型運(yùn)輸容器[19]用于運(yùn)輸快中子試驗(yàn)堆FFTF乏燃料組件，其兩端的減震器由低碳鋼外殼和內(nèi)部填充的硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料構(gòu)成，通過(guò)螺栓與容器筒體連接，起到保護(hù)容器端部免受結(jié)構(gòu)沖擊和熱損傷的作用。

蜂窩鋁材料的緩沖性能具有各向異性，因此在減震器中多采用分區(qū)域填充的設(shè)計(jì)。美國(guó)Holtec國(guó)際公司設(shè)計(jì)制造的Hi–STAR100兩用乏燃料容器在運(yùn)輸條件下配備了AL–STAR減震器[20]，示意圖見(jiàn)圖2。AL–STAR減震器被設(shè)計(jì)成能夠?qū)⒆畲髣傮w減速度限制在重力加速度的60倍，主要由304不銹鋼外殼和蜂窩鋁緩沖材料構(gòu)成，在僅承受單向沖擊載荷的區(qū)域填充了單向蜂窩鋁材料，在沖擊載荷方向可能發(fā)生變化的區(qū)域填充了雙向蜂窩鋁材料。同時(shí)為了在沖擊過(guò)程中獲得更多支撐，減震器上還設(shè)置了2個(gè)圓柱形加強(qiáng)環(huán)。除此之外，西班牙ENSA公司ENUN 32乏燃料運(yùn)輸容器減震器還采用了蜂窩材料和聚氨酯泡沫復(fù)合填充的設(shè)計(jì)[21]。在減震器端部可能受到角沖擊的區(qū)域，沖擊載荷加載方向不確定，采用相對(duì)廉價(jià)的聚氨酯泡沫材料填充，在減震器側(cè)面采用體積相對(duì)較小的蜂窩材料填充，以滿足操作和運(yùn)輸時(shí)的外徑尺寸限制。為了減少?zèng)_擊時(shí)側(cè)面和末端方向的峰值加速度，減震器端部被設(shè)計(jì)為圓錐形。

圖2 AL–STAR減震器示意圖[20]

1.3 其他結(jié)構(gòu)形式減震器

除殼式減震器外，部分乏燃料運(yùn)輸容器也采用了其他結(jié)構(gòu)形式的減震器。美國(guó)GE公司研制的IF系列運(yùn)輸容器，是美國(guó)早期運(yùn)輸乏燃料組件的容器[22]。以IF–300型運(yùn)輸容器為例，該容器質(zhì)量約70 t，在容器外部焊接了與容器集成的環(huán)形不銹鋼減震翅片[23]，以此實(shí)現(xiàn)緩沖減震的作用，圖3展示了該運(yùn)輸容器的減震器結(jié)構(gòu)。與殼式減震器相比，該設(shè)計(jì)有利于節(jié)約笨重減震器的存儲(chǔ)空間以及安裝、拆卸減震器的時(shí)間，但也會(huì)增加清理減震翅片的難度和時(shí)間。

圖3 IF–300型運(yùn)輸容器示意圖[23]

作為小型乏燃料運(yùn)輸容器，意大利AGN–1型運(yùn)輸容器根據(jù)操作使用需求采用了不銹鋼橢球型殼式減震器[24]，容器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。AGN–1型運(yùn)輸容器主體是與CASTOR系列運(yùn)輸容器類似的球墨鑄鐵容器，質(zhì)量相對(duì)較小（約54 t）。該運(yùn)輸容器兩端的殼式減震器內(nèi)部沒(méi)有填充緩沖材料，在干式操作條件下內(nèi)部為干燥空氣，在濕式操作條件下內(nèi)部為水。該減震器能夠依靠鋼制殼體的變形吸收沖擊能量，但此類設(shè)計(jì)僅適用于小型乏燃料運(yùn)輸容器[25]。

圖4 AGN–1型運(yùn)輸容器示意圖[24]

為滿足乏燃料組件航空運(yùn)輸更加嚴(yán)格的要求，俄羅斯TUK–145/C型乏燃料運(yùn)輸容器采用了全包裹式的減震器設(shè)計(jì)[26]。該運(yùn)輸容器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5，主要由SKODAVPVR/MB型容器和能量吸收裝置（EAC）兩部分構(gòu)成。其中，能量吸收裝置（EAC）分為上、下兩部分，質(zhì)量為18 500 kg，由超過(guò)2 000個(gè)鈦合金材質(zhì)的空心球體焊接而成，并采用密封泡沫填充。外部的能量吸收裝置（EAC）完全包裹內(nèi)部容器，用于吸收航空事故中可能造成的巨大沖擊能量，能夠承受不低于90 m/s的速度對(duì)剛體的沖擊。

圖5 TUK–145/C型乏燃料運(yùn)輸容器示意圖[26]

1.4 小結(jié)

殼式減震器是國(guó)內(nèi)外乏燃料運(yùn)輸容器采用的主要結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)成熟，能夠應(yīng)用于多種尺寸的運(yùn)輸容器。木材是主要的緩沖材料，國(guó)外減震器多采用輕木、紅木等木材進(jìn)行填充，而國(guó)內(nèi)則選擇資源更豐富的泡桐木作為填充材料。除此之外，聚氨酯泡沫、蜂窩鋁等工程材料也被用于減震器緩沖設(shè)計(jì)。考慮到殼式減震器裝卸復(fù)雜、儲(chǔ)存不便等缺點(diǎn)，國(guó)外部分乏燃料運(yùn)輸容器根據(jù)使用需求設(shè)計(jì)了其他結(jié)構(gòu)形式的減震器，也能實(shí)現(xiàn)良好的效果。

2 乏燃料運(yùn)輸容器減震器優(yōu)化研究

2.1 緩沖材料優(yōu)化

乏燃料運(yùn)輸容器減震器多設(shè)計(jì)為外部鋼層包裹緩沖材料的結(jié)構(gòu)形式，其中緩沖材料在受沖擊時(shí)發(fā)揮了緩沖吸能的關(guān)鍵作用，因此研究和開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)異的緩沖材料成為了研究熱點(diǎn)[27]。

2.1.1 木質(zhì)填充材料

木材具有質(zhì)量相對(duì)較小、易于加工制造、可再生、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且受沖擊載荷變形后具有較強(qiáng)的能量吸收能力[12]，因此被廣泛用作乏燃料運(yùn)輸容器減震器的填充材料。

國(guó)際上，歐洲國(guó)家多采用本地生長(zhǎng)的云杉、山毛櫸等木材作為減震器緩沖材料，除此之外，生長(zhǎng)于熱帶地區(qū)的輕木、紅木等木材具有更好的抗壓縮性能。相關(guān)研究顯示[28]，紅木的抗壓縮強(qiáng)度大于輕木，但輕木的吸能效率更高，并且同其他木材類似，均表現(xiàn)為軸向上的力學(xué)強(qiáng)度更大。與紅木相比，輕木的價(jià)格更具優(yōu)勢(shì)，因此更受歡迎。與吸能效率的評(píng)價(jià)方式不同，較大的抗壓縮強(qiáng)度使得單位體積的輕木在軸向上具有更強(qiáng)的吸能能力，因此，比吸能量也用于評(píng)價(jià)減震器設(shè)計(jì)[29]。

輕木的力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)也受到關(guān)注和研究[30]。相較于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，動(dòng)態(tài)壓縮條件下輕木的失效強(qiáng)度增大，發(fā)生致密化的應(yīng)變減小，但總體表現(xiàn)為平臺(tái)應(yīng)力不受應(yīng)變速率的影響。由于輕木越來(lái)越受歡迎，因此近些年被更多國(guó)家種植，但不同的氣候也造成其力學(xué)性能存在差異，總體表現(xiàn)為密度越大，平均破碎強(qiáng)度越高[31]。輕木的性能易受溫度影響，阿海琺公司研究發(fā)現(xiàn)溫度升高造成輕木力學(xué)性能下降，并且這一規(guī)律也適用于其他木材[32]。在開(kāi)展力學(xué)研究的同時(shí)，近幾年國(guó)外相關(guān)學(xué)者還增加了對(duì)木材填充減震器在火燒試驗(yàn)條件下的安全性研究，特別是探究木材中可能存在的陰燃對(duì)放射性活度釋放等的影響[33-34]。

考慮到國(guó)內(nèi)輕木等木材資源有限，主要依賴進(jìn)口，因此目前國(guó)內(nèi)乏燃料運(yùn)輸容器減震器設(shè)計(jì)主要以資源更豐富的泡桐木作為緩沖材料。泡桐木的壓縮性能研究顯示，泡桐木在軸向上能夠表現(xiàn)出良好的壓縮性能和吸能性能，但缺點(diǎn)是隨著含水量增加，其壓縮、吸能性能顯著下降，易受環(huán)境條件的影響[35]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者還探究了將我國(guó)資源豐富的其他種類木材作為減震器緩沖材料的可能性。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院呂文華等[36]對(duì)我國(guó)主產(chǎn)的幾種人工林木材的減震性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，大青楊、毛白楊和落葉松密度較大，使得容器質(zhì)量和運(yùn)輸成本增加，難以滿足減震要求，而泡桐和柳杉密度相對(duì)低，抗壓強(qiáng)度較小，可以作為抗壓強(qiáng)度和尺寸要求不高的容器的減震材料。為獲得更好的減震性能，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)低密度人工林杉木開(kāi)展了樹(shù)脂浸漬改性研究[37]，結(jié)果表明浸漬改性技術(shù)有助于提高木材的密度和抗壓強(qiáng)度，在一定程度上改善木材的減震性能。中國(guó)工程物理研究院鐘衛(wèi)洲等[38]探究了國(guó)內(nèi)云杉木的抗壓縮性能，研究發(fā)現(xiàn)云杉木在軸向上的性能明顯高于橫紋方向的，且在超高的加載速率（500 m/s）下，云杉木能夠表現(xiàn)出更高應(yīng)力，具有良好的沖擊響應(yīng)。

2.1.2 工程填充材料

相較于自然生長(zhǎng)的木材，工程材料能夠更好地控制材料的平均抗壓強(qiáng)度，更有利于減震器設(shè)計(jì)，因此聚氨酯泡沫、蜂窩鋁等材料也被用作乏燃料運(yùn)輸容器減震器的緩沖材料。

聚氨酯泡沫不但具有可以預(yù)測(cè)的吸能能力，而且質(zhì)量穩(wěn)定、形狀易于加工、具有各向同性的力學(xué)性能，還能提供顯著的熱保護(hù)[39]，在運(yùn)輸容器減震器設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了重要作用，并且其抗壓縮性能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有利于其作為減震器的緩沖材料。印度巴哈原子研究中心通過(guò)沖擊響應(yīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[40]，隨應(yīng)變速率增加，聚氨酯泡沫發(fā)生致密化的應(yīng)變值減小，屈服強(qiáng)度增加，使得吸能能力增強(qiáng)。除此之外，聚氨酯泡沫的力學(xué)性能受材料密度和溫度的影響較大。隨著材料密度增加，其壓縮、沖擊等力學(xué)強(qiáng)度不斷增加[41]，但隨溫度升高，聚氨酯泡沫“應(yīng)力–應(yīng)變”平臺(tái)期縮短，抗壓強(qiáng)度、壓縮模量等表征壓縮性能的參數(shù)近似線性降低[42]，這也為減震器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的制約。

蜂窩鋁材料具有質(zhì)量小、吸能能力強(qiáng)、易于加工制造等特點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)被廣泛應(yīng)用于吸能裝置，缺點(diǎn)是價(jià)格較高。蜂窩鋁材料在沖擊載荷條件下表現(xiàn)優(yōu)異[43]，隨載荷的加載速度增加，蜂窩鋁材料的平臺(tái)期強(qiáng)度、質(zhì)量比吸能、體積比吸能等力學(xué)特性增強(qiáng)[44]。另外，蜂窩鋁材料六邊形單元尺寸的縮小和壁厚增加均有助于增強(qiáng)材料的吸能能力，當(dāng)材料質(zhì)量增加1倍時(shí)，其吸能能力將增加2倍[45]。蜂窩鋁材料的力學(xué)性能也具有各向異性的缺陷，其在軸向方向上具有更好的壓縮性能和吸能能力，因此，需要在減震器設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮蜂窩鋁材料的填充方向。

2.1.3 新型填充材料

雖然現(xiàn)有緩沖材料具備了一定的應(yīng)用條件，但還存在固有缺陷的制約，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者期望尋找和研究出性能更加全面的新型緩沖材料[46]，其中泡沫鋁、碳泡沫、雙向瓦楞蜂窩鋁等新材料被研究應(yīng)用于乏燃料運(yùn)輸容器減震器。

泡沫鋁材料是一種各向同性材料，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和吸能效率，在交通運(yùn)輸、建筑等行業(yè)具有較大的應(yīng)用潛力[47]，近些年其優(yōu)異的力學(xué)性能也受到關(guān)注。李忠芳等[48]探究了閉孔泡沫鋁材料作為乏燃料運(yùn)輸容器減震器填充材料的可能性，結(jié)果表明，面心立方腔結(jié)構(gòu)的泡沫鋁在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程中應(yīng)力分布均勻，具有相當(dāng)?shù)膲嚎s性能和吸能性能，且在一定密度范圍內(nèi)大致相同，具有良好的性能穩(wěn)定性。相關(guān)研究還表明，孔隙率、孔徑等參數(shù)均對(duì)泡沫鋁材料的壓縮和吸能性能有重要影響[49]，但結(jié)論尚不統(tǒng)一，有待進(jìn)一步探究。

作為低密度的多孔結(jié)構(gòu)材料，碳泡沫已被應(yīng)用于熱能儲(chǔ)存、多孔電極、過(guò)濾材料等多個(gè)領(lǐng)域[50]。另外，特殊結(jié)構(gòu)也決定了其具有較好的力學(xué)性能，其中非石墨類型的碳泡沫相對(duì)較硬，導(dǎo)熱系數(shù)和制造成本較低，被阿海琺公司（AREVA）研究用作減震器的緩沖材料[32]。研究發(fā)現(xiàn)，在?40 ℃和140 ℃的極端溫度條件下，碳泡沫的抗壓縮性能不受影響，并且對(duì)濕度的變化很不敏感，這些特點(diǎn)都有利于作為減震器緩沖材料的應(yīng)用。需要注意的是，碳泡沫的力學(xué)性能具有輕微的各向異性，這與制造過(guò)程中孔結(jié)構(gòu)在發(fā)泡方向上的拉長(zhǎng)有關(guān)。

雙向瓦楞蜂窩鋁作為一種新型材料，被國(guó)內(nèi)學(xué)者研究提出用于填充乏燃料運(yùn)輸容器的減震器[35]。該材料為鋁基多孔輕質(zhì)材料，其波紋形為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則六邊形的一半，且正交布置，其力學(xué)性能不受溫度和濕度的影響，具有多向吸能能力。與泡桐木相比，雙向瓦楞蜂窩鋁材料在3個(gè)方向上均能表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，且制造工藝簡(jiǎn)單，具有較好的應(yīng)用潛力。為進(jìn)一步驗(yàn)證其吸能性能，邢攸冬等[51]結(jié)合NAC–STC運(yùn)輸容器參數(shù)開(kāi)展了9 m自由下落試驗(yàn)的仿真計(jì)算研究，結(jié)果表明雙向瓦楞蜂窩鋁具有良好的能量吸收效果，其平臺(tái)應(yīng)力值能夠滿足NAC–STC運(yùn)輸容器平臺(tái)應(yīng)力過(guò)程最小值12.35 MPa的要求。

2.1.4 小結(jié)

作為傳統(tǒng)的緩沖材料，木材被廣泛應(yīng)用于乏燃料運(yùn)輸容器的減震器，具有易于獲取、減震性能良好等優(yōu)點(diǎn)，然而，其力學(xué)性能也具有各向異性的固有缺陷，且易受溫度、濕度等環(huán)境條件的影響。

聚氨酯泡沫、蜂窩鋁等工程材料能夠在制造加工時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)抗壓縮強(qiáng)度的控制，在沖擊載荷下能夠表現(xiàn)出更強(qiáng)的吸能能力，但2種材料也存在各自缺點(diǎn)。其中聚氨酯泡沫的抗壓縮性能隨溫度升高而下降，蜂窩鋁力學(xué)性能存在各向異性的固有缺陷，且價(jià)格較高。

為克服現(xiàn)有緩沖材料性能的局限性，泡沫鋁、碳泡沫、雙向瓦楞蜂窩鋁等期望具備更全面性能的新型緩沖材料正在被研究，需要進(jìn)一步優(yōu)化確定材料的加工制造參數(shù)和設(shè)計(jì)應(yīng)用條件。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

減震器的結(jié)構(gòu)尺寸、形狀對(duì)沖擊過(guò)程中的響應(yīng)有重要影響。在殼式減震器的尺寸設(shè)計(jì)方面，可以基于填充材料的沖擊特性參數(shù)，采用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出各種跌落條件下減震器的沖擊吸能體積，進(jìn)而初步確定減震器的初始尺寸和質(zhì)量[52]。

基于初步設(shè)計(jì)，進(jìn)一步開(kāi)展減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。已有研究表明，減震器高度的增加有利于沖擊時(shí)峰值加速度的降低[53]，但存在能量吸收上限的平衡點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上額外的高度增加不能獲得更好的減震性能，反而增加了減震器質(zhì)量。另外，端部形狀能夠影響減震器沖擊過(guò)程表現(xiàn)，在端部邊緣處引入倒角有助于減輕導(dǎo)致焊縫失效的應(yīng)力集中[13]，圓錐形的減震器端部還有利于降低沖擊過(guò)程中側(cè)面和末端方向的峰值加速度[21]。除此之外，減震器外殼的焊接方式也具有一定影響。韓國(guó)原子能研究中心[54]研究發(fā)現(xiàn)，在減震器外殼上的適當(dāng)位置采用一定強(qiáng)度的間斷焊接，有助于通過(guò)控制對(duì)緩沖材料的約束和適當(dāng)釋放，減輕減震器在沖擊階段后期的最大沖擊力。

在此基礎(chǔ)上，采用ANSYS、ABAQUS、LS–DYNA等有限元計(jì)算軟件建立減震器和容器的數(shù)值模型[4,55]，模擬容器跌落試驗(yàn)的沖擊過(guò)程，幫助進(jìn)一步優(yōu)化減震器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并將關(guān)鍵部件的應(yīng)力、應(yīng)變作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)可靠性[56]。其中，應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，而塑性應(yīng)變的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在2015版ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》第Ⅲ卷《核設(shè)施部件建造規(guī)則》中提出。韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院探究了2種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在乏燃料運(yùn)輸容器減震器設(shè)計(jì)方面的差異[57]，研究發(fā)現(xiàn)基于應(yīng)力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)更加保守，在某些情況下相較于應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)保守超過(guò)了100倍。

在力學(xué)試驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)要求基本相同，各國(guó)均依據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）發(fā)布的《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸條例》（SSR–6）制定了本國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)文件，我國(guó)參照制定了《放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)程》（GB 11806）。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)的裝置應(yīng)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)中一致的試驗(yàn)要求，國(guó)內(nèi)中國(guó)輻射防護(hù)研究院已具備開(kāi)展130 t級(jí)容器力學(xué)試驗(yàn)的能力，相關(guān)力學(xué)測(cè)試裝置已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。在研究隊(duì)伍方面，國(guó)內(nèi)高校、研究院多關(guān)注基礎(chǔ)材料研究，相關(guān)企業(yè)及容器設(shè)計(jì)單位多關(guān)注減震器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，相比之下，國(guó)外相關(guān)公司將材料研究與減震器設(shè)計(jì)應(yīng)用聯(lián)系得更加緊密。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，乏燃料運(yùn)輸容器減震器是保障容器筒體結(jié)構(gòu)完整，確保乏燃料安全運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵部件。國(guó)外在減震器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用方面技術(shù)成熟，成熟的產(chǎn)品較多，能夠滿足多種類型乏燃料運(yùn)輸容器的需求，而國(guó)內(nèi)在大型乏燃料運(yùn)輸容器減震器設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)少，在今后的自主發(fā)展中可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行借鑒。

1）在材料研究方面，建議增加對(duì)新型緩沖材料的探索，注重對(duì)材料沖擊響應(yīng)特性、溫濕度影響特性等的測(cè)試研究，盡快掌握具備優(yōu)異性能材料的加工制造工藝。

2）在減震器設(shè)計(jì)方面，建議增加工程材料的應(yīng)用，借鑒和研究國(guó)際上成熟、有效的結(jié)構(gòu)形式，特別注重對(duì)大型乏燃料運(yùn)輸容器減震器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

3）在減震器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面，建議增強(qiáng)與不同容器筒體的適配性，針對(duì)不同尺寸、類型的乏燃料運(yùn)輸容器嘗試開(kāi)發(fā)系列化、家族化的產(chǎn)品。

4）在隊(duì)伍建設(shè)方面，建議增加基礎(chǔ)研究設(shè)計(jì)與制造單位的聯(lián)系，增加以工程需求為導(dǎo)向，推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)“產(chǎn)學(xué)研”一體化的發(fā)展。

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Application and Research Status of Spent Fuel Transport Cask Impact Limiters

SUN Qian, ZHUANG Da-jie, SUN Hong-chao, WANG Chang-wu,WANG Zhi-peng, LIAN Yi-ren, SUN Shu-tang, LI Guo-qiang

(China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China)

The work aims to learn the mature structural forms of impact limiters for spent fuel transport casks at home and abroad, analyze the main characteristics of application technology, and sort out the material characteristics and research status of existing impact limiters, so as to provide certain reference for the design and development of domestic impact limiters. The application status of impact limiters for representative spent fuel transport casks at home and abroad was summarized. The advantages and disadvantages of existing impact limiters, and the matters needing attention in structural design were analyzed. The shell impact limiters filled with wood were mostly used on the spent fuel transport casks. Polyurethane foam, honeycomb aluminum and other materials were also used as filling materials. In addition, foam aluminum, carbon foam, two-way corrugated honeycomb aluminum and other new materials have also been studied for impact limiters. It is suggested to increase the research on new buffering materials and structural designs of impact limiters to meet the application needs of large domestic spent fuel transport casks in the future. At the same time, the adaptability and compatibility development of impact limiters should be paid attention to and series products should also be developed.

spent fuel transport cask; impact limiter; filling material; wood; structure design

TB485.3

A

1001-3563(2023)05-0282-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.035

2022?08?18

孫謙（1994—），男，碩士。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋