乏燃料運輸容器事故工況密封分析研究

劉廣東

乏燃料運輸容器事故工況密封分析研究

劉廣東

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

為防止放射性物質泄漏，要求乏燃料運輸容器在事故工況下保證容器的密封。通過對乏燃料運輸容器比例容器事故工況密封分析研究，為乏燃料運輸容器密封分析提供依據。為驗證假想事故工況乏燃料運輸容器的密封性，采用LS-DYNA分析軟件，開展乏燃料運輸容器比例容器9 m跌落分析，提取密封螺栓跌落過程中的載荷時程和密封面分離量，并在比例容器跌落試驗后開展氣密性能試驗。跌落分析結果表明，比例容器內、外蓋在跌落過程中，密封螺栓應力滿足限值要求；內、外蓋密封面最大分離量小于密封結構有效回彈量。同時跌落后容器的氣密性檢查試驗結果表明其密封性能良好。乏燃料運輸容器比例容器的跌落密封分析和氣密性試驗結果表明，在事故工況下乏燃料運輸容器貨包能夠保證密封要求，該分析方法可用于乏燃料運輸容器事故工況的密封分析。

乏燃料運輸容器；比例容器；跌落分析；密封分析；氣密性試驗

乏燃料運輸容器是運輸包裝乏燃料的屏蔽密封容器。由于乏燃料是一種具有較強放射性的特殊物質，為了把與放射性物質運輸有關的人員、財產和環境受到的輻射危害、臨界危害和熱危害控制在可接受的水平，國際原子能機構和世界各國頒布了相關的條例，對放射性物質運輸及設計提出嚴格的防護要求。為防止放射性物質泄漏，要求貨包密封結構安全可靠，即在正常運輸及運輸事故條件下保證貨包的密封性。

按IAEA TS-R-1-2009[1]和GB 11806—2019[2]相關規定，根據放射性內容物的特性、活度水平、比活度和運輸方式對貨包進行分類，乏燃料運輸容器貨包為B(U)型貨包。在正常運輸條件下，能使放射性內容物的泄漏限制在每小時不大于10?62，在經受運輸事故條件試驗（9 m跌落、1 m貫穿、耐熱以及水浸沒試驗）后，能使1周內放射性內容物的累積漏失對85Kr限制在不大于102和對所有其他的放射性核素限制在不大于2。2為表征不同放射性材料放射性活度的參數，代表了某個核素在容器中可允許裝載的最大放射性活度。根據產品的最大放射性活度值，參考放射性物質安全運輸貨包的泄漏檢驗[3]進行源項估算，并考慮一定的安全裕度，正常運輸條件下容許氦氣標準化泄漏率為2×10?8Pa·m3/s。

設計階段，在容器制造完工后進行泄漏率驗證試驗[4-8]，利用氦質譜儀探測器進行檢測，試驗結果低于正常運輸條件的泄漏率限值要求。由于9 m自由跌落沖擊對結構最不利，為證明運輸容器在事故工況下的密封性能，本文開展事故跌落工況下的密封性研究。試驗驗證是最直接的手段，可以獲得全面可靠的數據，但開展乏燃料運輸容器跌落試驗成本昂貴，通常采用比例容器進行跌落試驗，但是在比例模化中，密封圈尺寸和性能不符合比例模化條件，比例容器的密封檢漏試驗不能來量化全尺寸產品的泄漏率。因此需要開展比例容器跌落試驗，并與有限元分析相結合，驗證運輸容器比例容器事故條件下是否能夠保證密封要求，該分析方法可用于乏燃料運輸容器事故工況的密封分析。

1 密封結構描述

乏燃料運輸比例容器設置內蓋密封和外蓋密封，內蓋密封圈設計為雙C形金屬密封圈，外蓋密封圈設計為單道C形金屬密封圈，可為運輸容器提供冗余的密封功能，密封結構示意圖如圖1所示。

頂部鍛件的內徑圓周呈凹陷緣狀，內蓋能完全嵌入頂端鍛件與凸緣吻合，并通過42個材質為GH4169的螺栓緊固在凸緣上。外蓋通過36個材質為GH4169的螺栓緊固在頂端鍛件的端面。內、外蓋下側面上有密封圈凹槽，該凹槽用來裝配密封圈。

圖1 運輸容器密封結構

C形密封環的密封特性曲線如圖2所示，其工作原理：通過螺栓預緊力來壓緊內、外蓋板和頂部鍛件之間的密封環，使其產生壓縮變形并與螺旋彈簧貼緊，依靠螺旋彈簧獲得良好的回彈量和密封比壓，包敷的密封銀層可以填補密封面的微觀不平，從而獲得良好的密封效果。當蓋板與頂部鍛件密封面發生軸向分離時，被壓縮的密封環就能產生足夠的回彈量進行補償并產生密封比壓，保證運輸容器具有良好的密封性能，達到良好的密封效果。圖2中各物理量含義：0為達到初始密封狀態時，密封環所需單位長度上的緊固載荷；1為從壓縮狀態2處卸載至密封失效時，密封環單位長度上的緊固載荷；2為保持密封且對應于壓縮狀態2時，密封環單位長度上的緊固載荷；0為達到初始密封狀態時，對應密封環的壓縮量；1為從壓縮狀態2處卸載至密封失效時，對應密封環的壓縮量；2為保持密封狀態時，對應密封環的理論工作點壓縮量。

圖2 密封環載荷-位移特性曲線

2 計算模型

2.1 模型簡化

根據乏燃料運輸比例容器設計圖冊，減震器采用螺栓固定于容器外蓋及底板上，在分析過程中對其進行簡化，將上、下減震器分別與容器外蓋及底板進行綁定。根據吊籃與容器間隙設計，在容器內部使用等質量的圓柱體（外徑與吊籃相同，圓柱體的質量為吊籃及燃料組件質量之和）對吊籃及燃料組件進行等效。內、外筒體間的鉛層，容器內部的等效圓柱體，上、下中子屏蔽層與筒體四周設置接觸。將最外層的中子屏蔽層質量附加于外筒體上[9]。為模擬跌落過程中螺栓預緊力的變化，需建立螺栓模型，內、外蓋和頂部鍛件螺栓孔如圖3所示。

圖3 螺栓孔位置圖

為便于螺栓與螺栓孔的連接和螺栓預緊力的加載，螺栓用梁單元等效，建立對應的線并賦予對應螺栓直徑。螺栓（梁單元）與螺栓孔（實體單元）的連接，如圖4所示。

圖4 螺栓與螺栓孔連接模型

2.2 材料模型與參數

根據乏燃料運輸比例容器各組件質量及簡化后模型各組件體積，計算得到各組件材料密度。在跌落計算過程中，將筒體設置為彈性體，使用的材料模型為*MAT_ELASTIC，地面和螺栓連接桿使用剛性材料模型*MAT_RIGID；內、外蓋螺栓使用點焊梁材料模型*MAT_SPOTWELD。

筒體根據選材，從標準中查取相應材料參數。考慮到跌落計算中減震器會發生較大變形，計算過程中減震器木材及包殼使用的材料模型為彈塑性模型*MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。減震器材料為輕木和杉木，其材料性能曲線如圖5—6所示。

圖5 杉木順紋、橫紋方向應力應變曲線

圖6 輕木順紋、橫紋方向應力應變曲線

2.3 有限元模型

減震器包殼采用殼單元，螺栓采用梁單元，對應連接面采用殼單元并與梁單元共節點，地面采用殼單元，其余采用六面體實體單元。乏燃料運輸比例容器跌落分析有限元模型如圖7所示。

2.4 初始條件輸入

根據密封圈性能曲線中的2值、水壓試驗壓力等參數，計算保障密封性的螺栓預緊力。內蓋螺栓預緊力為4 489 964 N，共42個螺栓，每個內蓋螺栓的預緊力為106 904 N；外蓋螺栓預緊力為3 545 262 N，共36個螺栓，每個外蓋螺栓的預緊力為98 480 N。通過動力松弛的方式加載螺栓預緊力，在跌落分析開始前就把預緊力加載到螺栓上，并且在整個跌落過程中都考慮螺栓預緊力的影響。在建模時，已為對應的內、外蓋螺栓線模型分別賦予圓形截面形成梁模型來等效實際的螺栓模型，在螺栓預緊力加載時只需要對梁模型（Beam單元）施加預拉力即可。

圖7 乏燃料運輸比例容器（帶減震器）有限元分析模型

跌落分析初始條件輸入還包含初速度、重力、容器內壓以及地面的固定。為節省計算時間，將筒體與地面之間的距離設置為10 mm，對筒體施加13.3 m/s的初速度以模擬9 m的跌落高度。

3 密封分析

3.1 跌落密封數值計算

考慮到跌落姿態的隨機性，需要開展豎直跌落、側跌、角跌分析[10-15]，根據跌落分析結果選擇嚴酷的角度開展角跌試驗、豎直跌落試驗、側跌試驗和穿刺試驗。不同姿態的跌落分析和跌落試驗方法相同，本文以9 m豎直跌落為例，開展乏燃料運輸比例容器跌落過程中的密封性分析和跌落后的氣密性試驗。

跌落分析計算完成后，提取容器的加速度時程曲線，如圖8所示。由圖8可知，容器在跌落過程中受到的最大沖擊加速度為651 m/s2，且受到最大沖擊加速度的時間為0.028 s，因此提取0.1 s前的跌落計算結果開展密封分析具有包絡性。

提取各個螺栓的軸力時程曲線，通過比較，內蓋螺栓中，軸力變化最大的螺栓軸力時程曲線如圖9所示。由圖9可知，在跌落開始時，將106 904 N預緊力加載到對應的內蓋螺栓上，內蓋螺栓軸力在跌落過程中的最大值為114 210 N，最小值為93 684 N。在外蓋螺栓中，軸力變化最大的螺栓軸力時程曲線如圖10所示。由圖10可知，外蓋螺栓軸力在跌落過程中最大值為120 240 N，最小值為88 417 N。根據螺栓的應力截面積和軸力可計算得到螺栓的應力，計算結果顯示螺栓的應力小于其許用應力。

圖8 容器的加速度時程曲線

圖9 容器內蓋螺栓軸力時程曲線

圖10 容器外蓋螺栓軸力時程曲線

在密封面上、下面8個位置，提取各個節點的位移曲線，計算密封面對應位置上、下面節點的位移差，即為密封面的位移。內蓋密封面位移曲線（即內蓋與頂部鍛件接觸面相對位移曲線）如圖11所示，在跌落過程中，內蓋與頂部鍛件接觸面軸向分離量的最大值為0.003 457 1 mm。容器下密封面位移曲線（即外蓋與頂部鍛件接觸面相對位移曲線）如圖12所示，在跌落過程中，外蓋與頂部鍛件接觸面軸向分離量的最大值為0.018 239 mm。內、外蓋密封面在跌落過程中的位移遠小于密封結構的有效回彈量，密封結構滿足密封性能要求。

圖11 容器上密封面位移曲線

圖12 容器下密封面位移曲線

3.2 跌落試驗后氣密性試驗驗證

各姿態跌落試驗后，通過檢查發現，容器蓋、與之配合的密封面、密封螺栓從外觀觀測未見明顯變形和損傷，螺栓尺寸正常，無永久變形。各姿態跌落試驗后檢查結果表明，容器蓋、與之配合的密封面和密封螺栓結構完好。由容器制造完工后進行泄漏率試驗可知，試驗結果低于正常運輸工況泄漏率限值，并且事故工況的泄漏率限值被正常運輸工況泄漏率限值包絡，證明容器密封結構在事故工況后能滿足密封性要求。

為進一步驗證密封結構是否滿足密封性能，容器在跌落試驗以及擊穿試驗前、后分別充壓至0.8 MPa，并維持10 min后進行內壓測量。測量數據顯示容器在進行跌落和穿刺試驗后壓力值未降低，表明事故工況后密封結構具有良好的保壓能力。由于跌落試驗場地不具備氦檢漏試驗條件，跌落試驗后未開展泄漏率測試。工程實際中通常在比例容器制造完工后進行泄漏率試驗，結合比例容器的有限元密封分析以及比例容器跌落試驗后的氣密性試驗，證明了密封結構的可靠性。

4 結語

通過開展乏燃料運輸容器比例容器的跌落密封分析和跌落試驗后的氣密性試驗，驗證在事故工況下乏燃料運輸容器比例容器密封結構是否能夠保證密封性要求，具體結論如下：

1）事故工況跌落分析結果表明，比例容器內、外蓋在跌落過程中，密封螺栓應力滿足限值要求；內、外蓋密封面軸向最大分離量小于密封結構有效回彈量；密封結構在事故工況下能滿足密封性要求。

2）各姿態跌落試驗后檢查表明，容器內外蓋及與之配合的密封面、密封螺栓從外觀觀測未見明顯變形和損傷，螺栓尺寸正常，密封結構完好。結合容器制造完工后進行泄漏率試驗的結果低于正常運輸工況下的泄漏率，并且事故工況的泄漏率被正常運輸工況的泄漏率包絡，驗證了容器密封結構在事故工況后能滿足密封要求。

3）在9 m跌落試驗和1 m擊穿試驗前后對容器開展充壓和保壓測試，測試結果顯示其壓力值未降低，進一步驗證了密封結構在事故工況后密封性能良好。

綜上，該分析方法可用于乏燃料運輸容器事故跌落工況的密封分析。

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Analysis and Research on Sealing of Spent Fuel Transportation Cask under Accident Conditions

LIU Guang-dong

(China Nuclear Power Technology Research Institute Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518031, China)

The work aims to seal the spent fuel transportation cask under accident conditions in order to prevent the leakage of radioactivity materials and provide basis for the sealing analysis of the spent fuel transportation through the analysis and research on sealing of scale model of the spent fuel transportation cask under the accident conditions. To verify the sealing performance of the spent fuel transportation cask under hypothetical accident conditions, the 9 m drop analysis was carried out to the scale model of the spent fuel transportation cask under accident conditions by the LS-DYNA computer program. Then, the load history of sealing bolts and the separation of sealing surface during the drop process were extracted. Meanwhile, the sealing capability test was carried out after the drop test. The results of drop analysis indicated that the stress of the sealing bolts met the limit requirements during the drop process of inner and outer covers of scale model, and the maximum separation of sealing surfaces of inner and outer covers was less than the effective rebound of sealing structure. The air tightness test conducted after the drop test showed that the sealing performance was good. According to the results of drop sealing analysis and the air tightness test of scale model of spent fuel transportation cask, the spent fuel transportation cask can meet the sealing requirements under accident conditions and the method can be used for the sealing analysis of the spent fuel transportation cask under accident conditions.

spent fuel transportation cask; scale model; drop analysis; sealing analysis; air tightness test

TB485.3

A

1001-3563(2023)17-0298-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.17.037

2023-02-21

責任編輯：曾鈺嬋