压水堆高燃耗乏燃料运输容器结构力学分析与安全风险评估

摘要

随着我国核电建设的快速发展，产生的乏燃料数量逐年增加，大量的乏燃料急待外运。但我国目前还不具备制造大型商业乏燃料运输容器的能力，完全依赖进口，价格高昂。随着核电“走出去”战略上升为国家战略，我国迫切需要掌握大型商业乏燃料运输容器的设计和制造能力，以缓解我国乏燃料运输的压力并对外推广应用。作为贮运高放射性乏燃料的容器，必须保证乏燃料运输容器在各种可能工况下的完整性，因此建立一整套乏燃料运输容器的力学性能分析和安全风险评估方法显得尤为重要。
　　本文借助有限元分析软件对国内某公司设计的乏燃料运输容器进行系统的数值模拟分析，内容包括热工分析，跌落分析和穿刺分析等。对容器的结构力学性能进行全面评价，并对容器在国内运输的安全风险进行评估。本文主要研究内容和结论如下：
　　（1）利用ANSYS有限元分析软件对乏燃料容器进行建模和热工分析。计算了容器在38℃正常运输情况和30分钟802℃火烧事故时的温度场分布，得出容器重要部件的温度满足规范要求。对容器正常运输时进行热应力分析，得出此时应力状态。
　　（2）利用ANSYS和LS-DYNA软件对容器进行跌落分析，主要分析了容器在热态和冷态两种外部环境下9m不同角度的跌落。对容器各部件的危险以及处螺栓进行应力评定。通过容器跌落获得最大减速度，采用隐式静力计算方法对燃料篮组件进行等效跌落的校核。计算结果表明各部件应力满足规范要求。分析得出，跌落时最大应力主要出现在容器的端部，垂直跌落时产生最大减速度。分析认为，应改进减震器在竖直方向的破坏机制。
　　（3）在对容器进行穿刺分析时，计算了热态和冷态下外盖中心、底部中心和侧面中心穿刺的的1m穿刺。计算得出在穿刺冲击处最外层都会发生一定程度屈服，但都没破坏内层部件，没有出现穿透发生泄漏的情况。
　　（4）采用概率论方法对 NAC-STC型乏燃料运输容器在国内运输进行安全风险评估，得出风险概率为8.69×10-6人·Sv/1次运输。结合分析结果，提出控制风险的对策。
　　通过有限元分析，该容器在热工和结构力学方面满足规范要求，容器在各种事故运输工况下能够确保乏燃料不外泄。本文计算结果为该型号乏燃料运输容器后续的结构优化和试验提供指导作用，为国内其他不同堆型的乏燃料运输容器的研发提供借鉴。

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第1章 绪论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 国内外乏燃料运输容器技术现状

1.3 国内外运输容器研究进展

1.4 本文的主要研究内容和创新点

第2章 压水堆高燃耗乏燃料运输容器结构和分析方法

2.1 引言

2.2 压水堆高燃耗乏燃料运输容器结构

2.3 分析内容和方法

2.4 模型建立方法

2.5 容器材料属性

2.6 本章小结

第3章 乏燃料运输容器结构力学分析

3.1 引言

3.2 乏燃料运输容器热工分析

3.3 乏燃料运输容器结构跌落分析

3.4 燃料篮结构跌落分析

3.5 乏燃料运输容器结构穿刺分析

3.6 本章小结

第4章 压水堆高燃耗乏燃料运输容器安全风险评估

4.1 引言

4.2 容器运输概率分析

4.3 乏燃料运输的安全风险计算

4.4 风险控制对策

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢