淺談吊籃下掛分體式堆內構件設計范文

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摘要：通過對模塊式多用途小型壓水堆（ACP100）結構特點進行分析，提出了一種吊籃下掛的分體式堆內構件，其吊籃組件懸掛于反應堆壓力容器中部并由壓緊筒組件壓緊，該結構具有易于制造安裝、冷卻劑分流密封效果好、流量分配合理等優點。力學分析、控制棒驅動線綜合實驗、堆內構件流致振動實驗結果表明，該結構具有很好安全性和可靠性，滿足ACP100的功能需求。

關鍵詞：ACP100；堆內構件；力學分析；試驗驗證

引言

中國核動力研究設計院自主研發的模塊式多用途小型壓水堆（ACP100）采用一體化設計布置，蒸汽發生器集成安裝于反應堆壓力容器內部，主泵直接安裝在壓力容器主泵接管上，實現了反應堆冷卻劑在反應堆壓力容器內部的閉式循環。一體化布置對堆內構件提出了具體的功能要求：滿足60a的使用要求；為57組燃料組件提供可靠的支承、約束以及精確定位；為20組控制棒組件提供保護和可靠導向；為20組驅動桿提供橫向流保護；與反應堆壓力容器一并為堆內冷卻劑提供閉式循環流道，合理分配各區冷卻劑流量；屏蔽中子和γ射線，減少對反應堆壓力容器的輻照損傷和熱應力；為堆內測量儀表提供支承和導向；補償反應堆壓力容器和堆內相關設備的軸向制造誤差及熱膨脹差。ACP100反應堆一體化布置方式導致反應堆內流道復雜，由此帶來的冷卻劑流道構建、設備定位限位、堆內密封分流、驅動桿橫向流等問題，使得現有分散布置的堆內構件結構無法適用。而國內外一體化反應堆堆內構件的布置方案[1-3]，由于功能需求、布置方式、結構形式、技術成熟度等原因，均難以直接借鑒。基于上述原因，中國核動力研究設計院針對ACP100的結構特點和技術要求，開展了適用于模塊式一體化反應堆的全新堆內構件——吊籃下掛分體式堆內構件的結構設計技術研究。

1技術方案

1.1主輸入參數

ACP100堆內構件設計所需的外部輸入主參數包括設計壽命、設計溫度、設計壓差等（表1）。

1.2結構方案

在分析評價分散布置壓水堆堆內構件結構形式的基礎上，結合ACP100對堆內構件的功能要求，提出了吊籃下掛分體式堆內構件，即“下掛式吊籃組件+壓緊組件+壓緊筒組件”組合，吊籃筒體、壓緊筒筒體軸向長度相當，有效解決了蒸汽發生器內置帶來吊籃筒體過長引起的制造安裝困難等技術問題。“軸向密封+ω型密封環”組合方式實現了冷卻劑匯集、分流和密封等多種要求。“橢球流量分配器+堆芯下板”組合方式解決了堆芯流量分布的不均勻性。吊籃下掛分體式堆內構件結構由下掛分體式吊籃組件、壓緊組件、開式管束型長行程連續導向組件、壓緊筒組件、大補償量壓緊彈簧、ω型密封環等構成（圖1），高9701.5mm，最大外徑Ф3245mm，堆內構件總重約54t。（1）下掛分體式吊籃組件下掛分體式吊籃組件主要是為燃料組件提供可靠的支承、約束以及精確的定位，合理分配進入堆芯的流量。整個組件吊掛在壓力容器中部的支承臺階上，通過固定在壓力容器吊籃支承環上的定位鍵實現定位，通過設置在壓力容器筒體下端的徑向支承塊對吊籃組件實現徑向支承和假想吊籃斷裂事故下的軸向限位。吊籃組件結構由1個吊籃筒體、1個堆芯下板、1組整體式圍筒組件、1個橢球式流量分配器、114個燃料組件下定位銷及機械連接件等組成。吊籃組件法蘭外徑為2436mm，堆芯段筒體外徑為2276mm，組件總高4726.5mm。整體式圍筒組件顯著減少了緊固件使用數量，提高了吊籃組件在堆內高溫、高輻照、流致振動環境下的可靠性。橢球式流量分配器固定在堆芯下板下端面上，結構非常簡單，實現了下腔室冷卻劑在進入堆芯之前的攪混及初次流量分配。（2）壓緊組件壓緊組件對燃料組件進行壓緊限位，為控制棒導向組件提供定位和支承，并為堆內測量儀表提供導向和支承。壓緊組件結構由1個支承板、1個壓緊筒體、1個堆芯上板、14組堆內測量儀表用導向支承組件及114個燃料組件上定位銷等組成。壓緊組件法蘭外徑為2436mm，筒身外徑為2181mm，組件高2116mm。（3）開式管束型長行程連續導向組件控制棒導向組件主要是為控制棒組件提供導向及保護。開式管束型長行程連續導向組件就位于壓緊組件上，上端通過法蘭支承、下端通過定位座定位，主要由1個支承法蘭、1個定位座、1根上部半方管Ⅰ型、1根上部半方管Ⅱ型、1根下部半方管Ⅰ型、1根下部半方管Ⅱ型、4個固定板、4根45°雙孔管、4根90°雙孔管、8根C形管和56個連接定位銷、56件緊固螺釘組成，總長度為2065mm，有效導向長度為2042mm。45°雙孔管、90°雙孔管和C形管是控制棒導向零部件，其余為支承定位零部件，用連接定位銷、緊固螺釘和焊接連接，構成一個整體。組件2端為開式結構，流通截面相等，冷卻劑從底端流入，由頂端和半方管側部開孔流出。（4）壓緊筒組件壓緊筒組件主要是將壓緊彈簧的壓緊載荷傳遞給壓緊組件以壓緊吊籃組件和燃料組件。壓緊筒組件由1個壓緊筒、1個上格架板、1個下格架板、4塊格架板托塊、14組堆內測量儀表用導向支承組件、20組驅動桿保護管組件、10根熱電偶保護套管、6組堆測支承柱組件、24根導向管、24根支承管、24套導向管用固定裝置組成。壓緊筒組件法蘭外徑為3245mm，筒身外徑為2436mm，組件總高4925mm。在壓緊筒上部周向均勻布置8×36個的流水孔，經堆芯加熱后的冷卻劑由此處均勻流出，進入蒸汽發生器環腔。驅動桿保護管用于防止驅動桿過度震蕩，堆內測量儀表用導向支承組件用于對堆內測量儀表進行導向和保護。（5）大補償量壓緊彈簧大補償量壓緊彈簧主要是為堆芯部件提供足夠軸向壓緊力，同時補償堆內構件與壓力容器軸向制造公差、安裝誤差以及熱態工況下不同材料之間的熱脹差。因壓緊筒與壓力容器材料不同，在熱態運行時，兩者之間熱膨脹差值較大，大補償量壓緊彈簧要求具備較大的壓縮變形能力。大補償量壓緊彈簧為圓環狀的Z形彈簧，由鍛件整體制造而成，位于壓緊筒組件的法蘭上，由法蘭臺階面為其提供支承和限位。壓緊彈簧外徑2880mm，內徑2346mm，高96mm，設計最大可壓縮量達13mm。（6）ω型密封環ω型密封環位于吊籃組件和分流板之間，利用吊籃與壓力容器的熱脹差來軸向壓緊，實現對主泵2側冷卻劑的隔離和密封。ω型密封環結構由2個鎳基合金環管開槽組合焊接而成。密封環外徑為2331mm，自由高度60mm，最大壓縮量2mm。

1.3材料選擇

ACP100堆內構件的主體材料選用了符合RCC-M規范的Z2CN19-10（控氮）奧氏體不銹鋼，壓緊彈簧材料采用Z12CN13馬氏體不銹鋼，堆內密封環采用NC19FeNb鎳基合金。所用材料均為成熟工程應用材料，避免了使用新材料所帶來的技術風險。

2理論計算分析

堆內構件設計的安全等級為3級、抗震類別為Ⅰ類，質量保證分級為QA1級，對設計的重要結構進行了力學分析和流場分析。

2.1力學分析

在反應堆正常運行時，主要考慮下列載荷的組合：其他結構（如燃料組件及其相關組件等）施加的載荷；堆內構件自重；由支承、壓緊或約束產生的反作用力；反應堆冷卻劑流動形成的壓差載荷；地震載荷；控制棒落棒所產生的載荷；溫度效應、溫度梯度和熱脹差所引起的載荷；冷卻劑沖擊、流動引起的載荷；瞬時壓差載荷，如主冷卻劑管道破裂產生的載荷；機械振動載荷；在換料或在役檢查的準備過程或進行中所產生的操作載荷。（1）整體應力分析對壓緊彈簧、壓緊筒組件、壓緊組件、吊籃組件采用ANSYS軟件進行應力分析并采用RCC-M規范進行評定：式中，Pm為總體一次薄膜應力強度；Pb為彎曲應力強度；Sm為材料的基本許用應力強度；321++表示3個一次主應力之和。組件典型的分析結果如圖2所示，分析結果表明，堆內構件結構的整體應力水平滿足RCC-M規范的限值要求，結構安全可靠。（2）導向組件變形分析計算結果表明，導向組件的最大等效應力為48.5MPa，遠小于材料許用應力111MPa，結構的最大變形量為0.095mm（圖3），對結構導向無影響，可忽略不計。（3）壓緊彈簧特性分析熱態設計工況下，采用ANSYS計算壓緊筒與壓力容器的熱膨脹差，并得出壓緊力為2.37×106N，壓緊彈簧最大應力為384MPa（圖4），小于該材料在設計溫度下的屈服極限（514.5MPa）。（4）過盈咬合連接分析對構件之間的過盈咬合連接采用了理論公式計算和有限元計算進行對比分析。本文計算中的驗證結構為機械設計手冊[4]中第5篇第4章2.2節的圓柱面過盈連接，連接件的結合壓強Pf,max計算公式為：式中，fd為結合直徑；max為配合過盈量；Ea為包容件材料彈性模量；Ei為被包容件材料彈性模量；qa為包容件的直徑比；qi為被包容件的直徑比；av為包容件泊松比；iv為被包容件泊松比。計算得結合壓強值Pf,max=131.3MPa。根據相同尺寸建立有限元分析模型，采用非線性接觸分析，結構單元選SOLID185，接觸單元選CONTA174和TARGE170，材料參數與機械設計手冊相同。根據結構原型的對稱性，在建模時取四分之一的結構以簡化計算。計算后得到了接觸面的接觸壓強為123.013~140.311MPa（平均值約為131.6MPa）。

2.2流場分析

對橢球形下腔室結構進行建模，采用計算流體力學CFX軟件開展流場分析。由分析結果可知，橢球式流量分配器的流量分配特性相對于無任何結構的原始方案有大幅改善。歸一化處理后組件最小流量份額從75%提高至94%，組件最大流量份額從123%降至107%，流量分配趨勢匹配功率分布呈中心區域偏大、外圍區域偏小的總體趨勢，滿足熱工水力設計92%~108%要求。

3性能試驗驗證

3.1驅動線綜合試驗

進行了控制棒驅動線綜合試驗（冷態試驗、熱態試驗、抗震試驗），以驗證驅動線（含典型堆內構件樣件）設計的合理性、可靠性以及檢驗控制棒組件自由落棒的時間是否滿足安全要求。試驗前后導向組件抽插力測試基本無變化，均在5N左右，小于設計中20N要求。綜合試驗結束后對堆內構件樣件進行了檢查，所有結構完好，緊固件無松動、焊縫無裂紋，雙孔管和C形管內部無明顯磨損。

3.2堆內構件流致振動試驗

為驗證堆內構件設計的可靠性，了解各主要部件的固有振動特性、流致振動相應水平以及在反應堆運行過程是否會產生異常的振動而影響反應堆正常運行，開展了1∶2堆內構件樣件研制并完成了堆內構件流致振動特性測試和耐振試驗。振動次數超過7×106次的耐振試驗結果表明：堆內構件結構完整，無明顯形變；過盈配合連接、螺栓緊固連接狀況良好，無松動脫落；壓緊彈簧無明顯磨損。

4結論

結合ACP100反應堆一體化布置特點進行了吊籃下掛分體式堆內構件設計研究，并通過理論分析結合實驗驗證方式進行驗證，結果表明吊籃下掛分體式堆內構件設計科學合理、安全可靠，堆芯流量分配均勻，控制棒導向性能優異，整體耐振效果良好，完全滿足ACP100對堆內構件的用途要求。該研究結果可以應用于ACP100的工程施工設計。

參考文獻：

[4]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007.

作者：張宏亮 范恒 許斌 王留兵 陳訓剛 徐海波 劉曉 李浩 單位：中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室