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基于安全分析的乏燃料运输容器关键技术研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 背景及意义

1.1.1 我国核电的发展现状和前景

1.1.2 我国核电反应堆技术与燃料组件

1.1.3 我国乏燃料的运输问题

1.1.4 国内乏燃料运输容器的需求

1.2 国内外乏燃料运输容器

1.2.1 国外典型乏燃料运输容器

1.2.2 我国乏燃料运输容器

1.3 乏燃料运输容器安全分析技术的进展

1.3.1 安全分析的主要内容

1.3.2 临界、屏蔽计算

1.3.3 热工分析

1.3.4 结构强度计算与应力分析

1.4 本文的主要研究内容

第二章 容器分析设计的内容与关键技术

2.1 引言

2.2 基于安全分析的乏燃料运输容器设计

2.2.1 我国乏燃料运输容器结构形式的选择

2.2.2 乏燃料运输容器设计的内容和方法

2.2.3 容器分析设计中关键技术的提出

2.3 关键技术的解决方案

2.3.1 临界、屏蔽计算的理论与方法

2.3.2 热工计算的理论与方法

2.3.3 9m跌落的应力场分析的理论与方法

2.4 计算模型及原始参数

2.4.1 乏燃料组件参数

2.4.2 运输容器参数

2.5 本章小结

第三章 乏燃料运输容器的临界安全分析

3.1 引言

3.2 MCNP中材料参数的选取

3.3 简单体系的临界计算

3.3.1 模型的建立与程序的编制

3.3.2 计算与结果分析

3.4 容器体系的临界计算

3.4.1 模型的建立与程序的编制

3.4.2 计算与结果分析

3.5 本章小结

第四章 乏燃料运输容器的屏蔽计算与分析

4.1 引言

4.2 MCNP对于平板体系的屏蔽计算

4.2.1 试验装置的几何建模

4.2.2 放射源的说明

4.2.3 材料属性的定义

4.2.4 计数方法和通量-剂量转化因子

4.2.5 降低方差的方法

4.2.6 结果分析

4.3 容器体系的屏蔽计算

4.3.1 几何建模与简化

4.3.2 材料属性的定义

4.3.3 放射源的说明

4.3.4 计数方法

4.3.5 计算结果与分析

4.5 本章小结

第五章 乏燃料运输容器的热工计算与分析

5.1 正常运输情况下的热工分析

5.1.1 引言

5.1.2 模型的建立和网格的划分

5.1.3 材料属性的计算

5.1.4 热载荷的分析和边界条件的施加

5.1.5 结果与分析

5.2 假想事故下的温度场分析

5.2.1 引言

5.2.2 有限元模型的建立

5.2.3 计算结果与分析

5.5 本章小结

第六章 9m跌落的应力场分析

6.1 引言

6.2 跌落过程的最大减速度估算

6.2.1 减震器以及木材属性

6.2.2 最大减速度的估算

6.3 容器跌落碰撞的等效静力学模型

6.3.1 几何模型的建立与网格的划分

6.3.2 容器各部分的材料参数

6.3.3 计算载荷与边界条件

6.4 计算结果分析和应力校核

6.4.1 垂直跌落

6.4.2 水平跌落

6.4.3 角跌落

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

7.2.1 容器安全分析方面的后续研究

7.2.2 容器开发的问题和研究方向

符号说明

参考文献

在读期间科研成果

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摘要

核电作为清洁能源,是绿色发展的必然选择。核电安全已成为当前国内外研究的焦点,其中核废料的运输与处置是现存的一大技术障碍。特别是在我国,随着核电应用的快速增长,现役核电站已有大量的乏燃料急待外运和安全处置,新建和筹建核电站的废料处置也急需妥善规划,而国内在大型乏燃料运输容器设计与制造等方面仍近乎空白。因此,自主开发大容量和安全可靠的乏燃料运输容器具有十分重要的现实意义。
   本论文针对我国使用的乏燃料类型和特点,通过对国外各种大型乏燃料运输容器进行分析和比较,依据国际上乏燃料运输容器的安全规定和分析设计方法,初步提出了适合于自主开发的大型乏燃料运输容器的类型和总体结构;给出了其结构设计、选材、加工制造和安全分析等的要点;总结出基于安全分析的大型乏燃料运输容器开发的关键技术。以AFA2G型乏燃料和NAC-STC大型运输容器为实际计算分析模型,针对其中的临界安全分析、屏蔽计算、热工计算和9m跌落模拟等关键技术问题进行了详细研究,主要完成内容和获得的结论如下:
   (1)临界安全分析:先使用MCNP软件对简单体系(单个燃料棒栅元、单根燃料组件、单个燃料组件和套筒三种)在不同的235U初始富集度和不同环境(不同体积分数的水)中的临界进行计算;之后进一步对装有乏燃料的容器体系在正常运输情况和事故情况下进行了临界安全分析。发现燃料套筒中的中子吸收材料的存在可显著降低有效增殖因子Keff;容器在水下装载乏燃料时Keff最大,是临界安全分析中最危险的情况。
   (2)屏蔽计算与分析:首先使用MCNP软件对容器常用材料的板材进行了252Cf放射源的屏蔽计算,与日本试验结果进行比较,符合良好,验证了软件的适用性;之后用其对容器进行辐射屏蔽计算,分别得出正常情况下容器表面剂量场的分布和事故条件下距容器表面1m处的剂量场分布。在没有中子屏蔽层包裹的容器两端侧面处,剂量率明显较大,自主设计时,需要使用减震器对其完全包裹。
   (3)热工计算与分析:使用ANSYS对容器进行简化,建立有限元模型。对容器在正常运输情况(环境温度为38℃)下进行了稳态温度场计算;对容器在30分钟800℃火烧事故进行了瞬态分析,之后还计算分析了火烧后25小时内容器的温度场分布。由于容器表面最高温度131.73℃大于规定的可接触表面82℃,所以容器的周围需设置阻拦或者用壳或箱将其包起来。
   (4)9m跌落的应力场分析:先是基于单自由度弹簧模型,根据能量原理估算出容器在与地面碰撞过程中最大减速度不超过50g。然后使用ANSYS软件对容器进行了有限元建模,等效静力学的分析,再根据ASMEⅢ规定的应力限制对容器结构进行应力的校核。发现容器两端部区在跌落时的应力最大,减震器的冲击载荷对容器应力的分布起关键作用。两端中子吸收层的设置导致应力的集中很明显,自主设计时需特别注意。
   研究表明,本论文对上述关键技术进行了计算和分析,其方法和结论对我国设计和开发乏燃料运输容器具有较高的参考价值和一定的指导意义。

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