核乏燃料運輸容器在運輸過程中須在兩端安裝減震裝置，以避免在運輸途中出現跌落情況，刺穿運輸容器主體邊緣處，產生危害。本項目采用有限元的方法，模擬了運輸容器在出現的假想條件下的刺穿情況，以NAC-STC型運輸容器為例，分別從水平與垂直兩個方向進行刺穿模擬，得出在減震器的作用下，可以很好的保護運輸容器內部。核乏燃料運輸容器減震器的刺穿試驗是一項花費巨大且很困難的事情，該項目采用仿真代替試驗，可以減少實驗成本，加速設計優化進程，減少試驗次數，是十分具有工程意義的。

1.該項目的研究意義

      隨著核電工業的迅猛發展，核乏燃料的產生也逐年增加，乏燃料的增加導致對核乏燃料運輸容器的需求快速增長，核乏燃料的放射性活度大、衰變熱大，核乏燃料運輸途中出現泄露會造成極大危害。因此，核乏燃料運輸容器要求有極高的安全性^[1-2]。近年來，我國核電工業發展迅猛，“十三五”期間，全國核電投產約3000萬千瓦以上^[3]。我國核電站主要建于東部沿海地區，乏燃料的處理一般在西部內陸，為保證核乏燃料運輸容器在起吊，運輸過程中的安全性，須在其上下兩端安置減震器^[4]。核乏燃料運輸容器減震器作為關鍵部件，起著吸收能量、控制過載和保證結構完整性的重要作用。在運輸過程中，處置不當會出現跌落與刺穿的情況，本項目主要分析再出現刺穿情況下，減震器能起到的作用。我國核乏燃料的運輸仍處在起步階段，當務之急是確保大量的核乏燃料能夠安全運輸，減震器的保護作用尤為重要。

      核裝備減震填充材料的應力平臺處于10-20MPa之間較為合理^[5]，本項目首先制備了一種均質多孔鋁基減震器，通過小尺寸試驗獲得了力學性能，將其材料屬性應用于核乏燃料運輸容器減震器上，利用有限元的方法，分析減震器在刺穿情況下對容器內部的保護作用。

 

2.仿真過程

      乏燃料運輸容器在運輸途中要遵循相應的規則，常用的準則^[6]為GB11806，其中包括9m跌落安全試驗與1m刺穿試驗。本項目主要分析1m刺穿環境下對減震器的影響。

      本項目采用的模型為NAC-STC型運輸容器（圖1），其體積質量采用論文[7]的參數，減震器材料使用我們自制的均質多孔鋁基減震器，相應的參數如表1所示。采用ansys workbench lsdyna進行仿真設計，因為容器主體幾乎不受到外載荷，因此采用現彈性本構關系；減震器要承受很大的外載，出現大變形現象，在此采用Cowper Symonds piecewize linear hardening本構。

    分析過程如下（流程圖2），首先用solid works設計出運輸容器的結構，為簡化后邊的分析計算，本項目中制備的運輸容器主要包括三個方面，即上減震器，下減震器與中間容器主體；垂直刺穿時，下減震器的底面中間部分放置一圓臺柱體模擬刺穿障礙物，水平刺穿時，下減震器圓柱面中間部分放置一圓臺柱體模擬刺穿障礙物（圖3）。之后將模型以.IGS格式導入workbench-lsdyna中，進行分析。首先賦予材料屬性，上下減震器與中間容器主體賦予不同的材料屬性，如表1；之后對材料進行接觸設置，上下減震器與中間主體部分采用bonded類型接觸，下減震器底端與障礙物采用frictional接觸，摩擦因子值設置為0.2，仿真過程中會出現體自接觸的情況，因此體接觸設置為frictional類型，靜/動摩擦系數均設置為0.2；之后進行網格劃分，采用兩種不同方式進行網格劃分，驗證網格無關性；下一步設置載荷約束條件，兩種加載狀態均為固定障礙物底端，添加重力加速度，給運輸容器設置初速度加載，因為是1m刺穿加載，接觸初速度為4500mm/s，，刺穿接觸時間設置為50ms^[8]，一般的20ms的接觸時間已足夠;最后求解。

     

  

   B

 圖1 NAC-STC型運輸容器（A） 尺寸簡圖 (B)     

          

A

B

    圖2 A分析流程圖                     B 仿真流程圖

 

表1 材料相關參數

	密度kg/m3	彈性模量/MPa	泊松比	屈服應力	參數 C	參數 P	屈曲模量/MPa	剪切模量/MPa
均質多孔鋁基減震器	680	600	0.3	15	0.001	8.7	500	230
容器主體	5000	2E8	0.3				1.67E8	7.69E7

 

A 水平刺穿

B 垂直刺穿    

圖3 兩種刺穿狀態  

 

3.仿真結果

      對模型進行不同密度的網格劃分，驗證網格無關性（由于計算量較大，誤差控制在10%以內），獲取響應結果，本項目中主要觀察模型的位移量與加速度量，確保運輸容器主體部分不受到外載影響。

      從仿真中可以得出需要的加速度，應力以及位移結果。對于垂直方向的刺穿模型，最大的位移形變為70mm，最大的加速度為300m/s²；對于水平方向的刺穿模型，最大的位移形變為55mm，最大加速度為450m/s²，對比[9]一文，是滿足減震需求的。在位移最大位置處切開模型，觀察刺穿情況（垂直刺穿與水平刺穿），刺穿最大深度并未觸及到運輸容器主體部分，可見是安全的。

 

 A 垂直方向加速度                         

 B 垂直方向位移

 

C 水平方向加速度                  

D 水平方向位移

圖4 加速度與位移曲線

 

   A 垂直刺穿

B 水平刺穿

圖5 切開模型  

4.結論

      用仿真的方式代替試驗，分析核乏燃料運輸容器在刺穿情況下的減震器的保護作用。由仿真結果可以看出減震器的存在對于運輸容器在遇到水平與垂直方向的刺穿外載時可以起到很好的保護作用。用有限元的方法代替實驗設計可以減小成本，加速設計時間，是值得推廣的。

參考文獻：

[1] Jiang H , Wang J A J . Spent nuclear fuel system dynamic stability under normal conditions of transportation [J]. Nuclear Engineering and Design, 2016, 310:1-14.

[2] NEFFATI Amine, KALCK Charlotte, ISSARD Herve. Development of Innovative Solutions for High Performance Impact Limiters on Transport Casks[C].Proceedings of the 18th International Symposium on the Packaging and Transportation of Radioactive Materials, 2016.

[3] http://www.cction.com/report/202007/178530.html

[4] 張慧.乏燃料運輸市場待開啟[J].能源,2014(3):65-67.

[5] Xing Y , Yang S , Li Z , et al. Simulation and application of Bi-directional corrugated honeycomb aluminum as filling material for impact limiter of nuclear spent fuel transport cask[J]. Nuclear Engineering and Design, 2020, 361(May):110502.1-110502.13.

[6] 中華人民共和國生態環境部．放射性物品安全運輸規程：GB 11806—2019[S].2019.

[7] 李小華, 羅雯丹. 壓水堆乏燃料運輸容器對工作人員的輻射劑量計算[J]. 核電子學與探測技術, 2014.

[8] Diersch R ,  Weiss M ,  Dreier G . Investigation of the impact behaviour of wooden impact limiters[J]. Nuclear Engineering & Design, 1994, 150(2-3):341-348.

[9] Neto M M ,  Miranda C ,  Fainer G , et al. Analytical and Numerical Evaluation of the Impact Limiters Design of a Research Reactors Spent Fuel Transportation Package Half Scale Model Under 9 M Drop Tests[C]// Asme Pressure Vessels & Piping Conference. 2008.

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