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        《核工業報》:護佑我國核電安全穩定發展——記我國自主研發核燃料運輸容器

        來源: 作者:胡春玫 發布時間:2018年04月25日


          一直以來,在核電發展的進程中,無論是核電站運行,還是核燃料的研發制造,各方都給予了眾多的關注,但如何將新燃料運輸到核電廠,又如何將使用過的乏燃料從核電站外運,卻鮮少被人提及。

          在我國,絕大多數核電站都位于東南沿海地區,而燃料制造廠以及正在建設中的乏燃料處理廠都坐落在西北部地區。上千里的距離,以及核燃料的特殊屬性,讓安全運輸顯得尤為重要。這不僅需要選擇一條最佳的運輸路線,更重要的是要擁有一個確保核燃料完好無損的運輸容器,才能保證核燃料運輸萬無一失。

          更為重要是,隨著核電事業的發展,核電站的不斷增加,無論是新燃料還是乏燃料運輸也急劇增加,相應地對運輸容器的需求也就大大增加,但我國卻始終沒有具有自主知識產權的大型商用核電站燃料運輸容器。

          針對核電發展需求,2009年,中國核電工程有限公司全力開啟研發設計。2011年,自主開發的CNFC-3G新燃料運輸容器研制成功,,2012年完成100臺產品供貨,成為中核集團重點科技專項中首個實現產業化發展的項目;乏燃料容器樣機制造如今業已完成,且通過了全部驗收試驗。

          核燃料運輸容器的研制填補了國內的空白,增強了中核集團在核電領域的國產化競爭能力,護佑我國核電安全穩定發展。

          新燃料運輸容器,實現科研成果產業化

          核電廠連續安全運行的過程,也是核燃料不斷“吐故納新”的過程。而一吐一納的背后,便是新、乏燃料的千里之行。這期間,核燃料運輸容器自然是必不可少的關鍵設備。而隨著我國核電事業不斷發展,對運輸容器的需求更是大大增加。 但一直以來,我國燃料運輸容器技術始終受制于人,市場被國外企業壟斷——

          新燃料運輸容器長時間依照法國運輸容器全套技術在國內制造,后因缺少支持性材料,經國家核安全局審查要求停止制造新容器。而在當時,根據核電發展的規劃步伐,運輸AFA3G燃料組件的新燃料運輸容器存在一定的缺口,急需一批新燃料運輸容器。

          乏燃料運輸容器則選擇直接購買國外產品,而直接引進的兩臺運輸M310堆型乏燃料運輸容器,每臺每次可裝運26組乏燃料組件,每臺容器每年最多可以運輸4次,兩臺容器每年最多只能夠完成208組(約96tHMU)M310堆型乏燃料組件外運工作,但根據我國發展需要,運輸能力遠遠無法滿足乏燃料外運需求。

          為了緩解國內燃料組件運輸壓力,打破國外壟斷,填補國內空白,2009年,新燃料容器研制在中國核電工程有限公司正式立項,2010年被納入中核集團重點科技專項《核燃料元件運輸容器設計制造技術》,并確定了研究任務和主要技術指標。

          大型商用核電站燃料元件運輸容器研發在國內尚屬首次,難度之大,挑戰之多,不言自明。為了確保研制任務的完成,工程公司隨即組建了容器研制項目組,組織了一批在工藝、結構、力學、熱工、臨界、屏蔽、材料、焊接等多個專業的優秀人才攻堅克難,對試驗容器的結構、力學、臨界、屏蔽、熱工等反復分析計算、優化設計,并開展了大量試驗驗證工作,確保燃料容器安全。

          經過工程公司團隊的共同努力,2011年10月,核電工程公司取得國家核安全局頒發的《CNFC-3G新燃料運輸容器設計批準書》。自主研制的CNFC-3G新燃料運輸容器是國內唯一完全滿足相關要求的核電站用AFA3G型新燃料組件的運輸容器。而新燃料元件運輸容器是中核集團實施重點科技專項以來首個實施科研成果產業化的重大項目。

          乏燃料運輸容器,打通所有關節,實現自主研發

          如果說,新燃料運輸容器的研發要做到確保組件的次臨界安全和順利接收,事故條件下的防沖擊。那么,乏燃料運輸容器的研發設計更是難上加難。

          乏燃料除需要確保次臨界安全外,因其具有放射性和衰變熱,所以要保證正常運輸工況和運輸中事故工況下的安全更是難上加難。為達到安全運輸的目的,容器中需要中子吸收材料保證次臨界安全,乏燃料運輸容器需具有足夠的屏蔽厚度和適當的屏蔽材料來屏蔽γ輻射和中子輻射,要具有良好的散熱結構,以便及時將衰變熱導出,防止組件包殼的溫度過高;同時要能夠有效地阻擋外部熱量的傳入,以使容器能夠在半小時持續800度高溫條件下確保安全。除此以外,容器還要具備吸收沖擊的減震結構,能夠確保在9米跌落和1米貫穿的條件下,保持容器的包容完整,以及保持容器能夠滿足設計功能。難度之大不難想象。為了實現這些目標,容器最后被設計成長約7米、重達100噸的“龐然大物”,對研發人員是巨大的挑戰。

          為了確保容器安全,自2010年啟動乏燃料容器研發,3年半間,工程公司研發人員在容器設計方面——標準選用、材料選擇、結構設計、理論分析、試驗驗證等方面做了大量工作。

          “設計的工作量非常大,其中一個跌落姿態的計算,僅計算機就需要24小時不停地運行計算一個星期?!惫こ坦救剂先萜餮邪l項目負責人王慶說。

          而為了確保容器設計的保守性,確保使用中的安全,工程公司采用國際通用做法——比例模型容器力學試驗?!皣H通常采用1:4比例模型,而為了更接近原型容器、對比更加準確,我們的研發團隊設計了1:3比例模型容器,來驗證力學計算模型及其參數的選取是否合理有效?!蓖鯌c說。

          2013年5月20日,中國工程物理研究院的試驗平臺前人頭攢動,在這里即將開始乏燃料比例模型容器9米跌落試驗和1米貫穿試驗。國家核安全局、機械科學研究總院、中核集團等單位的相關領導人員無不凝神屏氣,期待試驗結果。試驗數據表明,計算結果與試驗結果吻合,達到了預期目標

          事實上,乏燃料運輸容器設計不僅包括多個專業的分析計算、各種試驗,還包括三種特殊材料的選取和研制:減震器中的減震材料——木材;吊籃貯存套管內部的中子吸收材料;容器頂部、底部和外部周向的中子屏蔽材料。

          減震器是運輸中事故工況下吸收沖擊能量,保護組件和容器安全的重要部件,其減震效果直接影響容器的安全。為了可以尋找到有效的木材,工程公司燃料容器項目組廣撒網,開展了大量咨詢調研工作,與合作單位經過對數十種木材的篩選,最終找到了力學性能適合容器減震器使用的樹種,滿足設計要求。

          而中子吸收材料國際市場價格昂貴,中子屏蔽材料更是難以采購,為此,工程公司聯合外部研究設計院共同開發了滿足設計要求的中子吸收材料和中子屏蔽材料,填補了國內空白。

          短短幾年間,工程公司研發人員攻克了一個又一個困難,實現了一個又一個節點。今年年初,乏燃料運輸容器樣機制造完成,并完成了所有驗收試驗。

          這是我國第一臺具有自主知識產權的、采用國內標準、大部分材料采用國產材料、由國內制造廠加工制造的大型商用核電站乏燃料運輸容器樣機,其順利研發,打通所有節點,對于推進我國乏燃料運輸容器國產化發展意義重大,研發團隊的成員都期待它能早日實現產業化。

          文/中核集團新聞中心 胡春玫

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