研究堆燃料组件碰撞过程结构响应特性研究

刘孟龙; 王浩煜; 周毅; 朱发文; 袁攀; 黄山; 邓霜

doi:10.13832/j.jnpe.2022.03.0220

研究堆燃料组件碰撞过程结构响应特性研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.03.0220

中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610213

详细信息

作者简介:
刘孟龙（1994—），男，助理工程师，现主要从事核燃料组件相关的研究工作，E-mail: 786503798@qq.com

中图分类号: TL352
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出版历程
- 收稿日期: 2022-03-01
- 修回日期: 2022-03-16
- 刊出日期: 2022-06-07

Research on Structural Response Characteristics of Research Reactor Fuel Assembly During Collision

Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China

摘要

摘要: 对典型的研究堆燃料组件碰撞过程结构响应特性进行了数值模拟研究，分析了在碰撞过程中燃料组件应力响应特性、燃料元件定位结构的承载特征以及填充缓冲材料对燃料组件碰撞的保护效果。研究发现：在碰撞过程中燃料元件端部附近有明显的应力集中现象，增加燃料元件端部包壳长度可避免应力集中对芯体产生影响；燃料元件端部定位结构承受的载荷显著大于中部，加强端部定位结构的强度可提升燃料组件承载能力；缓冲材料在碰撞过程中对燃料组件具有良好的吸能保护功能，同时能平缓碰撞中的动能变化以及碰撞后的结构振动。
- 燃料组件 /
- 碰撞分析 /
- 研究堆 /
- 定位结构 /
- 缓冲材料
Abstract: The structural response characteristics of typical research reactor fuel assembly collision process are numerically simulated. The stress response characteristics of the fuel assembly, the bearing characteristics of the positioning structure of the fuel element and the protective effect of the filling cushion material on the collision of the fuel assembly during the collision are analyzed. It is found that there is an obvious stress concentration near the end of the fuel element during the collision, and increasing the cladding length at the end of the fuel element can avoid the effect of stress concentration on the core. The load borne by the end positioning structure of the fuel element is significantly greater than that in the middle, and strengthening the strength of the end positioning structure can improve the bearing capacity of the fuel assembly; the cushion material has a good energy absorption and protection function for the fuel assembly during the collision, and can smooth the change of kinetic energy in the collision and the structural vibration after the collision.
- Fuel assembly /
- Collision analysis /
- Research reactor /
- Positioning structure /
- Cushion material

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图 1 燃料组件几何模型

Figure 1. Geometric Model of Fuel Assembly

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图 2 燃料元件应力-应变曲线

Figure 2. Stress-Strain Curve of Fuel Element

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图 3 碰撞力时程

Figure 3. Impact Force Time History

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图 4 燃料组件最大应力位置

Figure 4. Maximum Stress Position of Fuel Assembly

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图 5 燃料元件最大应力

Figure 5. Maximum Stress of Fuel Element

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图 6 应力分布

Figure 6. Stress Distribution

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图 7 燃料元件定位结构分段编号

Figure 7. Number of Fuel Element Positioning Structure Segment　　　　　

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图 8 燃料元件定位结构载荷分布

Figure 8. Load Distribution of Fuel Element Positioning Structure　　　　　

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图 9 燃料元件下端定位结构载荷分布

Figure 9. Load Distribution of Lower End Positioning Structure of Fuel Element

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图 10 缓冲层材料应力-应变曲线

Figure 10. Stress-Strain Curve of Cushion Material

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图 11 燃料元件下端定位结构承载分布

Figure 11. Load Distribution of Lower End Positioning Structure of Fuel Element

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图 12 动能时程

Figure 12. Kinetic Energy Time History

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表 1 材料物理性能参数^[7-9]

Table 1. Physical Property Parameters of Material

材料	密度/(kg·m⁻³)	弹性模量/GPa	泊松比
材料	密度/(kg·m⁻³)	弹性模量/GPa	泊松比	6061铝合金	2800	71	0.33
304不锈钢	7850	199	0.28
燃料元件材料	4240	60.5	0.33

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表 2 Johnson-Cook本构模型参数^{[8, 10]}

Table 2. Johnson-Cook Constitutive Model Parameters

材料	A/MPa	B/MPa	n	m	C
6061铝合金	324	114	0.42	1.34	0.002
304不锈钢	454	1962	0.75	0.69	0.173

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表 3 1号燃料元件最大应力

Table 3. Maximum Stress of Fuel Element No.1

参数	初速度
参数	1 m/s	2 m/s	3 m/s
碰撞中最大应力/MPa	30.08	58.76	94.84
碰撞后最大应力/MPa	15.42	30.63	42.91
相对偏差/%	−49	−48	−55

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表 4 有无缓冲层有限元分析结果对比

Table 4. Comparison of FEA Results with or without Cushion　　　　　

工况		最大碰撞击力/N	定位结构最大应力/MPa	燃料元件最大应力/MPa
3 m/s	无缓冲	106219	191.2	98.1
	有缓冲	39582	134.6	26.8
	偏差/%	−63	−30	−73
2 m/s	无缓冲	78189	114.67	59.16
	有缓冲	24835	81.23	15.00
	偏差/%	−68	−29	−75
1 m/s	无缓冲	38897	58.6	30.3
	有缓冲	12781	42.79	8.91
	偏差/%	−67	−27	−71

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参考文献(11)

[1]	WIT H J, TSENG C C, CHENG S C. A Numerical analysis for a BWR fuel assembly drop event[J]. Journal of Nuclear Science and Technology, 2006, 43(9): 1068-1073. doi: 10.1080/18811248.2006.9711196
[2]	KIM H J, YIM J S, LEE B H, et al. Drop impact analysis of plate-type fuel assembly in research reactor[J]. Nuclear Engineering and Technology, 2014, 46(4): 529-540. doi: 10.5516/NET.09.2013.103
[3]	KIM H J, YIM J S, TAHK Y W, et al. Drop behaviors of a plate-type fuel assembly used in research reactor for a drop accident[J]. Progress in Nuclear Energy, 2019, 113: 255-262. doi: 10.1016/j.pnucene.2019.01.020
[4]	HANIFEHZADEH M, GENCTURK B, MOUSAVI R. A numerical study of spent nuclear fuel dry storage systems under extreme impact loading[J]. Engineering Structures, 2018, 161: 68-81. doi: 10.1016/j.engstruct.2018.01.068
[5]	KALININA E, AMMERMAN D, GREY C, et al. Full-scale assembly 30 cm drop test[J]. MRS Advances, 2020, 5(5): 265-274.
[6]	PETKEVICH P, ABRAMOV V, YUREMENKO V, et al. Simulation of the nuclear fuel assembly drop test with LS-Dyna[J]. Nuclear Engineering and Design, 2014, 269: 136-141. doi: 10.1016/j.nucengdes.2013.08.019
[7]	胡神阳. 6061铝合金试件的超声冲击表面强化及其组织性能基础研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2019: 26-35.
[8]	李星星. 304不锈钢本构模型参数识别研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2012: 15-27.
[9]	WANG X S, XU Y. Mechanical characterizations of the dispersion U₃Si₂-Al fuel plate with sandwich structure[J]. Applied Composite Materials, 2003, 10(3): 159-167. doi: 10.1023/A:1023978413329
[10]	OHAIL S, OHAIL S H I, KHAN M, et al. Numerical and experimental investigation of Johnson–Cook material models for aluminum (Al 6061-T6) alloy using orthogonal machining approach[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2018, 10(9): 1-14.
[11]	袁上钦,王志豪,李江,等. 基于激光烧结纳米复材的高效吸能超材料[J]. 航空制造技术,2021, 64(15): 42-51.