張白茹 盧可可

（中國(guó)核電工程有限公司核設(shè)備所，北京100840）

0 引言

乏燃料貯存運(yùn)輸容器（以下簡(jiǎn)稱“容器”）是壓水堆乏燃料組件離堆干式貯存的關(guān)鍵設(shè)備，兼帶運(yùn)輸功能。

在正常運(yùn)輸/貯存條件下，容器熱傳導(dǎo)功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，各結(jié)構(gòu)材料的工作溫度能否在其許用限值內(nèi)，是評(píng)估容器能否穩(wěn)定執(zhí)行熱工設(shè)計(jì)功能的關(guān)鍵因素。為證明容器能夠穩(wěn)定執(zhí)行熱工性能，需采用一種熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置對(duì)容器進(jìn)行熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)了一種熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置，并對(duì)其所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及熱傳導(dǎo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并給出了驗(yàn)收準(zhǔn)則。

1 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置功能分析

熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置主要用于驗(yàn)證容器能夠穩(wěn)定執(zhí)行熱工設(shè)計(jì)功能，從而保證容器在正常貯存運(yùn)輸條件下，容器各結(jié)構(gòu)材料的工作溫度在其許用限值內(nèi)，穩(wěn)定執(zhí)行設(shè)計(jì)功能，確保材料溫度不超差、結(jié)構(gòu)功能不喪失，進(jìn)而確保容器功能不失效。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)分析

根據(jù)容器對(duì)熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置功能的要求，對(duì)熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下方面：

（1）考慮到乏燃料組件放射性很強(qiáng)，不便于用真實(shí)組件模擬，所以需要用其他裝置代替，使模擬盡可能接近真實(shí)的工況。

（2）由于在正常運(yùn)輸條件下，容器各結(jié)構(gòu)材料的工作溫度是否在其許用限值內(nèi)，是判定容器能否穩(wěn)定執(zhí)行熱工設(shè)計(jì)功能的關(guān)鍵因素，所以需要考慮如何實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，判定其是否在許用限值之內(nèi)。

（3）要驗(yàn)證容器的熱工設(shè)計(jì)功能需進(jìn)行熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。由于熱傳導(dǎo)試驗(yàn)需要在容器筒體內(nèi)部放置加熱裝置并布線，加熱管和熱電偶的導(dǎo)線需從容器蓋上引出，容器蓋不能滿足此功能，所以需要重新設(shè)計(jì)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)

根據(jù)熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置的功能和上述的設(shè)計(jì)分析，熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)分析，要完成熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，需解決衰變熱的模擬、溫度的測(cè)量以及包容邊界密封和散熱功能的驗(yàn)證。

（1）衰變熱的模擬。在貯存期間，容器內(nèi)容物會(huì)產(chǎn)生衰變熱，為了模擬衰變熱[1]，設(shè)計(jì)了加熱管組件來(lái)模擬真實(shí)的燃料組件。

加熱管組件由加熱管、定位板、支撐板組件、管組成。

加熱管采用380V管狀電加熱元件。根據(jù)燃料組件所產(chǎn)生的衰變熱等效的熱功率，選擇加熱管。

為了定位和支撐加熱管，設(shè)計(jì)了定位板和支撐板組件。

由于加熱管是一種線性熱源，為了使散熱均勻，設(shè)計(jì)了與之配合的管組件。管組件主要由管、支撐板和底板組成。

（2）溫度的測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)筒體內(nèi)腔體表面不同位置的溫度測(cè)定，實(shí)現(xiàn)筒體內(nèi)腔熱電偶與測(cè)點(diǎn)的緊密貼合，配合吊籃接口尺寸，設(shè)計(jì)了不同類型的熱電偶支架，用于將熱電偶?jí)壕o在筒體內(nèi)腔上，測(cè)定相應(yīng)位置的溫度。

（3）包容邊界密封和散熱功能的驗(yàn)證。為實(shí)現(xiàn)包容邊界的密封和驗(yàn)證其導(dǎo)熱功能，同時(shí)由于熱傳導(dǎo)試驗(yàn)需要在容器筒體內(nèi)部放置加熱裝置并布線，加熱管和熱電偶的導(dǎo)線需從容器蓋上引出，原容器蓋不能滿足此功能，因此設(shè)計(jì)了熱傳導(dǎo)試驗(yàn)專用蓋。

為了盡可能地減小熱傳導(dǎo)試驗(yàn)專用蓋的厚度，節(jié)約成本，同時(shí)保證容器內(nèi)熱效應(yīng)等效。選用了耐高溫纖維針刺毯來(lái)作為隔熱層以達(dá)到隔熱效果。

熱傳導(dǎo)試驗(yàn)專用蓋上設(shè)置了兩類管口。一類用于連接抽真空和充氦系統(tǒng)以及用于連接壓力表和真空計(jì)。另一類用于安裝航空插頭，將加熱管和熱電偶的導(dǎo)線引出，如圖1所示。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

熱傳導(dǎo)試驗(yàn)，是為了檢驗(yàn)容器作為運(yùn)輸容器用時(shí)，在正常運(yùn)輸工況下熱工設(shè)計(jì)功能能否滿足設(shè)計(jì)要求；作為貯存容器用時(shí)，在正常工況下熱工設(shè)計(jì)功能能否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 驗(yàn)收準(zhǔn)則

根據(jù)容器熱工設(shè)計(jì)特性，其驗(yàn)收準(zhǔn)則為容器各結(jié)構(gòu)的溫度不超過(guò)容器相應(yīng)位置材料的許用限值。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)施

（1）試驗(yàn)場(chǎng)地。由于試驗(yàn)要在環(huán)境溫度均勻、試驗(yàn)空間足夠的條件下進(jìn)行，為了給試驗(yàn)提供一個(gè)穩(wěn)定封閉的室內(nèi)環(huán)境。因此，要求房間內(nèi)表面面積需為容器外表面面積的50倍以上，室內(nèi)大氣溫度應(yīng)均勻且不易受室外環(huán)境影響。

（2）加熱裝置。試驗(yàn)時(shí)在吊籃的每個(gè)貯存套管中放置了電加熱管。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電加熱管熱功率的測(cè)量與調(diào)節(jié)能力，設(shè)置了加熱裝置和調(diào)壓器，加熱裝置原理如圖2所示。

圖2 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)原理圖

（3）溫度測(cè)量裝置。鑒于試驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)溫度比較高，試驗(yàn)選用耐高溫、可以實(shí)現(xiàn)溫度直接測(cè)量的熱電偶作為溫度數(shù)據(jù)測(cè)量元件[2]。

2.3.2 試驗(yàn)方案

（1）正常運(yùn)輸工況下熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。當(dāng)容器作為運(yùn)輸容器使用時(shí)，裝置臥式放置，在容器頂部和底部分別安裝上、下減震器，來(lái)模擬裝置在正常運(yùn)輸工況下的熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。

為保證數(shù)據(jù)的完整，在每個(gè)高度位置周向設(shè)置測(cè)點(diǎn)，為準(zhǔn)確估測(cè)環(huán)境溫度，并在容器周圍設(shè)置環(huán)境熱電偶，熱電偶布置示意圖如圖3所示。

圖3 運(yùn)輸工況熱電偶布置示意圖

（2）貯存工況下熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。當(dāng)容器作為貯存容器使用時(shí)，裝置立式放置（不安裝減震器），來(lái)模擬裝置在貯存工況下的熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。

為保證數(shù)據(jù)的完整，在每個(gè)高度位置周向設(shè)置測(cè)點(diǎn)，為準(zhǔn)確估測(cè)環(huán)境溫度，并在容器周圍設(shè)置環(huán)境熱電偶，熱電偶布置示意圖如圖4。

圖4 貯存工況熱電偶布置示意圖

（3）試驗(yàn)步驟。為了盡量模擬容器常規(guī)運(yùn)輸/貯存狀況下的真實(shí)工況，首先要對(duì)容器進(jìn)行抽真空，再進(jìn)行試驗(yàn)。

首先給電加熱管供電，同時(shí)監(jiān)控所有熱電偶數(shù)據(jù)和加熱器功率，并調(diào)整總加熱功率至所需數(shù)值，記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)容器達(dá)到傳熱平衡狀態(tài)后，記錄N組數(shù)據(jù)并關(guān)閉電源，讓容器自然冷卻至外表面接近室溫，結(jié)束試驗(yàn)。

（4）試驗(yàn)結(jié)果的等效修正。為了得到容器放置在正常工況中的各測(cè)量部位的等效溫度，需要對(duì)熱傳導(dǎo)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正式如下：

式中，t為環(huán)境溫度，℃；Tt，i為修正后各測(cè)量位置部件的等效溫度，℃；Ttest，En為試驗(yàn)中環(huán)境平均溫度測(cè)量值，℃；Ttest，i為各部位溫度試驗(yàn)測(cè)量值，℃；i為試驗(yàn)各部位測(cè)量序號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)乏燃料貯存運(yùn)輸容器所需具備的熱傳導(dǎo)功能設(shè)計(jì)了熱傳導(dǎo)試驗(yàn)裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從衰變熱的模擬、溫度的測(cè)量以及包容邊界密封和散熱功能的驗(yàn)證等多方面綜合考慮，可以有效地模擬乏燃料貯存運(yùn)輸容器的實(shí)際工況，同時(shí)兼顧了成本因素，材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安裝操作便利；同時(shí)，對(duì)熱傳導(dǎo)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，并給出了試驗(yàn)的驗(yàn)收準(zhǔn)則、試驗(yàn)步驟，方案明確詳細(xì)、合理可行，可以為以后類似容器提供借鑒。