核乏燃料运输容器在运输过程中须在两端安装减震装置，以避免在运输途中出现跌落情况，刺穿运输容器主体边缘处，产生危害。本项目采用有限元的方法，模拟了运输容器在出现的假想条件下的刺穿情况，以NAC-STC型运输容器为例，分别从水平与垂直两个方向进行刺穿模拟，得出在减震器的作用下，可以很好的保护运输容器内部。核乏燃料运输容器减震器的刺穿试验是一项花费巨大且很困难的事情，该项目采用仿真代替试验，可以减少实验成本，加速设计优化进程，减少试验次数，是十分具有工程意义的。
1.该项目的研究意义
随着核电工业的迅猛发展，核乏燃料的产生也逐年增加，乏燃料的增加导致对核乏燃料运输容器的需求快速增长，核乏燃料的放射性活度大、衰变热大，核乏燃料运输途中出现泄露会造成极大危害。因此，核乏燃料运输容器要求有极高的安全性[1-2]。近年来，我国核电工业发展迅猛，“十三五”期间，全国核电投产约3000万千瓦以上[3]。我国核电站主要建于东部沿海地区，乏燃料的处理一般在西部内陆，为保证核乏燃料运输容器在起吊，运输过程中的安全性，须在其上下两端安置减震器[4]。核乏燃料运输容器减震器作为关键部件，起着吸收能量、控制过载和保证结构完整性的重要作用。在运输过程中，处置不当会出现跌落与刺穿的情况，本项目主要分析再出现刺穿情况下，减震器能起到的作用。我国核乏燃料的运输仍处在起步阶段，当务之急是确保大量的核乏燃料能够安全运输，减震器的保护作用尤为重要。
核装备减震填充材料的应力平台处于10-20MPa之间较为合理[5]，本项目首先制备了一种均质多孔铝基减震器，通过小尺寸试验获得了力学性能，将其材料属性应用于核乏燃料运输容器减震器上，利用有限元的方法，分析减震器在刺穿情况下对容器内部的保护作用。
2.仿真过程
乏燃料运输容器在运输途中要遵循相应的规则，常用的准则[6]为GB11806，其中包括9m跌落安全试验与1m刺穿试验。本项目主要分析1m刺穿环境下对减震器的影响。
本项目采用的模型为NAC-STC型运输容器（图1），其体积质量采用论文[7]的参数，减震器材料使用我们自制的均质多孔铝基减震器，相应的参数如表1所示。采用ansys workbench lsdyna进行仿真设计，因为容器主体几乎不受到外载荷，因此采用现弹性本构关系；减震器要承受很大的外载，出现大变形现象，在此采用Cowper Symonds piecewize linear hardening本构。
分析过程如下（流程图2），首先用solid works设计出运输容器的结构，为简化后边的分析计算，本项目中制备的运输容器主要包括三个方面，即上减震器，下减震器与中间容器主体；垂直刺穿时，下减震器的底面中间部分放置一圆台柱体模拟刺穿障碍物，水平刺穿时，下减震器圆柱面中间部分放置一圆台柱体模拟刺穿障碍物（图3）。之后将模型以.IGS格式导入workbench-lsdyna中，进行分析。首先赋予材料属性，上下减震器与中间容器主体赋予不同的材料属性，如表1；之后对材料进行接触设置，上下减震器与中间主体部分采用bonded类型接触，下减震器底端与障碍物采用frictional接触，摩擦因子值设置为0.2，仿真过程中会出现体自接触的情况，因此体接触设置为frictional类型，静/动摩擦系数均设置为0.2；之后进行网格划分，采用两种不同方式进行网格划分，验证网格无关性；下一步设置载荷约束条件，两种加载状态均为固定障碍物底端，添加重力加速度，给运输容器设置初速度加载，因为是1m刺穿加载，接触初速度为4500mm/s，
，刺穿接触时间设置为50ms[8]，一般的20ms的接触时间已足够;最后求解。
A
B
图1 NAC-STC型运输容器（A） 尺寸简图 (B)
A
B
图2 A分析流程图 B 仿真流程图
表1 材料相关参数
密度kg/m3 |
弹性模量/MPa |
泊松比 |
屈服应力 |
参数 C |
参数 P |
屈曲模量/MPa |
剪切模量/MPa |
|
均质多孔铝基减震器 |
680 |
600 |
0.3 |
15 |
0.001 |
8.7 |
500 |
230 |
容器主体 |
5000 |
2E8 |
0.3 |
1.67E8 |
7.69E7 |
A 水平刺穿
B 垂直刺穿
图3 两种刺穿状态
3.仿真结果
对模型进行不同密度的网格划分，验证网格无关性（由于计算量较大，误差控制在10%以内），获取响应结果，本项目中主要观察模型的位移量与加速度量，确保运输容器主体部分不受到外载影响。
从仿真中可以得出需要的加速度，应力以及位移结果。对于垂直方向的刺穿模型，最大的位移形变为70mm，最大的加速度为300m/s2；对于水平方向的刺穿模型，最大的位移形变为55mm，最大加速度为450m/s2，对比[9]一文，是满足减震需求的。在位移最大位置处切开模型，观察刺穿情况（垂直刺穿与水平刺穿），刺穿最大深度并未触及到运输容器主体部分，可见是安全的。
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
图4 加速度与位移曲线
A 垂直刺穿
B 水平刺穿
图5 切开模型
4.结论
用仿真的方式代替试验，分析核乏燃料运输容器在刺穿情况下的减震器的保护作用。由仿真结果可以看出减震器的存在对于运输容器在遇到水平与垂直方向的刺穿外载时可以起到很好的保护作用。用有限元的方法代替实验设计可以减小成本，加速设计时间，是值得推广的。
参考文献：
[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] 张慧.乏燃料运输市场待开启[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] 中华人民共和国生态环境部．放射性物品安全运输规程：GB 11806—2019[S].2019.
[7] 李小华, 罗雯丹. 压水堆乏燃料运输容器对工作人员的辐射剂量计算[J]. 核电子学与探测技术, 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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