【摘 要】本文的主要研究内容是以核燃料组件运输容器为研究对象，开展符合相关技术要求的可靠性研究，完成核燃料组件运输容器可靠性设计、有限元仿真分析验证、制定核燃料组件运输容器可靠性设计规范，确保核燃料组件运输容器满足GB11806《放射性物质安全运输规定》等相关技术要求。
【关键词】燃料；容器；可靠性
0 引言
随着我国民用核领域的快速发展，核核燃料组件的运输数量和品种不断增加，对核燃料组件运输容器的需求将不断扩大，由于核核燃料组件运输属于高敏感、高风险的放射性物质运输，不仅影响环境安全、公众健康，也影响到国家安全和形象，以至影响整个核能开发和核技术的健康发展。我国关于放射性物质运输已经制定了一些相关法规和标准，其中以GB11806《放射性物质安全运输规程》为主要依据。
国内核电站目前主要采用进口核燃料组件运输容器来运输新核燃料组件，例如田湾核电站采用俄罗斯设计和制造的核燃料组件运输容器，大压湾核电站采用法国设计的核燃料组件运输容器，尚未见到国内研发成功具有自主知识产权的核燃料组件运输容器的报道。
1 研究目标
本文的研究目的是以核燃料组件运输容器为研究对象，开展可靠性研究，在研究过程中运用可靠性技术挖掘和确定隐患和薄弱环节，并采取设计预防和设计改进措施有效地消除隐患和薄弱环节，从而提高运输容器的安全可靠性。
本文的主要目标是以已经开展的核燃料组件运输容器原理样机设计及试验为基础，开展运输容器的可靠性研究、建立起可靠性模型，并通过对运输容器遭受的9m自由跌落试验及600℃耐热试验进行有限元建模及分析，将分析结果与运输容器原理样机试验结果进行对比论证和分析，验证运输容器有限元模型的正确性和可靠性，建立起一套完善的、科学的核燃料组件运输容器可靠性设计规范，并在可靠性研究及有限元分析优化的基础上完成核燃料组件运输容器优化三维数字虚拟样机设计。
2 技术指标
2.1 核燃料组件运输容器可靠性研究
建立核燃料组件运输容器可靠性模型，完成FMECA和FTA分析，制订核燃料组件运输容器可靠性设计规范，建立一种运输容器减震装置的可靠性定量评估方法。
2.2 完成9m跌落试验及600℃火烧试验的仿真分析
采用有限元分析技术完成对核燃料组件运输容器9m跌落试验及600℃火烧试验的仿真验证，通过比对分析运输容器原理样机的试验结果验证其正确性，再此基础上利用有限元分析技术完成运输容器的设计优化。
2.3 提供核燃料组件运输容器优化三维数字虚拟样机
3 技术难点
3.1 核燃料组件运输容器可靠性模型建立
由于国内目前尚无新核燃料组件运输容器的可靠性设计规范，所以可靠性模型数据来源少，同时又涉及材料、结构、力学、热工等多种学科知识，因此核燃料组件运输容器可靠性模型的建立，存在一定难度。
3.2 有限元仿真分析验证
目前自由跌落试验的有限元仿真分析结果普遍存在精度不高的问题，由于运输容器结构较为复杂，且存在接触及非线性问题，如何实现9m跌落及600℃耐热试验有限元仿真模型建立，并保证仿真分析的结果与试验结果相一致在技术上存在一定的困难，是本文需开展攻关的技术难点。
4 研究内容
4.1 可靠性设计与分析
运输容器可靠性设计与分析的主要内容是进行故障模式影响及危害分析（FMEFA）、故障树分析（FTA），建立可靠性模型，制订可靠性设计准则。
4.1.1 开展故障模式、影响及危害性分析（FMECA）；
针对运输容器的结构特点、功能要求和使用工况，建立可靠性框图及基本可靠性模型。采用FMECA可靠性评价分析技术，对运输容器各组成单元可能发生的各种失效模式对设备功能的影响及其危害程度的分析，尽早发现问题、及时采取对策、改进设计，以保证产品的可靠性。
4.1.2 故障树分析（FTA）
利用FTA可靠性评价分析技术，对可能造成运输容器失效的各种因素（包括硬件、软件 、环境、人为因素等）进行分析，确定薄弱环节和关键零部件，建立逻辑框图（即故障树），并加以简化，从而确定运输容器失效原因的各种可能组合方式，建立故障树数学模型，进行故障树的定性分析；通过计算顶事件的概率，进行故障树的定量分析。根据FTA分析结果，开展影响运输容器寿命的关键因素（如结构尺寸、减震参数、材料性能、使用工况等）分析，结合工程设计、制造、试验及使用经验，分析各关键影响因素的分布规律。
4.1.3 运输容器寿命仿真计算及分布特征分析研究
在已掌握寿命影响因素分布规律基础上，为了对运输容器进行可靠性分析，需要对运输容器进行可靠性建模，确定运输容器可靠性框图及计算运输容器可靠性的概率表达式（数学模型）。运输容器可靠性模型是一个串联模型，其详细程序应达到产品规定的分析层次，以获得可以利用的信息。应用蒙特卡罗方法随机给定运输容器寿命关键影响因素变量值，考虑疲劳、应力-强度等因素，首先应用有限元仿真软件计算不同参数状态下运输容器关键零部件的寿命，进而给出运输容器的寿命，并分析运输容器寿命的分布特征。
4.1.4 制定可靠性设计准则
从运输容器可靠性角度出发，通过开展故障模式、影响及危害性分析（FMECA）及故障树分析（FTA），并在进行运输容器寿命仿真计算及分布特征分析研究的基础上，结合已有的、相似产品的工程经验，制定出运输容器系统化、规范化的可靠性设计规范。
4.2 有限元仿真分析验证
运输容器经受的9m跌落及600℃火烧事故工况，通常采用试验的方法对其性能进行验证，但由于试样不可复用及试验经费高，难以对运输容器进行充分的试验，由试验获得的数据难以全面反映运输容器的整体性能。为建立运输容器的优化设计方法，提高运输容器的可靠性，本课题拟建立9m跌落及600℃火烧试验的有限元仿真分析模型，采用核燃料组件运输容器原理样机的试验结果对其进行对比验证。采用经验证后的仿真分析方法对运输容器进行结构及相关参数优化，减少试验成本，提高产品的可靠性。
9m跌落试验采用三维建模软件Solidworks建立运输容器工程样机的三维模型（如图1所示），通过ANSYS/LS-DYNA软件建立9m自由跌落的分析模型，600℃耐热试验采用计算力学通用软件ANSYS进行建模及分析。采用有限元分析的手段验证运输容器结构设计的可靠性，保证运输容器即使的事故工况下其结构完整性也不被破坏，以保证核燃料组件不会因运输容器结构强度不足而造成放射性物质的泄露。
4.3 虚拟样机设计
根据可靠性分析和设计、有限元仿真分析验证结果完成核燃料组件运输容器的优化三维数字虚拟样机设计。
4.4 运输容器影响寿命关键因素的试验研究
根据运输容器使用状况及核燃料组件的运输要求，运输容器各部件在正常运输工况下应承受不小于4g的冲击，根据运输容器的结构及使用环境，运输容器中对冲击反映最敏感的零部件应为运输容器减震装置，它在运输过程中不断受到交变应力的作用，存在一定的疲劳失效的概率。为保证运输容器在设计寿命内运输的可靠性，需要对运输容器减震装置寿命开展试验研究，针对运输容器寿命关键影响因素（如钢丝绳减震器参数、运行条件等），制造运输容器减震装置试验件，开展模拟不同路况及加速度变量值情况下的震动试验，获取寿命试验数据。
根据所得寿命试验数据，结合寿命仿真计算结果，建立一种运输容器减震装置的可靠性定量评估方法，并采用该方法对运输容器的寿命进行计算分析。
5 经济与社会效益
本文研究成果可直接应用于核电站反应堆核燃料组件运输容器的研制，为核燃料组件运输容器的优化与工程设计奠定技术基础；其9m跌落及600℃火烧有限元分析技术的建立及应用，为后续新研制运输容器提供了事故仿真试验的模拟平台，可大幅减少试验样机的需求量及试验费用；通过运输容器影响寿命关键因素的试验研究，建立一种运输容器减震装置的可靠性定量评估方法，可定量评估运输容器的寿命，为运输容器可靠性的提高及改进提供了实现手段。目前国内还未开发出具有完全自主知识产权的燃料运输容器，作为燃料运输过程中的必备设备，随着未来核电需求的不断扩大，未来中国需要数百台新型核燃料组件运输容器，因此本文的研究成果具有较广泛的经济效益和社会效益。
【参考文献】
[1]孙喜云，许明霞，王维善，吴浩.放射性物质安全运输规程GB11806-2004[S].国家环保总局核安全中心和核工业第二研究设计院，2004：1-30.
[2]温正，张文电，等.ANSYS有限元分析权威指南[M].1版.北京：机械工业出版社，2013：71-75.
[责任编辑：杨玉洁]