ارزیابی ایمنی کسک سربی انتقال سوخت و مواد ساختاری تابش‌دیده در شرایط حادثه سقوط با شبیه‌سازی ANSYS

نوع مقاله : مقاله فنی

نویسندگان

1 ﭘﮋوﻫﺸﮑﺪه رآﮐﺘﻮر و اﯾﻤﻨﯽ ﻫﺴﺘﻪای، ﭘﮋوﻫﺸﮕﺎه ﻋﻠﻮم و ﻓﻨﻮن ﻫﺴﺘﻪای، ﺳﺎزﻣﺎن اﻧﺮژی اﺗﻤﯽ اﯾﺮان، ﺻﻨﺪوق ﭘﺴﺘﯽ: 51113-14399، ﺗﻬﺮان- اﯾﺮان

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، صندوق پستی: 1458889694، تهران - ایران

چکیده
ارزیابی رفتار تابشی سوخت‌‌ هسته‌ای و مواد ساختاری، با انجام آزمون‌های پس از پرتودهی در مکان هات‌سل انجام می‌شود. یکی از چالش‌های پیش‌روی انجام این آزمون‌ها، انتقال ایمن کسک حاوی سوخت‌های هسته‌ای و مواد ساختاری تابش‌دیده، از رآکتور تا هات‌سل می‌باشد. از این‌رو در این مطالعه، ارزیابی ایمنی کسک سربی انتقالی برای یک صفحه سوخت رآکتور تحقیقاتی، غلاف سوخت زیرکونیمی به همراه قرص‌های سوخت اکسیدی (UO2) در مقابل رخداد حادثه سقوط با آنالیز المان محدود با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌ساز ANSYS انجام شد. حادثه سقوط کسک از ارتفاع 9 متری و برخورد آن به‌صورت عمودی، افقی و مایل از مرسوم‌ترین حوادث تعریف‌شده در استاندارد ایمنی شماره 6 سازمان بین‌المللی انرژی اتمی (SSR-6) می‌باشد. در این مطالعه، تنش تسلیم مواد داخل کسک از مراجع استخراج شد و با تنش بیشینه حاصل از نتایج شبیه‌سازی مقایسه شد. ازاین‌رو حد پذیرش ایمنی پس از حادثه به‌صورت تعیین ضریب ایمنی برای هر جزء درون کسک ارائه شد. نتایج شبیه‌سازی ANSYS نشان داد محتوی کسک با رخداد حادثه سقوط 9 متری به‌­خصوص سقوط عمودی و افقی دچار آسیب جدی می‌شوند. بنابراین اقدام اصلاحی با تعبیه ضربه‌گیر از جنس فوم پلی‌یورتان در زیر و کناره‌های کسک انجام شد. در نهایت شبیه‌سازی مجدد با حضور ضربه‌گیر نشان‌دهنده پذیرش ایمنی کسک در مقابل حادثه سقوط بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Safety assessment of the lead cask transfer of irradiated fuel and structural materials in drop accident conditions using ANSYS simulation

نویسندگان English

R. Gostariani 1
N. Eqra 2
J. Dabiri 1
1 Reactor and Nuclear Safety Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.BOX: 14399-51113, Tehran – Iran
2 School of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, P.O.Box: 1458889694, Tehran – Iran
چکیده English

The assessment of the irradiation behavior of nuclear fuel and structural materials is carried out by conducting post-irradiation examination at the hot cell facility. One of the challenges in performing this examination is the safe transfer of cask containing irradiated nuclear fuel and structural materials from the reactor to the hot cell. Therefore, in this study, the safety assessment of the lead cask transfer of a fuel plate, a zirconium fuel cladding, and oxide fuel pellets (UO2) against the drop accident was conducted using finite element analysis with ANSYS software. The drop of the cask from a height of 9 meters in vertical, horizontal, and inclined directions is one of the most common accidents defined in IAEA Safety Standards No. 6 (SSR-6). In this study, the yield stress of the materials inside the cask was extracted from the references and compared with the maximum stress resulting from the finite element simulation results. Therefore, the safety acceptance limit after an accident was presented as determining the safety factor for each component inside the cask. The simulation results showed that the cask contents are particularly susceptible to serious damage in the drop accident of a 9-meter, especially vertical and horizontal drop. Therefore, a corrective action was taken by incorporating a shock absorber made of polyurethane foam under and around the cask. Finally, a re-simulation with the presence of the shock absorber demonstrated the safety acceptance of the cask against the drop accident.

کلیدواژه‌ها English

Nuclear fuel transfer cask
Irradiated structural materials
Safety assessment
9-meter drop accident
ANSYS software
  1. Bhandekar A, Pandit K, Dhotre M, Nagaraju P, Rath B, Mishra P, Kumar S, Dubey J.S, Mallik G.K, Singh J.L. New Hot Cell Facility for Post Irradiation Examination. BARe. 2015;19.

 

  1. Cole J.I, Jue J-F, Moore G.A. Fuel Design and Fabrication: Research Reactor Fuel. Idaho National Lab.(INL), Idaho Falls, ID (United States). 2021.

 

  1. Durazzo M, Umbehaun P, Torres W, Souza J, Silva D, Andrade D. Procedures for manufacturing an instrumented nuclear fuel element. Progress in Nuclear Energy. 2019;113:166-174.

 

  1. Lyons M, Boyle R, Davies J, Hazel V, Rowland T. UO2 properties affecting performance. Nuclear Engineering and Design. 1972;21(2):167-199.

 

  1. Alfa S, Nazar R, Sulaksono S, Fitriana R, Nagara N. Editors. Transfer cask design for plate type fuel elements of the Bandung Conversion Reactor. AIP Conference Proceedings. AIP Publishing. 2019.

 

  1. Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material. Vienna: International Atomic Energy Agency. 2018.

 

  1. Kim K-S, Chung S-H, Kim J-S, Choi K-S, Yun H-D. Demonstration of structural performance of IP-2 packages by advanced analytical simulation and full-scale drop test. Nuclear engineering and design. 2010;240(3):639-655.

 

  1. Saito Y, Kishimoto J, Matsuoka T, Tamaki H, Kitada A. Containment integrity evaluation of MSF-type cask for interim storage and transport of PWR spent fuel. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2014;117:33-41.

 

  1. Hao Y, Wang J, Li Y, Wu B, Wang H, Ma T. Editors. Study on the structural evaluation and optimization of spent nuclear fuel cask. International Conference on Nuclear Engineering. American Society of Mechanical Engineers. 2021.

 

  1. Hao Y, Wang J, Wu B, Ma T, Wang H, Liu B. Study on the most severe condition for structural assessment of nuclear fuel transport package under impact loading. Progress in Nuclear Energy. 2022;153:104447.

 

  1. Kim S-P, Kim J, Sohn D, Kwon H, Shin M. Stress-based vs. Strain-based safety evaluations of spent nuclear fuel transport casks in energy-limited events. Nuclear Engineering and Design. 2019;355:110324.

 

  1. Rezaeian M, Kamali J, Ahmadi S.J. Thermal Evaluation of a Dual Purpose Cask for Bushehr Nuclear Reactor Spent Fuels Under Normal Conditions. J. of Nucl Sci. and Tech. 219;87(1):81-88 [In Persian].

 

  1. Sedigh Y, Azimfar S.A. Safety Analysis of Spent Fuel Transportation Cask of Bushehr Nuclear Power Plant through the Passing of Fire Tunnel with ANSYS®10.0. J. of Nucl Sci. and Tech. 2009;30(1):57-61 [In Persian].

 

  1. Wang X-S, Xu Y. Mechanical characterizations of the dispersion U3Si2-Al fuel plate with sandwich structure. Applied Composite Materials. 2003;10(3):159-167.

 

  1. Sengupta A.K, Bhagat R.K, Jarvis T, Banerjee J, Kutty T.R.G, Ravi K, D'Souza O.L, Keswani R, Nair M.R, Ramachandran R, Purusnotham D.S.C. Some important properties of simulated UO2 fuel. 1999.

 

  1. Rosinger H, Northwood D. The elastic properties of zirconium alloy fuel cladding and pressure tubing materials. Journal of Nuclear Materials. 1979;79(1):170-179.

 

  1. Hammad A, El-Mashri S, Nasr M. Mechanical properties of the Zr-1% Nb alloy at elevated temperatures. Journal of nuclear materials. 1992;186(2):166-176.

 

  1. Ding F, Liu T, Zhang H, Liu L, Li Y. Stress‐strain curves for polyurethane elastomers: A statistical assessment of constitutive models. Journal of Applied Polymer Science. 2021;138(39):51269.

 

  1. Wellman G. Transportation system impact limiter design using rigid polyurethane foam. Sandia National Labs. 1985.

 

  1. https://www.matweb.com/. Materials Properties Data.