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    ​【成果推介】第746期：乏燃料贮运吊篮抗震技术研究

    11小时前

    阅读(9)

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      华北电力大学正式发布《2025华北电力大学自主知识产权成果名录》，作为全景梳理年度核心技术专利、软件著作权及高质量成果培育的创新年鉴，百余项最新科技成果的前沿披露，数十支新增科研团队的创新矩阵，《名录》全面收集并整理了2024年度华北电力大学及相关机构自主研发的多项核心科技成果与创新技术，同时详细介绍了成果所涉专利的相关情况。“成果推介”将陆续公开发布成果册所收集的重点推介案例，敬请关注！


      乏燃料贮运吊篮抗震技术研究

      成果介绍

      成果参与单位 华北电力大学、中国核电工程有限公司

      成果完成人 刘雨、陆道纲、赵飞

      知识产权情况 相关专利 3 项，软件著作权 3 项

      随着“碳达峰碳中和”目标的推进，核电的装机容量和发电量逐年增加，导致乏燃料储存和处理的需求也在不断增加。目前，高密度乏燃料贮存转运和处理技术被国外公司垄断。为了打破这一技术壁垒，中国核电工程有限公司在国家国防科技工业局的支持下，开发了一种新型的乏燃料贮运吊篮，并委托项目组进行吊篮的抗震分析。由于吊篮结构细长且长期处于水下，地震时容易产生滑移、摇摆甚至倾覆，因此需要对其进行抗震性能分析。然而，吊篮的抗震分析面临两个关键挑战：一是如何计算吊篮在水下发生摇摆时的流固耦合效应，特别是在吊篮是多孔结构的情况下；二是多个吊篮之间存在非线性连接，如何准确分析这种多体系统的耦合摇摆问题。针对这两个挑战，项目组开展了一系列实验和模拟：

      1、流固耦合试验：通过实验研究吊篮在水中的流固耦合力，测量了吊篮的附加质量和附加阻尼，以提供抗震分析所需的数据。

      2、抗震试验：对单个和多个吊篮分别进行抗震试验，研究单个吊篮的摇摆运动以及多个吊篮之间的耦合摇摆行为。

      3、流固耦合模拟：通过数值计算，得到吊篮的附加质量和阻尼，并与实验结果进行验证，以推广到其他结构形式。

      4、抗震模拟：通过数值模拟，计算吊篮在地震作用下的动力响应，并与实验对比，形成了一种适用于水下多体物体的抗震分析方法。项目组最终开发了一套专门针对水下多体耦合的吊篮抗震分析方法，充分考虑了流固耦合效应、非线性连接和摩擦接触等多重非线性因素。该方法的优势在于它可以精确模拟吊篮这种细长结构在水下的摇摆响应，且计算效率较高，模拟结果与实验结果的误差控制在 15%以内。这一成果在细长结构的水下抗震分析方面具备明显的竞争优势，为国内相关技术的发展提供了重要支持。

      创新点

      1、水下摇摆结构流固耦合效应的精确计算：通过实验和数值模拟，首次实现了对细长、多孔结构吊篮在水下摇摆运动的流固耦合效应精确计算，为抗震分析提供了可靠的输入参数。

      2、多体非线性耦合分析：成功解决了多个吊篮之间的非线性连接问题，开发了一种适用于水下多体物体耦合摇摆的抗震分析方法。

      应用场景

      1、乏燃料储存：在核电站中，乏燃料需要长期安全地储存在水下。项目组开发的抗震分析方法可以精确模拟水下乏燃料贮运吊篮的摇摆和滑移行为，确保在地震等极端条件下吊篮的稳定性，从而提高乏燃料储存的安全性。

      2、水中桥墩：水中桥墩在地震作用下也会受到类似的水下流固耦合效应影响。通过应用项目组开发的抗震分析方法，可以更精确地评估桥墩在水中的摇摆和动力响应，优化桥墩的设计，增强其抗震性能，确保桥梁在极端条件下的安全稳定。

      应用领域

      1、核电站乏燃料管理：包括乏燃料储存和转运过程中吊篮的抗震性能评估，确保核安全。

      2、水下结构抗震设计：适用于桥墩、海洋平台等水下或半水下结构的抗震分析，提高其在地震条件下的稳定性。

      3、大型水下设备：用于各种复杂水下设备的抗震性能评估，如水下管道、沉箱等，确保这些设备在极端环境下的安全运行。

      市场前景

      随着全球“碳达峰碳中和”目标的推进，核能作为清洁能源的重要组成部分，其装机容量和发电量将持续增长，乏燃料的储存和管理需求也会显著增加。每 100 万千瓦核电设备容量每年约产生 21 吨乏燃料。据此测算，2021 年乏燃料产量约为 1123 吨，累计产量达到 9841 吨。然而，目前我国乏燃料的处理能力为 50 吨，处理能力远远滞后于乏燃料的增长速度。根据测算，到 2030 年和 2035 年，乏燃料年产量将分别达到 1876 吨和 2394 吨，这意味着我国至少需要建设 2 座和 3 座 800 吨的处理厂（或等量的处理能力），才能实现乏燃料产量和处理能力的平衡。预计到 2030 年，乏燃料后处理的市场规模将达到 3000 亿元，其中设备投资约为 1527 亿元；到 2035 年，乏燃料后处理市场规模将增至约 4500 亿元，其中设备投资约为 2290 亿元。乏燃料贮运吊篮作为核电站乏燃料管理的重要设备，其抗震性能直接关系到核安全。因此，具有高效精确抗震分析能力的新型吊篮技术具备广阔的市场前景。随着国内外核电站对乏燃料储存技术需求的不断增加，打破国外技术垄断、实现国产化替代，将显著降低成本并提高技术自主性。此外，水下结构抗震设计方法还可应用于桥梁、海洋平台等其他领域，具有广泛的市场应用潜力。整体而言，水下多体耦合抗震分析技术的研发与应用，将在核电、海洋工程等多个行业中产生积极的经济和社会效益，推动相关产业的高质量发展。

      应用案例

      针对乏燃料贮存吊篮的抗震需求，项目组采用了流固耦合试验、抗震试验及数值模拟的方法，成功开发了一种新型抗震分析方案。该方案可以评估吊篮在地震作用下的稳定性，极大提升了核电站乏燃料管理的安全性和可靠性。

      效益分析

      该成果的主要需求方包括国内外核电企业、水利桥梁建设公司和海洋工程公司等。这些企业在地震安全方面面临严格的监管要求，因此对于具有高效抗震性能的新技术有着强烈需求。推广应用本成果将有效提高核电站和其他水下结构在地震条件下的安全性，降低地震风险带来的潜在经济损失。同时，打破国外技术垄断并推动国产化，可以显著降低工程成本，提高技术自主性，增强我国在相关领域的国际竞争力。整体而言，水下多体耦合抗震分析技术的研发与应用，将在核电、海洋工程等多个行业中产生积极的经济和社会效益，推动相关产业的高质量发展。


    华电技术转移转化中心.jpg

    初审：祝仕鸿

    复审：刘 晓

    审核：王宏盛


    来源：华电技术转移转化中心公众号

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