NB/T 20462-2017
基本信息
标准号： NB/T 20462-2017
中文名称：压水堆乏燃料干法贮存设施热工分析
标准类别：能源标准(NB)
标准状态：现行
出版语种：简体中文
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标准分类号
关联标准
出版信息
相关单位信息
标准简介
NB/T 20462-2017.Thermal analysis of spent fuel dry storage installation for pressurized water reactor.
1范围
NB/T 20462规定了压水堆乏燃料干法贮存设施热工限值、工况分类、分析方法等。
NB/T 20462适用于压水堆乏燃料干法贮存设施的热工分析，其他堆型的乏燃料干法贮存设施的热工分析也可参考。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB 11806放射性物质安全 运输规程
NB/T 20461压水堆乏 燃料干法贮存设施设计准则
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1乏燃料spent fuel
在乏燃料贮存设施中进行操作、贮存、回取和监测活动时不再拆开的一组燃料元件。
注:可包括控制棒组件等相关组件。
3.2干法贮存dry storage
将乏燃料贮存在密封空气或惰性气体环境中的贮存方式。
3.3 乏燃料干法贮存设施spent fuel dry storage installation
乏燃料自反应堆乏燃料水池移出后，到进行后处理或作为放射性废物处理前这段时间内，用作乏燃料干法贮存的一种中间贮存设施。
3.4密封容器sealed container
一种用于装载乏燃料并提供放射性物质包容功能的容器。
3.5贮存容器silo/cask
地面式轻便或非轻便结构，含有一个或多个单独贮存腔。
注:每个贮存腔能容纳一个或多个燃料组件。屏蔽主要由钢、铸铁或混凝土等结构材料提供，通过结构屏蔽材料至大气的换热实现排热。
1范围
NB/T 20462规定了压水堆乏燃料干法贮存设施热工限值、工况分类、分析方法等。
NB/T 20462适用于压水堆乏燃料干法贮存设施的热工分析，其他堆型的乏燃料干法贮存设施的热工分析也可参考。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB 11806放射性物质安全 运输规程
NB/T 20461压水堆乏 燃料干法贮存设施设计准则
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1乏燃料spent fuel
在乏燃料贮存设施中进行操作、贮存、回取和监测活动时不再拆开的一组燃料元件。
注:可包括控制棒组件等相关组件。
3.2干法贮存dry storage
将乏燃料贮存在密封空气或惰性气体环境中的贮存方式。
3.3 乏燃料干法贮存设施spent fuel dry storage installation
乏燃料自反应堆乏燃料水池移出后，到进行后处理或作为放射性废物处理前这段时间内，用作乏燃料干法贮存的一种中间贮存设施。
3.4密封容器sealed container
一种用于装载乏燃料并提供放射性物质包容功能的容器。
3.5贮存容器silo/cask
地面式轻便或非轻便结构，含有一个或多个单独贮存腔。
注:每个贮存腔能容纳一个或多个燃料组件。屏蔽主要由钢、铸铁或混凝土等结构材料提供，通过结构屏蔽材料至大气的换热实现排热。
标准图片预览
标准内容
ICS27.120.20
备案号：59655—2017
中华人民共和国能源行业标准
NB/T20462—2017
压水堆之燃料干法贴存设施热工分析Thermal analysis of spent fuel dry storage installationforpressurizedwaterreacton
2017-04-01发布
国家能源局
2017-10-01实施
2规范性引用文件
3术语和定义.
热工分析要求Www.bzxZ.net
4.1一般要求
4.2分析工况
4.3热工限值
4.4热工分析输入
4.5密封容器压力计算
5验证
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
附录C（资料性附录）
立式混凝土筒仓贮存容器热工分析压水堆乏燃料干法贮存设施热工分析工况燃料组件等效导热系数的计算
NB/T20462—2017
NB/T20462—2017
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由能源行业核电标准化技术委员会提出。本标准由核工业标准化研究所归口。本标准起草单位：中广核工程有限公司。本标准参加起草单位：上海核工程研究设计院。本标准主要起草人：黄甲、唐琼辉、曹雷生、唐邵华、廖蓉国、戚小英、干富军、倪陈宵。II
1范围
压水堆之燃料干法贮存设施热工分析本标准规定了压水堆乏燃料干法贮存设施热工限值、工况分类、分析方法等。NB/T20462-2017
本标准适用于压水堆乏燃料干法贮存设施的热工分析，其他堆型的乏燃料干法贮存设施的热工分析也可参考。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。所有的修改单）适用于本文件。凡是不注日期的引用文件：其最新版本（包括所5放射性物质安全运输规程
GB11806
NB/T20461
3术语和定义
压水堆乏燃料法贮存设施设计准则下列术语和定义适用于本文件
乏燃料
spent fuel
在乏燃料贮存设施中进行操作、贮存、回取和监测活动时不再拆开的一组燃料元件。注：可包括控制胖组件等相关组3.2
干法贮存
dry storage
将乏燃料贮存在密封空气或情性气体环境中的贮存方式。3.3
乏燃料干法贮存设施
spentfuel dry storageinstallation乏燃料自反应堆乏燃料水池移出后，到进行后处理或作为放射性废物处理前这段时间内，用作乏燃料干法贮存的一种中间贮存设施3.4
密封容器
sealed container
种用于装载乏燃料并提供放射性物质包容功能的容器。3.5
贮存容器
silo/cask
地面式轻便或非轻便结构，含有一个或多个单独贮存腔。注：每个贮存腔能容纳一个或多个燃料组件。屏蔽主要由钢、铸铁或混凝土等结构材料提供，通过结构屏蔽材料至大气的换热实现排热。
贮存室
NB/T20462—2017
一种地上的或地下的钢筋混凝土建筑物，内有贮存腔阵列。每个贮存腔可容纳一个或多个燃料元件。贮存室的外部构筑物提供屏蔽。热量通常由贮存腔外部上空的循环空气或气体带出：随后或直接排至外部大气，或通过二次排热系统散失。4热工分析要求
4.1一般要求
4.1.1热工分析应说明乏燃料干法贮存设施的排热能力能够使乏燃料包壳峰值温度低于设计准则所规定的限值，并保证设施的热工参数不超过限值。4.1.2分析论证的方法包括试验以及数值分析，或两者并用。立式混凝土筒仓式贮存容器热工计算可参考附录A。
4.2分析工况
4.2.1乏燃料干法贮存设施应能承受I类、Ⅱ类、I类、IV类工况下的热负荷。I类、II类、II类、IV类工况的定义以及对应关系见NB/T20461中第6章。4.2.2热工分析所选取的工况以及采用的分析方法可参见附录B。4.3热工限值
4.3.1燃料包壳
4.3.1.1在长期贮存下，变是导致乏燃料包壳变形的主要因素。乏燃料包壳上较高的温度、压差及相应的环向应力将导致乏燃料包壳发生持续永久蠕变。4.3.1.2蠕变所引起的变形会随着时间推移缓慢发展并使乏燃料棒内的压力降低，乏燃料包壳温度降低也会使环向应力减小，从而减缓变的速率。由于乏燃料衰变热随时间减小，在于法贮存后期，进步的蠕变变形将微乎其微
4.3.1.3为了保证乏燃料组件的结构完整性，确保蠕变不会导致包壳破损，对于锆合金包壳，应满足以下温度限值的要求：
a）类工况下，对所有燃耗的乏燃料，包壳峰值温度不得超过400℃；b）I类工况的乏燃料短期装载和贮存操作（包括干燥、填充惰性气体以及容器转运）过程中，可能出现反复的热循环（反复加热/冷却），热循环的次数应小于10次，且每次的热循环周期中包壳温度变化幅值应低于65℃；c）II类、II类、IV类工况下，对所有燃耗的乏燃料，包壳峰值温度不得超过570℃。注：对于低燃耗燃料（指燃耗低于45GWd/U的燃料），可对I类工况的乏燃料短期装载和贮存操作（包括干燥、填充情性气体及容器转运）过程采用更高的温度限值，只要分析人员证明：对于调整后的温度限值，采用最佳估算的包壳环向应力等于或小于90MPa。如果分析人员能够证明，在570c的温度条件下采用最佳估算的包壳环向应力小于或等于90MPa，则570℃是最高温度限值。对于更高的温度限值，分析人员应提供合理充分的理由，并经过国家核安全部门的认可。4.3.2其他材料
本条规定了除乏燃料包壳以外的其他材料确定温度限值的基本要求。已有标准规定的材料可按照标准选取温度限值。对于无标准规定的材料，确定温度限值时应考虑以下要求：a）对材料的结构强度造成影响时的温度，以及处于该温度下对结构强度造成影响所需的时间；2
材料发生化学反应的温度，并对屏蔽、次临界或结构完整性造成的影响：b)
材料温度限值的不确定性而提供的保守裕量d材料在1类、Ⅱ类、ⅢI类、IV类工况下可能达到的温度。4.4热工分析输入
4.4.1乏燃料衰变热
NB/T20462-—2017
4.4.1.1计算乏燃料衰变热时，需考虑燃料初始富集度、燃耗深度、卸料后冷却时间及反应堆运行过程的影响。
4.4.1.2乏燃料产生的衰变热位于之燃料组件的有效燃料区内（即活性段区域），且应保守考虑衰变热功率沿燃料组件轴向的分布
4.4.2环境温度
热工分析时所采用的环境温度应根据乏燃料于法贮存设施所在厂址的气象条件进行选取。4.4.3环境压力
热工分析时所采用的环境压力应根据乏燃料干法贮存设施所在厂址的气象条件进行选取。随着海拔升高，大气压逐渐降低。对于依靠自然对流冷却的乏燃料干法贮存设施，气压降低会减弱空气自然对流的冷却效果。热工分析时应保守考虑厂址的海拔高度对环境压力的影向。4.4.4太阳辐射
4.4.4.1乏燃料干法贮存容器采用露天放置时，应考虑太阳辐射的影响。太阳辐射的强度应根据干法存容器所在厂趾的气象条件进行选取。在气象记录缺失时，太阳辐射强度可参考GB11806的要求。4.4.4.2由于干法贮存容器的质量和热容量较大，太阳辐射可视作平均照射值。可基于全天12h的太阳辐射，在24h量夜的基础上，
计算出平均太阳辐射值即将每天曝晒12h的爆晒量（W/m2）除以2，获得24h内的平均太阳辐射值。
4.4.5材料热物性
4.4.5.1燃料组件内的传热可采用等效导热系数的方法进行简化处理，但需证明其保守性。等效导热
系数的计算参见附录C
4.4.5.2对于材料参数及性能随温度改变而变化的部件，应评估干法贮存容器各部件所出现的温度最大值和最小值，并根据温度范围选取材料热物性。4.4.5.3对于混凝土及中子屏服材料，热工计算时应老虎材料配方和工艺对热物性的影响。4.5密封容器压力计算
热工分析需要计算密封容器内的气体压力，以保证其内压在各类工况下均满足设计限值。压力计算应遵循以下要求：
压力计算可使用理想气体状态方程，并对容器腔内各气体成分的分压进行求和：a)
压力计算应考虑容器腔的自由体积、容器腔内填充气体量（摩尔）及从破损的燃料棒中释放出的气体量：
破损的燃料棒中所释放出的填充气体和裂变气体会使容器腔内的压力增大，类工况下应假设燃料棒的破损率为1%，II类、III类工况下应假设燃料棒的破损率为10%，IV类工况下应假设燃料棒的破损率为100%：
NB/T20462-2017
d）应假设破损的燃料棒内100%填充气体和30%主要的裂变气体释放到容器腔内：e）压力计算应考虑密封容器内的温度分布。5验证
对于压水堆乏燃料干法贮存设施，可采用试验的方法对热工分析的结果进行验证。热工试验可遵循以下要求：
压水堆乏燃料干法贮存设施首批建造时，可在贮存设施内设置若干温度测点，温度测量值用于校正热工分析的计算模型和方法；b
采用缩比模型进行试验时，应保证几何相似：试验场地的环境温度和环境压力应与热工分析采用的输入保持一致，如果环境温度与环境压力存在差异，应说明此差异对试验结果的影响：如果乏燃料贮存腔或贮存容器内填充了情性气体，则试验中应填充同一种气体，并对压力值进行测量：
温度测点应涵盖燃料组件中心区域、中子吸收体、贮存容器内壁面、贮存容器外壁面、混凝土简仓内壁面、混凝土筒仓外表面、混凝土筒仓底部和顶盖等关键位置：编制试验大纲，试验大纲的内容应包括试验方案、试验人员、试验步骤，试验要求和评定标准。A.1概述
附录A
（资料性附录）
立式混凝土简仓贮存容器热工分析NB/T20462-2017
本附录选取立式混凝土筒仓购存容器为分析对象，采用计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD)进行热工分析。图A.1为简仓更存容器的结构示意图，其中金属密封容器内填充氨气，混凝土筒仓和金属密封容器的间隙为自然对流的空气通道，空气由混凝土筒仓底部的进风口流入，加热后从上部的出口风流出，形成自然对流。起吊吊耳
A.2传热机制
金属贮罐
通风孔出口
燃料导向套
混凝土
混姆土面食
金属见
图A.1立式混凝土筒仓购存容器结构示意图乏燃料干法贮存设施多采用不锈钢金属贮罐用于贮存乏燃料组件，外部通过金属或者混凝土提供放射性屏蔽，内部则通过情性气体，空气或二氧化碳等包围并冷却乏燃料组件。对于乏燃料干法贮存设施，热量通过燃料组件及内部的部件传递到表面，再经自然对流或强制对流排放至外部环境。热工分析需要考虑辐射换热，对流换热以及热传导。如图A2所示，对于立式混凝土筒仓贮存容器，需要排出的总热量包括乏燃料组件的衰变热Od和太阳辐射到贮存容器的热量Os。热量传递主要通过以下两个途径完成，其中最主要的途径是由进风口流入、从出风口流出的空气（烟肉效应）带走的热量9：另外一部分热量通过辐射和热传导传递至混凝土简仓外侧壁和项盖外表面，通过与环境的对流和辐射换热排出热量O2。这二个传热途径在热工分析中均需要加以考虑。
NB/T20462—2017
A.3几何模型
太阳辐射
热空气出口
氟气+
燃料+
燃科篮+
冷空气入口
通过辐射和自然对须将
热量排出到环境中
热空气出口
金属“罐
冷空气入口
图A.2立式混凝土筒仓购存容器散热机制示意图几何模型是热工分析的基本输入，几何建模中应遵循以下要求：采用正确的坐标和单位制；
选取合理的计算区域，选取的范围必须涵盖分析对象和相应的流动区域：b)
对几何结构进行简化时，不应改变原有的传热过程和传热机制，并确保结构简化对于热工分析是保守的；
对于燃料组件，通常可不建立包括燃料棒、控制棒导向管和中子注量率测量导管的详细三维模型，而是将整个燃料组件采用固体或多孔介质进行等效处理。燃料组件区域内的热传导和热辐射采用等效导热系数进行等效处理，详见附录C对于立式混凝土筒仓贮存容器，混凝土筒仓外表面的钢衬结构、燃料篮格架底部的支撑结构对热传导有显著影响，几何建模时应加以考虑；热工分析时应考虑密封容器内各部件之间的间隙，间隙的存在会产生气隙热阻，阻碍热传导并导致温度上升：
g）几何结构对称时，可选取1/2或1/4模型进行对称建模。A.4计算网格
CFD分析时流场被划分为大量网格，通过在网格内求解流体的控制方程，从而获得整个流场的密度、压力、速度和温度分布。
以立式混凝土筒仓贮存容器为例，混凝土筒仓和金属贮罐间的空气流道域和金属贮罐内的密闭氢气域内存在自然对流，边界层网格对计算结果的影响较大，边界层网格的无量纲壁面距离y+应根据所使用的湍流模型来确定（如k-ε模型建议y+在30～100之间）。网格单元的数量应确保能够获得计算区域内流动的准确信息，并进行网格敏感性分析以保证计算结果的可靠性。6
A.5物理模型
A.5.1计算域
NB/T20462-2017
A.5.1.1以立式混凝土简仓贮存容器为例，可将混凝土筒仓和金属贮罐之间的空气流道（以下简称空气域，见图A.3）和金属贮罐内的密闭氢气域（以下简称氨气域，见图A.4）设置为独立的流体域A.5.1.2空气域和氢气域为浮力驱动的自然对流，由于温度变化较大，建议采用理想气体状态方程描述空气和氢气的热力学状态。热工分析时应选取合理的参考压力和参考密度，以减少数值计算的误差。A.5.1.3对于燃料组件区域，采用多孔介质进行等效处理时，需要设置合理的孔隙率、渗透率和阻力系数用于计算氨气流经乏燃料组件时的压降AP热空气出口
空气域的自然对流
图A4氨气域的自然循环
热空气出
NB/T20462-2017
A.5.2流动状态
由于乏燃料组件衰变余热，空气域和氨气域的壁面上存在较大温差，从而产生密度驱动的自然对流。选取热工分析的湍流模型前，需要对计算域内的流动状态进行判定。通常可采用格拉晓夫数Gr判断自然对流的流动状态。Gr=ga,4773
式中：
一重力加速度：
体积热膨胀系数：
AT温度差：
1特征长度：
—运动黏度。
对于竖圆柱形状的空气域和氢气域Gr为1×10*～3×10°时，空气域和氢气域内的流动为层流：——Gr为3X10%～2×10l°时，空气域和氢气域内的流动为过渡流；Gr>2×10\°时，空气域和氢气域内的流动为端流。A.5.3流模型
确定空气域和氨气域的流动状态后，应选用合理的流体分析模型。空气域可采用k-模型，氨气域可采用层流模型或k-ε模型。
A.5.4辐射模型
A.5.4.1在乏燃料干法贮存设施可能出现的温度范围内，空气、氨气发射和吸收辐射的能力非常弱，可近似为热辐射的透明体。热工分析中可以忽略空气和氨气的辐射和吸收特性，并在此基础上选用合适的辐射换热模型。
A.5.4.2采用FLUENT程序计算辐射传热时可采用分散坐标模型（DiscreteOrdinates，简称DO模型）或分散传输辐射模型（DiscreteTransferRadiationModel，简称DTRM模型）：使用CFX程序计算辐射传热时可采用分散传输模型（DiscreteTransferModel,简称DTM模型）。A.5.4.3对于燃料组件区域，由于辐射传热已通过等效导热系数入加以考虑，因此不再考虑该区域内的辐射传热。
A.5.5衰变热源
热工分析时，乏燃料的衰变热作为热源设置在乏燃料组件区域内，由于乏燃料组件燃耗深度的不同每个乏燃料组件的衰变热功率可能存在差异，应根据实际装载方案确定每个乏燃料组件的衰变热功率。衰变热应设置在燃料组件的活性段区域（即燃料芯块区域），通常活性段中间区域的燃耗最大，设置衰变热时应考虑沿燃料组件轴向的功率分布。A.5.6边界条件
以立式混凝土简仓贮存容器为例，热工分析时，需设置以下的边界条件：通风孔进口，采用压力进口边界，进口压力为环境压力，进口温度为环境温度；通风孔出口，采用压力出口边界，出口压力为环境压力；8
NB/T20462-2017
混凝土筒仓顶部和侧面，综合考虑自然对流换热和辐射换热：对于自然对流换热，可采用如下的关联式：
Nu=C(GrPr)
式中：
-努塞尔数；
格拉晓夫数：
普朗特数。
对于几种典型的表面形状及其布置情况，由实验确定的常数C和n值如下表A.1所示。表A1大空间自然对流关联式的常数和n加热表面
形状与位置
竖平板及
竖圆柱
横圆柱
流动情况示意
过渡流
过波流
系数C及指数n
.（A.2)
Gr数适用范围
10°~3×10%
3×10°2×1010
>2×1010
10~5.76×103
5.76×10~4.65×10%
>4.65×10°
对于混凝土简仓底部可采用绝热边界进行保守考虑，也可设置对流换热系数，对流换热系数可按照3m厚度土壤的热传导进行等效计算。A.6求解控制
A.6.1离散格式
为保证计算精度，选择离散格式时应尽量避免使用一阶离散格式，建议采用二阶及以上精度的离散格式。如使用FLUENT时，压力项可选择二阶精度（SecondOrder）、动量项和消动能项可选择二阶迎风格式(SecondOrderUpwind)或更高精度的设置。使用CFX时，对流项和瑞流数值项可采用高精度（HighResolution）设置。
A.6.2时间步长
对于瞬态计算，应设置合理的时间步长以保证计算结果的收敛性。时间步长的选取与特征长度和特征速度相关。
以CFX为例，可按照以下方法选取时间步长。9
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备案号：59655—2017
中华人民共和国能源行业标准
NB/T20462—2017
压水堆之燃料干法贴存设施热工分析Thermal analysis of spent fuel dry storage installationforpressurizedwaterreacton
2017-04-01发布
国家能源局
2017-10-01实施
2规范性引用文件
3术语和定义.
热工分析要求Www.bzxZ.net
4.1一般要求
4.2分析工况
4.3热工限值
4.4热工分析输入
4.5密封容器压力计算
5验证
附录A（资料性附录）
附录B（资料性附录）
附录C（资料性附录）
立式混凝土筒仓贮存容器热工分析压水堆乏燃料干法贮存设施热工分析工况燃料组件等效导热系数的计算
NB/T20462—2017
NB/T20462—2017
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由能源行业核电标准化技术委员会提出。本标准由核工业标准化研究所归口。本标准起草单位：中广核工程有限公司。本标准参加起草单位：上海核工程研究设计院。本标准主要起草人：黄甲、唐琼辉、曹雷生、唐邵华、廖蓉国、戚小英、干富军、倪陈宵。II
1范围
压水堆之燃料干法贮存设施热工分析本标准规定了压水堆乏燃料干法贮存设施热工限值、工况分类、分析方法等。NB/T20462-2017
本标准适用于压水堆乏燃料干法贮存设施的热工分析，其他堆型的乏燃料干法贮存设施的热工分析也可参考。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。所有的修改单）适用于本文件。凡是不注日期的引用文件：其最新版本（包括所5放射性物质安全运输规程
GB11806
NB/T20461
3术语和定义
压水堆乏燃料法贮存设施设计准则下列术语和定义适用于本文件
乏燃料
spent fuel
在乏燃料贮存设施中进行操作、贮存、回取和监测活动时不再拆开的一组燃料元件。注：可包括控制胖组件等相关组3.2
干法贮存
dry storage
将乏燃料贮存在密封空气或情性气体环境中的贮存方式。3.3
乏燃料干法贮存设施
spentfuel dry storageinstallation乏燃料自反应堆乏燃料水池移出后，到进行后处理或作为放射性废物处理前这段时间内，用作乏燃料干法贮存的一种中间贮存设施3.4
密封容器
sealed container
种用于装载乏燃料并提供放射性物质包容功能的容器。3.5
贮存容器
silo/cask
地面式轻便或非轻便结构，含有一个或多个单独贮存腔。注：每个贮存腔能容纳一个或多个燃料组件。屏蔽主要由钢、铸铁或混凝土等结构材料提供，通过结构屏蔽材料至大气的换热实现排热。
贮存室
NB/T20462—2017
一种地上的或地下的钢筋混凝土建筑物，内有贮存腔阵列。每个贮存腔可容纳一个或多个燃料元件。贮存室的外部构筑物提供屏蔽。热量通常由贮存腔外部上空的循环空气或气体带出：随后或直接排至外部大气，或通过二次排热系统散失。4热工分析要求
4.1一般要求
4.1.1热工分析应说明乏燃料干法贮存设施的排热能力能够使乏燃料包壳峰值温度低于设计准则所规定的限值，并保证设施的热工参数不超过限值。4.1.2分析论证的方法包括试验以及数值分析，或两者并用。立式混凝土筒仓式贮存容器热工计算可参考附录A。
4.2分析工况
4.2.1乏燃料干法贮存设施应能承受I类、Ⅱ类、I类、IV类工况下的热负荷。I类、II类、II类、IV类工况的定义以及对应关系见NB/T20461中第6章。4.2.2热工分析所选取的工况以及采用的分析方法可参见附录B。4.3热工限值
4.3.1燃料包壳
4.3.1.1在长期贮存下，变是导致乏燃料包壳变形的主要因素。乏燃料包壳上较高的温度、压差及相应的环向应力将导致乏燃料包壳发生持续永久蠕变。4.3.1.2蠕变所引起的变形会随着时间推移缓慢发展并使乏燃料棒内的压力降低，乏燃料包壳温度降低也会使环向应力减小，从而减缓变的速率。由于乏燃料衰变热随时间减小，在于法贮存后期，进步的蠕变变形将微乎其微
4.3.1.3为了保证乏燃料组件的结构完整性，确保蠕变不会导致包壳破损，对于锆合金包壳，应满足以下温度限值的要求：
a）类工况下，对所有燃耗的乏燃料，包壳峰值温度不得超过400℃；b）I类工况的乏燃料短期装载和贮存操作（包括干燥、填充惰性气体以及容器转运）过程中，可能出现反复的热循环（反复加热/冷却），热循环的次数应小于10次，且每次的热循环周期中包壳温度变化幅值应低于65℃；c）II类、II类、IV类工况下，对所有燃耗的乏燃料，包壳峰值温度不得超过570℃。注：对于低燃耗燃料（指燃耗低于45GWd/U的燃料），可对I类工况的乏燃料短期装载和贮存操作（包括干燥、填充情性气体及容器转运）过程采用更高的温度限值，只要分析人员证明：对于调整后的温度限值，采用最佳估算的包壳环向应力等于或小于90MPa。如果分析人员能够证明，在570c的温度条件下采用最佳估算的包壳环向应力小于或等于90MPa，则570℃是最高温度限值。对于更高的温度限值，分析人员应提供合理充分的理由，并经过国家核安全部门的认可。4.3.2其他材料
本条规定了除乏燃料包壳以外的其他材料确定温度限值的基本要求。已有标准规定的材料可按照标准选取温度限值。对于无标准规定的材料，确定温度限值时应考虑以下要求：a）对材料的结构强度造成影响时的温度，以及处于该温度下对结构强度造成影响所需的时间；2
材料发生化学反应的温度，并对屏蔽、次临界或结构完整性造成的影响：b)
材料温度限值的不确定性而提供的保守裕量d材料在1类、Ⅱ类、ⅢI类、IV类工况下可能达到的温度。4.4热工分析输入
4.4.1乏燃料衰变热
NB/T20462-—2017
4.4.1.1计算乏燃料衰变热时，需考虑燃料初始富集度、燃耗深度、卸料后冷却时间及反应堆运行过程的影响。
4.4.1.2乏燃料产生的衰变热位于之燃料组件的有效燃料区内（即活性段区域），且应保守考虑衰变热功率沿燃料组件轴向的分布
4.4.2环境温度
热工分析时所采用的环境温度应根据乏燃料于法贮存设施所在厂址的气象条件进行选取。4.4.3环境压力
热工分析时所采用的环境压力应根据乏燃料干法贮存设施所在厂址的气象条件进行选取。随着海拔升高，大气压逐渐降低。对于依靠自然对流冷却的乏燃料干法贮存设施，气压降低会减弱空气自然对流的冷却效果。热工分析时应保守考虑厂址的海拔高度对环境压力的影向。4.4.4太阳辐射
4.4.4.1乏燃料干法贮存容器采用露天放置时，应考虑太阳辐射的影响。太阳辐射的强度应根据干法存容器所在厂趾的气象条件进行选取。在气象记录缺失时，太阳辐射强度可参考GB11806的要求。4.4.4.2由于干法贮存容器的质量和热容量较大，太阳辐射可视作平均照射值。可基于全天12h的太阳辐射，在24h量夜的基础上，
计算出平均太阳辐射值即将每天曝晒12h的爆晒量（W/m2）除以2，获得24h内的平均太阳辐射值。
4.4.5材料热物性
4.4.5.1燃料组件内的传热可采用等效导热系数的方法进行简化处理，但需证明其保守性。等效导热
系数的计算参见附录C
4.4.5.2对于材料参数及性能随温度改变而变化的部件，应评估干法贮存容器各部件所出现的温度最大值和最小值，并根据温度范围选取材料热物性。4.4.5.3对于混凝土及中子屏服材料，热工计算时应老虎材料配方和工艺对热物性的影响。4.5密封容器压力计算
热工分析需要计算密封容器内的气体压力，以保证其内压在各类工况下均满足设计限值。压力计算应遵循以下要求：
压力计算可使用理想气体状态方程，并对容器腔内各气体成分的分压进行求和：a)
压力计算应考虑容器腔的自由体积、容器腔内填充气体量（摩尔）及从破损的燃料棒中释放出的气体量：
破损的燃料棒中所释放出的填充气体和裂变气体会使容器腔内的压力增大，类工况下应假设燃料棒的破损率为1%，II类、III类工况下应假设燃料棒的破损率为10%，IV类工况下应假设燃料棒的破损率为100%：
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d）应假设破损的燃料棒内100%填充气体和30%主要的裂变气体释放到容器腔内：e）压力计算应考虑密封容器内的温度分布。5验证
对于压水堆乏燃料干法贮存设施，可采用试验的方法对热工分析的结果进行验证。热工试验可遵循以下要求：
压水堆乏燃料干法贮存设施首批建造时，可在贮存设施内设置若干温度测点，温度测量值用于校正热工分析的计算模型和方法；b
采用缩比模型进行试验时，应保证几何相似：试验场地的环境温度和环境压力应与热工分析采用的输入保持一致，如果环境温度与环境压力存在差异，应说明此差异对试验结果的影响：如果乏燃料贮存腔或贮存容器内填充了情性气体，则试验中应填充同一种气体，并对压力值进行测量：
温度测点应涵盖燃料组件中心区域、中子吸收体、贮存容器内壁面、贮存容器外壁面、混凝土简仓内壁面、混凝土筒仓外表面、混凝土筒仓底部和顶盖等关键位置：编制试验大纲，试验大纲的内容应包括试验方案、试验人员、试验步骤，试验要求和评定标准。A.1概述
附录A
（资料性附录）
立式混凝土简仓贮存容器热工分析NB/T20462-2017
本附录选取立式混凝土筒仓购存容器为分析对象，采用计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD)进行热工分析。图A.1为简仓更存容器的结构示意图，其中金属密封容器内填充氨气，混凝土筒仓和金属密封容器的间隙为自然对流的空气通道，空气由混凝土筒仓底部的进风口流入，加热后从上部的出口风流出，形成自然对流。起吊吊耳
A.2传热机制
金属贮罐
通风孔出口
燃料导向套
混凝土
混姆土面食
金属见
图A.1立式混凝土筒仓购存容器结构示意图乏燃料干法贮存设施多采用不锈钢金属贮罐用于贮存乏燃料组件，外部通过金属或者混凝土提供放射性屏蔽，内部则通过情性气体，空气或二氧化碳等包围并冷却乏燃料组件。对于乏燃料干法贮存设施，热量通过燃料组件及内部的部件传递到表面，再经自然对流或强制对流排放至外部环境。热工分析需要考虑辐射换热，对流换热以及热传导。如图A2所示，对于立式混凝土筒仓贮存容器，需要排出的总热量包括乏燃料组件的衰变热Od和太阳辐射到贮存容器的热量Os。热量传递主要通过以下两个途径完成，其中最主要的途径是由进风口流入、从出风口流出的空气（烟肉效应）带走的热量9：另外一部分热量通过辐射和热传导传递至混凝土简仓外侧壁和项盖外表面，通过与环境的对流和辐射换热排出热量O2。这二个传热途径在热工分析中均需要加以考虑。
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A.3几何模型
太阳辐射
热空气出口
氟气+
燃料+
燃科篮+
冷空气入口
通过辐射和自然对须将
热量排出到环境中
热空气出口
金属“罐
冷空气入口
图A.2立式混凝土筒仓购存容器散热机制示意图几何模型是热工分析的基本输入，几何建模中应遵循以下要求：采用正确的坐标和单位制；
选取合理的计算区域，选取的范围必须涵盖分析对象和相应的流动区域：b)
对几何结构进行简化时，不应改变原有的传热过程和传热机制，并确保结构简化对于热工分析是保守的；
对于燃料组件，通常可不建立包括燃料棒、控制棒导向管和中子注量率测量导管的详细三维模型，而是将整个燃料组件采用固体或多孔介质进行等效处理。燃料组件区域内的热传导和热辐射采用等效导热系数进行等效处理，详见附录C对于立式混凝土筒仓贮存容器，混凝土筒仓外表面的钢衬结构、燃料篮格架底部的支撑结构对热传导有显著影响，几何建模时应加以考虑；热工分析时应考虑密封容器内各部件之间的间隙，间隙的存在会产生气隙热阻，阻碍热传导并导致温度上升：
g）几何结构对称时，可选取1/2或1/4模型进行对称建模。A.4计算网格
CFD分析时流场被划分为大量网格，通过在网格内求解流体的控制方程，从而获得整个流场的密度、压力、速度和温度分布。
以立式混凝土筒仓贮存容器为例，混凝土筒仓和金属贮罐间的空气流道域和金属贮罐内的密闭氢气域内存在自然对流，边界层网格对计算结果的影响较大，边界层网格的无量纲壁面距离y+应根据所使用的湍流模型来确定（如k-ε模型建议y+在30～100之间）。网格单元的数量应确保能够获得计算区域内流动的准确信息，并进行网格敏感性分析以保证计算结果的可靠性。6
A.5物理模型
A.5.1计算域
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A.5.1.1以立式混凝土简仓贮存容器为例，可将混凝土筒仓和金属贮罐之间的空气流道（以下简称空气域，见图A.3）和金属贮罐内的密闭氢气域（以下简称氨气域，见图A.4）设置为独立的流体域A.5.1.2空气域和氢气域为浮力驱动的自然对流，由于温度变化较大，建议采用理想气体状态方程描述空气和氢气的热力学状态。热工分析时应选取合理的参考压力和参考密度，以减少数值计算的误差。A.5.1.3对于燃料组件区域，采用多孔介质进行等效处理时，需要设置合理的孔隙率、渗透率和阻力系数用于计算氨气流经乏燃料组件时的压降AP热空气出口
空气域的自然对流
图A4氨气域的自然循环
热空气出
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A.5.2流动状态
由于乏燃料组件衰变余热，空气域和氨气域的壁面上存在较大温差，从而产生密度驱动的自然对流。选取热工分析的湍流模型前，需要对计算域内的流动状态进行判定。通常可采用格拉晓夫数Gr判断自然对流的流动状态。Gr=ga,4773
式中：
一重力加速度：
体积热膨胀系数：
AT温度差：
1特征长度：
—运动黏度。
对于竖圆柱形状的空气域和氢气域Gr为1×10*～3×10°时，空气域和氢气域内的流动为层流：——Gr为3X10%～2×10l°时，空气域和氢气域内的流动为过渡流；Gr>2×10\°时，空气域和氢气域内的流动为端流。A.5.3流模型
确定空气域和氨气域的流动状态后，应选用合理的流体分析模型。空气域可采用k-模型，氨气域可采用层流模型或k-ε模型。
A.5.4辐射模型
A.5.4.1在乏燃料干法贮存设施可能出现的温度范围内，空气、氨气发射和吸收辐射的能力非常弱，可近似为热辐射的透明体。热工分析中可以忽略空气和氨气的辐射和吸收特性，并在此基础上选用合适的辐射换热模型。
A.5.4.2采用FLUENT程序计算辐射传热时可采用分散坐标模型（DiscreteOrdinates，简称DO模型）或分散传输辐射模型（DiscreteTransferRadiationModel，简称DTRM模型）：使用CFX程序计算辐射传热时可采用分散传输模型（DiscreteTransferModel,简称DTM模型）。A.5.4.3对于燃料组件区域，由于辐射传热已通过等效导热系数入加以考虑，因此不再考虑该区域内的辐射传热。
A.5.5衰变热源
热工分析时，乏燃料的衰变热作为热源设置在乏燃料组件区域内，由于乏燃料组件燃耗深度的不同每个乏燃料组件的衰变热功率可能存在差异，应根据实际装载方案确定每个乏燃料组件的衰变热功率。衰变热应设置在燃料组件的活性段区域（即燃料芯块区域），通常活性段中间区域的燃耗最大，设置衰变热时应考虑沿燃料组件轴向的功率分布。A.5.6边界条件
以立式混凝土简仓贮存容器为例，热工分析时，需设置以下的边界条件：通风孔进口，采用压力进口边界，进口压力为环境压力，进口温度为环境温度；通风孔出口，采用压力出口边界，出口压力为环境压力；8
NB/T20462-2017
混凝土筒仓顶部和侧面，综合考虑自然对流换热和辐射换热：对于自然对流换热，可采用如下的关联式：
Nu=C(GrPr)
式中：
-努塞尔数；
格拉晓夫数：
普朗特数。
对于几种典型的表面形状及其布置情况，由实验确定的常数C和n值如下表A.1所示。表A1大空间自然对流关联式的常数和n加热表面
形状与位置
竖平板及
竖圆柱
横圆柱
流动情况示意
过渡流
过波流
系数C及指数n
.（A.2)
Gr数适用范围
10°~3×10%
3×10°2×1010
>2×1010
10~5.76×103
5.76×10~4.65×10%
>4.65×10°
对于混凝土简仓底部可采用绝热边界进行保守考虑，也可设置对流换热系数，对流换热系数可按照3m厚度土壤的热传导进行等效计算。A.6求解控制
A.6.1离散格式
为保证计算精度，选择离散格式时应尽量避免使用一阶离散格式，建议采用二阶及以上精度的离散格式。如使用FLUENT时，压力项可选择二阶精度（SecondOrder）、动量项和消动能项可选择二阶迎风格式(SecondOrderUpwind)或更高精度的设置。使用CFX时，对流项和瑞流数值项可采用高精度（HighResolution）设置。
A.6.2时间步长
对于瞬态计算，应设置合理的时间步长以保证计算结果的收敛性。时间步长的选取与特征长度和特征速度相关。
以CFX为例，可按照以下方法选取时间步长。9
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