随着我国核电装机容量的增加,预计2020年我国大陆在运压水堆的核电装机容量将达到9000万千瓦,对应卸出的乏燃料将达到7000吨以上。其中,秦山、田湾、中核404有限公司和岭澳等核电站乏燃料水池已于2019年满容或接近满容。由于我国的乏燃料后处理能力滞后、运输能力不足和离堆贮存设施短缺等问题,乏燃料采用现场卧式贮存具有非常重要的意义。该方法的热工安全分析和优化后的乏燃料贮存设施是需要通过国内审查。经过湿法贮存和干法贮存两种方案的比较,混凝土模块干法贮存具有模块化贮存、运行费用低、放射性废物少和抵抗事故能力更强的优点。本论文首先阐述了卧式干法贮存的工艺流程及相关的法规标准。将国内引进的NUHOMS卧式乏燃料干法贮存系统进行优化改进设计干法贮存系统一共有三大主要设备,分别为混凝土模块、转运容器和燃料贮罐,目前已经优化改进的设备有转运容器和燃料贮罐。本文针对此三大主要设备开展了正常、偏离正常、事故贮存工况以及垂直装载和事故转运工况下的热工安全分析,验证三大设备符合相关的法规标准。通过与ORANO安全分析审评报告进行比对,论证了本文建模与计算结果的合理性。最后针对关键设计和工况开展了工艺参数论证与分析,提出合理优化建议。采用CFD方法对NUHOMS混凝土模块贮存工况进行模拟分析,结果表明混凝土模块在正常和各事故工况下混凝土及各部件温度均不超过法规标准限值,符合热工安全的评估标准。与ORANO的混凝土模块结果的主要差异在于:正常、偏离正常、事故环境温度工况下混凝土模块和燃料贮罐表面温度偏低,特别是混凝土材料的温度。这个温度差异在通风口全堵塞40小时事故工况更加明显,分析认为这是因为ORANO分析报告的工况假设了混凝土模块长期暴露在太阳的暴晒下,与国内乏燃料干贮场址普遍采用了乏燃料厂房的实际情况不同。由于转运过程是一个工况较多且复杂的过程,本文针对转运容器着重于分析垂直装载和事故转运工况的热工分析。从众多短期操作工艺过程中梳理包络工况,即将水夹套失水作为包络其他事故工况开展事故工况下的热工安全分析。采用ANSYS对改进的转运容器进行模拟分析。由于改进的转运容器与NUHOMS转运容器相比辐射屏蔽效果更好,散热效果要略差,但是装载,转运和事故工况下各部件的温度场均不超过法规标准限值。后续转运容器应增加水夹套竖直支撑板数量或填充导热性能更好的气体来提高导热性能。本文采用CFD模拟贮存和转运工况下燃料贮罐内部燃料组件和其他部件的温度,基本设置包括:混凝土模块和转运容器得到的燃料贮罐表面温度作为燃料贮罐内部详细模型的壁面边界条件;燃料组件的发热量采用分段函数包络正常发热功率曲线;燃料组件的等效物性参数通过FLUENT的多孔介质模型模拟得到。分析表明:燃料包壳的温度不超过事故工况下的最高温度570℃;其它部件温度也不超过各部件材料的允许温度限值。在此基础上,结合乏燃料在转入干法贮存之前的发热功率,设置多组典型装载方案,对装载方案对卧式乏燃料设施的散热性能开展影响性分析。本文的改进燃料贮罐要比NUHOMS燃料贮罐的散热效果更好。改进燃料贮罐的模拟为更多新材料分研发和使用以及采用一体化燃料格架设计提供理论指导。