液氫濺射到冷中子源真空筒內(nèi)壁的熱應(yīng)力分析

胡春明

(中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049)

反應(yīng)堆冷中子源(CNS, cold neutron source)是將反應(yīng)堆的熱中子轉(zhuǎn)換為0.1–5 meV中子的特殊裝置[1,2]。反應(yīng)堆CNS主要包括慢化中子的氫循環(huán)系統(tǒng)、冷卻氫的氦制冷循環(huán)系統(tǒng)，及安全輔助系統(tǒng)。

冷源氫回路主體部分安裝于反應(yīng)堆重水箱的一根支撐管內(nèi)的真空筒(Vacuum containment)中，見(jiàn)圖1。真空筒作用有兩點(diǎn)：一是在冷中子源正常工作時(shí)，保證低溫條件下氫熱虹吸回路和周?chē)h(huán)境間的真空絕熱條件；以及充當(dāng)CNS氫熱虹吸回路和反應(yīng)堆堆芯間的安全屏障，確保氫回路任何可能發(fā)生的事故都不會(huì)對(duì)反應(yīng)堆堆芯安全構(gòu)成威脅。因此，真空筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能否滿(mǎn)足需要，不僅關(guān)系到冷中子源本身安全，更可能涉及到反應(yīng)堆的安全。

圖1 冷中子源在反應(yīng)堆內(nèi)安裝示意圖Fig.1 Installation of in-pile assembly of CNS.

CNS正常運(yùn)行時(shí)，真空筒壁溫為～320 K，而熱虹吸回路內(nèi)液氫溫度為～16 K，若此時(shí)熱虹吸回路發(fā)生破裂，尤其是慢化劑室破裂，低溫液氫將直接濺射到真空筒內(nèi)壁上，會(huì)在真空筒濺射點(diǎn)周?chē)植繀^(qū)域產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，最大熱應(yīng)力若超過(guò)材料的應(yīng)力限值，將危及真空筒的結(jié)構(gòu)完整性，對(duì)CNS裝置本身及其周?chē)姆磻?yīng)堆結(jié)構(gòu)物的安全構(gòu)成威脅。因此，對(duì)液氫濺射到CNS真空筒內(nèi)壁的假設(shè)事故進(jìn)行熱應(yīng)力分析，是 CNS裝置安全分析的重要內(nèi)容之一。

1 應(yīng)力分析與計(jì)算初始條件

冷中子源裝置設(shè)計(jì)中充分采取了縱深防御的安全設(shè)計(jì)概念[3]，使液氫和真空筒內(nèi)壁間多層隔離屏障同時(shí)失效、泄漏液氫直接濺射到真空筒內(nèi)壁上事故的發(fā)生概率極低，但作為典型事故分析假設(shè)情形，假設(shè)慢化劑室冷包(氫容器)出現(xiàn)一個(gè)針孔形破口，且冷包外圍的氦夾層同時(shí)完全失去隔離作用，液氫直接濺射到真空筒內(nèi)壁上，形成面積為10 mm×10 mm的液氫濺射影響區(qū)域。

CNS真空筒用俄羅斯鋁鎂合金材料AlMg3制成，其20℃下力學(xué)性能參數(shù)為：抗張強(qiáng)度Rm=175 MPa，屈服強(qiáng)度 Rp0.2=70 MPa，楊氏模量 E=67.7 GPa，泊松比υ=0.33，熱膨脹系數(shù)α=23×106K–1，導(dǎo)熱系數(shù)=105 W·m–1·K–1。圖2是AlMg3機(jī)械性能隨溫度的變化，由圖2，20 K溫度附近，其抗張強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著增大，分別達(dá)到450和150 MPa。CNS裝置設(shè)計(jì)中真空筒的安全系數(shù)為 1.6，由此得到真空筒的最大應(yīng)力限值為270 MPa。

圖2 AlMg3合金的抗張強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨溫度的變化Fig.2 AlMg3 tensile strength Rm and yield strength Rp0.2 v.s. temperature.

2 有限元計(jì)算模型

為得到液氫濺射事故情形下濺射區(qū)域真空筒壁的應(yīng)力分布，用COSMOS/M 2.8建立有限元模型，采取8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元分析，見(jiàn)圖3。約束條件為上邊界節(jié)點(diǎn)位移限制，即垂直方向上位移和繞縱軸旋轉(zhuǎn)位移均為零。

應(yīng)力分析計(jì)算中計(jì)入溫度對(duì)材料物性參數(shù)的影響。載荷作用主要有熱載荷作用和真空筒受到的外壓作用兩種，其中外壓大小為2×105Pa。

計(jì)算中液氫濺射影響區(qū)域面積設(shè)定為 10 mm×10 mm，且保守假設(shè)濺射影響區(qū)域真空筒壁溫為 20 K，即將真空筒和液氫間換熱系數(shù)看作無(wú)限大。真空筒外部重水包圍，外壁面和重水間有對(duì)流換熱。重水溫度設(shè)為50℃，換熱計(jì)算的定性溫度取20℃。根據(jù)我們的已有計(jì)算結(jié)果[4]，這種條件下自然對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)際大小為～420 W·m–2·℃–1，這里保守取換熱系數(shù)α=1000 W·m–2·℃–1。

圖3 真空筒的有限元模型Fig.3 Finite element model of VC.

3 計(jì)算結(jié)果

圖4是有限元分析計(jì)算得到真空筒在液氫濺射區(qū)域及其附近的溫度和應(yīng)力分布，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在濺射區(qū)域邊緣地帶，大小為195 MPa，應(yīng)力超出140 MPa區(qū)域內(nèi)的溫度普遍低于30 K。

圖4 濺射區(qū)域溫度(a)和應(yīng)力(b)分布Fig.4 Temperature(a) and stress intensity (b) distribution in cross-section through the impact area.

對(duì)濺射面積15 mm×15 mm和5 mm×5 mm情形分別進(jìn)行了同樣計(jì)算，這時(shí)最大應(yīng)力分別達(dá)到 213和183 MPa，均小于應(yīng)力限值270 MPa。

4 討論

真空筒是整個(gè)冷中子源裝置中唯一能提供第三級(jí)安全防御功能的部件，是保證冷源任何事故都不影響到反應(yīng)堆安全性的最后一道、也是最重要的隔離屏障[3]，必須確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿(mǎn)足將來(lái)運(yùn)行過(guò)程中各種正常和非正常使用條件的需要。

冷中子源正常運(yùn)行過(guò)程中，如果包括慢化劑室在內(nèi)的低溫液氫回路發(fā)生液氫泄漏、并濺射到真空筒內(nèi)壁上，會(huì)在濺射區(qū)域形成熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過(guò)有限元應(yīng)力分析與計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)珵R射區(qū)域?yàn)?0 mm×10 mm時(shí)，真空筒壁產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力為195 MPa，當(dāng)濺射區(qū)域?yàn)? mm×5 mm時(shí)，最大熱應(yīng)力為213 MPa，最大應(yīng)力均小于應(yīng)力限值。表明液氫濺射到真空筒內(nèi)表面的事故不會(huì)對(duì)真空筒的結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成威脅。

慢化劑室破裂引起液氫濺射到真空筒內(nèi)壁上的事故是冷源裝置可能發(fā)生的最嚴(yán)重事故之一，因冷中子源裝置在設(shè)計(jì)上采取縱深安全防御策略，這種嚴(yán)重事故發(fā)生的概率極小。一旦發(fā)生，雖能保證事故過(guò)程中真空筒不會(huì)破裂，但真空筒壁和低溫液氫的接觸會(huì)引起濺射區(qū)域附近的材料晶體結(jié)構(gòu)改變，引起材料的力學(xué)性能和機(jī)械性能變化，因此在這種事故的后期處理中，應(yīng)對(duì)真空筒是否適宜繼續(xù)在役使用進(jìn)行詳細(xì)分析和評(píng)估。

1 丁大釗, 葉春堂, 趙志祥, 等. 中子物理學(xué)(下冊(cè)). 北京:原子能出版社, 2001. 819–858

DING Dazhao, YE Chuntang, ZHAO Zhixiang, et al. Neutron physics (Vol. 2). Beijing: Atomic Energy Press, 2001. 819–858

2 胡春明, 代君龍, 沈文德, 等. 核技術(shù), 2005, 28(3): 209–212

HU Chunming, DAI Junlong, SHEN Wende, et al. Nucl Tech, 2005, 28(3): 209–212

3 胡春明, 唐鳳平, 鄭 洲, 等. 核技術(shù), 2008, 31(2): 157–160

HU Chunming, TANG Fengping, ZHENG Zhou, et al. Nucl Tech, 2008, 31(2): 157–160

4 胡春明. 原子能科學(xué)技術(shù), 出版中

HU Chunming. At Energy Sci Technol, in press