液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主容器雙向密封特性分析

梁翰哲，柏云清，張 勇，師雪艷，宋 勇，汪建業(yè)

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥 230031)

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆是第四代反應(yīng)堆的重要堆型類型，一回路采用池式布局以液態(tài)金屬作為冷卻劑。液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆具有獨特的優(yōu)良性能：安全性高、熱傳導(dǎo)高、燃料利用率高等特點。液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主要包括鈉冷快堆和鉛或鉛合金冷卻快堆。國際上對液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆進行了廣泛而深入的研究，俄羅斯正研究鉛基反應(yīng)堆商業(yè)化[1]；歐洲設(shè)計有ELSY反應(yīng)堆型[2,3]；法國計劃建造先進鈉工藝工業(yè)示范快堆ASTRID[4]；美國擁有SSTAR系列反應(yīng)堆[5]；日本對本國的鈉冷快堆“文殊堆”作了大量研究[6]；印度正在進行鈉冷快堆PFBR的研究[7]；中國實驗快堆CEFR已于2010年達到首次臨界[8]；中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所/FDS團隊已完成系列鉛基反應(yīng)堆概念設(shè)計及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究[9-19]。根據(jù)第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF)的反應(yīng)堆研究路線圖，液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆中的鉛基反應(yīng)堆被認為是最先實現(xiàn)商業(yè)運行的第四代反應(yīng)堆堆型[20]。

氣體密封是反應(yīng)堆安全性的重要方面，主容器良好的氣密性也是主容器完整性與可靠性的重要組成部分。為了保障液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的固有安全性，該類反應(yīng)堆主容器的氣體壓強較小。不僅如此，在正常工況下，氣體壓強略小于外部環(huán)境氣壓，表現(xiàn)為微負壓；但是在一些基準事故工況下，主容器內(nèi)部氣壓上升，超過了外部環(huán)境氣壓，表現(xiàn)為正壓[21,22]。

對于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主容器的雙氣壓模式的特點，目前還未見有文獻報道其雙向密封特性。本文采用壓水堆中已使用的雙道密封環(huán)布置結(jié)構(gòu)[23]，分別研究兩種典型工況下，即正常運行的微負壓情況和基準事故工況下的正壓情況，使用有限元分析獲得了密封環(huán)在反應(yīng)堆兩種典型工況下的非線性響應(yīng)，再通過泄漏理論得到主容器的密封性能參數(shù)，初步分析了主容器雙向密封的基本特性。本文針對液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的雙向密封特性分析是反應(yīng)堆密封設(shè)計前期探索，可為該類反應(yīng)堆設(shè)計提供一定的參考。

1 雙道密封環(huán)布置結(jié)構(gòu)

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆采用內(nèi)外雙通道C型金屬密封環(huán)布置。C型密封環(huán)具有彈性良好、外表面柔軟、與反應(yīng)堆相適應(yīng)性強、加工成熟等特點，在反應(yīng)堆中得到了廣泛的應(yīng)用[24]。密封環(huán)被安放在主容器頂蓋的凹槽中，通過螺栓的擰緊，頂蓋與支撐構(gòu)件相互靠攏以擠壓密封環(huán)，使其產(chǎn)生形變，通過外層的較軟材料與壁面緊密貼合以填補金屬壁面的微觀間隙。

金屬C型密封環(huán)結(jié)構(gòu)由三部分組成，從內(nèi)到外分別是O型繞絲彈簧，C型合金內(nèi)覆面以及C型金屬外覆面，其使用的材料分別為inconel718合金，inconel600合金以及銀。其中，繞絲彈簧為密封環(huán)的本體，是密封環(huán)良好彈性性能的保證，密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，材料的相關(guān)物性參數(shù)如表1[25]所示。

圖1 密封環(huán)示意圖

表1 密封環(huán)材料物性參數(shù)表

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆在正常運行工況下，主容器內(nèi)部氣壓低于外部氣壓，此時需要限制外部氣體進入內(nèi)部環(huán)境而造成內(nèi)部氣壓增大，外密封環(huán)主要起密封功能，內(nèi)密封環(huán)作為冗余設(shè)計；而基準事故工況下當(dāng)內(nèi)部氣壓增加而大于外部環(huán)境氣壓時，內(nèi)密封環(huán)成為主要密封的結(jié)構(gòu)，起到限制氣體泄漏的作用，外密封環(huán)可以作為冗余設(shè)計目的。

2 密封性能分析

2.1 密封環(huán)有效性分析

主容器對氣體的密封主要通過密封環(huán)的壓縮與回彈來實現(xiàn)。如果密封環(huán)的回彈量大于密封環(huán)的徑向壓縮量，那么這個密封環(huán)有效；如果回彈量小于密封環(huán)徑向壓縮量，那么該密封環(huán)失效。

為了研究密封環(huán)的回彈性能，本文使用有限元分析軟件ANSYS進行模擬。熊光明等[26]指出，可以使用當(dāng)量圓筒模型對密封環(huán)的繞絲彈簧進行良好的近似模擬。由于密封環(huán)的壓縮，很可能存在壓縮過大而造成塑性形變，存在較大的非線性過程，這時常規(guī)的線性模型無法正確地模擬密封環(huán)受壓縮過程。蔡立勛等[27]指出，非線性等向強化本構(gòu)模型可以很好模擬Inconel718合金的非線性材料模型，Inconel600合金以及銀使用多線性等向強化材料模型進行模擬。根據(jù)密封環(huán)的對稱性，采用密封環(huán)的一半模型，通過在其表面加載一定的線載荷到達800 N/mm，而后逐漸減少至0的加載形式，以此查看密封環(huán)的形變情況。通過處理模擬結(jié)果，得到了常溫下該密封環(huán)的壓縮—回彈曲線，如圖2所示。

圖2 密封環(huán)壓縮—回彈曲線

由圖2可以看出，當(dāng)密封環(huán)的壓縮量小于0.5 mm時，其壓縮量與線載荷近似成線性關(guān)系，其對應(yīng)載荷約為600 N/mm。然而當(dāng)壓縮量超過了0.5 mm之后，線載荷的增加對壓縮量的影響增大。說明當(dāng)加載的載荷小于600 N/mm時，密封環(huán)為彈性形變；當(dāng)加載于密封環(huán)的線載荷超過此值時，密封環(huán)開始發(fā)生塑性形變。載荷達到800 N/mm逐步卸去線載荷，密封環(huán)開始回彈，壓縮量減少。當(dāng)載荷完全消除時，密封環(huán)并未恢復(fù)原來的形狀，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性形變。為了保證密封環(huán)能夠在被壓縮之后能夠有效回彈，其使用必須避免失效情況的發(fā)生，密封環(huán)的壓縮量應(yīng)小于0.5 mm以保證其有效性。

2.2 密封結(jié)構(gòu)分析

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆一回路采用池式布局，主容器內(nèi)包容有冷卻劑、堆內(nèi)構(gòu)件和設(shè)備、覆蓋氣體等。以某液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆為例，直徑為4.4 m、高為7 m的圓柱形筒體，在主容器上方有覆蓋氣體。筒體、頂蓋、螺栓、凹槽、密封環(huán)等構(gòu)成了主容器密封結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)涉及多種部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此在保證計算精度的前提下，為了提高計算效率，我們在模擬計算時將主容器結(jié)構(gòu)進行了一定的等效簡化處理：

(3)整個計算模型選用二維模型，需要獲得的參數(shù)均能在二維模型中得到體現(xiàn)。

本文利用有限元分析軟件ANSYS對正常工況以及典型主容器內(nèi)部壓強增加這兩種工況下的主容器密封進行模擬與分析。正常工況下，反應(yīng)堆主容器內(nèi)部壓強為微負壓，而在基準事故工況下，反應(yīng)堆主容器內(nèi)部壓強上升，大于外部氣壓而成為正壓。為了可以較好地模擬主容器在運行情況下其密封狀況，在ANSYS中需要通過選擇合適的單元類型進行模擬。在此，所有的模型二維單元采用PLANE182單元模擬，該單元可以較好地模擬平面模型的應(yīng)力以及形變情況；對于其中存在的非線性接觸模擬，使用ANSYS的接觸單元進行模擬。

對于密封結(jié)構(gòu)的氣密性評估，反映其性能的主要準則有密封環(huán)的最大應(yīng)力，密封環(huán)上軸向位移U1、下軸向位移U2、徑向滑移量δ，其中δ=U1-U2。通過相應(yīng)數(shù)據(jù)的提取與計算，求得了液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆正常運行工況以及基準事故工況下密封環(huán)的上、下軸向位移、軸向分離量等結(jié)果。具體如表2所示。

表2 反應(yīng)堆兩種工況下密封環(huán)形變結(jié)果

對比密封環(huán)回彈曲線，可以看到兩種工況下，密封環(huán)壓縮均小于0.5 mm的限值，說明主容器在這兩種工況下，其處于有效密封狀態(tài)。對比兩種工況下徑向位移以及滑移量的差別，發(fā)現(xiàn)在基準事故工況下，密封環(huán)的徑向位移以及滑移量均略大于正常工況下的相應(yīng)值。

同時，我們查看內(nèi)外密封環(huán)的應(yīng)力分布情況用以了解密封環(huán)各部位的應(yīng)力值以及應(yīng)力集中，其應(yīng)力的分布如圖3、圖4所示。

圖3 正常工況密封環(huán)應(yīng)力分布圖

圖4 基準事故工況下密封環(huán)應(yīng)力分布圖

可以看到，內(nèi)外兩個密封環(huán)的應(yīng)力分布情況類似，其應(yīng)力較大值出現(xiàn)于繞絲彈簧，由于繞絲彈簧是密封環(huán)的本體，承擔(dān)著壓縮回彈的作用，因此在受到壓力時，該部分會有較大的應(yīng)力產(chǎn)生；而外覆面是直接與金屬壁面相接觸的部分，在密封環(huán)受到壓縮時，外覆面將產(chǎn)生大變形而填補金屬壁面的缺陷，這使接觸部分產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

查看密封環(huán)在工作時的接觸壓強，如圖5所示。從圖中可以看出，接觸壓強最大值出現(xiàn)于外覆面與壁面的接觸處，說明外覆面主要承擔(dān)了密封環(huán)與壁面貼合的功能。

圖5 密封環(huán)接觸壓強分布圖

同時在兩種工況之下，對應(yīng)密封環(huán)的應(yīng)力分布情況也相近，查看密封環(huán)的應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值存在著差別。兩種工況下密封環(huán)各部分的應(yīng)力最大值如表3所示。

表3 反應(yīng)堆兩種工況下密封環(huán)應(yīng)力最大值

表3的結(jié)果表明，繞絲彈簧的應(yīng)力最大值小于其材料的屈服強度，說明了這些部分能夠正常工作，并能保持良好的性能；而外覆面的應(yīng)力峰值已經(jīng)大于其屈服強度，一方面說明使用非線性模型模擬是必要的，另一方面說明外覆面已產(chǎn)生顯著的塑性形變，這對于密封是有益的，它既可以有效地填補法蘭壁面，同時能夠增加密封面的接觸面積；內(nèi)覆面應(yīng)力小于其屈服強度，均處于彈性形變范圍內(nèi)，它能夠平穩(wěn)的傳遞載荷，保護繞絲彈簧。在正常工況與基準設(shè)計事故這兩種工況下均有這樣的結(jié)論。

3 結(jié)論

本文針對液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主容器密封氣體的雙向密封特殊性要求，考慮在主容器與頂蓋連接處布置雙通道金屬C型密封環(huán)布置結(jié)構(gòu)，并利用有限元軟件ANSYS對主容器在正常運行工況以及基準事故工況下進行了密封環(huán)的接觸非線性分析，對主容器的雙向密封性能進行了初步評估。得到了以下結(jié)論：

(1)在正常工況下與基準事故工況下，密封環(huán)的壓縮量均在密封環(huán)有效的壓縮的限值之內(nèi)，這樣密封環(huán)在被壓縮時能夠有足夠的回彈對金屬壁面進行貼合，表明密封環(huán)在兩種情況下均能保持工作有效性；

(2)在正常工況下與基準事故工況下，密封環(huán)的繞絲彈簧在彈性形變范圍內(nèi)，密封環(huán)主體能夠長期有效，表明密封環(huán)工作時均具有良好的彈性性能；密封環(huán)外覆面能與金屬法蘭壁面緊密貼合以減少泄漏通道。表明密封環(huán)能對于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的兩種工況下產(chǎn)生的壓強變化均提供良好的氣體密封；

(3)在兩種工況下，內(nèi)外兩個密封環(huán)均能保持有效性。因此在正常工況下，外密封環(huán)能主要阻止外部氣體進入主容器內(nèi)部，內(nèi)密封環(huán)同時起到冗余作用；在基準事故工況下，內(nèi)密封環(huán)主要起到防止主容器內(nèi)部氣體泄漏至外部環(huán)境，同時外密封環(huán)作為冗余。

以上的結(jié)論可以表明，主容器布置的雙通道C型金屬密封環(huán)，可以使液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主容器的氣體得到了有效的密封，達到了主容器氣體雙向密封的功能。

致謝

本工作得到國家自然科學(xué)基金(51408585)資助。感謝FDS團隊其他成員為本工作的順利進行提供的支持與幫助。