基于三維模型的反應堆結(jié)構(gòu)關(guān)鍵間隙數(shù)值模擬

李國棟 彭宇 王曉童 張尚林 段春輝

摘?要：反應堆堆內(nèi)構(gòu)件關(guān)鍵間隙優(yōu)化設(shè)計是反應堆結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要一環(huán)，合理的設(shè)計能夠有效保證反應堆的順利安裝以及穩(wěn)定運行。本文以模塊式小型堆三維模型為研究對象，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，利用ANSYS17.2對反應堆結(jié)構(gòu)中三種典型間隙進行數(shù)值模擬及分析。

關(guān)鍵詞：小型堆;反應堆結(jié)構(gòu);三維;關(guān)鍵間隙

模塊式小型堆作為一體化壓水堆，壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件之間的冷態(tài)間隙設(shè)計，是其結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的要點之一[1]。間隙值設(shè)計過大，會降低堆內(nèi)構(gòu)件導向筒的對中精度，嚴重影響到控制棒安全落棒;間隙值過小，壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件干涉的風險將大大增加，諸如地震工況、LOCA工況等，更容易發(fā)生堆內(nèi)構(gòu)件損壞，功能失效的風險[2]。設(shè)計合理的間隙值既能夠在補償壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件之間的熱膨脹差以及制造公差的前提下，保證堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器在運行過程中不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，還可以確保堆內(nèi)構(gòu)件的定位、驅(qū)動線的對中等功能實現(xiàn)。

針對反應堆結(jié)構(gòu)關(guān)鍵間隙的優(yōu)化設(shè)計，國內(nèi)學者開展的研究工作較少。姚偉達等[3]提出將模態(tài)疊加法應用在求解地震載荷下部件由于間隙而產(chǎn)生的碰撞問題。于雷等[4]詳細介紹了經(jīng)驗公式法在計算反應堆穩(wěn)定工況下堆內(nèi)構(gòu)件與壓力容器出口管嘴間隙的應用。胡朝威等[5]利用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，提出了一種適用于華龍一號的反應堆關(guān)鍵間隙設(shè)計優(yōu)化方法。

本文通過建立小型堆三維模型，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，利用ANSYS17.2對反應堆結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度分布進行了數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上開展反應堆結(jié)構(gòu)靜力分析，基于名義間隙值計算典型關(guān)鍵間隙值，從而為反應堆關(guān)鍵設(shè)備干涉分析以及反應堆冷態(tài)安裝間隙設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

1?關(guān)鍵間隙理論分析

1.1?典型關(guān)鍵間隙

一般而言，反應堆結(jié)構(gòu)關(guān)鍵間隙包括壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件之間的軸向間隙、徑向間隙以及切向間隙。本文所關(guān)注的典型關(guān)鍵間隙主要包括：（1）吊籃法蘭和壓力容器筒體法蘭之間的徑向間隙;（2）堆芯下板與反應堆壓力容器徑向支承塊上調(diào)整塊之間的徑向間隙以及軸向間隙。

1.2?影響因素分析

在反應堆運行過程中，影響反應堆壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件之間的關(guān)鍵間隙值發(fā)生變化的關(guān)鍵因素有以下幾點：（1）壓力容器為承壓部件，內(nèi)部的高壓環(huán)境致使壓力容器沿徑向及軸向發(fā)生形變，從而與堆內(nèi)構(gòu)件產(chǎn)生位移差值;（2）冷卻劑流動過程中，壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件不同部位溫度載荷不同，材料的屬性也不相同，二者之間產(chǎn)生熱漲差。

1.3?一維理論設(shè)計方法

傳統(tǒng)的反應堆關(guān)鍵間隙設(shè)計方法以一維理論計算為主，利用不同部件之間的溫度分布、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等參數(shù)，分別采用理論公式計算出每個部件的形變，從而獲得間隙變化值。一維理論設(shè)計方法的優(yōu)點是有效節(jié)約設(shè)計計算時間，提高設(shè)計效率，但其不足在于無法獲得反應堆全場的溫度分布，計算參數(shù)的選取具有一定的局限性。

2?三維數(shù)值模擬方法

2.1?有限元分析模型

考慮二維仿真的局限性，本文針對反應堆三維模型開展仿真分析。在建立計算模型時對反應堆三維結(jié)構(gòu)進行了一定的簡化，忽略了對關(guān)鍵間隙影響較小的結(jié)構(gòu)因素，結(jié)構(gòu)簡化及假設(shè)條件如下：（1）忽略反應堆壓力容器上主泵接管等接管結(jié)構(gòu)的影響;（2）假定堆內(nèi)構(gòu)件與反應堆壓力容器完全同軸，不考慮吊籃內(nèi)外壓差引起的變形;（3）忽略堆內(nèi)分流結(jié)構(gòu)對反應堆壓力容器筒體的約束;（4）忽略反應堆壓力容器吊籃支承面與吊籃法蘭下表面之間的摩擦。

簡化模型包括壓力容器筒體、吊籃筒體、支承環(huán)、徑向支承塊和調(diào)整塊，如圖1所示，有限元分析模型見圖2。針對典型區(qū)域進行了網(wǎng)格加密處理，最小網(wǎng)格尺寸為0.2mm，滿足間隙模擬需求。

2.2?控制方程及邊界條件

求解出合理可信的反應堆溫度場分布的前提是在控制方程的基礎(chǔ)上，給出準確的邊界條件，包括溫度邊界條件、壓力邊界條件、位移邊界條件等。

（1）控制方程?？刂品匠虨闊醾鲗Х匠?，見式（1）。

（2）溫度邊界條件。穩(wěn)態(tài)運行時，在反應堆壓力容器內(nèi)表面及吊籃筒體外表面各部位分區(qū)施加溫度邊界條件。具體的，反應堆壓力容器支承環(huán)上表面以下區(qū)域的內(nèi)表面施加進口溫度286.5℃;反應堆壓力容器支承環(huán)上表面以上區(qū)域的內(nèi)表面施加出口溫度319.5℃;吊籃筒體外表面、堆芯下板的上、下表面施加進口溫度286.5℃;吊籃筒體內(nèi)表面對應堆芯高度區(qū)域施加平均溫度303℃;吊籃筒體內(nèi)表面對應堆芯高度以上的區(qū)域施加出口溫度319.5℃。反應堆冷態(tài)溫度設(shè)定為20℃。

（3）壓力邊界條件。在壓力容器內(nèi)表面施加15.0MPa的壓力，在堆內(nèi)構(gòu)件表面不設(shè)壓力邊界。

（4）位移邊界條件。反應堆壓力容器密封面施加軸向位移約束;反應堆壓力容器法蘭上表面與吊籃法蘭下表面施加軸向不分離且無摩擦的滑動接觸約束;對吊籃筒體內(nèi)表面及反應堆壓力容器內(nèi)表面施加沿軸向的旋轉(zhuǎn)約束。

2.3?材料性能

反應堆壓力容器主體材料為16MND5，吊籃組件主體材料為Z2CN1910（控氮），徑向支承塊和調(diào)整塊材料為NC30Fe，各材料的性能參數(shù)分別見表1～表3。

3?關(guān)鍵間隙數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1?典型部位位移

計算所得的位移值首先進行無量綱化處理。在溫度載荷、內(nèi)壓及其他約束的作用下，反應堆壓力容器法蘭內(nèi)表面及徑向支承塊上調(diào)整塊、吊籃組件的位移見表4。

3.2?關(guān)鍵間隙分析

當反應堆從冷態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)運行后，各關(guān)鍵間隙發(fā)生變化，變化值計算如下：

3.3?干涉分析

計算結(jié)果表明，本文所研究的吊籃法蘭和壓力容器筒體法蘭之間的徑向間隙以及堆芯下板與反應堆壓力容器徑向支承塊上調(diào)整塊之間的徑向間隙以及軸向間隙設(shè)計值較大，當反應堆穩(wěn)態(tài)運行時，吊籃組件與壓力容器筒體不會在該位置發(fā)生干涉。

4?結(jié)論

本文針對簡化的小型反應堆三維模型，采用ANSYS17.2對反應堆結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)溫度分布進行了數(shù)值模擬，求解了反應堆典型位置的位移以及關(guān)鍵間隙變化情況。通過關(guān)鍵間隙仿真計算與分析，發(fā)現(xiàn)小型堆所采用的反應堆關(guān)鍵間隙冷態(tài)設(shè)計值滿足設(shè)計要求，穩(wěn)態(tài)工況下反應堆不會在該位置發(fā)生干涉。

參考文獻：

[1]段遠剛，許川，唐傳寶，等.壓水堆結(jié)構(gòu)設(shè)計中應注意的問題[J].核動力工程，2007，28（5）：14.

[2]伍時建，尚爾濤，劉攀，金挺，聶照宇.核電反應堆在地震和失水事故下的結(jié)構(gòu)動力響應分析[J].核科學與工程，2017，37（6）：943947.

[3]姚偉達，謝永誠.模態(tài)疊加法在解間隙動力問題中的應用[C].全國反應堆結(jié)構(gòu)力學會議論文集，1998.

[4]于雷，關(guān)欣.反應堆壓力容器與堆內(nèi)構(gòu)件接管的熱態(tài)間隙計算[J].科技創(chuàng)新與應用，2015，15：101101.

[5]胡朝威，王慶田，夏欣，李燕，何培峰，余志偉，蔣興鈞，王仲輝.考慮瞬態(tài)分析的反應堆結(jié)構(gòu)關(guān)鍵間隙優(yōu)化設(shè)計[J].兵器裝備工程學報，2016，37（11）：146150.

作者簡介：李國棟（1995—?），男，甘肅白銀人，碩士研究生，助理工程師。