力学人研制成功用于核反应堆的冲击防护装备

郭雅悰

　　2021年12月20日，全球首座球床模块式高温气冷堆核电站并网发电成功。它是设立在山东荣成石岛湾的高温气冷堆示范工程，被遴选为中国的“2021年度核领域十件大事”之一。目前，世界各国的商业化核电站尚处于二、三代技术，这是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目。这标志着我国成为世界上为数不多掌握第四代核能技术的国家之一，意味着在这个领域里我国成为世界核电技术的领跑者[1]。 

图1 美丽的石岛湾（图片来源：百度百科）

　　模块式高温气冷堆核电站具有固有安全性好、系统简单、发电效率高、用途广泛和潜在经济收益高等优势，是能够适应未来能源市场需要的第四代先进核反应堆堆型之一。这里，首先要强调的是安全性。近年来重大核电站事故（如切尔诺贝利事故、福岛事故）频发，引起了公众对核电技术的担忧。上述事故都是核反应堆堆芯熔化、放射性物质外漏所致。第四代技术一大特征就是固有安全性。石岛湾核电站实验堆模拟过大量突发状况，尤其是针对极端事故。例如，在丧失所有外部电源、失冷失压的最大预想事故状态下，不采取任何人为和外部的干预，实验堆仍能保持堆芯安全状态，并将余热排出，使放射性物质在极端事故状态下不会外泄。中国高温气冷堆堆芯最高温度不超过1500度，而设计的最大限值是1620度。此外，它还具有三大核心创新技术：（1）反应堆模块式。即把一个百万千瓦的大反应堆拆分成10个小的模块，每一个模块都是一座可以独立运行的小反应堆。（2）放射性物质严密包裹。自主研制了耐高温全陶瓷包覆颗粒球形核燃料元件，有效防止放射性物质泄漏。（3）在线连续换料。反应堆不用一次性装入过多核燃料的方式而是不停进料，不但大大提高了运行效率，而且大幅减少了堆内的过剩反应性[2]。 

图2 山东荣成石岛湾高温气冷堆示范工程（图片来源：光明日报网）

　　这里还要介绍石岛湾高温气冷堆的另一项安全防护技术。那就是核反应堆中，控制反应速度的控制棒在遭遇地震、紧急停堆等事故时会触发自由跌落模式。这样，建立相应的缓冲吸能防护系统以吸收控制棒动能是控制棒设计体系中的重要环节。由于核反应堆内部结构的特殊性，吸能防护系统的设计面临严苛的要求，包括吸能历程的稳定性、压溃力的精确控制以及高温下的运行可靠性，等等。 

　　面对上述问题，中科院力学所流固耦合与系统力学重点实验室的研究团队提出了基于梯度缺陷的主动控制方法来调控压溃历程，并通过赋予不同的梯度参数获取不同趋势的压溃力演化特征。魏延鹏、杨喆等人在经典薄壁圆筒基础上，将人工预制的缺陷以内外环交叠的形式布置于筒壁上，其深度线性递减，形成了梯度缺陷圆筒结构(Gradient grooved tube, GGT)。他们对此开展了系统的理论和实验研究，完成了全尺寸模型试验及数值仿真。 

图3 梯度缺陷布置方法

　　为了大家理解，这里首先要介绍力学中一个基本概念——屈曲。通俗地讲，屈曲（Buckling）是一种不稳定的现象，指细长体在受的到压缩力时，因弯曲变形而造成的结构失效。而压溃力则是使物体破断得最小压力。在工程中，由于冲击载荷造成的管状结构屈曲是十分常见的现象。管件屈曲过程中发生塑性变形，可以将冲击载荷的能量转化为不可逆的塑性耗散能而吸收掉。塑性变形是能量耗散最重要的方式，科研工作者选取合适的材料便可以实现结构与功能设计一体化。特别是，薄壁圆筒的轴压屈曲是一种高效、稳定的变形模式。从能量吸收角度来看，薄壁圆筒在轴压载荷下的冲击屈曲具有较高的比吸能能力和较大的体积吸能效率。此外，上述结构十分简单。因此，薄壁圆筒常常被用来作为缓冲吸能装置。为了解决薄壁圆筒冲击屈曲存在的过高初始压力峰值、压溃力历程不可预测、屈曲模式不可控、冲击屈曲易失稳等多个问题，研究团队提出了基于梯度诱导槽的薄壁圆筒冲击屈曲特性优化设计方法。他们在薄壁圆筒的筒壁内外布置周向矩形凹槽，而且凹槽深度沿筒长方向不同（即所谓的“梯度缺陷”），以实现对于屈曲位置、屈曲顺序、屈曲模式的控制。这样，该结构就实现了薄壁圆筒冲击屈曲行为的全历程控制及预测，从而确保高温气冷堆控制棒自由跌落时的安全。 

　　研究团队进行理论分析时，在传统的塑性铰理论基础上引入梯度缺陷项，获得了以压溃位移（Displacement）为自变量的分段平均压溃力（Force）函数，其中包含了应变强化及应变率强化的影响。研究发现，此类结构压溃历程主要受三个无量纲参数控制，它们分别是：控制局部几何协调性的无量纲凹槽宽度，控制局部稳定性的无量纲凹槽深度以及决定屈曲模式可控性的无量纲半波长。他们还利用数值模拟的有限元方法，深入探讨了上述参数的合理范围及其对屈曲历程的影响规律，并给出了表征压溃力和压溃位移关系的F-D曲线。可以看出，这条曲线呈现振荡上升的趋势。 

图4 梯度缺陷筒的压溃力-位移曲线

　　研究团队同时开展了试验验证工作，并获得了与计算结果相符的结果。图4所示的压溃力-位移曲线，其中红色曲线为实验结果，黑色曲线为模拟计算结果。实验是在落锤装置中进行的。在落锤碰撞实验中，落锤从3.7米高处自由下落，由于重力作用，在碰撞薄壁圆筒试件前速度约为8.5米/秒。圆筒试件的屈曲过程由高速相机记录。试件底部装有压力传感器以测量瞬时压溃力，传感器的电压信号则输入到一个高速数据采集系统中。图5为落锤碰撞的实验装置示意图，其中锤头6的质量为200kg，梯度缺陷筒5安置在底座1上，底座安装有冲击力传感器3（量程300kN，频响20kHz），用高速摄影相机9进行梯度缺陷筒冲击变形过程的采集。 

图5 落锤碰撞梯度缺陷筒实验装置^[3]

　　图6进一步给出了梯度缺陷筒的圆环屈曲的实验图像以及相应的模拟计算结果，这是一个典型工况模型的屈曲模式图片。可以看出，梯度凹槽筒的屈曲模式可以精确控制为圆环模式，并且其屈曲顺序及屈曲位置可以由梯度凹槽进行精确的控制。具体而言，它是由圆筒的上端（凹槽最深处）向下端（凹槽最浅处）逐步进行屈曲，且褶皱位置均发生于凹槽局部。这个典型模型共形成5个完整的圆环模式褶皱，模型的偏心率约为0.6。图（1）-（7）展示了圆环模式演化的实际过程，包括第一、第二、第三、第四个圆环形成的细节。图6表明了实验结果与数值模拟的一致性，包括形成顺序、褶皱形貌、直至最终变形结果，从而验证数值模拟方法是真实可靠的[3]。 

图6 梯度缺陷筒圆环屈曲模式的实验与计算结果^[3]

　　研究团队通过验证试验和模拟计算表明，梯度缺陷筒表现出优异的吸能特性和抗侧向扰动能力，能保持理想的圆环形屈曲模式和稳定的能量吸收历程。该工作获得了总体设计单位的肯定，因而在石岛湾高温气冷堆核电站示范工程中得到了应用。 

　　这里还需指出的是，薄壁圆筒是一种重要的冲击防护结构形式，在诸多领域有着实际的应用场景。本项研究实现了在非稳定加载条件下对吸能压溃历程的精确预测及主动控制，形成了1项国际发明专利、2项国内发明专利，并且在国际权威期刊International Journal of Mechanical Sciences及Thin-Walled Structures发表了3篇学术论文^[4-6]。薄壁圆筒吸能装置由于其简单的结构、高吸能效率及稳定的屈曲模式等优点，被广泛应用于高温气冷堆控制棒跌落石墨体防护、车辆碰撞安全防护、航天飞行器软着陆等。本项研究为它在多类吸能构件上推广应用奠定了科学基础。

参考文献 

　　[1]人民网. 全球首座四代核电——石岛湾高温气冷堆核电站示范工程并网发电[EB/OL].(2021-12-20)[2021-12-20].

   http://finance.people.com.cn/n1/2021/1220/c1004-32312534.html 

　　[2]清华大学. 国家最高科技奖出炉，你还不知道高温气冷堆是咋回事？[EB/OL].(2021-11-08)[2021-11-08]. 

   https://baijiahao.baidu.com/s?id=1715870178577538735&wfr=spider&for=pc 

　　[3]杨喆. 基于梯度诱导槽的薄壁圆筒轴向冲击屈曲特性优化设计及其应用[D]. 北京. 中国科学院大学,2017. 

　　[4]Y. Wei, Z. Yang, H. Yan, et al. Proactive regulation of axial crushing behavior of thin-walled circular tube by gradient grooves[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2016:49-60. 

   http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020740316000473 

　　[5]Z. Yang, H. Yan, C. Huang, et al. Experimental and numerical study of circular stainless thin tube energy absorber under axial impact by a control rod[J]. Thin-Walled Structures, 2014, 82:24-32. 

   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026382311400113X 

　　[6]Z. Yang, Y. Yu, Y. Wei, C. Huang, Crushing behavior of a thin-walled circular tube with internal gradient grooves fabricated by SLM 3D printing, Thin-Walled Structures, 111 (2017) 1-8.  

   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263823116303913