反應堆流量分配組件的地震響應研究

金秋水， 丁紹軍， 楊翊仁， 魯 麗

(西南交通大學 力學與工程學院， 四川 成都 610031)

0 引 言

通常，地震工況下反應堆堆內構件的動力學分析是核電廠安全設計和審核的必要工作之一[1].反應堆流量分配組件是堆內構件的重要組成部分，它直接影響堆芯冷卻劑流動的均勻程度及結構安全，對其進行地震工況下的響應分析具有重要意義[2-5].對此，本研究利用ANSYS軟件得到了流量分配組件在空氣與靜水中的固有頻率，分析了流體附加質量對固有頻率的影響，并采用經土建結構地震分析得到的結構支承處的時程加速度作為輸入荷載，對結構在空氣和靜水中的地震響應進行了研究.

1 結構簡述

本研究分析的反應堆結構如圖1所示，其主要由壓力容器、頂蓋、吊籃筒體、燃料組件、控制棒驅動組件、下支撐板、流量分配組件等構成.其中，流量分配組件呈懸空狀設置于壓力容器內并固定在下支撐板上，四周開設有若干分流孔，中心布置有一塊開孔薄板(見圖2).回路冷卻劑由入口接管流入壓力容器，經下降段進入底部腔室，然后流經流量分配組件、堆芯等，最后從出口接管流出.在此過程中，流量分配組件對堆芯內冷卻劑的流動起著重要的分配作用.

圖1反應堆結構示意圖

圖2圓筒形流量分配組件

2 振動特性與地震響應分析

2.1 振動特性計算

本研究首先采用ANSYS軟件對流量分配組件在空氣與靜水中的固有特性進行研究.其結構部分選用實體建模，流體部分則采用Fluid30單元進行模擬，以考慮流體附加質量對結構固有特性的影響.Fluid30為流體聲單元，常用于解決流固耦合問題，該單元共有8個節點，每個節點有4個自由度，包括X、Y、Z3個方向的位移自由度和1個壓力自由度.流量分配組件法蘭部分采用映射網格劃分，其余部分均采用自由網格劃分.流量分配組件在空氣與靜水中的有限元模型如圖3所示.

圖3流量分配組件有限元模型

流量分配組件的相關參數為：材料為奧氏體不銹鋼，其彈性模量E為176 GPa,泊松比μ為0.3，密度ρs為7 850 kg/m3；常溫下水的材料屬性中，聲速c為1 400 m/s，密度ρl為1 000 kg/m3.

流量分配組件上部為法蘭固支約束，通過模態計算分別得到結構在空氣和靜水中的前5階固有頻率，結果見表1.

表1 流量分配組件在空氣與靜水中前5階固有頻率

由表1可知，與空氣環境相比，結構在靜水中對應的各階固有頻率均有所下降，其1階振動頻率降低約21.5%.這是由于在靜水中，考慮了流體附加質量對結構固有特性的影響，從而導致結構振動頻率降低.

由模態分析結果可知，結構的前4階振型主要體現在中心隔板上，結構未出現明顯的梁式與殼式變形.這是由于流量分配組件整體剛度較大，中心隔板剛度相對較小，相較于法蘭與筒壁，中心隔板更易產生變形.

流量分配組件在空氣中隔板處的前4階振型如圖4所示.由于結構的對稱性，其2階、3階振型出現了重頻現象，結構在靜水中的各階振型與在空氣中的基本相同.

2.2 地震響應分析

本研究的地震響應分析采用瑞利阻尼矩陣，

[c]=α[M]+β[K]

(1)

式中，α為質量阻尼系數，β為剛度阻尼系數，Μ為質量陣，Κ為阻尼陣.其中α，β可通過下式求解，

ζi=α/(2ωi)+βωi/2

(2)

圖4流量分配組件中心隔板處前4階振型圖

式中，ωi為阻尼比ζi所對應的結構圓頻率，通常選取結構最重要的2個頻率值對α,β進行求解.本研究分別選用結構在空氣與靜水中的前2階固有頻率(415.41 Hz、707.10 Hz與325.90 Hz、558.54 Hz)，阻尼比取1%(反應堆系統在地震作用下，其臨界阻尼比通常取1%)，計算α，β.

計算時，采用經土建結構地震分析得到的流量分配組件支承處的時程加速度作為輸入荷載，計算總時長為8 s，時間間隔為0.01 s，地震波X方向加速度時程曲線見圖5.以監測流量分配組件典型位置處的響應.

圖5 X方向地震波時間歷程曲線

定義關鍵點：關鍵點1位于中心隔板處，關鍵點2位于流量分配組件筒壁底端，關鍵點3位于流量分配組件筒壁中部(見圖2).本研究采用位移響應的均方根值來判斷流量分配組件各關鍵點處節點的位移響應大小，考慮其X、Y、Z3個方向的位移，其位移響應均方根為，

(3)

(4)

式中，N為計算時間步數.

流量分配組件在空氣與靜水中2種工況下1號關鍵點處X方向的位移時程曲線如圖6所示.位移響應均方根的計算采用了第3～8 s間“穩定段”的響應數據，表2給出了各關鍵點處位移響應均方根值.

圖6 1號關鍵點處X方向位移均方根響應

由表2可知，在空氣與靜水中，1號關鍵點處響應均方根均明顯大于2、3號關鍵點處的響應均方根.同時，地震工況下流量分配組件在靜水中的均方根響應大于結構在空氣中的位移響應，結構在靜水中的固有頻率低于其在空氣中對應的頻率.因此，在同一激勵下，靜水環境下結構響應較大.

3 結 論

本研究對反應堆流量分配組件在空氣和靜水中的地震響應進行了研究，得出如下結論：在空氣與靜水中，反應堆流量分配組件前4階振型主要體現在中心隔板上，與空氣中相比，結構在靜水中對應的各階振動頻率均有所降低，其1階振動頻率降低率約為21.5%；相較于流量分配組件法蘭、筒壁，中心隔板處位移響應較大；流量分配組件在靜水中的位移響應明顯大于結構在空氣環境中對應的響應，且結構在空氣與靜水中的位移響應均為微米級.