“華龍一號”抗商用大飛機撞擊設計

蔣 迪，王黎麗，楊建華，蔡利建，姚 迪

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

在早期的核電廠設計中，核島廠房只需要考慮兩種型號的小飛機墜毀所引起的撞擊效應，這兩種型號的小飛機分別是Lear Jet 23和Cessna 210。這兩種飛機質量較小，飛行速度較慢，并且只需對這兩種飛機的撞擊過程進行等效靜力分析。

在某些國家和地區，核電廠的設計還需要考慮軍用飛機的撞擊。在“9·11事件”以后，大型商用飛機對建筑物惡意撞擊成為需關注的問題，這些建筑物也包括核電廠。為此，核電行業進行了大量的研究，來評估和提高核電廠抗商用大飛機惡意撞擊的能力。

目前美國 NRC已通過聯邦法規 10 CFR Part 50.150明確要求新核電廠反應堆設計申請者需對大型商業飛機撞擊核設施的影響進行評估。日本福島核電廠事故以后，中國在對核電廠的安全問題方面提出了更高的標準和要求，我國在“十二五”規劃中明確提出，要“在確保安全的基礎上高效的發展核電”，其中安全和高效是主要的發展思想。第三代核電廠設計的一個重要標志是安全性和經濟性的進一步提升，核電廠抗商用大飛機惡意撞擊的影響無疑是一個提高安全性的要求。目前，國際上第三代核電廠的核島廠房設計過程中均考慮了商用大飛機的撞擊影響，為使我國自主研發的第三代核電“華龍一號”達到并優于國際先進水平，“華龍一號”的設計中需要考慮抗商用大飛機的撞擊。

1 總體設計思路

1.1 設計準則

根據《與核電廠設計有關的外部人為事件》（HAD102/05）的要求，并參考NEI07-13第8版《Methodology for Performing Aircraft Impact Assessments for New Plant Designs》的部分要求，“華龍一號”的設計中將大型商用飛機的撞擊作為超設計基準事件考慮，不要求應用單一故障準則。

在使用現實性分析的前提下，設計中需要采取必要的防護大型商用飛機撞擊的措施，以在盡量有限的操縱員動作下保證：

（1）反應堆保持冷卻，或安全殼保持完整性；

（2）乏燃料保持冷卻，或乏燃料池保持完整性。

大型商用飛機撞擊的防護設計，可以通過采用防護殼或充分隔離冗余系統來實現。通過設計實現以下安全功能：

（1）安全殼保持完整性，即通過結構分析表明安全殼未被穿透；且在假設的堆芯損壞事件下，確保有效的緩解措施投運之前不會造成安全殼超壓。有效的緩解措施是指，能夠為損壞的堆芯或安全殼提供充分的長期冷卻，確保安全殼的壓力和溫度均在安全限制以內；

（2）乏燃料池保持完整性，即通過結構分析表明，大型商用飛機撞擊乏燃料池墻體和支持結構不會導致乏燃料池安全運行最低水位線以下的位置發生泄漏；

（3）反應堆堆芯和乏燃料池保持被冷卻，即通過相關系統設備的評估表明，商用大飛機撞擊后依然能夠保證足夠的熱量導出能力，符合概率風險評估的驗收準則。

1.2 設計流程

“華龍一號”在設計過程中考慮了商用大飛機撞擊核電廠的情況，并通過專門的APC殼來實現。APC殼是鋼筋混凝土結構，由外層安全殼、燃料廠房外層防護殼體和電氣廠房外層防護殼體組成。APC殼同樣可以保護內部廠房，使其能夠抵御如龍卷風飛射物、外部爆炸、設計基準飛機的撞擊等外部事件。

“華龍一號”抗大飛機撞擊設計是一個復雜的過程，其設計流程總結概括如下：

（1） 確定“華龍一號”抗大飛機撞擊設計準則，包括飛機質量、撞擊速度、撞擊位置等；

（2） 通過 RIERA 方法推導大飛機的撞擊力時程曲線，并建立與RIERA時程曲線相匹配的商用大飛機的三維有限元模型；

（3） 通過能量法等方法，確定APC殼的厚度及初步配筋量，建立廠房的三維有限元模型；

（4） 進行商用大飛機撞擊 APC殼的整體效應和局部效應分析；

（5） 進行商用大飛機撞擊 APC殼的振動分析；

（6） 進行商用大飛機撞擊 APC殼的火災分析。

2 “華龍一號”抗商用大飛機撞擊設計主要內容

2.1 撞擊位置的篩選

撞擊位置的篩選需要考慮飛機的最大飛行角度、鄰近廠房的遮擋等因素的影響，繼而挑選出具有代表性的墻體的最不利撞擊位置。反應堆廠房APC殼的典型撞擊位置示意圖如圖1所示。

圖1 商用大飛機典型的撞擊位置示意圖Fig.1 Impact position of large commercial aircraft

2.2 商用大飛機三維有限元模型

2.2.1REIRA方法的簡介

實際的飛機撞擊結構的撞擊力函數是一個復雜的非線性方程，與飛機的質量分布、機身材料的壓碎抗力以及飛機的瞬時速度有關。該撞擊力函數同樣與被撞擊結構的剛度、強度以及非線性響應有關，由于墻體的變形相對于飛機的變形來說要小很多，所以上述這些因素的影響很小。

通過使用Riera在1968年的文獻中給出的方法，可以較為方便地建立大飛機撞擊的撞擊力時程曲線，RIERA方法是一種基于動量原理的近似方法，其基本假定如為：（1）靶體完全剛性；（2）撞擊垂直于靶體平面；（3）材料的壓碎現象只出現在與靶體直接接觸的飛射物部分。

總的撞擊力F(t)為分為兩個部分，一個部分為碰撞材料的壓碎抗力，另一部分力用于使碰撞材料的質量減速。由于在Riera方法中，飛機撞擊被簡化成了一個一維理想塑性的碰撞過程，因此只需要飛機材料的臨界屈曲荷載以及飛機沿機身長度方向的質量分布，可以得到，計算作用在剛性目標體的力F(t)的公式如下：

RIERA方法的正確性通過一架鬼怪式RF-4E撞擊剛性鋼筋混凝土障礙物的全尺寸試驗得以驗證，并且系數αr被確定為0.9。

2.2.2商用大飛機的三維有限元模型

“華龍一號”飛機的三維有限元模型使用SPH單元建立，SPH方法是一種無網格化的數值模擬方法。SPH方法最大的特點是，所有的場變量都可通過一組任意分布的SPH粒子來描述，無需傳統的節點和單元，因此在處理超大變形的問題時，SPH方法非常有效。SPH方法作為一種適用的、穩定的、無網格的動力分析方法，在進行飛機撞擊分析時有獨特的優勢。

商用大飛機的有限元模型如圖 2所示，選取合適的飛機質量分布和機身材料特性，通過商用大飛機撞擊剛性板的過程來獲得商用大飛機的撞擊力時程曲線，當撞擊力時程曲線與RIERA曲線符合較好時，表明此時的商用大飛機的有限元模型是合理的。

圖2 商用大飛機的三維有限元模型Fig.2 3-D finite element model of large commercial aircraft

商用大飛機撞擊剛性板的過程如圖3所示。

圖3 商用大飛機撞擊剛性墻的全過程示意圖Fig.3 Process of large commercial aircraft impacting rigid wall

2.3 APC殼三維有限元模型

通過能量法等方法能夠初步確定APC殼的基本參數。并以此為基礎建立APC殼的三維有限元模型。

在“華龍一號”APC殼的建模過程中，對于直接撞擊的區域，混凝土結構通過實體單元來模擬，鋼筋通過梁單元來模擬，對于遠離撞擊位置的區域，鋼筋混凝土結構通過殼單元來模擬。其中殼單元和實體單元間以及梁單元和實體單元之間力的傳遞，用約束插值方法通過關鍵字*CONSTRAINED_INTERPOLATION來實現。APC殼三維有限元模型局部和整體的示意圖如圖4所示。

2.4 撞擊校核計算

“華龍一號”抗大飛機撞擊計算采用非線性動力學分析方法，典型撞擊分析的示意圖如圖5所示。

對于圖 5中的第一個撞擊位置，計算分析的結果如圖6至圖9所示。

從圖6中可以看到，對于該撞擊位置，APC殼的最大位移約為0.088 m。從圖7至圖9中分析可以得出，對于該撞擊位置，撞擊區域有少數箍筋斷裂，而此時內外側的縱向鋼筋基本處于彈性階段。

圖4 APC殼三維有限元模型的局部和整體示意圖Fig.4 Local and entire view of 3-D finite element model of APC shell

圖5 商用大飛機撞擊APC殼的示意圖Fig.5 View of large commercial aircraft Impacting APC shell

“華龍一號”抗大飛機撞擊分析包含了大量不同撞擊位置的分析計算，通過多次、反復的計算與調整，確保“華龍一號”在結構上具有抵御商用大飛機的撞擊的能力。不同撞擊部位的最大位移均小于APC殼與內部廠房的間距，并且留有一定的安全裕度。撞擊區域局部有少數箍筋斷裂，內外側縱向鋼筋基本處于彈性階段。對于APC殼上存在洞口的情況增加了適當的保護措施，對于APC殼上的主設備運輸通道專門設計了能夠抵御商用大飛機撞擊的主設備運輸通道防護門。

圖6 最大位移發生節點的位移時間曲線Fig.6 Displacemental time history curve of maximum displacement node

圖7 箍筋最大軸力云圖Fig.7 Maximum axial force of stirrups

圖8 內側縱向鋼筋最大軸力云圖Fig.8 Maximum axial force of inner side rebar

圖9 外側縱向鋼筋最大軸力云圖Fig.9 Maximum axial force of outer side rebar

2.5 商用大飛機撞擊APC殼的振動分析

“華龍一號”在方案設計階段就考慮了振動的影響，APC殼與廠房分開設置僅底板相連，最大限度避免了撞擊振動對廠房內設備的影響。撞擊振動分析中，APC殼采用多層非線性殼單元模擬，共同筏基上的廠房（內部結構、電氣廠房、燃料廠房、安全廠房Ⅰ、安全廠房Ⅱ）采用梁單元和質量單元模擬（見圖 10）。

圖10 桿模型與共同筏基的固結Fig.10 Connection between beam model and raft

由于APC殼的存在，大大降低了內部廠房的飛機撞擊反應譜，完全可以滿足設備對振動的要求。

2.6 火災分析

對于APC殼的外部火災，采用混凝土墻體火災抵抗能力的評估方法進行評估。對于APC殼的內部火災，開展了飛機撞擊引起的混凝土裂縫的評估、飛機撞擊過程中通過混凝土裂縫流入APC殼內部的燃油量計算等評估和分析工作。評估結果表明，APC殼具有抵抗外部標準火災長達 240分鐘的能力，通過裂縫滲入到APC殼內部的燃油總質量非常小，可以排除在APC殼內部發生火災的情況。

3 優化及創新

“華龍一號”抗大飛機撞擊設計研究，獲得了大量原創性的成果，有如下主要創新點：

（1） 本研究首次采用 RIERA 方法計算得到了適用于“華龍一號”三代核電的商用大飛機撞擊荷載曲線，具備了合理確定商用大飛機所有撞擊輸入參數的能力；

（2） 首次建立商用大飛機的三維有限元模型，并應用于所有撞擊分析工作中，更真實地模擬了實際撞擊情況，優化了結構設計。以往的商用大飛機惡意撞擊分析，都是采用RIERA撞擊力時程曲線。采用商用大飛機的三維有限元模型進行分析，可以描述不同的撞擊角度，刻畫更為真實的撞擊面積，得到更為優化的結果。

（3） 確定了撞擊荷載下的混凝土和鋼材本構模型及參數，采用了先進的建模技術，進行了撞擊全過程的有限元顯式動力彈塑性分析，得到了準確的結構整體效應；

（4） 首次采用基于隨時間變化的裂縫寬度方法，進行了APC殼燃油滲入量的計算，完成了火災危險性的分析。對撞擊作用下混凝土的裂縫進行了研究，得到了裂縫寬度隨時間變化的曲線，進一步得到了通過裂縫滲入APC殼內部燃油量的時間變化曲線，最終得到總的燃油滲入量，完成了內部火災的評估。

（5） 國內首次研發滿足抗飛機撞擊用鋼筋機械接頭，打破國外壟斷，填補國內空白。目前，國際上僅有一兩家外國公司研發并生產了可用于滿足抗飛機撞擊要求的專用鋼筋機械接頭，產品價格昂貴，工程造價高。本研究對于抗飛機撞擊鋼筋機械接頭的研發工作，打破了關鍵工程材料的國外產品壟斷局面，具有很好的應用前景和經濟效益。

（6） 首次研發滿足抗飛機撞擊用大型超重特種防護門，同時具備開閉、鎖緊等自動化裝置。

4 結論

本文給出了“華龍一號”抗大飛機撞擊設計背景及總體評估準則，并詳細介紹了“華龍一號”抗大飛機撞擊整體設計過程，可以看到，“華龍一號”有足夠的能力抵御商用大飛機的惡意撞擊。

核電站抗商用大飛機撞擊問題是近年來核電站設計中需要考慮的新問題，同時受到保密因素的制約，能夠借鑒的研究工作相對較少。“華龍一號”抗飛機撞擊技術研究工作中，獲得了大量創新性的成果，并自主研發了相關的工程材料和特種設備，為今后不同型號核電站、核設施的相關研究和設計工作打下了堅實的基礎，同時對相關領域科技進步與裝備自主化有較大的推動作用。

另一方面，核電站抗商用大飛機撞擊是超設計基準事件，從合理性和經濟性出發，在今后的核電站抗商用大飛機撞擊設計中，可以更多的考慮與實際情況相符合的設計輸入及驗收準則。