中国铅基研究实验堆主容器初步地震响应分析
张洋，柏云清”，张勇²，赵小敏²，
何梅生²，张学伟1.2
（1.中国科学技术大学核科学技术学院，安徽合肥2300262.中国科学院核能安全技术研究所，中子输运理论与辆射安全重点实验室，安徽合肥230031)
摘要：中国怡基研究实验堆（CLEAR-I）为船合金冷却的一体化池式结构，地震情况下高密度液态铅 繁晃动引起的流固稠合效应会对主容器结构产生影响，本文基于双向流固稠合方法，在ANSYSWorkbench仿真环境下计算了CLEAR-I主容器对典暨地翼激励的响应，得到了层试模盟（None（laminar)）和k-e模裂（k-Epsilon）下结构的位移响应与应力响应，结果表明，考虑地震截荷和铅餐合金 重量的情况下，CLEAR-I主容器抗震设计性能良好，能够维持结构的完整性.
关键词：铅驱合金：研究地：双向流固合：主容器：地震响应
中图分类号：TL351 文献标识码：A 文章编号：0258-0918（2015)04-0650-05
PreliminaryAnalysisforSeismicResponse oftheMain Vessel of China Lead-BasedResearchReactor
ZHANG Yang* BAI Yun-qing² ZHANG Yong’ ZHAO Xiao-min² HE Mei-sheng² ZHANG Xue-wei
(1. Schol of Nucleer Somee and Techoingy Univeity of Scine md Techelogy ef Chins Hfei of Anbui Prox 23002s. Chinas2 Institute of Nurliear Energy Sefety Technology Chinese Academy of Sciences Hefei of Anhoi Prox 230031. Chines3. The School of Rsoure and Earth Scee China Uiversity of Mining and Technology Xahou of Jing Prov Z100s Chna)
Abstract; China Lead-based research reactor (CLEAR-I) is an integrative pool-type reactor which uses liquid lead-bismuth alloy as coolant Under earthquakes the fluid-solid couplingeffect caused by denser liquid metal could have significant impact on the structure of the main vessel. Based on two-way fluid-solid coupling seismic response of the main vessel is calculatedunder ANSYS Workbench simulation environment. Through cormparison of laminar model andK-e turbulence model the responses of structure to typical seismic acceleration excitation are
analyzed including deformation and equivalent stress The results demonstrate that considering seismic load and liquid metal the seismic design of main vessel possesses sufficient functional and structural integrity.
Key words: lead-bismuth alloy: research reactor: two-way fluid-solid coupling: mainvessel: seismic response
加速器驱动次临界系统（ADS）具有固有安全性好、嫂变支持比高等优点，被认为是最有效的核废料处置技术方案.从20世纪开始，国工作.2011年，中国科学院启动了战略性 内外相关单位就已经开展了ADS系统的研究先导科技专项“未来先进核裂变核能-ADS嫂变系统"，致力于ADS系统的自主发展.由 于铅基合金良好的中子物理、热工水力与安全特性，中国铅基研究实验堆CLEAR-I（ChinaLEAd-based research Reactor）被选为 ADS专项参考堆型，中国科学院核能安全技术研究所 FDS团队承担了CLEAR-I的方案设计与关键技术研究
秘合金参数见表2.本文的主容器计算模型，按照储液容器模型进行了简化.
Table 1Parameters of the structure materil
表1结构材料参数
工作温度 参数 单位 a 数值 370弹性模量 密度 m.! GPa 7821.3 175拍松比 0.3
表2液态铅经参数
Table 2Parameters of liquid lead-bismuth
工作温度 单位 数值 370密度 kg.m-- 10 244.73动力度 比热容 J.kg.K-- Pa.. 1.53E-3 144.45热账系数 K-1 1. 29E-4
CLEAR-I主容器内部装有约600：的液态重金属铅合金，在地震情况下，高密度液态 金属晃动引发的流固耦合效应对结构的影响是主容器抗震设计的重要依据.对于此类储液容器的流固合问题，应用有限元分析软件 ANSYS求解可以获得较为理想的结果.
如图1所示，在ANSYS中建立主容器结构模型，其中，主容器筒体顶部固定约束，同时定义铅储合金液面以下壁面为流固耦合交界 面.地震加速度激励选用图2中的单一水平方向的埃尔森特罗地震波（El-Centro）加速度反应谐，时间历程取前10s
本文应用ANSYSWorkbench仿真环境下的结构瞬态动力学计算模块TransientStructural和计算流体动力学软件CFX，对地震加速度激励 下液态铅储流固耦合效应对CLEAR-I主容器结构的影响进行了计算，通过对位移响应和应力响应的分析，为CLEAR-I主容器的抗震设计提供 了参考.
1模型描述
构，一回路冷却剂为液态铅合金，采用自然循 CLEAR-I反应堆本体采用一体化池式结环冷却.反应堆容器为双层壳体结构，内层是主容器，外层是安全容器，其中，主容器采用吊 式支承，高6.7m，椭圆底封头深度1.1m，主容器筒体内径4.4m简体壁厚0.04m.主容器材料采用316L不锈钢，材料参数见表1.主容器内液态铅修液面高度为6.2m，液态铅
图1结构简化模型
Fig.1Simplified model of the structure
在CFX中，调用ICEMCFD划分流体网
Fig.2Seismic acceleration time-history 图2地震加速度时程
格，并如图3在流固合交界面附近进行了加密.CLEAR-I采用自然循环，液态铅郁合金流速较慢，雷诺数约为4000，处于层流到素流的过波状态，因此，采用层流模型（None （laminar））和k-t模型（k-Epsilon）模拟液态铅合金可能出现的不同流动状态，考虑到液态金属密度较大，设置浮力选项计人铅合金重量.同时定义液态铅链的流固耦合交界面fsi wall，铅秘合金液面为开放式边界条件，定义初始边界条件下液态铅静止，参考压力设为0.5 atm.
图3流体网格划分及边界层网格局部加密Fig. 3Mesh generation result of the fluiddomain snd the refinement of layers
2计算方法
3结果分析
3.1位移响应
合法求解流固耦合问题，其中，结构分析在 ANSYS在Workbench仿真环境下采用润Transient Structural（ANSYS）中进行，流体分析在FluidFlow（CFX）中进行，结构分析和流 体分析采用相同的时间步，由多场求解器MFX完成耦合求解.ANSYSWorkbench实现了流固耦合交界面上计算结果的双向传递，当结构网格和流体网格一致，即结构节点与流体节点 重合时，直接交换计算结果：当结构网格和流体网格不匹配时，则采用映射算子进行插值实现计算结果交换
在一个时间步中，ANSYSWorkbeneh求解流固耦合问题的计算流程如下：
（1）根据初始边界条件，求解得到结构计算结果：
（2）结构位移载荷通过流固耦合交界面传递给流体，改变流体流场分布；
（3）根据流场改变后的边界条件，求解得到流体计算结果：
（4）流体压力载荷通过流固耦合交界面传递给结构，改变结构边界条件：
面上交换的数据达到收要求，进人下一个时 （5）重复步骤（1）~（4）直至流固耦合交界间步的计算.
从图4可以得出，采用层流模型，主容器结构内外壁面的位移响应基本相同：位移响应最 大值出现在底封头底部，为1.645mm：沿主容器轴向位移响应逐渐减小，至筒体顶部减小为零.k-模型下主容器位移响应与层流模型儿1.425mm. 乎相同，位移响应最大值也在底封头底部，为
两种模型主容器结构位移响应的最值分布与变化趋势一致，但响应大小有所不同，k-e模 型下的位移响应最大值较层流模型小13.37%.两种模型下结构变形均较小，主容器的刚度足够，不会造成主容器结构的破坏.
图4结构最大位移响应Fig.4Maxium deformatio response of the stnucture （n）层流模型（b）k-模型
3.2应力响应
体上逐渐减小，至筒体顶部有最小值 的响应最大值；沿主容器轴向，等效应力响应整7.63MPa.而采用k-c模型，主容器的等效应力响应与层流模型类似，响应最大值出现在了 儿乎相同的位置，为61.94MPa，响应最小值也在筒体顶部，为8.41MPa
如图5所示，层流模型下，主容器结构内外壁面的等效应力响应有所区别，外壁面的响应最大值在筒体与底封头交界附近及底封头底 部：面内壁面的响应最大值则出现在简体与底封头交界的下侧，为68.92MPa.也是整个结构
Fig. 5Maximum oquivalent stress respose of the structure（a）层流模型：（b）k-t模型
图5结构最大等效应力响应
模型下响应最大值较层流模型小10.12%，响应的最小值则较层流模型大10.22%.结构材料在工作湿度下的屈服强度为100MPa，两种模型结构的强度足够，不会出现破坏和失稳现象. 主容器的等效应力响应均小于材料的届服极限，
两种模型下主容器结构等效应力响应的最重点.
感谢FDS团队成员为本工作的顺利进行提供的支持与帮助.
参考文献：
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4结论
本文基于双向流固合方法，考虑铅警合金的重量，在ANSYSWorkbench仿真环境下 进行了CLEAR-I主容器初步地震响应分析，得到了以下结论：
（1）主容器的位移响应和等效应力响应均在容许限值内，结构可以保证足够的刚度和强 度，主容器抗震设计性能良好，能够维持结构完整性，为反应堆的结构安全提供保障：
（2）主容器结构位移响应的最大值出现在底封头底部，在设计和工程中需要考虑相应措施，防止主容器底部的变形.同样，在等效应力 响应最大值出现的部位，也应采取措施以保护主容器结构：
（3）不同流体模型下主容器结构的响应并不相同，k-e模型的位移响应与等效应力响应 的峰值均小于层流模型，说明主容器内液态金属的流动状态对结构的地震响应有明显影响，因此，流体流动状态的确定将是后续研究的
