高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置可行性分析

乔延凯 曹 云 程懋松 戴志敏

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）2（中国科学院大学 北京 100049）3（上海科技大学 上海 201210）

高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置可行性分析

乔延凯1,2,3曹 云1程懋松1戴志敏1,2,3

1（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）2（中国科学院大学 北京 100049）3（上海科技大学 上海 201210）

非能动停堆系统是事故工况下核能系统的重要安全保障。为保证和增强钍基熔盐堆核能系统的安全性，通过对比分析现有的非能动停堆装置，本文提出了钍基熔盐堆高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置。利用Inconel 625合金在650-700 °C力学特性发生陡降的特点，对高温剪断式触发结构——薄壁挡板进行设计，并通过Abaqus软件对其二维结构在事故工况下不同温度时的响应状态进行稳态、瞬态断裂模拟。模拟结果表明，当设定温度超过650 °C且持续升高时，薄壁挡板会在4-10 s内发生断裂；在非事故工况下，若温度异常升高到670 °C后随即降低时，薄壁挡板不会发生断裂。因此，在紧急事故工况时，设计的高温剪断式触发结构能够可靠剪断，确保第二停堆系统非能动触发，进一步提高钍基熔盐堆的安全性。

非能动停堆，高温剪断式，Inconel 625合金，Abaqus，断裂模拟

随着核能系统的逐渐发展，越来越多的人开始关注反应堆的固有安全性，固有安全性是指反应堆在遵循自然法则的基础上，在其可能存在的工况下都应该确保其安全性，这要求反应堆在无人工干预、无触发信号和无外部响应等状态下保证其安全状态[1]。为提高反应堆的固有安全性，国际上提出了一种改进反应堆安全性的新概念“非能动安全”，即通过增加非能动安全系统来提高反应堆的安全性和可靠性[2]。

第四代核反应堆的重要发展方向之一就是采用非能动停堆系统确保其安全性[3]，这也是“未来先进裂变核能——钍基熔盐堆核能系统(Thorium-based Molten Salt Reactor, TMSR)”遵循的发展方向。

现有的非能动停堆系统主要有以下几种：1) 磁性材料居里点温度控制非能动停堆装置。这种设计最典型的代表是日本在其商用快堆设计中采用的自停堆系统[4]。此外，俄罗斯[5]、法国[6]等国家也进行了类似原理的非能动停堆装置的研究，已有一定的实验结果，而我国为中国实验快堆研发的非能动停堆系统也是基于与此相似的原理[7]。2) 液体悬浮的非能动停堆装置。这种停堆装置的代表是俄罗斯的液体悬浮非能动停堆装置[5]。3) 气体膨胀驱动装置[2]。4) 控制棒热膨胀强化驱动机构。俄罗斯的多种温度效应驱动非能动停堆组件[5]、日本的热膨胀强化驱动装置[8]、德国为欧洲快堆设计的Na膨胀驱动装置[9]，均属于这一类。5) Li注入装置[10]。

在当前的固态燃料钍基熔盐堆中采用两套独立的控制棒停堆系统，即主控制棒停堆系统和备用控制棒停堆系统，这些停堆系统确保钍基熔盐堆在事故工况时高安全性和可靠性。然而，当出现无保护失流(Unprotected Loss of Flow, ULOF)、无保护瞬态超功率(Unprotected Transient over Power, UTOP)和无保护热阱丧失(Unprotected Loss of Heat Sink, ULOHS)等未紧急停堆的预期瞬态(Anticipated Transient Without Scram, ATWS)时，两套停堆系统存在同时失效的可能性，堆芯可能会在较短时间内发生损毁[11-12]。因此，为进一步提高钍基熔盐堆核能系统的安全性，特别是针对其在ATWS时的安全性，提出了非能动停堆系统，以提高其在紧急事故工况时的安全停堆能力。

通过比较国内外水堆、快堆、气冷堆等多种堆型的非能动停堆系统，本文提出了一种新型的结构简单、非能动性能好、适用于钍基熔盐堆的高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置。本文将通过对高温剪断式触发装置二维结构进行设计、模拟分析，验证其在ULOF、UTOP、ULOHS等ATWS紧急事故工况时能够可靠剪断，实现钍基熔盐堆在10 s内快速启动非能动停堆系统的要求。

1 高温剪断式触发吸收球非能动装置

1.1 基本原理

高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置的基本原理为：将底部开有孔的B4C中子吸收球储球罐置于堆芯反射层上部专用通道，并通过薄壁挡板与反射层相隔开。在事故工况下，随着反应堆内温度不断升高，当温度超过设定限值时，采用高温敏感合金（力学特性发生陡降的合金）特殊设计而成的薄壁挡板性能迅速降低，B4C中子吸收球作用在薄壁挡板上的力超过其剪切应力而发生断裂，B4C中子吸收球依靠重力快速落入堆芯，实现钍基熔盐堆事故工况时的快速停堆。基本原理示意图如图1所示。

图1 高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置原理Fig.1 Schematic of passive shutdown device with high temperature shearing trigger absorber ball.

1.2 合金选择

依据ASME材料篇（2007版）[13]及Special Metal公司多种合金材料性能说明书，当设定温度在600-700 °C，材料的强度特性会出现陡降的合金主要有N06002：47Ni-22Cr-9Mo-18Fe、N06617：52Ni-22Cr-13Co-9Mo以及N06625：60Ni-22Cr-9Mo-3.5Cb，这三种合金的温度-抗拉强度变化见图2。

图2 三种合金温度-抗拉强度变化Fig.2 Tensile stress variation vs. temperature of three alloys.

由图2可知，N06002、N06617和N06625合金分别在625 °C、675 °C及650 °C时，抗拉强度出现陡降现象。当固态燃料钍基熔盐堆正常工作时，其堆芯出口温度在650 °C左右，为确保高温剪断式触发结构的高可靠性，设定当温度高于650 °C时薄壁挡板发生剪断，触发非能动停堆系统。因此，选择N06625合金作为高温敏感合金开展高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置设计。

Inconel 625合金在不同温度、不同应力作用下的蠕变断裂寿命如图3所示[14]。当温度达到649 °C及更高，作用在Inconel 625合金上的应力超过70MPa甚至达到数百MPa时，其蠕变断裂寿命依然可以达到100000 h。而初步估算作用在所设计的薄壁挡板上的应力不超过20 MPa，因此在未发生ATWS等事故的情况下，在8-10 a的设计寿期内不会发生蠕变断裂失效，可以忽略蠕变断裂失效对所设计的薄壁挡板的影响。

图3 Inconel 625合金蠕变断裂寿命Fig.3 Creep rupture life of Inconel 625 alloy.

Inconel 625合金在600-700 °C的材料基本属性变化如表1所示。

表1 Inconel 625合金材料属性Table 1 Material properties of Inconel 625 alloy.

1.3 结构设计

基于所提出的高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置的基本原理，通过在挡板两端进行薄壁设计，以实现当温度超过650 °C时，利用Inconel 625合金力学特性发生陡降的特点，薄壁挡板能够实现快速断裂响应。为了提高薄壁挡板的断裂响应状态及响应时间，在薄壁部分设计V型断裂槽，这样会在断裂槽处形成应力集中，控制薄壁挡板断裂的初始位置及扩展路径，实现薄壁挡板的快速断裂过程。

裂纹扩展模拟是固体力学中一种典型的不连续问题，其几何界面处的位移不连续性和端部的奇异性决定了其具有很强的复杂性。Abaqus 6.14的断裂力学分析功能是国际上公认较强的商业求解器之一，并不断推出重要的新功能：粘结单元、虚拟裂纹闭合技术、扩展有限元方法等，为学术研究和解决众多工程问题提供了有力的分析手段[15]。扩展有限元方法(Extended Finite Element Method, XFEM)是基于单位分解的思想，引入带有不连续性质的扩充形函数来代表间断。因为不连续场的描述与网格边界完全独立，所以不需要网格重构就可以方便地分析不连续问题，可以在未设置初始裂纹的情况下用于模拟任意性的裂纹扩展过程[16]。因此，在高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置断裂位置未知的情况下，本文将利用XFEM来模拟其断裂过程。

将V型断裂槽分别开设在薄壁部分内沿、中部及外沿部位，其具体结构尺寸如图4(a)、(b)、(c)所示。利用XFEM对薄壁挡板的二维结构在700 °C的响应状态进行模拟，将薄壁挡板两端固定，在二维模型上部设置10.5 N·mm-1的均布载荷，采用四结点线性减缩积分单元进行网格精密划分，局部模拟结果如图5(a)、(b)、(c)所示。通过对模拟结果的对比分析发现，在完全相同的边界条件及材料属性情况下，将V型断裂槽的位置开设在薄壁部分的中部时，其表现出最佳的断裂响应状态。因此，将选择中部开设V型断裂槽的薄壁挡板作为设计和研究对象，分析其稳态、瞬态断裂响应状态。

图4 薄壁挡板结构尺寸 (a) 内沿，(b) 中部，(c) 外沿Fig.4 Dimensions of thin-wall baffle structure. (a) Inner edge, (b) Middle part, (c) Outside edge

图5 不同位置断裂槽应力状态 (a) 内沿，(b) 中部，(c) 外沿Fig.5 Stress state at different fracture locations. (a) Inner edge, (b) Middle part, (c) Outside edge

2 断裂模拟

针对所设计的中部开设V型断裂槽的薄壁挡板的二维结构，当设定温度在600-700 °C内变化时，将利用Abaqus软件对薄壁挡板的断裂响应状态及响应时间进行稳态、瞬态断裂模拟，进一步分析其可行性与可靠性。

2.1 稳态模拟

当设定温度由650 °C匀速升高到700 °C时，将薄壁挡板两端固定，在二维模型上部设置10.3N·mm-1的均布载荷，利用Abaqus中的顺序耦合热应力分析对薄壁挡板进行断裂模拟，其断裂模拟过程如图6(a)-(f)所示。断裂模拟结果表明，随着温度的不断升高，V型断裂槽部位由于应力集中过大而不能承受B4C小球作用在其上边的作用力，在665 °C开始出现裂纹，并随着温度的继续升高，裂纹逐渐扩展，当温度升高到693 °C时，裂纹扩展完全并发生断裂。

图6 650 °C升高到700 °C断裂模拟过程(a) T=650 °C，(b) T=665 °C，(c) T=678 °C，(d) T=684 °C，(e) T=693 °C，(f) T=700 °CFig.6 Fracture simulation process from 650 °C to 700 °C.(a) T=650 °C, (b) T=665 °C, (c) T=678 °C, (d) T=684 °C, (e) T=693 °C, (f) T=700 °C

当设定温度由600 °C匀速升高到700 °C时，模拟结果表明，在低于650 °C时，薄壁挡板二维模型结构稳定，未出现裂纹扩展及断裂失效；而当设定温度升高到超过650 °C以后，V型断裂槽部位逐渐开始出现裂纹并不断扩展至断裂。

因此，当出现ULOF、UTOP、ULOHS等ATWS紧急事故工况时，随着反应堆内温度不断升高，所设计的薄壁挡板二维结构能够可靠剪断，B4C中子吸收球落入堆芯，实现快速停堆的作用。

2.2 瞬态模拟

2.2.1 载荷影响分析

由于B4C中子吸收球是以数个集中力的形式作用在薄壁挡板上，而前文均设定以均布载荷的形式进行模拟分析。为了验证载荷形式对模拟结果的影响，在同等载荷大小的情况下，分别以点载荷和均布载荷的形式作用在薄壁挡板上，设定温度在30 s内由650 °C匀速升高到700 °C，其断裂响应时间如图7所示。模拟结果表明，使用均布载荷代替点载荷进行断裂模拟，对最终的断裂响应时间影响不大。

图7 载荷形式对断裂时间的影响Fig.7 Influence of load forms on fracture time.

2.2.2 升温方式分析

在事故工况下，由于反应堆内温度升高方式处于不确定状态，在10.2-10.8 N·mm-1均布载荷下，当设定温度在30 s内分别以匀减速、匀速及匀加速从650 °C升高到700 °C时，所设计的薄壁挡板的断裂响应时间如图8所示。模拟结果表明，当作用载荷在10.3-10.6 N·mm-1变化时，其断裂响应时间分别稳定在4 s、10 s及8 s左右，均可以满足快速启动非能动停堆系统的要求。

2.2.3 温度波动分析

如前文所述，在事故工况下，由于反应堆内温度变化处于不确定状态，存在温度先升高后下降的情况。因此，为了提高所设计的薄壁挡板的可靠性，对其在温度波动时的状态进行模拟分析。

当设定温度升高到670 °C出现波动而降低时，所设计的薄壁挡板在不同载荷下的损伤状态如图9所示。由图9可知，设定温度在670 °C出现转折降低时，当作用在薄壁挡板上的均布载荷为10.3-10.6N·mm-1时，薄壁挡板会在1-3 s的短时间内出现裂纹损伤，但由于温度的降低使其不会继续扩展至断裂，不会触发B4C中子吸收球落入堆芯；当所施加的均布载荷大于10.6 N·mm-1时，薄壁挡板会在7 s内断裂，实现非能动停堆的要求。

图8 升温方式对断裂时间的影响Fig.8 Influence of temperature rising form on fracture time.

图9 温度波动时的损伤状态Fig.9 Damage state when temperature fluctuates.

此外，利用Abaqus中直接循环进行初步疲劳分析发现，设定温度波动到670 °C后下降，当出现数千次这样的循环时，薄壁挡板才会发生断裂。然而，钍基熔盐堆在正常工况运行时，依靠反应堆温度控制系统，堆芯温度不会出现多次异常波动和剧烈波动的情况，而堆芯出口温度会稳定在650 °C左右，因此不会出现温度多次波动到670 °C而发生疲劳断裂失效的情况。

因此， 设定作用在薄壁挡板上的均布载荷大小为10.3-10.6 N·mm-1，既可以实现在ULOF、UTOP、ULOHS等ATWS事故工况下4-10 s内触发非能动停堆装置的启动，又可以保证在非事故工况下温度异常升高到670 °C后随即降低时不会触发非能动停堆装置，进一步提高所设计的薄壁挡板的可靠性。

3 结语

非能动停堆系统是反应堆事故工况下核能安全的重要保障，本文提出了一种新型的高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置，并基于Abaqus软件对其二维结构的断裂状态进行模拟分析。模拟结果表明：1) 利用Inconel 625合金在650 °C力学特性发生陡降的特点，当作用在二维模型的均布载荷在10.2-10.8 N·mm-1范围时，设定温度从650 °C匀速升高到700 °C，V型断裂槽部位逐渐出现裂纹并不断扩展至完全断裂；而当设定温度低于650 °C时，所设计的二维结构稳定，不会出现裂纹及断裂情况。2) 设定温度在30 s内由650 °C升高到700 °C，当作用的均布载荷在10.3-10.6 N·mm-1范围时，该二维结构的断裂响应时间在4-10 s，可以实现在ATWS等事故工况下快速触发非能动停堆装置。3) 当作用在薄壁挡板上的均布载荷在10.3-10.6 N·mm-1范围时，既可以实现在紧急事故工况时非能动停堆装置的快速启动，又可以保证在非事故工况下，由于温度异常升高至670 °C后随即下降时不会启动非能动停堆系统，进一步提高其可靠性。

通过Abaqus软件对所提出的高温剪断式触发吸收球非能动停堆装置二维结构进行了模拟分析，表明所设计的开设V型断裂槽的薄壁挡板具有一定的可行性及可靠性，对未来钍基熔盐堆非能动停堆系统的工程设计提供一定的参考。

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Feasibility analysis on passive shutdown device with high temperature shearing trigger absorber ball

QIAO Yankai1,2,3CAO Yun1CHENG Maosong1DAI Zhimin1,2,3
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China) 2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) 3(ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China)

Background: The passive shutdown system is an important safety guarantee for the nuclear energy system in case of accidents. Purpose: This study aims to analyze the feasibility of the passive shutdown device with high temperature shearing trigger absorber ball to ensure and enhance the safety of thorium-based molten salt reactor (TMSR) nuclear energy system. Methods: Based on the mechanical properties steep drop from 650 °C to 700 °C of inconel 625 alloy, a thin-wall baffle made of this alloy is designed as the high temperature shearing trigger structure. The steady state and transient fault fracture simulation of the two dimensional structure are carried out by Abaqus software at different temperatures under accident conditions. Results: The simulation results show that the thin-wall baffle cracks within 4-10 s when the preset temperature exceeds 650 °C and continues rising. While it will notfracture under the non-accident condition when the temperature rises to 670 °C and then reduces immediately. Conclusion: The high temperature shearing trigger structure can reliably fracture to trigger the passive shutdown system under the emergency condition, and further enhance the safety of thorium-based molten salt reactor.

QIAO Yankai, male, born in 1991, graduated from Wuhan University of Science and Technology in 2014, master student, focusing on reactor

DAI Zhimin, E-mail: daizhimin@sinap.ac.cn

date: 2017-03-16, accepted date: 2017-04-12

Passive shutdown, High temperature shearing, Inconel 625 alloy, Abaqus, Fracture simulation

TL351.1

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.070605

中国科学院战略性先导科技专项(No.XD02001005)资助

乔延凯，男，1991年出生，2014年毕业于武汉科技大学，现为硕士研究生，研究方向为反应堆结构设计

戴志敏，E-mail: daizhimin@sinap.ac.cn

2017-03-16，

2017-04-12

Supported by Strategic Pilot Science and Technology Project of Chinese Academy of Sciences (No.XD02001005)

structural design