反应堆流量分配组件的地震响应研究

金秋水， 丁绍军， 杨翊仁， 鲁 丽

(西南交通大学 力学与工程学院， 四川 成都 610031)

0 引 言

通常，地震工况下反应堆堆内构件的动力学分析是核电厂安全设计和审核的必要工作之一[1].反应堆流量分配组件是堆内构件的重要组成部分，它直接影响堆芯冷却剂流动的均匀程度及结构安全，对其进行地震工况下的响应分析具有重要意义[2-5].对此，本研究利用ANSYS软件得到了流量分配组件在空气与静水中的固有频率，分析了流体附加质量对固有频率的影响，并采用经土建结构地震分析得到的结构支承处的时程加速度作为输入荷载，对结构在空气和静水中的地震响应进行了研究.

1 结构简述

本研究分析的反应堆结构如图1所示，其主要由压力容器、顶盖、吊篮筒体、燃料组件、控制棒驱动组件、下支撑板、流量分配组件等构成.其中，流量分配组件呈悬空状设置于压力容器内并固定在下支撑板上，四周开设有若干分流孔，中心布置有一块开孔薄板(见图2).回路冷却剂由入口接管流入压力容器，经下降段进入底部腔室，然后流经流量分配组件、堆芯等，最后从出口接管流出.在此过程中，流量分配组件对堆芯内冷却剂的流动起着重要的分配作用.

图1反应堆结构示意图

图2圆筒形流量分配组件

2 振动特性与地震响应分析

2.1 振动特性计算

本研究首先采用ANSYS软件对流量分配组件在空气与静水中的固有特性进行研究.其结构部分选用实体建模，流体部分则采用Fluid30单元进行模拟，以考虑流体附加质量对结构固有特性的影响.Fluid30为流体声单元，常用于解决流固耦合问题，该单元共有8个节点，每个节点有4个自由度，包括X、Y、Z3个方向的位移自由度和1个压力自由度.流量分配组件法兰部分采用映射网格划分，其余部分均采用自由网格划分.流量分配组件在空气与静水中的有限元模型如图3所示.

图3流量分配组件有限元模型

流量分配组件的相关参数为：材料为奥氏体不锈钢，其弹性模量E为176 GPa,泊松比μ为0.3，密度ρs为7 850 kg/m3；常温下水的材料属性中，声速c为1 400 m/s，密度ρl为1 000 kg/m3.

流量分配组件上部为法兰固支约束，通过模态计算分别得到结构在空气和静水中的前5阶固有频率，结果见表1.

表1 流量分配组件在空气与静水中前5阶固有频率

由表1可知，与空气环境相比，结构在静水中对应的各阶固有频率均有所下降，其1阶振动频率降低约21.5%.这是由于在静水中，考虑了流体附加质量对结构固有特性的影响，从而导致结构振动频率降低.

由模态分析结果可知，结构的前4阶振型主要体现在中心隔板上，结构未出现明显的梁式与壳式变形.这是由于流量分配组件整体刚度较大，中心隔板刚度相对较小，相较于法兰与筒壁，中心隔板更易产生变形.

流量分配组件在空气中隔板处的前4阶振型如图4所示.由于结构的对称性，其2阶、3阶振型出现了重频现象，结构在静水中的各阶振型与在空气中的基本相同.

2.2 地震响应分析

本研究的地震响应分析采用瑞利阻尼矩阵，

[c]=α[M]+β[K]

(1)

式中，α为质量阻尼系数，β为刚度阻尼系数，Μ为质量阵，Κ为阻尼阵.其中α，β可通过下式求解，

ζi=α/(2ωi)+βωi/2

(2)

图4流量分配组件中心隔板处前4阶振型图

式中，ωi为阻尼比ζi所对应的结构圆频率，通常选取结构最重要的2个频率值对α,β进行求解.本研究分别选用结构在空气与静水中的前2阶固有频率(415.41 Hz、707.10 Hz与325.90 Hz、558.54 Hz)，阻尼比取1%(反应堆系统在地震作用下，其临界阻尼比通常取1%)，计算α，β.

计算时，采用经土建结构地震分析得到的流量分配组件支承处的时程加速度作为输入荷载，计算总时长为8 s，时间间隔为0.01 s，地震波X方向加速度时程曲线见图5.以监测流量分配组件典型位置处的响应.

图5 X方向地震波时间历程曲线

定义关键点：关键点1位于中心隔板处，关键点2位于流量分配组件筒壁底端，关键点3位于流量分配组件筒壁中部(见图2).本研究采用位移响应的均方根值来判断流量分配组件各关键点处节点的位移响应大小，考虑其X、Y、Z3个方向的位移，其位移响应均方根为，

(3)

(4)

式中，N为计算时间步数.

流量分配组件在空气与静水中2种工况下1号关键点处X方向的位移时程曲线如图6所示.位移响应均方根的计算采用了第3～8 s间“稳定段”的响应数据，表2给出了各关键点处位移响应均方根值.

图6 1号关键点处X方向位移均方根响应

由表2可知，在空气与静水中，1号关键点处响应均方根均明显大于2、3号关键点处的响应均方根.同时，地震工况下流量分配组件在静水中的均方根响应大于结构在空气中的位移响应，结构在静水中的固有频率低于其在空气中对应的频率.因此，在同一激励下，静水环境下结构响应较大.

3 结 论

本研究对反应堆流量分配组件在空气和静水中的地震响应进行了研究，得出如下结论：在空气与静水中，反应堆流量分配组件前4阶振型主要体现在中心隔板上，与空气中相比，结构在静水中对应的各阶振动频率均有所降低，其1阶振动频率降低率约为21.5%；相较于流量分配组件法兰、筒壁，中心隔板处位移响应较大；流量分配组件在静水中的位移响应明显大于结构在空气环境中对应的响应，且结构在空气与静水中的位移响应均为微米级.