梁翰哲，柏云清，張 勇，師雪艷，宋 勇，汪建業(yè)

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆是第四代反應(yīng)堆的重要堆型類(lèi)型，一回路采用池式布局以液態(tài)金屬作為冷卻劑。液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆具有獨(dú)特的優(yōu)良性能：安全性高、熱傳導(dǎo)高、燃料利用率高等特點(diǎn)。液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主要包括鈉冷快堆和鉛或鉛合金冷卻快堆。國(guó)際上對(duì)液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆進(jìn)行了廣泛而深入的研究，俄羅斯正研究鉛基反應(yīng)堆商業(yè)化[1]；歐洲設(shè)計(jì)有ELSY反應(yīng)堆型[2,3]；法國(guó)計(jì)劃建造先進(jìn)鈉工藝工業(yè)示范快堆ASTRID[4]；美國(guó)擁有SSTAR系列反應(yīng)堆[5]；日本對(duì)本國(guó)的鈉冷快堆“文殊堆”作了大量研究[6]；印度正在進(jìn)行鈉冷快堆PFBR的研究[7]；中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆CEFR已于2010年達(dá)到首次臨界[8]；中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所/FDS團(tuán)隊(duì)已完成系列鉛基反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究[9-19]。根據(jù)第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF)的反應(yīng)堆研究路線(xiàn)圖，液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆中的鉛基反應(yīng)堆被認(rèn)為是最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行的第四代反應(yīng)堆堆型[20]。

氣體密封是反應(yīng)堆安全性的重要方面，主容器良好的氣密性也是主容器完整性與可靠性的重要組成部分。為了保障液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的固有安全性，該類(lèi)反應(yīng)堆主容器的氣體壓強(qiáng)較小。不僅如此，在正常工況下，氣體壓強(qiáng)略小于外部環(huán)境氣壓，表現(xiàn)為微負(fù)壓；但是在一些基準(zhǔn)事故工況下，主容器內(nèi)部氣壓上升，超過(guò)了外部環(huán)境氣壓，表現(xiàn)為正壓[21,22]。

對(duì)于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主容器的雙氣壓模式的特點(diǎn)，目前還未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道其雙向密封特性。本文采用壓水堆中已使用的雙道密封環(huán)布置結(jié)構(gòu)[23]，分別研究?jī)煞N典型工況下，即正常運(yùn)行的微負(fù)壓情況和基準(zhǔn)事故工況下的正壓情況，使用有限元分析獲得了密封環(huán)在反應(yīng)堆兩種典型工況下的非線(xiàn)性響應(yīng)，再通過(guò)泄漏理論得到主容器的密封性能參數(shù)，初步分析了主容器雙向密封的基本特性。本文針對(duì)液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的雙向密封特性分析是反應(yīng)堆密封設(shè)計(jì)前期探索，可為該類(lèi)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 雙道密封環(huán)布置結(jié)構(gòu)

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆采用內(nèi)外雙通道C型金屬密封環(huán)布置。C型密封環(huán)具有彈性良好、外表面柔軟、與反應(yīng)堆相適應(yīng)性強(qiáng)、加工成熟等特點(diǎn)，在反應(yīng)堆中得到了廣泛的應(yīng)用[24]。密封環(huán)被安放在主容器頂蓋的凹槽中，通過(guò)螺栓的擰緊，頂蓋與支撐構(gòu)件相互靠攏以擠壓密封環(huán)，使其產(chǎn)生形變，通過(guò)外層的較軟材料與壁面緊密貼合以填補(bǔ)金屬壁面的微觀間隙。

金屬C型密封環(huán)結(jié)構(gòu)由三部分組成，從內(nèi)到外分別是O型繞絲彈簧，C型合金內(nèi)覆面以及C型金屬外覆面，其使用的材料分別為inconel718合金，inconel600合金以及銀。其中，繞絲彈簧為密封環(huán)的本體，是密封環(huán)良好彈性性能的保證，密封環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，材料的相關(guān)物性參數(shù)如表1[25]所示。

圖1 密封環(huán)示意圖

表1 密封環(huán)材料物性參數(shù)表

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆在正常運(yùn)行工況下，主容器內(nèi)部氣壓低于外部氣壓，此時(shí)需要限制外部氣體進(jìn)入內(nèi)部環(huán)境而造成內(nèi)部氣壓增大，外密封環(huán)主要起密封功能，內(nèi)密封環(huán)作為冗余設(shè)計(jì)；而基準(zhǔn)事故工況下當(dāng)內(nèi)部氣壓增加而大于外部環(huán)境氣壓時(shí)，內(nèi)密封環(huán)成為主要密封的結(jié)構(gòu)，起到限制氣體泄漏的作用，外密封環(huán)可以作為冗余設(shè)計(jì)目的。

2 密封性能分析

2.1 密封環(huán)有效性分析

主容器對(duì)氣體的密封主要通過(guò)密封環(huán)的壓縮與回彈來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果密封環(huán)的回彈量大于密封環(huán)的徑向壓縮量，那么這個(gè)密封環(huán)有效；如果回彈量小于密封環(huán)徑向壓縮量，那么該密封環(huán)失效。

為了研究密封環(huán)的回彈性能，本文使用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬。熊光明等[26]指出，可以使用當(dāng)量圓筒模型對(duì)密封環(huán)的繞絲彈簧進(jìn)行良好的近似模擬。由于密封環(huán)的壓縮，很可能存在壓縮過(guò)大而造成塑性形變，存在較大的非線(xiàn)性過(guò)程，這時(shí)常規(guī)的線(xiàn)性模型無(wú)法正確地模擬密封環(huán)受壓縮過(guò)程。蔡立勛等[27]指出，非線(xiàn)性等向強(qiáng)化本構(gòu)模型可以很好模擬Inconel718合金的非線(xiàn)性材料模型，Inconel600合金以及銀使用多線(xiàn)性等向強(qiáng)化材料模型進(jìn)行模擬。根據(jù)密封環(huán)的對(duì)稱(chēng)性，采用密封環(huán)的一半模型，通過(guò)在其表面加載一定的線(xiàn)載荷到達(dá)800 N/mm，而后逐漸減少至0的加載形式，以此查看密封環(huán)的形變情況。通過(guò)處理模擬結(jié)果，得到了常溫下該密封環(huán)的壓縮—回彈曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 密封環(huán)壓縮—回彈曲線(xiàn)

由圖2可以看出，當(dāng)密封環(huán)的壓縮量小于0.5 mm時(shí)，其壓縮量與線(xiàn)載荷近似成線(xiàn)性關(guān)系，其對(duì)應(yīng)載荷約為600 N/mm。然而當(dāng)壓縮量超過(guò)了0.5 mm之后，線(xiàn)載荷的增加對(duì)壓縮量的影響增大。說(shuō)明當(dāng)加載的載荷小于600 N/mm時(shí)，密封環(huán)為彈性形變；當(dāng)加載于密封環(huán)的線(xiàn)載荷超過(guò)此值時(shí)，密封環(huán)開(kāi)始發(fā)生塑性形變。載荷達(dá)到800 N/mm逐步卸去線(xiàn)載荷，密封環(huán)開(kāi)始回彈，壓縮量減少。當(dāng)載荷完全消除時(shí)，密封環(huán)并未恢復(fù)原來(lái)的形狀，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性形變。為了保證密封環(huán)能夠在被壓縮之后能夠有效回彈，其使用必須避免失效情況的發(fā)生，密封環(huán)的壓縮量應(yīng)小于0.5 mm以保證其有效性。

2.2 密封結(jié)構(gòu)分析

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆一回路采用池式布局，主容器內(nèi)包容有冷卻劑、堆內(nèi)構(gòu)件和設(shè)備、覆蓋氣體等。以某液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆為例，直徑為4.4 m、高為7 m的圓柱形筒體，在主容器上方有覆蓋氣體。筒體、頂蓋、螺栓、凹槽、密封環(huán)等構(gòu)成了主容器密封結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)涉及多種部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此在保證計(jì)算精度的前提下，為了提高計(jì)算效率，我們?cè)谀M計(jì)算時(shí)將主容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的等效簡(jiǎn)化處理：

(3)整個(gè)計(jì)算模型選用二維模型，需要獲得的參數(shù)均能在二維模型中得到體現(xiàn)。

本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)正常工況以及典型主容器內(nèi)部壓強(qiáng)增加這兩種工況下的主容器密封進(jìn)行模擬與分析。正常工況下，反應(yīng)堆主容器內(nèi)部壓強(qiáng)為微負(fù)壓，而在基準(zhǔn)事故工況下，反應(yīng)堆主容器內(nèi)部壓強(qiáng)上升，大于外部氣壓而成為正壓。為了可以較好地模擬主容器在運(yùn)行情況下其密封狀況，在ANSYS中需要通過(guò)選擇合適的單元類(lèi)型進(jìn)行模擬。在此，所有的模型二維單元采用PLANE182單元模擬，該單元可以較好地模擬平面模型的應(yīng)力以及形變情況；對(duì)于其中存在的非線(xiàn)性接觸模擬，使用ANSYS的接觸單元進(jìn)行模擬。

對(duì)于密封結(jié)構(gòu)的氣密性評(píng)估，反映其性能的主要準(zhǔn)則有密封環(huán)的最大應(yīng)力，密封環(huán)上軸向位移U1、下軸向位移U2、徑向滑移量δ，其中δ=U1-U2。通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)的提取與計(jì)算，求得了液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況以及基準(zhǔn)事故工況下密封環(huán)的上、下軸向位移、軸向分離量等結(jié)果。具體如表2所示。

表2 反應(yīng)堆兩種工況下密封環(huán)形變結(jié)果

對(duì)比密封環(huán)回彈曲線(xiàn)，可以看到兩種工況下，密封環(huán)壓縮均小于0.5 mm的限值，說(shuō)明主容器在這兩種工況下，其處于有效密封狀態(tài)。對(duì)比兩種工況下徑向位移以及滑移量的差別，發(fā)現(xiàn)在基準(zhǔn)事故工況下，密封環(huán)的徑向位移以及滑移量均略大于正常工況下的相應(yīng)值。

同時(shí)，我們查看內(nèi)外密封環(huán)的應(yīng)力分布情況用以了解密封環(huán)各部位的應(yīng)力值以及應(yīng)力集中，其應(yīng)力的分布如圖3、圖4所示。

圖3 正常工況密封環(huán)應(yīng)力分布圖

圖4 基準(zhǔn)事故工況下密封環(huán)應(yīng)力分布圖

可以看到，內(nèi)外兩個(gè)密封環(huán)的應(yīng)力分布情況類(lèi)似，其應(yīng)力較大值出現(xiàn)于繞絲彈簧，由于繞絲彈簧是密封環(huán)的本體，承擔(dān)著壓縮回彈的作用，因此在受到壓力時(shí)，該部分會(huì)有較大的應(yīng)力產(chǎn)生；而外覆面是直接與金屬壁面相接觸的部分，在密封環(huán)受到壓縮時(shí)，外覆面將產(chǎn)生大變形而填補(bǔ)金屬壁面的缺陷，這使接觸部分產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

查看密封環(huán)在工作時(shí)的接觸壓強(qiáng)，如圖5所示。從圖中可以看出，接觸壓強(qiáng)最大值出現(xiàn)于外覆面與壁面的接觸處，說(shuō)明外覆面主要承擔(dān)了密封環(huán)與壁面貼合的功能。

圖5 密封環(huán)接觸壓強(qiáng)分布圖

同時(shí)在兩種工況之下，對(duì)應(yīng)密封環(huán)的應(yīng)力分布情況也相近，查看密封環(huán)的應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值存在著差別。兩種工況下密封環(huán)各部分的應(yīng)力最大值如表3所示。

表3 反應(yīng)堆兩種工況下密封環(huán)應(yīng)力最大值

表3的結(jié)果表明，繞絲彈簧的應(yīng)力最大值小于其材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明了這些部分能夠正常工作，并能保持良好的性能；而外覆面的應(yīng)力峰值已經(jīng)大于其屈服強(qiáng)度，一方面說(shuō)明使用非線(xiàn)性模型模擬是必要的，另一方面說(shuō)明外覆面已產(chǎn)生顯著的塑性形變，這對(duì)于密封是有益的，它既可以有效地填補(bǔ)法蘭壁面，同時(shí)能夠增加密封面的接觸面積；內(nèi)覆面應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，均處于彈性形變范圍內(nèi)，它能夠平穩(wěn)的傳遞載荷，保護(hù)繞絲彈簧。在正常工況與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)事故這兩種工況下均有這樣的結(jié)論。

3 結(jié)論

本文針對(duì)液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主容器密封氣體的雙向密封特殊性要求，考慮在主容器與頂蓋連接處布置雙通道金屬C型密封環(huán)布置結(jié)構(gòu)，并利用有限元軟件ANSYS對(duì)主容器在正常運(yùn)行工況以及基準(zhǔn)事故工況下進(jìn)行了密封環(huán)的接觸非線(xiàn)性分析，對(duì)主容器的雙向密封性能進(jìn)行了初步評(píng)估。得到了以下結(jié)論：

(1)在正常工況下與基準(zhǔn)事故工況下，密封環(huán)的壓縮量均在密封環(huán)有效的壓縮的限值之內(nèi)，這樣密封環(huán)在被壓縮時(shí)能夠有足夠的回彈對(duì)金屬壁面進(jìn)行貼合，表明密封環(huán)在兩種情況下均能保持工作有效性；

(2)在正常工況下與基準(zhǔn)事故工況下，密封環(huán)的繞絲彈簧在彈性形變范圍內(nèi)，密封環(huán)主體能夠長(zhǎng)期有效，表明密封環(huán)工作時(shí)均具有良好的彈性性能；密封環(huán)外覆面能與金屬法蘭壁面緊密貼合以減少泄漏通道。表明密封環(huán)能對(duì)于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的兩種工況下產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化均提供良好的氣體密封；

(3)在兩種工況下，內(nèi)外兩個(gè)密封環(huán)均能保持有效性。因此在正常工況下，外密封環(huán)能主要阻止外部氣體進(jìn)入主容器內(nèi)部，內(nèi)密封環(huán)同時(shí)起到冗余作用；在基準(zhǔn)事故工況下，內(nèi)密封環(huán)主要起到防止主容器內(nèi)部氣體泄漏至外部環(huán)境，同時(shí)外密封環(huán)作為冗余。

以上的結(jié)論可以表明，主容器布置的雙通道C型金屬密封環(huán)，可以使液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆主容器的氣體得到了有效的密封，達(dá)到了主容器氣體雙向密封的功能。

致謝

本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(51408585)資助。感謝FDS團(tuán)隊(duì)其他成員為本工作的順利進(jìn)行提供的支持與幫助。