堆芯跌落事故缓冲装置分析

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1、Vo112，No．2第12卷第2期．99】年4月Apr】90i堆芯跌落事故缓冲装置分析姚伟达张慧娟彭勇勇(上梅核工程研究设计院)本文主要研究堆芯缓冲装置在撞击时的塑性动态过程·选择台理的尺寸，减少动荷系数t以确保堆芯和压力容器的安全。关■一难芯，趺落，缓冲装置，塑性．一、概述安置在吊篮底部的缓冲装嚣的功能是：在堆芯突然发生跌落事故时起到缓冲作用，大幅度降低对压力容器底部的撞击力，防止因压力容器破损而产生严重后果。堆杰构件防断底板与压力容器球底的热态间隙为14ram，如果不设置缓冲装置，堆芯趺落时对压力容器底部的瞬态撞击力将是堆芯重量

2、的几百倍，可能造成压力容器破裂而引起放射性物质外泄的严重后果。禺篮底部安置的缓冲组件如图l所示。当堆芯下落时与压力容器底部撞击瞬间，缓冲器内缓冲套筒瞬间进入塑性流动状态，将太部分冲击动能转化为塑性变形能，从而对压力容器底部的撞击力大幅度降低。本文针对堆芯突然跌落事故工况的要求，对缓冲装置进行如下三方面的分析：①选择合理的缓冲套筒尺寸参数，使压力容器底部所受的撞击力比较小图i缓冲装置简图@撞击力作用下压力容器底封头的动应力分析计算。1一支撑柱2一缓冲套筒2一筒体：‘一防断底坂③支承柱的动态失稳分析。5一压力容器下封头。二、缓冲器撞击力

3、推导堆芯在水中总重为Wo，缓冲器在撞击时的变形速度为口(r)，刚动能为1990年‘月12日收稿．一{(孚)扩设初始撞击速度口。至撞击结束v=OZ同的时间为称为撞击时间。按撞击过程的功率转换原理可表示为-Ⅳl十Ⅳi+Ⅳ(2)式中，Nt()为缓冲套筒在塑性状态下的理想变形功率，Ⅳ。(t)为缓冲套筒自身惯性力产生的功率JⅣ。(1)为缓冲套筒摩擦耗损功率。；／ll}忽略弹性变形功率与热耗功率转移．而材料流动应力与变形速度无关。缓冲套筒在某时刻t的瞬态高度为

4、内半径和图2埋冲套茼简图外半径为l、r：(图2)，变形速度假设为v，=一{l_r+一

5、一o，·=。(3)式中，、、为缓冲套筒内质点的径向、环向和轴向变形速度，为==^的端面上速度．鲁百；。鲁百；軎百⋯=警一旷(L4)J质点应变速度则为at,r口r。一一=一(5)mrz，百=+一。式(5)满足e，+．+e，=0的体积速率不变条件，应用Mises塑性条件，式(2)中理想塑性变形功率可得到Ⅳ。一等等j√d(6)葚申√为期性流动状态下的应变速率强度，√7_。号√[(一+(．一e十(。一e∥+詈(r；一十r：，+r；。)]“(7)式(5)代入(7)后得到√厂=，再代入(6)后为一j：(z~rr)drd一mn(8)质点惯性力功率

6、Ⅳi为2O(总l16)Ⅳ2：ff．vdV=pj(a+。)d=(_寄}+詈)(。)Ara≈0而=孚一。(10再将式(8)，(9)，ClO)代入式(2)，整理后得到^(，)，vO)，8(，)的常微分方程(--j1一鲁)。=一夤一。(11)式中：r。为缓冲套筒平均半径}p为质量密度}，，z。，W。为缓冲套筒总质量和总重量}W为堆芯的四分之一重量。为仅与变形量有关的材料流动极限，当冲击负载作用下和材料拉伸应变速度较大时的关系式近似为[1n(一)]‘(12)其中，^o为套筒初始高度}。和n是与材料性质有关的参数。方程(11)的初始条件为：t=

7、o时^一^o，=(13)端面上的碰撞力为：F(，)一8=(14)={称为缓冲系数。三，堆芯跌落撞击力计算计算参数：。=52．4cm／ssp=7．95x10。。kglcmI一O．27MN缓冲套筒尺寸采用6种方案(表1)。寰l■冲奎■肯毒方案1566，皿皿101olo10l010^0，皿皿B080100i0012012Or-．皿m405o40504050mo．k窖1．60．o2．02．52．43．0对方程(11)用龙格一库塔法取时间步长At==0．01ms逐格计算§归=0时撞击结束，6种方案计算的^(，)、口(，)和F(f)变化曲线分别

8、示于图3，4，5。主要结果列于表2。囊2B种肯毒蕾■比较方案i3}45B△^．mm4．553．T6‘703．9O‘．834．28F_：．MNo．9601．167O．93I1．1540．9121．105f．m5I632t‘T1B．83J13．帅i7．钾i4．283．60I．383．50j4．253．424．1I(总117)21堕丁问，．ms时f．I-图3变形^()曲线图4变形速度p(t)曲线I4z12=。苎主I148l11∞时问，，ms图5掩击力F(f)曲线驾6压力容器底部所受撞击力分布表中的△^为轴向变形量

9、F⋯为最大瞬态撞击力

10、f

11、为撞击过程的时间Jq⋯为最大力F⋯作用的缓冲系数。其中方案5的缓冲系数最小，变形量最大，为目前设计中所采用。四，堆芯趺落时压力容器应力计算堆芯跌落时，缓冲装置的底板直接与压力窖器底部接触，作用在球底壳面上是一个环带分布的撞击力(图6)