液態金屬冷卻反應堆主容器雙向密封特性分析

梁翰哲，柏云清，張 勇，師雪艷，宋 勇，汪建業

(1.中國科學技術大學 核科學技術學院，安徽 合肥 230026；2.中國科學院核能安全技術研究所 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥 230031)

液態金屬冷卻反應堆是第四代反應堆的重要堆型類型，一回路采用池式布局以液態金屬作為冷卻劑。液態金屬冷卻反應堆具有獨特的優良性能：安全性高、熱傳導高、燃料利用率高等特點。液態金屬冷卻反應堆主要包括鈉冷快堆和鉛或鉛合金冷卻快堆。國際上對液態金屬冷卻反應堆進行了廣泛而深入的研究，俄羅斯正研究鉛基反應堆商業化[1]；歐洲設計有ELSY反應堆型[2,3]；法國計劃建造先進鈉工藝工業示范快堆ASTRID[4]；美國擁有SSTAR系列反應堆[5]；日本對本國的鈉冷快堆“文殊堆”作了大量研究[6]；印度正在進行鈉冷快堆PFBR的研究[7]；中國實驗快堆CEFR已于2010年達到首次臨界[8]；中國科學院核能安全技術研究所/FDS團隊已完成系列鉛基反應堆概念設計及相關關鍵技術研究[9-19]。根據第四代核能系統國際論壇(GIF)的反應堆研究路線圖，液態金屬冷卻反應堆中的鉛基反應堆被認為是最先實現商業運行的第四代反應堆堆型[20]。

氣體密封是反應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。為了保障液態金屬冷卻反應堆的固有安全性，該類反應堆主容器的氣體壓強較小。不僅如此，在正常工況下，氣體壓強略小于外部環境氣壓，表現為微負壓；但是在一些基準事故工況下，主容器內部氣壓上升，超過了外部環境氣壓，表現為正壓[21,22]。

對于液態金屬冷卻反應堆主容器的雙氣壓模式的特點，目前還未見有文獻報道其雙向密封特性。本文采用壓水堆中已使用的雙道密封環布置結構[23]，分別研究兩種典型工況下，即正常運行的微負壓情況和基準事故工況下的正壓情況，使用有限元分析獲得了密封環在反應堆兩種典型工況下的非線性響應，再通過泄漏理論得到主容器的密封性能參數，初步分析了主容器雙向密封的基本特性。本文針對液態金屬冷卻反應堆的雙向密封特性分析是反應堆密封設計前期探索，可為該類反應堆設計提供一定的參考。

1 雙道密封環布置結構

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

金屬C型密封環結構由三部分組成，從內到外分別是O型繞絲彈簧，C型合金內覆面以及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，繞絲彈簧為密封環的本體，是密封環良好彈性性能的保證，密封環結構示意圖如圖1所示，材料的相關物性參數如表1[25]所示。

圖1 密封環示意圖

表1 密封環材料物性參數表

液態金屬冷卻反應堆在正常運行工況下，主容器內部氣壓低于外部氣壓，此時需要限制外部氣體進入內部環境而造成內部氣壓增大，外密封環主要起密封功能，內密封環作為冗余設計；而基準事故工況下當內部氣壓增加而大于外部環境氣壓時，內密封環成為主要密封的結構，起到限制氣體泄漏的作用，外密封環可以作為冗余設計目的。

2 密封性能分析

2.1 密封環有效性分析

主容器對氣體的密封主要通過密封環的壓縮與回彈來實現。如果密封環的回彈量大于密封環的徑向壓縮量，那么這個密封環有效；如果回彈量小于密封環徑向壓縮量，那么該密封環失效。

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

圖2 密封環壓縮—回彈曲線

由圖2可以看出，當密封環的壓縮量小于0.5 mm時，其壓縮量與線載荷近似成線性關系，其對應載荷約為600 N/mm。然而當壓縮量超過了0.5 mm之后，線載荷的增加對壓縮量的影響增大。說明當加載的載荷小于600 N/mm時，密封環為彈性形變；當加載于密封環的線載荷超過此值時，密封環開始發生塑性形變。載荷達到800 N/mm逐步卸去線載荷，密封環開始回彈，壓縮量減少。當載荷完全消除時，密封環并未恢復原來的形狀，產生了不可恢復的塑性形變。為了保證密封環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生，密封環的壓縮量應小于0.5 mm以保證其有效性。

2.2 密封結構分析

液態金屬冷卻反應堆一回路采用池式布局，主容器內包容有冷卻劑、堆內構件和設備、覆蓋氣體等。以某液態金屬冷卻反應堆為例，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、密封環等構成了主容器密封結構，密封結構涉及多種部件，結構復雜。因此在保證計算精度的前提下，為了提高計算效率，我們在模擬計算時將主容器結構進行了一定的等效簡化處理：

(3)整個計算模型選用二維模型，需要獲得的參數均能在二維模型中得到體現。

本文利用有限元分析軟件ANSYS對正常工況以及典型主容器內部壓強增加這兩種工況下的主容器密封進行模擬與分析。正常工況下，反應堆主容器內部壓強為微負壓，而在基準事故工況下，反應堆主容器內部壓強上升，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行情況下其密封狀況，在ANSYS中需要通過選擇合適的單元類型進行模擬。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力以及形變情況；對于其中存在的非線性接觸模擬，使用ANSYS的接觸單元進行模擬。

對于密封結構的氣密性評估，反映其性能的主要準則有密封環的最大應力，密封環上軸向位移U1、下軸向位移U2、徑向滑移量δ，其中δ=U1-U2。通過相應數據的提取與計算，求得了液態金屬冷卻反應堆正常運行工況以及基準事故工況下密封環的上、下軸向位移、軸向分離量等結果。具體如表2所示。

表2 反應堆兩種工況下密封環形變結果

對比密封環回彈曲線，可以看到兩種工況下，密封環壓縮均小于0.5 mm的限值，說明主容器在這兩種工況下，其處于有效密封狀態。對比兩種工況下徑向位移以及滑移量的差別，發現在基準事故工況下，密封環的徑向位移以及滑移量均略大于正常工況下的相應值。

同時，我們查看內外密封環的應力分布情況用以了解密封環各部位的應力值以及應力集中，其應力的分布如圖3、圖4所示。

圖3 正常工況密封環應力分布圖

圖4 基準事故工況下密封環應力分布圖

可以看到，內外兩個密封環的應力分布情況類似，其應力較大值出現于繞絲彈簧，由于繞絲彈簧是密封環的本體，承擔著壓縮回彈的作用，因此在受到壓力時，該部分會有較大的應力產生；而外覆面是直接與金屬壁面相接觸的部分，在密封環受到壓縮時，外覆面將產生大變形而填補金屬壁面的缺陷，這使接觸部分產生較大的應力。

查看密封環在工作時的接觸壓強，如圖5所示。從圖中可以看出，接觸壓強最大值出現于外覆面與壁面的接觸處，說明外覆面主要承擔了密封環與壁面貼合的功能。

圖5 密封環接觸壓強分布圖

同時在兩種工況之下，對應密封環的應力分布情況也相近，查看密封環的應力值，發現其數值存在著差別。兩種工況下密封環各部分的應力最大值如表3所示。

表3 反應堆兩種工況下密封環應力最大值

表3的結果表明，繞絲彈簧的應力最大值小于其材料的屈服強度，說明了這些部分能夠正常工作，并能保持良好的性能；而外覆面的應力峰值已經大于其屈服強度，一方面說明使用非線性模型模擬是必要的，另一方面說明外覆面已產生顯著的塑性形變，這對于密封是有益的，它既可以有效地填補法蘭壁面，同時能夠增加密封面的接觸面積；內覆面應力小于其屈服強度，均處于彈性形變范圍內，它能夠平穩的傳遞載荷，保護繞絲彈簧。在正常工況與基準設計事故這兩種工況下均有這樣的結論。

3 結論

本文針對液態金屬冷卻反應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型密封環布置結構，并利用有限元軟件ANSYS對主容器在正常運行工況以及基準事故工況下進行了密封環的接觸非線性分析，對主容器的雙向密封性能進行了初步評估。得到了以下結論：

(1)在正常工況下與基準事故工況下，密封環的壓縮量均在密封環有效的壓縮的限值之內，這樣密封環在被壓縮時能夠有足夠的回彈對金屬壁面進行貼合，表明密封環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事故工況下，密封環的繞絲彈簧在彈性形變范圍內，密封環主體能夠長期有效，表明密封環工作時均具有良好的彈性性能；密封環外覆面能與金屬法蘭壁面緊密貼合以減少泄漏通道。表明密封環能對于液態金屬冷卻反應堆的兩種工況下產生的壓強變化均提供良好的氣體密封；

(3)在兩種工況下，內外兩個密封環均能保持有效性。因此在正常工況下，外密封環能主要阻止外部氣體進入主容器內部，內密封環同時起到冗余作用；在基準事故工況下，內密封環主要起到防止主容器內部氣體泄漏至外部環境，同時外密封環作為冗余。

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

致謝

本工作得到國家自然科學基金(51408585)資助。感謝FDS團隊其他成員為本工作的順利進行提供的支持與幫助。