高溫堆堆芯支承結構比例模型抗震試驗研究

王德鑫，王洪濤，史 力，孫立斌

(清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084)

高溫氣冷堆(HTR)作為第4代反應堆發展堆型，采用氦氣進行冷卻，石墨作為慢化劑和反射層結構材料[1]。同時，HTR中的反應堆物理設計使其燃料和慢化劑有較大的負反應性系數，確保事故發生時可實現反應堆的自動停堆，且反應堆設有3道安全屏障來阻止放射性物質的釋放，反應堆的非能動余熱冷卻系統可避免發生堆芯熔化事故[2]。以上特點使得高溫氣冷堆安全性好并且能有效防止核擴散，高溫堆核電站的商業化、多用途價值也更高。

根據燃料元件形狀不同，國際上將高溫氣冷堆分為球床堆和柱狀堆兩類。柱狀堆主要是由美國和日本設計研發[3-4]，我國發展的HTR-10和HTR-PM高溫堆技術是繼承了德國的技術發展的球床式高溫堆概念，但實現了模塊化安全功能。石墨堆芯研究早期以生產堆(水冷)為主，因此堆芯結構較為簡單、運行參數不高，再加上技術主導國家地震少發，導致關于石墨結構的抗震研究基本空缺。各國的科研人員正致力于石墨堆芯結構動態特性研究，主要研究方向是模型計算和試驗研究[5-7]。

清華大學核能與新能源技術研究院(簡稱核研院)對HTR-PM進行的比較具有代表性的試驗有：石墨磚碰撞試驗[8]、1∶1雙層四磚組件的動態特性試驗[9]、1∶1單柱模型試驗[10]、1∶2雙層模型試驗[11]、1∶3包含金屬構件的完整側反射層試驗[12-13]、1∶4 石墨堆芯結構整體模型試驗[14]。本工作采用Seismosignal軟件對1∶4整體模型抗震試驗數據進行分析，系統研究石墨堆芯的抗震性能，以期為高溫氣冷堆堆芯支承結構抗震設計提供參考數據，為今后高溫氣冷堆商業電站的設計建造打下可靠的基礎。

1 HTR-PM堆芯

1.1 HTR-PM堆芯具有散體結構特點

HTR-PM的堆芯具有典型的散體結構特點，其結構如圖1所示[14-16]，石墨磚是通過石墨鍵-榫系統連接而成的堆砌結構，其連接方式及效果見圖2[14]，形成承載燃料球床的堆芯腔。熱和輻照載荷會引起石墨構件變形，為釋放這種變形，石墨堆內構件不能通過焊接或機械緊固形成一個連續體，只能設計成一個榫-鍵連接的帶有眾多間隙的散體結構，所以需依靠金屬堆芯支承結構從陶瓷(石墨和碳)堆芯支承結構的外圍對其進行可靠的支承和限位，以保證陶瓷堆芯支承結構的完整性。

圖1 HTR-PM主體結構圖Fig.1 Main structure diagram of HTR-PM

圖2 碳磚-石墨磚之間的鍵-榫連接方式Fig.2 Key-tenon connection between carbon brick and graphite brick

1.2 石墨堆芯散體結構帶來的問題

石墨堆芯支承結構的散體特性主要會造成兩方面問題：1) 地震激勵載荷的作用會導致石墨構件破損，從而破壞堆芯支承結構的完整性，若石墨碎片進入堆芯腔或各種反應性控制孔道，則會導致反應堆運行效率降低，甚至還會對反應堆安全運行造成較為嚴重的影響[17-18]；2) 強震下，位于石墨磚內的控制棒孔道伴隨石墨磚及石墨套筒的運動會發生一定變形，這些孔道的變形會對控制棒的自由下落造成阻礙，變形程度嚴重時甚至可能導致控制棒吸收體被變形的孔道卡澀，進而影響反應堆的功率調節和安全停堆。

盡管歷史上美、英、日、德等做過一些石墨構件抗震研究，但總體而言，國內外關于HTR的抗震研究和具體實例都缺乏系統性，HTR石墨堆芯散體結構的特點，也使它的抗震問題較為特殊。

2 試驗

2.1 試驗模型

試驗主要目的是評估HTR-PM石墨堆芯結構的抗震性能，因此對于石墨堆芯結構及其外界支承等邊界條件進行了盡可能接近實際堆芯情況的模擬簡化。石墨堆芯結構整體模型與真實石墨堆內構件保持嚴格的幾何相似比例關系，試驗模型模擬真實堆內構件主要特征包括：石墨堆內構件的外徑和高度、堆芯腔內徑和高度及底部漏斗形狀、控制棒孔道內徑和高度、堆芯殼對石墨堆內構件的外圍限位支承結構等，上述主要特征均按照1∶4比例進行了等比例縮小。堆芯模型簡化后的整體堆芯結構如圖3所示。筒身下部固定在金屬底座上，筒身與石墨堆芯之間留有空間并通過與石墨構件之間保留的金屬防旋鍵以及限位圓柱(圖4)模擬工字鋼實現側支承。每層側反射層石墨磚之間通過簡化的箍緊帶實現內徑向約束[19]。模型頂部設計有金屬定位壓板，通過螺栓固定在金屬筒身頂部并通過金屬圓榫與石墨頂反射層連接固定。

圖4 金屬防旋鍵、限位圓柱與石墨構件的連接方式Fig.4 Connection between metal anti-rotation key, limit of cylindrical and graphite component

根據前期幾個抗震試驗的經驗，本試驗在模型加速度的測量方面做出了一定優化，提高了加速度傳感器的采樣頻率。石墨磚上的加速度測量采用的是朗斯LC07型加速度傳感器[20]、PCB三向加速度傳感器以及泰司單向加速度傳感器。石墨磚上加速度傳感器的安裝主要是利用金屬筒上預留的觀察孔，其具體布置情況如圖5所示。

按照高度將磚的前綴記為S+高度，后綴記為1～15且逆時針開始編號；LC07型加速度傳感器標識為J3，PCB三向加速度傳感器B3以及泰司單向加速度傳感器為B2圖5 石墨磚上加速度傳感器布置圖Fig.5 Layout drawing of acceleration sensor on graphite brick

2.2 試驗過程及觀測情況

試驗設置了有球和無球兩種運行工況，有球條件下抗震試驗對應反應堆功率運行狀態，無球條件下抗震試驗對應反應堆安裝階段，這樣設置更符合真實情況。

根據國家核安全局發布的HAF·J0053《核設備抗震鑒定試驗指南》的具體要求[21]，對有球模型，進行了如下激勵：強震前后都施加0.2g的x、y、z向的白噪聲激勵，探查模型動態響應改變情況；功能驗證試驗進行了連續5次SL1運行基準地震和1次SL2安全停堆地震。無球模型功能驗證試驗中僅分別進行了1次SL1、1次SL2試驗。

在進行0.2g白噪聲掃頻時，有球模型的整體響應比較小。在功能驗證試驗時，模型產生明顯的響應，有球模型的主要試驗現象為：1) 整個模型隨振動臺劇烈高頻晃動，模型上部擺動幅度比較大；2) 石墨構件與周圍金屬構件發生明顯的碰撞，碰撞聲音的頻率較高，并持續整個加載過程；3) 試驗結束后，發現模型與振動臺連接的部分螺栓出現松動。無球模型與有球模型的試驗現象大體一致，在功能驗證試驗時，由于缺少了內部陶瓷球的支承，模型響應更明顯。

在有球、無球模型試驗中，SL1/SL2地震激勵下均進行了控制棒落棒模擬試驗，控制棒下落模擬系統如圖6所示，控制棒模擬件落棒試驗記錄列于表1。結果表明，在每次強震下控制棒均能順利下落。此外，控制棒在SL2工況下的下落時間要超過SL1工況，這與SL2工況下模型產生更大的形變有關。

圖6 控制棒下落模擬系統Fig.6 Control rod drop simulation system

表1 HTR-PM石墨堆芯結構1∶4整體模型抗震試驗控制棒模擬件落棒試驗記錄Table 1 Control rod simulation part drop rod test record of HTR-PM graphite core structure 1∶4 overall model seismic test

3 試驗結果分析

3.1 濾波參數

1∶4石墨堆芯結構整體模型抗震試驗結果是以加速度時程數據的形式給出，通過對加速度進行第1次積分，可得到速度時程曲線，再次積分則可得到位移時程曲線。對于模擬地震振動實驗室所測量的加速度數據直接積分得到的速度和位移時程曲線并不理想，特別是位移時程曲線，零線漂移現象特別明顯，這是因為實際試驗過程中存在噪音、滯后等因素，使得加速度時程曲線出現小的漂移，連續兩次積分后誤差被放大，因此需要對初始加速度時程曲線進行處理。

在未對加速度時程曲線進行處理時，位移時程曲線偏移量多達12 cm，這種偏移會使分析不符合真實試驗結果，為保證試驗結果的準確性，有必要對初始加速度曲線進行基線校正和濾波。對于加速度初始數據的處理選擇Butterworth濾波器，4階濾波，因為x向為主振方向，根據模擬地震振動實驗室給出的有球模型檢驗報告中試驗反應譜(TRS)與要求反應譜(RRS)在x向的曲線(圖7)，可看出在低頻時無法滿足試驗反應譜(TRS)盡可能包絡要求反應譜(RRS)的原則，即低頻時采集的信息不可信，所以在積分時需進行截斷，根據圖像，濾波的下截止頻率選0.2 Hz，上截止頻率選33 Hz(一般認為的剛體固有頻率)。按上述參數濾波后，選擇的測點的位移時程曲線偏移量只有0.17 mm，在工程測量精度可接受范圍內，評估認為上述數據分析處理方法合理可信。

圖7 第5次 SL1 x向試驗反應譜(TRS)與要求反應譜(RRS)Fig.7 The fifth SL1 x-direction test response spectrum (TRS) and required response spectrum (RRS)

3.2 加速度

按上述參數對初始加速度進行濾波處理后，得出了一系列新的加速度極值，整理成較為直觀的加速度隨磚高度的變化曲線(圖8)。分析圖8可得出以下結論：隨磚高度的增加，加速度最大值增大，最高處的磚加速度減小，考慮與模型頂部設計的金屬定位壓板有關系；T向(代表切向)加速度整體小于R向(代表徑向)加速度，一是因為振動臺臺面加速度不同，二是因為加速度放大系數在x、y方向不同；SL2試驗整體加速度大于SL1試驗的，是因為經歷振動后內部支承更為緊實，模型的響應更為明顯。

圖8 加速度數據處理結果Fig.8 Acceleration data processing result

3.3 位移

對加速度進行二次積分得到位移，相鄰兩層石墨磚之間的相對位移應滿足控制棒可正常下落的要求。SL1/SL2地震激勵下均進行了控制棒落棒模擬試驗，試驗現場實時觀測到：在有球、無球模型試驗中，每次強震下控制棒均能順利下落。圖9為有球模型6次試驗(5次SL1和1次SL2)和無球模型2次試驗(SL1、SL2各1次)過程中，安裝有加速度計的5塊石墨磚的位移隨模型高度的變化情況，分析可得出以下結論。

圖9 位移數據處理結果Fig.9 Displacement data processing result

1) 可看出，底層石墨磚隨振動臺在R向的活動范圍為-3～3 cm，說明底層石墨磚在榫鍵固定作用以及上層石墨構件的壓力下，不會出現大的相對位移。

2) 由對這一列自下而上5塊石墨磚(分別是S17-15、S13-15、S10-15、S7-15、S5-15)的動態位移的分析結果可看出，最上部兩磚(對應位置為側反射層上部)加速度采集可能存在一定問題，軟件積分結果明顯偏大。底下3塊磚(對應位置為側反射層的中、下部)屬于正常范圍。其中無論是T向還是R向，其最大位移是逐漸增加的，這是由于石墨構件間隙逐層積累造成的。

3) SL2試驗整體位移大于SL1試驗的，考慮是因為經歷振動后內部支承更為緊實，模型的響應更為明顯，模型擺動幅度更大。

4 結論

本文針對HTR-PM石墨堆芯結構1∶4整體模型抗震試驗數據，結合現場觀測情況，對整體模型的加速度和位移變化規律進行了研究和分析，得出的主要結論如下。

1) 在有球、無球模型試驗中，SL1/SL2地震激勵下均進行的控制棒落棒模擬試驗結果表明，在每次強震下控制棒均能順利下落，現場觀測證實其設計強度和剛度足夠應對地震激勵。

2) 模型拆除時根據現場觀測發現，所有石墨磚都保持結構完整，石墨榫-鍵均無損壞，承載部位有明顯地震載荷下承受反復交變載荷的受壓痕跡，但未發生斷裂，證明其設計強度足夠應對地震激勵；石墨磚與箍緊帶和防旋鍵之間的作用痕跡體現了箍緊帶和防旋鍵分別對石墨磚外表面徑向和切向的良好約束能力。

3) 結合原始試驗數據，對加速度數據進行濾波處理后，可知模型的加速度隨著模型高度的增加而增大。在對數據進行整理后，證實了“磚的位置越高，其響應振幅越大”，而且結合位移具體數據，可證明其中無論是T向還是R向位移值均屬于正常范圍，即滿足控制棒正常落棒的要求。

本工作是HTR-PM堆內構件在地震激勵下結構完整性及安全可靠性的工程驗證。研究結果可為今后高溫氣冷商業電站的設計提供基礎依據，也可為具有石墨堆芯結構的熔鹽堆等反應堆型研發提供參考。