王德鑫，王洪涛，史 力，孙立斌
(清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)
高温气冷堆(HTR)作为第4代反应堆发展堆型，采用氦气进行冷却，石墨作为慢化剂和反射层结构材料[1]。同时，HTR中的反应堆物理设计使其燃料和慢化剂有较大的负反应性系数，确保事故发生时可实现反应堆的自动停堆，且反应堆设有3道安全屏障来阻止放射性物质的释放，反应堆的非能动余热冷却系统可避免发生堆芯熔化事故[2]。以上特点使得高温气冷堆安全性好并且能有效防止核扩散，高温堆核电站的商业化、多用途价值也更高。
根据燃料元件形状不同，国际上将高温气冷堆分为球床堆和柱状堆两类。柱状堆主要是由美国和日本设计研发[3-4]，我国发展的HTR-10和HTR-PM高温堆技术是继承了德国的技术发展的球床式高温堆概念，但实现了模块化安全功能。石墨堆芯研究早期以生产堆(水冷)为主，因此堆芯结构较为简单、运行参数不高，再加上技术主导国家地震少发，导致关于石墨结构的抗震研究基本空缺。各国的科研人员正致力于石墨堆芯结构动态特性研究，主要研究方向是模型计算和试验研究[5-7]。
清华大学核能与新能源技术研究院(简称核研院)对HTR-PM进行的比较具有代表性的试验有：石墨砖碰撞试验[8]、1∶1双层四砖组件的动态特性试验[9]、1∶1单柱模型试验[10]、1∶2双层模型试验[11]、1∶3包含金属构件的完整侧反射层试验[12-13]、1∶4 石墨堆芯结构整体模型试验[14]。本工作采用Seismosignal软件对1∶4整体模型抗震试验数据进行分析，系统研究石墨堆芯的抗震性能，以期为高温气冷堆堆芯支承结构抗震设计提供参考数据，为今后高温气冷堆商业电站的设计建造打下可靠的基础。
1.1 HTR-PM堆芯具有散体结构特点
HTR-PM的堆芯具有典型的散体结构特点，其结构如图1所示[14-16]，石墨砖是通过石墨键-榫系统连接而成的堆砌结构，其连接方式及效果见图2[14]，形成承载燃料球床的堆芯腔。热和辐照载荷会引起石墨构件变形，为释放这种变形，石墨堆内构件不能通过焊接或机械紧固形成一个连续体，只能设计成一个榫-键连接的带有众多间隙的散体结构，所以需依靠金属堆芯支承结构从陶瓷(石墨和碳)堆芯支承结构的外围对其进行可靠的支承和限位，以保证陶瓷堆芯支承结构的完整性。
图1 HTR-PM主体结构图Fig.1 Main structure diagram of HTR-PM
图2 碳砖-石墨砖之间的键-榫连接方式Fig.2 Key-tenon connection between carbon brick and graphite brick
1.2 石墨堆芯散体结构带来的问题
石墨堆芯支承结构的散体特性主要会造成两方面问题：1) 地震激励载荷的作用会导致石墨构件破损，从而破坏堆芯支承结构的完整性，若石墨碎片进入堆芯腔或各种反应性控制孔道，则会导致反应堆运行效率降低，甚至还会对反应堆安全运行造成较为严重的影响[17-18]；
2) 强震下，位于石墨砖内的控制棒孔道伴随石墨砖及石墨套筒的运动会发生一定变形，这些孔道的变形会对控制棒的自由下落造成阻碍，变形程度严重时甚至可能导致控制棒吸收体被变形的孔道卡涩，进而影响反应堆的功率调节和安全停堆。
尽管历史上美、英、日、德等做过一些石墨构件抗震研究，但总体而言，国内外关于HTR的抗震研究和具体实例都缺乏系统性，HTR石墨堆芯散体结构的特点，也使它的抗震问题较为特殊。
2.1 试验模型
试验主要目的是评估HTR-PM石墨堆芯结构的抗震性能，因此对于石墨堆芯结构及其外界支承等边界条件进行了尽可能接近实际堆芯情况的模拟简化。石墨堆芯结构整体模型与真实石墨堆内构件保持严格的几何相似比例关系，试验模型模拟真实堆内构件主要特征包括：石墨堆内构件的外径和高度、堆芯腔内径和高度及底部漏斗形状、控制棒孔道内径和高度、堆芯壳对石墨堆内构件的外围限位支承结构等，上述主要特征均按照1∶4比例进行了等比例缩小。堆芯模型简化后的整体堆芯结构如图3所示。筒身下部固定在金属底座上，筒身与石墨堆芯之间留有空间并通过与石墨构件之间保留的金属防旋键以及限位圆柱(图4)模拟工字钢实现侧支承。每层侧反射层石墨砖之间通过简化的箍紧带实现内径向约束[19]。模型顶部设计有金属定位压板，通过螺栓固定在金属筒身顶部并通过金属圆榫与石墨顶反射层连接固定。
图4 金属防旋键、限位圆柱与石墨构件的连接方式Fig.4 Connection between metal anti-rotation key, limit of cylindrical and graphite component
根据前期几个抗震试验的经验，本试验在模型加速度的测量方面做出了一定优化，提高了加速度传感器的采样频率。石墨砖上的加速度测量采用的是朗斯LC07型加速度传感器[20]、PCB三向加速度传感器以及泰司单向加速度传感器。石墨砖上加速度传感器的安装主要是利用金属筒上预留的观察孔，其具体布置情况如图5所示。
按照高度将砖的前缀记为S+高度，后缀记为1～15且逆时针开始编号；
LC07型加速度传感器标识为J3，PCB三向加速度传感器B3以及泰司单向加速度传感器为B2图5 石墨砖上加速度传感器布置图Fig.5 Layout drawing of acceleration sensor on graphite brick
2.2 试验过程及观测情况
试验设置了有球和无球两种运行工况，有球条件下抗震试验对应反应堆功率运行状态，无球条件下抗震试验对应反应堆安装阶段，这样设置更符合真实情况。
根据国家核安全局发布的HAF·J0053《核设备抗震鉴定试验指南》的具体要求[21]，对有球模型，进行了如下激励：强震前后都施加0.2g的x、y、z向的白噪声激励，探查模型动态响应改变情况；
功能验证试验进行了连续5次SL1运行基准地震和1次SL2安全停堆地震。无球模型功能验证试验中仅分别进行了1次SL1、1次SL2试验。
在进行0.2g白噪声扫频时，有球模型的整体响应比较小。在功能验证试验时，模型产生明显的响应，有球模型的主要试验现象为：1) 整个模型随振动台剧烈高频晃动，模型上部摆动幅度比较大；
2) 石墨构件与周围金属构件发生明显的碰撞，碰撞声音的频率较高，并持续整个加载过程；
3) 试验结束后，发现模型与振动台连接的部分螺栓出现松动。无球模型与有球模型的试验现象大体一致，在功能验证试验时，由于缺少了内部陶瓷球的支承，模型响应更明显。
在有球、无球模型试验中，SL1/SL2地震激励下均进行了控制棒落棒模拟试验，控制棒下落模拟系统如图6所示，控制棒模拟件落棒试验记录列于表1。结果表明，在每次强震下控制棒均能顺利下落。此外，控制棒在SL2工况下的下落时间要超过SL1工况，这与SL2工况下模型产生更大的形变有关。
图6 控制棒下落模拟系统Fig.6 Control rod drop simulation system
表1 HTR-PM石墨堆芯结构1∶4整体模型抗震试验控制棒模拟件落棒试验记录Table 1 Control rod simulation part drop rod test record of HTR-PM graphite core structure 1∶4 overall model seismic test
3.1 滤波参数
1∶4石墨堆芯结构整体模型抗震试验结果是以加速度时程数据的形式给出，通过对加速度进行第1次积分，可得到速度时程曲线，再次积分则可得到位移时程曲线。对于模拟地震振动实验室所测量的加速度数据直接积分得到的速度和位移时程曲线并不理想，特别是位移时程曲线，零线漂移现象特别明显，这是因为实际试验过程中存在噪音、滞后等因素，使得加速度时程曲线出现小的漂移，连续两次积分后误差被放大，因此需要对初始加速度时程曲线进行处理。
在未对加速度时程曲线进行处理时，位移时程曲线偏移量多达12 cm，这种偏移会使分析不符合真实试验结果，为保证试验结果的准确性，有必要对初始加速度曲线进行基线校正和滤波。对于加速度初始数据的处理选择Butterworth滤波器，4阶滤波，因为x向为主振方向，根据模拟地震振动实验室给出的有球模型检验报告中试验反应谱(TRS)与要求反应谱(RRS)在x向的曲线(图7)，可看出在低频时无法满足试验反应谱(TRS)尽可能包络要求反应谱(RRS)的原则，即低频时采集的信息不可信，所以在积分时需进行截断，根据图像，滤波的下截止频率选0.2 Hz，上截止频率选33 Hz(一般认为的刚体固有频率)。按上述参数滤波后，选择的测点的位移时程曲线偏移量只有0.17 mm，在工程测量精度可接受范围内，评估认为上述数据分析处理方法合理可信。
图7 第5次 SL1 x向试验反应谱(TRS)与要求反应谱(RRS)Fig.7 The fifth SL1 x-direction test response spectrum (TRS) and required response spectrum (RRS)
3.2 加速度
按上述参数对初始加速度进行滤波处理后，得出了一系列新的加速度极值，整理成较为直观的加速度随砖高度的变化曲线(图8)。分析图8可得出以下结论：随砖高度的增加，加速度最大值增大，最高处的砖加速度减小，考虑与模型顶部设计的金属定位压板有关系；
T向(代表切向)加速度整体小于R向(代表径向)加速度，一是因为振动台台面加速度不同，二是因为加速度放大系数在x、y方向不同；
SL2试验整体加速度大于SL1试验的，是因为经历振动后内部支承更为紧实，模型的响应更为明显。
图8 加速度数据处理结果Fig.8 Acceleration data processing result
3.3 位移
对加速度进行二次积分得到位移，相邻两层石墨砖之间的相对位移应满足控制棒可正常下落的要求。SL1/SL2地震激励下均进行了控制棒落棒模拟试验，试验现场实时观测到：在有球、无球模型试验中，每次强震下控制棒均能顺利下落。图9为有球模型6次试验(5次SL1和1次SL2)和无球模型2次试验(SL1、SL2各1次)过程中，安装有加速度计的5块石墨砖的位移随模型高度的变化情况，分析可得出以下结论。
图9 位移数据处理结果Fig.9 Displacement data processing result
1) 可看出，底层石墨砖随振动台在R向的活动范围为-3～3 cm，说明底层石墨砖在榫键固定作用以及上层石墨构件的压力下，不会出现大的相对位移。
2) 由对这一列自下而上5块石墨砖(分别是S17-15、S13-15、S10-15、S7-15、S5-15)的动态位移的分析结果可看出，最上部两砖(对应位置为侧反射层上部)加速度采集可能存在一定问题，软件积分结果明显偏大。底下3块砖(对应位置为侧反射层的中、下部)属于正常范围。其中无论是T向还是R向，其最大位移是逐渐增加的，这是由于石墨构件间隙逐层积累造成的。
3) SL2试验整体位移大于SL1试验的，考虑是因为经历振动后内部支承更为紧实，模型的响应更为明显，模型摆动幅度更大。
本文针对HTR-PM石墨堆芯结构1∶4整体模型抗震试验数据，结合现场观测情况，对整体模型的加速度和位移变化规律进行了研究和分析，得出的主要结论如下。
1) 在有球、无球模型试验中，SL1/SL2地震激励下均进行的控制棒落棒模拟试验结果表明，在每次强震下控制棒均能顺利下落，现场观测证实其设计强度和刚度足够应对地震激励。
2) 模型拆除时根据现场观测发现，所有石墨砖都保持结构完整，石墨榫-键均无损坏，承载部位有明显地震载荷下承受反复交变载荷的受压痕迹，但未发生断裂，证明其设计强度足够应对地震激励；
石墨砖与箍紧带和防旋键之间的作用痕迹体现了箍紧带和防旋键分别对石墨砖外表面径向和切向的良好约束能力。
3) 结合原始试验数据，对加速度数据进行滤波处理后，可知模型的加速度随着模型高度的增加而增大。在对数据进行整理后，证实了“砖的位置越高，其响应振幅越大”，而且结合位移具体数据，可证明其中无论是T向还是R向位移值均属于正常范围，即满足控制棒正常落棒的要求。
本工作是HTR-PM堆内构件在地震激励下结构完整性及安全可靠性的工程验证。研究结果可为今后高温气冷商业电站的设计提供基础依据，也可为具有石墨堆芯结构的熔盐堆等反应堆型研发提供参考。
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