筑牢核電站的銅墻鐵壁

發布時間：

2021-10-19

核電站是利用核反應所釋放的熱能進行發電的設施。核電站在造福我們人類的同時，因核電站內部的核燃料具有放射性以及其高溫高壓的工作環境，在做出巨大貢獻的同時也往往蘊藏著巨大的風險。核電站結構復雜，傳統的壓水堆核電站核心部分由核反應堆、壓力容器、蒸汽發生器、管路和閥門、安全殼等組成，數值仿真成為保障核電站設計與運行安全的重要手段。

核電站是利用核反應所釋放的熱能進行發電的設施。核電站在造福我們人類的同時，因核電站內部的核燃料具有放射性以及其高溫高壓的工作環境，在做出巨大貢獻的同時也往往蘊藏著巨大的風險。

核電站結構復雜，傳統的壓水堆核電站核心部分由核反應堆、壓力容器、蒸汽發生器、管路和閥門、安全殼等組成，數值仿真成為保障核電站設計與運行安全的重要手段。

壓水堆核電站核心結構示意圖

海浪與結構作用的仿真分析.gif

達索系統以Abaqus為代表的仿真軟件，為核電站的設計、建造和運營提供了重要支撐。

反應堆安全殼的承載力

反應堆安全殼是包裹核反應堆主要設備的保護性外殼，作為防止放射性物質逸散到環境中的一道屏障，安全殼的承載能力非常重要。

美國核管理委員會（NRC）曾組織并資助一些機構對反應堆預應力混凝土安全殼的承載力進行研究。參與該項目的多個機構在研究中采用Abaqus軟件進行模擬，例如將預應力混

凝土安全殼的內壓從零逐漸增加到殼體失效，以獲得承載力和失效模式。

安全殼失效場景（試驗與仿真對比）

反應堆壓力容器

AP1000是國家核電技術公司引進的由美國西屋公司設計的三代先進核電技術，目前已經在浙江三門和山東海陽興建。國內某研究機構對AP1000反應堆壓力容器進行了整體耦合分析，分析中考慮了多種不同工況。

AP1000反應堆壓力容器結構-熱耦合分析

美國賓夕法尼亞Shippingport壓水式反應堆（1958）的壓力容器，采用Abaqus進行了結構-熱耦合分析，荷載包括螺栓預緊力、內壓、熱應力。分析過程采用網格自動加密技術，以提高精度和效率。

壓水式反應堆的壓力容器分析和網格自適應加密

此外，基于Abaqus的擴展有限元（XFEM）技術，可以對安全殼的裂紋擴展進行模擬。

基于XFEM的裂紋擴展模擬.gif

管道系統支座

核電站內的管道系統承受自重、內壓、熱應力、地震等多種荷載，一旦發生故障會造成很大損失，對安全性有重要影響。日本某核電廠通過Isight軟件對管道支座的布置進行優化，將管道支座數量減少了約40%，可以節約近百萬美元的費用。

核電站管道系統

基于Isight的管道支座優化流程

石墨密封組件

美國亞利桑那州鳳凰城附近的某核電站，從1985年開始運營。在一次日常維護中閥蓋安裝了一個新的石墨密封組件，但出現了大量石墨材料被擠出的現象。

密封組件中的石墨材料被擠出

為解決這個問題，該核電站利用達索系統仿真分析解決方案進行仿真分析，評估可替換的設計參數和安裝步驟。模型考慮了接觸、塑性和熱載荷，是一個高度非線性問題，其分析結果準確揭示了石墨被擠出源于不均勻的螺栓荷載。通過改進設計參數和安裝步驟，該核電站解決了這個問題。

調整前、后螺栓的荷載變化

核電站地震響應和商業飛行器撞擊模擬

結構與基礎整體進行抗震分析

俄羅斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus進行有限元分析核電站在地震載荷、空氣爆炸、飛行器碰撞等特殊動力沖擊下的響應譜分析，確保結構的安全性。Abaqus/Standard有完整的頻域動力學解決方案，包括自振頻率提取、基于模態和直接積分的穩態動力學分析、隨機響應分析、響應譜分析等。配合Abaqus/Explicit顯式動力學的分析方法，可以為該類振動和沖擊問題提供完整的解決方案。