钠冷快堆管道声学检测的理论与方法研究

本项目针对钠冷快堆液态金属钠管道腐蚀监测问题，开展声学无损评价的基础理论研究，探索一种声学检测手段。液态金属钠冷却快中子反应堆（钠冷快堆）是第四代快中子堆中的首选。在积极推进核电能源发展的重大战略决策指引下，我国核电建设正在跨越式增长。2010年，我国自主研发的第一座快堆达到首次临界，使我国成为世界上第8个拥有快堆技术的国家。核电的快速发展为无损评价提出了严峻的科学挑战。通过研究液态金属和固态金属管道之间的声耦合和传播理论，研究声波在强辐射、高温条件下的激发、传播和散射机制，研究声波导具有复杂形状表面时的漏泄声导波，结合数值仿真和虚拟检测研究，探索超声相控阵和综合孔径聚焦成像集成技术的可能性，发展声学成像和定量评价的理论，发展一种管道腐蚀的检测方法，争取做出若干重要的原创性工作。这些研究，对于确保钠冷快堆液态金属钠管道的完整性，以及对核电站关键设备的安全和寿命管理，具有十重要的意义。

当前， 中国核电建设正处在跨越式增长过程中，这种快速发展为核电无损评价提出了严峻的科学挑战，也赋予了我国核电无损评价重要历史使命。准确、可靠、快速地对核电站关键设备的安全状况进行无损评价对核电站安全和寿命管理具有十分重要的意义。在这一背景下，本项目针对钠冷快堆中输送液态金属钠管道的管道腐蚀问题，建立物理模型，研究声波在这种特定条件下的激发、传播和散射机制。对于复杂形状波导中声波传播问题，以矩形齿状表面为切入点，进行数值模拟研究。同时通过数值模拟，研究液态金属流动模态和管道腐蚀缺陷之间的相互关系，研究液态金属和固态金属管道之间的声耦合和传播理论。结合数值仿真和虚拟检测研究，探索适合管道腐蚀检测的声学方法，发展声学成像和定量评价的理论。争取做出若干重要的原创性工作，获得具有国际水平的研究成果，造就一个高水平研究队伍。.通过项目四年的基础理论研究，我们认识了核反应堆主管道材料的弹性模量等声学参量在核电站工作环境下的基本变化规律，以此得到了声导波在核反应堆主管道中的激发和传播规律，掌握了核电站主管道中超声导波的耦合规律，得到了导波各模式与管道参数的关系。在此基础上，针对核反应堆主管道微裂纹和腐蚀缺陷的超声无损检测问题，开展了相关研究与分析工作，认识了核反应堆主管道中各种缺陷的成因以及发育过程中的声学响应特征及变化规律。并结合圆形和方形截面结构的主管道，研究了超声相控阵声场的聚焦特性，为主管道的超声相控阵检测提供了理论依据，针对不锈钢管道中微裂纹的检测，研究了非线性高次谐波的聚焦特点和应用方法，为微裂纹的非线性声学检测提供了理论基础。创新性研究成果体现为：（1）得到了管道中高温流体流动时导波的传播方程，提出了一种基于导波频散特性测量管道流速的新方法；（2）深入解释了液态金属钠和固态金属管道中声导波的耦合现象，发现了有利于管道超声检测的导波模式及频段范围；（3）得到了一种识别微裂纹的非线性声学检测方法。.总体上，项目组通过努力圆满完成了本项目的预期研究内容，这些研究对于确保钠冷快堆液态金属钠管道的完整性，以及对核电站关键设备的安全和寿命管理，具有十重要的意义。