地震作用下重金属冷却反应堆结构-地基动力相互作用方法与机理的研究

Compared with the traditional nuclear reactor, the coolant in HLMCR (heavy liquid metal cooled reactor) is of much greater density and in pool-type circuit. The dynamic vibration characteristics are more complex and the dynamic interaction of structure-soil under seismic loading is more significant, which further affects the seismic response of the reactor system. These issues bring new challenges for seismic design and analysis of HLMCR..In this project during the setting of HLMCR, method derivation and numerical calculation are employed as the main means. An efficient semi-analytical method, i.e., Scaled Boundary Isogeometric Analysis (SBIGA) is proposed to effectively simulate 3D complex foundation. Substructure model of the infinite foundation is set up based on SBIGA, where the discretized sequences of acceleration impulse response function with non-conforming step and adaptive strategy are studied. By a certain coupling scheme the infinite foundation is coupled with upper structure to form an entirely effective SSI model. The vibration characteristics of HLMCR are studied with the SSI model. With analysis of the reactor seismic design, the support type and geometric parameters of reactor vessel are optimized. This project extends calculation method and application scope of structure-soil interaction issue, and also provides theoretical guidance and experimental basis for HLMCR structural design and seismic safety evaluation.

重金属冷却反应堆相比传统的核电反应堆，冷却剂为高密度的液态重金属且一回路系统为池式结构，反应堆结构的振动特性发生较大变化，地震作用下反应堆结构-地基的动力相互作用(SSI)效应更为显著，影响堆结构的地震响应，为重金属冷却反应堆抗震设计与分析带来了新的挑战。本项目以重金属冷却反应堆为研究背景，以方法推导和数值计算为主要手段，提出高效的、能够有效模拟复杂三维地基的比例边界等几何方法（SBIGA），建立基于SBIGA的无限地基子结构模型，研究其中的加速度脉冲响应函数离散的非协调步长和自适应策略，以一定的耦合方案与上部结构进行耦合建立完整的SSI动力计算模型，在此基础上进一步研究在地震作用下重金属冷却反应堆的振动特性及结构响应，对反应堆容器的支撑方式和几何参数进行优化设计。本项目扩展了SSI计算方法和应用范围，也为重金属冷却反应堆结构设计和地震安全评定提供理论指导和实验依据。

重金属冷却反应堆相比传统的核电反应堆，冷却剂为高密度的液态重金属且一回路系统为池式结构，反应堆结构的振动特性发生较大变化，地震作用下反应堆结构-地基的动力相互作用(SSI)效应更为显著，影响堆结构的地震响应，为重金属冷却反应堆抗震设计与分析带来了新的挑战。本项目研究适应于铅基反应堆的复杂三维地基的比例边界等几何方法（SBIGA），并研究其中的加速度脉冲响应函数离散的非协调步长和自适应策略，在此基础上进一步研究在地震作用下重金属冷却反应堆的振动特性及结构响应规律。重要结果如下：（1）建立了适用于重金属冷却反应堆的地基-结构动力相互作用的高效子结构计算方法，并给出了加速度脉冲响应函数的非协调步长和自适应离散策略；（2）揭示了地震频谱的卓越频率段以下，铅铋合金冷却反应堆容器主要表现为梁式振动特点，避免了薄壁容器的在地震下局部失稳的高阶模态效应；（3）发现了输入地震动水平对自立式组件在液态金属的抗震稳定性的无量纲液体密度因子的影响是双曲正相关的，获得了铅基堆中的组件需要2倍钢密度的组件设计要求，即需要配重或者增加组件的约束系统来实现抗震稳定性。本项目扩展了SSI计算方法和应用范围，也为重金属冷却反应堆抗震设计提供理论指导和依据。