核电装备关键构件热疲劳仿生防护技术

In nuclear power stations there are a lot of key structures and parts working under the conditions of high temperature, high pressure, radiation, and etc. Thermal fatigue cracks often occur on the surfaces of the structures and parts. Even though a small crack, it may cause a terrible disaster in case that the structures/parts are subjected to earthquake or other forces resulting from an unexpected incident. Due to the strict requirement for structure materials in nuclear power equipment, the traditional technologies, such as surface coating, are hardly used to protect the thermal fatigue cracks in nuclear equipment, which is one of the most difficult technology problems in the world. In this project, we focus on the study of the thermal fatigue protection problem in nuclear power equipment. Taking bionic optimization design,multiscale numerical analysis and experimental research as the main research methods, we investigate the scientific problems related to the crack initiation, propagation and protection technology. Inspired by the biomaterials, a new bionic material will be designed and manufactured by means of optimization design of the multiscale surface microstructure and sub-surface microstructure, so that the thermal shock resistance and the thermal fatigue life of the bionic material can be enhanced substantially, getting twofold results with half the effort. The final purpose is to provide an innovated bionic protection technology for the thermal fatigue cracks in nuclear power stations. This technology is believed helpful for the sustainable development of the Chinese nuclear power technology.

核电站有大量构件工作在高温、高压、辐射等复杂环境中，构件表面经常出现热疲劳裂纹甚至热疲劳断裂，即使微小热疲劳裂纹一旦遇到地震或其它突发外载荷作用也可能引发灾难性事故。由于核电装备对材料成分要求严格，采用镀膜等常规技术很难解决热疲劳问题，属于世界性难题。本项目以核电装备关键构件为主要研究对象，以仿生优化设计、多尺度数值分析和实验研究为主要研究手段，研究核电关键构件的热疲劳裂纹萌生、扩展机理与仿生防护技术等相关科学问题。受生物材料启发，主要通过优化设计材料表面和亚表面几何微结构来实现大幅度提高材料的抗热冲击和抗热疲劳性能，从而起到事半功倍的效果。最终提出核电装备关键构件热疲劳裂纹创新仿生防护技术，为我国核电技术可持续发展做出贡献。

核电站有大量构件工作在高温、高压、辐射等复杂环境中，构件表面的热疲劳问题属于世界性难题。本项目以核电装备关键构件为主要研究对象，以仿生优化设计、多尺度数值分析和实验研究为主要研究手段，研究了核电关键构件的热疲劳裂纹萌生、扩展机理与仿生防护技术等相关科学问题。4年来，在基金委的资助和指导下，本项目超额完成了预定计划。.首先建立了核电装备流固界面热冲击问题的物理模型，提出了无限元-有限元相结合的多尺度热冲击分析方法，解决了热应力分析的多尺度问题，为仿生多级粗糙表面的热冲击研究奠定了理论基础。研究表明，最大热冲击应力发生在固体表面或者几个毫米深度以内，主要与热冲击温度差有关，与热冲击时间几乎无关。发现核电站核泵主轴、管道系统等高温环境下工作的部件受冷却水冲击局部容易出现表面裂纹，提出了通过优化设计表面微结构提高热防护能力、防止结构热疲劳损伤的新理念。研究发现，表面多级微结构对降低冷水冲击产生的表面热应力具有显著效果，随着边界温差的增大，粗糙结构的热防护性能越来越明显。此外，我们还研究了固体表面黏附层对于热冲击应力的影响、碳纳米管表面改性等热冲击防护问题，发现通过合理设计表面微结构增加表面边界层厚度能够进一步有效防止管路热疲劳问题。.在核主泵飞轮形状优化设计方面取得重要突破。核泵飞轮是核电安全的最后一道防线，要求寿命长、可靠性高、惯性矩大。但是惯性矩和结构寿命与可靠性是一对矛盾体，并且飞轮质量受到了核主泵推力轴承承载能力的限制。我们在给定飞轮质量和设计寿命条件下，以惯性矩最大、结构可靠性最好为协同设计优化目标，发现了飞轮结构最优形状，不但在同等质量下，可以提高惯性矩22%以上，而且大幅度提高了安全性。优化设计后的飞轮寿命达到无穷寿命，满足了核电装备安全寿命要求。比普通飞轮设计的使用寿命提高了几个数量级，为新型飞轮结构优化设计提供了全新思路和设计理念。该项成果已经在国际结构与多学科优化顶级杂志（SMO）上发表论文一篇，接受稿件一篇。.本项目在执行期间，共完成和发表SCI收录学术论文15篇，EI收录论文2篇，参加国际学术会并宣读论文5人次，其中2次小型会议特邀报告。申请国家发明专利5项，授权国家发明专利1项。获得辽宁省自然科学奖二等奖一项。各项研究成果远超过预期。