机构设置

研究领域

反应堆结构研究室立足于核研院所研发的高温气冷堆和低温供热堆,其科研的重点在于反应堆本体关键设备以及核安全级系统和回路的研发。主要研究领域包括:

- 反应堆压力容器;

图片1 HTR-10反应堆压力容器

- 高温气冷堆金属、石墨及碳砖堆内构件;

图片2 HTR-10 堆芯石墨转

- 压水堆堆内构件;

- 换热器与蒸汽发生器;

- 核级管路系统,包括反应堆一回路与二回路等;

图片3 HTR-PM 一回路压力边界(三壳及其支撑)

- 新型控制棒驱动系统;

- 核安全级泵与阀门。

研究方向主要包括:

- 反应堆系统和部件的结构优化设计;

- 承压容器的完整性评估;

- 压力容器与管道的破前漏分析技术;

- 反应堆石墨结构材料的性能研究与寿命评估;

- 散体结构的抗震性能研究;

- 新型换热器与蒸汽发生器系统的研发;

- 新型控制棒驱动系统研发;

- 土壤-结构相互作用及楼层反应谱生成技术;

- 大规结构力学分析技术;

- 大规模流动及传热的快速数值分析技术研究;

- 部件与系统的抗震分析技术;

- 流体诱发振动研究;

- 高温气冷堆中石墨的颗粒动力学研究;

- 新一代压水堆核电站关键设备的分析技术研究;

- 工程结构的计算机辅助设计(CAD)。

研究室的主要特色在于自主设计、自主创新,技术覆盖面广、难度大。在低温供热堆和高温气冷堆的研发工作中,研究室承担了大部分反应堆本体设备以及一些核安全级系统和回路的研发任务,自主完成了这些设备和系统的设计和分析工作,获得了多项创新成果。如:在承压容器方面,发展了高温气冷堆一回路压力容器的“肩并肩”布置方案,以及一体化压水堆的反应堆压力容器;在堆芯结构方面,发展了高温气冷堆的金属、石墨和碳砖堆内构件,以及一体化压水堆的堆内构件;在控制棒驱动系统方面,发展了控制棒水力驱动系统、环链驱动机构和可动线圈电磁铁驱动机构等三种类型的装置;在换热器方面,发展了不同形式的换热器以及大功率螺旋盘管式直流蒸汽发生器。这些科研成果都具有鲜明的技术特点和自主的知识产权,在工程设计和科学研究的许多方面都达到了世界先进水平,一些设计思想和分析方法更代表了核工程的发展方向。

反应堆结构研究室在立足自主研发的基础上,与国际上的多个核工程研究院和大学开展了多种方式的学术交流活动,并广泛参与了国际会议和国际学术交流等活动。在近10年中,有约20人次参加各种国际会议和国际学术交流,有12人次在国外做短期访问学者,与国外大学联合培养硕士研究生1名、博士研究生1名,并接纳1名外国学者在核研院开展短期学术研究工作。目前,研究室与国际上多个研究机构保持着比较密切的联系,双方人员来往较为频繁,学术信息和学术成果的共享和交流十分充分。这为研究室及时了解国际学术动态、掌握最新的科技信息,都提供了非常便利的条件。

在未来的发展中,研究室将结合自身特色和核研院的发展方向,在保证高温气冷堆和低温供热堆的研发和建造的基础上,在多个学科、多个领域开展科研工作,使研究室的科研能力保持在国际同行业的先进水平。

科研项目

反应堆结构研究室主要围绕核研院所研发的高温气冷堆和低温供热堆开展科研活动,为这两种新型反应堆的研发奠定了坚实的基础。其中,上世纪建成的5MW低温供热堆(NHR-5)和10MW高温气冷实验堆(HTR-10)就凝聚着研究室多年科研攻关的成果,这两个项目分别获得多次国家级的奖励,获奖人员中即有研究室的多位成员。进入新世纪后,核研院开展了多个反应堆工程项目的设计和建造工作,包括NP工程、高温气冷堆氦气透平循环实验装置(HTR-10-GT)项目、高温气冷堆示范电站(HTR-PM)项目、一体化先进压水堆项目等,研究室除了承担关键设备和系统的设计和分析任务外,还承担了高温气冷堆核电站重大专项中两个课题的科研项目。

国家重大专项课题“螺旋管式直流蒸汽发生器关键技术研究及工程验证”目标是通过对大功率组件式螺旋管直流蒸汽发生器关键技术进行全面的研究与性能实验验证,解决大功率组件式螺旋管直流蒸汽发生器在设计、制造、运行等不同环节的难题,掌握其关键核心技术,发展出一套切实可行的螺旋管蒸汽发生器设计、制造的标准方法,为示范电站蒸汽发生器的设计、制造和运行提供技术支撑,实现蒸汽发生器的安全可靠设计,降低整个反应堆的造价,提高反应堆的经济性,为将来的大规模商业应用奠定基础。该课题包括六个子课题:1)直流蒸汽发生器热工水力学问题与直流蒸汽发生器工程试验验证;2)直流蒸汽发生器设计中的关键技术问题与软件开发及其应用;3)壳侧氦气流量均匀性分配的实验验证;4)热绝缘结构的可靠性与绝热性能要求实验验证;5)螺旋管蒸汽发生器制造与组装过程中的关键技术;6)蒸汽发生器管束在役检查与完整性研究。

图片4 HTR-PM 螺旋管式直流蒸汽发生器

图片5 HTR-PM 一回路压力边界(三壳及其支撑)

重大专项课题“石墨堆内构件的动力学响应和结构完整性研究”的研究目的是要通过理论与实验研究,解决高温气冷堆中石墨堆内构件在运行中承受各种载荷(特别是地震)条件下的失稳和失效问题。该课题分为三部分进行研究:石墨和碳堆内构件;金属支承结构;球床对石墨结构的作用。这三部分首先是碳和石墨结构,主要由碳砖、石墨砖、石墨套筒、石墨榫、销、键等组成;其次为金属堆芯壳和支承板结构、包括防转键和箍紧带等;第三部分为球床堆芯对石墨结构的作用,主要由燃料球和石墨球组成。根据石墨结构的动静力学分析结果,得到单元、局部乃致总体结构的失效概率或可靠度,以此来评价结构的完整性。

研究室在完成反应堆工程科研项目的同时,还鼓励科研人员积极开展基础研究工作。到2010年底,共获得国家自然科学基金、清华大学基础研究基金、核研院基础研究基金等各类科研基金约15项,在这些项目的资助下,科研人取得了许多研究成果。

据不完全统计,在研究室成立后的二十多年时间里,共在国内核心期刊上发表论文约170篇、在国外知名刊物上发表论文约50篇、在国际会议上发表论文约60篇、发表科技著作17本、获得专利约30项、获得国家级奖励7次。

研究室在完成所承担的科研任务并保证工程项目的实施的基础上,还积极地把科研成果向外推广。其中,最重要的两项成果应用是可动线圈电磁铁驱动机构和控制棒水力驱动系统。

研究室于1995年开始独立研发用于研究堆的可动线圈电磁铁控制棒驱动机构,2000年底完成研发任务。该项技术是一种典型的磁悬浮控制棒驱动机构,是一项我国完全拥有自主知识产权的达到国际先进水平的技术。目前,其正式产品已经成功应用于NP工程和中国先进研究堆的控制棒驱动系统中,各项指标均满足要求,性能优良。在此基础上,研究室正开展进一步的研发,以期在更广泛的领域内应用此项技术。

控制棒水力驱动机构是依据流体动压原理设计的一种新型的驱动机构,其技术已在NHR-5得到成功应用,它也是一项我国完全拥有自主知识产权的先进技术。目前,该项技术已经成功应用于中国先进研究堆的安全棒驱动系统中,各项指标均满足要求,性能优良。

除此之外,研究室还在广泛的领域开展了许多科研活动,为NP工程、中国实验快堆、中国先进研究堆、压水堆核电站等提供了大量的技术咨询、设备分析计算等服务工作,为这些工程项目的实施和设备的国产化提供了有益的指导。

科研设施

反应堆结构研究室的科研任务以核安全级设备和系统的研发为主,根据核安全法规的要求,在研发工作中需要针对各种设备和系统进行大量的计算和分析工作。为了满足科研工作的需要,研究室逐步配置了较为齐全的结构和热工计算软件,这些软件以国际知名的商业软件为主,如表1所列。

这些分析软件基本上满足了设备结构力学分析、管路系统分析、热工分析、多系统耦合分析等多方面的技术要求。

图片6 HTR-PM 一回路压力边界(三壳及其支撑)有限元分析

在构筑软件系统的同时,研究室还配置了良好的计算机条件,为软件系统提供了优良的应用平台。目前,研究室的科研人员每人都拥有一台高性能的微机,同时,研究室还专门配置了两台IBM服务器和一台集成式刀片服务器,专门用于大规模的分析和计算,为了配合这些服务器进行大规模计算,还专门配备了三套高性能的HP工作站,用于计算的前后处理。

以上的软硬件条件保证了研究室有充足的能力开展大规模的结构静力学和动力学分析、高度非线性的结构力学分析、热工分析、多物理场耦合分析、断裂力学和结构可靠性分析、流体传输系统分析等方面的工作。

目前,研究室已经实现了研究、设计与计算的有机结合,提高了工作效率和设计水平,降低了人为因素的干扰,为研发目标的实现提供了优良的技术保障。