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筑牢核电站的铜墙铁壁

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  • 来源:
  • 发布时间:2021-10-19
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【概要描述】核电站是利用核反应所释放的热能进行发电的设施。核电站在造福我们人类的同时,因核电站内部的核燃料具有放射性以及其高温高压的工作环境,在做出巨大贡献的同时也往往蕴藏着巨大的风险。

核电站结构复杂,传统的压水堆核电站核心部分由核反应堆、压力容器、蒸汽发生器、管路和阀门、安全壳等组成,数值仿真成为保障核电站设计与运行安全的重要手段。

筑牢核电站的铜墙铁壁

【概要描述】核电站是利用核反应所释放的热能进行发电的设施。核电站在造福我们人类的同时,因核电站内部的核燃料具有放射性以及其高温高压的工作环境,在做出巨大贡献的同时也往往蕴藏着巨大的风险。

核电站结构复杂,传统的压水堆核电站核心部分由核反应堆、压力容器、蒸汽发生器、管路和阀门、安全壳等组成,数值仿真成为保障核电站设计与运行安全的重要手段。

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核电站是利用核反应所释放的热能进行发电的设施。核电站在造福我们人类的同时,因核电站内部的核燃料具有放射性以及其高温高压的工作环境,在做出巨大贡献的同时也往往蕴藏着巨大的风险。

 

核电站结构复杂,传统的压水堆核电站核心部分由核反应堆、压力容器、蒸汽发生器、管路和阀门、安全壳等组成,数值仿真成为保障核电站设计与运行安全的重要手段。

压水堆核电站核心结构示意图

 

 

海浪与结构作用的仿真分析.gif

 

达索系统Abaqus为代表的仿真软件,为核电站的设计、建造和运营提供了重要支撑。

 

 

 

反应堆安全壳的承载力

 

 

反应堆安全壳是包裹核反应堆主要设备的保护性外壳,作为防止放射性物质逸散到环境中的一道屏障,安全壳的承载能力非常重要。

 

美国核管理委员会(NRC)曾组织并资助一些机构对反应堆预应力混凝土安全壳的承载力进行研究。参与该项目的多个机构在研究中采用Abaqus软件进行模拟,例如将预应力混

 

凝土安全壳的内压从零逐渐增加到壳体失效,以获得承载力和失效模式。

安全壳失效场景(试验与仿真对比)

 

 

反应堆压力容器

 

AP1000是国家核电技术公司引进的由美国西屋公司设计的三代先进核电技术,目前已经在浙江三门和山东海阳兴建。国内某研究机构对AP1000反应堆压力容器进行了整体耦合分析,分析中考虑了多种不同工况。

 

AP1000反应堆压力容器结构-热耦合分析

 

美国宾夕法尼亚Shippingport压水式反应堆(1958)的压力容器,采用Abaqus进行了结构-热耦合分析,荷载包括螺栓预紧力、内压、热应力。分析过程采用网格自动加密技术,以提高精度和效率。

 

压水式反应堆的压力容器分析和网格自适应加密

 

 

此外,基于Abaqus的扩展有限元(XFEM)技术,可以对安全壳的裂纹扩展进行模拟。

基于XFEM的裂纹扩展模拟.gif

 

 

管道系统支座

 

核电站内的管道系统承受自重、内压、热应力、地震等多种荷载,一旦发生故障会造成很大损失,对安全性有重要影响。日本某核电厂通过Isight软件对管道支座的布置进行优化,将管道支座数量减少了约40%,可以节约近百万美元的费用。

 

核电站管道系统

 

 

基于Isight的管道支座优化流程

 

 

 

石墨密封组件

 

美国亚利桑那州凤凰城附近的某核电站,从1985年开始运营。在一次日常维护中阀盖安装了一个新的石墨密封组件,但出现了大量石墨材料被挤出的现象。

 

密封组件中的石墨材料被挤出

 

为解决这个问题,该核电站利用达索系统仿真分析解决方案进行仿真分析,评估可替换的设计参数和安装步骤。模型考虑了接触、塑性和热载荷,是一个高度非线性问题,其分析结果准确揭示了石墨被挤出源于不均匀的螺栓荷载。通过改进设计参数和安装步骤,该核电站解决了这个问题。

 

调整前、后螺栓的荷载变化

 

 

 

核电站地震响应和商业飞行器撞击模拟

 

 

结构与基础整体进行抗震分析

 

俄罗斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus进行有限元分析核电站在地震载荷、空气爆炸、飞行器碰撞等特殊动力冲击下的响应谱分析,确保结构的安全性。Abaqus/Standard有完整的频域动力学解决方案,包括自振频率提取、基于模态和直接积分的稳态动力学分析、随机响应分析、响应谱分析等。配合Abaqus/Explicit显式动力学的分析方法,可以为该类振动和冲击问题提供完整的解决方案。

 

东欧某核电站厂房的飞机撞击模拟

 

从软件开发早期就受到核行业大力资助的Abaqus,到为核电数字化变革提供整体解决方案的MBSE达索系统和这个行业一直有着不解之缘。核电作为重要的清洁能源,是我国规划的新能源发展战略的重要组成部分,达索系统将持续为核电行业赋能,为我国从核电大国迈向核电强国贡献更多力量。

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