﻿ 典型生物屏蔽结构及屏蔽材料耐高温性能研究
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (10): 103-107 PDF

Researchon high temperature resistance on the typical biological shielding structure and biological shielding materials
NIE Ling-xiao, JIA Jiang-xuan, WU Rong-jun, WANG Yi-yuan, LI Xiao-ling, YU Ming, ZUO Liang-zhou
Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China
Abstract: Through the analysis of high temperature resistance on the typical biological shielding structure and biological shielding materials, Established a mathematical calculation model of the typical example. Based on ANSYS, the steady-state and transient simulations of typical example are carried out. The temperature distribution and temperature variation curves of typical example under the accident condition are obtained. The calculation methods and results of this paper can provide valuable data for the following prototype manufacturing and test verification.
Key words: biological shielding     boron-containing ultrahigh molecular weight polyethylene     high temperature resistance     heat conduction
0 引　言

1 计算模型及边界条件 1.1 计算模型

 图 1 计算模型结构示意图 Fig. 1 Calculation model structure

 图 2 算例热传导示意图 Fig. 2 Heat conduction diagram of calculation example

1.2 计算边界条件

 图 3 核电站某堆型设计基准工况（LOCA）环境条件露点温度及大气温度变化曲线 Fig. 3 Dew point temperature and atmospheric temperature change curve under environmental conditions of a reactor type design reference condition (LOCA) of nuclear power plant

 $\lambda {\rm{ = }}a + b\frac{{{t}_1}{\rm{ + }}{t_2}}{2}\text{。}$ (1)

2 多层平壁热传导计算数学方程的建立

 ${Q} = \frac{1}{{\frac{{{{\rm{\delta }}_1}}}{{{{\rm{\lambda }}_1}}} + \frac{{{{\rm{\delta }}_2}}}{{{{\rm{\lambda }}_2}}} + \cdots \frac{{{{\rm{\delta }}_{\rm{n}}}}}{{{{\rm{\lambda }}_{\rm{n}}}}}}}\Delta {\rm{t}}\cdot{\rm{A}} = \frac{1}{{\mathop \sum \nolimits_{{\rm{i}} = 1}^{\rm{n}} {{\rm{R}}_{\rm{i}}}}}\Delta {\rm{t}}\cdot{\rm{A}}\text{。}$ (2)

 ${{\bar R}} = \frac{{{{{A}}_{\rm{I}}} + {{{A}}_{{\rm{II}}}} + {{{A}}_{{\rm{III}}}} + \cdots }}{{\frac{{{{{A}}_{\rm{I}}}}}{{{{{R}}_{\rm{I}}}}} + \frac{{{{{A}}_{{\rm{II}}}}}}{{{{{R}}_{{\rm{II}}}}}} + \frac{{{{{A}}_{{\rm{III}}}}}}{{{{{R}}_{{\rm{III}}}}}} + \cdots }}\text{。}$ (5)

 ${{Q}} = \frac{1}{{{{{R}}_0}}}\left( {{{{t}}_{{i}}} - {{{t}}_0}} \right){{A}} = \frac{1}{{\frac{1}{{{{{\alpha }}_{{i}}}}} + {{\bar R}} + \frac{1}{{{{{\alpha }}_{{i}}}}}}}\left( {{{{t}}_{{i}}} - {{{t}}_0}} \right){{A}}\text{，}$ (3)

 ${{q}} = \frac{1}{{{{{R}}_0}}}\left( {{{{t}}_{{i}}} - {{{t}}_0}} \right) = \frac{1}{{\frac{1}{{{{{\alpha }}_{{i}}}}} + {{\bar R}} + \frac{1}{{{{{\alpha }}_{{i}}}}}}}\left( {{{{t}}_{{i}}} - {{{t}}_0}} \right)\text{。}$ (4)

3 使用有限元软件模拟瞬态和稳态温度场

 图 4 Ansys有限元计算模型 Fig. 4 ANSYS finite element calculation model
3.1 稳态计算结果

 图 5 本算例的稳态计算结果 Fig. 5 Steady state calculation results

 图 6 X-Y平面计算结果 Fig. 6 Calculation results of X-Y plane

1）铅板内部温差较小，第1层铅板的温度为148.67 ℃，最后1层铅板的温度为147.41 ℃；

2）含硼聚乙烯板的隔热效果较好，节点3为147.41 ℃，为第1层含硼聚乙烯板的温度；节点4为114.05 ℃，是中间1层含硼聚乙烯板的温度；节点5为80.11 ℃，是最后1层含硼聚乙烯板的温度；

3）最低温度80.112 °C，已经达到聚乙烯基材料的热变形温度，部分含硼聚乙烯板温度区域超过110 ℃，超过聚乙烯基材料的维卡软化点，因此现有屏蔽结构确实存在风险。

3.2 瞬态计算结果

210 ℃的温度采用阶跃加载（包络LOCA曲线），计算时间9 000 s，温度云图如图7所示。

 图 7 9 000 S的温度云图 Fig. 7 Temperature nephogram of 9 000 s

1）9 000 s后，第1层铅板铅板处最高温度（node2）为44.6 ℃，第1层含硼聚乙烯板（node3）最高温度为42.27 ℃，温度值均较小；

2）图8表明，温度的传导并非线性关系，在温差较大时，温度传导较快，因此node1/node2的温度在开始的2000 s上升较快，后面渐渐平缓，而温度从node1/node2区域继续往后传递，后面节点的温升呈现大致的线性关系。

 图 8 典型坐标温度随时间变化的曲线 Fig. 8 Typical coordinate temperature versus time curve

3）瞬态计算结果表明，含硼聚乙烯板区域的温度并未达到聚乙烯基类材料的维卡软化点。

4 结　语

1）稳态计算结果表明，现有典型生物屏蔽结构无法满足LOCA工况下耐高温要求，铅屏蔽层的热阻小，无法起到隔热效果，故应考虑从结构上进行改进。

2）瞬态计算结果表明，9 000 s内典型生物屏蔽结构不会破坏。因此，此时间反应堆安全系统的响应时间，以控制工作区域人员所受的剂量限值。

3）聚乙烯基类的屏蔽材料受基材所限，耐高温性能无法进一步加强，后续工作可以考虑使用环氧树脂、铝合金等基材进行耐高温屏蔽材料的研究。

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