經過多年的設計與論證,由中國科學院上海應用物理研究所提議的核石墨構件失效評定方法于近期通過了ASME委員會的最終審核,將于2019年正式發布并成為ASME規范。
ASME是美國機械工程師協會的縮寫,牽頭制定工業和制造業(包括核工業)等眾多行業標準,這些標準在全球90多個國家被廣泛采用。此次上海應物所提議并設計的核石墨構件失效評定方法通過ASME委員會認證,對熔鹽堆的發展和下一代高性能核石墨的研發具有重要意義。
釷基熔鹽堆核能系統(Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System, TMSR)具有高溫輸出、常壓設計、無水冷卻和模塊化等獨特的優勢,是當今世界各核能大國競相發展的新型核裂變堆型,核石墨是其反應堆堆芯的關鍵構件材料。熔鹽堆作為新型先進核反應堆,此前借用的其他堆型相關的材料/構件評價方法/規范,并不完全適用。在TMSR系統中,為了防止熔鹽在石墨構件中的浸滲,選用的是一種先進的超細顆粒石墨。由于超細顆粒石墨粒徑較小(數微米量級),沿用現有的核石墨構件規范來評價會有如下兩個方面問題:現有規范是為評價高溫氣冷堆的粗顆粒石墨構件發展起來的,它以石墨顆粒大小為基礎來劃分計算網格,對超細顆粒石墨而言,網格劃分過密,對于大體積構件計算量太大;依照現有規范得到的計算結果過于保守,限制了先進核石墨材料優異性能的充分發揮。因此亟需建立一套新的評價體系,在研發熔鹽堆的同時建立與之相關的材料/構件評價方法/規范,優化熔鹽堆核石墨堆內構件的設計,指導下一代高性能核石墨的研發。
上海應物所自2011年啟動TMSR先導專項起,就在國際范圍積極推動建立熔鹽堆材料/構件評價方法/規范。以熔鹽堆石墨構件為突破口,團隊成員在前期ASME規范的基礎上,結合超細顆粒石墨特性,引入斷裂韌性參數作為計算過程中構件網格劃分的依據,同時對其網格劃分條件進行優化,解決了現有規范用于超細顆粒石墨構件時遇到的網格劃分過細、計算量過大的問題;更進一步通過不同的石墨狗棒實驗、劈裂拉伸實驗對該評定方法進行了實驗驗證,證實了該提議的合理性與可靠性;同時,該評定方法也適用于粗顆粒核石墨構件。通過幾輪的討論、修改,并按要求提供佐證材料、實驗測試報告,最終通過了ASME委員會認證。
該規范的建立,解決了現有規范中應用于新型超細顆粒核石墨構件失效評估時遇到的問題,為熔鹽堆內核石墨構件的失效評定和壽命預測提供了有力的技術支撐。