用于快堆主容器支撑的电磁阻尼隔震技术的研究

孙妍妍，陆道纲,曾晓佳，赵 亮，赫连仁，贾唐堂，马翔凤

(1.华北电力大学，北京102206；2.非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206)

用于快堆主容器支撑的电磁阻尼隔震技术的研究

孙妍妍1，2，陆道纲1，2,曾晓佳1，2，赵 亮1，2，赫连仁1，2，贾唐堂1，2，马翔凤1，2

(1.华北电力大学，北京102206；2.非能动核能安全技术北京市重点实验室，北京 102206)

快堆核电站设计特点是高温薄壁，与压水堆的低温厚壁比起来，更需要考虑抗震设计。区别于传统的叠层橡胶和铅芯橡胶等隔震技术，本文提出了基于电磁阻尼原理的隔震技术。为了验证其有效性，制作了一个简易的电磁阻尼隔震支座，用作一个贮水容器的支撑。针对该水容器支撑系统在振动台上进行了抗震实验，验证了电磁阻尼隔震技术的有效性。

隔震技术;高温薄壁容器;电磁阻尼;快堆

快堆核电站由于能够高效利用铀资源，减少核废物，作为第四代核能系统的优选堆型得到了世界各国的广泛关注。快堆采用液态金属作为冷却剂，具有高温低压的特性，其结构具有高温薄壁的特点，与传统压水堆的低温薄壁相比，在抗震设计方面需要特别注意。所谓“抗震”即依赖于提高结构本身的抗震性能(强度、刚度、延性)来抵御地震，即“以刚克刚”；所谓“隔震”是将结构置于一个耗散能量的柔性基础之上，减缓地震对结构的直接冲击，即“以柔克刚”。隔震技术的研究已经在各国取得了初步进展[1-5]，美国的 Tajirian F Fdend[6]等对钠冷快堆 SAFR采用低形状系数的高阻尼橡胶支座进行隔震；日本的Kanazawa.K[7]等对快中子反应堆FBR应用三维隔震技术开展了一项大规模的研究，提出了三种隔震装置：①滚动密封空气弹簧；②钢丝加强空气弹簧；③液压三维隔震装置。隔震方式多种多样，但使用过程中难免会遇到一些问题，比如寿命较短，效率低等等。为了进一步提高隔震的综合效果，降低制造成本，提高其对于快堆结构的适应性，有必要进一步研发更新的隔震技术。针对这样的情况，本文提出了一种电磁阻尼隔震技术，希望利用该技术能进一步提高快堆隔震的综合效果。

1 基于电磁阻尼的叠层橡胶隔震支座

1.1 隔震支座结构

如图1所示，隔震支座的结构包括：1—金属罩；2—内轴；3—第一环形磁铁；4—带线圈的叠层橡胶；5—第二环形磁铁；6—不带线圈的叠层橡胶。

图1 隔震支座结构图Fig.1 Isolation bearing structure

具体连接为：金属罩内部的金属固定板上焊接内轴；带线圈的叠层橡胶和不带线圈的叠层橡胶均由圆形橡胶片堆叠而成；带线圈的叠层橡胶由10片半径为30cm,厚度为1cm圆形橡胶片堆叠而成，不带线圈的叠层橡胶由40片半径为35cm,厚度为1cm圆形橡胶片堆叠而成；每片圆形橡胶片的圆心处均有一个直径为3cm的小孔，相邻圆形橡胶片之间夹有砂纸；内轴的横截面直径为1cm，穿过带线圈的叠层橡胶的所有圆形橡胶片圆心处的小孔及不带线圈的叠层橡胶片圆心处的小孔，且第一环形磁铁和第二环形磁铁的中部圆孔大于叠层橡胶片中部的圆孔，使内轴可以轻松穿过；带线圈的叠层橡胶上缠绕100匝铜质线圈；在金属罩内部，以内轴为中心轴，从下到上依次叠放:第一环形磁铁、带线圈的叠层橡胶、第二环形磁铁、不带线圈的叠层橡胶。

金属罩为碳钢材质，为边长为1m正方形的金属固定板与一个上下无盖底面半径为40，高为60的圆柱筒的焊接体，金属固定板距边缘1cm处分布有36个螺丝孔，用于跟地震台固定。

内轴为碳钢材质实心轴。

图2 隔震支座实物图Fig.2 Physical isolation bearings

1.2 隔震支座工作原理

①将电磁阻尼隔震支座安装在快堆主容器的下面固定，当地震来临时，该电磁阻尼隔震支座会先感受到震感发生震动，电磁阻尼隔震支座的橡胶叠层发生左右摩擦，根据能量守恒原理，电磁阻尼隔震支座震动产生的动能转化成了圆形橡胶片间摩擦所产生的热能，从而使传到主容器的震感变得微弱，起到隔震的作用；

②带线圈的叠层橡胶上缠绕100匝铜质线圈，根据磁能生电的原理，在发生地震时，线圈与磁铁间产生相对运动，线圈的运动切割磁感线，从而产生了电流，线圈两端外接电流表，有利于测量地震过程中产生的电流；第一环形磁铁、带线圈的叠层橡胶、第二环形磁铁形成一个电源，发生震动时，线圈在垂直的方向切割磁感线，根据电流的磁效应，电流通过磁铁可以起到电磁阻尼的作用，从而进一步阻碍主容器的震动，增强隔震效果。

2 隔震支座性能的验证实验

2.1 实验装置

由于实际应用中，快堆本体底面积非常大，需要多个本装置才能达到应有的效果，本次实验只研究一个隔震装置的隔震作用。

本实验将电磁阻尼隔震支座通过底部金属板上的螺丝孔固定于地震台表面，贮水容器是一个底部有一圈突出的金属桶，我们将最上面的橡胶片与桶底直径相同的位置挖出一个凹槽，使桶能与橡胶片固定，同时橡胶片中心有内轴和地震台固定，这样既使贮水容器在受到震动时不至于倾倒，又不影响震动时橡胶片之间的相对运动。

该地震台能够模拟水平方向地震波，其加速度最大能达到3g m/s2，频率范围1～60Hz,在隔震支座上方安装贮水容器，容器内液体重5kg，选取70mm为标准液面，将液位晃动传感器固定于水容器壁面，高度为液面上方390cm，选取一系列正弦三波进行试验。正弦三波频率为1.75Hz，最大峰值为20mm，各正弦三波峰值分别为最大峰值的20%～50%不等。进行试验。图3、图4分别为隔震支座实验装置图和传感器安装位置图。

图3 隔震支座性能实验装置Fig.3 Isolation bearing performance experiment device

图4 传感器安装位置Fig.4 Sensor installation position

2.2 实验步骤

本实验分为三组进行对比实验

(1) 将贮水容器单独放在地震台上，测量不同震级液面高度的晃动情况；

(2) 在贮水容器下面放入电磁阻尼叠层橡胶隔震支座，并连通电流表，测量不同震级的液面高度变化和是否有电流产生；

(3) 在贮水容器下面放入电磁阻尼橡胶隔震支座，连通12V电源，观察不同震级液面高度变化。

2.3 实验结果与分析

2.3.1 实验现象

实验现象：第二组实验中电流表显示有电流产生，并且液面高度变化有所降低；第三组实验中液面高度变化较第二组实验有所降低。

实验数据如表1、表2所示。

表1 隔震支座验证实验结果Table 1 Isolation bearing test results

表2 改善程度对比结果Table 2 improvement degree compared result

注：改善程度即为加入不同的隔震支座后，在同一量级下液面的最大位移减小程度。

2.3.2 实验结论

(1) 由表格中数据所示，橡胶垫能够在一定程度上隔震，加入电磁线圈后隔震效果增加；

(2) 在震级为30%时表现尤为明显，震级过大或过小都没有明显效果;

(3) 改善程度随着震级的增加表现出先增大后减小的效果。

2.3.3 实验误差分析

(1) 随着实验进行，液面高度会发生变化，导致传感器捕捉到的结果产生误差；

(2) 实验进行很多次后，橡胶垫之间的砂纸上的砂粒会被磨掉，导致摩擦力减小。

3 结论分析与展望

振动台实验是研究结构抗震性能的最重要也是最直接的手段，也是地震工程研究工作的重要研究设备之一，因此在实际抗震工程中得到了广泛应用。本文以快堆核电站的薄壁性能为背景，利用电磁阻尼理论，研究隔震支座固有振动特性，选取液面变化的峰值，可为快堆核电站建设提供一定参考。

主要得到以下结论：

(1) 电磁阻尼可以有效减轻地震时主容器震动程度；

(2) 单纯的橡胶阻尼能起到隔震的效果；

(3) 橡胶阻尼与电磁阻尼共同作用下，其隔震效果显著增加。

本实验在接下来的一段时间里，还有许多方面需要改进和完善：

(1) 测量水容器中水晃动的频率时，激光位移传感器固定方式不是十分牢固，导致有轻微的颤抖，接下来希望找到一个更为合理的固定方式。

(2) 水容器水面上撒的金粉由于震动次数过多，有一部分沉入水底，导致液面金粉分布不均匀，影响传感器的测量，接下来在水里适当加入一些有机溶剂，使金粉不要沉入水底。

(3) 使用激光位移传感器测量在不同地震激励下液面波高的变化情况，研究水容器内液体是否会在地震激励下溅出水面。

(4) 实验时可以采用弹簧振子来测量支座的隔震效果，因为水的晃动特别复杂，研究起来不太方便，今后会在实验中改进。

致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师陆道纲老师和学长刘雨，学姐曾晓佳的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，陆道纲老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了陆老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

[1] Melkumyan M G. Seismic isolation of civil buildings inArmenia [J]. Progress in Structural Engineering and Materials，2002,4 (4):344-352.

[2] Martelli A，Forni M. Seismic isolation of civil buildings in Europe[J]. Progress in Structural Engineering and Materials,2005， 1 (3):286-294.

[3] Fu Linzhou. Seismic isolation of civil buildings in the People’s Republic of China[J]. Progress in Structural Engineering and Materials,2001,3(3):268-276.

[4] Fujita T. Seismic isolation of civil buildings in the Japan[J]. Progress in Structural Engineering and Materials， 1998，1(3): 295-300.

[5] Robinson W H. Seismic isolation of civil buildings in New Zealand[J]. Progress in Structural Engineering and Materials,2000 ,2: 328-334.

[6] Tajirian F F，Kelly J M，Aiken I D，et al. Seismic isolation for advanced nuclear power stations [J].Earthquake Spectra，1990，6 (2)： 371-401.

[7] Kanazawa K.Hirata K.Matsuda A.“Shaking table test of three-dimensional base isolation system using laminated thick rubber bearings”. 15th.

Research on the electromagnetic damping isolation technologyapplied to the main support of the fast reactor vessel

SUN Yan-yan1,2，LU Dao-gang1,2，ZENG Xiao-jia1,2，ZHAO Liang1,2,HE Lian-ren1,2,JIA Tang-tang1,2,MA Xiang-feng1,2

(1.School of Nuclear Science and Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China2. Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Fast reactor nuclear power plant design is characterized by high temperature-thin wall，compared with the low temperature-thick wall in pressurized water reactor，more need to consider the seismic design. Different from traditional seismic isolation techniques，such as lead core rubber and laminated rubber，A new isolation technology is proposed in this paper based on the principle of electromagnetic damping . In order to verify its effectiveness,we made a simple electromagnetic damping isolation bearing，used as a water container support. For this container support system，a seismic experiment is made on the vibration table to verify the effectiveness of electromagneticdamping isolation technology.

Isolation technology;High temperature-thin wall vessel;The electromagnetic damping;Fast reactor

2016-03-20

国家重大科技专项经费资助2015(ZX06004002-003)

孙妍妍(1994—)，性别女，本科生，辐射防护与核安全专业，主要从事反应堆隔震抗震

TL353+9

A

0258-0918(2016)05-0646-05