HPR1000堆型采用了安全壳内置换料水箱 (IRWST) , IRWST是中核集团“华龙一号”主要技术改进项之一。内置换料水箱的主要功能如下:

　　 (1) 在换料期间, 内置换料水箱为反应堆换料水池、堆内构件储存池及燃料装载井充水, 以完成换料操作。

　　 (2) 在失水 (LOCA) 事故等工况下, 内置换料水箱为反应堆提供应急堆芯冷却水及安全壳喷淋冷却水。

　　 (3) 内置换料水箱承担地坑的功能, 在LOCA事故后收集破口流出的反应堆冷却剂和安全壳喷淋水, 在安全壳内形成闭式长期水循环。

　　 (4) 严重事故时, 内置换料水箱为堆腔注水冷却系统能动部分提供冷却水, 实现堆芯熔融物堆内滞留。

　　 M310二代加堆型中, 一般采用位于安全壳外的PTR大罐提供换料水以及冷却水。AP1000和EPR的三代核电堆型中, 均采用了内置换料水箱方案。采用内置换料水箱, 增加了系统的安全性, 相对于成熟的M310堆型, 是一项重大改进内容。

　　 内置换料水箱设计中, 需要满足容量、在役检查、结构承载力、密封性等多方面的要求。内置换料水箱的底板也作为内部结构的基础底板, 需进行抗倾覆稳定性计算, 内置换料水箱的墙、板还需满足施工工况、设计基准事故工况下承载力的要求。

　　 根据系统功能要求, 内置换料水箱的需水量需满足换料期间用水的要求, 水量较大。从内置换料水箱承担的地坑功能和结构受力角度考虑, 内置换料水箱应布置在反应堆厂房内部结构底部。

　　 内置换料水箱房间的墙体也作为内部结构厂房的竖向受力体系, 承担着上部结构及设备的竖向荷载, 并在设计基准事故工况下将结构的水平荷载传递给底板。

　　 内置换料水箱布置在内部结构-6.70m标高处的底板与上层-3.30m标高处的楼板之间, -6.70m标高处结构布置如图1和图2所示, 阴影部分即为内置换料水箱范围。水箱布置在环墙外侧的整个环形区 (R144) 和环墙内部的三个区域 (R141, R142和R143) , 环墙内的水箱与环墙外的水箱通过洞口连通, 环墙厚度为900mm, 除环墙以外的其他水箱墙体厚度为600mm。结构采用C40混凝土。内置换料水箱的墙体内侧、底板顶部和顶板底部均设置了用于密封的不锈钢衬里, 在混凝土结构施工完毕后, 采用膨胀螺栓将型钢固定到结构中, 不锈钢覆面在型钢处焊接连接。

　　 内置换料水箱顶板厚度主要为280mm, 楼板上方设置了4个2m×2.5m的孔洞, 以保证事故工况下喷淋系统的水回到内置换料水箱;同时保证水箱内与周边环境压力相同, 避免事故工况下水箱构件承受较大的压差荷载。

　　 内部结构在各工况下受到的荷载最终都需传递给底板, 并通过底板传递给安全壳底板, 进而将荷载传递给地基。M310堆型中, 内部结构承受的竖向荷载和水平荷载由堆坑墙和环墙传递给底板, 环墙钢筋焊接在钢衬里上, 通过环墙钢筋与钢衬里的连接将内部结构受到的大部分水平剪力传递给安全壳底板, 环墙钢筋与钢衬里局部加厚区的节点示意见图3。

　　 M310堆型内部结构环墙底部共计2 136个套筒与钢衬里焊接, 通过调研, 此处施工经备料、焊接、检测、验收等程序, 共需约20人同时施工3个月才能完成。

　　 如按照M310堆型, 根据初步计算结果, HPR1000堆型内部结构厂房环墙底部需布置约1 500根钢筋, 共需约3 000个套筒与钢衬里焊接, 大大增加了施工周期。

　　 经过比较分析, HPR1000堆型内部结构厂房确定底板中间设置下凸正六边形抗剪键传递内部结构承受的水平荷载, 环墙钢筋不再与钢衬里焊接。内部结构底板厚度为1 100mm, 抗剪键范围内楼板厚度为2 700mm, 即抗剪键嵌入安全壳底板1 600mm。底板方案三维示意图见图4。

　　 内置换料水箱位于内部结构厂房底部, 是内部结构厂房的一部分。内置换料水箱的计算是包含在内部结构厂房的计算中的。根据《核电厂厂房设计荷载规范》 (NB/T 20105—2012) ^[1], 内部结构厂房计算中需要考虑恒荷载、活荷载、设备反力、温度作用、地震作用和压差荷载等。内置换料水箱结构设计中起控制作用的主要是温度作用和地震作用。

　　 内部结构厂房计算采用ANSYS软件, 有限元模型见图5, 结构墙、板采用壳单元, 结构柱采用梁单元, 底板采用实体单元, 质量通过质量元和材料密度来模拟。三维模型单元尺寸约1m。

　　 内部结构底板与安全壳底板 (整体筏基部分) 之间被钢衬里隔开。将内部结构底板六边形抗剪键简化为半径为13.0m的圆形, 抗剪键范围内单元尺寸约为0.8m。内部结构底板模型节点与整体筏基模型相同范围内的节点位置一一对应, 同位置节点采用杆单元连接, 并且约束内部结构底板和安全壳底板之间抗剪键外侧节点的环向位移。图6和图7示意了内部结构底板有限元模型及其与安全壳底板的连接。

　　 内部结构厂房整体计算中, 考虑了安全壳底板的模型。安全壳底板底部考虑土与结构相互作用, 根据《核电厂抗震设计规范》 (GB 50267—97) ^[2]中的计算公式, 依据厂址基岩特性, 计算地基土的水平移动刚度、竖向移动刚度和摆动刚度, 并采用弹簧单元模拟地基土的刚度。

　　 夏季内部结构厂房的最高温度为55℃, 冬季内部结构厂房的最低温度为5℃。内部结构温度计算中考虑安全壳底板的影响, 安全壳底板与地基接触的温度按10℃考虑, 结构的参考温度为20℃。

　　 设计基准事故下安全壳内大气温度曲线见图8, 内置换料水箱水温曲线见图9。

　　 根据上述温度曲线, 计算了内部结构中不同厚度的结构墙、板温度分布情况。图10和图11给出了内置换料水箱部分墙体的温度分布情况。

　　 事故发生初期, 由于混凝土的热惰性, 以及混凝土外侧不同介质 (空气和水) 的传热系数不同, 靠近水的一侧, 混凝土温度升温较快, 而另一侧升温较慢。随着时间的发展, 构件截面的温度分布曲线逐渐平缓。当温度分布曲线斜率较大时, 构件单元的弯矩相对较大;达到最终状态时, 构件截面温度基本一致, 其轴线方向平面内膜力最大。

　　 为了得到构件的相对较大内力, 并提高计算效率, 最终选取了100 000, 240 000, 500 000, 3 000 000s时刻的构件温度作为设计基准事故工况的代表温度。ANSYS软件中, 采用Section设置单元实常数, 将截面分成5层, 输入不同节点对应的温度。若考虑温度作用下截面开裂的影响, 需对温度作用计算得到的内力进行折减。

　　 内置换料水箱水面到上部楼板底部的净高小于水在地震下的晃动高度。根据美国规范ASCE 4-16^[3]第9.5.4条规定, 内置换料水箱可作为满水结构进行分析, 不考虑水的晃动效应。在整体计算模型中, 将100%水的质量作为质量元施加在内置换料水箱结构单元上, 采用ANSYS的谱分析进行地震作用下的动力计算。在计算模型底部约束节点上分别输入X, Y, Z三个方向的加速度谱, 地面水平加速度峰值和竖向加速度峰值均取0.3g, X, Y, Z三个方向的谱分析结果采用SRSS组合。

　　 为进一步研究流固耦合作用, 设计中还采用了光滑粒子流体动力学 (SPH) 法对内置换料水箱进行流固耦合分析。SPH法是一种典型的无网格化的拉格朗日法。SPH法对于求解大变形问题 (例如:液体的晃动、气体的流动等) 有很好的应用, 计算效率较高, 且不会出现液体漏出的问题。流固耦合计算采用ABAQUS软件。计算边界条件为模型底部输入X, Y, Z三个方向加速度时程, 时程加速度峰值为0.3g, 时程总长25s, 时间间隔为0.01s, 共计2 500步。计算时间约为3个月。

　　 从表1的结果来看, 等效质量元法 (ANSYS) 得到的墙体配筋要大于SPH法 (ABAQUS) 得到的墙体配筋, 可见等效质量元法进行水箱墙体的内力计算是偏于保守的。对于刚度比较大的结构, 在初设阶段, 可以采用等效质量元法复核结构方案;在施工图阶段, 可根据SPH法的计算结果进行详细的配筋设计。

　　 内置换料水箱-3.30m标高处顶板厚度为280mm, 其上方±0.00m标高处楼板厚度为1 700mm, 考虑1.7倍的活荷载分项系数^[1], 施工活荷载约为75k N/m², 该楼板跨度约为8m, 因此施工时在±0.00m标高处的楼板混凝土达到设计强度以前, 需要设置合理的支承体系, 将±0.00m标高处的楼板施工荷载传递给内部结构底板, 而不是依靠内置换料水箱顶板承受施工荷载, 避免施工过程中楼板承受较大的荷载而开裂。

　　 (1) 抗倾覆验算

　　 抗震设计输入采用改进的RG1.60谱^[4], 极限安全地震动 (SSE) 下地面加速度峰值水平向和竖向均取0.3g。基底反力计算结果见表2。

　　 采用NEWMARK组合计算各方向的倾覆力矩和基底剪力如下:绕X轴的倾覆弯矩M_X为6 062MN·m, 绕Y轴的倾覆力矩M_Y为6 142 MN·m。结构自重为0.58×10⁸kg, 内部结构底板为圆形, 其半径为22.7m。结构质心到底板形心的平面距离为1.13m, 最小的抗倾覆力臂为21.57m。

　　 同时考虑竖向地震对抗倾覆力矩的影响, 竖向地震效应的组合系数可取0.4, M_抗为10 616MN·m, 该值与倾覆力矩的比值为1.73, 满足《核电厂抗震设计规范》 (GB 50267—97) ^[2]中的抗倾覆安全系数大于1.1的规定。

　　 (2) 基底剪力验算

　　 内部结构底板中间设置正六边形抗剪键, 将内部结构承受的剪力传递给安全壳底板。水平方向的地震剪力采用NEWMRAK组合, 最大水平地震力约为355MN, 抗剪键的名义剪应力约为3.8MPa, 小于0.25f_c, 抗剪键尺寸满足规范^[5]要求。抗剪键的单边面积也满足局压承载力要求。

　　 福清核电5/6号机组中, 内置换料水箱混凝土结构部分已经施工完毕, 后续将进行不锈钢覆面的铺设工作。根据目前的设计经验及现场施工经验反馈, 内置换料水箱的设计总结如下:

　　 (1) 内置换料水箱的水位距顶板距离较小, 地震作用下可作为满水结构分析, 采用等效质量元法进行动力计算的结果是偏于保守的, 可用于结构初设。

　　 (2) 内部结构底板采用抗剪键传递水平荷载是合理的, 相对M310堆型, 减少了内部结构的施工工期。

　　 (3) 内置换料水箱顶板较薄, 施工中需采取合理传力路径, 将上层楼板的施工活荷载传递到底板。

　　 (4) 目前方案中, 内置换料水箱不锈钢覆面的施工将在混凝土结构施工后进行, 该方案需在多处楼板预留运输通道, 并且顶板不锈钢覆面需要仰焊, 膨胀螺栓成本也较高, 在后续工程中可考虑优化不锈钢覆面设计, 将不锈钢覆面与混凝土浇筑同时施工。