近日，全球首座球床模块式高温气冷堆核电站-山东荣成石岛湾高温气冷堆示范工程首次并网发电成功。这是全球首个并网发电的第四代高温气冷堆核电项目，标志着我国成为世界少数几个掌握第四代核能技术的国家之一，意味着该领域我国成为世界核电技术的领跑者。
在高温气冷核反应堆中，控制反应速度的控制棒在遭遇地震、紧急停堆等事故时会触发自由跌落模式。因此，建立相应的防护系统以吸收控制棒动能是控制棒设计体系中的重要环节。由于核反应堆内部结构的特殊性，吸能防护系统的设计面临严苛的要求，包括吸能历程的稳定性、压溃力精确控制以及高温下的运行可靠性等。
面对上述问题，中科院力学所研究团队提出了基于梯度缺陷的主动控制方法来调控压溃历程，并通过赋予不同的梯度参数获取不同趋势的压溃力演化特征。魏延鹏、杨喆等人在经典薄壁圆筒基础上，将人工预制的缺陷以内外环交叠的形式布置于筒壁上，其深度线性递减，形成了梯度缺陷圆筒结构(Gradient grooved tube, GGT)。理论分析中，在塑性铰理论基础上引入梯度缺陷项，获得了以压溃位移为自变量的分段平均压溃力函数，其中包含了应变强化及应变率强化的影响。研究发现，此类结构压溃历程主要受三个无量纲参数控制，包括控制局部几何协调性的无最纲凹槽宽度，控制局部稳定性的无量纲凹槽深度以及决定屈曲模式可控性的无量纲半波长。利用数值模拟方法，研究人员深入探讨了上述参数的合理范围及其对屈曲历程的影响规律。在验证试验中，梯度缺陷筒表现出了优异的吸能特性和抗侧向扰动能力，能保持理想的圆环形屈曲模式和稳定的吸收历程，获得了总体设计单位的肯定。
薄壁圆筒作为重要的冲击防护结构形式，在诸多领域有着实际的应用场景。本项研究实现了在非稳定加载条件下对吸能压溃历程的精确预测及主动控制，已应用于石岛湾高温气冷堆核电站示范工程中，形成了1项国际发明专利（一种冲击吸能机构，专利号：ZL201610004031.3），2项国内发明专利（1.一种具有自调节能力的组合式冲击吸能装置，专利号：ZL201410344843.3；2.一种薄壁圆筒吸能结构的压溃力历程主动控制装置，专利号：ZL201410344492.6），于国际权威期刊International Journal of Mechanical Sciences及Thin-Walled Structures发表了3篇学术论文，并有望在多类吸能构件上推广应用。
论文链接：
1.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020740316000473
2.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026382311400113X
3.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263823116303913
图1 石岛湾高温气冷堆核电站示范工程
图2 梯度缺陷布置方法
图3梯度缺陷筒的压溃力-位移曲线
图4梯度缺陷筒的圆环屈曲模式