透過 LS-DYNA 對核能設備進行地震流固耦合分析

2024.07.17

近年來，由於高科技產業和生成式 AI 快速發展，各大企業對於電力的需求急遽增加，在綠能還未能 100% 取代其他發電方式的情況下，核能作為乾淨、穩定且高效的能源形式，是解決台灣嚴重缺電問題的好選擇。

但因台灣位處板塊交界處，導致許多民眾十分擔憂核能的安全問題，因此在研發新型的小型模組化核能反應爐（SMR）時，考慮如何在地震來襲時，克服反應爐可能遇到的各種風險變的尤為重要！

核能反應爐的抗震工程問題

新型的小型模組化核能反應爐中，通常包含了裝載液體冷卻劑的容器，以及浸沒在冷卻劑中的組件，像是壓水反應器（PWR）和沸水反應器（BWR）等，可透過加壓來提高流體的沸點。

而先進的鈉冷快中子反應爐 (Sodium fast reactor) 則是在低壓但相對高溫的環境下運作，可以讓冷卻劑（液態金屬或熔鹽）保持在液相，因此其容器壁厚遠小於 PWR 或 BWR，在大幅減少壁厚的情況下，將導致反應爐的抗震性也隨之下降。

因此在核安相關容器的抗震設計、鑑定和風險評估中，必須考慮容器（儲槽）、內部液體和水下零件之間的相互作用，我們可以使用 Ansys LS-DYNA 來進行以下模擬分析

LS-DYNA 多物理場模擬軟體具有以下兩大優勢:

1. 用於 FSI 模擬的兩種演算法

LS-DYNA 的 ALE 方法及其附屬的流固耦合 (FSI) 方法，旨在模擬一系列流體與固體間具有較大動量和能量轉換特點的瞬態問題，被廣泛運用在工程領域。

近年來，不可壓縮流分析技術（ICFD）也在工程模擬領域嶄露頭角，其廣泛的應用範圍讓工程師與研究人員驚艷不已，這種創新方法使我們能夠深入探索在假定不可壓縮性的情況下，流體與固體的交互作用。

2. 久經驗證的準確模擬結果

經過模擬分析和實際測試過後，可以發現使用 LS-DYNA 計算的結果，和使用壓力感測器測量槽壁流體壓力的結果幾乎吻合，由此可證 LS-DYNA 軟體的模擬結果是有信度的。

在地震事件中，核反應爐中的結構零件可能會受到複雜的力學影響，包括振動、變形和應力等，LS-DYNA 透過結構分析，能夠準確模擬這些零件的支撐響應變化，可以評估地震時零件的受力狀態，以最大程度地減少可能的損壞和安全風險，而由下圖可以看到使用 LS-DYNA 計算的結果，和實際測試的結果也非常相近。

LS-DYNA 透過其高度精確的流固耦合模型，能夠模擬在不同地震條件下冷卻液體的流動行為，像是反應爐中液體因晃動而產生的波高，可避免地震發生時冷卻液撒出的情況發生，以確保反應爐的穩定性和安全性。

如果反應爐容器受到強烈地震，液體（流體）響應可能是非線性的，包括晃動 (sloshing) 以及脫離 (disengagement) 容器的內表面和水下組件，這些都無法透過公式進行分析計算。

而在現代，我們可以依靠 LS-DYNA 模擬軟體來進行核反應爐的地震 FSI 分析，計算線性和非線性的流體響應，為核能安全多加一層保障，減少核能發電對公眾和環境可能產生的潛在風險！

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