江门中微子实验中心探测器主体结构方案研究

• 作者: 刘枫 宋涛 张高明 钱基宏
• 来源期刊: 钢结构
• 关键词: 中微子实验 探测器 不锈钢 单层网壳 有机玻璃 稳定分析 浮力荷载 工差分析
• 年，卷（期）: 2020,（9）
• 所属期刊栏目: 设计
• 页码范围: 1-9
• 页数: 9页
• 语种: 中文
• DOI: 10.13206/j.gjgS20072001

摘要

江门中微子实验(JUNO)是继大亚湾中微子实验后人类对中微子的进一步探索,它将对三种中微子的质量进行测量排序.中心探测器是江门中微子实验的核心部件,用于捕捉核反应堆或其他途径产生的中微子.中心探测器整体形状为球形,分为内层结构和外层结构,其中内层结构为直径35.4 m(内径)的有机玻璃球壳,用于承装2万t用来捕捉中微子的液闪;外层结构除了要作为PMT(光电倍增管)的支撑载体,还要为内层有机玻璃球提供支撑;整个中心探测器结构通过柱子支撑于水池底部.经过多方案比选,中心探测器选定单层型钢网壳作为其主体结构方案,它是由外层的型钢构件经纬向编织形成(构件之间螺栓连接)的单层网壳与内部的有机玻璃球体组成的整体,有机玻璃球体与外层网壳之间通过撑杆连接,网壳下部通过立柱与池底连接.中心探测器所使用的材料都必须是低本底(低放射性)的,如有机玻璃材料,不锈钢材料.所有与液闪和纯水接触的材料都要满足兼容性要求.因此,本方案采取S31608不锈钢 、有机玻璃 、A4-70不锈钢螺栓作为结构的主要材料形式.方案选取H型钢的截面形式,在自重计算时,将水的重度从不锈钢重度中减掉来考虑结构构件的浮力.为了准确计算有机玻璃球体的受力,采取荷载分算的形式,将有机玻璃球体的重力 、内表面的压力和外表面的压力分开,以考虑有机玻璃球体厚度对浮力的影响.内外液面差是指上烟囱中液闪液面高出外部纯水液面的高度,这个液位差会在有机玻璃球内壁上附加一个恒定的均匀压力,局部抵消部分球体内外压力差,对撑杆受力有改善,但对总浮力的影响很少.在方案计算阶段考虑两种计算模型,一种是不考虑有机玻璃球体作用的单层网壳计算模型;一种是考虑与有机玻璃球体共同作用的单层网壳整体计算模型.江门中微子实验中心探测器主体结构设计采用单层型钢网壳支撑内部有机玻璃球体方案,并在玻璃内外灌注非等密度液体,使得结构受力较为复杂,尤其是浮力的模拟和加载尤为复杂.另外有机玻璃的脆性和低可靠性也使得结构设计的安全裕量要求很高,主要是对撑杆内力、玻璃应力、单层网壳的稳定性等方面的控制.通过大量的方案计算,从用钢量、撑杆数量、撑杆内力、网壳内力和有机玻璃应力等几个方面对探测器结构进行了基于控制指标的优化,并对优化后的结构进行静力性能、稳定性、地震分析、节点有限元以及单点失效及公差分析,从各个方面对探测器结构的性能进行了详细分析,计算指标均满足要求.