江门中微子实验(JUNO)中心探测器结构在浮力下的整体稳定性研究

李华峰

(北京市建筑设计研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概况

江门中微子实验(JUNO)是大亚湾中微子实验的第二期工程，旨在设计、研制并运行一个国际领先的中微子实验站，以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数，并进行其他多项中微子科学前沿研究[1]，项目位于广东省江门市开平市金鸡镇打石山，距离阳江和台山反应堆均为53km。为了屏蔽宇宙射线，中心探测器被设置在地下约700m处。中心探测器整体形状为球形，置于直径约为43.5m，深44m的圆柱形水池中。

中心探测器主体不锈钢结构是江门中微子实验的核心装置。2015年7月JUNO合作组最终确定采用有机玻璃球+不锈钢网壳方案为主选方案，该方案中，中心探测器的内层结构为内径35.4m的有机玻璃球壳，该球壳通过一定数量的支撑杆连接在外层不锈钢球面网壳上，不锈钢网壳内径为40.1m。有机玻璃球内装有约2万t液体闪烁体(简称液闪)作为靶物质。不锈钢网壳上密布安装有约2万只20in光电倍增管和25 000只3in光电倍增管及相应的前段电子学，在有机玻璃球和不锈钢网壳之间以及不锈钢网壳和水池池壁之间均充满超纯水，如图1所示。

图1 中心探测器

建设方要求结构整体稳定系数大于2.5，并要求在长期工况下(对应探测器的正常运行状态)有机玻璃球的支撑杆轴心拉力小于90kN，轴心压力小于150kN。

本文采用有限元分析手段对结构的整体稳定性进行分析和评价。

2 结构体系

设计最终采用的结构体系为：有机玻璃球+单层四边形正交网格不锈钢网壳+赤道附近与不锈钢网壳相连的底部支承结构+支承有机玻璃球并与有机玻璃球表面垂直的590个撑杆，如图2所示。……