CN103177778A - 底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器 - Google Patents

底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器 Download PDF

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黄高峰
刘鑫
曹克美
方立凯
王佳赟
张琨
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Abstract

本发明提供一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其包括包覆反应堆压力容器中下部的堆腔，堆腔的底部为堆腔混凝土底板；难熔层设置在堆腔的侧面和堆腔混凝土底板的底部，难熔层外部套有一个钢制圆筒；钢制圆筒的底部为外部冷却通道，外部冷却通道的向外延伸两端分别为冷却通道入口和冷却通道出口；数十个喷嘴被固定在钢制圆筒底部，喷嘴的上端伸入堆腔混凝土底板，喷嘴的下端伸入外部冷却通道。本发明利用堆腔混凝土底板充当牺牲材料，通过混凝土的消融，实现熔融物的稀释和降低熔融物的温度。堆腔混凝土底板熔穿后，堆芯熔融物被收集在难熔层内，进一步提高核电厂安全性、可靠性高。

Description

底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器
技术领域
本发明涉及大型非能动压水堆核电厂的堆芯捕集器，特别是涉及采用底部注水叠加外部非能动冷却的设计，进一步提高核电厂的安全性。 
背景技术
堆芯捕集器技术的使用可以使压力容器出来的熔融物有效的滞留在某一装置中，通过采用相应的熔融物堆外冷却技术，可以有效防止堆芯熔融物与混凝土的相互作用，从而减小安全壳底部熔穿的风险，并显著减少裂变产物向环境的释放，极大降低严重事故下的放射性后果。 
在现有的非能动压水堆核电厂的设计中，采用了很多严重事故缓解策略。例如在AP1000核电厂中，采用了熔融物堆内滞留（In-vessel retention）的技术来确保反应堆压力容器下封头不发生失效，从而防止堆外蒸汽爆炸和熔融物与混凝土相互作用的发生。然而，IVR的成功需要满足一定的条件。因此，IVR也有失效的风险，IVR失效后，堆芯熔融物将从压力容器向堆腔释放，如果堆腔内有大量的水，将发生蒸汽爆炸，堆芯熔融物与混凝土的相互作用也随之发生，极有可能导致大量放射性物质向环境释放。而且，随着非能动压水堆核电厂的功率不断提升，IVR成功的概率也将降低。因此，在大型非能动压水堆核电厂中，可以考虑设计熔融物堆外冷却装置，当压力容器失效时，能够在堆外有效滞留和冷却堆芯熔融物，防止地板熔穿等事件的发生。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其用于压力容器失效时成功实施熔融物的堆外滞留。 
实现本发明目的的技术方案：一种底部注水叠加外部冷却的大型非 能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其包括包覆反应堆压力容器中下部的堆腔，堆腔的底部为堆腔混凝土底板；难熔层设置在堆腔的侧面和堆腔混凝土底板的底部，难熔层外部套有一个钢制圆筒；钢制圆筒的底部为外部冷却通道，外部冷却通道的向外延伸两端分别为冷却通道入口和冷却通道出口；数十个喷嘴被固定在钢制圆筒底部，喷嘴的上端伸入堆腔混凝土底板，喷嘴的下端伸入外部冷却通道。 
如上所述的一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其所述的难熔层厚度为0.1m-0.5m，由氧化镁或者氧化锆材料制成。 
如上所述的一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其所述的钢制圆筒厚度为0.05m-0.5m，由不锈钢制成。 
本发明的效果在于： 
本发明所述的底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，利用堆腔混凝土底板充当牺牲材料，通过混凝土的消融，实现熔融物的稀释和降低熔融物的温度。堆腔混凝土底板熔穿后，堆芯熔融物被收集在难熔层内。 
通过对钢制圆筒实施底部注水和外部冷却，实现熔融物的堆外滞留，从而增强大型非能动压水堆核电厂缓解严重事故的能力。钢制圆筒底部设置的数十个喷嘴，当喷嘴上端熔化后，下部冷却通道内的冷却水将从喷嘴进入熔融池。外部冷却通道采用非能动设计，从位置较高的储水箱向外部冷却通道进行重力注射，通过吸收堆芯捕集器的热量，汽水混合物从冷却通道的出口出去，后续经过水蒸汽凝结和收集，又重新回至储水箱内，从而实现非能动的冷却。底部注水叠加外部非能动冷却，进一步提高核电厂安全性、可靠性高。 
附图说明
图1为底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器示 意图。 
图中：1—反应堆压力容器；2—堆腔；3—难熔层；4-堆腔混凝土底板；5—喷嘴；6-外部冷却通道；7—钢制圆筒；8—冷却通道入口；9—冷却通道出口。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器作进一步描述。 
如图1所示，本发明所述的一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器主要包括堆腔2、难熔层3、堆腔混凝土底板4、喷嘴5、外部冷却通道6和钢制圆筒7。 
堆腔2包覆反应堆压力容器1的中下部，堆腔2的底部为堆腔混凝土底板4。难熔层3设置在堆腔2的侧面和堆腔混凝土底板4的底部，难熔层3外部套有一个钢制圆筒7。难熔层3的厚度为0.1m-0.5m，由氧化镁或者氧化锆材料制成。钢制圆筒7的厚度为0.05m-0.5m，由不锈钢制成。 
钢制圆筒7的底部为外部冷却通道6，外部冷却通道6的向外延伸两端分别为冷却通道入口8和冷却通道出口9。 
数十个喷嘴5被固定在钢制圆筒7底部，喷嘴5的上端伸入堆腔混凝土底板4，喷嘴5的下端伸入外部冷却通道6。 
当核电厂发生严重事故时，堆芯开始熔化和坍塌，熔融物逐渐聚集在压力容器1下腔室，由于熔融物衰变热的作用导致压力容器下封头失效，堆芯熔融物将落入堆腔2。与下落的堆芯熔融物首先接触的是堆腔混凝土底板4，堆芯熔融物与混凝土发生相互作用导致混凝土不断消融。在整个过程中，混凝土起到了牺牲材料的作用，它可以对堆芯熔融物起到稀释的作用，也能在一定程度上降低堆芯熔融物的温度，同时也可以缓解熔融物从压力容器1下落时的热冲击作用，从而起到保护堆芯捕集器其它部件的作用。 
在堆腔地板和侧面安装有难熔层3，难熔层由难熔材料制成。难熔层3的设置能够有效收集堆芯熔融物，防止堆芯熔融物进一步消融其它材料。 
在难熔层的外部有一大型的钢制圆筒7，钢制圆筒的设置一方面可以固定喷嘴和提供外部冷却传热的介质；另一方面，能够减轻堆外蒸汽爆炸的后果。 
数十个喷嘴5被固定在钢制圆筒7底部，并且，喷嘴的上端深入混凝土底板4。当熔融物慢慢消融混凝土底板4时，喷嘴的上端被熔化，导致冷却通道内的冷却水通过喷嘴进入熔融池，从而实现了熔融物的底部注水，能够对熔融物实施快速冷却。 
同时，在钢制圆筒底部的冷却通道内不断有冷却水流过，冷却通道入口8的冷却水来自位置较高的水箱以重力注射的方式向外部冷却通道6注水，冷却通道内的冷却水吸热后部分蒸发，从冷却通道出口9出来的是汽水混合物。水蒸汽进入安全壳以后，通过非能动安全壳冷却系统进行冷凝，冷凝水又被重新收集进入冷却水存储箱，从而实现冷却水-水蒸汽-冷却水的自然循环。 
通过上述装置功能的实现，熔融物将被有效滞留和冷却在难熔层内，从而缓解了严重事故的后果。 
本发明并不严格地局限于所述实例。根据本发明提出的方法，可以应用于任意功率的大型非能动压水堆核电厂的堆外熔融物的滞留。 

Claims (3)

1.一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其特征在于：它包括包覆反应堆压力容器（1）中下部的堆腔（2），堆腔（2）的底部为堆腔混凝土底板（4）；难熔层（3）设置在堆腔（2）的侧面和堆腔混凝土底板（4）的底部，难熔层（3）外部套有一个钢制圆筒（7）；
钢制圆筒（7）的底部为外部冷却通道（6），外部冷却通道（6）的向外延伸两端分别为冷却通道入口（8）和冷却通道出口（9）；
数十个喷嘴（5）被固定在钢制圆筒（7）底部，喷嘴（5）的上端伸入堆腔混凝土底板（4），喷嘴（5）的下端伸入外部冷却通道（6）。
2.根据权利要求1所述的一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其特征在于：所述的难熔层（3）厚度为0.1m-0.5m，由氧化镁或者氧化锆材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种底部注水叠加外部冷却的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器，其特征在于：所述的钢制圆筒（7）厚度为0.05m-0.5m，由不锈钢制成。
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