CN104575631B - 高温熔融物释放装置 - Google Patents

Abstract

一种核工业领域的熔融物释放装置，包括：依次设置于熔融物加热装置下的气动支撑机构和撞击机构，撞击机构包括：与气动支撑机构相连的管道以及固定设置于管道内部的石墨锥，当熔融物通过石墨锥的时间间隙内气动支撑机构完全关闭。本发明可以有效实现公斤量级高温熔融物的释放，不影响其他设备的正常使用，从而为实验研究公斤级高温熔融物与冷却剂相互作用机理提供了切实可行的方法，为大型安全分析程序开发和验证实验的开展提供技术支持。

Description

高温熔融物释放装置

技术领域

本发明涉及的是一种核工业领域的技术，具体是一种用于核反应堆严重事故中高温熔融物与冷却剂相互作用控制公斤级高温熔融物释放装置。

背景技术

能源在国民经济中具有特别重要的战略地位。我国目前能源结构不合理，一次能源消费以煤为主，化石能的大量消费造成严重的环境污染。为满足我国持续增长的能源需求，发展核能是最为有效和可行的。在核能的商用和民用中，由于其自身的特殊性，安全问题一直是我国发展核能放在首要的因素，特别是带来放射性物质大面积释放威胁的严重事故。高温熔融物与冷却剂的相互作用(简称FCI)是核反应堆在发生严重事故后经常伴随发生的，堆芯熔融物下落到下封头时，高温熔融物与存留的冷却剂水发生剧烈的相互作用，可能会发生碎裂或发生进一步细化，导致传热面积急剧增加，并可能引发蒸发速率激增、压力突增现象，此过程具有显著的破坏潜能，可能对压力容器及一回路系统结构造成严重破坏，诱发大规模放射性物质泄漏，危害公众安全。因此，深入研究严重事故下高温熔融物与冷却剂相互作用的热工水力现象和机理有着重要的科学和工程意义。按照发生相互作用的规模，可以将这一现象分为小量级(克、几十克量)和大量级(千克量及以上)两类，国内和国外已对小量相互作用的机理进行了广泛的研究，但由于熔融物量的不同对相互作用现象和机理的影响也有很大差别，因此为了完善高温熔融物与冷却剂相互作用的机理，填补国内对于这一现象大量级研究的空缺，需要合理设计一套行之有效的实验装置，其中关键问题在于高温熔融物的释放。对于小量级高温熔融物的释放装置主要依托提拉塞杆的释放形式，通过塞杆底部锥头的引流完成熔融物液滴的下落，然而这种释放方式对于熔融物量级更大的情况将很难适用，甚至产生其他相关设备的损坏。快速而无危险的释放是开展本实验的重要保证，但由于涉及了超高温与高压实验环境，这一问题的解决变得相对棘手。

经过对现有技术的检索发现，韩国KAERI的TROI实验装置成功开展了公斤级高温熔融物与冷却剂相互作用的实验研究，但由于其采用的速关阀可以持续耐高温至少2000度℃以上，此类材质在国内还鲜有耳闻，因此该方案在当下并不可行。日本JAERI的ALPHA实验装置同样成功开展了大量高温熔融物与冷却剂的相互作用实验，特别关注了粗混合过程，但由于其同样采用了耐高温、耐高压且动作迅速的阀门，因此该方案同样不能奏效。为了利用现有资源解决这一难题，创造性地开发远程操作式高温熔融物与冷却剂相互作用的公斤级熔融物释放装置，弥补了国内相关领域相关严苛工况下的技术空白。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种熔融物释放装置，可以有效实现公斤量级高温熔融物的释放，不影响其他设备的正常使用，从而为实验研究公斤级高温熔融物与冷却剂相互作用机理提供了切实可行的方法，为大型安全分析程序开发和验证实验的开展提供技术支持。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：依次设置于熔融物加热装置下的气动支撑机构和撞击机构，其中：撞击机构包括：与气动支撑机构相连的管道以及固定设置于管道内部的石墨锥，当熔融物通过石墨锥的时间间隙内气动支撑机构完全关闭。

所述的气动支撑机构包括：位于熔融物加热装置下的气动支撑翻板和依次与之气密连接的插板阀和快关阀，其中：气动支撑翻板、插板阀和快关阀分别与控制台相连并接收各自对应的控制信号。

所述的气动支撑翻板具体位于熔融物加热装置的下端两侧位置，用来在加热过程中支撑熔融物加热装置的石墨坩埚，该气动支撑翻板包括：保温材料、石墨板、气动装置、支撑板其中：支撑板、保温材料和石墨板之间通过石墨杆固定连接，与控制台相连的气动装置由电磁阀连接氮气瓶减压阀，当电磁阀接到控制信号后打开并实现氮气的充入。

所述的支撑板优选为对开结构，各自通过一组由同步阀控制的气动装置驱动，使得对开的支撑板能够同时翻动，从而使得熔融物垂直下落。

所述的快关阀为常开状态，当熔融物通过后迅速关闭并切断阀两侧空间。

所述的石墨锥具体通过托盘卡槽结构固定设置于管道的端部，该石墨锥形貌为空心圆锥结构，锥体侧壁布置若干孔洞，主要通过石墨锥顶与石墨坩埚的碰撞实现石墨坩埚底部的破坏，从而保证高温熔融物的泄出；若石墨锥顶没有成功破坏，则石墨坩埚内的公斤级高温熔融物可以通过石墨锥体侧壁上的孔洞实现出流。

所述的托盘卡槽结构用以支撑和固定石墨锥，防止石墨坩埚与石墨锥发生碰撞时出现振动跳跃从而使碰撞失效。

所述的石墨锥的底部设有延时板，借助高温熔融金属熔化金属板所延迟的时间充分使阀门完全关闭，提高了安全性。

所述的管道用以连接上部高温炉底部的插板阀和下部其他装置，同时束缚石墨坩埚的下落运动轨迹，保证准直，以准确撞击安装于管道底部的石墨锥。

所述的控制台与释放装置分居两个房间，通过控制台发布控制信号，从而操纵气动翻板的动作，实现坩埚的下落。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过对装载大量高温熔融物的石墨坩埚进行有效撞击破坏，实现公斤量级熔融物的出流下落从而与下部冷却剂发生相互作用，避免了传统塞杆释放装置释放时必然产生的由于高温熔融物与其他常规设备接触而导致的毁坏与失效问题，同时又能有效避免由于发生高温熔融物与冷却剂相互作用而产生的高压水蒸气冲击高温炉膛，为核电厂安全分析奠定基础。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2(a)为石墨锥正面剖视图及1/2高度处通孔布置图；

图2(b)为石墨锥正面剖视图及锥面底部通孔布置图；

图3为托盘卡槽结构示意图；

图中：真空室1、加热系统2、气动支撑翻板3、插板阀4、快关阀5、石墨锥6、管道7、托盘卡槽8、延时板9、控制台10、法兰11。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：依次设置于位于真空室1内的加热系统2下的气动支撑机构和撞击机构，其中：撞击机构包括：与气动支撑机构相连的管道7以及固定设置于管道7内部的石墨锥6，当熔融物通过石墨锥6的时间间隙内气动支撑机构完全关闭。

所述的气动支撑机构包括：位于熔融物加热装置下的气动支撑翻板3和依次与之气密连接的插板阀4和快关阀5，其中：气动支撑翻板3、插板阀4和快关阀5分别与控制台10相连并接收各自对应的控制信号。

所述的气动支撑翻板3位于石墨坩埚底部，由于加热过程中的坩埚温度仍然较高，因此选择上部为石墨，中部为氧化锆，下部为氧化铝的三层结构翻板3，能够保证翻板3不被破坏且有效保证其结构强度，提高安装配合的适用性。

所述的插板阀4无特殊要求，当接到控制台的打开信号后，可以电驱动打开；当接到控制台的关闭信号后，可以电驱动关闭。

所述的快关阀5为一款耐高温快速切断阀门，由于释放熔融物的质量为公斤量级，为此当高温熔融物与冷却剂发生接触时，由于快速的传热导致的蒸发相变使得压力波幅值将会达到约10MPa，这样产生的强烈的冲击波将会沿管道7向上传播至高温炉膛从而使炉膛、管道7等重要实验装置部件发生损毁。因此，这里需配置一起到通断作用的部件——阀门，用来阻挡这一冲击波的破坏力，该快关阀5的关闭时间小于1s，公称压力为10MPa，公称直径为100mm，阀体中心通过的瞬时高温约1800℃。

所述的石墨锥6，应满足装有2～8kg熔融物的石墨坩埚自炉膛内沿不锈钢管道7下落一段距离后，与石墨锥6体发生碰撞，当超过石墨的断裂韧性时，判定石墨破裂。以石墨坩埚所盛熔融物质量最少(2kg)来设计，若此厚度能够破裂，则熔融物质量增大后，坩埚与石墨锥6一定能够破裂。由Herts弹性碰撞理论设计，并由石墨的K_IC指标校核，当石墨坩埚的厚度不超过3mm时，都能够在该冲击力作用下破裂。

采用等效圆柱的方法对石墨锥6进行厚度设计，当临界应力强度因子K_IC＝6.67，满足断裂要求，对应石墨锥6的设计尺寸如图2所示：该石墨锥6的高度为110mm，底部直径90mm，圆锥角38.58°，壁厚为3.3mm，顶部冲击端厚度10mm，对应在底部设有高度为10mm的固定带以卡接托盘卡槽8。

石墨锥6的设计款式：

一.由于石墨锥6部分的设计计算不确定度较大，为力求石墨锥6的如期破裂，降低其强度，特别在距离锥底竖直高度为1/2的锥面一周布置直径10mm的通孔，共7个，相邻通孔圆心距为20mm，如图2(a)左、右图所示。

二.一旦发现只布置一排孔时造成的破坏效果不能将整个锥面压塌，将采用第二种设计形式。在第一种设计基础上(即1/2高度处通孔布置同款式一)，在锥面底部位置，由具体计算，即距离锥底竖直高度为14.72mm的锥面一周布置直径10mm的通孔，共10个，相邻通孔圆心距为20mm。

以上设计是为了保证石墨锥6面能在撞击中坍塌，从而使更多的熔融物一次性泄出，理论计算估计，当锥面整体坍塌后所一次性泄出的熔融物量占总量的62％。

当由于剧烈蒸发产生的巨大压力波传播至阀门处时，一旦阀门未能完全关闭，将造成炉膛破坏，危及人身安全。因此进一步优选设置一种延时板，借助高温熔融金属熔化金属板所延迟的时间充分使阀门完全关闭，提高了安全性。

针对熔融金属3kg的情况进行了传热设计计算，确定当选择直径90mm、厚度为1.5mm的不锈钢薄板，可以理论延时1s，从而可以使阀门完全关闭，同时理论下降温度约50～100℃不等。

所述的托盘卡槽结构8作为石墨锥6和延时不锈钢板的的固定和支撑部件，其结构应于二者配合，如图3所示。其中不锈钢托盘内径70mm，石墨锥6底与不锈钢板共厚11mm。卡槽部分与托盘部分为一体，其中托盘上方卡槽高度15.5mm，突出部分的檐高度3mm，为保证加工和最后能顺利装入，要求卡槽檐与锥底间留有1.5mm间隙。

所述的控制系统需要完成三个工作，1.插板阀4打开与关闭，即正式坩埚释放前，通过远程控制按键，发送插板阀4打开的命令；当高温炉需要加热前，通过远程控制按键，发送插板阀4关闭的命令。2.气动支撑翻板3的打开与回座，即待插板阀4完全打开后，通过远程控制按键，发送气动支撑翻板3打开的命令；当石墨坩埚释放后，通过远程控制按键，发送气动支撑翻板3回座的命令。3.快关阀关闭控制信号，即实验前手动输入延迟时间，待气动支撑翻板3打开命令发出后进行延时，待延时时间到，自动发出快关阀关闭命令。

本装置通过以下方式实现释放：

1)待实验条件达到后，控制台处手动输入快关阀命令延迟时间，接着控制台发出插板阀4打开命令，插板阀4接到命令后电驱动开启；

2)插板阀4完全打开后，控制台发出气动支撑翻板3打开命令，气动支撑翻板3接到命令后，电磁阀开启，氮气瓶内高压气体进入，驱动同步阀动作，保证两块翻板3同时向下翻转，石墨坩埚下落；

3)与此同时，气动支撑翻板3打开命令经过一定延时后，发送至快关阀电磁阀处，操纵快关阀在1s内关闭；(注：此延时时间需要正式实验前多次尝试，以保证快关阀关闭时石墨坩埚已通过。)

4)下落的石墨坩埚与管道7底端石墨锥6碰撞，坩埚内部大量高温熔融物出流，与石墨锥6底部延迟不锈钢板作用；

5)待熔穿不锈钢板后，熔融物下落至下部反应器中，与冷却剂水发生相互作用，完成实验。

借助上述释放装置，通过上述具体释放步骤，可实现大量高温熔融物的无危险下落，为反应堆严重事故下高温熔融物与冷却剂相互作用实验研究的开展提供可能。

Claims (10)

1.一种熔融物释放装置，其特征在于，包括：依次设置于熔融物加热装置下的气动支撑机构和撞击机构，其中：撞击机构包括：与气动支撑机构相连的管道以及固定设置于管道内部的石墨锥，当熔融物通过石墨锥的时间间隙内气动支撑机构完全关闭。

2.根据权利要求1所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的气动支撑机构包括：位于熔融物加热装置下的气动支撑翻板和依次与之气密连接的插板阀和快关阀，其中：气动支撑翻板、插板阀和快关阀分别与控制台相连并接收各自对应的控制信号。

3.根据权利要求2所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的气动支撑翻板具体位于熔融物加热装置的下端两侧位置，用来在加热过程中支撑熔融物加热装置的石墨坩埚，该气动支撑翻板包括：保温材料、石墨板、气动装置、支撑板，其中：支撑板、保温材料和石墨板之间通过石墨杆固定连接，与控制台相连的气动装置由电磁阀连接氮气瓶减压阀，当电磁阀接到控制信号后打开并实现氮气的充入。

4.根据权利要求3所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的支撑板为对开结构，各自通过一组由同步阀控制的气动装置驱动，使得对开的支撑板能够同时翻动，从而使得熔融物垂直下落。

5.根据权利要求2所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的快关阀为常开状态，关闭时间小于1s，公称压力为10MPa，公称直径为100mm，当熔融物通过后迅速关闭并切断快关阀两侧空间。

6.根据权利要求1所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的石墨锥形貌为空心圆锥结构，锥体侧壁布置若干孔洞。

7.根据权利要求1或6所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的石墨锥在距离锥底竖直高度为1/2的锥面一周布置若干通孔。

8.根据权利要求7所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的石墨锥的高度为110mm，底部直径90mm，圆锥角38.58°，壁厚为3.3mm，顶部冲击端厚度10mm，对应在底部设有高度为10mm的固定带以卡接托盘卡槽，该石墨锥在锥面底部位置，即距离锥底竖直高度为14.72mm的锥面一周布置若干通孔。

9.根据权利要求1或6所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的石墨锥的底部设有金属材质的延时板，借助高温熔融金属熔化延时板所延迟的时间充分使快关阀完全关闭，提高了安全性。

10.根据权利要求1所述的熔融物释放装置，其特征是，所述的管道用以连接插板阀和撞击机构，同时束缚熔融物的下落运动轨迹准直，以准确撞击安装于管道底部的石墨锥。