CN104916333A - 应对严重事故的新型三重安全壳 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及属于核电安全技术领域，具体公开了一种应对严重事故的新型三重安全壳。预应力混凝土安全壳固定在安全壳底板上，钢安全壳罩在预应力混凝土安全壳外，钢筋混凝土屏蔽厂房罩在钢安全壳外，钢筋混凝土屏蔽厂房的筒壁中部开有进气口，在锥形屋顶中央开有排气口，并在屋顶外设有环形安全壳冷却水箱；在预应力混凝土安全壳内部设有框架结构的安全壳内部结构，玄武岩堆芯熔融物基床通过耐高温钨合金钢托盘，置于预应力混凝土安全壳内的安全壳底板上。本发明所述的安全壳采用了双层纵向和双层环向预应力束后张拉的预应力混凝土安全壳，其承受内压的能力将达到现有设计的3倍以上，避免了预应力混凝土的开裂及由此产生的向环境的放射性释放。

Description

应对严重事故的新型三重安全壳
技术领域
本发明属于核电安全技术领域，具体涉及一种应对严重事故的新型三重安全壳。
背景技术
安全壳是核电厂最重要的构筑物，其主要功能是在假想的设计基准事故后，承受内压，包容气载放射性释放物，并在正常运行期间为反应堆堆芯和冷却剂系统提供屏障。同时，安全壳也是反应堆冷却剂系统的热力边界，可以将事故后产生的热量排入大气、河海水体等最终热阱，具有防止超压的功能。
目前较为流行的安全壳的类型主要包括带钢衬里的预应力混凝土安全壳、由预应力混凝土安全壳和普通混凝土安全壳组成的双层安全壳、由钢安全壳与钢筋混凝土/钢板混凝土屏蔽厂房共同组成的双层安全壳。
我国的秦山一期便是采用自主设计的带钢衬里的单层预应力混凝土安全壳。采用法国EPR技术的台山核电厂和采用俄罗斯VVER技术的田湾核电厂采用了由带钢衬里的预应力钢筋混凝土安全壳和普通钢筋混凝土安全壳组成的双层安全壳。这两种双层安全壳由预应力钢筋混凝土安全壳承受事故压力，事故的热量通过能动的设施传入河海水体。
而目前我国从美国引进的采用AP1000技术的三门核电厂、海阳核电厂，则是采用由钢安全壳与钢筋混凝土屏蔽厂房共同组成的双层安全壳。它由钢安全壳承担事故压力，事故的热量经钢安全壳表面以非能动的水冷和气冷相结合的方式传入大气。
AP1000核电厂在基准事故下的安全壳非能动冷却，是通过屏蔽厂房顶部的非能动安全壳冷却水箱所储水的喷淋来进行的。而日本福岛核事故的灾难，主要是因为在极端工况下能动冷却失效造成的。相比以往的安全壳，非能动理念的AP1000核电厂具有更高的可靠性。
目前上述所有的单层或双层安全壳的设计都是面对假想的设计基准事故，即只考虑反应堆一回路/二回路热传输系统管道破裂喷发的失水事故所引发的瞬发内压及相应的热量。该工况下主安全壳所承担的设计内压通常在0.3-0.4MPa，而反应堆事故一旦不可控而演变成如日本福岛核电厂那样堆芯熔毁导致反应堆压力容器破损的严重熔塌事故，此时核电厂的延期超压会达到原设计的3倍左右。目前所有的单层或双层安全壳结构的设计，都只是对严重事故的缓解下功夫，因此只能以主安全壳的内压承载力裕量来应对这种高额超压，故在福岛事故那种工况下，放射性物质向环境的泄漏的风险依然很大。
中国发明专利03143620.X提出了一种新型的沸水反应堆安全壳，该专利对安全壳内部结构进行了调整，具有一定的创新性。但未对安全壳本身做出重大改进，在余热排出和防止超压方面，未有显著进步。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应对严重事故的新型三重安全壳，其采用非能动冷却的方式，使核电厂即使发生最严重事故的极端工况也能确保对环境的安全可靠性。
本发明的技术方案如下：一种应对严重事故的新型三重安全壳，该安全壳包括预应力混凝土安全壳、钢安全壳、钢筋混凝土屏蔽厂房以及安全壳底板，其中，安全壳底板和钢束张拉廊道均固定在地基上，预应力混凝土安全壳位于安全壳底板上，并通过钢束张拉廊道顶部的倒U型钢束及预应力混凝土安全壳筒身的插筋相连接；钢安全壳罩在预应力混凝土安全壳外，并通过钢安全壳筒壁末端的T型锚固件锚入安全壳底板中；钢筋混凝土屏蔽厂房罩在钢安全壳外，并通过其筒壁上的插筋与安全壳底板固定连接，钢筋混凝土屏蔽厂房的筒壁中部开有进气口，在锥形屋顶中央开有排气口，并在屋顶外一体浇筑有环绕排气口的环形安全壳冷却水箱；在预应力混凝土安全壳内部设有框架结构的安全壳内部结构，安全壳内部结构用于容纳和支撑反应堆压力容器、蒸发器、安全壳内置换料水箱等反应堆设备；玄武岩堆芯熔融物基床通过耐高温钨合金钢托盘，置于预应力混凝土安全壳内的安全壳底板上，普通钢结构屏蔽板结构的可熔塞体搭接在安全壳内部结构的框架上，并位于反应堆压力容器正下方以及玄武岩堆芯熔融物基床的正上方。
所述的预应力混凝土安全壳由圆筒形筒壁和半椭球穹顶构成，其圆筒形筒壁和半椭球穹顶的下部设有双层环向预应力钢束，锚固在圆筒形筒壁上的两个扶壁柱中，圆筒形筒壁的纵向设有穿过半椭球穹顶的双层倒U型的预应力钢束，锚固在安全壳底板下的钢束张拉廊道的顶部。
所述的钢筋混凝土屏蔽厂房屋顶的托架上焊接有喷淋水流量分配盘，安全壳冷却水箱中的冷却水可流入喷淋水流量分配盘后，均匀地分配至钢安全壳表面并形成水膜。
所述的玄武岩堆芯熔融物基床由耐熔的玄武岩块体砌成，呈上凸的半椭球型，并在严重事故下，熔塌的堆芯熔融物在熔穿可熔塞体后流淌在玄武岩堆芯熔融物基床上并散布开，降低反应性并冷却。
所述的玄武岩堆芯熔融物基床中还埋有堆芯熔融物冷却管道；所述的钨合金钢托盘为耐高温钨合金钢制成的圆环形托盘，用于防止堆芯熔融物在极端情况下熔穿玄武岩堆芯熔融物基床后与安全壳底板发生接触熔蚀。
所述的预应力混凝土安全壳内半径20m～25m，壁厚为2.2m～2.6m，穹顶厚度为0.9m～1.6m，高度为65m～75m，在预应力混凝土安全壳的筒身上设有两个间隔180°的扶壁柱，用于环向预应力钢索的锚固。
所述的钢安全壳为带有半椭球穹顶的圆筒形结构，其材料为锅炉钢，厚度为20mm～50mm，钢安全壳的筒壁与预应力混凝土安全壳的间距为1.5m～2.5m，其穹顶与预应力混凝土安全壳上端半椭球穹顶的间距为3m～5m。
所述的钢筋混凝土屏蔽厂房为上端带有锥形屋顶的圆筒形结构，其筒壁厚度为0.8m～1.5m，筒壁与钢安全壳筒壁的间距为0.9m～1.1m，钢筋混凝土屏蔽厂房屋顶采用钢结构托架上浇混凝土结构，其中，混凝土部分的厚度为0.8m～1.5m；钢筋混凝土屏蔽厂房上端的环形安全壳冷却水箱其储水量为3000～4000吨；所述的进气口由直径为500mm的碳钢管制成，其埋入钢筋混凝土屏蔽厂房筒壁中部，并与水平呈一定倾角，用于非能动冷却时，外部冷空气流入；位于钢筋混凝土屏蔽厂房顶部的排气口为直径7m～13m，被安全壳冷却水箱环绕的圆柱形空腔，用于非能动冷却时热空气流出。
所述的预应力混凝土安全壳的穹顶上还设有压力释放阀，可在预应力混凝土安全壳内压力达到设计压力时，启动压力释放阀，并可同时启动安全壳冷却水箱中的冷却水喷淋。
所述的安全壳内部结构的墙体上开有贯穿孔类型的堆芯熔融物扩散孔。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳采用了双层纵向和双层环向预应力束后张拉的预应力混凝土安全壳，其承受内压的能力将达到现有设计的3倍以上，不仅可以承受设计基准失水事故下的瞬发超压（0.3-0.4MPa），而且可以承受后续的延期超压（0.8-1.2MPa），避免了预应力混凝土的开裂及由此产生的向环境的放射性释放；同时，在预应力混凝土安全壳的顶部设置了一组压力释放阀，可确保不出现长期的持续高额超压，其可以有效地排出预应力混凝土安全壳内的部分高压蒸汽到钢安全壳中，钢安全壳既可以包容这些放射性高压蒸汽，又能把高压蒸汽的热量迅速传递到钢安全壳表面，经过喷淋和常规气冷可把热量传入大气中。钢安全壳一旦冷却，其内压力便会降低，又能接收从预应力混凝土安全壳中排出的新的高压蒸汽，如此循环，可带出大量热量，有效降低预应力混凝土安全壳中的压力。在这一过程中，所有放射性物质始终处于钢安全壳的包容下，不会向环境排放；压力释放阀为压力启动开启型，采用非能动的方式将安全壳冷却水箱的水在重力作用下的自然喷淋和并完成冷热空气的自然对流。同时，在安全壳内部结构中设置了玄武岩堆芯熔融物基床，位于可熔塞体的正下方，它由耐熔的玄武岩块体砌成，其下部还有耐高温钨合金钢托盘。在严重事故下，熔塌的堆芯熔融物熔穿可熔塞体，流淌到玄武岩堆芯熔融物基床上散布并冷却。它的底部还设置有堆芯熔融物冷却水管道，用于对堆芯熔融物的辅助冷却。
附图说明
图1为本发明所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳结构示意图；
图中：1、预应力混凝土安全壳；2、钢束张拉廊道；3、钢安全壳；4、钢筋混凝土屏蔽厂房；5、安全壳内部结构；6、安全壳底板；7、压力释放阀；8、安全壳冷却水箱；9、喷淋水流量分配盘；10、进气口；11、排气口；12、玄武岩堆芯熔融物基床；13、堆芯熔融物冷却管道；14、耐高温钨合金钢托盘；15、可熔塞体；16、堆芯熔融物扩散孔。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种应对严重事故的新型三重安全壳，该安全壳包括预应力混凝土安全壳1、钢安全壳3、钢筋混凝土屏蔽厂房4以及安全壳底板6，其中，安全壳底板6和钢束张拉廊道2均固定在地基上，由圆筒形筒壁和半椭球穹顶构成的预应力混凝土安全壳1位于安全壳底板6上，并通过钢束张拉廊道2顶部的倒U型钢束及预应力混凝土安全壳1筒身的插筋相连接，其中，在预应力混凝土安全壳1的穹顶上还设有压力释放阀7，可以在预应力混凝土安全壳1内压力达到设计压力时，可以开启压力释放阀7；预应力混凝土安全壳1中的圆筒形筒壁和半椭球穹顶的下部设有双层环向预应力钢束，锚固在圆筒形筒壁上的两个扶壁柱中，圆筒形筒壁的纵向设有穿过半椭球穹顶的双层倒U型的预应力钢束，锚固在安全壳底板下的钢束张拉廊道2的顶部；带有半椭球穹顶的圆筒形钢安全壳3罩在预应力混凝土安全壳1外，并通过钢安全壳3筒壁末端的T型锚固件锚入安全壳底板6中；上端带有锥形屋顶的圆筒形钢筋混凝土屏蔽厂房4罩在钢安全壳3外，并通过其筒壁上的插筋与安全壳底板6固定连接，钢筋混凝土屏蔽厂房4的筒壁中部开有进气口10，在锥形屋顶中央开有排气口11，并在屋顶外一体浇筑有环形的安全壳冷却水箱8，钢筋混凝土屏蔽厂房4屋顶的托架上焊接有喷淋水流量分配盘9，使安全壳冷却水箱8中的冷却水可以流入喷淋水流量分配盘9后均匀地分配至钢安全壳3表面并形成水膜；在预应力混凝土安全壳1内部设有框架结构的安全壳内部结构5，安全壳内部结构5用于容纳和支撑反应堆压力容器、蒸发器、安全壳内置换料水箱等反应堆设备；玄武岩堆芯熔融物基床12通过耐高温钨合金钢托盘14，置于预应力混凝土安全壳1内的安全壳底板6上，并在玄武岩堆芯熔融物基床12中埋入堆芯熔融物冷却管道13中，位于玄武岩堆芯熔融物基床正上方的可熔塞体15搭接在安全壳内部结构5框架上，并在安全壳内部结构5的墙体上开有贯穿孔类型的堆芯熔融物扩散孔16，其中，玄武岩堆芯熔融物基床12由耐熔的玄武岩块体砌成，呈上凸的半椭球型，并在严重事故下，熔塌的堆芯熔融物在熔穿可熔塞体后流淌在玄武岩堆芯熔融物基床12上并散布开，降低反应性并冷却。
本发明所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳中，安全壳底板6为钢筋混凝土结构，厚度为2～5.5m，例如厚度为2m、3m、5m、5.5m；预应力混凝土安全壳1内半径20m～25m，壁厚为2.2m～2.6m，穹顶厚度为0.9m～1.6m，高度为65m～75m，例如，内半径为20、23m、24m、25m，壁厚为2.2m、2.4m、2.6m，穹顶厚度为0.9m、1.3m、1.5m、1.6m，在预应力混凝土安全壳1的筒身上设有两个间隔180°的扶壁柱，用于环向预应力钢索的锚固；钢安全壳3的材料为锅炉钢，厚度为20mm～50mm，例如厚度为20mm、25mm、30mm、50mm，钢安全壳3的筒壁与预应力混凝土安全壳1的间距为1.5m～2.5m，例如间距为1.5m、2m、2.5m，其穹顶与预应力混凝土安全壳1上端半椭球穹顶的间距为3m～5m，例如间距为3m、4m、5m；钢筋混凝土屏蔽厂房4筒壁厚度为0.8m～1.5m，例如筒壁厚度为0.8m、0.9m、1.1m、1.5m，其与钢安全壳筒壁的间距为0.9m～1.1m，例如间距为0.9m、1m、1.1m，钢筋混凝土屏蔽厂房4屋顶采用钢结构托架上浇混凝土结构，其中，混凝土部分的厚度为0.8m～1.5m，例如0.8m、0.9m、1m、1.5m；钢筋混凝土屏蔽厂房4上端的环形安全壳冷却水箱8其储水量为3000～4000吨，当压力释放阀7开启时，启动安全壳冷却水箱8中的冷却水喷淋；进气口10由直径为500mm的碳钢管制成，其埋入钢筋混凝土屏蔽厂房4筒壁中部，并与水平呈一定倾角，用于非能动冷却时，外部冷空气流入；位于钢筋混凝土屏蔽厂房4顶部的排气口11为直径7m～13m，例如直径为7m、10m、13m，被安全壳冷却水箱8环绕的圆柱形空腔，用于非能动冷却时热空气流出；位于安全壳内部结构5所围护的反应堆压力容器正下方的玄武岩堆芯熔融物基床12位于钨合金钢托盘14的上方，其中，钨合金钢托盘14为耐高温钨合金钢制成的圆环形托盘用于防止堆芯熔融物在极端情况下熔穿玄武岩堆芯熔融物基床12后与安全壳底板6发生接触熔蚀；可熔塞体15为位于安全壳内部结构5中、反应堆压力容器正下方的一块普通钢结构屏蔽板，在严重事故下，与堆芯熔融物接触并融化，随后一起流淌至玄武岩堆芯熔融物基床12上散布冷却。

Claims (10)

1.一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：该安全壳包括预应力混凝土安全壳（1）、钢安全壳（3）、钢筋混凝土屏蔽厂房（4）以及安全壳底板（6），其中，安全壳底板（6）和钢束张拉廊道（2）均固定在地基上，预应力混凝土安全壳（1）位于安全壳底板（6）上，并通过钢束张拉廊道（2）顶部的倒U型钢束及预应力混凝土安全壳（1）筒身的插筋相连接；钢安全壳（3）罩在预应力混凝土安全壳（1）外，并通过钢安全壳（3）筒壁末端的T型锚固件锚入安全壳底板（6）中；钢筋混凝土屏蔽厂房（4）罩在钢安全壳（3）外，并通过其筒壁上的插筋与安全壳底板（6）固定连接，钢筋混凝土屏蔽厂房（4）的筒壁中部开有进气口（10），在锥形屋顶中央开有排气口（11），并在屋顶外一体浇筑有环绕排气口（11）的环形安全壳冷却水箱（8）；在预应力混凝土安全壳（1）内部设有框架结构的安全壳内部结构（5），安全壳内部结构（5）用于容纳和支撑反应堆压力容器、蒸发器、安全壳内置换料水箱等反应堆设备；玄武岩堆芯熔融物基床（12）通过耐高温钨合金钢托盘（14），置于预应力混凝土安全壳（1）内的安全壳底板（6）上，普通钢结构屏蔽板结构的可熔塞体（15）搭接在安全壳内部结构（5）的框架上，并位于反应堆压力容器正下方以及玄武岩堆芯熔融物基床（12）的正上方。
2.根据权利要求1所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的预应力混凝土安全壳（1）由圆筒形筒壁和半椭球穹顶构成，其圆筒形筒壁和半椭球穹顶的下部设有双层环向预应力钢束，锚固在圆筒形筒壁上的两个扶壁柱中，圆筒形筒壁的纵向设有穿过半椭球穹顶的双层倒U型的预应力钢束，锚固在安全壳底板下的钢束张拉廊道（2）的顶部。
3.根据权利要求1所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的钢筋混凝土屏蔽厂房（4）屋顶的托架上焊接有喷淋水流量分配盘（9），安全壳冷却水箱（8）中的冷却水可流入喷淋水流量分配盘（9）后，均匀地分配至钢安全壳（3）表面并形成水膜。
4.根据权利要求1所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的玄武岩堆芯熔融物基床（12）由耐熔的玄武岩块体砌成，呈上凸的半椭球型，并在严重事故下，熔塌的堆芯熔融物在熔穿可熔塞体后流淌在玄武岩堆芯熔融物基床（12）上并散布开，降低反应性并冷却。
5.根据权利要求1或4所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的玄武岩堆芯熔融物基床（12）中还埋有堆芯熔融物冷却管道（13）；所述的钨合金钢托盘（14）为耐高温钨合金钢制成的圆环形托盘，用于防止堆芯熔融物在极端情况下熔穿玄武岩堆芯熔融物基床（12）后与安全壳底板（6）发生接触熔蚀。
6.根据权利要求1或2所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的预应力混凝土安全壳（1）内半径20m～25m，壁厚为2.2m～2.6m，穹顶厚度为0.9m～1.6m，高度为65m～75m，在预应力混凝土安全壳（1）的筒身上设有两个间隔180°的扶壁柱，用于环向预应力钢索的锚固。
7.根据权利要求1所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的钢安全壳（3）为带有半椭球穹顶的圆筒形结构，其材料为锅炉钢，厚度为20mm～50mm，钢安全壳（3）的筒壁与预应力混凝土安全壳（1）的间距为1.5m～2.5m，其穹顶与预应力混凝土安全壳（1）上端半椭球穹顶的间距为3m～5m。
8.根据权利要求1或3所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的钢筋混凝土屏蔽厂房（4）为上端带有锥形屋顶的圆筒形结构，其筒壁厚度为0.8m～1.5m，筒壁与钢安全壳筒壁的间距为0.9m～1.1m，钢筋混凝土屏蔽厂房（4）屋顶采用钢结构托架上浇混凝土结构，其中，混凝土部分的厚度为0.8m～1.5m；钢筋混凝土屏蔽厂房（4）上端的环形安全壳冷却水箱（8）其储水量为3000～4000吨；所述的进气口（10）由直径为500mm的碳钢管制成，其埋入钢筋混凝土屏蔽厂房（4）筒壁中部，并与水平呈一定倾角，用于非能动冷却时，外部冷空气流入；位于钢筋混凝土屏蔽厂房（4）顶部的排气口（11）为直径7m～13m，被安全壳冷却水箱（8）环绕的圆柱形空腔，用于非能动冷却时热空气流出。
9.根据权利要求1所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的预应力混凝土安全壳（1）的穹顶上还设有压力释放阀（7），可在预应力混凝土安全壳（1）内压力达到设计压力时，启动压力释放阀（7），并可同时启动安全壳冷却水箱（8）中的冷却水喷淋。
10.根据权利要求1所述的一种应对严重事故的新型三重安全壳，其特征在于：所述的安全壳内部结构（5）的墙体上开有贯穿孔类型的堆芯熔融物扩散孔（16）。
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