CN105047236A - 反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，包括压力容器壁面与环腔壁面之间的压力容器环腔，该环腔顶部有排汽孔、底部有进水孔，围绕环腔壁面设置环腔水池，水池环腔壁面未被环腔水池包围的部分设置坩埚将其包围，形成坩埚腔室，坩埚向上延伸形成水池环腔，该环腔顶部有排气孔，与坩埚腔室相连通，在坩埚外围有坩埚冷却水池，水池顶部有开口，水池外围是钢安全壳，围绕着钢安全壳上半部有上部水池；环腔水池通过管线与坩埚冷却水池连通；再循环地坑设置在钢安全壳内，通过管线与坩埚冷却水池连通；坩埚腔室通过管线与坩埚冷却水池连通；本发明技术方案根据事故序列中不同衰变热能够实现堆芯熔融物三种层次的冷却和滞留。

Description

反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统

技术领域

本发明涉及一种反应堆严重事故状态下堆芯熔融物的堆内和堆外滞留非能动冷却系统，尤其适用于小型钢制安全壳的中、大功率模块式反应堆。

背景技术

目前国内外先进的第三代反应堆设计中，为缓解严重事故实现堆芯熔融物冷却和滞留的策略主要有两种：（1）熔融物堆内冷却和滞留；（2）熔融物堆外冷却和滞留。

目前国内外先进的第三代反应堆设计中，为缓解严重事故实现堆芯熔融物冷却和滞留的策略主要有两种：1、熔融物堆内冷却和滞留策略（IVR）；2、熔融物堆外冷却和滞留。第一种策略的应用以AP600/AP1000为代表。第二种策略需要设置专门的熔融物捕集器来承接堆芯熔融物，并将熔融物冷却和滞留在捕集器里面。

目前国际上被成功的开发和应用的熔融物冷却和滞留策略中，坩埚式捕集器熔融物行为不确定，扩展式捕集器需求面积大、熔融物限制范围不紧凑，且都适用于大型混凝土安全壳的大功率反应堆；而熔融物堆内滞留（IVR）策略需要足够大的裕量保证压力容器下封头的热流密度低于CHF，且也需要大型钢安全壳实现非能动冷却。因此对于小型钢安全壳的中、大功率模块式反应堆，这三种策略的适用性不好。

因此，针对小型钢制安全壳的模块式反应堆，需要提出一种新的严重事故状态下堆芯熔融物堆内滞留与堆外滞留非能冷却系统。

发明内容

本发明主要针对小型钢制安全壳的模块式反应堆，提供了一种新的严重事故状态下堆芯熔融物堆内滞留和堆外滞留非能冷却系统，能够在堆芯衰变热从小到大的三种层次下，实现堆芯熔融物的冷却和滞留。

本发明是通过如下技术方案实现的：

反应堆严重事故状态下熔融物堆内和堆外滞留非能动冷却系统，包括压力容器环腔进水孔，压力容器环腔，压力容器环腔壁面，压力容器环腔排汽孔，环腔水池，水池环腔，水池环腔排汽孔，坩埚冷却水池，钢安全壳上部水池，环腔水池排水管线，再循环地坑，再循环管线，坩埚冷却水池补水管线，坩埚腔室补水管线，坩埚冷却水池排水管线，坩埚，坩埚腔室。

其中，压力容器壁面与环腔壁面之间构成压力容器环腔，在压力容器环腔的顶部设置有压力容器环腔排汽孔；围绕着环腔壁面设置了环腔水池；在环腔的底部设置了压力容器环腔进水孔；

水池环腔壁面未被环腔水池包围的部分设置了坩埚将其包围，形成坩埚腔室，压力容器环腔进水孔接通压力容器环腔及坩埚腔室，坩埚向上延伸包围了环腔水池，形成水池环腔，在水池环腔的顶部设置了水池环腔排气孔，水池环腔与坩埚腔室相连通，在坩埚外围设置了坩埚冷却水池，水池顶部有开口，水池外围是钢安全壳，围绕着钢安全壳的上半部设置了钢安全壳上部水池；

环腔水池通过环腔水池排水管线和坩埚冷却水池补水管线与坩埚冷却水池连通；

再循环地坑设置在钢安全壳内，通过再循环管线和坩埚冷却水池补水管线与坩埚冷却水池连通；

坩埚腔室通过坩埚腔室补水管线和坩埚冷却水池排水管线与坩埚冷却水池连通；

所述的环腔水池排水管线设置有止回阀和控制阀，坩埚冷却水池补水管线上设置有止回阀和控制阀，再循环管线上设置有止回阀和控制阀，坩埚腔室补水管线上设置有止回阀和控制阀，坩埚冷却水池排水管线上只设置控制阀门。

所述的钢安全壳圆弧形内表面上安装有冷凝水导流装置，由多个导向板组成，导向板之间有间隙，导向板与钢安全壳之间形成冷凝环隙；

所述的钢安全壳筒体周围安装有集水装置，集水装置由环绕安全壳筒体内表面的集水坑和接通集水坑与再循环地坑的导流流道组成。

所述的压力容器环腔进水孔由冲孔板、带孔导向管及等量中空不锈钢浮球组成。

所述的压力容器环腔排汽孔、水池环腔排汽孔由浮板盖住。

所述的环腔壁面的底部设置成缓冲托盘。

本发明实现了如下的技术效果：根据事故序列中不同衰变热实现堆芯熔融物三种层次的冷却和滞留。（1）滞留于堆芯：堆芯衰变热较小时，通过压力容器筒体外壁面的冷却带出堆芯衰变热，避免燃料组件坍塌和堆芯下部支承板失效，实现熔融物堆芯滞留；（2）滞留于下封头内：堆芯衰变热增大时，燃料组件坍塌、堆芯熔化重定位，通过下封头外表面的冷却带出熔融物衰变热，实现堆芯熔融物下封头内滞留；（3）滞留于坩埚内：堆芯衰变热继续进一步增大时，下封头外表面冷却不足，压力容器熔穿失效，通过坩埚外表面的冷却带出熔融物衰变热，实现堆芯熔融物坩埚内滞留。

附图说明

图1反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统示意图；

图2压力容器环腔进水孔示意图；

图3冷凝水导流和集水装置示意图。

附图中附图标记所对应的名称为：1-压力容器环腔进水孔，2-压力容器环腔，3-压力容器环腔壁面，4-压力容器环腔排汽孔，5-环腔水池，6-水池环腔，7-水池环腔排汽孔，8-坩埚冷却水池，9-冷凝水导流装置，10-钢安全壳上部水池，11-环腔水池排水管线，12-再循环地坑，13-再循环管线，14-坩埚冷却水池补水管线，15-坩埚腔室补水管线，16-坩埚冷却水池排水管线，17-缓冲托盘，18-坩埚，19-坩埚腔室，20-集水装置，21-带孔导向管，22-中空不锈钢浮球，23-冲孔板，24-导向板；25-冷凝环隙；26-集水坑；27-导流流道，28-压力容器，29-钢安全壳，30-压力容器下封头，31-环腔水池排水管线止回阀，32-环腔水池排水管线控制阀门，33-再循环管线止回阀，34-再循环管线控制阀门，35-坩埚冷却水池补水管线止回阀，36-坩埚冷却水池补水管线控制阀门，37-坩埚腔室补水管线止回阀，38-坩埚腔室补水管线控制阀门，39-坩埚冷却水池排水管线控制阀门。

具体实施例

下面结合具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细的介绍：

实施例1

如图1所示的一种反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，包括压力容器环腔进水孔1，压力容器环腔2，压力容器环腔壁面3，压力容器环腔排汽孔4，环腔水池5，水池环腔6，水池环腔排汽孔7，坩埚冷却水池8，钢安全壳上部水池10，环腔水池排水管线11，再循环地坑12，再循环管线13，坩埚冷却水池补水管线14，坩埚腔室补水管线15，坩埚冷却水池排水管线16，坩埚18，坩埚腔室19。

其中，压力容器壁面与环腔壁面3之间构成压力容器环腔2，在压力容器环腔2的顶部设置有压力容器环腔排汽孔4；围绕着环腔壁面3设置了环腔水池5；在环腔2的底部设置了压力容器环腔进水孔1；

水池环腔壁面3未被环腔水池5包围的部分设置了坩埚18将其包围，形成坩埚腔室19，压力容器环腔进水孔1接通压力容器环腔1及干过腔室19，坩埚18向上延伸包围了环腔水池5，形成水池环腔6，在水池环腔6的顶部设置了水池环腔排气孔7，水池环腔6与坩埚腔室19相连通，在坩埚18外围设置了坩埚冷却水池8，水池顶部有开口，水池外围是钢安全壳29，围绕着钢安全壳的上半部设置了钢安全壳上部水池10；

环腔水池5通过环腔水池排水管线11和坩埚冷却水池补水管线14与坩埚冷却水池8连通；

再循环地坑12设置在钢安全壳29内，通过再循环管线13和坩埚冷却水池补水管线14与坩埚冷却水池8连通；

坩埚腔室19通过坩埚腔室补水管线15和坩埚冷却水池排水管线16与坩埚冷却水池8连通；

所述的环腔水池排水管线11设置有止回阀31和控制阀32，坩埚冷却水池补水管线14上设置有止回阀35和控制阀36，再循环管线13上设置有止回阀33和控制阀34，坩埚腔室补水管线15上设置有止回阀37和控制阀38，坩埚冷却水池排水管线16上只设置控制阀门39。

在反应堆发生堆芯熔化的严重事故时，堆芯的流体出口温度升高，达到核电厂应对严重事故时确定的需要启动堆芯熔融物滞留及冷却措施的温度时，一般而言为650度，开启坩埚腔室补水管线15与坩埚冷却水池排水管线16的控制阀门，坩埚冷却水池8依靠重力向坩埚腔室19注水，通过压力容器环腔进水孔1淹没压力容器，同时开启环腔水池排水管线11与坩埚冷却水池补水管线14的控制阀门，环腔水池5依靠重力向坩埚冷却水池8注水。

由于处于严重事故状态下，在堆芯裸露、衰变热较小时，随着堆芯裸露时间的增加，燃料组件包壳温度上升，堆芯热量通过堆芯围板、吊篮、压力容器筒体壁面以辐射换热、对流换热和导热的方式带出，加热了在压力容器环腔2内的流体，流体由于温度上升导致密度降低，与坩埚冷却水池8中温度较低密度较大的流体形成密度差，形成自然循环流动。当压力容器环腔2内的流体及水蒸气向上流动到达顶部时，从排气孔4流出，水直接回到坩埚冷却水池，水蒸气进入安全壳上部空间。

在堆芯裸露、衰变热继续增大时，堆芯的热量不足以通过压力容器筒体外壁面冷却导出，燃料组件坍塌、堆芯支承板失效，堆芯熔融物迁移重定位于下封头30内。这时依然可以通过压力容器环腔流体冷却下封头30外壁面带出下封头熔融池衰变热，冷却作用面从压力容器筒体外壁面转移到下封头外壁面。

不管是冷却压力容器筒体外壁面还是冷却下封头外壁面，压力容器环腔2中的水及加热生成的水蒸气通过其排汽孔4进入钢安全壳。水蒸气进入钢安全壳后，由于安全壳上部由上部水池10包围着，因此钢安全壳内的水蒸气通过上部水池10冷凝后，通回流到再循环地坑12，这时，可开启再循环管线13的控制阀门，再循环地坑12内的流体依靠重力流向坩埚冷却水池8，如此形成循环，实现压力容器筒体、下封头外表面的长期冷却。

在堆芯裸露、衰变热继续进一步增大时，下封头外表面的水冷却不足，压力容器熔穿失效，堆芯熔融物迁移到坩埚腔室19，这时，熔融物的热量加热了坩埚冷却水池8内的流体，水和水蒸气通过坩埚冷却水池8顶部开口进入钢安全壳9。进入钢安全壳9内的水蒸汽通过其上部水池10冷凝后流到再循环地坑12，打开再循环管线13的控制阀门，通过坩埚冷却水池补水管线14，再循环地坑12依靠重力流向坩埚冷却水池8，如此形成循环，实现坩埚外表面的长期冷却。

当发生这种情况下封头失效时，还需要关闭坩埚腔室补水管线15的控制阀门，避免熔融物向外释放。

实施例2

还可以在实施例1的基础上设置用于更高效地导流安全壳上的水蒸气的冷凝水导流装置，以及便于更高效地收集冷凝式的集水装置

如图3所示，冷凝水导流装置9安装在钢安全壳29圆弧形内表面上，由多个导向板24组成，导向板24之间有间隙，与钢安全壳29形成冷凝环隙15。

集水装置20安装在钢安全壳29筒体内，由环绕安全壳筒体内表面的集水坑26和导流流道27组成。

冷凝水导流装置和集水装置的工作过程如下：钢安全壳球封头内的水蒸气通过导向板24之间的间隙进入冷凝环隙25，水蒸气在圆弧形安全壳内表面冷凝形成液滴，液滴在重力作用下掉落在导向板上，并流到下面的导向板，最后汇流到安全壳筒体内表面。钢安全壳筒体部分的水蒸气直接在筒体内表面冷凝。安全壳内表面冷凝的水滴形成液膜并最终冷却成水流，并沿安全壳内表面垂直流入集水坑26。集水坑中的水通过导流流道27汇聚到再循环地坑12。

实施例3

还可以在上述实施例的基础上进一步优化压力容器环腔进水孔1以及环腔排气孔4的结构，使进水孔1和排气孔4在流体经过时才开启，其余时间关闭。

如图2所示，压力容器环腔进水孔1由冲孔板23、带孔导向管21及等量中空不锈钢浮球22组成。正常情况下中空不锈钢浮球22静止于冲孔板的导向管内，进水孔关闭，当坩埚腔室19充满水时浮球浮起，进水孔打开，坩埚腔室19内的流体从带孔导向管21流向压力容器环腔2，淹没冷却压力容器壁面。

压力容器环腔排气孔4由重量较轻的浮板盖住，当压力容器环腔2内的流体及水蒸气向上流动到达顶部时，将浮板顶开，从排气孔4流出，水直接回到坩埚冷却水池，水蒸气进入安全壳上部空间。

实施例4

如图1所示，还可以将环腔壁面3的底部设置成缓冲托盘结构，该缓冲托盘17可以采用不锈钢材料制成。

在实现熔融物堆芯滞留和下封头内滞留时，缓冲托盘作为形成压力容器外流道的一部分；当下封头熔穿后，缓冲托盘17缓解熔融物和下封头掉落过程中对坩埚装置的力学冲击，并作为牺牲材料降低熔融物体积释热率，因此有利于堆芯熔融物坩埚内滞留。

采用本发明的技术方案，能够根据衰变热大小实施三种冷却方式，实现三种层次的熔融物堆内滞留和堆外滞留：（1）当堆芯裸露、堆芯衰变热较小时，随着堆芯的裸露，燃料组件包壳温度上升，堆芯热量通过围板、吊篮、压力容器筒体壁面以辐射换热、对流换热和导热的方式带出加热保温层流道流体，通过压力容器筒体外壁面冷却持续带走堆芯衰变热。在这一过程中，部分堆芯成型板和围板及其他低熔点堆芯材料熔化，大部分或全部燃料组件保持几何完整性，同时堆芯支承板保持完好状态，因此熔融物滞留于堆芯。（2）当堆芯裸露、堆芯衰变热增大时，压力容器筒体外壁面冷却不足，燃料组件坍塌、堆芯支承板失效，堆芯熔融物迁移重定位于下封头内。通过保温层流道流体冷却下封头外壁面带出下封头熔融池衰变热，实现堆芯熔融物压力容器下封头内滞留。（3）当堆芯裸露、衰变热继续进一步增大时，堆芯熔融物坍塌迁移到下封头，下封头外表面的水冷却不足，导致压力容器熔穿失效，堆芯熔融物迁移到坩埚腔室，通过坩埚外表面的冷却熔融物，且由于缓冲托盘作为牺牲材料降低了熔融物体积释热率，因此实现了堆芯熔融物坩埚内滞留。

Claims (7)

1.反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，其特征在于：包括压力容器环腔进水孔（1），压力容器环腔（2），压力容器环腔壁面（3），压力容器环腔排汽孔（4），环腔水池（5），水池环腔（6），水池环腔排汽孔（7），坩埚冷却水池（8），钢安全壳上部水池（10），环腔水池排水管线（11），再循环地坑（12），再循环管线（13），坩埚冷却水池补水管线（14），坩埚腔室补水管线（15），坩埚冷却水池排水管线（16），坩埚（18），坩埚腔室（19）；

其中，压力容器壁面与环腔壁面（3）之间构成压力容器环腔（2），在压力容器环腔（2）的顶部设置有压力容器环腔排汽孔（4）；围绕着环腔壁面（3）设置了环腔水池（5）；在环腔（2）的底部设置了压力容器环腔进水孔（1）；

水池环腔壁面（3）未被环腔水池（5）包围的部分设置了坩埚（18）将其包围，形成坩埚腔室（19），压力容器环腔进水孔（1）接通压力容器环腔（1）及坩埚腔室（19），坩埚（18）向上延伸包围了环腔水池（5），形成水池环腔（6），在水池环腔（6）的顶部设置了水池环腔排气孔（7），水池环腔（6）与坩埚腔室（19）相连通，在坩埚（18）外围设置了坩埚冷却水池（8），水池顶部有开口，水池外围是钢安全壳（29），围绕着钢安全壳的上半部设置了钢安全壳上部水池（10）；

环腔水池（5）通过环腔水池排水管线（11）和坩埚冷却水池补水管线（14）与坩埚冷却水池（8）连通；

再循环地坑（12）设置在钢安全壳（29）内，通过再循环管线（13）和坩埚冷却水池补水管线（14）与坩埚冷却水池（8）连通；

坩埚腔室（19）通过坩埚腔室补水管线（15）和坩埚冷却水池排水管线（16）与坩埚冷却水池（8）连通。

2.如权利要求1所述的反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，其特征在于：所述的坩埚冷却水池排水管线（16）上设置控制阀门，环腔水池排水管线（11）、坩埚冷却水池补水管线（14）、再循环管线（13）及坩埚腔室补水管线（15）上均设置有止回阀和控制阀。

3.如权利要求2所述的反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，其特征在于：所述的钢安全壳（29）圆弧形内表面上安装有冷凝水导流装置（9），由多个导向板（24）组成，导向板（24）之间有间隙，导向板（24）与钢安全壳（29）之间形成冷凝环隙（15）。

4.如权利要求1或3所述的反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，其特征在于：所述的钢安全壳（29）筒体周围安装有集水装置（20），集水装置（20）由环绕安全壳筒体内表面的集水坑（26）及接通集水坑（26）与再循环地坑（12）的导流流道（27）组成。

5.如权利要求4所述的反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，其特征在于：所述的压力容器环腔进水孔（1）由冲孔板（23）、带孔导向管（21）及等量中空不锈钢浮球（22）组成。

6.如权利要求5所述的反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，其特征在于：所述的压力容器环腔排汽孔（4）、水池环腔排汽孔（7）由浮板盖住。

7.如权利要求6所述的反应堆严重事故状态下熔融物滞留非能动冷却系统，其特征在于：所述的环腔壁面（3）的底部设置成缓冲托盘（17）。