CN105551538A - 具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及反应堆安全系统设计技术，具体涉及一种具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器。所述的堆芯熔融物捕集器设置在与反应堆堆坑底部竖直相连的竖井中，包括多层熔融物扩展滞留室，相邻的熔融物扩展滞留室之间通过多个熔融物灌注通道形成连通的空间。在严重事故工况下，本发明通过分层扩展手段实现熔融物的充分展开，从而使熔融物热量导出最大化，保证严重事故后核电厂的长期安全性。

Description

具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器
技术领域
本发明涉及反应堆安全系统设计技术，具体涉及一种具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器。
背景技术
在三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故之后，核电界开始集中力量对严重事故的预防和后果缓解进行研究和攻关，诸多结论明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。当压水堆核电站发生严重事故时，堆芯余热排出手段的丧失将使冷却剂蒸发耗尽，堆芯裸露并持续升温，燃料元件由于失去冷却而发生融化，堆芯熔融物落入压力容器(RPV)下腔室，继而造成压力容器下封头失效，如果不能采取有效措施对其冷却，堆芯熔融物有可能将压力容器熔穿。压力容器熔穿后，熔融物直接喷射到安全壳筏基上与结构混凝土相互作用(MCCI)、一定时间内以较快的速度逐渐向下侵蚀安全壳的筏基，若筏基厚度不足，则底板可能被熔穿，并导致安全壳的完整性破坏，随后放射性物质将直接进入土壤，对环境造成严重影响。为了避免堆芯熔融物导致的大规模放射性物质释放，堆芯捕集器的相关设计逐渐产生。目前针对严重事故下，堆芯熔融物的冷却与收集策略主要可分为两种：压力容器内熔融物的冷却与保持(IVR)，在美国的AP1000机型设计中采用；压力容器外熔融物冷却与收集(EVR)，在俄罗斯的WWER1000机型和法国的EPR机型中采用。WWER1000机型采用“坩埚”式堆芯捕集器，它是位于压力容器下部的一个独立的容器结构，主要由下底板、牺牲材料和扇形热交换器组成。EPR机型采用“铺展”式堆芯捕集器，严重事故情况下，堆芯形成可流动液态熔融物，直接流入反应堆堆坑中，在高温作用下熔融物与堆坑牺牲性混凝土发生反应，逐渐消融牺牲混凝土，达到初步冷却、收集熔融物的功能。
关于堆芯捕集器的研究，国外起步较早，相关专利较多，如：美国麻省理工大学于1978年的专利，Corecatcherfornuclearreactorcoremeltdowncontainment(US4113560)，该专利可视为EVR的设计雏形；法国原子能机构于1981年的专利，Corecatcherdevice(US4280872)，该专利将EVR技术提升到了工程应用的水平；1982年的专利，Moltencorecatcherandcontainmentheatremovalsystem(US4342621)提出将热管技术用于EVR；美国能源部1983年的专利，Combinationpiperupturemitigatorandin-vesselcorecatcher(US4412969)，首次提出了IVR的概念；此外的相关专利还有Retrofittablenuclearreactorcorecatcher(US4442065)、Nuclearreactorequippedwithacorecatcher(US5263066)、Nuclearreactorinstallationwithacorecatcherdeviceandmethodforexteriorcoolingofthelatterbynaturalcirculation(US5343506)、Corecatchercoolingbyheatpipe(US6353651)、CorecatcherCooling(US7558360)、Corecatcher，manufacturingmethodthereof，reactorcontainmentvesselandmanufacturingmethodthereof(US8358732)等。中国对堆芯捕集器的研究在从俄罗斯引进WWER核电系统之后逐渐增多，在引进美国AP1000核电技术之后形成了一系列专利，如：俄罗斯2007年在我国申请的专利，损坏的LWR核反应堆的衬层定位和冷却系统(CN200410031091.1)，该专利即为WWER的EVR方案；中核工业二十三建设有限公司2010年在WWER施工过程中形成的专利技术，一种核电站堆芯捕集器的安装方法(CN201010529073.1)；韩国水力原子力株式会社2010年的专利，具有集成冷却通道的堆芯捕集器(CN201080068588.4)，其主旨在于对熔融物覆盖底板的冷却；上海和工程研究设计院在AP1000引进消化吸收及CAP1400设计过程中逐渐形成的EVR技术，底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器(CN201310005308.0)、一种大型非能动压水堆核电厂坩埚型堆芯摧集器(CN201310005342.8)、有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器(CN201310005579.6)、大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结合的装置(CN201310264749.2)、有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器(CN201320007203.4)、一种大型非能动压水堆核电厂堪竭型堆芯捕集器(CN201320007218.0)、大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结合的装置(CN201320007347.X)、底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器(CN201320007522)。
上述所有堆芯捕集器相关技术均未考虑采用分层扩展手段实现熔融物的充分展开，从而使熔融物热量导出最大化。
发明内容
本发明的目的在于针对核电站安全设计的需要，提供一种具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，在严重事故工况下，藉由分层扩展手段实现熔融物的充分展开，从而使熔融物热量导出最大化。
本发明的技术方案如下：一种具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，设置在与反应堆堆坑底部竖直相连的竖井中，所述的堆芯熔融物捕集器包括多层熔融物扩展滞留室，相邻的熔融物扩展滞留室之间通过多个熔融物灌注通道形成连通的空间。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的熔融物灌注通道的上部与耐高温的分流槽连接，堆芯熔融物首先流入分流槽，在所述分流槽底部与熔融物灌注通道连接的位置设有分流槽熔断塞。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的熔融物扩展滞留室的底部呈倾斜状，高度自外侧向中心逐渐降低，倾斜角为10-20°。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的熔融物扩展滞留室通过中心支撑柱和熔融物扩展滞留室支撑柱固定于竖井底板，所述的中心支撑柱贯穿于熔融物扩展滞留室中心。
更进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的中心支撑柱的底部设有入水口，中心支撑柱的内部为能够竖向输水的空腔。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，在位于中间层的熔融物扩展滞留室内侧壁上分散设置有多个滞留室温度传感器，所述滞留室温度传感器的输出信号传送至第一重力注水管线和/或能动冷却水注入管线的控制系统，对第一重力注水管线的阀门进行触发，或由人工启动能动冷却水注入管线，第一重力注水管线和/或能动冷却水注入管线在启动后向竖井内注入冷却水。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，在位于中间层的熔融物扩展滞留室内部底面分散设置有多个熔断触发器，所述熔断触发器的输出信号传送至第二重力注水管线，对第二重力注水管线的阀门进行触发，第二重力注水管线在启动后向竖井内注入冷却水。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的第一重力注水管线和第二重力注水管线的阀门也能够通过手动或远程遥控人工触发。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，在所述熔融物扩展滞留室内铺有牺牲层。
进一步，如上所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其中，相邻两层所述熔融物扩展滞留室的间距为10-30cm。
本发明的有益效果如下：(1)本发明能够引导堆芯熔融物分层扩展，使堆芯熔融物与冷却水之间的换热面积增大，有利于提高熔融物衰变热导出功率，避免局部过热导致的防护屏障失效；(2)堆芯熔融物在扩展滞留室滞留并冷却后，将被包容在滞留室内，反应堆的事故后处理工作将大为简化，工作人员的辐照剂量可显著降低；(3)非直接接触式的堆芯熔融物冷却方式能够避免产氢，降低严重事故后安全壳内的风险。(4)能动结合非能动的堆芯熔融物冷却方式更为可靠，将使严重事故后核电厂的长期安全性得以提升。
附图说明
图1为具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器结构示意图；
图2为捕集器外部整体结构示意图。
图中，1.反应堆压力容器，2.反应堆堆坑，3.堆芯熔融物，4.牺牲层，5.堆坑熔断塞，6.竖直输运通道，7.密封维修底板，8.分流槽，9.分流槽熔断塞，10.熔融物灌注通道，11.熔融物扩展滞留室，12.中心支撑柱，13.中心支撑柱底部入水口，14.熔融物扩展滞留室支撑柱，15.滞留室温度传感器，16.熔断触发器，17.竖井，18.第一重力注水管线，19.第二重力注水管线，20.能动冷却水注入管线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，位于通过竖直输运通道6与反应堆堆坑2底部相连的的竖井17中，竖井17中沿竖直方向上设置有多层熔融物扩展滞留室11，相邻两层熔融物扩展滞留室11的间距为10-30cm，相邻熔融物扩展滞留室11间通过多个熔融物灌注通道10形成一个连通空间。所述的熔融物扩展滞留室的底部呈倾斜状，高度自外侧向中心逐渐降低，倾斜角为10-20°，有助于熔融物的扩展。
如图1、图2所示，熔融物扩展滞留室11通过中心支撑柱12和熔融物扩展滞留室支撑柱14固定于竖井17底板，其中，中心支撑柱12贯穿于熔融物扩展滞留室11中心。中心支撑柱12底部设有中心支撑柱底部入水口13，中心支撑柱12的内部为能够竖向输水的空腔，冷却池内冷却水可由此进入中心支撑柱12，从中间对熔融物进行冷却。
如图1所示，熔融物灌注通道10上部与分流槽8相连，二者中间布置有分流槽熔断塞9，其中分流槽8材料为耐高温氧化锆砖，分流槽熔断塞9材料为低熔点金属。
如图1所示，中间层熔融物扩展滞留室11内侧壁上分散排列布置有多个滞留室温度传感器15。本实施例中，当50％以上的滞留室温度传感器15出现“大于1200℃高温信号”报警信号时，将触发第一重力注水管线18上的阀门打开，亦可根据该信号手动或远程遥控人工触发能动冷却水注入管线20上的阀门打开。
如图1所示，在位于中间层的熔融物扩展滞留室11内部底面分散布置有多个熔断触发器16。本实施例中，当温度高于1000℃，超过50％的熔断触发器被熔断时将触发第二重力注水管线19上的阀门打开。
如图1所示，第一重力注水管线18和第二重力注水管线19上的阀门亦可通过手动或远程遥控人工触发。
如图2所示，熔融物灌注通道10、熔融物扩展滞留室11及中心支撑柱12等结构的材料均为耐高温的金属、合金、非金属或复合材料，由于上述结构与熔融物接触或靠近熔融物的表面或表层，其材质均为钨基高密度合金或碳化硅陶瓷复合材料。
如图1所示，各层熔融物扩展滞留室11均铺有牺牲层，其主要成分与反应堆堆坑2中的堆坑牺牲层4一致，均为金属氧化物。
如图1所示，熔融物扩展滞留室11中的堆芯熔融物可通过非能动方式或能动方式冷却，即：由第一重力注水管线18、第二重力注水管线19或能动冷却水注入管线20向竖井17注水形成冷却水池，藉由冷却水汽化实现堆芯熔融物3冷却，水汽经安全壳冷却收集后循环利用。
在事故工况下，反应堆压力容器1失效后，堆芯熔融物3自反应堆压力容器下封头流出，与反应堆堆坑2内的牺牲层4接触并发生反应，这会降低熔融物的温度，并氧化其中的金属物质，如Zr和Fe等，同时降低熔融物的粘度系数。当牺牲层被熔穿后，堆芯熔融物会连续熔穿堆坑熔断塞5，通过竖直输运通道6落入熔融物灌注通道10上部的分流槽8，分流槽底部的分流槽熔断塞9熔断后，堆芯熔融物进入上层熔融物扩展滞留室11，并经熔融物灌注通道10分层扩展。当熔融物进入中间层熔融物扩展滞留室时，滞留室温度传感器15感应温度信号并发出报警，触发第一重力注水管线18向竖井17内注入冷却水，或者根据该信号手动或远程遥控人工触发能动冷却水注入管线20向竖井17内注入冷却水。熔断触发器16根据感应到的温度触发第二重力注水管线19向竖井17内注入冷却水。通过能动结合非能动的注水方式使堆芯熔融物实现更加可靠的冷却，将严重事故后核电厂的长期安全性得以提升。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，设置在与反应堆堆坑(2)底部竖直相连的竖井(17)中，其特征在于：所述的堆芯熔融物捕集器包括多层熔融物扩展滞留室(11)，相邻的熔融物扩展滞留室之间通过多个熔融物灌注通道(10)形成连通的空间。
2.如权利要求1所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：所述的熔融物灌注通道(10)的上部与耐高温的分流槽(8)连接，堆芯熔融物首先流入分流槽(8)，在所述分流槽(8)底部与熔融物灌注通道(10)连接的位置设有分流槽熔断塞(9)。
3.如权利要求1所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：所述的熔融物扩展滞留室(11)的底部呈倾斜状，高度自外侧向中心逐渐降低，倾斜角为10-20°。
4.如权利要求1所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：所述的多层熔融物扩展滞留室(11)通过中心支撑柱(12)和熔融物扩展滞留室支撑柱(14)固定于竖井底板，所述的中心支撑柱(12)贯穿于熔融物扩展滞留室中心。
5.如权利要求4所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：所述的中心支撑柱(12)的底部设有入水口，中心支撑柱(12)的内部为能够竖向输水的空腔。
6.如权利要求1所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：在位于中间层的熔融物扩展滞留室(11)内侧壁上分散设置有多个滞留室温度传感器(15)，所述滞留室温度传感器(15)的输出信号传送至第一重力注水管线(18)和/或能动冷却水注入管线(20)的控制系统，对第一重力注水管线(18)的阀门进行触发，或由人工启动能动冷却水注入管线(20)，第一重力注水管线(18)和/或能动冷却水注入管线(20)在启动后向竖井(17)内注入冷却水。
7.如权利要求1所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：在位于中间层的熔融物扩展滞留室(11)内部底面分散设置有多个熔断触发器(16)，所述熔断触发器(16)的输出信号传送至第二重力注水管线(19)，对第二重力注水管线(19)的阀门进行触发，第二重力注水管线(19)在启动后向竖井(17)内注入冷却水。
8.如权利要求6或7所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：所述的第一重力注水管线(18)和第二重力注水管线(19)的阀门也能够通过手动或远程遥控人工触发。
9.如权利要求1所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：在所述熔融物扩展滞留室(11)内铺有牺牲层。
10.如权利要求1所述的具有引导熔融物分层扩展功能的堆芯熔融物捕集器，其特征在于：相邻两层所述熔融物扩展滞留室(11)的间距为10-30cm。
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