CN105609146A - 一种堆芯熔融物捕集器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆安全技术领域，具体涉及一种堆芯熔融物捕集器。现有的熔融物捕集器对堆芯熔融物的铺展不均匀，过程缓慢，能动部件在严重事故中容易失效，影响了对堆芯熔融物的铺展降温操作，造成较大的安全隐患。本发明所提供的堆芯熔融物捕集器，包括位于反应堆下方的设置有熔融物导引装置的熔融物滞留隔间，其中，在所述熔融物滞留隔间内设置有熔融物爆破铺展装置，对堆芯熔融物的铺展均匀迅速，且为非能动方式，在严重事故发生时的可靠性高。

Description

一种堆芯熔融物捕集器
技术领域
本发明属于核反应堆安全技术领域，具体涉及一种堆芯熔融物捕集器。
背景技术
在美国三里岛核电站和前苏联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，堆芯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：压力容器内堆芯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堆芯熔融物，直接流入反应堆堆坑中，在高温作用下堆芯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、收集堆芯熔融物的功能。
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(US4,342,621)提出将热管技术用于EVR；美国能源部1983年的专利，Combinationpiperupturemitigatorandin-vesselcorecatcher(US4,412,969)，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；上海核工程研究设计院在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)。
现有技术中堆芯熔融物的铺展过程相对缓慢，堆芯熔融物铺展不均匀，容易造成堆芯熔融物的堆积，不利于堆芯熔融物的降温冷却，也不利于捕集器充分发挥捕集作用。且上述所有堆芯捕集器相关专利均未考虑使用爆破装置，以非能动的方式促进堆芯熔融物的铺展。
发明内容
针对目前所采用的堆芯熔融物的铺展方法所存在的弊端，有必要设计一种捕集器，可以更迅速、均匀地铺展堆芯熔融物，并且采用非能动的方式，确保其铺展操作的可靠性。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种堆芯熔融物捕集器，包括位于反应堆下方的设置有熔融物导引装置的熔融物滞留隔间，其中，在所述熔融物滞留隔间内设置有熔融物爆破铺展装置。
进一步，所述熔融物爆破铺展装置由若干个爆破单元组成。
进一步，所述爆破单元包括爆破材料托盘和设置在所述爆破材料托盘上的若干熔融物滞留盘，所述熔融物滞留盘和所述爆破材料托盘之间构成封闭的爆破材料填充区并填充爆破材料，所述熔融物滞留盘组成熔融物滞留区；一个所述熔融物滞留盘和所述爆破材料托盘构成一个子爆破单元。
更进一步，所述爆破单元设置有引爆触发器，所述子爆破单元围绕所述引爆触发器布置并与所述引爆触发器相连。
进一步，所述引爆触发器能够根据温度和压强触发所述子爆破单元。
进一步，所述熔融物滞留盘和所述爆破材料托盘之间通过铰链连接结构连接，所述熔融物滞留盘能够以所述铰链连接结构为轴，向外展开。
进一步，所述熔融物滞留隔间的墙体的内侧覆盖有牺牲层。
本发明的效果在于：
1.可以使堆芯熔融物最大程度获得铺展。
2.减小底板热流密度，降低底板熔穿风险。
3.裂变材料充分分散，避免因为堆积而导致堆芯熔融物重返临界状态。
4.爆破铺展为非能动过程，在事故情况下的可用性高。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述堆芯熔融物捕集器示意图；
图2a是本发明实施例一中爆破铺展装置示意图；
图2b是本发明实施例一中爆破铺展装置俯视图；
图2c是本发明实施例一中爆破单元的侧视图；
图3是本发明实施例一中爆破单元的主视图；
图4是本发明实施例一中子爆破单元的示意图；
图5a是本发明实施例二中爆破铺展装置示意图；
图5b是本发明实施例二中子爆破单元主视图；
图5c是本发明实施例二中子爆破单元侧视图；
图5d是本发明实施例二中子爆破单元的铰链连接结构的示意图；
图中：1-熔融物滞留盘，2-爆破材料托盘，3-引爆触发器，4-爆破材料填充区，5-熔融物滞留区，6-铰链连接结构，7-爆破单元，8-子爆破单元，9-熔融物爆破铺展装置，10-安全壳，11-反应堆，12-蒸汽发生器，13-熔融物导引装置，14-堆芯熔融物，15-安全壳内空间，16-墙体，17-牺牲层，18-熔融物滞留隔间。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明提供的堆芯熔融物捕集器设置包括设置在核反应堆的安全壳10内部、反应堆11的正下方的熔融物滞留隔间18，熔融物滞留隔间18的外层为墙体16，在墙体16的内侧(即熔融物滞留隔间18的内墙面，包括立面、地面及天花板)全部铺设有可以冷却堆芯熔融物的牺牲层17。在熔融物滞留隔间18的顶部贯穿设置熔融物导引装置13。熔融物导引装置13的顶部开口处于反应堆底端的正下方，另一端的出口向下延伸进入熔融物滞留隔间18的内部，可以在反应堆11发生事故时，接收反应堆11熔穿后流出的液态堆芯熔融物，并将堆芯熔融物导引进入熔融物滞留隔间18内部。在熔融物滞留隔间18内部设置有熔融物爆破铺展装置9，熔融物爆破铺展装置9设置在熔融物导引装置13的出口的正下方，此外，也可以根据实际需要设置多个熔融物爆破铺展装置9，并由熔融物导引装置13实现熔融物到多个熔融物爆破铺展装置9的分配(熔融物导引装置13可以设计为多个出口，每一个出口对应放置一个熔融物爆破铺展装置9)。
如图2a所示，在实施例一中熔融物爆破铺展装置9由若干个碟型的爆破单元7组成，组成的方式可以是级联或者分散散布，其中级联的方式是若干个爆破单元7层叠在一起，形成塔状；分散散布与级联方式相对应，就是将单层的若干个爆破单元7分散到铺展室的多个位置。
所采用的爆破单元7由若干个熔融物滞留盘1和圆盘形的爆破材料托盘2构成，如图2b、图2c、图3所示，熔融物滞留盘1组合装配覆盖在爆破材料托盘2上，熔融物滞留盘1和爆破材料托盘2的内部共同形成爆破材料填充区4(用于填充爆破所需的爆破材料、如炸药)；每一个熔融物滞留盘1和爆破材料托盘2构成1个子爆破单元8。在爆破材料托盘2上组合装配好的若干个熔融物滞留盘1(图3中为6个，仅为示意)共同形成了一个熔融物滞留区5(见图2c、图5c、图5d)，在实施例一当中，熔融物滞留盘1采用碟型造型，完成组合后的爆破单元7的熔融物滞留区5呈现外围设有挡圈、圆心处向下凹陷、四周向边缘逐渐抬高的碟型容纳空间，可以容纳从熔融物导引装置13的出口流出的堆芯熔融物。
如图2a-图5d所示在爆破材料托盘2的圆心处，设置有一个引爆触发器3，熔融物滞留盘1环绕布置在引爆触发器3周围，使得引爆触发器3同各个子爆破单元8相连。引爆触发器3采用温度信号和压强信号的(超阈值与逻辑)两种方式来触发子爆破单元8。当温度或者压强超过预先设定的阈值，或者温度与压强之间的逻辑关系达到预选设定的逻辑标准时，引爆触发器3将触发引爆与其连接的各个子爆破单元8。
此外，如图5d所示，在熔融物滞留盘1和爆破材料托盘2相连的边沿(破材料托盘2的外边沿处)，采用半刚性的铰链连接结构6，既可以支撑熔融物滞留盘1所形成的熔融物滞留区5承载堆芯熔融物，又可以在子爆破单元8被触发时使得熔融物滞留盘1以铰链连接结构6为轴向外展开，从而使熔融物滞留区5内的堆芯熔融物向四周抛洒，达到堆芯熔融物的铺展效果。
如图5a-图5d所示，在实施例二中，熔融物滞留盘1采用反碟型造型，完成组合后的爆破单元7的熔融物滞留区5呈现外围设有挡圈、圆心处向上凸出、四周向边缘逐渐降低的反碟型容纳空间，可以容纳从熔融物导引装置13的出口流出的堆芯熔融物。
实施例一和实施例二所提供的爆破单元的熔融物滞留盘造型不同，堆芯熔融物的爆破铺展方向不同(实施例一的铺展方向是爆破单元的斜上方向，实施例二的铺展方向是爆破单元的水平侧向和斜下方向)，可根据堆芯捕集器的体量及其他具体因素酌情采用。
最后举例说明本发明所提供的堆芯熔融物捕集器的实际应用。
在反应堆的堆芯熔化发生时，堆芯熔融物落入反应堆11下方的熔融物导引装置13中，并被引导流入熔融物滞留隔间18，最终堆芯熔融物流入熔融物滞留隔间18中的熔融物爆破铺展装置9中(由若干个爆破单元7层叠组成的塔状装置)，堆芯熔融物最初被容纳在熔融物爆破铺展装置9最顶层的爆破单元7的熔融物滞留区5中。随着堆芯熔融物不断流入，熔融物滞留区5内的温度和压强逐渐增大，当温度和压强的数值大于爆破单元7的引爆触发器3中所设定的阈值时，引爆触发器3被触发，进而爆破单元7被引爆，容纳在熔融物滞留区5中的堆芯熔融物随着爆破单元7表面的熔融物滞留盘1的展开轨迹被均匀的抛洒向四周，完成对堆芯熔融物的爆破铺展。同时，被引爆的爆破单元7在爆炸作用下从熔融物爆破铺展装置9顶部脱落，下一个爆破单元7继续对堆芯熔融物进行接收和爆破铺展。在熔融物滞留隔间18的内部墙壁上(即熔融物滞留隔间18的内墙面，包括立面、地面及天花板)全部铺设有可以冷却堆芯熔融物的牺牲层17，可以对铺展的堆芯熔融物进行进一步的降温和吸收。在事故处理中，即便一个爆破单元出现问题，不能顺利引爆甚至被融穿，下方的爆破单元仍可以继续完成爆破铺展的工作。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种堆芯熔融物捕集器，包括位于反应堆(12)下方的设置有熔融物导引装置(13)的熔融物滞留隔间(18)，其特征是：在所述熔融物滞留隔间(18)内设置有熔融物爆破铺展装置(9)。
2.如权利要求1所述的堆芯熔融物捕集器，其特征是：所述熔融物爆破铺展装置(9)由若干个爆破单元(7)组成。
3.如权利要求2所述的堆芯熔融物捕集器，其特征是：所述爆破单元(7)包括爆破材料托盘(2)和设置在所述爆破材料托盘(2)上的若干熔融物滞留盘(1)，所述熔融物滞留盘(1)和所述爆破材料托盘(2)之间构成封闭的爆破材料填充区(4)并填充爆破材料，所述熔融物滞留盘(1)组成熔融物滞留区(5)；一个所述熔融物滞留盘(1)和所述爆破材料托盘(2)构成一个子爆破单元(8)。
4.如权利要求3所述的堆芯熔融物捕集器，其特征是：所述爆破单元(7)设置有引爆触发器(3)，所述子爆破单元(8)围绕所述引爆触发器(3)布置并与所述引爆触发器(3)相连。
5.如权利要求4所述的堆芯熔融物捕集器，其特征是：所述引爆触发器(3)能够根据温度和压强触发所述子爆破单元(8)。
6.如权利要求3所述的堆芯熔融物捕集器，其特征是：所述熔融物滞留盘(1)和所述爆破材料托盘(2)之间通过铰链连接结构(6)连接，所述熔融物滞留盘(1)能够以所述铰链连接结构(6)为轴，向外展开。
7.如权利要求1所述的堆芯熔融物捕集器，其特征是：所述熔融物滞留隔间(18)的墙体(16)的内侧覆盖有牺牲层(17)。
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