CN1071275A - 核反应堆芯意外溶化时冷却堆芯和保护混凝土结构的装置 - Google Patents

Abstract

一种在核反应堆堆芯因意外事故已开始熔化时 用于冷却堆芯和保护混凝土结构的装置。反应堆包 括一个容器(3)，容器内装堆芯(4)并轴线垂直地设置 在一个容器井(2)中。所述冷却和保护装置设置在容 器井底部，它由盖在容器井底部(5)的一块金属板 (11)构成，其内制有利用冷却流体的循环进行冷却的 冷却通道(20)。用于供给和排放冷却流体的机构 (12，13，14)与冷却通道(20)相连。

Description

本发明涉及一种在核反应堆堆芯因意外事故已开始熔化时用于冷却堆芯和保护混凝土结构的装置。

压水核反应堆包括一个普通圆柱形的容器，其内装有反应堆的堆芯，该容器轴线垂直地设置在一个圆柱容器井中，此容器井的底部与容器对齐。核反应堆的堆芯由沿着反应堆主回路循环并在容器内部与燃料组件相接触的压力水冷却。

在核反应堆发生某些意外事故而使堆芯冷却功能丧失时，鉴于由此会引起极为严重的后果（尽管这种情形出现的可能性极小或实际不会出现），必须要考虑到核反应堆的危急喷水回路不能投入工作的可能性。那样的话，就会发生导致失去冷却水的堆芯熔化的意外后果，这样堆芯及其周围材料的熔融物质会穿透容器底部，对其造成破坏，并流入装纳反应堆容器的混凝土井中。燃料及其周围材料的熔融物质统称为“融渣”（corium），其温度可达2500-2800℃，此时混凝土容器井的底部在无冷却的条件下会遭受彻底的破坏。这样，融渣会渗透到反应堆安全壳的筏基中，催毁这层筏基并污染核反应堆 所在地的地下水。融渣可继续向地下渗透，直至其残余能量降低到一定程度。

已经提出了各种各样的装置，用来防止融渣与混凝土容器井的底部的接触。

已知的装置一般是控制融渣散布在某一特定区域，使得单位区域上要散失的能量尽可能的低，并且能与流体冷却能力相适配。例如，所提的一个建议是将融渣回收和装在一个内衬有耐熔材料的金属袋中，该金属袋可部分熔化从而以过渡的方式吸收能量。由此可以获得一段充足的时间，以便将金属袋浸入外面的水中，从而利用水的蒸发耗散掉融渣的残余能量。

这种装置的缺点是因为耐熔材料通常是很差的导热体，所以这会提高处于液态的融渣的平衡温度。

另外一种已知装置是采用了耐熔底板，它由一条水回路永久冷却。这种装置的一个缺点在于，该冷却回路总会出现故障，至少是容易出现部分失效。另一方面，在融渣落入回收和冷却装置以后，热交换的强度不足以避免融渣处于高温和液体状态。

还有一种已知装置，它在容器底部下面的容器井底中水平设置了多个舱室，作为接受熔融的融渣的贮池，以疏散熔融物质，加强对它的冷却并使其凝固。然而，这种装置的缺点是，当融渣流以局部的形式出现时，它不能对容器井的混凝土结构提供有效的保护。以交错方式设置的舱室趋向于依次充满熔融的融渣，其结果是出现局部溢 流，使得熔融物质快速流到容器井的底部。

最后，法国专利申请NO.91-06047公开了一种用于回收和冷却核反应堆的熔化的堆芯的装置，它可防止熔化的堆芯的产物与容器井的混凝土接触，并确保熔融物质冷却和迅速凝固。这种装置包装一个金属结构，它设置在容器井的底部并浸到注入到容器井下部的水中。该金属结构包括一中心轴，一个用于回收和冷却熔化的堆芯的壁以及一个周边壁。

尽管此装置能迅速地分散、冷却和凝固融渣，但它仍具有如下的缺点：在融渣和容器底部落下时，产生很大的冲击力，此力可达几千吨，由此可造成金属结构的破坏。

另外，融渣的冷却导致在容器井内产生极高的蒸汽流，其生成量在10，000m³/h左右。这种蒸汽流排到安全壳的外面会给反应堆建筑物的整个空间带来裂变产物，这是违反必须遵守的安全准则的。

因此，本发明的目的是提供一种在核反应堆堆芯因意外事故已开始熔化时，用于冷却堆芯和保护核反应堆的混凝土结构的装置。此反应堆包括一个整体为圆柱形的容器，容器内装反应堆的堆芯，并轴线垂直地设置在一个容器井中，容器井具有一个底部，其上设有冷却和保护装置，此装置由包括一部分与容器对着的筏基的一部分反应堆结构构成。此装置具有很高的强度和极高的刚性，以承受融渣和容器底的下落，并能确保对融渣的冷却，而不会将蒸汽排放到反应堆建筑物中。

为了实现这一目的，本发明的装置包括一块盖在容器井底部上的金属底板，金属底板中加工有利用流体循环进行冷却的通道，此通道与提供和排放冷却流体的机构相连。

为便于理解本发明，下面结合附图，以举例的方式描述本发明的用于压水核反应堆的冷却和保护装置。

图1是压水核反应堆的安全壳的垂直剖面图，该反应堆带有一个本发明的冷却和保护装置;

图2是图1所示的核反应堆的容器井下部的示意图;

图3是构成本发明的冷却和保护装置的金属底板的顶视图;

图4是沿图3中箭头4方向看到的侧面图;

图5是沿图3中5-5线截取的剖面图;

图6是沿图5中6-6线截取的剖面图;

图7是按照另一种形式制成的金属底板的剖面图，表示了一条冷却通道和它的冷却水供给和排放机构;

图8是一个放大的剖面图，表示了图7中冷却通道上的一个止回阀。

图1表示了一个核反应堆的双层安全壳1，其内部有一个按容器井2的轴线垂直设置的容器3，容器3内装反应堆堆芯4。

双层安全壳的下部包括一个坐落在地面上的筏基5。

本发明的冷却和保护装置由标号10总体表示，它包括一个安置在筏基5的凸起部分上的金属底板11，底板11设置在装有堆芯4的 容器3的下面并与容器井2对齐。在底板11内部加工有冷却通道，利用冷却回路给冷却通道提供冷却流体（如水），冷却回路包括穿过安全壳11的壳壁的导管12和13。

冷却回路包括两个半回路，每个半回路包括：如导管12和13这样的导管，它们连接到受冷却的底板11;一个由空气（箭头15所示）冷却的换热器14，一个用于膨胀和收集来自换热器14的冷凝剂的储罐16;和一个循环泵17。

对于每个半回路来说，在由于导管13中存在的水-汽乳化液和经导管12朝着底板11返回的受冷水的比容不同而产生驱动压力头的作用下，通过导管13离开底板11的水，在经导管12返回到底板11之前，在换热器14中受到冷却。

下面将对本发明的冷却和保护装置在堆芯4和容器底熔化时所起的作用作详细说明。总体来说，如果核反应堆的堆芯4开始意外地熔化并导致容器底熔化，那么，被称为融渣的由堆芯、衬里材料如反应堆容器的某些部件构成的混合物会散布到底板11上。很厚的底板11能够截住熔融的熔渣，不会被破坏，它还能保护筏基5和对融渣进行冷却。

底板11由通过导管12这样的供水管提供的循环水冷却。受热的水或蒸汽由位于底板11出口处的导管13接收并在换热器14中冷凝。经冷却的水通过导管12返回到底板11的冷却通道中。

由此利用设置在反应堆安全壳外面的冷却机构对融渣进行冷 却，不会使蒸汽散布到安全壳中。

冷却回路的换热器14和储罐16设置在底板11上方的水平中间平面的高度上，可以设置在高于底板25米左右的地方，这可使在供水管中获得的水头的静压力与底板11的冷却通道中的水头压力降的幅度相等。

图2示出了筏基5向上朝着容器井2凸起的部分5a，以及设置在此部分5a上的受冷的底板。

薄板金属壁18盖在筏基5的上表面上，其上浇有混凝土保护层，壁18与金属底板11的外侧部分相连。

下面结合图3-6对本发明的冷却和保护装置的金属底板11作详细说明。

底板11由一块金属板构成。其内制有冷却通道20，底板的两纵向端分别与集流器21和22相连，以便将冷却流体供入冷却通道20并排出受热的和汽化的冷却流体。

集流器21由导管21a供冷却液，其相对端与排放管21b相连。

同样，集流器22的一个横向端与供给管22a相连，而另一横向端与排放管22b相连。

如图5所示，每个集流器包括一个外壳24和一个内壳25，它们被焊接到实心金属底板11的侧端面上而固定住。

制在底板的每条冷却通道20为发针形，并具有一条下支道和一条上支道，下支道的一端敝开通向一个集流器21（或22）的内壳25 外面的外壳24的内部，上支道的一端敝开通向一个集流器21（或22）的内壳25的内部。

接续的冷却通道，如20，20′，沿着受冷底板11的全长设置，并交替地通向集流器21或22。

在本发明装置工作期间，冷却水在外供水集流器24和内排水集流器25之间，在每条冷却通道20中循环。

如图6所示，金属底板11由多个依次相连的块体30a，31a，31b……31n和30b组成，它们沿着各自的侧端面相互焊接，以形成彼此相连的平行的结合面32。

端部块体30a和30b高度大于中间块体31a，31b……31n的高度，并各自具有一个相对于块体31的上部向上伸出的上部43，形成将融渣保留在底板11上的护墙。

端部块体30a和30b还各自包括一个适于与一个中间块体的相应端面贴合并焊接相连的端面，此端面经过适当的加工，以便与中间块体的相应加工相配合，以形成冷却通道20的下支道和上支道。

对中间块体31a，31b……31n上的与其它中间块体或端部块体的相应端面焊接相连的端面进行加工，以形成两条接续的冷却通道的下支道和上支道。

端部块体30a和30b的向上伸出的端面43由一层耐熔材料35覆盖，用于保护护墙免受洒落在底板11上的热融渣的破坏。

对端部块体30a和30b以及中间块体31a-31n的上部进行加 工，以便当它们并置在一起时，沿着底板11的纵向形成平行的沟槽33。这些沟槽33有助于将融渣的热量朝着冷却通道20传递，并且在融渣冷却时形成保留融渣的储槽。这些沟槽还使得更容易地将钢块体成对并排地焊在一起。

一个机械焊接而成的薄板金属结构34设置在底板11的中间块体31的上表面的上方，以便在出现意外而使反应堆堆芯溶化的情况下，用来保护底板并吸收由于融渣和容器底掉到底板11上而产生的动能。

结构34包括一个由弯折的金属薄板构成的上部和一组垂直于此上部的加强板29，每块加强板29嵌入到一条相应的沟槽33中，以确保将结构34保持在底板11上。

图7示出了本发明的另一个实施例，它在集流器的位置方面有所改变。从图7可见，设置在金属底板11中的每个发针形冷却通道20的上端与一个供水集流器36相连，而集流器36本身由一个止回阀38连到一条供水管36a。冷却通道20的另一端连接一个排放集流器37，集流器37又与一条排放管37a相连。

供水管36a和排放管37a分别连到冷却回路的导管上，如连到图1所示的导管12和13上。

图8示出了一个止回阀38，它装在底板11中的冷却通道20的进口处。

阀38包括一个阀腔39，其内焊接了一个阀座41。一个铝制阀球 40靠其自重压靠在阀座41上，以便在集流器36没有被供水时切断供水腔36与冷却通道20的连通通路。

当集流器36被供水时，阀球40由冷却水流提升到打开位置40′，使水能进入冷却通道20。

在自然循环尚未建立起来的时候，在冷却通道20中循环的冷却水在开始冷却时至少部分地汽化，结果是水-汽乳化液通过冷却通道20。

阀38能够防止所形成的水-汽乳化液经供水集流器36排出，使得这种乳化液只能通过排放集流器37或热集流器排出。由于存在着两种流体压头的强度差，保持阀球处于提升状态，因此自然循环逐步建立起来。

对于用于压水核反应堆（如现在建造和运行的）中的本发明的冷却和保护装置来说，所使用的底板的面积为66m²，基本上对应于容器井底的面积。

由A42结构钢制成的金属底板的中部厚度大于300mm，而且该底板具有用于约束融渣的护墙，护墙的高度为800mm左右。

底板11由多个并置的块体30a，30b，31a-31n组成，底板的长度为8m左右。

这些块体经过加工，以形成冷却通道，冷却通道的直径为30mm左右。

底板11设置在位于容器底部区域需要受到保护的混凝土筏基 5上。

底板11能够在反应堆发生意外而使冷却完全失效时，截留住体积大于40m³的融渣。

洒落到金属底板11上的融渣，在两护墙43之间的底板11中部堆积的高度会超过600mm。

堆芯熔化时所产生的融渣可以是连续的液态物，也可以是在发生事故时洒落到冷却装置的底板11上的部分熔化的碎片。在所有情况下这些融渣会均匀地分布在冷却装置的底板11的表面上。

如果融渣是连续的熔化物，它具有高度流动性，并且其表面不能形成稳定的固化壳，因为在其表面下发出强裂的热辐射。因此，所有高流动性的融渣容易散布到底板上。如果融渣中含有碎片，则在底板上会形成融渣的局部堆块，但是由于此时的热通量比液态融渣均匀分布时的要大，所以这些堆芯不能达到一定的规模。

当融渣撒落在金属底板11上时，它会与结构34碰触，结构34吸收融渣下落所产生的一部分动能。金属底板11的大小设计成能承受融渣的下落，特别是相邻冷却通道20要相隔一个距离P，构成冷却网的节距，其意义在于使受冷底板的结构与一种能将融渣下落产生的高负荷传到筏基5上的实心结构等同，而不会使冷却通道产生明显的变形。

当温度为2400℃左右的融渣与底板11的上表面接触时，底板表面上的一薄层钢材发生熔化并与融渣混合。在融渣和钢之间形成 一薄壳（厚度为几个厘米），并且一旦冷却通道20吸收的能量等于融渣放出的热量时，就建立起了热平衡。

在计算底板的尺寸和冷却系统的特性时，假定融渣是完全干的，因此它不是由水蒸汽从顶部冷却的。另外，忽略了融渣沿容器井方向辐射的热通量。用于冷却融渣的回路可设计成自然循环或强制循环。

在稳态，当在与底板接触处形成固化壳以后，固化壳与底板上表面的界面温度低于钢的熔化温度（即1450℃）。融渣释放的全部热量都通过热传导散失到固化壳和金属底板。

由底板捕获的融渣释放的能量大约为32MW，这个能量由冷却回路耗散。

一旦融渣与底板接触，底板的受热会使水部分地汽化，如果泵17不工作，则导致自然循环。

冷却通道中的冷却水伴随着部分汽化而形成自然循环，但冷却通道要设计成不让蒸汽造成任何障碍。冷却水的自然循环是自动开始的，无需任何外界的干预，水穿过冷却回路的泵17。

在发生了使堆芯溶化的意外事故的较长时间以后，如三天以后，可以重新起动冷却回路的两台泵17，以构成强制循环。

这会导致有利于加速冷却的连续循环和散落在底板上的融渣的固化。

泵17可由热或电动马达驱动。

循环水在流入每条冷却通道的上支道之前，在下支道内受热升温，流入上支道中同样受到加热，在强制循环的状态下保持液态，但在两相混合物的自然循环状态下发生部分汽化。

因此，本发明的装置是极为可靠的，并能有效地保护反应堆的筏基，因为金属底板能承受融渣的下落，不会发生变形，在融渣落下后，底板上冷却通道内的流体以无源的方式立即开始循环。

此外，利用冷却水的强制循环，可以很容易地对融渣进行长时间的冷却，直至其完全凝固。

对融渣的冷却产生会在反应堆建筑物中产生蒸汽。

本发明不局限于上面所述的实施例。可以采用与上述不同的金属底板，可以不使用相互焊接的块体，而是利用埋入筏基的螺柱配合每个底板元件上的孔而把底板元件组装起来构成底板。

底板的形状和尺寸可以根据反应堆的容器和容器井的特性加以改变。

底板的冷却回路可以与上面不同的方式构成。

然而，最好将冷却回路的有效元件，如换热器设置在反应安全壳的外面。

可以利用核反应堆的冷却回路中常用的任何类型的循环泵，来确保冷却流体的强制循环。

总之，本发明的冷却和保护装置能被用于如下类型的核反应堆中，此反应堆包括一个含有反应堆堆芯并装在一个容器井中的容 器，容器井的底部由核反应堆的一部分筏基构成。

Claims (10)

1、一种在核反应堆堆芯因意外事故已开始熔化时用于冷却堆芯(4)和保护核反应堆混凝土结构(5)的装置，该反应堆包括一个整体圆柱形的容器(3)，此容器内装反应堆的堆芯(4)并轴线垂直地设置在一个容器井(2)中，该容器井(2)具有一个底部，其上设置有冷却和保护装置(11)，此装置(11)由包括一部分与容器(3)对着的筏基的一部分的反应堆结构(5)的一部分构成，其特征是：它包括一块覆盖在容器井底部的金属底板(11)，其内设有利用流体循环进行冷却的冷却通道(20)，该冷却通道(20)与用于供给和排放冷却流体的机构(12，13，14，15)相连。

2、根据权利要求1的装置，其特征是：底板（11）由多个彼此沿着侧端面焊接相连的块体（30a，30b，31a，31b……31n）组成。

3、根据权利要求2的装置，其特征是：冷却通道（20）由块体（30a，30b，31a……31n）彼此相连的端面上的经过加工的部分构成。

4、根据权利要求2或3的装置，其特征是：金属底板（11）包括两个位于其两纵端的端部块体（30a，30b）和多个位于两端部块体（30a，30b）之间的中间块体（31a-31n），端部块体（30a，30b）具有相对于中间块体（31a-31n）的上表面向上伸出的上部（43），伸出的上部（43）在熔化的堆芯洒落到底板（11）上时，构成挡住熔化的堆芯的护墙。

5、根据权利要求1-4中任意一个的装置，其特征是：底板（11）包括一个设置在其水平上表面上方一定距离处的金属薄板结构，该金属薄板结构用于吸收熔化的堆芯洒落到底板（11）上时产生的动能。

6、根据权利要求4的装置，其特征是：底板（11）的端部块体（30a，30b）的伸出部（43）具有相互面对的内端面，其上覆盖一层耐熔材料（35）。

7、根据权利要求1-6中任意一项的装置，其特征是：所述用于给底板（11）供给和排放冷却流体的机构包括与冷却通道（20）端部连通的集流器（24，25，36，37），冷却流体的供给和排放管（21a，21b，22a，22b，36a，37a）以及一条冷却回路，该冷却回路包括至少一个换热器（14）和与所述集流器的供给导管相连的、用于向底板（11）供给和排放冷却流体的导管（12，13）。

8、根据权利要求7的装置，其特征是：所述冷却回路至少部分地设置在一个构成反应堆结构的一部分的安全壳（1）中，在安全壳（1）中设置有装着堆芯（4）的容器（3）。

9、根据权利要求8的装置，其特征是：所述冷却回路包括设置在安全壳（1）外面并串联在冷却回路的导管（12，13）上的至少一个换热器（14），至少一个膨胀和冷凝储罐（16）和一个循环泵（17）。

10、根据权利要求1-9中任意一项的装置，其特征是：它还包括一个止回阀（38），它安装在与一个冷却流体供给机构（36）相连的每条冷却通道的端部。

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