CN107210070B - 水冷、水慢化反应堆堆芯熔融物的冷却和封闭系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核电行业，并且具体涉及为核电站提供安全的系统，该系统可在引起反应堆容器和核电站的密封安全壳结构失效的严重事故期间使用。熔融物冷却和封闭系统包括：安装在反应堆容器底部下方的漏斗形式的导流板；安装在导流板下方以支承所述导流板的悬臂桁架；安装在悬臂桁架下方并且设置有形式为用以保护热交换外壁免受动态、热和化学冲击的多层式容器的冷却包壳的堆芯捕捉器；以及位于多层式容器内部的用于稀释熔融物的填料。所述多层式容器包含金属内层和金属外层，在所述金属内层和金属外层之间设置有形式为非金属填料的中间层，其中，在内层和外层之间设置有加固肋。所述肋以满足以下条件的方位间距(S_pitch)安装：d_ext/15<s_pitch<d_ext/5，其中d_ext是容器的外径。本发明的技术效果是提高了从熔融物除热的效率和提高了设计可靠性。

Description

水冷、水慢化反应堆堆芯熔融物的冷却和封闭系统

技术领域

本发明涉及核电行业，也即涉及提供核电站(NPP)的安全性的系统，并且可以在引起反应堆容器及其安全壳失效的严重事故期间使用。

背景技术

在堆芯冷却系统的多种故障下发生的堆芯熔化/熔融事故构成最严重的辐射危害。

在这些事故期间，堆芯熔融物、堆芯熔体(corium)、反应堆内部构件及其容器的熔融物从反应堆(压力)容器流出，并且由于其残热而会影响NPP安全壳的完整性，NPP安全壳是放射性产物向环境的释放路径上的最后一道屏障。

为了防止这一点，所释放的堆芯熔体应当被密封/封闭并连续冷却，直至其完全凝结/晶化。反应堆堆芯熔融物(堆芯熔体)冷却和封闭系统履行此功能，从而在核反应堆中的严重事故的情况下防止损坏NPP安全壳并因此保护人群和环境免于辐射暴露。

根据本发明的背景技术，存在一种核反应堆堆芯熔体封闭和冷却装置，该装置位于反应堆下方的混凝土腔中，并且包括水冷式容器和具有含铀氧化物堆芯熔体稀释剂的芯块，所述芯块通过水泥灰浆结合并放置在钢座的水平层中，下座的底部的形状与容器底部一致，上方的座具有中心孔，并且将座彼此附接与附接到容器上的组件位于各座的竖向切割槽中(参见2014年4月27日提交的俄罗斯专利No.2514419)。

所述类似装置存在多个缺点：

-形状与容器底部一致的下座的底部不具有中心孔而上方的座具有中心孔，这在主要包含熔融的钢和锆的堆芯熔体的第一部分进入时引起包含稀释剂的芯块在下座中“堵塞”。考虑到底部倾角在10度与20度之间，包含稀释剂的“堵塞的”芯块的重量构成容器中的芯块总重量的25％至35％。主要包含铀和锆氧化物的堆芯熔体的接下来的部分在第一部分后一至三小时之后到来，并且无法提供与下座中的芯块进行热化学反应的条件，因为早前传送的钢将在下座中凝固(由此阻止芯块与铀和锆氧化物的相互作用)或损毁下座的钢结构和紧固件(于是位于内部的所有芯块将浮起并在堆芯熔体上方形成渣帽)，

-由于对氧化物层的厚度与来自核反应堆的金属之间的关系的错误考量，用于确定含铀氧化物堆芯熔体稀释剂的重量的公式无法正确地确定所需的稀释剂的重量的最小极限。该公式下的最小极限在芯块被堵塞在下座中的情况下应当增加35％，而在芯块在氧化物层和金属层的倒置开始之前被上座中的熔融钢阻挡的情况下应当增加15％以上。因此，用于计算稀释剂重量的最小极限应当乘以1.5的系数。

-用于稀释芯块的水泥粘结剂中的残留水的最大重量所占的重量百分比不超过8％，这似乎不正确。根据实验结果(参见《提供牺牲SFAO陶瓷与混色砖灰浆的结合的条件研究》，技术信息，俄罗斯联邦科学与教育部，高等职业培训国家教育机构，圣彼得堡技术学院(技术大学),2013,[1])，提供设计可操作性的芯块的有效结合要求化学地结合的水的重量比例应当为10％，否则将危害芯块结构的完整性及其可操作性。由于对蒸汽与芯块装置的多孔结构的相互作用的错误考量，与降低水泥粘结剂中的含水量以便减少氢释放有关的论点是不正确的。

根据本发明的背景技术，存在一种针对堆芯熔体封闭和冷却装置设计的热交换器容器壁结构，该容器壁结构包括内壁和外壁，所述内壁和外壁之间包含厚度至少为100mm的与牺牲材料化学上类似的粒状陶瓷填充材料(参见2010年12月10日提交的俄罗斯实用新型专利No.100326)。

该容器结构具有以下缺点：

-粒状陶瓷材料无法对热交换器容器外壁提供有效保护以免受高温熔融物诱发的热冲击，因为这种材料是导热率平均在0.5W/(m K)以下的有效绝热体，并且在熔化过程结束之前实际上不会向容器外壁传热，这增加了在堆芯熔融物对粒状材料的对流冲洗期间热交换器被毁坏的风险，

-粒状陶瓷材料无法对热交换器容器外壁提供可靠的化学保护，因为在热交换器内壁被毁坏的情况下，该材料会以由毁坏面积决定的排出速率从竖向壁间空间涌出，此过程将清空壁间空间并使外壁无法受到所需的化学和热保护，从而增加热交换器被毁坏的风险，

-粒状的陶瓷材料(包含铁和铝氧化物)的熔化期间的热交换器的外壁和内壁之间的间隙的大宽度(至少100mm)引起热流的明显再分布，主热流不经过热交换器容器的外壁，而是经过熔融镜的不受保护的自由表面从而提高热交换器中的平均堆芯熔体温度，由此导致以下过程：增加的气溶胶生成，非冷凝气体的大量释放，增加的热发射，位于上方的设备的额外加热和熔毁，以及因此堆芯熔体从冷却区域流出而引起对热交换器的毁坏。

这就是为何在没有与热交换器外壁进行强热传导连接的情况下施加粒状陶瓷回填物无效的原因。

发明内容

本发明的目的在于消除类似发明的缺陷。

本发明的技术效果在于，提高了从熔融物除热的效率和提高了结构可靠性。

所述技术效果由于以下事实而实现：水冷、水慢化核反应堆堆芯熔融物的冷却和封闭系统包括：安装在反应堆容器底部下方的圆锥形的导流板；安装在导流板下方并支承导流板的悬臂桁架；安装在悬臂桁架下方并且配备有形式为多层式容器的冷却包壳以保护热交换外壁免受动态、热和化学冲击的堆芯捕捉器；以及位于多层式容器内部的用于熔融物稀释的填料材料，其中，所述容器包含金属内层和金属外层，其间有形式为非金属填料的中间层，并且支承肋以满足下列标准的方位间距(S_pitch)(即多层式容器的中心面中的圆周/周向间距)安装在内层和外层之间：

d_ext/15<s_pitch<d_ext/5，其中d_ext/15是容器的外径。

以上技术效果由于以下事实而在本发明的特定选项中实现：

-支承肋刚性地固定在外层上而不是固定在内层上，

-支承肋刚性地固定在外层和内层上，

-支承肋以径向和方位热间隙安装，

-容器的将圆筒形上部部分与圆锥形下部部分连接的底部部分包含超环面(toroidal)的三层式复合壳层，其一方面确保从容器的圆锥形部分到圆筒形部分的平顺流体动力学过渡，另一方面不论外层的热膨胀如何都确保内层的热膨胀，

-容器包括施加在外层上的另外的厚度为0.1-0.5mm的耐腐蚀层，

-容器包括增加向施加在外层上的水的对流传热的另外的厚度为0.5-5mm的层。

与类似物相比，所考虑的系统包括堆芯捕捉装置，该堆芯捕捉装置具有包括外部(外)和内部金属壁以及填料的三层式包壳，并且具有以满足以下标准的方位间距(S_pitch)(即多层式容器的中心面中的周向间距)安装在外壁和内壁之间的支承肋：d_ext/15<s_pitch<d_ext/5，

其中d_ext是容器的外径(m)。

所指出的参数关系提供了针对于可以从3至12m变化的容器的外径的支承肋安装的足够间距，其中商数的较小值是针对较大直径选择的，而较大值是针对较小直径选择的。换言之，如果容器的外径为12m，则选择除以15的商数，而如果容器的外径为3m，则选择除以5的商数，在这种情况下肋在方位平面(中心面)中的布置间距将约为0.4至0.8m。

附图说明

利用附图示出本发明，在附图中：

图1示出堆芯熔体封闭和冷却系统的示意性设计，以及

图2示出堆芯熔体捕捉装置多层式容器的设计。

附图中的结构元件的名称：

1-反应堆容器，

2-反应堆容器底部

3-混凝土穹顶(反应堆腔)，

4-导流板，

5-悬臂桁架，

6-悬臂桁架热防护层，

7-操作台，

8-堆芯捕捉装置，

9-多层式容器法兰的热防护层，

10-填料，

11-多层式容器外层，

12-多层式容器填料，

13-多层式容器内层，

14-用于堆芯熔体的分级式圆锥形或圆筒形堆坑，

15-支承肋，

16-容器的圆筒形部分，

17-容器的圆锥形部分，

18-超环面的三层式壳层。

具体实施方式

根据要求专利权的发明，由具有热防护层(6)的悬臂桁架(5)支承的圆锥形的导流板(4)安装在位于混凝土穹顶(3)中的反应堆容器(1)的底部(2)下方。

在悬臂桁架(5)的下方，存在具有形式为多层式容器的冷却包壳(容器)的堆芯捕捉装置(8)，该堆芯捕捉装置包含金属外层(11)和金属内层(13)(壁)，在所述金属外层和所述金属内层之间具有非金属填料(12)。在堆芯捕捉装置(8)的内部，存在为了稀释堆芯熔体而施加的牺牲填料(10)。另外，填料(11)配备有用于容纳堆芯熔体的分级式圆锥形的或圆筒形的堆坑(14)。

此外，堆芯捕捉装置容器(8)设置有多层式容器法兰的热防护层(9)。

操作台(7)位于悬臂桁架(5)与捕捉装置(8)之间的空间中。

导流板(4)被设计成在反应堆容器被熔毁或熔穿之后将堆芯熔体(堆芯熔融物)引导到捕捉装置(8)中。另外，导流板(4)防止容器内部构件、燃料组件和反应堆容器底部的大碎片掉入捕捉装置中，并且在来自反应堆容器(1)的堆芯熔体进入捕捉装置(8)中的情况下保护悬臂桁架(5)及其通信线。导流板(4)还使混凝土穹顶(3)免于与堆芯熔融物直接接触。导流板(4)被加强肋分隔成供堆芯熔融物流下的区段。加强肋约束反应堆容器底部(2)与熔融物，从而在底部被熔毁或严重塑性变形的情况下防止底部覆盖导流板(4)的各区段的内孔并阻止熔融物流下。在导流板锥部的表面下方，存在两层混凝土层：在表面正下方的牺牲混凝土层(铁和铝氧化物基部)，以及在牺牲混凝土下方的热稳定的耐热混凝土层(铝氧化物基部)。随着牺牲混凝土在熔融物中被稀释，它在堵塞的情况下(当堆芯熔体在一个或多个部段中凝固时)增加了导流板区段中的空白区域，这能够防止加强肋的过热和熔毁——即空白区域的完全堵塞，以及随后的导流板的熔毁。热稳定的耐热混凝土在牺牲混凝土厚度减小时提供结构强度。该混凝土保护位于下方的设备免受堆芯熔体冲击，从而防止堆芯熔体熔化或熔毁导流板(4)。

悬臂桁架(5)不仅保护捕捉装置(8)而且保护整个堆芯熔体封闭和冷却系统的内部通信线免受堆芯熔体熔毁，并且用作导流板(4)的支承装置，所述导流板(4)将静态和动态冲击传递到紧固在反应堆容器(3)中的悬臂桁架(5)。悬臂桁架(5)还在导流板(4)的截面在肋的支承能力受损时受到损毁的情况下确保导流板(4)的可操作性。

悬臂桁架(5)包括：

-连接仪表与控制(I&C)传感器的覆盖管，

-连接来自外部源的冷却水供给的堆芯熔体喷射管线(具有分配管道的集管)，冷却水通过喷射管线供给，待从上方的悬臂桁架喷射到堆芯熔体上，

-当堆芯熔体在堆芯捕捉装置(8)中冷却时将蒸汽从反应堆下方的混凝土穹顶(3)排除至加压区域的蒸汽排出管线，所述管线排除饱和蒸汽而使得不超过混凝土穹顶(3)中的容许压力，

-在正常运转期间供给用于冷却导流板(4)的空气的空气供给管线。

捕捉装置(8)在反应堆容器(1)熔穿或熔毁的情况下借助于进化的热交换表面和向大量沸水的传热而在反应堆腔(3)中封闭和冷却反应堆下方的堆芯熔融物。捕捉装置(8)安装在反应堆腔(3)基底中，位于埋入件上。

根据要求专利权的发明，捕捉装置(8)的包壳是多层式容器，其包括：

-金属外层(11)：由壁和底部形成的外部包壳，

-非金属填料(12)层，

-金属内层(13)：由壁和底部形成的内部包壳。

外层(11)可以由诸如22K、20K级钢制成，壁厚为10至70mm且底部厚度为70至120mm。

内层(13)可以由诸如22K、20K09G2S级钢制成，壁厚为15至40mm且底部厚度为20至40mm。

填料(12)层可以由导热性良好或不好的材料制成。

可以使用熔化温度为300至800℃的材料作为导热性良好的填料材料，优选地分别具有不超过600℃和70至150mm的最高熔化温度和厚度的低熔点混凝土。

可以使用熔化温度超过800℃的材料作为导热性不好的填料材料，特别是混凝土或陶瓷回填物。

支承肋(15)以满足以下标准的方位间距(S_pitch)安装在内层(13)和外层(11)之间(参见图3)：

d_ext/15<s_pitch<d_ext/5，

其中d_ext/15是容器的外径。

方位间距(S_pitch)是多层式容器的中心面(截面)中的圆周的外径周围的间距，即支承肋与容器的外壁(外层)的交点之间的距离(参见图3)。

所示的支承肋(15)刚性地固定在外层(11)上并且可以固定在内层(12)上。

特别地，支承肋可以由22K钢制成并且具有10至60mm的厚度和200至800mm的方位布置间距。

容器(图2)的将圆筒形上部部分(16)与圆锥形下部部分(17)连接的底部部分包含另外的超环面/曲面形的三层式复合壳层(18)，所述壳层一方面确保从容器的圆锥形部分到圆筒形部分的平顺流体动力学过渡，而另一方面不论外层的热膨胀如何都确保内层的热膨胀。

捕捉装置(8)的多层式容器包含施加在外层上的另外的厚0.1-0.5mm的耐腐蚀层。

另外，容器可以包含增加向施加在外层的外表面上的水的对流传热的另外的厚0.5-5mm的层。

捕捉装置(8)的多层式容器的上部部分配备有法兰，所述法兰的内径和外径分别与容器的内壁内径和外壁外径对应。

填料(10)提供堆芯捕捉装置(8)内的堆芯熔体的容积分布。它设计用于堆芯熔体氧化和熔解，以减少体积能量释放并且增加发射能量的堆芯熔体与多层式容器外层(11)之间的热交换表面，并且有助于形成包含燃料的堆芯熔体碎片浮在钢层上方的状态。填料(10)可以由钢和包含铁、铝和锆氧化物的氧化物成分制成，其中用于堆芯熔体分配的通道不仅设置在圆筒形部分中，而且也设置在底部圆锥形腔中。

操作台(7)提供捕捉装置(8)的顶部部分的热防护，从而在定期的预防性维护期间通过访问以下部件来执行对反应堆容器(1)的目视检查：

-在泄漏事故的情况下用于修正和水去除的填料(10)，

-保护填料(10)免受泄漏事故的加压组件，

-用于修理或传感器更换的I&C传感器覆盖管端配件。

要求专利权的系统操作如下：

在容器(1)被熔毁时，受流体静力和过压冲击的堆芯熔融物开始向由悬臂桁架(5)支承的导流板(4)表面移动。

随着堆芯经导流板(4)的各区段流下，它进入捕捉装置(8)的多层式容器内并与填料(10)接触。

在部分不对称的堆芯熔体流下的情况下，悬臂桁架(5)和操作台(7)的热防护层(6)开始熔化。在熔毁的情况下，热防护层在降低堆芯熔体自身的温度和化学反应性的同时减轻了堆芯熔体对受保护的设备的热冲击。

首先，堆芯熔体填充堆坑(14)，然后，随着填料(10)的其它钢结构件熔化，堆芯熔体填充填料(10)的非金属成分之间的空隙。填料(10)的非金属成分与专用水泥互相连接，所述专用水泥使得连同这些非金属成分一起烧制成防止填料(10)的构件在较重的堆芯熔融物中浮起的结构。随着非金属成分被烧制在一起，这种结构在填料(10)的钢紧固件损失其强度时具有足够的强度。因此，通过在烧制期间提高填料(10)的非金属成分结构强度来补偿填料(10)的钢构件强度在升温期间的下降。在填料(10)的钢构件熔化与熔解之后，填料(10)的非金属成分与堆芯熔融物成分的表面相互作用开始。填料设计、物理和化学性质被选择成提供堆芯熔融物中的填料熔解的最高效率，防止堆芯熔体升温，减少气溶胶生成和从熔融镜的辐射传热，减少氢和其它非冷凝气体的生成。填料成分之一是具有不同氧化程度的氧化铁，该氧化铁使锆氧化，在其与堆芯熔融物相互作用的过程中使铀和钚的二氧化物完全氧化，从而防止它们的金属相，并且确保其它堆芯熔体成分的完全氧化，这能够防止水蒸汽辐解并且阻止来自大气的氧吸附在金属镜面上。这进一步引起氢发射/辐射的显著减少。氧化铁在此过程中释放氧并且可以脱氧至包含金属铁。

堆芯熔融物分两个阶段排放到填料(10)中：在第一阶段，来自反应堆容器(1)的混合有氧化物的大体上熔融的钢和锆流向填料(10)，在第二阶段，流向填料的堆芯熔融物的主要成分是混合有金属的液态高熔点氧化物。考虑到这一点，堆芯熔融物与填料(10)之间存在两种不同类型的相互作用：1)随着来自堆芯熔融物的流体金属锆在与非金属填料成分——所述非金属填料成分在熔化之后浮起并且在熔融金属层上方形成轻质铁和锆氧化物层——进行边界相互作用的过程中氧化，堆芯熔融物的金属成分与填料成分相互作用并使其熔化，2)堆芯熔融物的氧化物成分与金属结构和非金属填料成分相互作用，使其熔化与熔解，同时堆芯熔融物的氧化物部分中包含的锆、铬和某些其它熔融金属在与非金属填料成分相互作用期间氧化。此类复杂的多阶段相互作用引起熔融物氧化物部分的进一步氧化和熔融金属部分的最活性成分的氧化、具有预设特性的堆芯熔体的生成，所述预设特性允许将堆芯熔体封闭在有限容积内并且执行其安全和有效的长期冷却。

堆芯熔体与填料(10)的相互作用引起所产生的堆芯熔体温度降低约1.5至2倍，这允许显著降低从熔融镜到悬臂桁架、导流板和导流板上方的反应堆容器底部的辐射热流量。为了更有效地降低来自熔融镜的辐射热流量和气溶胶生成，使用天然和人工两种渣帽，在专用混凝土在来自熔融镜的热辐射下熔化期间以及在流态堆芯熔体熔融物与填料相互作用期间均会形成所述渣帽。渣帽的厚度和使用寿命被选择成使得在最坏情况下在堆芯熔体封闭的初始阶段最大限度地减轻熔融镜对位于上方的设备的冲击：在堆芯熔体进入填料(10)并蓄积在堆芯捕捉装置(8)中期间。堆芯熔融物进入捕捉装置的时间可以长达数小时，而氧化物相进入明显不均匀并且会接着出现流量的明显变化或临时终止。

填料(10)和堆芯熔融物的化学反应逐渐改变堆芯熔体组分和结构。在初始阶段，堆芯熔融物可以从均质结构变成双层结构：通常为顶部上的熔融钢和锆与底部中的混合有金属的高熔点氧化物熔融物的混合物，高熔点氧化物熔融物密度平均比熔融金属混合物的密度高25％。随着填料在堆芯熔融物流态氧化物中逐渐熔解，堆芯熔体组分、特别是其氧化物部分逐渐改变：流态氧化物密度比熔融金属的密度变化更集中/密集地降低。该过程引起堆芯熔体的流态金属与氧化物部分之间的密度差的连续减小。填料中的非金属牺牲材料的初始重量被选择成确保堆芯流体高熔点氧化物中的非金属牺牲材料以这样的量熔解：新氧化物熔融物的最终密度将小于堆芯熔体熔融金属部分的密度。当流态氧化物密度变成小于熔融金属密度时，堆芯熔体熔池中发生倒置/逆转：流态氧化物上浮，而堆芯熔体熔融金属部分下沉。这种新的堆芯熔体结构使得能够执行熔融镜的安全水冷却。当流态氧化物来到表面中，冷却水由于流态氧化物的热物理特性而不会形成蒸汽爆破的风险，并且不会进入生成氢的化学反应，由于较低的熔融镜温度而不会发生热分解。流态氧化物和金属的倒置允许提供经捕捉装置多层式容器来到最终的冷源(通过流态氧化物和熔融金属的各种热物理特性产生的水)的更稳定的热流动。

热分三个阶段从堆芯熔体传递到捕捉装置(8)。在第一阶段，当大体上熔融的金属流入填料(10)的堆坑(14)中时，捕捉装置(8)的多层式容器的各层(11-13)与熔融物之间的热交换不是特别密集：通过熔融物蓄积的热主要消耗在填料(10)的结构部分的加热和部分熔化上。捕捉装置(8)的下部部分被均匀地加热并且不具有明显特征。考虑到捕捉装置(8)的圆锥形底部比其圆筒形部分平均要厚30％，并且从顶部向下的竖向对流传热明显不如从底部向上的径向对流传热或竖向对流传热高效，捕捉装置(8)的底部加热过程明显比其圆筒形部分的后续加热更慢。

在第二阶段，当流态高熔点/难熔氧化物占主导时，堆芯熔体熔融物液位明显升高(考虑到填料牺牲材料的熔解)。堆芯熔体的氧化物部分释放能量。能量释放以大约9比1的比例在堆芯熔体的氧化物部分与金属部分之间分配，这引起来自堆芯熔体的氧化物部分的大量热流。由于在与填料相互作用的初始阶段，堆芯熔体的氧化物部分的密度明显比熔融金属的密度高，因此可能出现堆芯熔体成分的层化(分层)和再分布：熔融金属位于顶部，而高熔点氧化物位于底部。在此状态下，当捕捉装置(8)的底部由于对流传热从顶部向下定向而未被高熔点氧化物显著加热时，“容器壁/氧化物”边界上的氧化物外壳的导热率不明显并且平均不超过1W/(m K)。由熔融的高熔点氧化物组成的氧化物外壳(渣线)由于“氧化物/金属”边界上的氧化物熔融物冷却而形成，因为金属具有比氧化物高数倍的导热率并且可以向最终的冷源(水)提供更好的传热。这种效应用于允许防止堆芯熔体与水冷却的多层式容器的外层(11)之间的化学相互作用并提供其热防护的可靠堆芯熔体封闭。流态氧化物上方的熔融金属通常由于与流态氧化物的对流传热(传热方向为从底部向上)而接收能量。此状态会引起堆芯熔体熔融金属部分的过热以及经捕捉装置(8)的多层式容器的各层(11-13)向最终冷源的热流动的明显不均匀分布，同时由于来自熔融镜的辐射而增加热流密度。在捕捉装置(8)的多层式容器的各层(11-13)和堆芯熔体的液态金属部分的相互作用区域中，既不会形成渣层，也不会形成由于多层式容器过热而产生的自然屏障。通过设计规定来解决目前的任务。

在第三阶段，堆芯熔体随着其出现在多层式容器的内层(13)上而与填料(10)相互作用。此时，位于反应堆腔(3)侧的多层式容器的外层(11)填充有水。堆芯捕捉装置(8)安装在反应堆腔(3)中，并且在设计和超设计基准事故期间与收集反应堆设备主回路冷却液的堆坑连接，水从安全系统供给到所述主回路。为了防止多层式容器的外层(11)经由高温堆芯熔体熔融物传热的故障，堆芯捕捉装置(8)被设计为上述多层式容器。在这种情况下，可以将热负荷和机械负荷分布在多层式容器的各层(11-13)之间：主要的热负荷由内层(13)吸收，而主要的机械负荷(冲击和压力)由外层(11)吸收。机械负荷通过支承肋而从内层(13)传递至外层(11)，所述支承肋安装在外层(11)的内表面上，内层(13)焊接至所述支承肋。这种设计确保了内层(13)将热变形应力经肋传递至冷却后的外层(11)。为了最大限度地减小内层(13)侧的热应力，肋利用热阻尼与外层(11)连接。

如果使用由高导热率材料(低熔点混凝土)制成的填料(12)，则其确保了从容器的内层(13)向外层(11)的传热。内层(13)通过堆芯熔体加热并且热传递到填料(12)(低熔点混凝土)。首先，在热传导期间，填料被加热至熔化温度，然后，随着熔化区域宽度增大，内层(13)与未熔化的填料(12)之间的对流传热开始。该过程继续到填料(12)利用从内层向外层的热流释放而彻底熔化为止。填料(12)熔化的过程由于材料的高导热率而相当快，因此，实际上所有来自容器的内层的热流将被填料材料吸收。为此，填料厚度被选择成满足以下两个主要标准：1)混凝土熔化时间应当明显短于比引起强度损失的容器内层关键加热的时间，2)由于熔化的混凝土中的对流热-质传递，应当在内层与外层之间提供这样的对流传热水平：使得从容器的内层传递至熔化的混凝土的热流密度比在从熔化的混凝土向外层(外壁)的传递期间减小1.5至2倍。第一主要标准由于结构设计而得以满足：选择填料(10)的大孔隙度以在堆芯熔体与填料相互作用的初始阶段向容器内层提供适度热流，从而在其升温期间允许在容器内层没有强度损失的情况下熔化混凝土。这种大孔隙度允许通过以下方式来减轻全部堆芯熔体对容器内层内表面的影响：即将这种影响限制为来自残留能量释放和在相互作用的初始阶段的有限时间周期期间与堆芯熔体中的填料(10)成分的化学反应的总能量释放的大约十分之一。在堆芯熔融物与填料(10)相互作用的最后阶段，容器内层被加热至设计温度，并且流态低熔点混凝土向容器外层提供对流传热，并进一步向堆芯熔体与容器内层的热接触区域中的最终冷源(水)提供对流传热。第二主要标准由于流态低熔点混凝土的特性和容器各层之间的空间参数而得以满足，其中对流热-质传递确保了在热流从内层向外层传递期间热流密度的预设减小。

如果使用由导热性不好的材料制成的填料(12)，确保了在堆芯熔融物进入的初始阶段维持捕捉装置(8)的外层(11)的绝热。填料(12)的主要用途是保护捕捉装置(8)的外层(11)免受热冲击并且在其内表面上形成渣层。堆芯熔体加热内层(13)并使其熔化，将热传递至填料(12)，填料也在被加热的同时也熔化并且在多层式容器的外层(11)的较冷内表面上形成渣壳。该过程继续到多层式容器的内层(13)和填料(12)完全熔化为止。填料(12)由于填料的低导热率而迅速熔化并且稀释在堆芯熔体中，因此，从堆芯熔体到多层式容器的内层(13)的热流将几乎专门用于熔化内层(13)和填料(12)。由填料形成的渣层允许将热流限制至多层式容器的外层(11)，贯穿外层(11)的高度重新分配热流，并且关于局部高度和方位变动使其整平。

需要对通过多层式容器的外层(11)的热流进行密度限制，以确保向最终冷源(即堆芯捕捉装置(8)的周围的水)的稳定和不危急的传热。热在“池内沸腾”模式下传递到水，这提供了以不受限的时间段非能动除热的可能性。热流限制的功能通过核反应堆堆芯熔融物冷却和封闭系统的两个部分来实现。

第一部分为填料(10)，其一方面提供堆芯熔体的产热部分的稀释和体积增大，从而允许在减小从堆芯捕捉装置(8)的外层(11)通过的热流密度的同时增加热交换面积；另一方面在通过在堆芯捕捉装置(8)的下部部分中再分配热流而减少通向外层(11)的最大热流的同时，提供氧化物部分向上运动而液态金属部分向下运动的堆芯熔体的氧化物部分和金属部分的倒置。第二部分为多层式容器的填料(12)，其通过形成高熔点渣壳而借助堆芯捕捉装置(8)的外层(11)的高度和方位(中心面)来提供外层(11)处的最大热流的减少(整平)，所述渣壳确保来自堆芯熔体的最大热流的再分配。

外层(11)表面上产生的蒸汽上行并经蒸汽泄放通道流向安全壳，蒸汽然后在该安全壳处冷凝。冷凝物从安全壳流向堆坑，所述堆坑借助流动通路与其中安装了堆芯捕捉装置(8)的反应堆腔(3)连接。因此，在堆芯捕捉装置的长期冷却的情况下，确保了冷却水循环和从外层(11)的恒定除热。捕捉装置(8)中的堆芯熔体随着所储存的热和残留能量所释放的热的减少而冷却。在与填料(10)的相互作用完成之后的熔融物冷却的初始阶段，通过多层式容器的外层(11)执行主要热交换。在水供给到捕捉装置(8)之后，热流逐渐被平衡：从外层(11)通过的热流变成与来自堆芯熔体表面的热流相等。在最后阶段，堆芯熔体可以直接通过供给到堆芯捕捉装置(8)中的水冷却，这在堆芯熔体在其凝固期间形成可渗透水的结构的情况下是可能的。

因此，用于水冷、水慢化的核反应堆堆芯熔融物的冷却和封闭系统的所述捕捉装置(8)整体上允许在维持多层式容器的外层(11)的完整性的同时提高从熔融物除热的效率。

Claims (7)

1.一种水冷、水慢化的核反应堆堆芯熔融物的冷却和封闭系统，其包括：

安装在反应堆容器底部下方的圆锥形的导流板，

安装在所述导流板下方并且支承所述导流板的悬臂桁架，

堆芯捕捉装置，所述堆芯捕捉装置安装在所述悬臂桁架下方，并且配备有形式为多层式容器的冷却包壳以保护热交换外壁免受动态、热和化学冲击，以及

位于所述多层式容器内部的用于熔融物稀释的填料材料，

其中，所述多层式容器包含金属内层和金属外层，形式为非金属填料的中间层位于所述金属内层和所述金属外层之间，并且在所述内层和外层之间以满足以下标准的方位间距(S_pitch)安装有支承肋：

d_ext/15<s_pitch<d_ext/5，

其中，d_ext是所述多层式容器的外径。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支承肋刚性地固定至所述外层而不固定至所述内层。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支承肋刚性地固定至所述外层和内层。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支承肋径向地布置，并且相邻的支承肋之间具有方位间隙。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多层式容器的将圆筒形上部部分与圆锥形下部部分连接的底部部分包含曲面形的三层式复合壳层，不论所述外层的热膨胀如何，所述壳层都确保所述内层的热膨胀。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多层式容器包括施加在所述外层上的另外的厚度为0.1-0.5mm的耐腐蚀层。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多层式容器包括增加施加在所述外层的外表面上的水的对流传热的另外的厚度为0.5-5mm的层。