CN107993729B - 熔融物滞留容器及采用该滞留容器的堆外熔融物滞留系统 - Google Patents

熔融物滞留容器及采用该滞留容器的堆外熔融物滞留系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种熔融物滞留容器及采用该滞留容器的反应堆外熔融物滞留系统，容器包括坩埚本体和填充于坩埚主体内的网格状立方体结构；坩埚本体包括主坩埚和辅坩埚；主坩埚和辅坩埚耦合连接。系统包括设置于压力容器下方的冷却空间、设置于冷却空间内的熔融物滞留容器、通向冷却空间上部的冷却水管线、通向冷却空间下部的纳米流体冷却管线和与纳米流体冷却管线连接的纳米流体制备装置。本发明的有益效果如下：耦合单体坩埚，在增大单体坩埚换热面积的同时又解决了多坩埚熔融均匀分配等关键问题；不同位置采用高或低于熔融物密度的牺牲材料，兼具功能的同时便于将牺牲材料分布在熔融物上部和下部，分别起隔离保护和辅助换热的作用。

Description

熔融物滞留容器及采用该滞留容器的堆外熔融物滞留系统
技术领域
本发明属于核工程领域，具体涉及一种熔融物滞留容器及采用该滞留容器的反应堆对外熔融物滞留系统。
背景技术
目前熔融物滞留技术分为熔融物堆内滞留和熔融物堆外滞留。相比熔融物堆内滞留策略，熔融物堆外滞留策略可满足更高功率堆型的堆芯熔融物冷却换热需求，主要表现在：1)堆外滞留策略具有更大的换热表面和空间；2)堆外滞留策略可引入大量的牺牲材料消耗一定的熔融物显热。
采用堆外滞留策略的熔融物滞留容器主要包括单坩埚类和多坩埚类。专利 US-Pat5263066采用多个熔融物收集容器设计，借此增大换热面积；专利 US-Pat8358732采用大体积单个熔融物收集容器设计，增加冷却管线散热设计；专利US-Pat4113560亦采用单收集容器形式，通过喷淋与牺牲材料使用的结合实现熔融物的包容和冷却。然而，由于已建和在建的核电厂中多数堆型冷却空间有限，较单坩埚类设计采用多坩埚方案有效地增加换热面积的方式更加容易实现。但是多坩埚方案中“熔融物均匀分配”、“坩埚的连接”、“坩埚间气泡的堆积”等问题较难解决。鉴于此，本专利提出一种主、辅坩埚耦合成单体坩埚的设计。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种熔融物滞留容器及采用该熔融物滞留容器的反应堆堆外熔融物滞留系统，该技术方案能够解决“单坩埚换热面积小”、“多坩埚熔融物分配难”。
本发明的技术方案如下：
一种熔融物滞留容器，包括坩埚本体和填充于所述坩埚主体内部的网格状立方体；所述坩埚本体包括主坩埚和辅坩埚；所述主坩埚和辅坩埚耦合连接。
进一步地，上述的熔融物滞留容器，所述网格状立方体为密度大于 9.0kg/dm3的牺牲材料。
进一步地，上述的熔融物滞留容器，所述主坩埚和辅坩埚的耦合连接边缘为90-135°倒圆角连接。
进一步地，上述的熔融物滞留容器，所述坩埚本体的开口处为边缘向坩埚本体中心凹陷的漏斗状导流体。
进一步地，上述的熔融物滞留容器，所述导流体包括牺牲材料层和铺设于所述牺牲材料层的耐高温陶瓷材料层；所述牺牲材料层的牺牲材料密度为 2.0-6.0kg/dm3。
进一步地，上述的熔融物滞留容器，所述导流体的厚度为0.1-0.3m，斜坡角度为5-60°。
进一步地，上述的熔融物滞留容器，所述坩埚本体换热外表面为蚀刻处理面，表面粗糙度Ra为0.2-30μm。
本发明还提供了一种采用上述的熔融物滞留容器的反应堆堆外熔融物滞留系统，包括设置于压力容器下方的冷却空间、设置于所述冷却空间内的熔融物滞留容器、通向所述冷却空间上部的冷却水管线、通向所述冷却空间下部的纳米流体冷却管线和与所述纳米流体冷却管线连接的纳米流体制备装置。
进一步地，上述的反应堆堆外熔融物滞留系统，所述纳米流体制备装置内部的混合纳米流体的平均液位不低于所述坩埚本体的开口位置。
进一步地，上述的反应堆堆外熔融物滞留系统，所述压力容器的下封头下方装设缓冲导向台。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明设计的耦合单体坩埚，在增大单体坩埚换热面积的同时又解决了多坩埚熔融均匀分配等关键问题；
(2)不同位置采用高或低于熔融物密度的牺牲材料，并合理设计其形状，兼具功能的同时便于后续将牺牲材料分布在熔融物上部和下部，分别起隔离保护和辅助换热的作用；
(3)纳米流体水箱中设有分散性监测与维护装置，使得纳米流体处于均匀稳定的状态；
(4)纳米流体的采用，强化了坩埚外壁面CHF，增大了安全热裕量；
(5)熔融物顶部注水的设计，强化了坩埚内熔融物后续换热效果，增加了系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的反应堆堆外熔融物滞留系统示意图。
图2为本发明一个实施例的熔融物滞留容器的结构示意图。
图3为坩埚本体开口的导流体的剖面结构示意图。
图4为坩埚本体内的网格状立方体的示意图。
1、冷却水管线；2、冷却水源；3、超声分散装置；4、纳米流体制备装置； 5、混合纳米流体；6、分散性监测装置；7、搅拌器；8、流量调节阀；9、混合器； 10、纳米流体冷却管线；11、压力容器；12、蒸汽通道；13、下封头；14、缓冲导向台；15、熔融物滞留容器；16、坩埚本体；17、冷却空间；18、倒圆角； 19、辅坩埚；20、主坩埚；21、陶瓷材料层；22、牺牲材料层；23、网格状立方体；24、坩埚本体壁面。
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。
牺牲材料的研究和利用一直是熔融物堆外滞留策略十分关注的问题。如专利US-Pat4300983提到的水溶性、碱性硼酸盐，无论是填充物受热融化或是与氧化物熔融物相融，均会实现高密度金属熔融物沉于熔池底部，氧化物浮于上层的结构；如专利US-Pat5410577采用交替布置多层玻璃材料层和铅材料层，利用玻璃密度小、铅密度大的特点作为后期隔热层。基于该设计思想，本专利提出一种牺牲材料新型布置优化设计，将密度小于熔融物的牺牲材料与耐高温材料结合，优化隔离作用；将密度大于熔融物的牺牲材料优化形状设计，作为辅助换热层。熔融物堆外滞留策略依据设计需求，可选择是否在熔融物顶部注冷却水。
纳米流体是一门新兴科学技术，起源于上世纪九十年代，目前采用纳米流体技术强化临界热流密度(CHF)的方法引起了广大研究学者的关注。纳米流体具体可以概括为按照一定的方式和比例在基液中添加纳米颗粒所形成的一类新型传热冷却工质。纳米流体强化传热表面CHF的原因在于传热表面形成的纳米涂层，且采用适当的多种纳米颗粒混合纳米流体强化效果更为明显。近年来，有关纳米流体的制备、纳米流体的强化换热、纳米流体的CHF 强化特性研究已经取得了初步成果。纳米流体在能源方面、化工应用等领域等方面都得到了广泛的应用。专利CN102097139B采用基于纳米流体特性的核电站严重事故缓解系统设计，事故时通过超声波振荡器制备纳米流体，利用纳米流体的增强换热特性提高排热系统性能；专利CN102243897B采用基于纳米流体特性的沸水堆事故下非能动余热排出系统设计，通过调节试剂维持纳米流体稳定性，并利用其强化对流换热系数的性质改良非能动余热导出系统的能力；此外，相关研究利用纳米流体强化CHF特性，同样应用于严重事故策略中。实验研究表明通过调节试剂长期维持高浓度纳米流体的稳定分散性难以实现，在此本专利提出通过纳米流体分散性监测装置监测高浓度纳米流体的稳定性，利用多个高功率超声分散装置维持其均匀分散的控制方式，并采用多种纳米颗粒混合而成的水基纳米流体，利用其沸腾换热形成的纳米涂层具有CHF强化特性，提高熔融物堆外滞留的裕量。
鉴于上述背景，本发明提出一种采用了纳米流体技术新型单坩埚的滞留容器设计。旨在保留单坩埚优势的基础上，增大单坩埚换热面积的同时采用纳米流体技术强化坩埚外壁面CHF，此外采取坩埚顶部注水辅助换热的方式，实现在有限的冷却空间内尽可能高效地导出熔融物热量，达到熔融物堆外滞留的目的。
本实施例提供的熔融物滞留容器15如图2所示，包括坩埚本体16和填充于所述坩埚主体内部的网格状立方体23；所述坩埚本体16包括主坩埚20 和辅坩埚19；所述主坩埚20和辅坩埚19耦合连接。在本实施例中，所述坩埚主体由一个大体积的主坩埚20和3-8个小体积的辅坩埚19耦合，用于增大坩埚换热面积。所述辅坩埚19围绕所述主坩埚20设置，整体成花瓣状。为便于熔融物进入小体积辅坩埚19，经计算采用3-8个小体积辅坩埚19为宜，满足增大换热面积的同时又不至于使得耦合部分熔融物进入小坩埚的入口过窄；主坩埚20口径大于压力容器11的下封头13直径，以防止熔融物射流旁落；主坩埚20和辅坩埚19耦合连接边缘为90-135°倒圆角18连接，实现光滑过渡以减小热应力冲击。所述坩埚本体16换热外表面为蚀刻处理面，表面粗糙度Ra为0.2-30μm，以增加单体坩埚外壁面CHF初始值。
所述坩埚本体16的开口处为边缘向坩埚本体16中心凹陷的漏斗状导流体。如图3所示，本实施例的导流体包括牺牲材料层22和铺设于所述牺牲材料层22的陶瓷材料层21；所述陶瓷材料层21的陶瓷材料为耐高温陶瓷材料。所述牺牲材料层22的牺牲材料密度为2.0-6.0kg/dm3。所述导流体的厚度为0.1-0.3m，斜坡角度为5-60°。该设计可使得低密度牺牲材料在一段时间内充当熔融物导向板，后期则吸收一定显热后逐渐熔化并漂浮在熔融物表面，与耐高温陶瓷材料成为堆芯熔融物的顶部双隔离层，辅助顶部注水冷却换热。
如图4所示，网格状立方体填充于所述坩埚主体内部，被坩埚本体壁面 24包围，所述网格状立方体为密度大于9.0kg/dm3的牺牲材料。本实施例的网格边长0.15-1厘米。该设计可使得该牺牲材料在一段时间内充当熔融缓冲支撑并吸收一定显热，后期则熔化并沉积在熔融物下面，并以液固接触代替熔融物与壁面固固接触以辅助冷却换热。
如图1所示，本发明还提供了一种采用上述的熔融物滞留容器15的反应堆堆外熔融物滞留系统，包括设置于压力容器11下方的冷却空间17、设置于所述冷却空间17内的熔融物滞留容器15、通向所述冷却空间17上部的冷却水管线1、通向所述冷却空间17下部的纳米流体冷却管线10和与所述纳米流体冷却管线10连接的纳米流体制备装置4。所述纳米流体制备装置4盛有水基多种纳米颗粒的混合纳米流体5，内部装有纳米流体分散性监测装置6、超声分散装置3和搅拌器7。所述超声分散装置3为高功率超声分散装置。所述混合纳米流体5为质量分数大于1％的均匀稳定的水基多种纳米颗粒混合纳米流体，本实施例中体积为4-8m3。其平均液位等于所述坩埚本体 16的开口位置，依靠高度差即可非能动流入冷却空间17。纳米流体的自身悬浮稳定性可以使其在一定的时间内维持稳定均匀分散的状态。搅拌器7是为了将纳米流体均匀搅拌，便于进行超声处理。当纳米流体分散性监测装置 6检测到纳米流体分散性较差时，反馈启动信号给超声分散装置3和搅拌器 7；超声分散装置3启动后可增强纳米流体的分散性，使纳米流体处于稳定均匀分散的状态。纳米流体水箱排水口连接冷却管线，排水口前安装有过滤装置，防止排水口阻塞。
在本实施例中，所述纳米流体冷却管线10还与冷却剂管线交汇；所述纳米流体冷却管线10与冷却剂管线的交汇处设有混合器9。所述纳米流体冷却管线10设有流量控制调节阀门8，所述冷却剂管线和所述冷却水管线1也分别设置有流量控制阀门，各阀门均由传递信号控制(如监测信号、操作员指令信号)。纳米流体冷却管线10首先通往混合器9，混合器9的另一侧入口与冷却剂管线以通入冷却剂(如换料水箱冷却水等)。纳米流体和冷却剂将按照一定的比例排入混合器9，充分搅拌后将稀释后的纳米流体通过纳米流体冷却管线10输送至冷却空间17，冷却空间17入口同样设有流量调节阀门。冷却水源2另有冷却水管线1输送至坩埚本体16上方，该条输送管线同样设有流量控制调节阀门，开启阀门后可实现熔融物顶部注水。
在图1中，压力容器11的下封头13下方装设缓冲导向台14，该设置一方面可以作为压力容器11意外脱落的缓冲平台，另一方面若有熔融物喷射外溅可以辅助熔融物导向落入坩埚。
严重事故发生后，监测信号或操作员指令信号首先传送至纳米流体冷却管线10上的阀门，使其开启将稀释后的纳米流体快速至冷却空间17并达到单体坩埚16口部高度。当熔融物熔穿压力容器11的下封头13后，首先落在耐高温陶瓷材料上，并沿着斜面流入坩埚本体16内。由牺牲材料制成的网格状立方体23给予熔融物一定的缓冲，并且，该立方体在与熔融物接触、熔化后逐渐沉于坩埚底部，形成液固接触式辅助换热；随后，坩埚本体16 口部的漏斗状导流体的牺牲材料温度逐渐升高，熔融后与耐高温陶瓷材料漂浮于堆芯熔融物上方。此时，坩埚本体16外部稀释的纳米流体已进行沸腾换热，并在坩埚本体16外表面形成纳米涂层；坩埚本体16上方安全冷却水注入坩埚本体16内，与熔融的牺牲材料和陶瓷材料层21接触进行辅助冷却换热。当纳米流体制备装置4中的纳米流体用尽后，冷却水管线1则仅输送冷却水至冷却空间17和坩埚本体16上方，进行长期冷却。冷却过程中产生的蒸气通过蒸汽通道12排出，在安全壳内冷凝后回流至冷却水源2，以实现熔融物的长期冷却。
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 (8)

1.一种熔融物滞留容器，其特征在于：包括坩埚本体和填充于所述坩埚主体内部的网格状立方体结构；所述坩埚本体包括主坩埚和辅坩埚；所述主坩埚和辅坩埚耦合连接；
所述坩埚本体的开口处为边缘向坩埚本体中心凹陷的漏斗状导流体；
所述导流体包括牺牲材料层和铺设于所述牺牲材料层的耐高温陶瓷材料层；所述牺牲材料层的牺牲材料密度为2.0-6.0kg/dm3；该牺牲材料在一段时间内充当熔融物导向板，后期则吸收一定显热后逐渐熔化并漂浮在熔融物表面，与耐高温陶瓷材料成为堆芯熔融物的顶部双隔离层。
2.如权利要求1所述的熔融物滞留容器，其特征在于：所述网格状立方体结构为密度大于9.0kg/dm3的牺牲材料；该牺牲材料在一段时间内充当熔融缓冲支撑并吸收一定显热，后期则熔化并沉积在熔融物下面，并以液固接触代替熔融物与壁面固固接触以辅助冷却换热。
3.如权利要求1所述的熔融物滞留容器，其特征在于：所述主坩埚和辅坩埚的耦合连接边缘为90-135°倒圆角连接。
4.如权利要求1所述的熔融物滞留容器，其特征在于：所述导流体的厚度为0.1-0.3m，斜坡角度为5-60°。
5.如权利要求1所述的熔融物滞留容器，其特征在于：所述坩埚本体换热外表面为蚀刻处理面，表面粗糙度Ra为0.2-30μm。
6.采用上述权利要求1-5任一所述的熔融物滞留容器的反应堆堆外熔融物滞留系统，其特征在于：包括设置于压力容器下方的冷却空间、设置于所述冷却空间内的熔融物滞留容器、通向所述冷却空间上部的冷却水管线、通向所述冷却空间下部的纳米流体冷却管线和与所述纳米流体冷却管线连接的纳米流体制备装置。
7.如权利要求6所述的反应堆堆外熔融物滞留系统，其特征在于：所述纳米流体制备装置内部的混合纳米流体的平均液位不低于所述坩埚本体的开口位置。
8.如权利要求6所述的反应堆堆外熔融物滞留系统，其特征在于：所述压力容器的下封头下方装设缓冲导向台。
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