CN108986931B - 一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统。所述的系统包括反应堆压力容器、反应堆堆腔固壁、保温层、堆腔外腔室、堆腔内腔室、蒸汽/水出口、安全壳内置换料水箱、堆腔注水管线、堆腔注水入口、支撑网板、水溶性微包。利用本发明的系统，能够实现对核电厂严重事故工况下可能发生蒸汽爆炸现象更好的抑制。

Description

一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统
技术领域
本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统。
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。有效的熔融物堆内滞留(IVR)技术可以使压力容器得到充分的冷却从而确保压力容器的完整性。然而，根据欧美俄韩等国的研究经验，对于百万千瓦以上的堆型，严重事故后IVR措施已面临技术瓶颈，当IVR失效时，堆芯熔融物将从压力容器向堆腔释放，如果堆腔内有大量的水，将发生蒸汽爆炸，堆芯熔融物与混凝土的相互作用也随之发生，极有可能导致大量放射性物质向环境释放。蒸汽爆炸过程会伴随巨大的能量和压力波产生，可能引发安全壳结构失效，从而导致放射性裂变产物释放到环境中。
已有研究表明，堆芯熔化材料与水相互作用发生的蒸汽爆炸现象，按其触发方式的不同，可分为自触发式蒸汽爆炸和外部触发式蒸汽爆炸两种。对于自触发式蒸汽爆炸，当熔融物前端到达容器底部时，水的沸腾模式会由膜态沸腾向核态沸腾转变，水与熔融物之间的传热变好，从而使液态水在有限的空间内大量气化，触发蒸汽爆炸。在容器表面添加热塑性衬里可以抑制水的沸腾模式向核态沸腾的转化，从而实现抑制自触发性蒸汽爆炸的目的。
关于蒸汽爆炸抑制措施的研究，国外起步较早，如US4,028,179(Nuclear ReactorCore Safety Device，美国Los Alamos实验室，1976年)中述及在燃料中加入一种可气化介质，该介质在略低于堆芯融化温度时会释放出大量的气体，使燃料棒底部发生破裂并将良好裂化的燃料吹入位于反应堆底部被附属回路持续冷却的水池中；又如CN200580000170.9(用于冷却从反应堆容器释放的熔化堆芯材料的装置和方法，韩国原子力研究所与韩国水力原子力株式会社共同于2005年申请)述及了位于堆芯下部布有冷却水保留罐，其内装有含惰性气体的冷却水，从而利用惰性气体抑制由于熔化材料与水相互作用引起的蒸汽爆炸；又如CN200580004605.7(用于融化堆芯材料的被动冷却和滞留装置，韩国原子力研究所与韩国水力原子力株式会社共同于2005年申请)述及了将高压惰性气体罐中的惰性气体与冷却水贮存箱中的冷却水混合后注入堆芯熔化材料滞留箱内冷却熔化材料的方法，同样利用惰性气体抑制由于熔化材料与水相互作用引起的蒸汽爆炸。
我国在蒸汽爆炸抑制措施方面的研究起步较晚，目前尚未发现已公开的针对熔融物与水相互作用导致的蒸汽爆炸的抑制措施的相关文献报道。
上述所有与蒸汽爆炸抑制措施相关的现有技术中均未考虑采用通过添加热塑性衬里和向冷却水中溶入悬浮微粒的方法，实现对蒸汽爆炸的抑制和对危险的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，以能够实现对核电厂严重事故工况下可能发生的蒸汽爆炸现象更好的抑制。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，包括反应堆压力容器、反应堆堆腔固壁、保温层、堆腔外腔室、堆腔内腔室、蒸汽/水出口、安全壳内置换料水箱、堆腔注水管线、堆腔注水入口，
所述的反应堆压力容器卡座于所述的反应堆堆腔固壁内；
所述的保温层位于所述的反应堆压力容器与所述的反应堆堆腔固壁之间，并将它们之间的空间由外至内划分为所述的堆腔外腔室与所述的堆腔内腔室；
所述的保温层底部开口，以使所述的堆腔外腔室与所述的堆腔内腔室连通；
所述的堆腔外腔室的顶部开有所述的蒸汽/水出口；
所述的安全壳内置换料水箱可依次通过所述的堆腔注水管线和设置于所述的反应堆堆腔固壁上的所述的堆腔注水入口向所述的堆腔外腔室内注入冷却水，
其中：
所述的系统还包括设置于所述的保温层底部开口处的支撑网板和堆积于所述的支撑网板上方的多袋水溶性微包。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中所述的系统还包括设置于所述的堆腔注水管线上的止回阀和/或安全阀。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中所述的系统还包括设置于所述的保温层内壁面上的热塑性衬里。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中所述的热塑性衬里的厚度为10-20mm，材质选自聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚铜(PEEK)、聚砜(PSF)等耐高温热塑性聚合物。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中每袋所述的水溶性微包包括位于内部的空心微粒和封装于外部的水溶膜。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中每个所述的空心微粒的粒径为10-800μm，材质为玻璃，密度与水相当。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中每个所述的空心微粒内充满常压惰性气体。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中所述的水溶膜的材质为水溶性塑料，其可在10-70℃温度范围内溶于水，最终产物是CO2和H2O。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，其中所述的水溶性微包的数量为10-50袋。
本发明的有益效果在于，利用本发明的抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，能够通过添加热塑性衬里和向冷却水中溶入悬浮微粒的方法，实现对核电厂严重事故工况下可能发生的蒸汽爆炸现象更好的抑制。
本发明的有益效果具体体现在：
(1)堆芯熔融物坠入系统内铺设的热塑性衬里，可以在堆芯熔融物与水预混合后，防止沸腾模式从膜态沸腾向核态沸腾转变，从而抑制自触发性蒸汽爆炸的发生；
(2)通过向冷却水中溶入微米级悬浮微粒，可以降低熔融颗粒与水接触的几率，同时可在蒸汽爆炸已被触发后吸收冲击波，从而降低破坏性；
(3)本发明的抑制措施简便、灵活，可广泛适用于采用了堆内熔融物滞留(IVR)概念的核电厂。
附图说明
图1为示例性的本发明的抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统的组成结构图。
图2为图1中水溶性微包的结构的局部放大图。
图3为示例性的本发明的抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统中所使用的空心微粒的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统的组成结构如图1所示，包括反应堆压力容器01、保温层02、IVR热塑性衬里03、反应堆堆腔固壁04、堆腔注水入口06、蒸汽/水出口07、止回阀08、安全阀09、堆腔注水管线10、安全壳内置换料水箱11、堆腔外腔室13、堆腔内腔室14、支撑网板15、水溶性微包16。
反应堆压力容器01卡座于反应堆堆腔固壁内04内。
保温层02位于反应堆压力容器01与反应堆堆腔固壁04之间，并将它们之间的空间由外至内划分为堆腔外腔室13与堆腔内腔室14。堆腔外腔室13的顶部开有蒸汽/水出口07。保温层02底部开口，以使堆腔外腔室13与堆腔内腔室14连通。保温层02内壁面上设置有IVR热塑性衬里03，其厚度为10-20mm，材质选自聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚铜(PEEK)、聚砜(PSF)等耐高温热塑性聚合物。保温层02底部开口处设置有支撑网板15，支撑网板15上堆积10-50袋水溶性微包16。
如图2-3所示，每袋水溶性微包16包括位于内部的空心微粒12和封装于外部的水溶膜17。每个空心微粒12的粒径为10-800μm，材质为玻璃，内部充满常压惰性气体19。通过设置特定的空心微粒12的玻璃外壁18与常压惰性气体19的体积比，可使空心微粒12的密度与水相当，从而确保空心微粒12悬浮于水中。水溶膜17的材质为水溶性塑料。
安全壳内置换料水箱11可依次通过堆腔注水管线10和设置于反应堆堆腔固壁04上的堆腔注水入口06向堆腔外腔室13内注入冷却水。堆腔注水管线10上设置有止回阀08和安全阀09，以控制冷却注水的流量和流向。
上述示例性的本发明的抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统的原理如下。
反应堆堆芯熔融物在堆内滞留阶段，贮存在安全壳内置换料水箱11中的冷却水在重力的作用下，沿堆腔注水管线10通过堆腔注水入口06注入堆腔外腔室13，随后冷却水进入堆腔内腔室14冷却反应堆压力容器01，并由位于堆腔顶部的蒸汽/水出口07流出。
熔融物05在坠入保温层02上铺设的IVR热塑性衬里03后，可以在与水预混合后，防止水的沸腾模式从膜态沸腾向核态沸腾转变，从而抑制自触发性蒸汽爆炸的发生。
当冷却水流过支撑网板15后，可快速将水溶微球包16的水溶膜17溶解，且无残留物，从而使得冷却水在进入保温层02和反应堆压力容器01间隙时与空心微粒12混合。冷却水中添加的空心微粒12可以降低熔融物05颗粒与水接触的几率，同时可在蒸汽爆炸已被触发后吸收冲击波，有力地降低蒸汽爆炸的破坏性。空心微粒12在冷却水中的平均体积浓度控制在0.1％-5％之间。
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。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种抑制反应堆堆芯熔融物滞留过程中蒸汽爆炸的系统，包括反应堆压力容器、反应堆堆腔固壁、保温层、堆腔外腔室、堆腔内腔室、蒸汽/水出口、安全壳内置换料水箱、堆腔注水管线、堆腔注水入口，
所述的反应堆压力容器卡座于所述的反应堆堆腔固壁内；
所述的保温层位于所述的反应堆压力容器与所述的反应堆堆腔固壁之间，并将它们之间的空间由外至内划分为所述的堆腔外腔室与所述的堆腔内腔室；
所述的保温层底部开口，以使所述的堆腔外腔室与所述的堆腔内腔室连通；
所述的堆腔外腔室的顶部开有所述的蒸汽/水出口；
所述的安全壳内置换料水箱可依次通过所述的堆腔注水管线和设置于所述的反应堆堆腔固壁上的所述的堆腔注水入口向所述的堆腔外腔室内注入冷却水，
其特征在于：
所述的系统还包括设置于所述的保温层底部开口处的支撑网板和堆积于所述的支撑网板上方的多袋水溶性微包，
每袋所述的水溶性微包包括位于内部的空心微粒和封装于外部的水溶膜；
每个所述的空心微粒的粒径为10-800μm，材质为玻璃，密度与水相当；
每个所述的空心微粒内充满常压惰性气体；
所述的水溶膜的材质为水溶性塑料。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的系统还包括设置于所述的堆腔注水管线上的止回阀和/或安全阀。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的系统还包括设置于所述的保温层内壁面上的热塑性衬里。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的热塑性衬里的厚度为10-20mm，材质选自聚苯硫醚、聚醚醚铜或聚砜。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的水溶性微包的数量为10-50袋。
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