CN109273109B - 一种熔融物安全壳滞留系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔融物安全壳滞留系统，包括滞留部和用以冷却滞留部的冷却系统，冷却系统包括相连的冷却源装置和冷却水回路，冷却水回路和滞留部相连，滞留部包括套设在压力容器外并向下延伸的熔融物延展腔，熔融物延展腔由冷却板制备而成的第一容器包围在压力容器外围合而成，熔融物延展腔沿熔融物流向具有至少一个用于缓冲熔融物流速的第一弯曲段缓冲区、至少一个用于延长流道且缩小流道的第二弯曲段缓速区和一位于熔融物延展腔底部的装载区，第一弯曲段缓冲区和第二弯曲段缓速区二者弯度朝向为反向设置。可有效缓冲高温熔融物的冲击作用。

Description

一种熔融物安全壳滞留系统

技术领域

本发明涉及核电事故缓解领域，具体涉及一种熔融物安全壳滞留系统。

背景技术

从人类开始利用核能至今，全球已经发生了多起严重的核泄漏事故，比如美国三里岛核泄漏事故、前苏联切尔诺贝利核泄漏事故和日本福岛核泄漏事故。通过分析上述核泄漏事故的发展和处理过程可以发现，将带有放射性的堆芯熔融物滞留在安全壳内，可以保证核反应堆安全屏障的完整性，极大地缓解核反应堆严重事故的进一步发展和恶化。

为了更安全可靠的将带有放射性的堆芯熔融物滞留在安全壳内，需要一种能动和非能动冷却相结合的双重屏障熔融物包容防护系统，可以在核反应堆发生堆芯熔化事故的条件下，通过外部注水冷却压力容器，实现堆芯熔融物的堆内滞留。在熔融物堆内滞留失败的条件下，通过熔融物扩展收集器收集高温熔融物，通过外部注水冷却熔融物收集冷却器的冷却板，实现堆芯熔融物在安全壳内滞留。

已有的核反应堆堆芯熔融物安全壳内滞留主要有以下两类：

1.一类是采用类似坩埚类型的熔融物收集器，在坩埚内堆放牺牲性材料。在事故条件下，收集高温熔融物，通过牺牲性材料改善熔融物的流动性等物性，通过坩埚型收集器外部流道对熔融物进行冷却。

2.另一类是采用熔融物引出流道和扩展冷却池的收集冷却器。在事故条件下，将熔融物通过引出流道引到扩展冷却池进行收集和冷却。

然而上述两类存在以下缺点：无法有效抵挡熔融物的冲击，从而无法有效应对下封头整体掉落的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全壳熔融物滞留装置，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种熔融物安全壳滞留系统，包括滞留部和用以冷却滞留部的冷却系统，冷却系统包括相连的冷却源装置和冷却水回路，冷却水回路和滞留部相连，滞留部包括套设在压力容器外并向下延伸的熔融物延展腔，熔融物延展腔由冷却板制备而成的第一容器包围在压力容器外围合而成，熔融物延展腔沿熔融物流向具有至少一个用于缓冲熔融物流速的第一弯曲段缓冲区、至少一个用于延长流道且缩小流道的第二弯曲段缓速区和一位于熔融物延展腔底部的装载区，第一弯曲段缓冲区和第二弯曲段缓速区二者弯度朝向为反向设置；

套设在熔融物延展腔外的第一冷却腔，由冷却板制备而成的第二容器沿着第一容器外周保持适当的间隙绕行围合围成；

冷却源装置通过冷却水回路和第一冷却腔相连用于将冷却剂注入至第一冷却腔内。

本发明通过将滞留部设置成第一弯曲段缓冲区、第二弯曲段缓速区和装载区，能够有效增大冷却板与高温熔融物的接触面积，防止局部热量集中，提升高温熔融物的冷却效果，同时本发明在熔融物收集和延展的同时即可对熔融物进行冷却，缩短高温熔融物最终冷却时间，并能有效缓冲高温熔融物掉落时对熔融物收集器的冲击，有效防止高温熔融物掉落造成的收集器损坏。

本发明的第一容器与压力容器直筒段可以较好的贴合，配合缩短的高温熔融物最终冷却所需的时间，能够快速降低熔融物温度，有效减少衰变余热以及提升熔融物扩展能力，熔融物冷却快，泄漏少，因此能够提高对高温熔融物的收集比例，减少泄漏到安全壳地面标高上方空间的放射性气溶胶，降低放射性泄漏风险。本发明无需设置狭窄的熔融物引出通道，在下封头整体掉落的极限情况下，依然可以进行有效的熔融物收集、扩展和冷却。

为进行缓冲处理防止熔融物将第一容器击穿，第一容器的底部为球面型。

为提高冷却速度，并解决局部热量集中的问题，冷却系统包括冷却源装置、用于连接冷却源装置和第一冷却腔的第一冷却管道、与第一冷却腔连通的具有容纳腔的安全壳；

第一冷却腔上开设有第一出口和至少一个第二出口，第一出口为第一冷却腔底部最低处开设的竖直出口，第二个出口为第一冷却腔底部沿倾斜方向开设的倾斜出口，第一出口和至少一个第二出口均和第一冷却管道相连；

安全壳内上部设置有冷凝器，安全壳和第一冷却腔的连接处设置有第一浮球阀。本发明中设置第一冷却管道引入冷却剂，相比池式或者空间式注入方式，管道注入的速率更快，在发生事故条件下，可快速通过第一冷却管道注入第一冷却腔中。根据现有的在建在役电厂的情况，多数条件下，熔池对冷却板的传热，会导致热量出现局部峰值的现象。因此，一般推荐进行竖直的第一出口和倾斜的第二出口的组合设置，第二出口在第一冷却管道上的开口为圆管开口，在冷第一冷却腔上的开口为环形开口，中间采用平滑过渡结构，第二出口的流通横截面积为第一出口流通横截面积的1.0倍～2.5倍。

冷却源装置包括：

能动注水冷却装置，包括能动注水泵，能动注水泵通过连通管道和第一冷却管道相连；

和/或非能动高位水箱注水冷却装置，包括高位水箱，高位水箱通过连通管道和第一冷却管道相连；

和/或非能动自然循环注水冷却装置，包括冷却水收集池，冷却水收集池通过连通管道和第一冷却管道相连；

当三者共存时，非能动高位水箱注水冷却装置设置在安全壳内，非能动自然循环注水冷却装置固定连接设置在安全壳下部，能动注水冷却装置设置在安全壳内。在实施时可以同时采用其中的两种或者三种。

高位水箱和连通管道之间还设置有截止阀、冷却水收集池和连通管道之间还设置有单向流动结构、能动注水泵和水源之间还设置有断电关闭截止阀。

为进一步提升缓冲熔融物的能力，冷却板包括接触熔融物的热触层和接触冷却剂的冷接层组成，热触层和冷接层之间还设置有耐热的中间层，热触层的表面上沿长轴方向铺设有一层牺牲材料层，中间层起到耐高温及导热作用，冷接层起到传热作用。

牺牲材料层的材料组份包括MgAl₂O₄、Al₂O₃、Fe₃O₄。本发明中的冷却板，具有高潜热吸收能力、中子吸收能力提升、流动性提升等效果，可以快速降低高温熔融物温度、有效减少衰变余热以及提升熔融物扩展能力。

本发明的冷却板朝向冷却剂流道的表面即冷接层上设置的第一扰流凸起，可以进一步增大高温熔融物与冷却剂的换热面积，对高温熔融物进行更高效的冷却。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、冷却板采用多层复合结构，具有高潜热吸收能力、中子吸收能力提升、流动性提升等效果，可以快速降低高温熔融物温度、有效减少衰变余热以及提升熔融物扩展能力。

2、熔融物安全壳滞留系统熔融物安全壳内滞留装置设有熔融物延展空间，并对熔融物延展空间的内部结构进行针对性分区改进，能够有效增大第一冷却腔与高温熔融物的接触面积，提升高温熔融物的冷却效果，同时本发明在熔融物收集和延展的同时即可对熔融物进行冷却，缩短高温熔融物最终冷却时间。本发明的冷却板制备而成的第一容器与压力容器直筒段在设置时可以较好的贴合，配合缩短的高温熔融物最终冷却时间，可以提高对高温熔融物的收集比例，减少泄漏到安全壳地面标高上方空间的放射性气溶胶，降低放射性泄漏风险。本发明无需设置狭窄的熔融物引出通道，在下封头整体掉落的极限情况下，依然可以进行有效的熔融物收集、扩展和冷却。本发明兼顾了坩埚型和扩展型两个类型熔融物收集冷却系统的优点。

3、本发明熔融物安全壳内滞留系统的熔融物冷却部分采用第一冷却管道注入，相比池式或者空间式注入，注入速率快，在发生事故条件下，可以较为快速的冷却熔融物冷却板，防止在冷却剂液位还未淹没熔融物冷却板时，熔融物冷却板即发生热熔穿失效。本发明熔融物安全壳内滞留装置的第一冷却腔采用多角度布置的冷却口，可针对局部热量集中位置进行针对性布置，在熔融物冷却板的局部位置形成针对性的射流冷却。由于射流口冷却剂温度低、流速快而且扰动大，因此可以显著强化局部冷却能力，缓解对热聚焦效应。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明冷却板结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1.熔融物；2.压力容器；3.第一弯曲段缓冲区，4.第二弯曲段缓速区，5.装载区，6.第一容器；7.第一扰流凸起；8.第一冷却腔；13.第二容器；14.第一出口；15.第二出口；16.20.26连通管道；17.能动注水泵；18.断电关闭电动截止阀；19.能动取水管；21.第一冷却管道；22.单向流动结构；23.冷却水收集池；24.过滤器；25.第一浮球阀；27.电动截止阀；28.高位水箱；29.冷凝器；30.安全壳；31.支撑结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1、2所示，一种熔融物安全壳滞留系统，包括滞留部和用以冷却滞留部的冷却系统，冷却系统包括相连的冷却源装置和冷却水回路，冷却水回路和滞留部相连，滞留部包括套设在压力容器2外并向下延伸的熔融物延展腔，熔融物延展腔由冷却板制备而成的第一容器6包围在压力容器2外围合而成，熔融物延展腔沿熔融物1流向具有至少一个用于缓冲熔融物1流速的第一弯曲段缓冲区3、至少一个用于延长流道且缩小流道的第二弯曲段缓速区4和一位于熔融物延展腔底部的装载区5，第一弯曲段缓冲区3和第二弯曲段缓速区4二者弯度朝向为反向设置；

套设在熔融物延展腔外的第一冷却腔8，由冷却板制备而成的第二容器13沿着第一容器6外周保持适当的间隙绕行围合围成；

冷却源装置通过冷却水回路和第一冷却腔8相连用于将冷却剂注入至第一冷却腔8内。

本发明通过将滞留部设置成第一弯曲段缓冲区3、第二弯曲段缓速区4和装载区5，能够有效增大冷却板与高温熔融物1的接触面积，防止局部热量集中，提升高温熔融物1的冷却效果，并且本发明在熔融物1收集和延展的同时即可对熔融物1进行冷却，缩短高温熔融物1最终冷却时间，并能有效缓冲高温熔融物1掉落时对熔融物1收集器的冲击，有效防止高温熔融物1掉落造成的收集器损坏。具体的：能够有效增大第一冷却腔8与高温熔融物1的接触面积，提升高温熔融物1的冷却效果；在熔融物1收集和延展的同时即可对熔融物1进行冷却，缩短高温熔融物1最终冷却时间；反向设置的第二弯曲段缓冲区，一方面能够延展熔融物1的流道收集更多的熔融物1，并增大冷却面积，另一方面还能够防止熔融物1直接掉落至底部装载区5；装载区5用于掉落熔融物1，及中途没被冷却的熔融物1的最终收集以及冷却。在实施时，由水平设置和竖直设置的多个支撑结构31对熔融物延展腔进行支撑稳固。本发明中当第二弯曲段缓速区4为2个以上时，相邻第二弯曲段缓速区4之间的弯曲方向相反设置。

本发明的第一容器6与压力容器2直筒段可以较好的贴合，配合缩短的高温熔融物1最终冷却所需的时间，能够快速降低熔融物1温度，有效减少衰变余热以及提升熔融物1扩展能力，熔融物1冷却快，泄漏少，因此能够提高对高温熔融物1的收集比例，减少泄漏到安全壳30地面标高上方空间的放射性气溶胶，降低放射性泄漏风险。本发明无需设置狭窄的熔融物1引出通道，在下封头整体掉落的极限情况下，依然可以进行有效的熔融物1收集、扩展和冷却。

为进行缓冲处理防止熔融物1将第一容器6击穿，第一容器6的底部为球面型。

为提高冷却速度，并解决局部热量集中的问题，冷却系统包括冷却源装置、用于连接冷却源装置和第一冷却腔8的第一冷却管道21、、与第一冷却腔8连通的具有容纳腔的安全壳30；

第一冷却腔8上开设有第一出口14和至少一个第二出口15，第一出口14为第一冷却腔8底部最低处开设的竖直出口，第二个出口为第一冷却腔8底部沿倾斜方向开设的倾斜出口，第一出口14和至少一个第二出口15均和第一冷却管道21相连；

安全壳30的上部设置有冷凝器29，安全壳30和第一冷却腔8的连接处设置有第一浮球阀25。本发明中设置第一冷却管道21引入冷却剂，相比池式或者空间式注入方式，管道注入的速率更快，在发生事故条件下，可快速通过第一冷却管道21注入第一冷却腔8中。根据现有的在建在役电厂的情况，多数条件下，熔池对冷却板的传热，会导致热量出现局部峰值的现象。因此，一般推荐进行竖直的第一出口14和倾斜的第二出口15的组合设置，第二出口15在第一冷却管道21上的开口为圆管开口，在第一冷却腔8上的开口为环形开口，中间采用平滑过渡结构，第二出口15的流通横截面积为第一出口14流通横截面积的1.0倍～2.5倍。

冷却源装置包括：

能动注水冷却装置，包括能动注水泵17，能动注水泵17通过连通管道16和第一冷却管道21相连；

和/或高位水箱28注水冷却装置，包括高位水箱28，高位水箱28通过连通管道26和第一冷却管道21相连；

和/或非能动自然循环注水冷却装置，包括冷却水收集池23，冷却水收集池23通过连通管道20和第一冷却管道21相连；

当三者共存时，高位水箱28注水冷却装置设置在安全壳30内，非能动自然循环注水冷却装置固定连接设置在安全壳30下部，能动注水冷却装置设置在安全壳内。在实施时可以同时采用其中的两种或者三种。

高位水箱28和连通管道26之间还设置有截止阀、冷却水收集池23和连通管道20之间还设置有单向流动结构22、能动注水泵17和水源之间还设置有断电关闭截止阀。本发明中单向流动结构22可以为单向阀。

如图2所示，为进一步提升缓冲熔融物1的能力，冷却板包括接触熔融物1的热触层和接触冷却剂的冷接层组成，热触层和冷接层之间还设置有耐热的中间层，热触层的表面上沿长轴方向铺设有一层牺牲材料层，中间层起到耐高温及导热作用，冷接层起到传热作用。中间层可以采用导热系数优良以及耐高温的钨板，钨板厚度10～50mm。冷却板的冷接层，即与冷却水相接触的表面，为导热系数良好的不锈钢或16MND5钢以降低成本，冷接层厚度20～100mm。

牺牲材料层的材料组份包括MgAl₂O₄、Al₂O₃、Fe₃O₄。本发明中的冷却板，具有高潜热吸收能力、中子吸收能力提升、流动性提升等效果，可以快速降低高温熔融物1温度、有效减少衰变余热以及提升熔融物1扩展能力。

本发明的冷却板朝向冷却剂流道的表面即冷接层上设置的第一扰流凸起7，可以进一步增大高温熔融物1与冷却剂的换热面积，对高温熔融物1进行更高效的冷却。

启动熔融物安全壳内滞留子系统的熔融物1冷却部分的条件下，首先启动能动注水冷却系统，此时断电关闭电动截止阀18处于全开状态，由能动取水管19从内置换料水箱或者消防水取水，能动注水泵17提供驱动压头，通过连通管道16将冷却水注入第一冷却管道21，经由第一出口14和至少第二出口15，注入第一冷却腔8，由于驱动压头存在，冷却水可以顶开第一浮球阀25，经由第一冷却腔8的顶部排放口排出到安全壳30，形成持续流动，对熔融物延展腔进行外部冷却。

如果丧失供电无法启动能动注水冷却系统的条件下，则启动高位水箱注水冷却系统。在丧失供电的条件下，电动截止阀27会自动打开。由于高位水箱28与第二冷却管道之间存在高度差，在重力作用下高位水箱28内的水会经由连通管道26，在此位置处的连通管道也叫高位水箱注水管、全开状态的电动截止阀27注入第一冷却管道21，经由第一出口14和至少第二出口15，注入第一冷却腔8，由于高度差导致的驱动压头存在，可以顶开第一浮球阀25，经由第一冷却腔8的顶部排放口排出到安全壳30，形成持续流动，对压力容器2下封头外表面进行外部冷却。

非能动自然循环冷却装置的实现为：高位水箱注水冷却系统运行过程中，高位水箱28的水对第一容器6进行外部冷却后，所产生的水和水蒸气通过第一冷却腔8的顶部排放口排出到安全壳30。排出的水蒸汽会被冷凝器29冷凝，冷凝水会重新落到安全壳30底部。冷凝水和从第一冷却腔8顶部排放口排出的水汇合后，经由过滤器24过滤后，流入冷却水收集池23，从冷却水收集池23底部通过连通管道20、单向流动结构22流入第一冷却管道21。

因此，当高位水箱注水冷却系统的冷却剂注入结束时，高位水箱注水冷却系统的冷却剂驱动压力会低于冷却水收集池23由高度形成的冷却剂驱动压力，此时第一冷却腔8、冷却水收集池23、连通管道20等已经充满了经热交换的水。此时，冷却水从冷却水收集池23底部通过连通管道20、单向流动结构22流入第一冷却管道21，经由第一出口14和至少第二出口15，注入第一冷却腔8，由于密度差导致的浮力存在，可以使得第一浮球阀25打开，第一冷却腔8内的水和水蒸气通过第一冷却腔8的顶部排放口排出到安全壳30，排出的水蒸汽会被冷凝器29冷凝，冷凝水会重新落到安全壳30底部。冷凝水和从第一冷却腔8的顶部排放口排出的水汇合后，经由过滤器24过滤后，流入冷却水收集池23，冷却水收集池23内的水依靠重力注入第一冷却管道21，形成长期自然循环。实现冷却板及压力容器2筒体的长期冷却，使熔融物1滞留于冷却板内，保持安全壳30的完整性。

在需要启动熔融物安全壳内滞留子系统时，由于冷却剂驱动压头不同，三个系统之间会实现自动切换。

三个系统之间具体切换方式如下：在能动注水冷却系统有效的条件下，首先启动能动注水冷却系统，由于能动注水冷却系统的冷却剂驱动压力最高，所以第一容器6的外部冷却由能动注水冷却系统实现，而且由于单向流动结构22和电动截止阀27的存在，能动注入的冷却剂不会直接流失到非能动高位水箱注水冷却系统的高位水箱28和非能动自然循环注水冷却系统的冷却水收集池23。

当能动注水冷却系统失效的条件下，即在丧失供电的条件下，电动截止阀27会自动打开。由于高位水箱28的冷却剂驱动压力高于冷却水收集池23的，因此，冷却板的外部冷却由高位水箱注水冷却系统实现。而且，由于单向流动结构22的存在，高位水箱28注入的冷却剂不会直接流失到非能动自然循环注水冷却系统的冷却水收集池23。由于断电关闭电动截止阀18会处于断电关闭状态，高位水箱28注入的冷却剂不会直接流失到能动注水冷却系统。

当能动注水冷却系统失效，且高位水箱注水冷却系统的冷却剂注入结束时，由于高度差，冷却水收集池23内收集的冷却剂会通过第一冷却管道21注入第一冷却腔8，并形成长期自然循环冷却。同样的，由于断电关闭电动截止阀18会处于断电关闭状态，自然循环冷却的冷却剂不会直接流失到能动注水冷却系统。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种熔融物安全壳滞留系统，包括滞留部和用以冷却滞留部的冷却系统，冷却系统包括相连的冷却源装置和冷却水回路，冷却水回路和滞留部相连，其特征在于，滞留部包括套设在压力容器（2）外并向下延伸的熔融物延展腔，熔融物延展腔由冷却板制备而成的第一容器（6）包围在压力容器（2）外围合而成，熔融物延展腔沿熔融物（1）流向具有至少一个用于缓冲熔融物（1）流速的第一弯曲段缓冲区（3）、至少一个用于延长流道且缩小流道的第二弯曲段缓速区（4）和一位于熔融物延展腔底部的装载区（5），第一弯曲段缓冲区（3）和第二弯曲段缓速区（4）二者弯度朝向为反向设置；

套设在熔融物延展腔外的第一冷却腔（8），由冷却板或者钢板制备而成的第二容器（13）沿着第一容器（6）外周保持适当的间隙绕行围合围成；

冷却源装置通过冷却水回路和第一冷却腔（8）相连用于将冷却剂注入至第一冷却腔（8）内；

冷却水回路包括用于连接冷却源装置和第一冷却腔（8）的第一冷却管道（21）和与第一冷却腔（8）连通的具有容纳腔的安全壳（30）；

第一冷却腔（8）上开设有第一出口（14）和至少一个第二出口（15），第一出口（14）为第一冷却腔（8）底部最低处开设的竖直出口，第二个出口为第一冷却腔（8）底部沿倾斜方向开设的倾斜出口，第一出口（14）和至少一个第二出口（15）均和第一冷却管道（21）相连；

安全壳（30）的上部设置有冷凝器（29），安全壳（30）和第一冷却腔（8）的连接处设置有第一浮球阀（25）。

2.根据权利要求1所述的熔融物安全壳滞留系统，其特征在于，第一容器（6）的底部为球面型。

3.根据权利要求1所述的熔融物安全壳滞留系统，其特征在于，冷却源装置包括：

能动注水冷却装置，包括能动注水泵（17），能动注水泵（17）通过连通管道（16）和第一冷却管道（21）相连；

和/或高位水箱（28）注水冷却装置，包括高位水箱（28），高位水箱（28）通过连通管道（26）和第一冷却管道（21）相连；

和/或非能动自然循环注水冷却装置，包括冷却水收集池（23），冷却水收集池（23）通过连通管道（20）和第一冷却管道（21）相连；

当三者共存时，高位水箱（28）注水冷却装置设置在安全壳（30）内，非能动自然循环注水冷却装置固定连接设置在安全壳（30）下部，能动注水冷却装置设置在安全壳（30）内。

4.根据权利要求3所述的熔融物安全壳滞留系统，其特征在于，高位水箱（28）和连通管道之间还设置有电动截止阀（27），冷却水收集池（23）和连通管道之间还设置有单向流动结构（22），能动注水泵（17）和水源之间还设置有断电关闭电动截止阀（18）。

5.根据权利要求1所述的熔融物安全壳滞留系统，其特征在于，冷却板包括接触熔融物（1）的热触层和接触冷却剂的冷接层组成，热触层和冷接层之间还设置有耐热的中间层，热触层的表面上沿长轴方向铺设有一层牺牲材料层，中间层起到耐高温及导热作用，冷接层起到传热作用。

6.根据权利要求5所述的熔融物安全壳滞留系统，其特征在于，牺牲材料层的材料组份包括MgAl₂O₄、Al₂O₃和Fe₃O₄。

7.根据权利要求5所述的熔融物安全壳滞留系统，其特征在于，冷接层上设置有第一扰流凸起（7）。

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