CN110459333B - 一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置 - Google Patents

一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置。所述的捕集装置包括反应堆压力容器、内坩埚、外坩埚、冷却流道、堆坑、堆坑腔体、冷却管、冷却管入水口，内坩埚设置在反应堆压力容器的正下方，其固定在其外部的并位于反应堆压力容器下方的外坩埚内，且内坩埚与外坩埚之间形成供冷却水流动的冷却流道，外坩埚安装在堆坑内部形成的堆坑腔体中；内坩埚内部设置有多根冷却管，每根冷却管通过其底部的冷却管入水口与冷却流道连通，部分冷却管的侧壁上开有小孔且外部覆有5‑30mm厚的牺牲混凝土保护层。利用本发明的捕集装置，可显著提高堆芯捕集器对堆芯熔融物的滞留成功率和冷却效率。

Description

一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置
技术领域
本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置。
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，堆芯熔融物落入反应堆压力容器(RPV)下腔室，继而造成反应堆压力容器下封头失效，如果不能采取有效措施对其冷却，堆芯熔融物有可能将压力容器熔穿。压力容器熔穿后，堆芯熔融物直接喷射到安全壳筏基上与结构混凝土相互作用(MCCI)，一定时间内以较快的速度逐渐向下侵蚀安全壳的筏基，若筏基厚度不足，则底板可能被熔穿，并导致安全壳的完整性破坏。随后放射性物质将直接进入土壤，对环境造成严重影响。
为了避免堆芯熔融物导致的大规模放射性物质释放，堆芯捕集器的相关设计逐渐产生。目前针对严重事故下，堆芯熔融物的冷却与收集策略主要可分为两种：一种是反应堆压力容器内熔融物的冷却与保持(IVR)，其在美国的AP1000机型设计中采用；另一种是反应堆压力容器外熔融物冷却与收集(EVR)，其在俄罗斯的WWER1000机型和法国的EPR机型中采用。
WWER1000机型采用“坩埚”式堆芯捕集器，它是位于反应堆压力容器下部的一个独立的容器结构，主要由下底板、牺牲材料和扇形热交换器组成。EPR机型采用“铺展”式堆芯捕集器，严重事故情况下，堆芯形成可流动液态熔融物，直接流入反应堆堆坑中，在高温作用下堆芯熔融物与堆坑牺牲性混凝土发生反应，逐渐消融牺牲混凝土，以达到初步冷却、收集熔融物的功能。
关于堆芯捕集器的研究，国外起步较早，产生相关专利较多，如US4113560(美国麻省理工大学，1978年，Core catcher for nuclear reactor core meltdown containment)可视为EVR的设计雏形；US4280872(法国原子能机构，1981年，Core catcher device)将EVR技术提升到了工程应用的水平；US4342621(1982年，Molten core catcher andcontainment heat removal system)提出将热管技术用于EVR；US4412969(美国能源部，1983年，Combination pipe rupture mitigator and in-vessel core catcher)首次提出了IVR的概念；以及US4442065(Retrofittable nuclear reactor core catcher)、US5263066(Nuclear reactor equipped with a core catcher)、US 5343506(Nuclearreactor installation with a core catcher device and method for exteriorcooling of the latter by natural circulation)、US6353651(Core catcher coolingby heat pipe)、US7558360(Core catcher Cooling)、US8358732(Core catcher，manufacturing method thereof，reactor containment vessel and manufacturingmethod thereof)等。
中国对堆芯捕集器的研究在从俄罗斯引进WWER核电系统之后逐渐增多，在引进美国AP1000核电技术之后形成了一系列专利。在中国申请的与堆芯捕集器相关的专利如CN200410031091.1(俄罗斯，损坏的LWR核反应堆的衬层定位和冷却系统)为WWER的EVR方案；CN201010529073.1(中核工业二十三建设有限公司，2010年，一种核电站堆芯捕集器的安装方法)为中核工业二十三建设有限公司在WWER施工过程中形成的专利技术；CN201080068588.4(韩国水力原子力株式会社，2010年，具有集成冷却流道的堆芯捕集器)主旨在于对堆芯熔融物覆盖底板的冷却；CN201310005308.0(上海核工程研究设计院，底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器)为在AP1000引进消化吸收及CAP1400设计过程中逐渐形成的EVR技术；以及CN201310005342.8(一种大型非能动压水堆核电厂坩埚型堆芯摧集器)、CN201310005579.6(有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器)、CN201310264749.2(大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结合的装置)、CN201320007203.4(有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器)、CN201320007218.0(一种大型非能动压水堆核电厂堪竭型堆芯捕集器)、CN201320007347.X(大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结合的装置)、CN201320007522(底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器)。
上述所有堆芯捕集器相关专利均未考虑采用双层坩埚的手段实现堆芯熔融物的滞留，也未考虑同时通过内部冷却管的设计对堆芯熔融物内部进行冷却，从而提高堆芯捕集器的滞留成功率和冷却效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，以能够在反应堆严重事故工况下，藉由双层坩埚的手段实现堆芯熔融物的更好滞留，同时通过内部冷却管的设计更好的对堆芯熔融物内部进行冷却，从而提高堆芯捕集器对堆芯熔融物的滞留成功率和冷却效率。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，所述的捕集装置包括反应堆压力容器、内坩埚、外坩埚、冷却流道、堆坑、堆坑腔体、冷却管、冷却管入水口，
所述的内坩埚设置在所述的反应堆压力容器的正下方，其固定在其外部的并位于所述的反应堆压力容器下方的所述的外坩埚内，且所述的内坩埚与所述的外坩埚之间形成供冷却水流动的所述的冷却流道，所述的外坩埚安装在所述的堆坑内部形成的所述的堆坑腔体中；
所述的内坩埚内部设置有多根所述的冷却管，每根所述的冷却管通过其底部的所述的冷却管入水口与所述的冷却流道连通，部分所述的冷却管的侧壁上开有小孔且外部覆有5-30mm厚的牺牲混凝土保护层。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中：
所述的内坩埚底部呈倒圆锥形，倾角为5°-30°；
所述的内坩埚内部沿径向直径1-3.5m之外的边缘区域设置有垂直排列的多根所述的冷却管。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中：
所述的外坩埚侧壁为水冷壁结构；
所述的外坩埚底部呈倒圆锥形，倾角为5°-30°。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中每根所述的冷却管的直径为50-150mm。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括包覆在所述的外坩埚内表面的耐热保护层，以及位于所述的耐热保护层与所述的内坩埚底部之间的支撑底座，所述的内坩埚通过所述的支撑底座和所述的耐热保护层固定在所述的外坩埚上。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中所述的耐热保护层的材质为高温陶瓷(例如氧化铝)或硅化物，厚度为50-300mm。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括布置于所述的内坩埚内部的牺牲材料和含有中子吸收材料的特种不锈钢搭建的支撑结构架，
所述的牺牲材料为由包括不锈钢、氧化铁、氧化铝、硼砂在内的多种成分制成的多个标准模块，每个所述的标准模块压制成砖块形式，安装在所述的内坩埚内的不锈钢支撑结构架上，所述的牺牲材料堆叠后的最终形状为在所述的内坩埚内中间低边缘高。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括位于所述的反应堆压力容器外侧，所述的内坩埚上方的耐高温引流保护层及特种混凝土，
所述的耐高温引流保护层的厚度为10-20cm，其侧面紧贴所述的堆坑内壁面布置，且其侧面与底面的倾斜连接壁面与底面的夹角为100°-160°；
所述的耐高温引流保护层的主体结构材料为耐高温材料(例如氧化锆砖)，其内部为多孔结构，所述的耐高温引流保护层的侧面下部、倾斜连接壁面、底面的内部覆盖有所述的特种混凝土(例如赤铁矿混凝土)。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括易熔金属栅格板，其安装在所述的耐高温引流保护层的底部水平部分的中间，材质为低熔点金属，形状为圆形，流通截面的直径为0.5-1.5m，固定方式为插入所述的耐高温引流保护层。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其中所述的堆坑在靠近其底部的侧壁上开有冷却水注入口，用于与安全壳内换料水箱或其他专用安全水源连接，以通过重力的非能动方式或冷却泵的能动方式向所述的堆坑腔体内注入冷却水。
本发明的有益效果在于，利用本发明的带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，能够在反应堆严重事故工况下，藉由双层坩埚的手段实现堆芯熔融物的更好滞留，同时通过内部冷却管的设计更好的对堆芯熔融物内部进行冷却，从而提高堆芯捕集器对堆芯熔融物的滞留成功率和冷却效率。
本发明的有益效果具体体现在：
(1)内部冷却管使堆芯熔融物与冷却水之间的换热面积增大，有利于提高堆芯熔融物衰变热导出功率，提高堆芯熔融物的冷却效率；
(2)内外双层坩埚有效地提高了系统的可靠性，可有效应对各种反应堆严重事故工况；
(3)外层坩埚采用水冷壁形式，大幅提高了坩埚与冷却水的接触面积，从而提升了系统的换热能力；
(4)部分内部冷却管采用侧壁开通冷却剂渗出孔的设计，使得冷却水可以直接进入高温熔融物内部，从而使得熔融物凝固后可以形成更为有利于冷却的多孔结构的形式，进而获得更强的整体冷却效率。
附图说明
图1为示例性的本发明的带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置的组成结构图。
图2为示例性的本发明的带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置中带孔冷却管的装配结构图。
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。
示例性的本发明的带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置的组成结构如图1所示，包括反应堆压力容器1、耐高温引流保护层2、事故后堆芯熔融物从压力容器向外喷出的路径3、特种混凝土4、内坩埚5、外坩埚6、冷却管7、冷却管入水口8、支撑底座9、冷却流道10、堆坑腔体11、堆坑12、冷却水注入口13、牺牲材料堆叠体14、易熔金属栅格板15。
内坩埚5设置在反应堆压力容器1的正下方，其固定在其外部的并位于反应堆压力容器1下方的外坩埚6内，且内坩埚5与外坩埚6之间形成供冷却水流动的冷却流道10，外坩埚6安装在堆坑12内部形成的堆坑腔体11中。
内坩埚5内部沿径向直径1-3.5m之外的边缘区域设置有多根成若干层阵列排列的垂直的冷却管7(图1中为3列)，每根冷却管7直径为50-150mm。每根冷却管7通过其底部的冷却管入水口8与冷却流道10连通。部分冷却管7的侧壁上开有小孔17且外部覆有5-30mm厚的牺牲混凝土保护层18。内坩埚5底部呈倒圆锥形，倾角为5°-30°。
牺牲材料堆叠体14为由包括不锈钢、氧化铁、氧化铝、硼砂在内的多种成分制成的多个标准模块，每个所述的标准模块压制成砖块形式，安装在内坩埚5内的不锈钢支撑结构架上。牺牲材料堆叠体14堆叠后的最终形状为在内坩埚5内中间低边缘高。
耐高温引流保护层2位于反应堆压力容器1外侧，内坩埚5上方，其厚度为10-20cm，其侧面紧贴堆坑12内壁面布置，且其侧面与底面的倾斜连接壁面与底面的夹角为100°-160°。耐高温引流保护层2的主体结构材料为耐高温材料(例如氧化锆砖)，其内部为多孔结构。耐高温引流保护层2的侧面下部、倾斜连接壁面、底面的内部覆盖有特种混凝土4(例如赤铁矿混凝土)。反应堆压力容器1与耐高温引流保护层2之间形成事故后堆芯熔融物从压力容器向外喷出的路径3。
易熔金属栅格板15安装在耐高温引流保护层2的底部中间，材质为低熔点金属，形状为圆形，流通截面的直径为0.5-1.5m，固定方式为插入耐高温引流保护层2。
外坩埚6侧壁为水冷壁结构，底部呈倒圆锥形，倾角为5°-30°。耐热保护层包覆在外坩埚6的内表面，其材质为高温陶瓷(例如氧化铝)或硅化物，厚度为50-300mm。支撑底座9位于耐热保护层与内坩埚5底部之间。内坩埚5通过支撑底座9和耐热保护层固定在外坩埚6上。
堆坑12在靠近其底部的侧壁上开有冷却水注入口13，用于与安全壳内换料水箱或其他专用安全水源连接，以通过重力的非能动方式或冷却泵的能动方式向堆坑腔体11内注入冷却水。
上述示例性的本发明的带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置对堆芯熔融物的捕集原理如下所述。
反应堆发生严重事故时，堆芯熔融物从反应堆压力容器1下封头释放，受耐高温引流保护层2限制，与特种混凝土4作用后，熔穿易熔金属栅格板15，进入内坩埚5。
进入内坩埚5的堆芯熔融物与牺牲材料堆叠体14相互作用，堆芯熔融物中的金属被牺牲材料堆叠体14中的氧化铁、氧化铝氧化，同时大量的显热通过牺牲材料的熔化过程吸收(熔融物初步降温)。此时，冷却水经由冷却水注入口13进入堆坑腔体11，水位仅至内坩埚5的上部，不进入内坩埚5内部。注入的冷却水同时会经由冷却管入水口8进入每根冷却管7，对堆芯熔融物内部进行冷却。部分流入带有小孔17的冷却管7(图2)的冷却水会通过金属壁面16的小孔17注入堆芯熔融物内部，从而对堆芯熔融物内部进行冷却，并因蒸汽在熔融物内部的穿行而使得堆芯熔融物凝固后成为多孔结构的形式；同时这种带有小孔17的冷却管7的外部还包覆了一层牺牲混凝土保护层18，可以保证高温的堆芯熔融物不会直接接触冷却管7的金属壁面16，从而防止管壁发生烧蚀、腐蚀等损伤。待堆芯熔融物全部落入内坩埚5后，由冷却水注入口13注入的冷却水将从内坩埚5侧面溢出，对堆芯熔融物进行顶部淹没冷却。若堆芯熔融物成功滞留于内坩埚5，则严重事故到此终止。
若堆芯熔融物突破了内坩埚5，则将流至外坩埚6，并与其内壁的耐热保护层接触，冷却流道10内少量的水不会引起蒸汽爆炸。随着堆芯熔融物对外坩埚6内壁所覆耐热保护层的不断地熔蚀，最终将与外坩埚6接触。由于堆芯熔融物至此阶段已经被较长时间的持续冷却，温度较低，且外坩埚6换热面积远大于内坩埚5，堆芯熔融物将最终在外坩埚6中被冷却，滞留于外坩埚6内，至此严重事故终止。
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 (8)

1.一种带有内部冷却管的双层坩埚堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置包括反应堆压力容器、内坩埚、外坩埚、冷却流道、堆坑、堆坑腔体、冷却管、冷却管入水口，
所述的内坩埚设置在所述的反应堆压力容器的正下方，其固定在其外部的并位于所述的反应堆压力容器下方的所述的外坩埚内，且所述的内坩埚与所述的外坩埚之间形成供冷却水流动的所述的冷却流道，所述的外坩埚安装在所述的堆坑内部形成的所述的堆坑腔体中；
所述的内坩埚内部设置有多根所述的冷却管，每根所述的冷却管通过其底部的所述的冷却管入水口与所述的冷却流道连通，部分所述的冷却管的侧壁上开有小孔且外部覆有5-30mm厚的牺牲混凝土保护层，
所述的捕集装置还包括布置于所述的内坩埚内部的牺牲材料和含有中子吸收材料的特种不锈钢搭建的支撑结构架，
所述的牺牲材料为由包括不锈钢、氧化铁、氧化铝、硼砂在内的多种成分制成的多个标准模块，每个所述的标准模块压制成砖块形式，安装在所述的内坩埚内的不锈钢支撑结构架上，所述的牺牲材料堆叠后的最终形状为在所述的内坩埚内中间低边缘高，
所述的捕集装置还包括位于所述的反应堆压力容器外侧，所述的内坩埚上方的耐高温引流保护层及特种混凝土，
所述的耐高温引流保护层的厚度为10-20cm，其侧面紧贴所述的堆坑内壁面布置，且其侧面与底面的倾斜连接壁面与底面的夹角为100°-160°；
所述的耐高温引流保护层的主体结构材料为耐高温材料，其内部为多孔结构，所述的耐高温引流保护层的侧面下部、倾斜连接壁面、底面的内部覆盖有所述的特种混凝土。
2.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：
所述的内坩埚底部呈倒圆锥形，倾角为5°-30°；
所述的内坩埚内部沿径向直径1-3.5m之外的边缘区域设置有垂直排列的多根所述的冷却管。
3.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：
所述的外坩埚侧壁为水冷壁结构；
所述的外坩埚底部呈倒圆锥形，倾角为5°-30°。
4.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：每根所述的冷却管的直径为50-150mm。
5.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括包覆在所述的外坩埚内表面的耐热保护层，以及位于所述的耐热保护层与所述的内坩埚底部之间的支撑底座，所述的内坩埚通过所述的支撑底座和所述的耐热保护层固定在所述的外坩埚上。
6.根据权利要求5所述的捕集装置，其特征在于：所述的耐热保护层的材质为高温陶瓷或硅化物，厚度为50-300mm。
7.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括易熔金属栅格板，其安装在所述的耐高温引流保护层的底部水平部分的中间，材质为低熔点金属，形状为圆形，流通截面的直径为0.5-1.5m，固定方式为插入所述的耐高温引流保护层。
8.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的堆坑在靠近其底部的侧壁上开有冷却水注入口，用于与安全壳内换料水箱或其他专用安全水源连接，以通过重力的非能动方式或冷却泵的能动方式向所述的堆坑腔体内注入冷却水。
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