CN110875097B

CN110875097B - 熔融堆芯材料冷却装置

Info

Publication number: CN110875097B
Application number: CN201910481303.2A
Authority: CN
Inventors: 李诚宰; 朴炫植; 朴来俊; 崔基镕; 河光淳; 洪性琓
Original assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Current assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: JP2020038186A; CN110875097A; US10991469B2; KR102216695B1; FR3085532B1; KR20200027128A; JP6664021B2; US20200075183A1; FR3085532A1

Abstract

本发明提供了一种用于熔融堆芯材料的冷却装置，其包括：两个或更多个冷却材料容器，其布置在包括核反应堆堆芯的反应堆容器下方，并且在其中包括冷却材料；第一筛网，其布置在所述两个或多个冷却材料容器下方并且包括两个或更多个第一通孔；以及第二筛网，其布置在所述第一筛网下方并且包括两个或更多个第二通孔，其中，所述两个或更多个第一通孔的平均尺寸大于所述两个或更多个第二通孔的平均尺寸。

Description

熔融堆芯材料冷却装置

相关技术文献

专利文献

日本专利公开特开第2017-187370号

韩国专利第1,546,317号

发明内容

本发明的示例性实施例可以提供一种用于熔融堆芯材料的冷却装置，其具有在发生严重事故时稳定和有效地冷却熔融堆芯材料的优点。

此外，本发明的示例性实施例可以提供一种用于熔融堆芯材料的冷却装置，其具有提高熔融堆芯材料的冷却速度和冷却效率的优点。

此外，本发明的示例性实施例可以提供一种用于熔融堆芯材料的冷却装置，其具有防止熔融堆芯材料的聚集和广泛分散熔融堆芯材料的优点。

此外，本发明的示例性实施例可以提供一种用于熔融堆芯材料的冷却装置，其具有通过应用于现有核反应堆设备而实现成本节约和节省空间的优点。

本发明的示例性实施例提供了一种用于熔融堆芯材料的冷却装置，其包括：两个或更多个冷却材料容器，其布置在包括核反应堆芯的反应堆容器下方，并且在其中包括冷却材料；第一筛网，其布置在所述两个或更多个冷却材料容器下方并包括两个或更多个第一通孔；第二筛网，其布置在第一筛网下方并包括两个或更多个第二通孔，其中，所述两个或更多个第一通孔的平均尺寸大于所述两个或更多个第二通孔的平均尺寸。

附图说明

图1A是示意性地示出普通环形核反应堆系统的示意图。

图1B是示意性地示出普通的集成核反应堆系统的示意图。

图2A至图2C是示出核反应堆堆芯熔化事故的过程的示意图。

图3是示出根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置的横截面的示意图。

图4A和图4B是示出用于图3的熔融堆芯材料的冷却装置的操作方法的示意图。

图5是示出根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置的横截面示意图。

图6A和图6B是示出根据实施例的冷却材料容器的示例的示意图。

图7A和图7B是示出根据实施例的冷却材料容器和容器连接结构的示例的示意图。

图8A和图8B是示出根据实施例的第一筛网的示例的示意图。

图9是示出根据实施例的第一筛网、第二筛网和第三筛网的示例的示意图。

具体实施方式

将参照附图详细描述本发明的实施例，使得本发明所属领域的技术人员容易实施本发明。然而，本发明可以以各种不同的形式实施，并且不限于本文所述的实施例。为了清楚地解释本发明，在附图中省略了与描述无关的部分。在整个说明书中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。此外，将省略对公知技术的详细描述。

在以下附图中，为了清楚地表示几个层和区域，厚度被夸大了。应当理解，当诸如层、膜、区域或衬底等元件被称为“在”另一元件上时，它可能“直接在”另一元件上，或可能在其之间存在中间元件。同时，当元件被称为“直接在”另一个元件上时，不存在中间元件。相反，应当理解，当诸如层、膜、区域或衬底等元件被称为在另一元件“下方”时，其可能在另一元件的“直接下方”，或可能在其之间存在中间元件。同时，当元件被称为在另一元件的“直接下方”时，不存在中间元件。

在整个说明书中，除非有明确相反的描述，否则“包含”任何组件将被理解为包含其他元件，而不是排除任何其他元件。

根据实施例的用于熔融芯材的冷却装置是在核反应堆中核心熔化并且熔融的核心材料泄漏到核反应堆外部的严重事故发生的情况下，通过有效地分散和冷却熔融芯材来防止这种严重事故的发生的装置。

图1A是示意性地示出了普通环形核反应堆系统的示意图，并且图1B是示意性地示出了普通的集成核反应堆系统的示意图。

参考图1A和图1B，核反应堆系统10包括：含有堆芯112的反应堆容器110、稳压器22和32、蒸汽管23和33、蒸汽发生器24和34、给水管25和35、冷却材料循环泵26和36等。

将描述核反应堆系统10的示意性操作方法。首先，通过包括在反应堆容器110中的堆芯112的核燃料的核裂变产生大量的热能，并且将所产生的热能通过冷却材料(例如，水)传递到蒸汽发生器24和34，该冷却材料是一种热交换介质并由冷却材料循环泵26和36循环。随后，蒸汽发生器24和34中的水的物相发生变化，使得产生高温和高压蒸汽。涡轮机(未示出)被通过蒸汽管23和33供应到涡轮机(未示出)的所产生的高温和高压蒸汽旋转，并且连接到涡轮机(未示出)的发电机(未示出)一起旋转，使得可以产生电力。因涡轮机(未示出)的旋转损失能量的蒸汽经历物相变化以转换成水。水通过给水管25和35再次供应给蒸汽发生器24和34。稳压器22和32可以缓解系统压力。

在这样的核反应堆系统10中，当反应堆容器110损坏或冷却失败时，例如，未进行冷却材料的循环等，可能发生反应堆容器110由于堆芯112中产生的热量而熔化并损坏的严重事故。

图2A至图2C是示出核反应堆堆芯熔化事故的过程的示意图。

参考图2A至图2C，当容纳堆芯112的反应堆容器110损坏时，反应堆容器110中包含的冷却材料蒸发，并可能泄漏到损坏的部分。因此，在堆芯112中产生的过多热量未被冷却的情况下，使得堆芯112的温度超过熔点本身，随着堆芯112的继续熔化，可能产生熔融堆芯材料114。由于熔融堆芯材料114的温度非常高，因此反应堆容器110可能被熔化，并且熔融堆芯材料114可以穿透反应堆容器110的下部并从反应堆容器110流出。

这种事故对应于非常严重的事故。普通的核反应堆系统10设置有安全系统，通过该安全系统，堆芯112的反应被停止并且快速地补充冷却材料，从而在熔融堆芯材料114泄漏到反应堆容器110的外部之前降低堆芯112的温度，但在某些情况下可能难以防止熔融堆芯材料114的泄漏。在熔融堆芯材料114泄漏的情况下，重要的是尽可能快地冷却熔融堆芯材料114。

根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置是用于尽可能快地冷却熔融堆芯材料114的装置。

图3是示出根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置的横截面的示意图，并且图4A和图4B是示出用于图3熔融堆芯材料的冷却装置的操作方法的示意图。另外，图5是示出根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置的横截面的示意图。图6A和图6B是示出根据实施例的冷却材料容器的示例的示意图，图7A和7B是示出根据实施例的冷却材料容器和容器连接结构的示例的示意图，图8A和8B是示出根据实施例的第一筛网的示例的示意图，并且图9是示出根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置的第一筛网、第二筛网和第三筛网的示例的示意图。

用于熔融堆芯材料的冷却装置100包括：两个或更多个冷却材料容器120，所述冷却材料容器120被布置在反应器容器110下方并且在其中包括冷却材料，反应器容器110包括堆芯112；第一筛网130，其被布置在所述两个或更多个冷却材料容器120下方，并且包括两个或更多个第一通孔132；以及第二筛网140，其被布置在第一筛网130下方，并且包括两个或更多个第二通孔142。此外，用于熔融堆芯材料的冷却装置100包括第三筛网150，其被布置在筛网第二筛网140下方，并且包括两个或更多个第三通孔152。

为了方便说明，图3至图5示出用于熔融堆芯材料的冷却装置100包括三个筛网130、140和150的情况，但根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置100可以包括两个或四个或更多个筛网。

用于熔融堆芯材料的冷却装置100基本上被包含在熔融堆芯材料支撑结构160中。熔融堆芯材料支撑结构160被布置在冷却剂箱170中，冷却剂箱170包括冷却剂172，并且冷却剂172在必要时可以被引入熔融堆芯材料支撑结构160中。

冷却材料容器120包括外壁122和其中的冷却材料。冷却材料可以包括冷却流体124，例如水等(参见图6A)，并且可以包括硼126和不可冷凝气体128(参见图6B)。另外，尽管未示出，但冷却材料可以包括冷却流体124和不可冷凝气体128。

当熔融堆芯材料114泄漏到反应堆容器110的外部并与冷却材料容器120接触时，随着冷却材料的膨胀和爆裂，熔融堆芯材料114被压碎和分裂，使得形成熔融堆芯材料碎片116。

在冷却材料包括硼126和不可冷凝气体128的情况下，通过硼126防止包括核材料的熔融堆芯材料114的链式反应。通过不可冷凝气体128增加了爆裂力，使得熔化堆芯材料114可以被有效地压碎，并且熔融堆芯材料碎片116可以被广泛地分散。这里，不可冷凝气体128可以包括氮气(N2)或惰性气体，但不限于此。

即使在冷却材料包括冷却流体124和不可冷凝气体128的情况下，通过不可冷凝气体128增加爆裂力，使得熔融堆芯材料114可以被有效地压碎。

冷却材料容器120的外壁122可以包括金属材料、非金属材料等，并且可以具有在一范围内的各种厚度和强度，在该范围内的厚度和强度下，当冷却材料容器120内的冷却材料因热传递而膨胀时，冷却材料容器可以爆裂。

冷却材料容器120的横截面可以是椭圆形或多边形，并且可以具有各种尺寸。冷却材料容器120可以随机布置，并且可以按预先设计的形式布置。作为示例，冷却材料容器120可以是球形或立方体形，并且可以布置成具有至少两层的多层结构，但不限于此。

彼此相邻的冷却材料容器120可以通过容器连接结构129彼此连接。布置在同一层中并且彼此相邻的冷却材料容器120可以通过容器连接结构129彼此连接(参见图7A)。布置在不同层中并且彼此相邻的冷却材料容器120可以通过容器连接结构129彼此连接(参见图7B)。

熔融堆芯材料114的比重远大于冷却材料容器120的比重。因此，当熔融堆芯材料114泄漏到反应器容器110的外部并与冷却材料容器120接触时，冷却材料容器120可以突然浮起来(向上移动)。作为结果，泄漏的熔融堆芯材料114可以不被有效地压碎。

冷却材料容器120突然浮起来的现象可以通过容器连接结构129最小化。因此，可以有效地分裂泄漏的熔融堆芯材料114。

容器连接结构129可以包括例如与冷却材料容器120的外壁122相同的材料，但不限于此，并且可以包括各种材料。此外，容器连接结构129必要时可以具有各种长度、直径或厚度。

熔融堆芯材料碎片116可以广泛且均匀地分散在第一筛网130、第二筛网140、第三筛网150和熔融堆芯材料支撑结构160的下表面筛网筛网筛网上，并且可以被从冷却剂箱170引入的冷却剂172冷却。

熔融堆芯材料114可以由于其重量和粘度而聚集在一起。然而，在将根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置100应用于核反应堆系统的情况下，熔融堆芯材料114被冷却材料容器120和两个或更多个筛网130、140和150压碎，并且熔融堆芯材料碎片116被广泛分散，使得聚集现象可以最小化。另外，由于熔融堆芯材料114被压碎，因此其表面积增大。因此，可以提高熔融堆芯材料114的冷却速度和冷却效率。

为了更广泛地分散被冷却材料容器120分裂的熔融堆芯材料碎片116，可以将两个或更多个筛网130、140和150布置于冷却材料容器120之下。筛网130、140和150分别包括两个或更多个通孔132、142和152。通孔132、142和152可以被设计为使得每个通孔132、142和152的平均尺寸在从上到下的方向上变小。

作为示例，第一筛网130、第二筛网140和第三筛网150可以在从上到下的方向上相继地布置于冷却材料容器120之下。两个或更多个第一通孔132的平均尺寸可以大于两个或更多个第二通孔142的平均尺寸，并且两个或更多个第二通孔142的平均尺寸可以大于两个或更多个第三通孔152的平均尺寸。

在熔融堆芯材料碎片116的尺寸变得小于第一筛网130的第一通孔132的尺寸的情况下，熔融堆芯材料碎片116可以穿过第二筛网140。另外，在熔融堆芯材料碎片116的尺寸变得大于第二筛网140的第二通孔142的尺寸的情况下，熔融堆芯材料碎片116可以散布在第二筛网140上。另外，在熔融堆芯材料碎片116的尺寸变得小于第二筛网140的第二通孔142的尺寸的情况下，熔融堆芯材料碎片116可以穿过第二通孔142。类似地，熔化堆芯材料碎片116在穿过第二通孔142后可以穿过第三筛网150的第三通孔152或不可以穿过第三通孔152(参见图4A)。因此，散布于第一筛网130上的熔融堆芯材料碎片116的平均尺寸可以大于散布在第二筛网140上的熔融堆芯材料碎片116的平均尺寸。散布在第二筛网140上的熔融堆芯材料碎片116的平均尺寸可以大于散布在第三筛网150上的熔融堆芯材料碎片116的平均尺寸。

综上所述，被冷却材料容器120的爆裂压碎的熔融堆芯材料碎片116可以散布在第一筛网130上，可以散布在第二筛网140上，可以散布在第三筛网150上，并且可以散布在熔融堆芯材料支撑结构160的内表面上。因此，熔融堆芯材料114被分裂成熔融堆芯材料碎片116。熔融堆芯材料碎片116可以被第一筛网130、第二筛网140和第三筛网150广泛地分散。因此，因为当通过冷却剂引入通道162将冷却剂172供应到熔融堆芯材料支撑结构160时，熔融堆芯材料碎片116和冷却剂172之间的接触面积变大，所以熔融堆芯材料114的冷却速度和冷却效率可以进一步增加。

第一通孔132的最大尺寸可以小于冷却材料容器120的最小尺寸。因此，冷却材料容器120可以稳定地散布在第一筛网上。例如，第一通孔132的最大尺寸可以大约小于10cm。

两个或更多个第一通孔132可以具有相同的尺寸，两个或更多个第二通孔142可以具有相同的尺寸，并且两个或更多个第三通孔152可以具有相同的尺寸(参见图8A)。

第一通孔132、第二通孔142和第三通孔152可以具有各种尺寸。

作为示例，两个或更多个第一通孔132中的任何两个第一通孔132可以具有不同的尺寸，两个或更多个第二通孔142中的任何两个第二通孔142可以具有不同的尺寸，并且两个或更多个第三通孔152中的任何两个第三通孔152可以具有不同的尺寸。

作为另一示例，第一通孔132的尺寸可以从第一筛网130的中心向第一筛网130的外部增大(参见图8B)，第二通孔142的尺寸可以从第二筛网140的中心向第二筛网140的外部增大，并且第三通孔152的尺寸可以从第三筛网150的中心向第三筛网150的外部增大。在图8中，为了便于描述，仅示出了第一筛网130，但是第二通孔142和第三通孔152可以具有各种尺寸。

作为示例，当熔融堆芯材料114被冷却材料容器120的膨胀和爆裂压碎时，由于惯性质量的作用使得更大质量的大颗粒倾向于移动更长的距离，因此筛网130、140和150的通孔132、142和152的尺寸可以分别从筛网130、140和150的中心向筛网130、140和150的外部逐渐增大。因此，熔融堆芯材料碎片116可以广泛且均匀地分散。

第一通孔132、第二通孔142和第三通孔152可以具有各种形状的横截面。例如，第一通孔132的横截面、第二通孔142的横截面和第三通孔152的横截面可以分别设计成多边形或椭圆形。

根据实施例的用于熔融堆芯材料的冷却装置100的第一筛网130、第二筛网140和第三筛网150中的每一个可以平行于水平面，或第一筛网130、第二筛网140和第三筛网150中的至少一部分相对于水平面具有倾斜的形状。图3至图4B示出了用于熔融堆芯材料的冷却装置100具有平行于水平面的筛网130、140和150的情况。图5示出用于熔融堆芯材料的冷却装置100的筛网130、140和150均具有倾斜形状(山形)的情况。然而，用于熔融堆芯材料的冷却装置100不限于图示形状，并且只要它能够适当地分散熔融堆芯材料114，就可以具有任何形状。这里，水平面是指与图3和图5的第一方向平行的平面。

图5中示出了所有第一筛网130、第二筛网140和第三筛网150具有相同倾斜的情况。然而，第一筛网130平行于水平面，并且第二筛网140和第三筛网150相对于水平面倾斜的情况是可行的，并且筛网130、140和150中的仅一些相对于水平面倾斜的情况是可行的。

第一筛网130的总尺寸或面积、第二筛网140的总尺寸或面积以及第三筛网150的总尺寸或面积可以彼此不同。

作为示例，第二筛网140的朝向反应堆容器110的筛网横截面(垂直于图3和图5的第二方向的横截面)的面积可以大于第一筛网130的朝向反应堆容器110的筛网横截面(垂直于图3和图5的第二方向的横截面)的面积。第三筛网150的朝向反应堆容器110的筛网横截面(垂直于图3和图5的第二方向的横截面)的面积可以大于第二筛网140的朝向反应堆容器110的筛网横截面(垂直于图3和图5的第二方向的横截面)的面积。

这种情况下，由于筛网130、140和150按尺寸或面积的升序顺序布置，使得当熔融堆芯材料碎片116向下移动时，熔融堆芯材料碎片116可以更稳定地分散。

参考图9，第一筛网130还可以包括布置于其至少一侧的第一侧表面筛网134和第一侧表面通孔136。另外，第二筛网140还可以包括布置于其至少一侧的第二侧表面筛网144以及第二侧表面通孔146。此外，第三筛网150还可以包括布置于其至少一侧的第三侧表面筛网154以及第三侧表面通孔156。

作为示例，第一侧表面筛网134可以布置在第一筛网130的所有边缘部分，第二侧表面筛网144可以布置在第二筛网140的所有边缘部分，第三侧表面筛网154可以布置在第三筛网154的所有边缘部分。这种情况下，第一筛网130、第二筛网140和第三筛网150可以具有通常的篮子形状。

在存在侧表面筛网134、144和154的情况下，熔融堆芯材料碎片116可以散布于侧表面筛网134、144及154上，因此熔融堆芯材料碎片116可以更广泛地分散，并且熔融堆芯材料碎片116与冷却剂172之间的接触面积可以更加扩大。作为结果，可以更多地提高熔融堆芯材料114的冷却速度和冷却效率。

即使在如图9中所示存在侧表面筛网134、144和154的情况下，第二筛网140的总尺寸可以大于第一筛网130的总尺寸，第三筛网150的总尺寸可以大于第二筛网140的总尺寸。

第一筛网130、第二筛网140和第三筛网150可以包括熔化温度高于约2000℃的金属或合金材料，2000℃是堆芯112的熔化温度。作为示例，第一筛网130，第二筛网140和第三筛网150可以包括钨基材料。

根据实施例的用于熔融堆芯材料的包括冷却材料容器120和两个或更多个筛网130、140和150的冷却装置100可以按此应用于现有的核反应堆设施。因此，可以在不需要额外空间安全的情况下实现成本节约和空间节约，并通过简单地将该用于熔融堆芯材料的冷却装置应用于现有的核反应堆设施来为熔融堆芯材料泄漏的严重事故做好准备。

虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，其目的在于涵盖在所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

附图标记说明

10:核反应堆系统 22、32:稳压器

23、33:蒸汽管 24、34:蒸汽发生器

25、35:给水管

26、36:冷却材料循环泵

110:反应堆容器 112:堆芯

114:熔融堆芯材料 120:冷却材料容器

122:外壁 124:冷却流体

126:硼 128:不可冷凝气体

130:第一筛网 132:第一通孔

140:第二筛网 142:第二通孔

150:第三筛网 152:第三通孔

160:熔融堆芯材料支撑结构

162:冷却剂引入通道

170:冷却剂箱 172:冷却剂

Claims

1.一种用于熔融堆芯材料的冷却装置，包括：

两个或更多个冷却材料容器，其布置在包括核反应堆堆芯的反应堆容器下方，并且在其中包括冷却材料；

第一筛网，其布置在所述两个或更多个冷却材料容器下方并且包括两个或更多个第一通孔；

第二筛网，其布置在所述第一筛网下方并且包括两个或更多个第二通孔；以及

第三筛网，其布置在所述第二筛网下方，并且包括两个或更多个第三通孔，

其中，所述两个或更多个第一通孔的平均尺寸大于所述两个或更多个第二通孔的平均尺寸，

所述两个或更多个第二通孔的平均尺寸大于所述两个或更多个第三通孔的平均尺寸，并且

所述两个或更多个第一通孔中的任意两个第一通孔具有不同的尺寸，所述两个或更多个第二通孔中的任意两个第二通孔具有不同的尺寸，或所述两个或更多个第三通孔中的任意两个第三通孔具有不同的尺寸。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述第一通孔的尺寸从第一筛网的中心向第一筛网的外部增大，所述第二通孔的尺寸从第二筛网的中心向第二筛网的外部增大，或者所述第三通孔的尺寸从第三筛网的中心向第三筛网的外部增大。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述第一通孔的最大尺寸小于所述冷却材料容器的最小尺寸。

4.根据权利要求3所述的冷却装置，其中，

所述第一通孔的最大尺寸小于10cm。

5.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述第一通孔的横截面、所述第二通孔的横截面、所述第三通孔的横截面均具有多边形或椭圆形的形状。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述第二筛网的朝向所述反应堆容器的横截面的面积大于所述第一筛网的朝向所述反应堆容器的横截面的面积，并且所述第三筛网的朝向所述反应堆容器的横截面的面积大于所述第二筛网的朝向所述反应堆容器的横截面的面积。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述第一筛网、所述第二筛网和所述第三筛网中的每一个与水平面平行，或者所述第一筛网、所述第二筛网和所述第三筛网中的至少一些筛网相对于水平面倾斜。

8.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，

所述第一筛网还包括布置在其至少一侧的第一侧表面筛网和布置在第一侧表面筛网中的第一侧表面通孔，

所述第二筛网还包括布置在其至少一侧的第二侧表面筛网和布置在第二侧表面筛网中的第二侧表面通孔，并且

所述第三筛网还包括布置在其至少一侧的第三侧表面筛网和布置在第三侧表面筛网中的第三侧表面通孔。

9.根据权利要求1所述的冷却装置，还包括：

连接彼此相邻的所述两个或更多个冷却材料容器的容器连接结构。

10.根据权利要求1所述的冷却装置，还包括：

熔融堆芯材料支撑结构，其布置于所述第三筛网下方并且包括两个或更多个冷却剂引入通道，冷却剂从冷却剂箱引入所述冷却剂引入通道。