CN112700892A - 一种多重防御和冷却的堆芯捕集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多重防御和冷却的堆芯捕集器，包括熔融物转移系统、双层坩埚结构和冷却剂供应系统；所述熔融物转移系统设置在所述反应堆堆坑底部的竖井中，双层坩埚结构设置在熔融物转移系统下方；所述多层坩埚结构包括同心设置的内坩埚和外坩埚；内外坩埚之间形成冷却流道；所述冷却剂供应系统与所述冷却流道连接。本发明的有益效果是：本发明藉由双层坩埚的手段实现堆芯熔融物的更好滞留，同时通过冷却管束的设计更好的对堆芯熔融物内部进行冷却，从而提高在严重事故工况下，堆芯捕集器对堆芯熔融物的滞留成功率和冷却效率。
Description
技术领域
本发明属于核工业领域，具体涉及一种多重防御和冷却的堆芯捕集器。
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VVER1000机型和法国的EPR机型中采用。
VVER1000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。
现有的堆芯捕集器对于堆芯熔融物的滞留效果并不好，滞留成功率和冷却效率均有待提高。
有鉴于此，特提出本发明。
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多重防御和冷却的堆芯捕集器，该方案能够有效提高滞留成功率和冷却效率。
本发明的技术方案为：
一种多重防御和冷却的堆芯捕集器，包括熔融物转移系统、双层坩埚结构和冷却剂供应系统；所述熔融物转移系统设置在所述反应堆堆坑底部的竖井中，双层坩埚结构设置在熔融物转移系统下方；所述多层坩埚结构包括同心设置的内坩埚和外坩埚；内外坩埚之间形成冷却流道；所述冷却剂供应系统与所述冷却流道连接。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述内坩埚内部设置有冷却管束，在所述冷却管束的外部以及内坩埚内部设有牺牲材料；所述冷却管束上部敞口位于内坩埚上方的自由空间内，下部穿过所述内坩埚与所述冷却流道连通。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述冷却管束在预设区域内沿所述内坩埚的径向分层布置，不同层之间沿周向交错排列。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述冷却管束为光滑管道或沿管道周向和轴向不同位置开有出水孔的管道。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述冷却管束为夹层套管，所述夹层套管的外层和内层之间的夹层中设有耐火材料填充物。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述外层和内层的顶部和底部两端密封以保证夹层中的填充物处于干燥状态。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述内坩埚为桶状结构，底部呈倒锥形结构；内坩埚底部的焊缝区域设置有耐火材料。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述外坩埚为水冷壁结构，与冷却流道底部入口连通。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述外坩埚包括锥段和竖直段；竖直段的冷却管通过中部集水环将与注入管线连通；锥段包括锥段腔体、底部集水环、长肋片、短肋片和冷却流道入口；所述冷却流道入口设置在所述锥段腔体中心且贯穿所述锥段腔体以将锥段腔体与冷却流道连通；所述锥段腔体通过所述底部集水环连通所有竖直段冷却管；长肋片和短肋片均设置在锥段腔体中以实现导流。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述外坩埚内层设置有耐火材料。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述冷却流道上部敞口位于内坩埚上方的自由空间内。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述冷却剂供应系统包括各自设有注入阀门的高位水箱和低位水箱，两者共用下游的一段注入管线与所述冷却流道连接。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述高位水箱上部与内坩埚上方的自由空间通过止回阀和相应管线连通。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述冷却剂供应系统为多套冗余设置。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述堆坑设置有排气口；换热形成的蒸汽通过排气口离开堆坑，经安全壳的冷凝系统和回收系统返回至高位水箱。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，
低位水箱的注入阀开启条件为：堆芯发生大面积熔化或全场失电后；
高位水箱的注入阀开启条件为：自监测到反应堆压力容器失效，或者堆芯熔融物进入内坩埚起算的预设时间后，或者牺牲材料内埋的设备熔毁，或者布置在内坩埚壁面预设高度的设备熔毁；
止回阀的开启条件为：内坩埚上部自由空间与高位水箱形成连通器。
进一步地，上述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，所述的熔融物转移系统包括耐火材料、熔融物转移通道和熔塞；耐火材料铺设在堆坑内壁面，熔融物转移通道设置在堆坑下部，熔塞布置在熔融物转移通道里。
本发明的有益效果是：
(1)本发明藉由双层坩埚的手段实现堆芯熔融物的更好滞留，同时通过冷却管束的设计更好的对堆芯熔融物内部进行冷却，从而提高在严重事故工况下，堆芯捕集器对堆芯熔融物的滞留成功率和冷却效率。
(2)冷却管束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；
(3)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；
(4)外层坩埚采用水冷壁形式，大幅提高了坩埚与堆芯熔融物的接触面积，从而提升了系统的换热能力；
(5)通过外层坩埚的水冷壁、外部冷却剂供应系统的高位水箱和低位水箱，与冷却流道、内部冷却管束之间构成不同的连接关系，在该方案实施的不同阶段提供不同形式的、可耦合作用的自然循环换热机制，大幅提高了对堆芯熔融物的换热能力和换热的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种多重防御和冷却的堆芯捕集器的结构示意图。
图2为外坩埚的长短肋片的布置结构图。
图3为外坩埚的剖面结构示意图。
图4为本发明一个实施例中的夹层套管的结构示意图。
上述附图中：1、堆芯；2、反应堆压力容器；3、堆坑；4、耐火材料；5、熔塞；6、熔融物转移通道；7、内坩埚；8、冷却管束；9、牺牲材料；10、外坩埚；11、耐火材料；12、冷却流道；13、耐火材料；14、高位水箱；15、低位水箱；16、注入管线；17、注入阀；18、注入阀；19、止回阀；21、排气口；22、短肋片；23、长肋片；24、冷却流道入口；25、中部集水环；26、底部集水环；27、外层；28、内层；29、夹层。
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。
如图1所示，本发明公开了一种多重防御和冷却的堆芯捕集器，包括熔融物转移系统、双层坩埚结构和冷却剂供应系统；所述熔融物转移系统设置在所述反应堆堆坑3底部的竖井中，双层坩埚结构设置在熔融物转移系统下方；所述多层坩埚结构包括同心设置的内坩埚7和外坩埚10；内外坩埚之间形成冷却流道；所述冷却剂供应系统与所述冷却流道连接。
所述内坩埚7设置在所述的熔融物转移系统的正下方，为不锈钢或碳钢制桶状结构，底部呈倒锥形结构，倾角为8-20°；内坩埚7底部的焊缝区域(如直段-锥段交接位置和冷却管束8贯穿位置)设置有50-150mm厚的耐火材料13(材料可选Al2O3、MgO、ZrO2等)。
所述内坩埚7内部设置有冷却管束8，在所述冷却管束8的外部以及内坩埚7内部设有牺牲材料(材料可选Al2O3、Fe2O3、SiO2等)，内径处于3-6m范围、壁厚处于30-150mm范围、直段高度处于2-4.5m范围；所述冷却管束8上部敞口位于内坩埚7上方的自由空间内，下部穿过所述内坩埚7与所述冷却流道12连通。本发明的一个是实施例中，冷却管束8的管子内径处于30-100mm范围、壁厚处于5-20mm范围、长度处于2-4m范围。
所述冷却管束8在预设区域内沿所述内坩埚7的径向分层布置，不同层之间沿周向交错排列。所述的预设区域为靠近内坩埚7壁面的区域，本实施例中为内坩埚7中心区域(直径2-3m)之外的区域。
所述冷却管束8为光滑管道或沿管道周向和轴向不同位置开有出水孔的管道。采用具有出水孔的管道时，开孔直径处于2-5mm范围、开孔中心间隔处于50-100mm范围。
作为优选实施例，所述冷却管束8为夹层套管。如图4所示，所述夹层套管的外层27和内层28为不锈钢或碳钢材质，壁厚处于3-10mm范围，二者之间的夹层29中设有耐火材料填充物。该耐火材料填充料的导热系数与外层27和内层28材质近似，如MgO、BN、AlN等，厚度处于3-8mm范围。所述外层27和内层28的顶部和底部两端密封以保证夹层29中的填充物处于干燥状态。
如图2和图3所示，所述外坩埚10为水冷壁结构，与冷却流道12底部入口连通。材质为不锈钢或碳钢，内壁面铺有50-200mm厚的耐火材料11(材料可选Al2O3、MgO、ZrO2等)。耐火材料11上表面和内坩埚7外壁面之间的间隙构成冷却流道12，宽度处于80-250mm范围，底部入口与外坩埚10锥段腔体的冷却流道入口24连通。所述冷却流道12上部敞口位于内坩埚7上方的自由空间内。
所述外坩埚10包括锥段和竖直段；竖直段的冷却管直径处于30-100mm范围、壁厚处于5-20mm范围，通过中部集水环25将与注入管线16连通；锥段包括锥段腔体、底部集水环26、长肋片23、短肋片22和冷却流道入口24；所述冷却流道入口24设置在所述锥段腔体中心且贯穿所述锥段腔体以将锥段腔体与冷却流道12连通；所述锥段腔体通过所述底部集水环26连通所有竖直段冷却管；长肋片23和短肋片22均设置在锥段腔体中以实现导流。所述外坩埚内层设置有耐火材料11。长肋片23和短肋片22的上、下表面分别与锥段腔体上、下壁面接触或一体成型，宽度处于60-120mm范围，功能包括支撑冷却流道12中的冷却水、耐火材料11和将竖直段冷却管中的冷却水导引至冷却流道入口24。
所述冷却剂供应系统布置在堆坑3外部，包括各自设有注入阀门的高位水箱14和低位水箱15，两者共用下游的一段注入管线16与所述冷却流道12连接。其中，低位水箱15用于核电厂严重事故早期的冷却水注入，高位水箱14用于事故后期的冷却水注入和熔池淹没，换热形成的蒸汽通过若干排气口21离开堆坑3，经安全壳的冷凝系统和回收系统返回至高位水箱14，实现对熔融物的长期换热。
所述高位水箱14上部与内坩埚7上方的自由空间通过止回阀19和相应管线连通，保证正常工况下内坩埚7内部的干燥和事故工况下，在自然循环的驱动下，冷却水能够从内坩埚7上部自由空间内流至高位水箱14。
所述冷却剂供应系统为多套冗余设置以保证该系统在事故工况下投入的可靠性。具体应用中可布置2-3套高位水箱14、低位水箱15和注入管线16形成冗余，每路的注入管线16上的低位水箱注入阀17、高位水箱注入阀18以及止回阀19也可布置2-3套，形成冗余。
为保证该系统在事故工况下投入的可靠性，本实施例的冷却剂供应系统该系统在事故工况下可全部依靠非能动特性运行，不需要操作员干预。此时，低位水箱的注入阀17可采用高可靠性失电/失气自动开启的阀门，高位水箱注入阀18可采用高可靠性爆破阀，止回阀19可采用高可靠性微压差止回阀。
低位水箱15的注入阀17开启条件为：堆芯1发生大面积熔化或全场失电后；
高位水箱14的注入阀18开启条件为：自监测到反应堆压力容器2失效，或者堆芯熔融物进入内坩埚7起算的预设时间后，或者牺牲材料9内埋的设备熔毁，或者布置在内坩埚7壁面预设高度的设备熔毁；
止回阀19的开启条件为：内坩埚7上部自由空间与高位水箱14形成连通器。
所述的熔融物转移系统包括耐火材料4、熔融物转移通道6和熔塞5；耐火材料4铺设在堆坑3内壁面，呈漏斗状，壁厚处于30-150mm范围。熔融物转移通道6设置在堆坑3下部，熔塞5布置在熔融物转移通道6里。本实施例中熔塞5为低熔点金属材质，厚度处于50-200mm范围。一个熔融物转移通道6可以布置若干块熔塞5。
反应堆发生严重事故时，堆芯熔融物从反应堆压力容器2下封头释放至堆坑3，受呈漏斗状铺设的耐火材料4的导引，转移至熔融物转移通道6入口位置，熔穿多层熔塞5，进入内坩埚7。
进入内坩埚7的堆芯熔融物先与牺牲材料9发生相互作用。此时，冷却水经由低位水箱15和注入管线16进入外坩埚10的中部集水环25，再经过外坩埚10的冷却管、锥段进入冷却流道12和冷却管束8，水位仅至内坩埚7和的上部，不进入内坩埚7内部。
待堆芯熔融物逐步与牺牲材料9相融，熔池不断扩大，先后与冷却管束8和内坩埚7的内壁面接触后，发生间壁式换热，蒸汽通过若干排汽口21进入安全壳，低位水箱15中的冷却水持续流入，水位逐步降低。
待经过一定延时(自系统监测到反应堆压力容器2失效或堆芯熔融物进入内坩埚7中开始算起)，或牺牲材料9内埋的设备熔毁，或布置在内坩埚7壁面一定高度的设备熔毁，触发高位水箱的注入阀18开启，高位水箱14中的冷却水经过注入管线16进入外坩埚10的中部集水环25，再经过外坩埚10的竖直冷却管和锥段进入冷却流道12、冷却管束8，并最终通过内坩埚7的上沿进入内坩埚7内部，实现熔池的冷却水覆盖。
冷却管束8和内坩埚7内壁面出的间壁式换热，以及熔池顶部的直接接触式换热产生的蒸汽通过若干排汽口21进入安全壳，冷凝后回流至高位水箱14，再次注入到冷却管束8和冷却流道12中，形成对熔融物的长期冷却，将堆芯熔融物成功滞留于内坩埚7中，至此严重事故终止。
本发明藉由双层坩埚的手段实现堆芯熔融物的更好滞留，同时通过冷却管束8的设计更好的对堆芯熔融物内部进行冷却，从而提高在严重事故工况下，堆芯捕集器对堆芯熔融物的滞留成功率和冷却效率。冷却管束8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；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；外层坩埚采用水冷壁形式，大幅提高了坩埚与堆芯熔融物的接触面积，从而提升了系统的换热能力；通过外层坩埚的水冷壁、外部冷却剂供应系统的高位水箱和低位水箱，与冷却流道12、内部冷却管束之间构成不同的连接关系，在该方案实施的不同阶段提供不同形式的、可耦合作用的自然循环换热机制，大幅提高了对堆芯熔融物的换热能力和换热的可靠性。
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 (17)
1.一种多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，包括熔融物转移系统、双层坩埚结构和冷却剂供应系统；所述熔融物转移系统设置在所述反应堆堆坑底部的竖井中，双层坩埚结构设置在熔融物转移系统下方；所述多层坩埚结构包括同心设置的内坩埚(7)和外坩埚(10)；内外坩埚之间形成冷却流道；所述冷却剂供应系统与所述冷却流道连接。
2.如权利要求1所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述内坩埚内部设置有冷却管束，在所述冷却管束(8)的外部以及内坩埚(7)内部设有牺牲材料(9)；所述冷却管束(8)上部敞口位于内坩埚(7)上方的自由空间内，下部穿过所述内坩埚(7)与所述冷却流道连通。
3.如权利要求2所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述冷却管束(8)在预设区域内沿所述内坩埚(7)的径向分层布置，不同层之间沿周向交错排列。
4.如权利要求2所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述冷却管束(8)为光滑管道或沿管道周向和轴向不同位置开有出水孔的管道。
5.如权利要求2所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述冷却管束(8)为夹层套管，所述夹层套管的外层(27)和内层(28)之间的夹层(29)中设有耐火材料填充物。
6.如权利要求5所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述外层(27)和内层(28)的顶部和底部两端密封以保证夹层(29)中的填充物处于干燥状态。
7.如权利要求1所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述内坩埚(7)为桶状结构，底部呈倒锥形结构；内坩埚(7)底部的焊缝区域设置有耐火材料。
8.如权利要求1所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述外坩埚(10)为水冷壁结构，与冷却流道(12)底部入口连通。
9.如权利要求8所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述外坩埚(10)包括锥段和竖直段；竖直段的冷却管通过中部集水环(25)将与注入管线(16)连通；锥段包括锥段腔体、底部集水环(26)、长肋片(23)、短肋片(22)和冷却流道入口(24)；所述冷却流道入口设置在所述锥段腔体中心且贯穿所述锥段腔体以将锥段腔体与冷却流道(12)连通；所述锥段腔体通过所述底部集水环(26)连通所有竖直段冷却管；长肋片(23)和短肋片(22)均设置在锥段腔体中以实现导流。
10.如权利要求8所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述外坩埚(10)内层设置有耐火材料(11)。
11.如权利要求10所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述冷却流道上部敞口位于内坩埚(7)上方的自由空间内。
12.如权利要求1所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述冷却剂供应系统包括各自设有注入阀门的高位水箱(14)和低位水箱(15)，两者共用下游的一段注入管线(16)与所述冷却流道连接。
13.如权利要求12所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述高位水箱(14)上部与内坩埚(7)上方的自由空间通过止回阀和相应管线连通。
14.如权利要求12所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述冷却剂供应系统为多套冗余设置。
15.如权利要求12所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述堆坑设置有排气口；换热形成的蒸汽通过排气口(21)离开堆坑(3)，经安全壳的冷凝系统和回收系统返回至高位水箱(14)。
16.如权利要求12所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于：
低位水箱的注入阀(17)开启条件为：堆芯(1)发生大面积熔化或全场失电后；
高位水箱的注入阀(18)开启条件为：自监测到反应堆压力容器失效，或者堆芯熔融物进入内坩埚起算的预设时间后，或者牺牲材料(9)内埋的设备熔毁，或者布置在内坩埚(7)壁面预设高度的设备熔毁；
止回阀的开启条件为：内坩埚(7)上部自由空间与高位水箱(14)形成连通器。
17.如权利要求1-16任一所述的多重防御和冷却的堆芯捕集器，其特征在于，所述的熔融物转移系统包括耐火材料(4)、熔融物转移通道(6)和熔塞(5)；耐火材料铺设在堆坑(3)内壁面，熔融物转移通道设置在堆坑下部，熔塞布置在熔融物转移通道(6)里。
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