CN1166888A - 用于冷却为容纳核料熔体而设置的滞留室的冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种带有冷却管道(26，31)的、用于冷却滞留室(2)的冷却系统(1)，该滞留室用于容纳核能设备的反应堆核芯(4)的芯料熔体。冷却管道(26，31)从一个可用冷却液体(7)注满的注液容器(8)通到滞留室(2)，且在注液容器(8)内由一个被动开启的封闭元件(9)封闭。封闭元件(9)依照注液容器(8)内的冷却液体(7)的液位高度打开。封闭元件(9)最好具有一个关闭冷却管道(26，31)的浮体，该浮体在冷却液体(7)具有作业液位(14)时由于其浮力而将冷却管道(26，31)封闭。

Description

用于冷却为容纳核料熔体而 设置的滞留室的冷却系统

本发明涉及一种带有冷却管道的、用于冷却容纳核动力装置中反应堆核芯的核料熔体的滞留室的冷却系统。

为使其安全运行，核动力装置具有许多各种各样的(diversitaerer)和多余的安全系统及冷却系统，通过它们可及早知道偏离正常运行状况的工作状态并对此采取对应措施。危及安全的情况，如反应堆核芯的熔化实际上可由此被排除。

为控制这种假设的故障，德国专利DE 4041295A1公开了一种核料滞留装置和一种紧急冷却核动力装置的方法。该核料滞留装置具有一个集料仓，它直接设置在包围反应堆核芯的反应堆压力仓之下。集料仓和反应堆压力仓设在一个由混凝土结构构成的反应堆地坑内。在集料仓和混凝土结构之间有冷却管道在集料仓的底和壁上延伸，冷却水可通过该管道。底侧冷却管道与一个贮水池相连并通入一个冷却管中，该冷却管以虹吸管形式突入贮存水内。虹吸管式的冷却管具有位于头上的U形管段，其中，U形部分的顶点处在贮存水的作业水位高度之上，而冷却管虽然浸入贮存水内，但在其顶点周围则从贮存水中伸出。由此，在作业水位高度时没有冷却水进入冷却管道。仅在贮存水涨潮到超过U形顶点的水位高度时，冷却水才到达冷却管道内、从而在其外侧实现对集料仓的冷却。

集料仓内部的冷却通过一个从贮水池通过混凝土结构通到集料仓内的注水管道来完成的。注水管道在集料仓内通过一个可熔化的栓塞封闭，该栓塞仅在较高的环境温度下熔化。由此冷却水可流进集料仓内部，在注水管道内部，当核动力装置正常运行时，本身就有冷却水，由此可熔化的栓塞始终被冷却。

本发明的目的在于提供一种用于冷却为容纳核料熔体而设置的滞留室的冷却系统，它通过一种被动作用的方式并因而本身固有地开始对集料仓进行可靠冷却。

本发明的目的是这样实现的，即通过一种带有冷却管的冷却系统来达到，该系统用于冷却为容纳核动力装置中反应堆核芯的核料熔体而设置的滞留室，其中，冷却管从一个可注满冷却液体的注液箱通到滞留室，并在注液箱内通过一个可被动打开的封闭元件封闭，该封闭元件依照冷却液体的液位高度来打开。通过一个可依照冷却液体的液位高度打开的封闭元件可确保，仅在出现危及安全的情况时，通过向注液箱提供冷却液来开始对滞留室进行冷却。向注液箱内补加的冷却液体最好是一次冷却水，这些水在出现危及安全的情况时从反应堆核芯的一次冷却回流中排出。如果必要的话，冷却液体可借助一个分隔的冷却液储存器供入注液箱内。直到封闭元件打开之前，冷却管都是被封闭的，因此不含水。由此，在核动力装置正常运行时，冷却液体，尤其是冷却水不与滞留室接近，因此，某些干扰影响，如由冷却水引起的腐蚀或与温度相关的、密封冷却管的封闭元件的某种所不希望的冷却被避免。此外，通过被动打开的封闭元件，核动力装置的固有安全性得以改善，在此情况下，在对滞留室进行冷却时，人为的失误被排除。

封闭元件最好是一个关闭冷却管的浮体。这种浮体在冷却水处在运行水位高度时具有这样的浮力。即它例如通过一个阀球支座紧密地封闭冷却管。浮体最好可沿一个导轨的主轴移动，以使在如地震引起的振动时避免浮体从其密封座上意外滑落。

浮体最好具有一个可注入冷却液体的内腔。一个溢流管伸入该内腔内，该溢流管有一个供冷却液体用的入口，冷却液体在经大地测量(geodaetisch)位于运行水位高度上方的注入液位时通过该入口流入。入口经大地测量可能位于运行水位高度的上方或下方，其中，在后一种情况下，溢流管从入口处以其U形段伸出运行水位，以致位于头部的U形段的顶点位于运行水位高度之上。在后一种情况下，冷却液体也仅仅在超过运行水位高度一定量时才流入浮体内腔内。流入内腔的冷却液体降低了浮体的浮力，使得该浮体从某一内腔充满度起离开密封座并由此使冷却管被打开。因此该滞留室的冷却是以被动的方式和方法进行的。

浮体最好具有一个伸入其内腔的冷凝水吸取装置，通过该吸取装置，在核动力装置处于正常运行状态时产生的冷凝水被吸取，由此可靠地避免由于出现冷凝水而导致浮体下沉和由此产生所不期望的对滞留室的冷却。

滞留室最最好利用一个经大地测量在冷却管上方，尤其是在运行水位高度之上延伸的冷却液体回路与注水箱相连，该回路在注水箱内由另一个依照水位高度打开的封闭元件关闭。借助该回路，滞留室的内冷却通过冷却液体循环来实现，其中，从注水箱流到滞留室的冷却液体以自然循环流动。由此可保证，在核动力装置出现危及安全的情况时，有足够的冷却液体被送回到注水箱内，并因而完成对滞留室，尤其是对滞留室内容纳的核料熔体的冷却。

封闭在注水箱内的回路并同样可为一浮体的封闭元件最好具有一个球形阀。该球形阀具有一个可浮动的球，该球借助一个导轨保持在一密封位置。球形阀保护封闭元件以抵抗例如由于滞留室内的温度升高而产生的压力波。当冷却水从滞留室流入回路内时，球形阀的球浮起并由此打开在注水箱内的回路。

冷却管道最好是一注水管，该注水管道通入滞留室内并由此保证对流入滞留室的核料熔体，尤其是对其表面的直接冷却。注水管最好水平延伸，并可安装在注水箱上及从注水箱上拆卸下来。注水管从注入箱通入滞留室的结构具有这样的优点，即其可安装在或许难以进入和可能被放射的滞留室之外。这一点尤其对于包围反应堆核芯的滞留室而言特别有利，因为，安装通常预定的滞留室的内衬可由一个坩埚状的保护和集料层来实现。

在核动力装置正常运行时，注水管在滞留室内最好由一个可依照温度打开的封闭元件封闭。它在核动力装置正常运行时由空气充满，这样可依照温度打开的封闭元件相对于注水箱的冷却水绝热，而冷却水仅在核动力装置出现危及安全的情况时才到达注入管内，因此可靠地避免了腐蚀影响。通过可依照温度打开的封闭元件的绝热，可以确保当滞留室内出现强烈的热释放时，其封闭元件肯定会打开，尤其是熔化。这种可依照温度打开的封闭元件因此可设计成这样，即它相对于与冷却水直接接触的封闭元件而言，仅在温度较高时才打开注水管。可依照温度打开的封闭元件最好能抗中子射线辐射，这些射线是当核动力装置正常运行时在紧邻反应堆核芯周围，尤其在容纳反应堆压力仓的反应堆地坑内产生的。此外，作为优点，它仅具有单独的一个易熔元件(易熔螺栓，易熔带)，由此可避免在具有多个不同时刻熔化的元件时导致的尺寸改变和由此引起的封闭元件延迟打开。封闭元件此外与注入管的截面相适配，使得已经装上封闭元件的注水管的安装得以保证。

可依照温度打开的封闭元件最好有一种在一较高温度下，如在900℃以上熔化的材料。这种材料能抗腐蚀和抗辐射，特别适合的是银。能依照温度打开的封闭元件可能具有一种带有由银制成的夹紧螺栓的卡箍连接件。该卡箍连接件将一个盖密封地压紧在注入管内，使得注水管在核动力装置正常运行时可靠地被封闭。取代上述结构，依照温度打开的封闭元件也可具有一个密封盖，它与注水管密封地焊接。作为焊料，同样可采用银。

滞留室最好具有一个外冷却部分，用于外侧冷却滞留室的至少一个底和/或一个壁，其中，冷却管道为一个将外冷却部分与注入箱连通起来的输入管道。该输入管道在核动力装置正常运行时由一个浮体封闭。外冷却部分最好具有一个供冷却液体用的支路，该支路通回到注水箱内。由此，冷却液体，尤其是流入注水箱内的一次冷却水，重新回到注水箱内，这样为滞留室的外部冷却提供了一个冷却循环。

滞留室可以是一个坩埚式的、设置在反应堆核芯下方的集料仓。通过一个设在注水箱内的浮体以被动的方式和方法对集料仓进行冷却是在集料仓的外侧通过外冷却和/或在集料仓内侧通过一注水管道来完成的。

从注水箱到集料仓并通入其中的注水管最好设计成热弹性的。注水管道在集料仓外，尤其是在集料仓壁和一构成反应堆地坑的混凝土结构之间有一个补偿器。该尤其是焊接上的补偿器利用一个焊接上的球形法兰来密封集料仓；该集料仓例如在其内部温度约为300℃，与集料仓的外冷却部分相比低20℃到30℃。该补偿器用于补偿集料仓的热膨胀并确保注水管相对于冷却集料仓外侧的冷却液体流的密封。

该冷却系统同样适合于设在反应堆核芯侧下方的扩展室的冷却。扩展室可通过一个从注水箱通入扩展室内的注水管道使其内部冷却。扩展室的外冷却可通过一个相应延伸的冷却管道来进行，该冷却管道通过一个被动打开的封闭元件，例如在注水箱内的一个浮体，被冷却液体充满。

借助附图，对本发明实施例作更详细的说明。图中所示实施例用于一坩埚式集料仓形式的滞留室，它对于设计成扩展室的滞留室而言也类似地适用，附图中：

图1为核动力装置的纵截面图；

图2为回路中封闭元件的放大图；

图3为从注水箱通入集料仓内的注水管道的放大示图；

图4为集料仓内注水管道封闭元件的放大示图；

图5为在集料仓内的注水管道封闭元件的另一实施形式。

在图1至图5中，相同的附图标记分别代表实施例的相同部件。

图1为一核动力装置的纵截面图，它具有一个用于冷却为容纳核料熔体而设置的滞留室2的冷却系统1。一个绕其主轴5很大程度上呈旋转对称的反应堆压力容器3设在一个由一支承结构36构成的反应堆地坑48内。反应堆压力容器3包含一个反应堆核芯4。在反应堆压力容器3下方，一滞留室2在反应堆地坑48内由一个收集核料熔体用的集料仓28构成，该集料仓具有一个底24和一个壁25。在支承结构36和壁25及底24之间，留有一供集料仓28的外冷却部分23用的自由空间。在集料仓28内部，有一例如由氧化锆(ZrO₂)砖组成的内衬38贴在底24和壁25上。在底侧的内衬38上设有一消耗混凝土层(Opferbeton)27，尤其用于降低核料熔体的熔化温度。通过壁25及与之相邻的支承结构36设有一个与水平方向成轻微斜度的设计成注水管道31的冷却管道，它从注水箱8通入集料仓28内。在集料仓28内，注水管道31由一个封闭元件15，尤其是可依照温度打开的封闭元件15封闭，注水管道31在注水箱8内由一个尤其是带有一浮体10的可依照水位高度打开的封闭元件9封闭。注水管道31在壁25和支承结构36之间被一个补偿器29包围，该补偿器使壁25相对于外冷却部分23密封并吸收集料仓28的热膨胀。密封注水管道31的浮体10有一个内腔11，一溢流管12伸入其内，该溢流管经大地测量在注水管31上方有一入口13。入口13同样位于注水箱8内的冷却液体7，尤其是冷却水的运行水位高度之上。集料仓28的外冷却部分23由一个基本上水平在反应堆地坑48下方穿过支承结构36伸展的输送管26与注水箱8相连通。输送管道26在注水箱8内同样由一个带有浮体10的封闭元件9封闭。有一溢流管12伸入浮体10的内腔11，它从冷却液体7中伸出直到运行水位高度14的上方，并呈U形重新弯回冷却液体7内，它终止于入口13处。一供内冷却用的回路20在运行水位高度14上方并因此在注水管道31上方从反应堆地坑48延伸到注水箱8内。回路20在注水箱8内由另外一个带有另一个约一半浸入冷却水7中的浮体10的封闭元件21封闭。在另外的封闭元件21和回路20之间设有一个带有一浮球的球形阀22。封闭元件9、21中的每一个都各有一个冷凝水吸取器19。回路20在反应堆地坑48内并在集料仓28上方通过支承结构36并通过一个与支承结构36相毗邻的绝缘体37。回路20与集料仓28的内部连通。

在核动力装置正常运行时，包括外冷却部分23、注水管道31、回路20及封闭元件9、21、15在内的冷却系统1被封闭。尤其是外冷却部分23和注水管道31由空气充满。外冷却部分23在核动力装置正常运行时起空气冷却的作用，由此阻碍了支承结构被加热。借助8个位于支承结构36外侧的通风孔，冷却空气向下进入输送管道26通向集料仓28外侧，该输送管道被设计成环形通道并与8个水平通道相连通。被加热的冷却空气向上升到集料仓28和支承结构36的外侧并能逸出到未示出的核动力装置的反应堆结构中。环形通道同样借助8个孔与注水箱8连通。当反应堆核芯4被熔化而出现故障时，注水箱8内涌入附加的冷却液体，尤其是冷却水7，因此水面高度从运行水面高度14上涨到浮体10的入口13上方的一较高水面高度。在此情况下的附加冷却液体是来自反应堆核芯4的一次冷却循环的一次冷却水。附加的冷却液体同样也可由一个隔开的附加的冷却液体储备提供。封闭注水管道31和外冷却部分23的浮体10被冷却水7涌入，并由于其浮力逐渐变低而下沉。由此，冷却水7涌入注水管道31及外冷却部分23内。当运行水位高度14被超过时，外冷却部分23才起作用。冷却水7穿过外冷却部分23后借助六个未示出的，在运行水位高度14上水平伸展的通道回流到注水箱8内。外冷却部分23的回流与内冷却的回流20是相互分开的。由于反应堆核芯4熔化所流出的核料熔体在集料仓28内导致热量释放，由此，注水管道31的可依照温度打开的封闭元件15同样打开。这样冷却液体7流入集料仓28内部以冷却核料熔体。接着，注水箱8内较高的水位高度下降到一注水水位高度32，例如下降30cm到60cm，使得在反应堆地坑48内和在注水箱8内的冷却水位7同样高。通过注水管道31流入集料仓28内的冷却液体7被加热并沿所示一自然循环箭头30方向上升，并通过回路20流回注水箱8内(由箭头30表示)。通过打开外冷却部分23的封闭元件9，冷却水7，如流动方向箭头44所示，从注水箱8中穿过输送管道26到达集料仓28的外侧，并在那里汽化并通过未示出的通道被送回注水箱8内。通过汽化，也实现了从外面对集料仓28进行冷却。汽化了的冷却水7在核动力装置内上升、被冷凝并回到注水箱8内。借助注水管道31和外冷却部分23的封闭元件9在注水箱8内水位高度上升时打开，可确保集料仓28内出现的核料熔体经过长时间进行有效冷却。

图1中所示的另一封闭元件21在图2中放大示出，它具有一个浮体10和一个带有能浮起的球的球形阀22。在运行水位高度14时，浮体10约一半浸入冷却水7内。球形阀22的可浮起的球静止在一个从回路20向下伸展到浮体10的球位保持器33上。即使在反应堆地坑48内产生压力波并通过回路20传播情况下，球形阀22封闭浮体10，使其由此得到保护。浮体10受导轨35引向，因此它沿轴49移动。球形阀22有一个通风件34。当核动力装置正常运行时，回路20是干燥的，尤其是充满着空气。当注水箱8的水位高度从运行水位高度14上升到在另一封闭元件21上方的注水水位高度32时，冷却水7通过回路20进入球形阀22内。冷却水7进入球形阀22之后，可浮起的球上升并使通道50打开，通过该通道，冷却水7从回路20流入浮体10内。浮体10的浮力由于冷却水7流入而减小，浮体在注水箱8内沿轴49下沉，由此，冷却水7可在一自然循环中从回路20流回注水箱8内。

图3为图1中所示注水管31的放大示图。注水管道31在集料仓28内由一个可依照温度打开的封闭元件15封闭，该封闭元件具有一个卡箍连接件16。注水管道31在支承结构36和集料仓28之间由一个补偿器29包围，该补偿器在一球密封座39内密封地紧贴在集料仓28上。

图4为图3中所示的可依照温度打开的封闭元件15的放大示图。该卡箍连接件16借助一个弯箍42使盖板40牢固地压紧在注水管31的一个球面密封座39内。弯箍42通过一个具有熔断螺杆43的夹紧螺栓17与注水管道31牢固结合在一起，该熔断螺杆43由熔点约为960℃的银制成。在熔断螺杆43和盖板40之间平行于注水管道31设有一喷射护板41，用来保护熔断螺杆43避开溢出的冷却水7。由此，即使在球面密封座39不封闭时，可确保熔断螺杆43的熔断不因汽化的冷却水而延缓。

图5所示为用于注水管道31的可依照温度打开的封闭元件15的另一实施形式。封闭元件15具有一个密封盖18，它通过一个圈住注水管31的、紧贴两焊接带45的银带46与注水管道31焊在一起。在银带46和注水管31与密封盖18相抵靠部分之间产生一由空气垫组成的绝热层47。当滞留室2内有较大热量释放时，焊接带45且有可能银带46也熔化，因此，密封盖18脱落而注水管31打开。图4和图5中所示的封闭元件15分别仅具有一个可熔化的元件43、46。由此，可避免由于两个密封封闭元件的可熔化部件不同时熔化而导致封闭件延迟打开的可能性。

本发明的特征在于一种带有冷却管道并用于冷却为容纳核料熔体而设置的滞留室的冷却系统，其中，冷却借助一被动的封闭元件被触发。封闭元件依照注水箱内冷却水的水位高度打开，因此冷却水进入滞留室内或沿其外表面流动。封闭元件最好具有一个浮体，该浮体借助其浮力封闭冷却管道。浮体是这样来设计的，即借助一溢流管，当冷却水达到一超过正常运行水位高度的某一水位高度时，冷却水涌入浮体内，并逐渐下沉到注水箱内而打开冷却管道。该冷却系统还具有一回路，该回路在将冷却水供给滞留室的液体管道上方延伸。由回路和液体管道构成冷却水的自然循环，由此，滞留室和其内所容纳的核料熔体的有效冷却得以保证。

Claims (14)

1.一种带有冷却管道(26，31)的、冷却用于容纳核能设备中反应堆核芯(4)的核料熔体的滞留室(2)的冷却系统(1)，其特征在于，冷却管道(26，31)从可注满冷却液体(7)的注液容器(8)通到滞留室(2)并在注液容器(8)内由一个被动开启的封闭元件(9)封闭，该封闭元件依照冷却液体(7)的液位高度打开。

2.如权利要求1所述的冷却系统(1)，其中，封闭元件(9)为一个关闭冷却管道(26，31)的浮体(10)。

3.如权利要求2所述的冷却系统(1)，其中，浮体(10)具有一个可注入冷却液体(7)的内腔(11)，一溢流管(12)伸向该内腔内，该溢流管具有一个供冷却液体(7)用的进口(13)，冷却液体(7)在一超过作业液位高度(14)的高注液位(32)时通过该进口流入。

4.如权利要求2或3所述的冷却系统(1)，其中，浮体(10)有一个冷凝水吸取器(19)。

5.如上述任一项权利要求所述的冷却系统(1)，其具有一个经大地测量在冷却管道(26，31)上方伸展的供冷却液体(7)用的回路(20)，该回路使滞留室(2)与注液容器(8)连通，并在注液容器(8)内由另一个依照液位高度开启的封闭元件(21)封闭。

6.如权利要求5所述的冷却系统(1)，其中，另外的封闭元件(21)具有一个球形阀(22)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的冷却系统(1)，其中，冷却管道(26，31)为一个注水管道(31)，它通入滞留室(2)内。

8.如权利要求7所述的冷却系统(1)，其中，注水管道(31)在滞留室(2)内由一个可依照温度打开的封闭元件(15)封闭。

9.如权利要求8所述的冷却系统(1)，其中，可依照温度打开的封闭元件(15)为一个带有一个由银制成的可在900℃以上熔化的夹紧螺栓(17)的卡箍连接件(16)。

10.如权利要求8所述的冷却系统(1)，其中，可依照温度打开的封闭元件(15)为一个用银焊接的密封盖(18)。

11.如权利要求1至6中任一项所述的冷却系统(1)，其具有一个外冷却部分(23)，以便用冷却液体(7)冷却滞留室(2)的至少一个底(24)和/或一个壁(25)，其中，冷却管道(26，31)为一个使外冷却部分(23)与注水容器(8)相连通的输入管道(26)。

12.如上述任一项权利要求所述的冷却系统(1)，其中，滞留室(2)为一个坩埚状的、设在反应堆核芯(4)下方的集料仓(28)。

13.如权利要求12所述的冷却系统(1)，其中，冷却管道(26，31)在集料仓(28)外具有一个补偿器(29)，用来补偿集料仓(28)的热膨胀。

14.如权利要求1至11中任一项所述的冷却系统(1)，其中，滞留室(2)为一个在反应堆核芯(4)侧下方设置的扩展室。

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