CN1771567A - 用于冷却从反应堆容器释放的熔化堆芯材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在核电站发生严重事故时有效保留和冷却从反应堆容器释放出的熔化的堆芯材料的装置和方法。该装置包括玻璃材料混合部分、冷却水保留罐、以及冷却水供应部分。冷却水保留罐堆叠在玻璃材料混合部分的下方。冷却水供应部分设置在玻璃材料混合部分和冷却水保留罐的侧面。玻璃材料混合部分包括支承板、玻璃材料层和挡壁。冷却水供应部分包括冷却水贮槽、通道和阀。该装置和方法能够降低熔化的堆芯材料的热生成密度和防止蒸汽爆炸以及有效地降低熔化的堆芯材料的温度。

Description

用于冷却从反应堆容器释放的 熔化堆芯材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及在反应堆腔中保留和冷却熔化的堆芯材料的装置和方法，更具体地说，涉及在反应堆腔内稳定地保留和冷却熔化的堆芯材料的装置和方法，借此，当核电站发生严重的熔炉事故熔化的堆芯材料从反应堆容器逸出时，逸出的熔化的堆芯材料不会腐蚀反应堆腔、污染邻近的土地，或威胁反应堆安全壳建筑物的安全。

背景技术

通常，核电站包括数百个具有独立功能的系统。这些系统大致可分为以核反应堆为主要单元的核蒸汽供应系统(NSSS)、具有由供应的蒸汽驱动的发电机的汽轮机/发电机系统、以及其它辅助装备。这里，核反应堆控制核反应中瞬时产生的大量热能缓慢地释放，以使核能能够应用于实际生活。

然而，当在核电站发生严重事故的过程中，从损坏的反应堆容器释放出(逸出)的熔化的堆芯材料没有被有效地保留和冷却时，释放出的熔化的堆芯材料可能会不幸地腐蚀反应堆腔，污染邻近的土地，以及威胁反应堆安全壳建筑物的稳固性。

因此，对于保留和适当冷却熔化的堆芯材料的装置和方法的研究一直在进行。

作为传统的用于冷却熔化的堆芯材料的装置，已经有人提出了使高温的熔化的堆芯材料直接与冷却水接触的装置。

通过直接向熔化的堆芯材料提供冷却水来冷却熔化的堆芯材料的方法具有很高的效率，但存在的问题在于，高温的熔化的堆芯材料与冷却水在密闭的空间内直接作用，会迅速产生蒸汽，从而会发生潜在地蒸汽爆炸。

进一步地说，为防止高温的熔化的堆芯材料和冷却水之间直接作用所引起的蒸汽爆炸，日本专利公开号1996-43575提出了一种具有延长的熔化堆芯收集部分的堆芯收集器。如图1所示，该传统装置在反应堆容器100的下方有多个熔化堆芯收集器部分110。在此装置中，在核电站严重事故中从反应堆容器100释放出的熔化的堆芯保留在该熔化堆芯收集器部分110中，并用该熔化堆芯收集器部分110周围的冷却水120冷却所保留的熔化堆芯。

但是，上述装置通过使熔化堆芯与冷却水间接接触来冷却高温的熔化堆芯。因此，熔化堆芯与冷却水之间的传热效率被不期望地降低，这样就需要非常大的冷却水罐。

此外，在某些情况下，相关领域中用来冷却熔化的堆芯材料的装置被设计成使用如泵之类的动设备来强制冷却熔化的堆芯材料。然而，这不仅降低它在严重事故发生时的可靠性，而且会随时间的推移降低泵的冷却能力，以致于不能有效地除去来自熔化的堆芯材料的衰变热。因此。这在长期的冷却中问题尤为突出。

因此本领域需要能够解决上述问题的保留和冷却熔化的堆芯材料的装置。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供用于有效移除衰变热以及确保邻近建筑物的安全的装置和方法，其通过利用熔化的堆芯材料与冷却水的相互作用，防止在冷却过程中的蒸汽爆炸，同时将熔化的堆芯材料有效地保留(挡)在反应堆安全壳建筑物内。

技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了用于保留和冷却由于熔炉从反应堆容器释放出的熔化的堆芯材料的装置，该装置包括：板形的玻璃材料混合部分，其形成于反应堆容器下部并且在其上表面具有玻璃层，以使已经通过反应堆容器的熔化的堆芯材料与该玻璃材料混合，以降低热生成密度；以及多个冷却水保留罐，其在玻璃材料混合部分的下方以多层的形式堆叠，同时冷却水保留罐内装有含惰性气体的冷却水，用于冷却高温的熔化的堆芯材料。

在本发明的另一个方面中，提供了用于进行长期冷却的保留和冷却熔化的堆芯材料的装置，该装置包括：设置在玻璃材料混合部分和冷却水保留罐一侧的冷却水供应部分，该冷却水供应部分包括冷却水贮槽，以及形成于冷却水贮槽一侧的通道和阀，用于向已被冷却水保留罐内的冷却水降温的熔化的堆芯材料另外提供冷却水而移除衰变热。

该玻璃材料混合部分包括：安装在反应堆容器下部的支承板，其以预定角度倾斜，并且由即使在接触熔化的堆芯材料时也不熔化的材料制成；在支承板的上表面上以预定厚度形成的玻璃材料层；以及安装在倾斜的支承板下端并由在接触熔化的堆芯材料时熔化的材料制成的挡壁，用以防止在支承板上表面上形成的玻璃材料向下流动。

该玻璃材料层可以由玻璃和石墨形成。

每个冷却水保留罐的罐体可以由这样的材料制得，该材料在接触高温的熔化的堆芯材料的时候熔化。

冷却水供应部分可以进一步包括在冷却水贮槽上部的过滤装置，以使来自冷凝蒸汽(由冷却水与熔化的堆芯材料的相互作用产生)的水流回冷却水贮槽。

在本发明的又一个方面中，提供了用于保留和冷却由于熔炉从反应堆容器释放出的熔化的堆芯材料的方法。该方法包括以下步骤：(1)将熔化的堆芯材料保留在反应堆安全壳建筑物的腔内以限制其通过，并且将熔化的堆芯材料与玻璃材料混合来降低热生成密度；以及(2)使与玻璃材料混合的熔化的堆芯材料向下流到堆叠在下方的冷却水保留罐，并使该混合物与冷却水保留罐中含有惰性气体的冷却水接触，借此冷却熔化的堆芯材料。

进一步地，该方法可以进一步包括在步骤2之后的步骤3：打开冷却水供应部分的阀以提供经过通道的、来自冷却水贮槽的冷却水，用以从熔化的堆芯材料中移除衰变热，由此达到长期冷却。

这里，该方法可以进一步包括下面的步骤：让产生自冷凝蒸汽(由冷却水与熔化的堆芯材料的相互作用产生)的水流回到冷却水贮槽，从而循环利用冷却水。

在步骤1中，熔化的堆芯材料可以与玻璃材料层(形成于以预定角度倾斜在反应堆容器下部的支承板的上表面上)中的玻璃材料混合。

另外在步骤2中，与玻璃材料混合的熔化的堆芯材料可以落到冷却水保留罐上，这些保留罐相对于反应堆安全壳建筑物的底部有一个预定的坡度，并且在下部以多层形式堆叠，从而该混合物可以沿着预定的坡度顺序地流动，以熔化冷却水保留罐并与冷却水保留罐中含有惰性气体的冷却水接触。

附图说明

图1是相关领域的用于冷却熔化的堆芯材料的非接触式装置示意图。

图2是根据本发明的用于冷却熔化的堆芯材料的装置示意图。

图3是本发明的玻璃材料混合部分的详图。

图4A和4B是本发明的堆叠的冷却水保留罐的剖视图。

图5是图4中所示的冷却水保留罐的横向剖视图。

具体实施方式

以下参照附图更详细地说明本发明的优选实施方式。

图2是根据本发明的用于冷却熔化的堆芯材料的装置的示意图，其详述说明如下。

为了在核电站发生严重事故时，保留和冷却由于熔炉而在反应堆里产生的熔化的堆芯材料5，在预定尺寸的反应堆安全壳建筑物1的上部设置反应堆容器10，并在反应堆安全壳建筑物1内的下腔设置玻璃材料混合部分20和冷却水保留罐(储罐)30。玻璃材料混合部分20是用于首先将从反应堆容器释放出的熔化的堆芯材料5与玻璃材料混合以降低热生成密度(热流密度)。参见图2，玻璃材料混合部分的形状为以预定角度α倾斜的板。

冷却水保留罐30以多层的形式堆叠在玻璃材料混合部分20的下方。在玻璃材料混合部分20中与玻璃材料混合的熔化的堆芯材料5落到冷却水保留罐30上，在这里，该混合物与冷却水保留罐30中的含惰性气体的冷却水相互作用，从而冷却该混合物。冷却水保留罐30的罐体可以由能被高温的熔化的堆芯材料熔化的材料制成。

如上所述，熔化的堆芯材料5首先与玻璃材料混合，以便降低热生成密度，进而可以利用惰性气体抑制由于与冷却水相互作用而引起的蒸汽爆炸，这样通过与冷却水的直接接触，可以提高传热效率，并可以显著地降低蒸汽爆炸的风险。

多层堆叠的冷却水保留罐30可以以一相对于反应堆安全壳建筑物1的底部的预定角度β倾斜，以使熔化的堆芯材料5可以顺序地流下。

另外，本发明可以包括冷却水供应部分40，其包括冷却水贮槽43、形成于冷却水贮槽43一例的冷却水通道42和阀41，以便在通过冷却水保留罐30中的冷却水冷却之后移除衰变热。当核电站发生严重事故而打开冷却水供应部分40的阀41时，则借助重力通过冷却水通道42从冷却水贮槽43提供冷却水，以便在通过冷却水保留罐30里的冷却水冷却之后可以进一步冷却熔化的堆芯材料5，从而可以除去其衰变热。

此外，本发明进一步包括在冷却水供应部分40的上部的过滤装置44。冷却水与熔化的堆芯材料相互作用产生的蒸汽被冷凝成水，然后水流回到冷却水贮槽43，这样冷却水被循环利用。因此能够有效地进行长期冷却。

当然，有一个用于使供应的水一直保持在适当水位的供水管线(未示出)与冷却水贮槽43连接。

图3是本发明的玻璃材料混合部分的详图。本发明在反应堆容器的下方有玻璃材料混合部分20，其作用是首先将熔化的堆芯材料5与玻璃材料混合以降低热生成密度。该玻璃材料混合部分20包括支承板21，优选以预定角α倾斜。支承板21由即使在与熔化的堆芯材料接触时也不熔化的材料制成。这种构造是为了使熔化的堆芯材料5在已经经过反应堆容器的材料5与玻璃材料混合后，流向反应堆安全壳建筑物的下部。

进一步地，以预定厚度形成的玻璃材料层22设置在支承板21的上表面上。已经经过反应堆容器的熔化的堆芯材料与玻璃材料层22中的玻璃材料混合。这里，玻璃材料层22可以由玻璃或石墨形成。

此外，玻璃或石墨可以制备成颗粒或粉末的形式。

玻璃材料与熔化的堆芯材料5混合以降低热生成密度。

挡壁23设置在倾斜的支承板21的下端。挡壁23可以由与从反应堆容器释放出的高温熔化的堆芯材料5接触时熔化的材料制成。这样，该挡壁23可以防止在支承板21上表面形成的玻璃材料在正常的时候流下，而在核电站发生严重事故时被高温熔化的堆芯材料5熔化，以使与玻璃材料混合的材料5能流到反应堆安全壳建筑物的下部。

图4和图5示出堆叠的冷却水保留罐的剖视图和冷却水保留罐的横向剖视图。

为了防止蒸汽爆炸，本发明设计了冷却水保留罐30，其内装有含惰性气体的冷却水，以冷却熔化的堆芯材料5。冷却水保留罐30可以多层地堆叠在玻璃材料混合部分20的下方。这里，每层的冷却水保留罐30的放置方向可以和相邻层的保留罐30的放置方向相同，或与其垂直。例如，见图4A，所有的冷却水保留罐30被同方向放置并层层堆叠。可替换地，冷却水保留罐30可以下面的形式堆放：一层的罐30与相邻层的罐30垂直放置，如图4B所示。

这里，冷却水保留罐30可以这样堆叠以使相对于反应堆安全壳建筑物的底部形成预定角β。借助这样的设置，熔化的堆芯材料5在以预定角β流动时被第一层的冷却水保留罐30冷却，然后熔化的堆芯材料5又顺序地被第二层的冷却水保留罐30冷却。

此外，见图5，这种冷却水保留罐的罐体31可以用低熔点的材料制备，使得其接触高温熔化的堆芯材料5时熔化。含有惰性气体32的冷却水33被装在冷却水保留罐30里面。在冷却水保留罐30的罐体31由于接触高温的熔化的堆芯材料5而熔化以后，熔化的堆芯材料5就与含惰性气体32的冷却水33作用。因此，熔化的堆芯材料5直接与冷却水相互作用，使得冷却效率得到提高，并可以显著地降低蒸汽爆炸的可能性。

下面参照图2至5说明具有上述结构的用于冷却熔化的堆芯材料的装置的操作及其方法。

该方法包括步骤1：将熔化的堆芯材料保留在反应堆安全壳建筑物的腔内，以限制其通过(流道)，并且将熔化的堆芯材料与玻璃材料混合以降低热生成密度。

在核电站发生严重事故时，步骤1的实施是通过：保留由于反应堆安全壳建筑物1的腔内的堆芯熔炉而在反应堆容器10下方释放的熔化的堆芯材料5，以限制其通过，并且将熔化的堆芯材料5与玻璃材料混合以首次降低热生成密度。

为此目的，见图2，玻璃材料混合部分20包括安装在反应堆容器10下方的支承板21。这里，支承板21可以预定角α倾斜，使得已经通过反应堆容器10的熔化的堆芯材料5可以与玻璃材料层22的玻璃材料混合，然后向下流到反应堆安全壳建筑物1的下部。因此，具有预定厚度的玻璃材料层22被设置在支承板21的上表面，以使熔化的堆芯材料5能与该玻璃材料混合。

安装在倾斜支承板21下端的挡壁23阻止形成于支承板21上表面上的玻璃材料在正常的时候流下，但当严重事故发生时，挡壁被高温的熔化的堆芯材料5熔化，使得与玻璃材料混合的熔化的堆芯材料5可以流向下部。

其次，冷却该熔化的堆芯材料的方法包括步骤2：使与玻璃材料混合的熔化的堆芯材料往下流到堆叠在下部的冷却水保留罐30，以便与冷却水保留罐30内的含惰性气体32的冷却水33接触，从而冷却该混合的熔化的堆芯材料。

步骤2是通过惰性气体32和冷却水33进行的冷却步骤。与玻璃材料混合的熔化的堆芯材料5往下流到堆叠在玻璃材料混合部分20下方的冷却水保留罐30，冷却水保留罐30的罐体31在接触高温的熔化的堆芯材料5时熔化，然后熔化的堆芯材料通过与冷却水保留罐30内的含惰性气体32的冷却水33相互作用而被冷却。

这里，冷却水保留罐30相对于反应堆安全壳建筑物1的底部形成预定角β，并多层堆叠。因此，熔化的堆芯材料5在向下流动的过程中可以被第一层的冷却水保留罐30冷却，然后又被第二层的冷却水保留罐30冷却，这样逐步顺序地被下层的冷却水保留罐冷却。

如上所述，本发明将熔化的堆芯材料5首先与玻璃材料混合以降低热生成密度，然后使熔化的堆芯材料与堆叠的冷却水保留罐30接触以降低其温度。因此，冷却可以有效地进行，而蒸汽爆炸的危险可以显著地降低。

在步骤2之后，即顺序流过堆叠的冷却水保留罐30的熔化的堆芯材料5被冷却之后，本发明可以另外地进行步骤3：打开冷却水供应部分40的阀41，并通过冷却水通道42从冷却水贮槽43提供冷却水，借此从熔化的堆芯材料中移除衰变热。

在步骤3中，当打开冷却水供应部分40的阀41时，通过冷却水通道42从冷却水贮槽43提供冷却水，以使熔化的堆芯材料5的衰变热可以被完全移除。

与按照相关领域的用泵提供冷却水的强制(主动)系统不同，根据本发明的用冷却水冷却和移除衰变热的过程是自然(被动)地进行，因此当发生严重事故时，可以在提高可靠性的情况下进行彻底的处理。

在上述冷却过程中由于冷却水与熔化的堆芯材料5之间相互作用而产生的蒸汽被从反应堆腔排到反应堆安全壳建筑物1内的空气中，并且在反应堆安全壳建筑物1的高于反应堆容器10的表面上冷凝。然后，冷凝水能够沿着反应堆安全壳建筑物1的高于反应堆容器10的表面流下，经过过滤装置44，然后流回到冷却水贮槽43。

如上所述，本发明提供了用以有效地移除衰变热的冷却水供应部分40，此外还循环利用冷却水，这对于长期冷却是非常有效的。

尽管为了说明，已披露了本发明优选的具体实施方式，但本领域技术人员可以理解：在不偏离本发明所附权利要求所限定的范围和精神的情况下，可以对实施方案作出各种改变和等效替换。尤其是，虽然对本发明的组件可以进行各种材料变换，功能增加，形状变化或尺寸变化，但显然这些都落在本发明的权利范围内。

工业应用

用于冷却熔化的堆芯材料的装置和方法通过先将已经经过反应堆容器10的熔化的堆芯材料5与玻璃材料混合，以降低熔化的堆芯材料5的热生成密度，并且通过使熔化的堆芯材料5流到装有惰性气体的冷却水保留罐30，以防止蒸汽爆炸并有效地冷却熔化的堆芯材料5。

进一步地，本发明提供了冷却水供应部分40，以便完全移除来自熔化的堆芯材料5的衰变热。

另外，通过冷却水的冷却和衰变热的移除过程是自然(被动)进行的，因此，当发生严重事故时，可以高度可靠地采取措施。

Claims (12)

1.一种用于保留和冷却由于熔炉从反应堆容器释放出的熔化的堆芯材料的装置，所述装置包括：

板形的玻璃材料混合部分，其形成于所述反应堆容器的下部并且在其上表面具有玻璃材料层，以使已经通过所述反应堆容器的熔化的堆芯材料与玻璃材料混合，以降低热生成密度；以及

多个冷却水保留罐，在所述玻璃材料混合部分的下方以多层的形式堆叠，所述冷却水保留罐内装有含惰性气体的冷却水，用于冷却高温的所述熔化的堆芯材料。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：设置在所述玻璃材料混合部分和所述冷却水保留罐一侧的冷却水供应部分，所述冷却水供应部分包括冷却水贮槽，以及形成于所述冷却水贮槽一侧的通道和阀，以便通过向已被所述冷却水保留罐内的冷却水降温的所述熔化的堆芯材料另外提供所述冷却水而移除衰变热，从而进行长期冷却。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述玻璃材料混合部分包括：

安装在所述反应堆容器下部的支承板，所述支承板以预定角度倾斜，并且由即使在接触所述熔化的堆芯材料时也不熔化的材料制成；

在所述支承板的上表面上以预定厚度形成的玻璃材料层；以及

安装在倾斜的所述支承板下端的挡壁，所述挡壁由在接触所述熔化的堆芯材料时熔化的材料制成，用以防止在所述支承板上表面上形成的所述玻璃材料向下流动。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述玻璃材料层由玻璃或石墨制成。

5.根据权利要求1所述的装置，其中每个所述冷却水保留罐的罐体由在接触高温的熔化的堆芯材料时熔化的材料制成。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述冷却水保留罐以多层的形式并以相对于反应堆安全壳建筑物的底部的一预定坡度进行堆叠。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述冷却水供应部分的结构为当打开所述阀并且所述冷却水通过在所述冷却水贮槽一侧形成的通道提供给被冷却的熔化的堆芯材料时移除衰变热，并且使在冷却水贮槽的上面形成的冷凝水通过过滤装置流回到所述冷却水贮槽。

8.一种用于保留和冷却由于熔炉从反应堆容器释放出的熔化的堆芯材料的方法，所述方法包括下述步骤：

(1)将所述熔化的堆芯材料保留在反应堆安全壳建筑物的腔内，以限制其通过，并且将所述熔化的堆芯材料与玻璃材料混合以降低热生成密度；以及

(2)使与所述玻璃材料混合的所述熔化的堆芯材料向下流到堆叠在下方的冷却水保留罐，并使所述混合物与所述冷却水保留罐中含有惰性气体的冷却水接触，从而冷却所述熔化的堆芯材料。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述步骤(2)之后的步骤：

(3)打开冷却水供应部分的阀，以经过通道提供来自冷却水贮槽的冷却水，从而从所述熔化的堆芯材料移除衰变热，由此达到长期冷却。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤：使来自冷凝蒸汽的水流回到所述冷却水贮槽，从而使所述冷却水循环，其中所述蒸汽通过所述冷却水与所述熔化的堆芯材料的相互作用产生。

11.根据权利要求8所述的方法，其中进行所述步骤(1)以便将所述熔化的堆芯材料与玻璃材料层的所述玻璃材料混合，其中所述玻璃材料层形成于以预定角度倾斜并在所述反应堆容器下方的支承板的上表面上。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述步骤(2)的实施如下：

使与所述玻璃材料混合的所述熔化的堆芯材料向下流到所述冷却水保留罐，其中所述保留罐相对于反应堆安全壳建筑物的底部有一预定的坡度并且以多层形式堆叠在所述反应堆安全壳建筑物的下部；以及使所述混合物沿着所述预定坡度顺序地流动，以便熔化所述冷却水保留罐并接触所述冷却水保留罐中含有惰性气体的所述冷却水。

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