CN204740866U - 外表面布置凸起部的核反应堆压力容器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种外表面布置凸起部的核反应堆压力容器。该外表面布置凸起部的核反应堆压力容器包括：筒体，所述筒体内限定出容纳空间；以及凸起部，所述凸起部布置在所述筒体的外表面上，所述凸起部的高度为1-5mm；布置凸起部区域的筒体外表面的面积增加率达50％以上。本实用新型的核反应堆压力容器外表面布置凸起部，能够显著增加严重事故下核反应堆压力容器外表面的沸腾换热面积并形成大量的汽化核心，明显提高沸腾换热表面的润湿性，因而可以显著强化严重事故下核反应堆压力容器外表面的沸腾换热和提高沸腾换热临界热流密度，从而显著提高核反应堆压力容器的安全可靠性。

Description

外表面布置凸起部的核反应堆压力容器

技术领域

本实用新型涉及换热技术领域，具体地，涉及一种外表面密集布置毫米级凸起部的核反应堆压力容器。

背景技术

大型核电站核反应堆在发生严重事故时可能导致堆芯熔化，熔融物在重力作用下落入压力容器下封头内。将熔融物冷却和持留在反应堆压力容器内是缓解事故进程的关键措施。通过向反应堆腔室充水，使压力容器的下部浸没，在压力容器的外表面进行池内沸腾冷却，是缓解严重事故的一项重要措施。利用压力容器外侧水的沸腾换热和非能动自然循环流动，将压力容器下封头内熔融物的衰变热带走，从而保持压力容器的完整性，避免和延缓后续后果更为严重的事故进程的发生以及核泄漏造成的大量放射性物质向环境的释放。

由于核电站核反应堆的大型化和安全性的更高要求，在严重事故下，现有核反应堆压力容器外部沸腾换热冷却的换热性能，特别是非能动冷却的沸腾换热临界热流密度，还有待于进一步提高。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种可显著增强核反应堆压力容器外部沸腾换热冷却性能的外表面密集布置毫米级凸起部的核反应堆压力容器，同时该外表面密集布置毫米级凸起部的核反应堆压力容器还具有易于制造、寿命长、安全可靠的特点。

需要说明的是，本实用新型专利是基于发明人的下列工作而完成的：

在严重事故下，核反应堆压力容器外的沸腾换热冷却性能，是影响压力容器安全性的重要性能之一。如图1所示，当反应堆发生严重事故时堆芯发生融化，堆芯熔融物300落入反应堆压力容器1000下部，此时依靠重力等非能动方式向反应堆安全壳2000内注入冷却水使得整个压力容器1000淹没，从而对压力容器1000的外壁面进行池内沸腾换热冷却。通过保证承接堆芯熔融物300的压力容器下部外壁的热流通量没有超过沸腾换热临界热流密度(简称CHF)，反应堆压力容器1000外壁面通过核态沸腾换热的方式得到充分的冷却，进而可以保证反应堆压力容器1000的完整性，阻止核燃料等的泄漏，保证核电站的安全。发明人经反复研究发现，在反应堆压力容器1000外壁面密集设置凸起部200，可以显著提高外表面的CHF，从而显著提高核电站安全性。

因而，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种外表面布置凸起部的核反应堆压力容器。根据本实用新型的实施例，该核反应堆压力容器包括：筒体，所述筒体内限定出容纳空间；以及凸起部，所述凸起部设置在所述筒体的外表面上，其中，所述凸起部的高度为1-5mm，所述凸起部分布区域的外表面的面积增加率达50％以上。

根据本实用新型的实施例，核反应堆压力容器外表面布置的毫米级凸起部能够显著增加严重事故下的核反应堆压力容器外的沸腾换热面积并形成大量的汽化核心，有效降低压力容器的壁面过热度；同时，凸起部还利用毛细力吸入冷却水，不断润湿沸腾换热表面，大大延迟沸腾危机的出现，显著强化沸腾换热过程和提高CHF，进而，显著提高压力容器的安全可靠性。

另外，根据本实用新型上述实施例的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，还可以具有如下附加的技术特征：

任选地，沿所述筒体的轴向方向，所述筒体自上而下限定出上部壳体和下部散热增强区域壳体，其中，所述凸起部布置在所述下部散热增强区域壳体的外表面上。由此，熔融物在重力作用下落入压力容器的下部散热增强区域壳体的内容纳空间内，在该下部散热增强区的壳体的外表面设置毫米级凸起部，可以显著提高严重事故下核反应堆压力容器的换热性能，也就是在严重事故下显著强化核反应堆压力容器外沸腾换热过程和提高CHF，进而，显著提高压力容器的安全可靠性。

任选地，所述凸起部的高度为1-3mm。由此，凸起部的高度越小，相对于核反应堆压力容器的200mm以上的厚度，对核反应堆压力容器的强度影响更小，但为保证较好的散热效率，凸起部高度不低于1mm。

任选地，所述凸起部的当量宽度为0.5-5mm，其中，所述当量宽度为4×所述凸起部中位的横截面的面积/所述凸起部中位横截面的周长。

任选地，相邻两个所述凸起部的间距为所述凸起部的当量宽度的1.5-2倍。由此，核反应堆压力容器换热面积显著增加，在凸起部的外表面易于形成大量汽化核心，并易于湿润压力容器外表面，核反应堆压力容器的换热性能高。

任选地，所述下部散热增强区域壳体的表面积增加率为50％-500％。由此，毫米级凸起部不仅可以显著增加换热面积，而且毫米级凸起部之间的凹槽距离适中，大大增强换热表面的冷却液体润湿性，显著强化严重事故下核反应堆压力容器外表面的沸腾换热和提高沸腾换热临界热流密度，从而显著提高核反应堆压力容器的安全可靠性。

任选地，所述凸起部的形状为选自方柱体、圆柱体、三角形柱体、圆柱体、半球体、椭球体、波浪状和锯齿状的至少一种。由此，可以通过改变凸起部的形状，明显提高核反应堆压力容器的换热性能。

任选地，所述核反应堆压力容器进一步包括：多孔涂层，所述多孔涂层设置在所述散热增强区域壳体的外表面并且覆盖所述凸起部。由此，多孔涂层的存在使得凸起部的润湿性更好并增加汽化核心，进一步提高沸腾换热性能和临界热流密度。

任选地，所述多孔涂层的平均厚度为10-50μm。由此，凸起部和多孔涂层形成二元复合强化沸腾换热结构，更有利于液体润湿沸腾换热表面，沸腾换热性能更佳和临界热流密度更大。

根据本实用新型实施例的核反应堆压力容器至少具有下列优点之一：

(1)在大型核反应堆压力容器筒体的外表面密集布置毫米级凸起部，可以显著增加沸腾换热面积并形成大量的汽化核心，有效降低壁面过热度和强化沸腾换热；

(2)外表面密集布置毫米级凸起部还可利用毛细力吸入冷却水，不断润湿沸腾换热表面，大大延迟临界危机的出现，显著强化沸腾换热过程和提高临界沸腾热流密度，从而可以显著提高核反应堆压力容器的安全可靠性。

(3)外表面密集布置毫米级凸起部的压力容器，强度高，可靠性好，在制造、运输、安装和运行与维护过程中可保持长期的可靠性，从而可以显著提高核反应堆压力容器的安全性和可靠性。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本实用新型一个实施例的外表面密集布置毫米级凸起部的核反应堆压力容器的工作原理示意图；

图2显示了根据本实用新型一个实施例的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器的三维结构示意图；

图3显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的三维结构示意图；

图4显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的纵切面示意图；

图5显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的三维结构示意图；

图6显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的三维结构示意图；

图7显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的三维结构示意图；

图8显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的三维结构示意图；

图9显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的三维结构示意图；以及

图10显示了根据本实用新型一个实施例的表面覆盖多孔涂层的凸起部的纵切面示意图；

图11显示了根据本实用新型一个实施例的凸起部的三维结构示意图。

附图标记：

核反应堆压力反应器1000；

筒体100；毫米级凸起部200；熔融物300；沸腾气泡400；多孔涂层500；上部壳体600；下部散热增强区域壳体700；半球形区域壳体800；圆柱形筒体的下部区域壳体900；

安全壳2000。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种外表面布置凸起部的核反应堆压力容器。参考图2和3，其中图3为图2的压力容器表面的网格区域的放大图，根据本实用新型的实施例，该核反应堆压力容器1000包括：筒体100和凸起部200，其中，筒体100内限定出容纳空间，凸起部200密集布置在筒体100的外表面，该凸起部的高度为1-5mm，使得凸起部分布区域的的的外表面的表面积增加50％以上。

其中，需要说明的是，如果凸起部连续分布于筒体的一个部位，本实用新型中“凸起部分布区域”是指在筒体上能够涵盖所有凸起部的面积最小的区域。如果凸起部离散分部于筒体的几个不同部位，则凸起部分布区域按各分布部位分别进行划分。如图11所示，凸起部分部于S1和S2两个部位，凸起布分部区域指图中方框S1和S2界定的区域之和。进一步地，“凸起部分布区域的外表面的面积增加率”是凸起部分布区域的外表面面积与其在筒体上形成的投影面积相比，本发明中，该凸起部分布区域的外表面的面积增加率达50％以上。

根据本实用新型的实施例，密集布置的毫米级凸起部能够显著增加核反应堆压力容器的沸腾换热面积，并在毫米级凸起部周边的凹槽处形成大量的汽化核心，从而有效降低壁面过热度和强化沸腾换热；同时，凸起部还可以利用毛细力吸入冷却水，不断润湿沸腾换热表面，大大延迟临界危机的出现，显著强化沸腾换热过程和提高临界沸腾热流密度，进而，提高压力容器的安全可靠性，保障核电站的安全。

根据本实用新型的一些实施例，凸起部200的高度为1-3mm。由此，凸起部的高度越小，相对于核反应堆压力容器的200mm以上的厚度，对核反应堆压力容器的强度影响更小，但为保证较好的散热效率，凸起部高度不低于1mm。

如图2所示，根据本实用新型的具体实施例，沿筒体100的轴向方向，筒体100自上而下限定出上部壳体600和下部散热增强区域壳体700，其中，凸起部200形成在下部散热增强区域壳体700的外表面。如图1所示，严重事故时可能导致堆芯熔化，熔融物300在重力作用下落入压力容器1000的容器内部，根据本实用新型的实施例，将散热增强区域壳体700高度设置为不低于熔融物300在压力容器1000内的液面高度，熔融物300的热量通过散热增强区域的外表面进行换热，散热增强区域壳体700外表面的布置的凸起部200可以显著增强沸腾换热，并提高其非能动冷却的能力从而提高核电站的安全性。由此，如图2所示，散热增强区域壳体700可以为至少包括筒体底部的半球形区域壳体800，优选地，可以至少包括筒体底部的半球形区域壳体800和圆柱形筒体的下部区域壳体900。由此，熔融物在重力作用下落入压力容器的下部，在该下部散热增强区外表面布置凸起部，可以显著提高核反应堆压力容器在事故下外冷却的换热性能。

根据本实用新型的具体实施例，反应堆压力容器可以包括多个下部散热增强区域壳体700，其中，密集布置的凸起部在下部散热增强区壳体700的外表面可以是均匀分布，也可以是非均匀分布。

影响核反应堆压力容器在严重事故下沸腾换热的核心问题在于解决沸腾过程中产生的气泡脱离和冷却液体的迅速润湿换热表面之间的动态平衡，布置的凸起部的结构参数主要依据气泡脱离直径和冷却液体的润湿性进行优化选取。布置的凸起部不仅可以大幅增加换热面积，而且凸起部之间的凹槽有利于冷却液体润湿换热表面。凸起部的尺寸和凸起部的间距直接影响换热面积的增加率和换热表面的润湿性。

参考图4，根据本实用新型的一些实施例，对凸起部200的结构进行详细描述，具体如下：

根据本实用新型的具体实施例，凸起部200的当量宽度为0.5-5mm，其中，该当量宽度为4×凸起部200中位的横截面积/凸起部200中位横截面的周长，所述中位是指凸起部200高度的1/2位置处。凸起部200的当量宽度过大时，例如大于5mm，单位换热面积增加率有限，同时单位面积内的凹槽数量有限，无法形成气泡顺畅脱离、冷却液体迅速润湿表面的高效高热流对流输运；凸起部200的当量宽度过小时，例如小于0.5mm，虽然可以大幅增加单位换热面积，但相邻凸起部200之间形成的较密、较细的凹槽部增加了冷却液体润湿换热表面的阻力，导致冷却液体润湿大尺度的压力容器外表面的效率降低，同时较小的凹槽结构不利于气泡脱离。由此，凸起部200的当量宽度为0.5-5mm时，从而在大幅增加换热面积的基础上，亦能有效的润湿换热表明。在严重事故刚开始的阶段，压力容器外表面壁面过热度较低时，凸起部200的即可形成大量汽化核心，并易于湿润压力容器外表面，核反应堆压力容器的换热性能高，及时将堆内熔融物的热量散走。在高热流密度时，大幅增加的换热面积和高效的润湿性，能够避免临界危机的发生。

根据本实用新型的具体实施例，相邻两个凸起部200的间距为凸起部200的当量宽度的1.5-2倍。由此，核反应堆压力容器换热面积显著增加，凸起部之间的凹槽相互连通易于冷却液体湿润压力容器外表面，大幅提高临界沸腾热流密度，从而提高核反应堆压力容器外冷却的换热性能。

根据本实用新型的具体实施例，下部散热增强区域壳体700外表面的表面积增加率为50％-500％。由此，在密集布置的毫米级凸起部不仅可以增加换热面积，而且凸起部之间的凹槽距离适中，冷却液体润湿换热表面的能力显著增强，从而可以显著提高沸腾换热性能。

本实用新型的凸起部的高度是发明人经大量研究得到的，电子器件芯片中也存在利用凸起部散热的情况，但本实用新型的凸起部与芯片冷却中小尺度换热表面朝上布置的凸起部有显著的差异，具体如下：第一，芯片冷却的换热表面较小，气泡难以长成大气膜且容易逃逸，冷却液体润湿换热表面相对高效；第二，芯片的换热表面朝上布置，气泡相比于朝下布置的换热表面更易于脱离；第三，采用流动沸腾冷却的方式等因素，芯片冷却的换热表面中布置的凸起部的特征结构为微米级。而对于本实用新型的大尺度压力容器朝下筒体外表面的高热流密度沸腾换热，如果朝下布置的微米级凸起部，则存在气泡脱离困难、冷却液体润湿性减弱且流动阻力大，导致高热流密度情况下润湿效率较低等不足问题。因此，针对大尺度朝下半球形外表面的强化沸腾换热，发明人进行了大量研究表明，凸起部的高度设置为至多5mm，优选地，高度为1-3mm，由此，凸起部的高度越小，相对于核反应堆压力容器的200mm以上的厚度，对核反应堆压力容器的强度影响更小，但为保证较好的散热效率，凸起部高度不低于1mm。毫米级凸起部的密集布置能大幅增加沸腾换热面积，同时易于形成大量汽化核心，湿润压力容器外表面，显著增强CHF，提高核电站的安全性。

根据本实用新型的具体实施例，凸起部的形状不受特别的限制，只要能大幅增加散热面积，易于形成汽化核心即可。参考图3和图5至图9，凸起部200的形状为选自方柱体、圆柱体、三角形柱体、圆柱体、半球体、椭球体、波浪状和锯齿状的至少一种。由此，可以通过改变凸起部的形状，增加沸腾换热面积，提高冷却液的润湿性，从而提高核反应堆压力容器在严重事故下的沸腾换热性能。此外，凸起部200和筒体100外壁相接处均有圆角过渡。由此，不易产生裂纹，凸起部产生的应力集中较小。并且，凸起部的结构形式可以多种多样，既可以是单一形状，也可以是几种不同形状凸起部的组合。根据本实用新型的实施例，凸起部可以通过机加工、激光加工、点火花加工、超声波加工和3D打印等方式制造加工。

根据本实用新型的一个实施例，如图3和图4所示，凸起部200的宽度b为1mm，中心间距a为2mm，中心间距a与宽度b之比a/b＝2，凸起部的高度k为1mm，凸起部的面积增加率大约为100％。

参考图10，根据本实用新型的具体实施例，该核反应堆压力容器1000进一步包括：多孔涂层500，该多孔涂层500设置在散热增强区域壳体700的外表面并且覆盖凸起部200。

根据本实用新型的一些实施例，多孔涂层500的种类不受特别的限制，只要能增加沸腾换热汽化核心，同时提高沸腾换热表明的润湿性，强化换热即可。优选地，多孔涂层为选自烧结金属颗粒多孔涂层、烧结金属泡沫多孔涂层、钎焊、火焰喷涂或者腐蚀多孔层等的至少一种。由此，换热表面的沸腾换热汽化核心越多和润湿性越好，强化沸腾换热效果好，临界热流密度高。

根据本实用新型的具体实施例，多孔涂层500的平均厚度为10-50μm。由此，凸起部和多孔涂层形成二元复合强化沸腾换热结构，更加有效的增加沸腾换热汽化核心，更有利于液体润湿沸腾换热表面，沸腾换热性能更佳和临界热流密度更大，可靠性更佳，从而可以很好地解决现有多孔涂层表面结构的可靠性不足的问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，包括：

筒体，所述筒体内限定出容纳空间；以及

凸起部，所述凸起部布置在所述筒体的外表面上，其中，所述凸起部的高度为1-5mm，所述凸起部分布区域的外表面的面积增加率达50％以上。

2.根据权利要求1所述的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，其特征在于，沿所述筒体的轴向方向，所述筒体自上而下限定出上部壳体和下部散热增强区域壳体，其中，所述凸起部布置在所述下部散热增强区域壳体的外表面。

3.根据权利要求1所述的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，其特征在于，所述凸起部的高度为1-3mm。

4.根据权利要求1所述的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，其特征在于，所述凸起部的当量宽度为0.5-5mm，其中，所述当量宽度为4×所述凸起部中位的横截面的面积/所述凸起部中位横截面的周长。

5.根据权利要求4所述的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，其特征在于，相邻两个所述凸起部的间距为所述凸起部的当量宽度的1.5-2倍。

6.根据权利要求1所述的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，其特征在于，所述凸起部的形状为选自方柱体、圆柱体、三角形柱体、圆柱体、半球体、椭球体、波浪状和锯齿状的至少一种。

7.根据权利要求2所述的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，其特征在于，进一步包括：

多孔涂层，所述多孔涂层设置在所述下部散热增强区域壳体的外表面并且覆盖所述凸起部。

8.根据权利要求7所述的外表面布置凸起部的核反应堆压力容器，其特征在于，所述多孔涂层的平均厚度为10-50μm。