CN205104239U - 堆芯捕集器 - Google Patents

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梁振辉
徐海岩
张利
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Abstract

本实用新型公开一种堆芯捕集器，包括壳体、冷却通道及定位格架；冷却通道包括水平通道及与水平通道相连通的多个呈棒状的竖直通道，水平通道设于壳体的底部并与冷却剂进口相连通，竖直通道容置于壳体内并向壳体的顶部延伸，相邻的竖直通道之间形成熔融物填充通道；定位格架套设于竖直通道外并固定于壳体的内壁，定位格架上开设有连通熔融物填充通道的过流孔。该堆芯捕集器通过冷却剂饱和沸腾的方式实现热量的导出，具有结构简单、体积小、造价低、冷却效果好的优点；同时竖直通道的棒状结构设计，大大增加了换热面积，降低了其周向受力不均匀的风险，增加了竖直通道的强度，同时竖直通道的数目灵活可调，适应性强。

Description

堆芯捕集器
技术领域
本实用新型涉及核电站安全设备领域，尤其涉及一种在反应堆严重事故情况下对堆芯熔融物进行堆外冷却固化的装置。
背景技术
时至今日，核电已成为世界上许多国家的重要能源组成部分。然而，核电具有极高利用价值的同时，也可能带来很大的危害，在利用核电的过程中，如果保护不当而出现核泄漏等重大事故，将会对核电厂周边环境乃至全人类带来极其严重的核污染灾害。
目前的核电站中，核反应堆的结构是在安全壳中形成反应堆堆腔，在堆腔中设置压力容器。当反应堆发生严重事故时，堆芯的熔融物会融穿压力容器外壳，从而可能发生极为严重的核泄漏事故。为防止堆芯熔融物的泄漏，目前的常规做法是使用堆芯熔融物堆外冷却固化装置(也叫堆芯捕集器)，常见的有以下几种：
一种是在压力容器的外侧设置扩展室，扩展室的下方设有冷却水道，当堆芯熔融物熔穿下封头后，熔融物流入扩展室，利用扩展室的大面积平面对熔融物进行冷却，冷却水道内的冷却水可对熔融物进行冷却以防止扩展室被融穿。但这种结构采用一个面积很大的平面来进行熔融物摊平，以增大熔融物的冷却面积，加快熔融物的冷却速度，但这样的设计意味着要占据安全壳下部很大的面积和空间，进而造价较高，也增加了设计难度。
另一种方式是在压力容器的下方设置桶状的收集器，在收集器内设置可融化的牺牲材料，收集器外设有冷却水道，熔融物流入收集器后与其内设置的牺牲材料相互作用，熔融物在融化牺牲材料的过程中被逐渐降温。由于收集器的形状限制，导致仅依靠收集器的壁面带走熔融物的衰变热，传热面积小，导致传热量小，特别是中部熔融物汇集后冷却明显不足。
再一种方式是在压力容器的下方设置收集器，收集器的外部设有冷却水道，收集器的内部设有混凝土底板，并在收集器的底部设置喷嘴，且喷嘴的上端伸入堆腔混凝土底板，喷嘴的下端伸入冷却水道。熔融物流入收集器后，先与混凝土底板发生相互作用导致混凝土不断消融，混凝土底板起到了牺牲材料的作用，在一定程度上降低堆芯熔融物的温度；当熔融物将喷嘴的上端熔化后，冷却水道内的冷却水通过喷嘴注入，实现了熔融物的底部注水，能够对熔融物实施快速冷却。但熔融物与冷却水直接接触时，瞬间产生大量蒸汽会造成安全壳压力瞬间升高以致破坏，甚至会产生蒸汽爆炸，从而造成严重后果。
因此，有必要提供一种结构简单、体积小、传热效果好、造价低的非能动堆芯捕集器，以解决上述现有技术的不足。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、体积小、传热效果好、造价低的堆芯捕集器。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：提供一种堆芯捕集器，其包括壳体、冷却通道及定位格架；所述壳体设于压力容器的下方，所述壳体呈中空结构且顶部开口，所述壳体的底部设有冷却剂进口，所述壳体的上端还设有冷却剂出口；所述冷却通道包括水平通道及与所述水平通道相连通的多个呈棒状的竖直通道，所述水平通道设于所述壳体的底部并与所述冷却剂进口相连通，所述竖直通道容置于所述壳体内并向所述壳体的顶部延伸，相邻的所述竖直通道之间形成熔融物填充通道；所述定位格架套设于所述竖直通道外并固定于所述壳体的内壁，且所述定位格架上开设有连通所述熔融物填充通道的过流孔。
较佳地，所述竖直通道的底端与所述水平通道相连通，所述竖直通道的顶端盖设有呈圆锥形的顶帽，所述顶帽上开设有连通所述竖直通道和所述壳体的中空结构的通气孔。
较佳地，所述顶帽的底面积大于所述竖直通道的横截面积，所述通气孔开设于所述顶帽的底面，且所述通气孔位于所述顶帽的底面边缘与所述竖直通道的外缘之间。
较佳地，所述壳体内设置有一底板，所述底板与所述壳体的底面之间形成所述水平通道，所述竖直通道的侧壁固定于所述底板。
较佳地，所述竖直通道的侧壁包括钢管及包设于所述钢管外的耐高温层。
较佳地，多个所述竖直通道呈正方形或三角形排列。
较佳地，所述定位格架上开设有与所述竖直通道相对应的安装孔，所述安装孔套设于所述竖直通道的侧壁外。
较佳地，所述定位格架包括钢板层及盖设于所述钢板层上方的陶瓷层。
较佳地，所述壳体的内壁面覆盖有陶瓷隔热层。
较佳地，所述冷却剂进口通过第一管道连通设于所述壳体外的换料水箱的底部，且所述换料水箱的位置高于所述水平通道的位置。
较佳地，所述冷却剂出口通过第二管道连通设于所述壳体外的换料水箱的顶部，且所述第二管道伸入所述换料水箱内的冷却剂液面以下。
较佳地，所述堆芯捕集器还包括导流结构，所述导流结构设于所述压力容器与所述壳体之间，且所述导流结构与所述壳体的中空结构相连通，用于将堆芯熔融物导入所述壳体内。
较佳地，所述导流结构包括依次连接的直管段、倾斜段及水平段，所述直管段的上端包覆于所述压力容器的下端，所述水平段开设有通孔。
与现有技术相比，由于本实用新型的堆芯捕集器，其竖直通道的棒状结构设计，一方面大大增加了换热面积，另一方面降低了其周向受力不均匀的风险，特别是大大降低了边角热应力不均匀可能造成的耐高温材料层损坏的风险，增加了竖直通道的强度；且，棒状竖直通道通过定位格架固定，增强了其稳定性，降低了由堆芯熔融物下落瞬间冲垮部分竖直通道的可能性。另外，棒状竖直通道的数量可以根据实际需要进行调整，从而灵活改变单位体积内的换热面积，以灵活适应不同功率反应堆的需要，从而保证堆芯熔融物在一定时间内实现冷却固化，具有结构简单、占用面积和空间小、冷却速度适中的优点，使堆芯熔融物冷却固化过程中的安全性进一步提高，且堆芯捕集器的造价低。再者，由于传热面积是以单元为基础来变化的，因此，不需要进行整个装置的模化实验，使实验验证研究过程得以简化。
附图说明
图1是本实用新型堆芯捕集器的结构示意图。
图2是图1中冷却通道呈三角形排列的示意图。
图3是图1中冷却通道呈正方形排列的示意图。
图4是图1中竖直通道的管体的结构示意图。
图5是图4的部分剖视图。
图6是图1中定位格架的部分放大示意图。
图7是图6中定位格架的钢板层的俯视图。
图8是图6中定位格架的陶瓷层的俯视图。
图9是图1中壳体的部分放大示意图。
图10是本实用新型堆芯捕集器的使用状态示意图。
图11是本实用新型堆芯捕集器的冷却过程示意图一。
图12是本实用新型堆芯捕集器的冷却过程示意图二。
图13是本实用新型堆芯捕集器的冷却过程示意图三。
图14是本实用新型堆芯捕集器的冷却过程示意图四。
具体实施方式
现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1所示，本实用新型所提供的堆芯捕集器100，包括壳体110、冷却通道120、定位格架130及换料水箱140。其中，壳体110设于压力容器200的下方，冷却通道120、定位格架130均设于壳体110内，且定位格架130固定于壳体110的内壁，换料水箱140设于壳体110的外侧并与壳体110相连通。
具体地，壳体110呈中空结构且顶部开口，壳体110的底部设有冷却剂进口111，壳体110的上端的侧壁上开设有冷却剂出口112，堆芯熔融物通过壳体110的顶部开口流入壳体110内部。换料水箱140设于壳体110的一侧且其内具有冷却剂，换料水箱140的位置高于冷却剂进口111的位置；换料水箱140的底部通过第一管道141连通冷却剂进口111，换料水箱140的顶部设有第二管道142，该第二管道142的一端伸入换料水箱140内的冷却剂液面以下，第二管道142的另一端连通冷却剂出口112；且第一管道141上设有阀门143。这样，换料水箱140内的冷却剂可以非能动地注入冷却剂进口111，而壳体110内经换热汽化后的冷却剂可通过第二管道142排出至换料水箱140内进行冷凝。
当然，冷却剂出口112也可以连接到其它地方进行冷凝，此为本领域技术人员所熟知的技术。
继续参看图1所示，所述冷却通道120包括水平通道121及与水平通道121相连通的多个呈棒状的竖直通道122，水平通道121设于壳体110的底部并与冷却剂进口111相连通，竖直通道122容置于壳体110内并向壳体110的顶部延伸，定位格架130套设于竖直通道122外并固定于壳体110的内壁，以增强竖直通道122的稳定性。且，相邻的竖直通道122之间形成熔融物填充通道123，熔融物填充通道123均匀分布，可以保证堆芯熔融物的均匀流动，保证冷却速度，从而保证堆芯熔融物在一定时间内实现冷却固化。由于采用棒状结构的竖直通道122，因此能够实现竖直通道122周围的均匀冷却，大大降低应力，增加可靠性。同时，由于冷却通道120的面积大，因此，冷却速度较快。
下面结合图1-3所示，壳体110内设置有一底板124，底板124与壳体110的底面之间形成水平通道121。每一竖直通道122的侧壁的底端均固定于底板124，且多个呈棒状的竖直通道122呈正方形或三角形排列。其中，呈三角形排列的多个竖直通道122相对比较紧凑，能够提供相对较多的冷却通道，如图2所示。呈正方形排列的竖直通道122，可以使堆芯熔融物流动阻力较小，而且定位格架130中熔融物过流孔132(详见后述)的面积比可以相对较大，堆芯熔融物可以较迅速的通过定位格架130并较快地平摊到熔融物填充通道123内，如图3所示。
实际使用中，可以根据堆芯大小及熔融物冷却速度等综合考虑采用何种排列方式，并且棒状竖直通道122的数量可以根据需要进行选择，从而可以灵活改变单位体积内的换热面积，使传热面积可以根据需要按几何数量增减，以灵活适应不同功率反应堆的需要，从而保证堆芯熔融物在一定时间内实现冷却固化，具有结构简单、冷却速度适中的优点。另外，由于传热面积是以单元为基础来变化的，因此，不需要像EPR和VVER那样进行整个装置的模化实验，使实验验证研究过程得以简化。
下面结合图1、4-5所示，底板124上固定有多个呈中空棒状结构的管体125，每一管体125的中空结构形成一竖直通道122，每一竖直通道122均与水平通道121相连通，管体125的外壁之间形成熔融物填充通道123。且每一管体125的顶端均盖设有呈圆锥形的顶帽126，顶帽126上开设有连通竖直通道122和壳体110内部的通气孔127。具体地，顶帽126的底面积大于管体125的横截面积，通气孔127开设于顶帽126的底面，且通气孔127位于顶帽126的底面边缘与管体125的外缘之间。通过圆锥形的顶帽126将竖直通道122的顶部密封，可避免堆芯熔融物落入竖直通道122内，同时有利于堆芯熔融物的下落，而竖直通道122中的蒸气可由通气孔127排出到壳体110的内部，再经冷却剂出口112排出至换料水箱140。
继续参看图5，管体125的侧壁包括钢管1251及包覆于钢管1251外的耐高温层1252，该耐高温层1252优选为陶瓷层。这样，当堆芯熔融物流入熔融物填充通道123后，其热量依次通过陶瓷层、钢管1251向竖直通道122内的冷却剂传递，陶瓷层可保护钢管1251，避免钢管1251与堆芯熔融物直接接触而造成损害；且陶瓷层减缓了传热过程，避免堆芯熔融物迅速冷却产生大量蒸汽而造成安全壳超压，保证堆芯熔融物在一定时间内实现冷却固化。同时，由于竖直通道122的棒状设计，可大大增加换热面积，并改善了管体125周向受力不均匀的问题，特别是大大降低了边角热应力不均匀可能造成的耐高温层1252损坏的风险，增加了竖直通道122的强度。
当然，耐高温层1252并不限于陶瓷层，还可以是其他的耐高温材料层。
下面结合图1、6-8所示，所述定位格架130上分别开设有安装孔131及过流孔132，安装孔131的位置、数量与形成竖直通道122的管体125相对应。安装时，定位格架130上的安装孔131套设于管体125外，且定位格架130固定于壳体110的内壁，并设于邻近顶帽126的位置处(见图1)。通过定位格架130来固定竖直通道122，增强了其稳定性，同时可缓解堆芯熔融物下落时对棒状竖直通道122的冲击，降低了堆芯熔融物下落瞬间冲垮部分竖直通道122的可能性。
本实用新型中，定位格架130包括带孔的钢板层130a及盖设于钢板层130a上方的陶瓷层130b。其中，带孔的钢板层130a的目的在于固定管体125的钢管1251，钢板层130a上开设的安装孔131的孔径略大于所述钢管1251的直径，从而有利于固定，且整个定位格架130的钢板层130a可以由一块整钢板制成，也可以由若干块钢板布置好后再焊接而成，具体情况可以视堆芯大小及安装情况而定；另外，钢板层130a的边缘固定于壳体110的内壁，从而达到固定支撑的作用。陶瓷层130b覆盖于钢板层130a的上方，本实施例中，陶瓷层130b由小块陶瓷组装而成，以便于制作，但不以此为限。陶瓷层130b主要用于避免堆芯熔融物与钢板层130a的大面积直接接触，以免造成钢板层130a的损害。
下面参看图9所示，所述壳体110的内壁面上覆盖有陶瓷隔热层110a，其中，陶瓷隔热层110a可以由多块陶瓷块组装而成，且陶瓷块的形状可相同也可不同。本实施例中，主要采用三种不同形状、结构的陶瓷块通过紧配合形成该隔热层110a，以防止壳体110与堆芯熔融物直接接触而造成损害。
下面再次参看图1所示，所述堆芯捕集器100还包括导流结构150，导流结构150设于压力容器200与壳体110之间，并与壳体110的中空结构相连通，用于将堆芯熔融物导入壳体110。
具体地，导流结构150包括依次连接的直管段151、倾斜段152及水平段153，直管段151的上端包覆于压力容器200的下端，水平段153开设有通孔154，通孔154与壳体110的中空结构相连通，用于将堆芯熔融物导入壳体110内。
可以理解地，堆芯捕集器100还包括一些连接管道、基坑等常规设计，在此不作赘述。
下面结合图10-14所示，对本实用新型堆芯捕集器100的工作原理进行说明。
首先参看图11，系统正常运行时，堆芯捕集器100的水平通道121、竖直通道122内均无冷却剂。
当发生反应堆严重事故时，堆芯熔融物300经过导流结构150进入壳体110的内部，堆芯熔融物300通过定位格架130上的过流孔132而均匀地流入熔融物填充通道123内，如图10、12所示。
此时，第一管道141上的阀门143打开，换料水箱140内的冷却剂经第一管道141自动流入水平通道121内，并逐步注入竖直通道122内，如图13所示。于是，堆芯熔融物的热量依次经耐高温层1252、钢管1251传递到竖直通道122内的冷却剂(如冷却水)，冷却剂被加热沸腾而形成蒸汽，蒸汽通过顶帽126上的通气孔127进入壳体110的内部，并经过冷却剂出口112、第二管道142进入换料水箱140内进行冷凝。通过冷却剂的汽化，冷却剂以饱和沸腾的方式，实现热量的导出，因此，换料水箱140、水平通道121、竖直通道122形成一个非能动的换热循环通道。经换热后完成冷却，实现堆芯熔融物300的固化，如图14所示。
由于本实用新型的堆芯捕集器100，其包括壳体110、设于壳体110内的冷却通道120及用于定位冷却通道120的定位格架130；冷却通道120包括水平通道121及与水平通道121相连通的多个呈棒状的竖直通道122，水平通道121设于壳体110的底部并与冷却剂进口111相连通，竖直通道122容置于壳体110内并向壳体110的顶部延伸，相邻的竖直通道122之间形成熔融物填充通道123；定位格架130套设于竖直通道122外并固定于壳体110的内壁，且定位格架130上开设有连通熔融物填充通道123的过流孔132。严重事故情况下，堆芯熔融物流入壳体110内，并经定位格架130上的过流孔132流入熔融物填充通道123，同时，经水平通道121流入竖直通道122内的冷却剂以饱和沸腾的方式，通过汽化将热量导出至壳体110外，实现堆芯熔融物的冷却固化。通过竖直通道122的棒状结构设计，一方面大大增加了换热面积，另一方面大大降低了其周向受力不均匀的风险，特别是大大降低了边角热应力不均匀可能造成的耐高温材料层损坏的风险，增加了竖直通道122的强度；另外，棒状竖直通道122通过定位格架130固定，增强了其稳定性，降低了由堆芯熔融物下落瞬间冲垮部分竖直通道122的可能性。再者，棒状竖直通道122的数量可以根据实际需要进行调整，从而灵活改变单位体积内的换热面积，以灵活适应不同功率反应堆的需要，从而保证堆芯熔融物在一定时间内实现冷却固化，具有结构简单、占用面积和空间小、冷却速度适中的优点，使堆芯熔融物冷却固化过程中的安全性进一步提高，且堆芯捕集器100的造价低。因传热面积是以单元为基础来变化的，所以不需要进行整个装置的模化实验，使实验验证研究过程得以简化。
以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (13)

1.一种堆芯捕集器，其特征在于：包括
壳体，设于压力容器的下方，所述壳体呈中空结构且顶部开口，所述壳体的底部设有冷却剂进口，所述壳体的上端还设有冷却剂出口；
冷却通道，所述冷却通道包括水平通道及与所述水平通道相连通的多个呈棒状的竖直通道，所述水平通道设于所述壳体的底部并与所述冷却剂进口相连通，所述竖直通道容置于所述壳体内并向所述壳体的顶部延伸，相邻的所述竖直通道之间形成熔融物填充通道；
定位格架，所述定位格架套设于所述竖直通道外并固定于所述壳体的内壁，且所述定位格架上开设有连通所述熔融物填充通道的过流孔。
2.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述竖直通道的底端与所述水平通道相连通，所述竖直通道的顶端盖设有呈圆锥形的顶帽，所述顶帽上开设有连通所述竖直通道和所述壳体的中空结构的通气孔。
3.如权利要求2所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述顶帽的底面积大于所述竖直通道的横截面积，所述通气孔开设于所述顶帽的底面，且所述通气孔位于所述顶帽的底面边缘与所述竖直通道的外缘之间。
4.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述壳体内设置有一底板，所述底板与所述壳体的底面之间形成所述水平通道，所述竖直通道的侧壁固定于所述底板。
5.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述竖直通道的侧壁包括钢管及包设于所述钢管外的耐高温层。
6.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：多个所述竖直通道呈正方形或三角形排列。
7.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述定位格架上开设有与所述竖直通道相对应的安装孔，所述安装孔套设于所述竖直通道的侧壁外。
8.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述定位格架包括钢板层及盖设于所述钢板层上方的陶瓷层。
9.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述壳体的内壁面覆盖有陶瓷隔热层。
10.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述冷却剂进口通过第一管道连通设于所述壳体外的换料水箱的底部，且所述换料水箱的位置高于所述水平通道的位置。
11.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述冷却剂出口通过第二管道连通设于所述壳体外的换料水箱的顶部，且所述第二管道伸入所述换料水箱内的冷却剂液面以下。
12.如权利要求1所述的堆芯捕集器，其特征在于：还包括导流结构，所述导流结构设于所述压力容器与所述壳体之间，且所述导流结构与所述壳体的中空结构相连通，用于将堆芯熔融物导入所述壳体内。
13.如权利要求12所述的堆芯捕集器，其特征在于：所述导流结构包括依次连接的直管段、倾斜段及水平段，所述直管段的上端包覆于所述压力容器的下端，所述水平段开设有通孔。
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