CN108053895A - 一种分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置 - Google Patents

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CN108053895A CN201711077169.7A CN201711077169A CN108053895A CN 108053895 A CN108053895 A CN 108053895A CN 201711077169 A CN201711077169 A CN 201711077169A CN 108053895 A CN108053895 A CN 108053895A
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Abstract

本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置。所述的捕集装置包括堆坑、反应堆压力容器、熔融物滞留容器、坩埚、滞留水箱、冷却水箱和各连接管线,顶部敞口的熔融物滞留容器位于堆坑内，并使反应堆压力容器的下部和底部置于其中，堆坑内位于熔融物滞留容器的下方的空间形成冷却空间；堆坑内，熔融物滞留容器的底板下方设置有坩埚；滞留水箱位于堆坑外，并通过连接管线与堆坑连接；冷却水箱位于堆坑外，并通过连接管线与冷却空间连接。利用本发明的捕集装置，能够通过布置紧凑、冷却效率高的堆芯捕集器方案，籍由熔融物的临时滞留、分装强化冷却实现堆芯熔融物的有效捕集和包容，应对核电站严重事故工况。

Description

一种分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置
技术领域
本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种分装强化冷却的反应堆堆 芯熔融物捕集装置。
背景技术
核电站严重事故始于反应堆燃料组件的大面积熔化，此时作为纵深防御 体系的第一道屏障燃料包壳已经失效，反应堆如不能获得及时的冷却，相关 的堆内构件也会被熔化，并形成堆芯熔融物，落入反应堆压力容器(RPV) 下封头内。在RPV下封头外部冷却不足的情况下，RPV下封头会被熔穿， 即第二道屏障一回路压力边界被突破，堆芯熔融物进入安全壳内。压力容器 熔穿后，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。此时，由于破坏了安全壳的最后一道屏障，进而破坏了安 全壳的完整性，因此会造成放射性物质的大规模释放。
现有应对上述严重事故的策略主要分为堆内熔融物滞留技术(IVR)和堆 外熔融物滞留技术(EVR)两类。
IVR技术主要通过向反应堆堆坑持续注水，保证RPV下封头被淹没，通 过RPV外壁面处的沸腾换热带走堆芯熔融物的衰变热，最终将熔融物滞留在 RPV内。IVR技术最早出现在芬兰的Loviisa VVER-440核电站中，还成功应 用于我国AP600、AP1000、APR1400、CAP1400(国家核电技术有限公司设 计的1400MWe压水堆)和华龙一号(中国核工业集团和中国广核集团联合研 发设计的1000MWe压水堆)的设计中。但该技术中，对堆芯熔融物加载于 RPV内壁面的热流密度的估算争议较大，目前国际主流意见认为IVR技术不 适合于较大功率堆型，如1000MWe以上的堆型。
EVR技术主要通过在RPV外部设置熔融物收集装置，然后在收集装置内 对熔融物进行冷却，并最终实现滞留。EVR技术相比IVR技术，优势在于更 大的操作空间和更灵活的冷却方式，尤其体现在应对较大功率堆型的严重事 故方面。目前已具备工程条件的EVR技术方案主要分为以下4种：1)在熔 融物流到安全壳底板之前，堆坑内先灌满水，形成较深水池，从压力容器中 排出的熔融物随后落入压力容器腔内形成的水池里，通过持续注水实现冷却， 此种技术如北欧的沸水堆；2)采用干式堆坑或仅有少量水的堆坑(形成较浅 水池)，当熔融物流到底板并发生铺展后，持续注入水，保证熔融物被淹没， 实现冷却，此种技术如多数早期二代压水堆和沸水堆；3)通过专设装置将熔 融物在堆坑内临时滞留一定时间，然后转运至大空间内铺展，通过底部间壁 式和/或顶部淹没式冷却实现熔融物的有效滞留，此种技术如EPR的堆芯捕集 器；4)通过在直接堆坑内、RPV正下方布置收集容器，将全部堆芯熔融物限 制在收集容器内，然后通过收集容器外部的冷却水和/或熔融物顶部的冷却水淹没冷却堆芯熔融物，此种技术如VVER1000、ESBWR和EU-APR1400的堆 芯捕集器。
关于堆芯捕集器的研究，国内外产生了很多相关专利。国外专利例如 US4,113,560(Core catcher for nuclear reactor core meltdown containment，美国 麻省理工大学，1978年，该专利可视为EVR的设计雏形)、US4,280,872(Core catcher device，法国***，1981年的专利，该专利将EVR技术提升到 了工程应用的水平)，以及之后众多原理、结构不同的堆芯捕集器专利 US4,442,065、US4,113,560、US4,342,621、US 8,358,732、US6,353,651。国内 专利例如CN201310005308.0(底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆 芯捕集器)、CN201310005342.8(一种大型非能动压水堆核电厂坩埚型堆芯摧 集器)、CN201310005579.6(有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯 捕集器)、CN201310264749.2(大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结 合的装置)、CN201320007203.4(有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂 堆芯捕集器)。
但上述各EVR技术方案存在如下问题：无论深水池还是浅水池的方案， 均存在蒸汽***的风险；单纯的熔融物顶部注水、淹没对熔融物的冷却效果 较差；应用于EPR的堆芯捕集器需要较大的拓展室，且熔融物迁移路径较长、 环节较多；需要较大的布置空间的问题存在于ESBWR和EU-APR1400的堆 芯捕集器方案中，而布置相对紧凑的VVER1000的堆芯捕集器，在实现熔融 物滞留后，至少需要10个月的时间才能将熔融物最终冷却。
发明内容
本发明的目的是提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置， 以能够通过布置紧凑、冷却效率高的堆芯捕集器方案，籍由熔融物的临时滞 留、分装强化冷却实现反应堆堆芯熔融物的有效捕集和包容，从而应对核电 站严重事故工况。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的 反应堆堆芯熔融物捕集装置，所述的捕集装置包括堆坑、反应堆压力容器、 熔融物滞留容器、坩埚、滞留水箱、冷却水箱和各连接管线，
顶部敞口的所述的熔融物滞留容器(优选为桶状)位于所述的堆坑内， 并使位于所述的堆坑内的反应堆压力容器的下部和底部置于其中，所述的堆 坑内位于所述的熔融物滞留容器的下方的空间形成冷却空间；
所述的堆坑内，所述的熔融物滞留容器的底板下方设置有所述的坩埚；
所述的滞留水箱位于所述的堆坑外，并通过所述的连接管线与所述的堆 坑连接，以能够使其中贮存的水通过所述的连接管线进入所述的熔融物滞留 容器内，从而浸没所述的反应堆压力容器的下封头，使堆芯熔融物在所述的 反应堆压力容器的下封头内滞留一定时间；
所述的冷却水箱位于所述的堆坑外，并通过所述的连接管线与所述的冷 却空间连接，以能够使其中贮存的水通过所述的连接管线进入所述的冷却空 间，对所述的坩埚进行长期冷却(水注入所述的冷却空间后可通过沸腾换热 和自然对流实现对所述的坩埚内堆芯熔融物的有效滞留、长期冷却)。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的坩埚外层为金属材质，内层为保护层(保护层 用于保持坩埚的完整性)，
所述的保护层的厚度为10-50mm，材质为耐火材料，选自氧化镁、氧化 铝、氧化锆或内部掺有金属结构的复合陶瓷；
所述的内部掺有金属结构的复合陶瓷由氧化镁、氧化铝或氧化锆材质的 块状耐火材料混合在高熔点金属或合金中，或填充在高熔点金属或合金框架 结构中形成(金属或合金如铁基合金，如1500℃熔点的碳钢，1400℃熔点的 不锈钢，1400℃熔点的硼铁，1800℃熔点的钨铁等)，复合陶瓷的孔隙率为 25％-75％。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的坩埚的外壁面经过强化换热处理，以适当增加 表面粗糙度或增加扰流作用。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的坩埚为多个，包括直径较大的主坩埚和直径较 小的辅坩埚，
单个所述的主坩埚置于所述的熔融物滞留容器的正下方，多个所述的辅 坩埚置于所述的熔融物滞留容器的侧下方并均匀设置在所述的主坩埚的周 围，所述的主坩埚和所述的辅坩埚的自由空间总体积应略大于堆芯熔融物和 所有牺牲材料体积之和。在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种分 装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括设置 在所述的主坩埚外部下方的流动导引装置和设置在所述的辅坩埚之间周向的 扰流机构，用于分别强化熔融物与所述的主坩埚、辅坩埚外部冷却水的换热，
所述的流动导引装置用于将所述的主坩埚外壁面的流道变窄为 100-200mm，形成冷却剂加速通道；
所述的扰流机构可选择沿高度方向布置扰流扇叶，扇叶外缘距所述的辅 坩埚外壁面100-400mm，用于增强辅坩埚壁面附近高焓值的冷却水与流道主 流的低焓值冷却水之间的搅混，并借助离心力将加热壁面的水蒸气吸取至流 道中心；
所述的扰流扇叶的结构可为间隔布置的独立叶片(高度间距 200-500mm)，或为连续的螺旋形条带结构，条带外缘距所述的辅坩埚外壁面 100-400mm，条带厚度5-20mm，单根条带爬升高度200-500mm，条带布置方 式可选择不同高度位置布置单根条带或沿高度方向连续布置多根条带。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆 堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括熔融物导引装置，
所述的熔融物滞留容器底板的上表面位于所述的主坩埚与所述的辅坩埚 之间的部分铺设有山丘状的所述的熔融物导引装置，以便于落于其上的固态、 液态堆芯熔融物向所述的坩埚转移；
所述的熔融物导引装置为耐高温材质(如高温陶瓷和ZrO2材质等)，其上 覆盖有牺牲材料。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆 堆芯熔融物捕集装置，其中所述的熔融物导引装置结构可为简单形式或复杂 形式，
所述的简单形式为漏斗状熔融物导引装置，此时耐高温材料的铺设方式 为边缘(熔融物滞留容器内边缘)高(高度为50-300mm)、中间(主坩埚入 口边缘位置)低的斜坡形式；
所述的复杂形式为多曲面型熔融物导引装置，其由以辅坩埚入口和主坩 埚入口位置为中心的多个漏斗状结构组成。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆 堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括牺牲材料，其铺设在所述 的熔融物滞留容器的内表面上和/或所述的坩埚的最内侧和/或所述的熔融物 导引装置上，铺设在所述的坩埚的最内侧的所述的牺牲材料用于降低堆芯熔 融物显热对所述的坩埚的壁面的热冲击。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆 堆芯熔融物捕集装置，其中所述的牺牲材料的材质为富氧材料，选自Al2O3 (熔点温度约2050℃)、SiO2(熔点温度约1720℃)、MgAl2O4(熔点温度约 2100℃)、Fe3O4(熔点温度约1600℃)、TiO2(熔点温度约1840℃)等。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括熔融塞，其密封在所述的坩埚 的入口处，厚度为20-100mm，材质为低熔点金属、低熔点合金或玻璃质材料 (玻璃质材料后期熔化后漂浮于坩埚入口起密封作用，软化温度在 400-1000℃)，选自镁铝合金(熔点400-600℃)、铁基合金(如碳钢熔点1500℃， 不锈钢熔点1400℃，铝铁熔点1100℃，钼铁熔点500℃等)、普通玻璃软化温 度400-500℃、石英玻璃软化温度900℃等。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括减震装置和/或栅格板，用于缓 冲大质量物体掉落形成的机械冲击，
所述的减震装置设置在所述的熔融物滞留容器的底板与所述的反应堆压 力容器的底部之间；
所述的栅格板设置在所述的熔融物滞留容器的底板与所述的反应堆压力 容器的下封头之间。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆 堆芯熔融物捕集装置，其中：
所述的减震装置与所述的栅格板的材质为富氧材料，选自Al2O3(熔点温 度约2050℃)、SiO2(熔点温度约1720℃)、MgAl2O4(熔点温度约2100℃)、 Fe3O4(熔点温度约1600℃)、TiO2(熔点温度约1840℃)等；
所述的减震装置的形状为截面呈梯形(内高100-300mm，斜面距反应堆 压力容器保温层最近位置10-100mm，竖直外边界与堆坑几何中心线距离略大 于反应堆压力容器直筒段保温层的外半径50-200mm)的矮墩；
所述的栅格板横截面的正方形，由多块边长300-800mm，高50-150mm 的正方形栅格板拼接而成，其横截面积略大于反应堆压力容器的横截面积， 其边缘层数较多(边缘高度500-1500mm)，中心层数较少(中心高度 100-300mm)；
所述的栅格板的固定方式可选择栅格间保持一定空隙(5-20mm)点焊连 接或整体用牺牲材料同质的混凝土浇筑等。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的滞留水箱内的液位低于一回路主管道，滞留水 箱底部高于所述的反应堆压力容器的下封头焊缝，所述的滞留水箱的容积为 80-150m3。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中：
所述的冷却水箱的最低运行液位高于所述的熔融物滞留容器的底板上 沿；
所述的冷却水箱的底部和上部略低于液面处分别通过所述的连接管道、 阀门与所述的冷却空间连通；
所述的冷却空间侧壁底部连接的所述的连接管道斜向上穿出所述的堆坑 的侧壁，其在所述的堆坑的侧壁的内侧出口略高于所述的堆坑的底面，以避 免杂物堵塞管道出口。
在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆 堆芯熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括过滤器，其设置在所述的 冷却水箱的底部与所述的连接管线的接口位置处。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的堆坑侧壁内斜向上开有多个蒸汽排放口，其外 侧出口略高于所述的冷却水箱的液面，以便及时将沸腾换热产生的蒸汽排放 至安全壳内。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括填充物，其填充在所述的坩埚 的内部下封头区域，填充高度高于内部下封头赤道线，
所述的填充物的材质为非金属耐火材料或低熔点、高沸点、高密度的金 属材料，如铅，以保证下封头部位的完整和提高整体换热效率。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种分装强化冷却的反应堆堆芯 熔融物捕集装置，其中所述的捕集装置还包括控制***，用于监视事故工况 下的事故进程并对所述的捕集装置中的相关设备进行控制，
所述的控制***包括设置在所述的反应堆压力容器、熔融物滞留容器和/ 或坩埚外表面沿高度方向不同位置处的热电偶，用于追踪熔融物的当前位置， 通过远程信号或通过阀门本体的特殊设计(如阀门设计为失电/失气自动开启) 实现阀门的立即或延时开启等。
本发明的有益效果在于，利用本发明的分装强化冷却的反应堆堆芯熔融 物捕集装置，能够通过布置紧凑、冷却效率高的堆芯捕集器方案，籍由熔融 物的临时滞留、分装强化冷却实现反应堆堆芯熔融物的有效捕集和包容，从 而应对核电站严重事故工况。
本发明的有益效果具体体现在：
(1)本发明通过滞留水箱实现一定时间的熔融物滞留，令堆芯熔融物充 分液化，并降低了进入安全壳时的衰变热功率，有利于后期的熔融物分流和 冷却；
(2)当反应堆压力容器下封头失效后，熔融物能够被快速的导引至多个 坩埚内，有效地增大了堆芯熔融物的面积-体积比，有利于熔融物衰变热的带 出；
(3)通过对坩埚内部的填充(下封头填充物)和外部的强化换热处理(如 外壁面强化换热处理、主坩埚外部下方的流动导引装置和辅坩埚之间的扰流 机构)，提高了坩埚外壁面的换热效率；
(4)堆芯熔融物转移较为直接、迅速，期间反应(与水和牺牲材料)较 少，且进入坩埚后暴露面积较小，放射性物质释放较少；
(5)冷却水的非能动投入和自然循环冷却方式更为可靠，将使严重事故 后核电厂的长期安全性得以提升。
附图说明
图1为示例性的本发明的分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置的 组成示意图。
图2a为图1中底板8上表面熔融物导引装置17的一种结构的示意图。
图2b为图1中底板8上表面熔融物导引装置17的另一种结构的示意图。
图3a为图1中辅坩埚10或主坩埚11表面保护层19(此时为保护层19a) 的一种结构示意图。
图3b为图1中辅坩埚10或主坩埚11表面保护层19(此时为保护层19b) 的另一种结构示意图。
图4为图1中辅坩埚10和主坩埚11外部流动导引装置12和扰流机构22 的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置的组成及 其中的部分结构如图1-4所示，该捕集装置包括堆坑1、反应堆压力容器(RPV) 2、滞留水箱3、冷却水箱4、熔融物滞留容器5(包括底板8)、减震装置6 (或栅格板6)、牺牲材料7、熔融塞9、辅坩埚10、主坩埚11、流动导引装 置12、冷却空间13、蒸汽排放口14、过滤器15、填充物16、熔融物导引装 置17、坩埚内部下封头18、保护层19(可为保护层19a或保护层19b)、高 熔点金属20(可为高熔点金属或合金20a或高熔点金属或合金框架结构20b)、 块状耐火材料21(可为块状耐火材料21a或块状耐火材料21b)、扰流机构22、 各连接管线、控制***(图中未示出)。
顶部敞口的，桶状的熔融物滞留容器5位于堆坑1内，并使位于堆坑1 内的反应堆压力容器2的下部和底部置于其中(熔融物滞留容器5的侧壁略 高于反应堆压力容器2的下封头焊缝)。堆坑1内位于熔融物滞留容器5的下 方的空间形成冷却空间13。
堆坑1内，熔融物滞留容器5的底板8下方设置有一个直径较大的主坩 埚11和多个直径较小的辅坩埚10。主坩埚11置于熔融物滞留容器5的正下 方，多个辅坩埚10置于熔融物滞留容器5的侧下方并均匀设置在主坩埚11 的周围。主坩埚11和辅坩埚10的自由空间总体积应略大于堆芯熔融物和所 有牺牲材料7体积之和。主坩埚11和辅坩埚10的外壁面经过强化换热处理， 如通过特殊方式加工以适当增加表面粗糙度或增加扰流作用。
主坩埚11和辅坩埚10的顶部与熔融物滞留容器5的底板8相连，熔融 物滞留容器5的底板8的上表面位于主坩埚11与辅坩埚10之间的部分铺设 有山丘状的熔融物导引装置17，以便于落于其上的固态、液态堆芯熔融物向 主坩埚11、辅坩埚10的转移。熔融物导引装置17为耐高温材质(如高温陶 瓷和ZrO2材质等)，其上覆盖有牺牲材料7。
熔融物导引装置17的结构形式为简单形式或复杂形式。
简单形式为漏斗状熔融物导引装置17a(见图2a)，此时耐高温材料的铺 设方式为边缘(熔融物滞留容器5底板8内边缘)高(高度为50-300mm)、 中间(主坩埚11入口边缘位置)低的斜坡形式。主坩埚11和辅坩埚10入口 上方区域用低熔点金属制的熔塞代替耐高温材质。
复杂形式为多曲面型熔融物导引装置17b(见图2b)，此时辅坩埚10入 口和主坩埚11入口位置耐高温材料的铺设均为局部低点。以1/6切片(安装 时将6片拼接即可)为例，面A1和面A2分别为主坩埚11和辅坩埚10的熔 融物导引面，这两个导引面的生成方式为：
(1)选择1/6切片外形(一定高度环形带状，外边界与熔融物滞留容器 5的内壁面贴合，内边界与主坩埚11入口边缘齐平)、50-300mm厚耐高温材 质；
(2)生成A2面，从1/6切片外形的边缘向辅坩埚10入口边缘打坡口， 辅坩埚10入口边缘位置保留5-10mm厚度的耐高温材质，并倒圆角，便于熔 融物向辅坩埚10内转移；
(3)生成A1面，以主坩埚11入口中心为圆心，以主坩埚11和辅坩埚 10入口中心连线的一半长度为半径画圆，从该圆形在1/6切片外形上表面的 垂直投影的边缘向主坩埚11入口边缘打坡口，主坩埚11入口边缘位置保留 5-10mm厚度的耐高温材质，并倒圆角，便于熔融物向主坩埚11内转移。
流动导引装置12设置在主坩埚11外部下方，扰流机构22设置在辅坩埚 10之间周向。流动导引装置12用于将主坩埚11外壁面的流道变窄为 100-200mm，形成冷却剂加速通道。扰流机构22可选择沿高度方向布置扰流 扇叶，扇叶外缘距辅坩埚10外壁面100-400mm，用于增强辅坩埚10壁面附 近高焓值的冷却水与流道主流的低焓值冷却水之间的搅混，并借助离心力将 加热壁面的水蒸气吸取至流道中心。扰流扇叶的结构可为间隔布置的独立叶 片(高度间距200-500mm)，或为连续的螺旋形条带结构，条带外缘距辅坩埚 10外壁面100-400mm，条带厚度5-20mm，单根条带爬升高度200-500mm， 条带布置方式可选择不同高度位置布置单根条带或沿高度方向连续布置多根 条带。
主坩埚11、辅坩埚10的外层为金属材质，内层为保护层19(保护层19 用于保持主坩埚11、辅坩埚10的完整性)。保护层19厚度为10-50mm。保护 层19的材质为耐火材料，选自氧化镁、氧化铝、氧化锆或内部掺有金属结构 的复合陶瓷。内部掺有金属结构的复合陶瓷由氧化镁、氧化铝或氧化锆材质 的块状耐火材料21a混合在高熔点金属或合金20a中(见图3a)，或块状耐火 材料21b填充在高熔点金属或合金框架结构20b中形成(见图3b)(金属或合 金如铁基合金，如1500℃熔点的碳钢，1400℃熔点的不锈钢，1400℃熔点的 硼铁，1800℃熔点的钨铁等)，复合陶瓷的孔隙率为25％-75％。
牺牲材料7铺设在熔融物滞留容器5的内表面和保护层19的内侧(熔融 物滞留容器5的侧壁内表面先铺设一层高温材料，再铺设牺牲材料7)。铺设 在保护层19的内侧的牺牲材料7用于降低堆芯熔融物显热对坩埚的壁面的热 冲击。牺牲材料7的材质为富氧材料，选自Al2O3(熔点温度约2050℃)、SiO2 (熔点温度约1720℃)、MgAl2O4(熔点温度约2100℃)、Fe3O4(熔点温度约 1600℃)、TiO2(熔点温度约1840℃)等。
主坩埚11、辅坩埚10的入口处密封有厚度为20-100mm的熔融塞9，其 材质为低熔点金属、低熔点合金或玻璃质材料(玻璃质材料后期熔化后漂浮 于坩埚入口起密封作用，软化温度在400-1000℃)，材质选自镁铝合金(熔点 400-600℃)、铁基合金(如碳钢熔点1500℃，不锈钢熔点1400℃，铝铁熔点 1100℃，钼铁熔点500℃等)、普通玻璃软化温度400-500℃、石英玻璃软化温 度900℃等。熔融塞9的安装方式可选择螺纹结构、瓶塞结构(主坩埚11、 辅坩埚10入口打坡口，与水平呈20-60°，熔融塞9末端呈倒置圆台状配合 坡口，前端与主坩埚11、辅坩埚10直径配合)或凸台结构(主坩埚11、辅 坩埚10入口直径外扩10-30mm，外扩部分高度10-100mm，熔融塞9末端直 径、高度与外扩区域配合，前端直径、高度与主坩埚11、辅坩埚10直径配合)。
填充物16填充在主坩埚11、辅坩埚10内部最下方坩埚内部下封头18区 域，填充高度高于坩埚内部下封头18赤道线。填充物16的材质为非金属耐 火材料或低熔点、高沸点、高密度的金属材料，如铅，以保证下封头部位的 完整和提高整体换热效率。
减震装置6或栅格板6择一，用于缓冲大质量物体掉落形成的机械冲击。 减震装置6设置在熔融物滞留容器5的底板8与反应堆压力容器2的底部之 间。栅格板6设置在熔融物滞留容器5的底板8与反应堆压力容器2的下封 头之间。减震装置6或栅格板6的材质为富氧材料，选自Al2O3(熔点温度约 2050℃)、SiO2(熔点温度约1720℃)、MgAl2O4(熔点温度约2100℃)、Fe3O4 (熔点温度约1600℃)、TiO2(熔点温度约1840℃)。减震装置6的形状为截 面呈梯形(内高100-300mm，斜面距反应堆压力容器2保温层最近位置 10-100mm，竖直外边界距堆坑1几何中心线距离略大于反应堆压力容器2直 筒段保温层的外半径50-200mm)的矮墩。栅格板6横截面的正方形，由多块 边长300-800mm，高50-150mm的正方形栅格板拼接而成，其横截面积略大 于反应堆压力容器2的横截面积，其边缘层数较多(边缘高度500-1500mm)，中心层数较少(中心高度100-300mm)。栅格板6的固定方式可选择栅格间保 持一定空隙(5-20mm)点焊连接或整体用牺牲材料7同质的混凝土浇筑等。
滞留水箱3位于堆坑1外，其底部通过连接管线与熔融物滞留容器5的 上部空间相连通，以能够使其中贮存的水通过连接管线进入熔融物滞留容器5 内，从而浸没反应堆压力容器2的下封头，使堆芯熔融物在反应堆压力容器2 的下封头内滞留一定时间。滞留水箱3内的液位低于一回路主管道，滞留水 箱3的底部高于反应堆压力容器2的下封头焊缝，滞留水箱3的容积为 80-150m3。
冷却水箱4位于堆坑1外，并通过连接管线与冷却空间13连接，以能够 使其中贮存的水通过连接管线进入冷却空间13，对主坩埚11和辅坩埚10进 行长期冷却。冷却水箱4的最低运行液位高于熔融物滞留容器5的底板8上 沿。冷却水箱4的底部和上部略低于液面处分别通过连接管道、阀门与冷却 空间13连通。冷却空间13侧壁底部连接的连接管道斜向上穿出堆坑1的侧 壁，其在堆坑1的侧壁的内侧出口略高于堆坑1的底面，以避免杂物堵塞管道出口。过滤器15设置在冷却水箱4的底部与连接管线的接口位置处。
堆坑1侧壁内斜向上开有多个蒸汽排放口14，其外侧出口略高于冷却水 箱4的液面，以便及时将沸腾换热产生的蒸汽排放至安全壳内。
控制***用于监视事故工况下的事故进程并对捕集装置中的相关设备进 行控制。控制***包括设置在反应堆压力容器2、熔融物滞留容器5、主坩埚 11、辅坩埚10外表面沿高度方向不同位置处的热电偶，用于追踪熔融物的当 前位置，通过远程信号或通过阀门本体的特殊设计(如阀门设计为失电/失气 自动开启)实现阀门的立即或延时开启等。
上述示例性的本发明的分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置的工 作原理如下。
事故工况下，堆芯发生大面积熔化后，堆芯熔融物逐步向下封头迁移， 并在其中积聚。滞留水箱3与熔融物滞留容器5连接管线上的阀门在堆芯熔 融物到达下封头之前自动开启，从而由滞留水箱3向熔融物滞留容器5注入 冷却水对反应堆压力容器2的下封头实现淹没。熔融物滞留容器5中的冷却 水因堆芯熔融物的显热和衰变热而不断沸腾，蒸汽排入安全壳内自由空间， 期间，堆芯熔融物被滞留在反应堆压力容器2的下封头内，直至滞留水箱3 中的冷却水全部耗尽，反应堆压力容器2下封头失效。自反应堆压力容器2 下封头流出的堆芯熔融物先与熔融物滞留容器5内的减震装置6(或栅格板6) 和牺牲材料7接触并发生反应，这会降低熔融物的温度，并氧化其中的金属 物质，如Zr和Fe等。当牺牲材料7被熔穿后，堆芯熔融物会继续熔穿熔融 塞9，进入主坩埚11和辅坩埚10中。
在熔融物进入主坩埚11和辅坩埚10之前，冷却水箱4与冷却空间13连 接管线上的阀门自动开启，两者形成连通器，对主坩埚11和辅坩埚10实现 淹没。熔融物进入主坩埚11和辅坩埚10后，与主坩埚11、辅坩埚10内的牺 牲材料7接触并发生反应，以进一步降低熔融物的温度。熔融物氧化牺牲材 料7中的金属物质，同时通过主坩埚11、辅坩埚10外壁面与外界的冷却水发 生沸腾换热。换热形成的蒸汽通过堆坑1侧壁上的蒸汽排放口14排放至安全壳内，冷凝后回流至冷却水箱4中，实现对主坩埚11、辅坩埚10内的熔融物 的长期冷却。
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。 上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或 其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实 施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附 加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本 发明的范围内。

Claims (10)

1.一种分装强化冷却的反应堆堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置包括堆坑、反应堆压力容器、熔融物滞留容器、坩埚、滞留水箱、冷却水箱和各连接管线，
顶部敞口的所述的熔融物滞留容器位于所述的堆坑内，并使位于所述的堆坑内的反应堆压力容器的下部和底部置于其中，所述的堆坑内位于所述的熔融物滞留容器的下方的空间形成冷却空间；
所述的堆坑内，所述的熔融物滞留容器的底板下方设置有所述的坩埚；
所述的滞留水箱位于所述的堆坑外，并通过所述的连接管线与所述的堆坑连接，以能够使其中贮存的水通过所述的连接管线进入所述的熔融物滞留容器内，从而浸没所述的反应堆压力容器的下封头，使堆芯熔融物在所述的反应堆压力容器的下封头内滞留一定时间；
所述的冷却水箱位于所述的堆坑外，并通过所述的连接管线与所述的冷却空间连接，以能够使其中贮存的水通过所述的连接管线进入所述的冷却空间，对所述的坩埚进行长期冷却。
2.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的坩埚外层为金属材质，内层为保护层，
所述的保护层的厚度为10-50mm，材质为耐火材料，选自氧化镁、氧化铝、氧化锆或内部掺有金属结构的复合陶瓷；
所述的内部掺有金属结构的复合陶瓷由氧化镁、氧化铝或氧化锆材质的块状耐火材料混合在高熔点金属或合金中，或填充在高熔点金属或合金框架结构中形成，复合陶瓷的孔隙率为25％-75％。
3.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的坩埚为多个，包括直径较大的主坩埚和直径较小的辅坩埚，
单个所述的主坩埚置于所述的熔融物滞留容器的正下方，多个所述的辅坩埚置于所述的熔融物滞留容器的侧下方并均匀设置在所述的主坩埚的周围。
4.根据权利要求3所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括设置在所述的主坩埚外部下方的流动导引装置和设置在所述的辅坩埚之间周向的扰流机构，
所述的流动导引装置用于将所述的主坩埚外壁面的流道变窄为100-200mm，形成冷却剂加速通道；
所述的扰流机构可选择沿高度方向布置扰流扇叶，扇叶外缘距所述的辅坩埚外壁面100-400mm，用于增强辅坩埚壁面附近高焓值的冷却水与流道主流的低焓值冷却水之间的搅混，并借助离心力将加热壁面的水蒸气吸取至流道中心；
所述的扰流扇叶的结构可为间隔布置的独立叶片，或为连续的螺旋形条带结构，条带外缘距所述的辅坩埚外壁面100-400mm，条带厚度5-20mm，单根条带爬升高度200-500mm，条带布置方式可选择不同高度位置布置单根条带或沿高度方向连续布置多根条带。
5.根据权利要求3所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括熔融物导引装置，
所述的熔融物滞留容器的底板的上表面位于所述的主坩埚与所述的辅坩埚之间的部分铺设有山丘状的所述的熔融物导引装置，以便于落于其上的固态、液态堆芯熔融物向所述的坩埚转移；
所述的熔融物导引装置为耐高温材质。
6.根据权利要求5所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括牺牲材料，其铺设在所述的熔融物滞留容器的内表面上和/或所述的坩埚的最内侧和/或所述的熔融物导引装置上，铺设在所述的坩埚的最内侧的所述的牺牲材料用于降低堆芯熔融物显热对所述的坩埚的壁面的热冲击。
7.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括熔融塞，其密封在所述的坩埚的入口处，厚度为20-100mm，材质为低熔点金属、低熔点合金或玻璃质材料。
8.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括减震装置和/或栅格板，用于缓冲大质量物体掉落形成的机械冲击，
所述的减震装置设置在所述的熔融物滞留容器的底板与所述的反应堆压力容器的底部之间；
所述的栅格板设置在所述的熔融物滞留容器的底板与所述的反应堆压力容器的下封头之间。
9.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括填充物，其填充在所述的坩埚的内部下封头区域，填充高度高于内部下封头赤道线，
所述的填充物的材质为非金属耐火材料或低熔点、高沸点、高密度的金属材料，以保证下封头部位的完整和提高整体换热效率。
10.根据权利要求1所述的捕集装置，其特征在于：所述的捕集装置还包括控制***，用于监视事故工况下的事故进程并对所述的捕集装置中的相关设备进行控制，
所述的控制***包括设置在所述的反应堆压力容器、熔融物滞留容器和/或坩埚外表面沿高度方向不同位置处的热电偶，用于追踪熔融物的当前位置，通过远程信号或通过阀门本体的特殊设计实现阀门的立即或延时开启。
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