CN110176316A - 一种u型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，包括熔融物收集导引装置、坩埚滞留容器、冷却管束、多间壁冷却***、冷却水注入***和蒸汽排放***；熔融物收集导引装置设置在反应堆压力容器下方；坩埚滞留容器设置于导引装置下方；冷却管束设置于坩埚滞留容器内部；多间壁冷却***设置于坩埚滞留容器下方；冷却水注入***与多间壁冷却***相连；蒸汽排放***包括堆坑蒸汽排放口及安全阀。本发明的有益效果如下：通过伸入熔池的U型管束增大有效冷却面积，可实现小空间内堆芯熔融物快速高效的冷却；填充在坩埚滞留容器内的牺牲材料可与熔融物反应，氧化其中的金属成分，降低混合物的熔点，减小对坩埚滞留容器的边壁热负荷。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆严重事故预防与缓解技术领域，具体涉及一种堆芯熔融物捕集装置。
背景技术
我国目前在建和在运行着数十座大型二代改进型核电厂，但多数未设置有效的堆外熔融物滞留***。日本福岛事故后，核电站安全问题特别是针对严重事故的预防和缓解更为迫切。目前针对严重事故下，堆芯熔融物的冷却与滞留策略主要可分为两种：1)压力容器内熔融物的冷却与滞留(IVR)，该技术最早出现在芬兰的Loviisa VVER-440电站中，并在AP600、AP1000、APR1400、CAP1400(国家核电技术有限公司设计的1400MWe压水堆)和ACP1000(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)的设计中获得应用，由于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；2)压力容器外熔融物冷却与滞留(EVR)，该技术在俄罗斯设计的VVER-1000机型与法国ANP设计的欧洲先进压水堆EPR机型中得到应用。
关于堆芯捕集器的研究，国外相关专利也较多，如：美国麻省理工大学于1978年的专利，Core catcher for nuclear reactor core meltdown containment(US-Pat4113560)，该专利可视为EVR的设计雏形；法国***于1981年的专利，Corecatcher device(US-Pat4280872)，该专利将EVR技术提升到了工程应用的水平；以及之后的众多原理、结构不同的堆芯捕集器专利(如US-Pat4442065、US-Pat4113560、US-Pat4342621、US-Pat 8358732和US-Pat6353651等)；1995年法国CEA曾提出由三层复合材料(从内到外分别为MgAl2O4,ZrO2,钢)构筑一端封闭的试管型坩埚，并排布成群进行外部冷却的捕集方案。
国内从俄罗斯引进VVER核电***之后逐渐增多了对堆芯捕集器的研究，先后形成了一系列专利，如底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器(CN201310005308.0)、一种大型非能动压水堆核电厂坩埚型堆芯摧集器(CN201310005342.8)、有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器(CN201310005579.6)、大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结合的装置(CN201310264749.2)、有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器(CN201320007203.4)等。
EVR技术之于IVR，优势在于更主动的处置策略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。相比于VVER单坩埚至少10个月的冷却时间，EPR提出的扩展式冷却概念可以大大提高熔融物与冷却水的接触面积，几天内就可以达到固化冷却要求，但缺点就是需要约170m2左右的水平扩展空间。本专利提出的U型管内部换热式堆芯捕集装置，旨在有限的包容体积内，通过在熔池内加设24根左右的U型冷却管，增大有效的熔融物冷却面积，达到高效冷却滞留熔融物的目的。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种一种U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，能够增大熔池的有效冷却面积，实现小空间内堆芯熔融物快速有效的冷却，从而降低堆坑熔穿及放射性物质的释放风险，提高反应堆事故下的安全性。
本发明的技术方案如下：
一种U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，包括熔融物收集导引装置、坩埚滞留容器、冷却管束、多间壁冷却***、冷却水注入***和蒸汽排放***；
所述熔融物收集导引装置设置在反应堆压力容器下方；
所述坩埚滞留容器设置于熔融物收集导引装置下方；所述冷却管束设置于所述坩埚滞留容器内部；
所述多间壁冷却***设置于坩埚滞留容器下方，与堆坑内壁相对固定并与所述堆坑内壁共同构筑冷却通道；
所述冷却水注入***通过底部注水管线与多间壁冷却***相连；
蒸汽排放***包括设置于堆坑内壁上方的堆坑蒸汽排放口及压力容器顶部的安全阀。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述坩埚滞留容器成环壁结构，由两层材料组成，底部成锥形；所述坩埚滞留容器的内壁上部与冷却管束相连。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述冷却管束由U型管构成；所述U型管的管壁为双层复合结构，内层为导热层，外层为耐热层；所述U型管包括内侧管和外侧管；所述外侧管设置进口，通过所述坩埚滞留容器的内壁与所述多间壁冷却***连接；出口设置于所述内侧管上高于所述进口的位置。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述耐热层为牺牲材料包覆层或耐高温保护层。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述冷却管束包括由U型管内侧管形成的内环面；所述内环面设置于所述熔融物收集导引装置的下边缘围成的锥面开口下方。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述坩埚滞留容器内填充有牺牲材料。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述多间壁冷却***包括双层流道；所述坩埚滞留容器和堆坑内壁之间设置有间壁隔板；不锈钢间壁隔板与坩埚滞留容器外壁之间的缝隙构成间壁内侧冷却流道，底部与冷却水注入口连通；间壁隔板与堆坑内壁之间的缝隙构成间壁外侧冷却流道。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述收集导引装置为两层结构，上层为表面润滑层，下层为耐热层。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述冷却水注入***包括注水管线、高位水箱和低位水箱；所述高位水箱和低位水箱均通过注水管线与所述多间壁冷却***连接；所述低位水箱下部依次连接有电动阀和止回阀；高位水箱下部仅连接机械阀；该机械阀与所述坩埚滞留容器内壁面的熔断装置连接有预拉紧的绳缆。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，所述堆坑蒸汽排放口设置在所述堆坑内壁上方，一端连接堆坑内部，一端连接安全壳大空间；压力容器的顶部设置有安全阀。
本发明的有益效果如下：
(1)采用熔融物收集和前期润滑设计，使熔融物体量集中并可控转移；
(2)通过伸入熔池的约24根U型管增大有效冷却面积，可实现小空间内堆芯熔融物快速高效的冷却；
(3)填充在坩埚滞留容器内的牺牲材料可与熔融物反应，氧化其中的金属成分，降低混合物的熔点，减小对坩埚滞留容器的边壁热负荷；
(4)冷却水注入***可对U型管和多间壁冷却***实现前期可控注入和后期堆坑淹没，有效防止熔融物转移入水产生蒸汽***；
(5)后期堆坑淹没后，浸没在水池中的U型管内和间壁冷却***会建立完整的自然循环，加速熔融物冷却；
(6)安全壳中的蒸汽通过冷凝，可回流至内置换料水箱，提高了冷却水源的利用率；
(7)整个***采用立体、紧凑设计，占用空间有限，资源利用率高。
附图说明
图1为本发明的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置的结构示意图。
图2为熔融物收集导引装置剖面图；
图3为坩埚滞留容器结构示意图；
图4-图8为U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置严重事故下运行流程图。
上述附图中，01、压力容器；02、堆芯；03、熔融物收集导引装置；05、U型管；06、坩埚滞留容器；07、内侧冷却流道；08、间壁隔板；09、外侧冷却流道；10、堆坑内壁；11、牺牲材料；12、间壁内侧流道上部出口；13、熔断装置；14、内置换料水箱；15、高位水箱；16、水箱隔板；17、低位水箱进气口；18、低位水箱；19、电动阀；20、止回阀；21、机械阀；22、注水管线；23、堆坑蒸汽排放口；24、安全阀；25、润滑层；26、耐热层；27、人孔；28、耐热层；29、冷却水注入口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，包括熔融物收集导引装置03、坩埚滞留容器06、冷却管束、多间壁冷却***、冷却水注入***和蒸汽排放***；所述熔融物收集导引装置03设置在反应堆压力容器01下方的竖直支撑内壁上，其与压力容器01下封头相对面倾斜并设置台架，围板向中心收拢；所述坩埚滞留容器06设置于熔融物收集导引装置03下方；所述冷却管束设置于所述坩埚滞留容器06内部；所述多间壁冷却***设置于坩埚滞留容器06下方，与堆坑内壁10相对固定并与所述堆坑内壁10共同构筑冷却通道；所述冷却水注入***通过底部注水管线22与多间壁冷却***相连；蒸汽排放***包括设置于堆坑内壁10上方的堆坑蒸汽排放口23及压力容器01顶部的安全阀。
所述坩埚滞留容器06为底部成锥形的环壁结构(即横截面为环状的双层壁状结构)，内径约6m，壁厚约0.2m，竖直边壁高度为2m，倾斜角度为10-15°，内层为熔点达2800℃的氧化锆材料，厚度为0.1-0.15m，外层为不锈钢材料，厚度为0.05-0.1m；所述坩埚滞留容器06的内壁上部与冷却管束相连。
如图3所示，所述冷却管束由U型管05构成；本实施例中优选为约24根U型管05。所述U型管05的管壁为双层复合结构，内层为导热层，优选为不锈钢，厚度为0.01m。外层为耐热层28；所述耐热层28为牺牲材料包覆层或耐高温保护层，厚度0.02m。所述U型管05包括内侧管和外侧管；U型管05的一端设置于坩埚滞留容器06边缘(外侧管)，另一端为自由端设置于坩埚滞留容器06内部(内侧管)。内侧管和外侧管由横向管连接，U型管05内径0.14m，外径0.2m，横向管由外侧管向内侧管倾斜。所述外侧管设置进口，通过所述坩埚滞留容器06的内壁与所述多间壁冷却***连接；出口设置于所述内侧管上高于所述进口的位置。冷却管束包括由U型管05内侧管形成的内环面；所述内环面设置于所述熔融物收集导引装置03的下边缘围成的锥面开口下方。外侧管高1.2m，内侧管高2m，24根U型管05内侧管围成的内环面直径为3m，外环面直径为5m，与坩埚滞留容器06相连的水平管长度约为0.5m，内侧管比外侧管高0.8m，内环面在熔融物收集导引装置03下边缘围成的锥面之外。
进一步地，所述坩埚滞留容器06内填充有牺牲材料11，材料主要是氧化铁及氧化铝的混合物(牺牲混凝土)，其中质量分数65％为氧化铁，30％为氧化铝，5％为氧化钆，中空的U型管05下部倾斜连接管及0.2m竖管也埋入牺牲材料11中。
所述多间壁冷却***设置于坩埚滞留容器06下方，固定在堆坑内壁10之上，包括双层流道；所述坩埚滞留容器06和堆坑内壁10之间设置有间壁隔板08；不锈钢材质的间壁隔板08与坩埚滞留容器06外壁之间的缝隙构成间壁内侧冷却流道07，缝隙宽度约0.2m，隔板底面也呈锥形，倾角与坩埚滞留容器06底面倾角一致，流道保持平行，底部与冷却水注入口连通；隔板竖直壁面高度约2.5m，在上部边缘以下0.2m、坩埚滞留容器06上部边缘以上0.2m处设置横向导流板，间壁内侧流道上部出口12为高约0.2m的空环面。间壁隔板08与堆坑内壁10之间的缝隙构成间壁外侧冷却流道09，下部角区流道呈三角形，流道宽度约0.2m。
所述冷却水注入***包括注水管线22、高位水箱15和低位水箱18；水箱隔板16将内置换料水箱14分割成高位、低位两个独立的水箱，低位水箱的上部设置有与安全壳内大气相通的进气口，高位水箱15的上表面也与安全壳内大气连通，高位水箱15装量约1700m3，低位水箱18装量约300m3。高位水箱15和低位水箱18均通过注水管线22与所述多间壁冷却***连接；所述低位水箱18下部依次连接有电动阀19和止回阀20，低位水箱18上还设置有低位水箱进气口17；高位水箱15下部仅连接机械阀21；该机械阀21与所述坩埚滞留容器06内壁面的熔断装置13连接有预拉紧的绳缆。所述熔断装置13位于U型管05与坩埚滞留容器06水平连接管以下0.3-0.5m的内壁面上，材料为熔点1600℃的金属，如铁、铝等。
冷却水通过底部入口29进入内侧冷却流道07，再注入U型管束05，或由间壁内侧流道上部出口12直接注入坩埚滞留容器06，淹没后通过间壁外侧冷却流道09回流到装置底部，形成完整自然循环；蒸汽由堆坑蒸汽排放口23，或压力容器01顶部安全阀24进入安全壳，安全壳内蒸汽经冷凝可回到内置换料水箱14；压力容器01底部需要维护时，可经由堆坑内壁10上部设置的人孔27进入捕集器装置本体。
所述收集导引装置为两层结构，上层为表面润滑层25，采用赤铁矿材质，有利于保证熔融物顺利转移不致堵塞；下层为耐热层26采用氧化锆隔热，装置截面为漏斗状，并设置倾斜缓冲台阶，倾斜角度可以是30-60°，事故中可以承受整个压力容器01下封头掉落带来的力学冲击。
进一步地，上述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，还包括蒸汽排放***；所述蒸汽排放***包括设置在所述堆坑内壁10上方的堆坑蒸汽排放口23；所述堆坑蒸汽排放口23一端连接堆坑内部，一端连接安全壳大空间；压力容器01的顶部设置有安全阀。蒸汽超压时自动打开泄压，安全壳内蒸汽经冷凝可回流至高位水箱15，形成冷却水循环回路。
更进一步，所述的压力容器01底部需要维护时，可经由堆坑内壁10上部设置的人孔进入捕集器装置本体，人孔设置在堆坑内壁10上部一侧，底部边线位于间壁内侧流道上部出口12上方，边长均为1m，有弧形屏蔽门进行隔离，可由此进入捕集器装置本体。
如图4所示，是本发明提供的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置在严重事故下的运行流程图，图4描述核电厂正常运行状态，高位水箱15和低位水箱18下的注水管线22的阀门均处于关闭状态，捕集器内部保持干燥；图5描述严重事故(如全厂断电)时，低位水箱18下方管线阀门开启，将冷却水注入内侧冷却流道07和U型管05中并保持一定高度不满溢；图6描述RPV失效后，堆芯02熔融物分批进入捕集装置04，并与坩埚滞留容器06内的牺牲材料11发生较为充分的反应；图7描述堆芯02熔融物不断与牺牲材料11反应，并向坩埚滞留容器06边缘扩展，与U型管05接触后换热，蒸汽自堆坑蒸汽排放口23排至安全壳内，坩埚滞留容器06内熔融物液位达到一定高度触发熔断装置13，开启高位水箱15下部注水管线22的机械阀21，实现非能动注入；图8描述高位水箱15冷却水依次进入内侧冷却流道07、U型管05、外侧冷却流道09，并通过间壁内侧流道上部出口12和U型管05自由端出口淹没坩埚滞留容器06内熔池，U型管05内部冷却水左右两侧形成自然循环，而坩埚滞留容器06上部冷却水通过外侧冷却流道09回流形成自然循环加速冷却，高位水箱15与捕集装置04构成连通器后，蒸汽冷凝回流到内置换料水箱14，形成长期冷却。
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。
Claims (10)
1.一种U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：包括熔融物收集导引装置(03)、坩埚滞留容器(06)、冷却管束(05)、多间壁冷却***、冷却水注入***和蒸汽排放***；
所述熔融物收集导引装置(03)设置在反应堆压力容器(01)下方；
所述坩埚滞留容器(06)设置于熔融物收集导引装置(03)下方；所述冷却管束设置于所述坩埚滞留容器(06)内部；
所述多间壁冷却***设置于坩埚滞留容器(06)下方，与堆坑内壁(10)相对固定并与所述堆坑内壁共同构筑冷却通道；
所述冷却水注入***通过底部注水管线(22)与多间壁冷却***相连；蒸汽排放***包括设置于堆坑内壁(10)上方的堆坑蒸汽排放口(23)及压力容器(01)顶部的安全阀(24)。
2.如权利要求1所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述坩埚滞留容器(06)成环壁结构，由两层材料组成，底部成锥形；所述坩埚滞留容器的内壁上部与冷却管束相连。
3.如权利要求1所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述冷却管束由U型管构成；所述U型管(05)的管壁为双层复合结构，内层为导热层，外层为耐热层(28)；所述U型管包括内侧管和外侧管；所述外侧管设置进口，通过所述坩埚滞留容器的内壁与所述多间壁冷却***连接；出口设置于所述内侧管上高于所述进口的位置。
4.如权利要求3所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述耐热层(28)为牺牲材料包覆层或耐高温保护层。
5.如权利要求3所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述冷却管束包括由U型管内侧管形成的内环面；所述内环面设置于所述熔融物收集导引装置(03)的下边缘围成的锥面开口下方。
6.如权利要求1所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述坩埚滞留容器(06)内填充有牺牲材料(11)。
7.如权利要求1所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述多间壁冷却***包括双层流道；所述坩埚滞留容器和堆坑内壁之间设置有间壁隔板(08)；不锈钢间壁隔板(08)与坩埚滞留容器(06)外壁之间的缝隙构成间壁内侧冷却流道(07)，底部与冷却水注入口(29)连通；间壁隔板(08)与堆坑内壁(10)之间的缝隙构成间壁外侧冷却流道(09)。
8.如权利要求1所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述收集导引装置(03)为两层结构，上层为表面润滑层，下层为耐热层(26)。
9.如权利要求1所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述冷却水注入***包括注水管线、高位水箱和低位水箱；所述高位水箱和低位水箱均通过注水管线与所述多间壁冷却***连接；所述低位水箱(18)下部依次连接有电动阀(19)和止回阀(20)；高位水箱(15)下部仅连接机械阀(21)；该机械阀(21)与所述坩埚滞留容器(06)内壁面的熔断装置(13)连接有预拉紧的绳缆。
10.如权利要求1所述的U型管内部换热式堆芯熔融物捕集装置，其特征在于：所述堆坑蒸汽排放口(23)设置在所述堆坑内壁(10)上方，一端连接堆坑内部，一端连接安全壳大空间；压力容器(01)的顶部设置有安全阀(24)。
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