CN110391030A - 一种分区坩埚熔融物堆外捕集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分区坩埚熔融物堆外捕集器，包括熔融物转移通道、熔融物收集坩埚和冷却水箱；堆坑底部内壁面铺有耐火材料；熔融物转移通道连接堆坑和熔融物收集坩埚；熔融物转移通道还包括用于封堵所述堆坑的熔塞；所述熔融物收集坩埚与冷却水箱连接。本发明的有益效果如下：(1)本发明通过特殊设计熔融物收集坩埚，杜绝了早期堆芯熔融物与冷却水的直接接触，消除了蒸汽***的风险；(2)通过引入特殊设计的多根冷却管增加了熔融物的换热面积，进而强化了对熔融物的换热能力；(3)通过在熔融物收集坩埚填充牺牲材料保证熔融物在于捕集器结构件(冷却管、容器壁面)接触前，充分与牺牲材料反应，降低熔融物的温度、熔点和体积功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及反应堆安全***设计技术，具体涉及一种分区坩埚熔融物堆外捕集器。
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。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，破坏了作为最后一道屏障的安全壳的完整性，进而造成放射性物质的大规模释放。
现有应对严重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电站中，还成功应用于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，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，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，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，如VVER1000、ESBWR和EU-APR1400的堆芯捕集器。
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)。
国内从俄罗斯引进WWER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。
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也存在于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个月才能将熔融物最终冷却。本专利旨在提出一种布置较为紧凑、冷却效率较高的堆芯捕集器方案，以应对严重事故工况。
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分区坩埚熔融物堆外捕集器，保证在严重事故工况下，实现堆芯熔融物的有效包容，实现事故安全处理。
本发明的技术方案如下：
一种分区坩埚熔融物堆外捕集器，包括熔融物转移通道、熔融物收集坩埚和冷却水箱；堆坑底部内壁面铺有耐火材料；熔融物转移通道连接所述堆坑和所述熔融物收集坩埚；熔融物转移通道还包括用于封堵所述堆坑的熔塞；所述熔融物收集坩埚与冷却水箱连接；所述熔融物收集坩埚包括隔板，熔融物转移通道固定在隔板上，熔融物转移通道和隔板共同将熔融物收集坩埚分割为相互隔离的环形水室和熔融物冷却空间；所述冷却水箱与所述环形水室连接。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，所述冷却水箱通过底部引出的冷却水注入管线与由熔融物收集坩埚外壁面和堆坑内壁面间隙构成的冷却流道连通，最终通向环形水室；冷却水箱的侧向通过堆坑侧壁引出的熔池顶部注入管线与熔融物冷却空间连通；在环形水室的范围内，堆坑侧壁斜向上开有多个蒸汽排放口与安全壳相通。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，所述熔融物收集坩埚内设置有冷却管。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，所述隔板上设置有用以连接冷却管的冷却管开孔、用于连接熔池顶部注入管线的熔池顶部注入管线开孔和用于连接贯穿管的贯穿管开孔。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，所述冷却管包括内管和套在内管外的外管；所述外管的中上部为直管形式，底部为波纹管形式，固定在熔融物收集坩埚内底面上，所述外管处于环形水室中的部分包敷有保温材料；所述内管上沿与外管齐平，下端为与所述外管下端具有流体间隙的开口；冷却管位于环形水室的部分设置有穿过所述外管以连通所述环形水室与所述内管内部的冷却水注入管。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，所述冷却管底部为波纹管形式，固定在熔融物收集坩埚内底面上，顶部固定在隔板外底面。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，所述的熔融物冷却空间内部填充有牺牲混凝土材料；所述牺牲混凝土材料呈锅状或锥状，所述冷却管被埋于所述牺牲混凝土材料内部。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，隔板上设置有贯穿管，所述贯穿管自隔板的贯穿管开孔向下引出，下端采用能够在不低于预设温度下熔融以连通所述环形水室和熔融物冷却空间的材料制成。
进一步地，上述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，所述冷却水箱底部通过冷却水注入管线与冷却流道连通，冷却水注入管线上设有远控隔离阀门；所述远控隔离阀门在***检测到严重事故发生的信号后自动开启或失电、失气自动开启，令冷却水箱与环形水室构成连通器。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过特殊设计熔融物收集坩埚，杜绝了早期堆芯熔融物与冷却水的直接接触，消除了蒸汽***的风险；
(2)通过引入特殊设计的多根冷却管增加了熔融物的换热面积，进而强化了对熔融物的换热能力；
(3)通过在熔融物收集坩埚填充牺牲材料保证熔融物在于捕集器结构件(冷却管、容器壁面)接触前，充分与牺牲材料反应，降低熔融物的温度、熔点和体积功率密度；
(4)较窄的冷却流道强化了熔融物收集坩埚底部和侧面的换热性能；
(5)冷却水的投入(向冷却流道和熔池顶面的注水)均为非能动，提高了***的可靠性；
(6)熔融物的长期冷却依靠自然循环冷却方式，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为本发明的种分区坩埚熔融物堆外捕集器结构示意图。
图2为本发明的隔板结构示意图。
图3为本发明中双层结构冷却管的结构示意图。
上述附图中，1、压力容器；2、堆坑；3、耐火材料；4、熔塞；5、熔融物转移通道；6、熔融物收集坩埚；7、隔板；8、环形水室；9、熔融物冷却空间；10、冷却管；11、贯穿管；12、熔池顶部注入管线；13、牺牲混凝土材料；14、冷却流道；15、蒸汽排放口；16、冷却水箱；17、远控隔离阀门；18、阀门；19、冷却水注入管线；20、冷却管开孔；21、熔池顶部注入管线开孔；22、贯穿管开孔；23、外管；24、内管；25、波纹管；26、冷却水注入管。
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，本发明提供一种分区坩埚熔融物堆外捕集器，包括熔融物转移通道5、熔融物收集坩埚6和冷却水箱16；堆坑2底部内壁面铺有耐火材料3；熔融物转移通道5连接所述堆坑2和所述熔融物收集坩埚6；熔融物转移通道5还包括用于封堵所述堆坑2的熔塞4；所述熔融物收集坩埚6与冷却水箱16连接。所述熔融物收集坩埚6包括隔板7，熔融物转移通道5固定在隔板7上，熔融物转移通道5和隔板7共同将熔融物收集坩埚6分割为相互隔离的环形水室8和熔融物冷却空间9；所述冷却水箱16与所述环形水室8连接。所述冷却水箱16通过底部引出的冷却水注入管线19与由熔融物收集坩埚6外壁面和堆坑2内壁面间隙构成的冷却流道14连通，最终通向环形水室8；冷却水箱16的侧向通过堆坑2侧壁引出的熔池顶部注入管线12与熔融物冷却空间9连通；在环形水室8的范围内，堆坑2侧壁斜向上开有多个蒸汽排放口15与安全壳相通。
严重事故工况下，先利用熔融物收集坩埚6下部的熔融物冷却空间9对熔融物进行收集，并通过熔融物收集坩埚6内部的牺牲材料和冷却流道14、冷却管10中来自外部冷却水箱16的的冷却水对熔融物进行冷却，后期通过特殊设计实现熔池顶部的直接注水和淹没，换热形成的蒸汽在安全壳内冷凝后回流至冷却水箱16，构成对熔融物的长期冷却。
熔融物收集坩埚6呈桶状，上部敞口，底部呈倒锥状。所述的熔融物冷却空间9内部填充有牺牲混凝土材料13；所述牺牲混凝土材料13呈锅状或锥状，所述锅状或锥状是铺设方式为中间较低、边缘较高的形状。所述冷却管10被埋于所述牺牲混凝土材料13内部。牺牲混凝土材料13主要成分为耐高温材料，如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。优选的，中部的牺牲混凝土材料13的厚度不低于1500mm。
所述冷却水箱16底部通过冷却水注入管线19与冷却流道14连通，冷却水注入管线19上设有远控隔离阀门17；所述远控隔离阀门17在***检测到严重事故发生的信号后自动开启或失电、失气自动开启，令冷却水箱16与环形水室8构成连通器。冷却水箱16能够收集安全壳内的冷凝水，长期维持高于熔融物收集坩埚6的水位高度。
如图2所示，所述隔板7上设置有用以连接冷却管10的冷却管开孔20、用于连接熔池顶部注入管线12的熔池顶部注入管线开孔21和用于连接贯穿管11的贯穿管开孔22。贯穿管11设置于隔板7上，自隔板7的贯穿管开孔22向下引出，下端采用能够在不低于预设温度下熔融以连通所述环形水室8和熔融物冷却空间9的材料制成。本实施例中，贯穿管11的下端采用低熔点材质(如镁铝合金等)封闭。本实施例中，布置于中间区域的贯穿管11长度较短，位于边缘的贯穿管11长度较长，本领域技术人员也可根据实际需求选择统一长度。
熔融物收集坩埚6内设置有冷却管10。如图3所示，冷却管10包括内管24和套在内管24外的外管23；所述外管23中上部为直管形式，底部为波纹管25形式，固定在熔融物收集坩埚6内底面上，所述外管23处于环形水室8中的部分包敷有保温材料；所述内管24上沿与外管23齐平，下端为与所述外管23下端具有流体间隙的开口；冷却管10位于环形水室8的部分设置有穿过所述外管23以连通所述环形水室8与所述内管24内部的冷却水注入管26。
在其他实施例中，冷却管10也可以设置为单层管的形式，例如冷却管10底部为波纹管25形式，固定在熔融物收集坩埚6内底面上，顶部固定在隔板7外底面。
如图1所示，熔融物收集坩埚6与堆坑2的基座、壁面的间隙构成了冷却流道14，其底部通过冷却水注入管线19和远控隔离阀门17与布置在堆坑2外部的冷却水箱16底部连通，上部直接与环形水室8连通。另外，在堆坑2侧壁斜向上开有多个蒸汽排放口15，以便及时将换热产生的蒸汽排放至安全壳内。
如图1所示，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。在此期间，冷却水注入管线19上的远控隔离阀门17会自动开启，将冷却水箱16中的冷却水注入到冷却流道14和环形水室8中，形成连通器结构。环形水室8内水位达到一定高度后，通过冷却水注入管26向内管24内注水，冷却水经过底部进入外管23，最终冷却管10充满水(未从顶部溢出)。
如图1所示，压力容器1(RPV)下封头失效后，熔融物通常分多次流至堆坑2中，熔融物转移通道5入口位置的熔塞4被熔毁后，熔融物直接进入熔融物冷却空间9中，并与其内的牺牲混凝土材料13充分反应。待牺牲混凝土材料13被逐步消融，直至熔融物扩散至边缘位置时，熔融物通过熔融物收集坩埚6的壁面和侧壁与冷却流道14的冷却水发生换热，同时与冷却管10内的冷却水也发生换热，换热形成的蒸汽经蒸汽排放口15进入安全壳，经冷凝后回流至冷却水箱16中。
如图1所示，在熔融物全部进入熔融物收集坩埚6后，若熔融物的量较多，其液位较高，接近甚至局部位置与贯穿管11的封闭段发生接触，贯穿管11的封闭段的发生软化或熔毁，环形水室8内的冷却水直接注入到熔池顶面，形成淹没；若熔融物的量较少，其液位较低，经过一定延时后，熔池顶部注入管线12上的高可靠性阀门18开启，直接将冷却水箱16内的冷却岁引致熔池顶面，形成淹没。换热形成的蒸汽经蒸汽排放口15和堆坑2的排气孔进入安全壳，经冷凝后回流至冷却水箱16中，实现对坩埚内的堆芯熔融物的长期冷却。
本实施例中，所述的熔融物收集坩埚6，为高熔点导热良好的金属材质(例如铁基合金)加工而成的桶状容器。隔板7为刚度高导热良好的金属材质(例如铁基合金)加工而成，其表面的孔洞依功能差异而排布在不同位置。冷却管10采用高熔点导热良好的金属材质(例如铁基合金)加工而成。熔池顶部注入管线12直径40-150mm，延时启动阀门18依靠冷却水注入管线19上的远控隔离阀门17的开启提供触发信号，延时1-15小时后打开。
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 (9)
1.一种分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：包括熔融物转移通道(5)、熔融物收集坩埚(6)和冷却水箱(16)；堆坑(2)底部内壁面铺有耐火材料(3)；熔融物转移通道(5)连接所述堆坑(2)和所述熔融物收集坩埚(6)；熔融物转移通道(5)还包括用于封堵所述堆坑(2)的熔塞(4)；所述熔融物收集坩埚(6)与冷却水箱(16)连接；所述熔融物收集坩埚(6)包括隔板(7)，熔融物转移通道(5)固定在隔板(7)上，熔融物转移通道(5)和隔板(7)共同将熔融物收集坩埚(6)分割为相互隔离的环形水室(8)和熔融物冷却空间(9)；所述冷却水箱(16)与所述环形水室(8)连接。
2.如权利要求1所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：所述冷却水箱(16)通过底部引出的冷却水注入管线(19)与由熔融物收集坩埚(6)外壁面和堆坑(2)内壁面间隙构成的冷却流道(14)连通，最终通向环形水室(8)；冷却水箱(16)的侧向通过堆坑(2)侧壁引出的熔池顶部注入管线(12)与熔融物冷却空间(9)连通；在环形水室(8)的范围内，堆坑(2)侧壁斜向上开有多个蒸汽排放口(15)与安全壳相通。
3.如权利要求2所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：所述熔融物收集坩埚(6)内设置有冷却管(10)。
4.如权利要求3所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：所述隔板(7)上设置有用以连接冷却管(10)的冷却管开孔(20)、用于连接熔池顶部注入管线(12)的熔池顶部注入管线开孔(21)和用于连接贯穿管(11)的贯穿管开孔(22)。
5.如权利要求3所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：所述冷却管(10)包括内管(24)和套在内管(24)外的外管(23)；所述外管(23)中上部为直管形式，底部为波纹管(25)形式，固定在熔融物收集坩埚(6)内底面上，所述外管(23)处于环形水室(8)中的部分包敷有保温材料；所述内管(24)上沿与外管(23)齐平，下端为与所述外管(23)下端具有流体间隙的开口；冷却管(10)位于环形水室(8)的部分设置有穿过所述外管(23)以连通所述环形水室(8)与所述内管(24)内部的冷却水注入管(26)。
6.如权利要求3所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：所述冷却管(10)底部为波纹管形式，固定在熔融物收集坩埚(6)内底面上，顶部固定在隔板(7)外底面。
7.如权利要求1-6任一所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：所述的熔融物冷却空间(9)内部填充有牺牲混凝土材料(13)；所述牺牲混凝土材料(13)呈锅状或锥状，所述冷却管(10)被埋于所述牺牲混凝土材料(13)内部。
8.如权利要求1-6任一所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：隔板(7)上设置有贯穿管(11)，所述贯穿管(11)自隔板(7)的贯穿管开孔(22)向下引出，下端采用能够在不低于预设温度下熔融以连通所述环形水室(8)和熔融物冷却空间(9)的材料制成。
9.如权利要求2-6任一所述的分区坩埚熔融物堆外捕集器，其特征在于：所述冷却水箱(16)底部通过冷却水注入管线(19)与冷却流道(14)连通，冷却水注入管线(19)上设有远控隔离阀门(17)；所述远控隔离阀门(17)在***检测到严重事故发生的信号后自动开启或失电、失气自动开启，令冷却水箱(16)与环形水室(8)构成连通器。
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