CN113178270A - 一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器 - Google Patents

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韩旭
邢继
王一光
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Abstract

本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器。所述的分组捕集器包括耐高温陶瓷外壳及金属内胆构成的双层球壳结构，所述的金属内胆的内部形成全密封的空心结构，用于通过所述的高温陶瓷外壳上开有的主熔融物啜吸通道及辅熔融物啜吸通道捕集所述的反应堆堆芯熔融物；所述的主熔融物啜吸通道面积大于所述的辅熔融物啜吸通道的面积，且所述的主熔融物啜吸通道的轴线与所述的辅熔融物啜吸通道的轴线形成一定的夹角α。利用本发明的反应堆堆芯熔融物分组捕集器，能够通过独立容器对堆芯熔融物分组进行捕集。

Description

一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器
技术领域
本发明属于核安全控制技术领域，涉及一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器。
背景技术
在三里岛和切尔诺贝利核电站的严重事故之后，核电界开始集中力量对严重事故的预防和后果缓解进行研究和攻关，诸多结论明确了防范与缓解严重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。当压水堆核电站发生严重事故时，堆芯余热排出手段的丧失将使冷却剂蒸发耗尽，堆芯裸露并持续升温，燃料元件由于失去冷却而发生融化，堆芯熔融物落入压力容器(RPV)下腔室，继而造成压力容器下封头失效，如果不能采取有效措施对其冷却，堆芯熔融物有可能将压力容器熔穿。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，并导致安全壳的完整性破坏，随后放射性物质将直接进入土壤，对环境造成严重影响。为了避免堆芯熔融物导致的大规模放射性物质释放，堆芯捕集器的相关设计逐渐产生。
目前针对严重事故下，堆芯熔融物的冷却与收集策略主要可分为两种：压力容器内熔融物的冷却与保持(IVR)，在美国的AP1000机型设计中采用；压力容器外熔融物冷却与收集(EVR)，在俄罗斯的WWER1000机型和法国的EPR机型中采用。WWER1000机型采用“坩埚”式堆芯捕集器，它是位于压力容器下部的一个独立的容器结构，主要由下底板、牺牲材料和扇形热交换器组成。EPR机型采用“铺展”式堆芯捕集器，严重事故情况下，堆芯形成可流动液态熔融物，直接流入反应堆堆坑中，在高温作用下熔融物与堆坑牺牲性混凝土发生反应，逐渐消融牺牲混凝土，达到初步冷却、收集熔融物的功能。
关于堆芯捕集器的研究，国外起步较早，相关专利公开也较多，较重要的如：US4,113,560(美国麻省理工大学，1978年)可视为EVR的设计雏形；US4,280,872(法国***，1981年)将EVR技术提升到了工程应用的水平；US4,342,621(1982年)提出将热管技术用于EVR；US4,412,969(美国能源部，1983年)首次提出了IVR的概念。此外，US4,442,065、US5,263,066、US 5,343,506、US6,353,651、US7,558,360、US8,358,732也公开了相关技术。
中国对堆芯捕集器的研究在从俄罗斯引进WWER核电***之后逐渐增多，在引进美国AP1000核电技术之后更是形成了一系列专利。国内外申请人在中国申请的此类专利包括：CN200410031091.1(俄罗斯申请，2007年)涉及损坏的LWR核反应堆的衬层定位和冷却***，该专利即为WWER的EVR方案；CN201010529073.1(中核工业二十三建设有限公司，2010年)为申请人在WWER施工过程中形成的专利技术，涉及一种核电站堆芯捕集器的安装方法；CN201080068588.4(韩国水力原子力株式会社，2010年)涉及具有集成冷却通道的堆芯捕集器，其主旨在于对熔融物覆盖底板的冷却；CN201310005308.0、CN201310005342.8、CN201310005579.6、CN201310264749.2、CN201320007203.4、CN201320007218.0、CN201320007347.X、CN20132000752.2(上海核工程研究设计院)为申请人在AP1000引进消化吸收及CAP1400设计过程中逐渐形成的EVR技术，分别涉及底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器、一种大型非能动压水堆核电厂坩埚型堆芯捕集器、有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器、大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结合的装置、有熔融物扩展室的大型非能动压水堆核电厂堆芯捕集器、一种大型非能动压水堆核电厂堪竭型堆芯捕集器、大型非能动核电厂熔融物堆内和堆外滞留相结合的装置、底部注水叠加外部冷却的大型非能动核电厂堆芯捕集器。
但上述所有堆芯捕集器相关专利均未考虑采用独立容器对堆芯熔融物分组进行捕集。
发明内容
本发明的目的是提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，以能够通过独立容器对堆芯熔融物分组进行捕集。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，所述的分组捕集器包括耐高温陶瓷外壳及金属内胆构成的双层球壳结构，
所述的金属内胆的内部形成全密封的空心结构，用于通过所述的高温陶瓷外壳上开有的主熔融物啜吸通道及辅熔融物啜吸通道捕集所述的反应堆堆芯熔融物；
所述的主熔融物啜吸通道面积大于所述的辅熔融物啜吸通道的面积，且所述的主熔融物啜吸通道的轴线与所述的辅熔融物啜吸通道的轴线形成一定的夹角α。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的耐高温陶瓷外壳的材质为熔点不低于1800℃的陶瓷或陶瓷复合材料。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的耐高温陶瓷外壳的材质为TaO2或ZrO2。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的耐高温陶瓷外壳分为耐高温陶瓷外壳上半球和耐高温陶瓷外壳下半球，两者通过螺纹连接。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的金属内胆的材质为熔点高于1500℃的金属或合金。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的金属内胆的内部的绝对压力小于500Pa。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的金属内胆分为金属内胆上半球和金属内胆下半球，两者通过螺纹连接。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的耐高温陶瓷外壳的底部及所述的金属内胆的底部分别设置有耐高温陶瓷外壳配重及金属内胆配重，所述的耐高温陶瓷外壳配重及所述的金属内胆配重分别用于降低所述的耐高温陶瓷外壳及所述的金属内胆的重心。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的耐高温陶瓷外壳及所述的金属内胆通过所述的耐高温陶瓷外壳配重及所述的金属内胆配重相连。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其中所述的夹角α小于45°。
本发明的有益效果在于，利用本发明的反应堆堆芯熔融物分组捕集器，能够通过独立容器对堆芯熔融物分组进行捕集。
本发明的反应堆堆芯熔融物分组捕集器是实现反应堆堆芯熔融物分组独立捕集的关键设备，该容器外壳为耐高温陶瓷，可实现对堆芯熔融物的早期包容；容器金属内胆熔点较低，内部维持真空，当胆体因高温融化并失去完整性时，堆芯熔融物将被啜吸至容器内部。
本发明具有以下几点突出优势：(1)堆芯熔融物的分组捕集有利于实现堆芯熔融物的有效冷却，使放射性物质释放最小化；(2)真空内胆设计可显著增加容器对熔融物的收纳比例；(3)金属内胆及耐高温陶瓷外壳的重心降低设计(通过增加配重实现)可有效维持熔融物啜吸过程中容器的稳定。
附图说明
图1为示例性的本发明的反应堆堆芯熔融物分组捕集器的轴向剖视图。
图2为示例性的本发明的反应堆堆芯熔融物分组捕集器的立体图。
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。
示例性的本发明的反应堆堆芯熔融物分组捕集器的结构如图1-2所示，包括耐高温陶瓷外壳上半球1、耐高温陶瓷外壳下半球2、金属内胆上半球3、主熔融物啜吸通道4、辅熔融物啜吸通道5、内胆配重6、外壳配重7、固定螺栓8、金属内胆下半球10、螺纹11。
耐高温陶瓷外壳上半球1、耐高温陶瓷外壳下半球2的材质为熔点不低于1800℃的陶瓷或陶瓷复合材料(此处具体为氧化锆或SiC)，它们通过螺纹11连接在一起，形成完整的耐高温陶瓷外壳。金属内胆上半球3、金属内胆下半球10的材质为熔点高于1500℃的金属或合金(此处具体为铁或不锈钢)，它们也通过螺纹连接在一起，形成完整的金属内胆。
高温陶瓷外壳及金属内胆构成双层球壳结构，其中金属内胆的内部形成全密封的空心结构，空心结构中的绝对压力小于500Pa。空心结构用于通过高温陶瓷外壳上半球1上开有的主熔融物啜吸通道4及辅熔融物啜吸通道5捕集反应堆堆芯熔融物。主熔融物啜吸通道4面积大于辅熔融物啜吸通道5的面积，且主熔融物啜吸通道4的轴线与辅熔融物啜吸通道5的轴线形成小于45°的夹角α。
耐高温陶瓷外壳与金属内胆间存在外壳内胆间隙，此间隙最大宽度小于金属内胆直径的8％。
耐高温陶瓷外壳下半球2的底部具有外壳配重7，金属内胆下半球10的底部通过固定螺栓8固定有内胆配重6。内胆配重6和外壳配重7分别用于降低耐高温陶瓷外壳和金属内胆的重心。耐高温陶瓷外壳及金属内胆通过一组或多组固定螺栓8籍由外壳配重7和内胆配重6相连。
上述示例性的本发明的反应堆堆芯熔融物分组捕集器的装配方法如下：
1)将金属内胆下半球10通过固定螺栓8固定于耐高温陶瓷外壳下半球2；
2)将内胆配重6通过固定螺栓8固定于金属内胆下半球10并压紧；
3)将金属内胆上半球3籍由螺纹固定于金属内胆下半球10，并形成密闭空间，完成抽真空操作，使其内部绝对压力小于500Pa，并焊接密闭金属内胆；
4)将耐高温陶瓷外壳上半球1籍由螺纹11固定于耐高温陶瓷外壳下半球2，形成耐高温陶瓷外壳，完成捕集器装配。
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)

1.一种反应堆堆芯熔融物分组捕集器，其特征在于，所述的分组捕集器包括耐高温陶瓷外壳及金属内胆构成的双层球壳结构，
所述的金属内胆的内部形成全密封的空心结构，用于通过所述的高温陶瓷外壳上开有的主熔融物啜吸通道及辅熔融物啜吸通道捕集所述的反应堆堆芯熔融物；
所述的主熔融物啜吸通道面积大于所述的辅熔融物啜吸通道的面积，且所述的主熔融物啜吸通道的轴线与所述的辅熔融物啜吸通道的轴线形成一定的夹角α。
2.根据权利要求1所述的分组捕集器，其特征在于：所述的耐高温陶瓷外壳的材质为熔点不低于1800℃的陶瓷或陶瓷复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的分组捕集器，其特征在于：所述的耐高温陶瓷外壳的材质为TaO2或ZrO2。
4.根据权利要求1所述的分组捕集器，其特征在于：所述的耐高温陶瓷外壳分为耐高温陶瓷外壳上半球和耐高温陶瓷外壳下半球，两者通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的分组捕集器，其特征在于：所述的金属内胆的材质为熔点高于1500℃的金属或合金。
6.根据权利要求1所述的分组捕集器，其特征在于：所述的金属内胆的内部的绝对压力小于500Pa。
7.根据权利要求1所述的分组捕集器，其特征在于：所述的金属内胆分为金属内胆上半球和金属内胆下半球，两者通过螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的分组捕集器，其特征在于：所述的耐高温陶瓷外壳的底部及所述的金属内胆的底部分别设置有耐高温陶瓷外壳配重及金属内胆配重，所述的耐高温陶瓷外壳配重及所述的金属内胆配重分别用于降低所述的耐高温陶瓷外壳及所述的金属内胆的重心。
9.根据权利要求8所述的分组捕集器，其特征在于：所述的耐高温陶瓷外壳及所述的金属内胆通过所述的耐高温陶瓷外壳配重及所述的金属内胆配重相连。
10.根据权利要求1所述的分组捕集器，其特征在于：所述的夹角α小于45°。
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