一種強制鋪展的堆芯熔融物捕集器的製作方法

2023-05-09 05:04:36 1

本發明屬於核反應堆安全
技術領域：
：，具體涉及一種強制鋪展的堆芯熔融物捕集器。
背景技術：
：：在三裡島和車諾比核電站的嚴重事故之後，核電界開始集中力量對嚴重事故的預防和後果緩解進行研究和攻關，諸多結論明確了防範與緩解嚴重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。當壓水堆核電站發生嚴重事故時，堆芯餘熱排出手段的喪失將使冷卻劑蒸發耗盡，堆芯裸露並持續升溫，燃料元件由於失去冷卻而發生融化，堆芯熔融物落入壓力容器(RPV)下腔室，繼而造成壓力容器下封頭失效，如果不能採取有效措施對其冷卻，堆芯熔融物有可能將壓力容器熔穿。壓力容器熔穿後，熔融物直接噴射到安全殼筏基上與結構混凝土相互作用(MCCI)、一定時間內以較快的速度逐漸向下侵蝕安全殼的筏基，若筏基厚度不足，則底板可能被熔穿，並導致安全殼的完整性破壞，隨後放射性物質將直接進入土壤，對環境造成嚴重影響。為了避免堆芯熔融物導致的大規模放射性物質釋放，堆芯捕集器的相關設計逐漸產生。目前針對嚴重事故下，堆芯熔融物的冷卻與收集策略主要可分為兩種：壓力容器內熔融物的冷卻與保持(IVR)，在美國的AP1000機型設計中採用；壓力容器外熔融物冷卻與收集(EVR)，在俄羅斯的WWER1000機型和法國的EPR機型中採用。WWER1000機型採用「坩堝」式堆芯捕集器，它是位於壓力容器下部的一個獨立的容器結構，主要由下底板、犧牲材料和扇形熱交換器組成。EPR機型採用「鋪展」式堆芯捕集器，嚴重事故情況下，堆芯形成可流動液態熔融物，直接流入反應堆堆坑中，在高溫作用下熔融物與堆坑犧牲性混凝土發生反應，逐漸消融犧牲混凝土，達到初步冷卻、收集熔融物的功能。關於堆芯捕集器的研究，國外起步較早，相關專利較多，如：美國麻省理工大學於1978年的專利，Corecatcherfornuclearreactorcoremeltdowncontainment(US4113560)，該專利可視為EVR的設計雛形；法國原子能機構於1981年的專利，Corecatcherdevice(US4280872)，該專利將EVR技術提升到了工程應用的水平；1982年的專利，Moltencorecatcherandcontainmentheatremovalsystem(US4342621)提出將熱管技術用於EVR；美國能源部1983年的專利，Combinationpiperupturemitigatorandin-vesselcorecatcher(US4412969)，首次提出了IVR的概念；此外的相關專利還有Retrofittablenuclearreactorcorecatcher(US4442065)、Nuclearreactorequippedwithacorecatcher(US5263066)、Nuclearreactorinstallationwithacorecatcherdeviceandmethodforexteriorcoolingofthelatterbynaturalcirculation(US5343506)、Corecatchercoolingbyheatpipe(US6353651)、CorecatcherCooling(US7558360)、Corecatcher，manufacturingmethodthereof，reactorcontainmentvesselandmanufacturingmethodthereof(US8358732)等。中國對堆芯捕集器的研究在從俄羅斯引進WWER核電系統之後逐漸增多，在引進美國AP1000核電技術之後形成了一系列專利，如：俄羅斯2007年在我國申請的專利，損壞的LWR核反應堆的襯層定位和冷卻系統(CN200410031091.1)，該專利即為WWER的EVR方案；中核工業二十三建設有限公司2010年在WWER施工過程中形成的專利技術，一種核電站堆芯捕集器的安裝方法(CN201010529073.1)；韓國水力原子力株式會社2010年的專利，具有集成冷卻通道的堆芯捕集器(CN201080068588.4)，其主旨在於對熔融物覆蓋底板的冷卻；上海核工程研究設計院在AP1000引進消化吸收及CAP1400設計過程中逐漸形成的EVR技術，底部注水疊加外部冷卻的大型非能動核電廠堆芯捕集器(CN201310005308.0)、一種大型非能動壓水堆核電廠坩堝型堆芯摧集器(CN201310005342.8)、有熔融物擴展室的大型非能動壓水堆核電廠堆芯捕集器(CN201310005579.6)、大型非能動核電廠熔融物堆內和堆外滯留相結合的裝置(CN201310264749.2)、有熔融物擴展室的大型非能動壓水堆核電廠堆芯捕集器(CN201320007203.4)、一種大型非能動壓水堆核電廠堪竭型堆芯捕集器(CN201320007218.0)、大型非能動核電廠熔融物堆內和堆外滯留相結合的裝置(CN201320007347.X)、底部注水疊加外部冷卻的大型非能動核電廠堆芯捕集器(CN201320007522)。上述所有堆芯捕集器相關專利均未考慮採用強制鋪展手段實現熔融物的充分展開，從而使熔融物熱量導出最大化。技術實現要素：針對目前所採用的堆芯熔融物捕集器所存在的不足，以及熔融物冷卻降溫方面的問題，有必要設計一種具備強制鋪展功能的熔融物捕集器，能夠更加可靠的鋪展熔融物，使其充分展開，增加熔融物的熱交換面積，提高熔融物熱交換率，更好的對熔融物進行降溫冷卻。為達到以上目的，本發明採用的技術方案是一種強制鋪展熔融物的堆芯捕集器，包括通過熔融物轉移通道連接反應堆堆坑的熔融物擴展室，其中，在所述熔融物擴展室的內部底面設置有能夠承載所述熔融物轉移通道輸送的熔融物的捕集器底板，設置在所述捕集器底板上方的帶有捕集器蓋板排氣孔的捕集器蓋板，所述捕集器底板、捕集器蓋板通過若干個蓋板下落定向支撐連接，所述捕集器蓋板能夠覆蓋在所述捕集器底板上。進一步，所述捕集器底板外圍邊沿設置有捕集器底板輪廓凸沿，內部板面上設置有若干捕集器底板突起及捕集器底板凹陷；所述捕集器蓋板外圍邊沿設置有捕集器蓋板輪廓凸沿，內部板面上設置有若干捕集器蓋板突起及捕集器蓋板凹陷，所述捕集器底板輪廓凸沿、捕集器蓋板輪廓凸沿能夠緊密連接，所述捕集器底板凹陷能夠容納所述捕集器蓋板突起，所述捕集器蓋板凹陷能夠容納所述捕集器底板突起；當所述捕集器蓋板覆蓋在所述捕集器底板上時，兩者內部構成一個閉合的熔融物鋪展空間。進一步，所述捕集器蓋板上還設置有若干落速阻尼器，用於控制所述捕集器蓋板沿所述蓋板下落定向支撐下落的速度。更進一步，所述捕集器底板、捕集器蓋板、蓋板下落定向支撐均採用耐高溫的金屬、合金、非金屬或複合材料製造，接觸或靠近熔融物的表面或表層，均採用鎢基高密度合金或碳化矽陶瓷複合材料。進一步，所述捕集器蓋板上還設置有控制所述捕集器蓋板下落的蓋板釋放觸發開關，所述捕集器底板的捕集器底板凹陷中設置有若干連接所述蓋板釋放觸發開關的底板溫度傳感器。進一步，還設置有貫穿所述熔融物擴展室的封閉循環的底板冷卻劑循環通道，所述底板冷卻劑循環通道位於所述熔融物擴展室內的部分穿過所述捕集器底板內部，所述底板冷卻劑循環通道位於所述熔融物擴展室外的部分依次設置有底板冷卻循環水泵、底板冷卻循環空冷器及底板冷卻循環熱交換器，冷卻劑能夠在所述底板冷卻劑循環通道內封閉循環流動。進一步，所述熔融物擴展室上還設置有熔融物擴展室注水管線和熔融物擴展室通風通道。進一步，所述反應堆堆坑內設置有金屬單質的堆坑犧牲材料，所述熔融物轉移通道與所述反應堆堆坑的連接處設置有坑底熔斷塞。進一步，所述蓋板釋放觸發開關能夠根據所述底板溫度傳感器發送的報警信號被觸發，也能夠通過手動或遠程遙控人工觸發。本發明的有益效果在於：1.強制鋪展將增大熔融物與冷卻水之間的換熱面積，有利於提高熔融物衰變熱導出功率，避免局部過熱導致的防護屏障失效。2.與金屬單質的堆坑犧牲材料融合後的熔融物在捕集器底板及捕集器蓋板間滯留並冷卻後，將形成相對獨立的金屬包袱體，反應堆的事故後處理工作將大為簡化，工作人員的輻照劑量可顯著降低。3.採用金屬單質作為犧牲材料可使熔融物總量顯著減少，使堆芯捕集器的建造難度降低，工程靈活性提高。4.能動結合非能動、空冷配合水冷的熔融物冷卻方式更為可靠，將使嚴重事故後核電廠的長期安全性得以提升。附圖說明圖1是本發明具體實施方式中所述一種強制鋪展熔融物的堆芯捕集器的結構示意圖；圖2是本發明具體實施方式中所述捕集器底板、捕集器蓋板閉合後的示意圖；圖3是本發明具體實施方式中所述捕集器底板、捕集器蓋板、蓋板下落定向支撐的結構示意圖；圖4是本發明具體實施方式中所述實施例一的捕集器底板結構示意圖；圖5是本發明具體實施方式中所述實施例二的捕集器蓋板結構示意圖；圖6是本發明具體實施方式中所述實施例二的捕集器底板結構示意圖；圖7是本發明具體實施方式中設置有所述捕集器蓋板大面積突起的捕集器蓋板結構示意圖；圖中：1-反應堆壓力容器，2-反應堆堆坑，3-熔融物，4-堆坑犧牲材料，5-坑底熔斷塞，6-熔融物轉移通道，7-熔融物擴展室，8-捕集器底板，9-捕集器蓋板，10-底板溫度傳感器，11-蓋板釋放觸發開關，12-蓋板下落定向支撐，13-冷卻水，14-熔融物擴展室通風通道，15-落速阻尼器，16-底板冷卻劑循環通道，17-底板冷卻循環水泵，18-底板冷卻循環空冷器，19-底板冷卻循環熱交換器，20-熔融物擴展室注水管線，80-捕集器底板輪廓凸沿，81-捕集器底板突起，82-捕集器底板凹陷，90-捕集器蓋板輪廓凸沿，91-捕集器蓋板小面積突起，92-捕集器蓋板凹陷，93-捕集器蓋板大面積突起，94-捕集器蓋板排氣孔。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。如圖1所示，本發明提供的一種強制鋪展熔融物的堆芯捕集器包括：通過熔融物轉移通道6連接反應堆堆坑2的熔融物擴展室7，其中在熔融物擴展室7的內部底面設置有能夠承載熔融物轉移通道6輸送的熔融物的捕集器底板8，設置在捕集器底板8上方的帶有捕集器蓋板排氣孔94的捕集器蓋板9，捕集器底板8、捕集器蓋板9通過若干個蓋板下落定向支撐12連接，捕集器蓋板9能夠覆蓋在所述捕集器底板8上(捕集器底板8、捕集器蓋板9及蓋板下落定向支撐12的連接關係見圖3)。捕集器蓋板9上還設置有若干個落速阻尼器15，用於控制捕集器蓋板9沿蓋板下落定向支撐12下落的速度。反應堆堆坑2內(堆坑底部)設置有金屬單質的堆坑犧牲材料4，熔融物轉移通道6與反應堆堆坑2的連接處設置有坑底熔斷塞5。熔融物在反應堆堆坑2內同堆坑犧牲材料4充分融合後，再融穿坑底熔斷塞5，才能夠經熔融物轉移通道6進入熔融物擴展室7內。如圖2、3、4所示，為了更好的鋪展熔融物，使得熔融物得到最大的散熱面積，捕集器底板8和捕集器蓋板9的內部設置了互相對應的凸起和凹陷(在本實施例中，這些凸起和凹陷都採用陣列方式均勻排布)，捕集器底板8外圍邊沿設置有捕集器底板輪廓凸沿80，內部板面上設置有若干捕集器底板突起81及捕集器底板凹陷82；捕集器蓋板9外圍邊沿設置有捕集器蓋板輪廓凸沿90，內部板面上設置有若干捕集器蓋板突起91及捕集器蓋板凹陷92，當捕集器蓋板9下落覆蓋在捕集器底板8上時，捕集器底板輪廓凸沿80、捕集器蓋板輪廓凸沿90能夠緊密連接，捕集器底板凹陷82能夠容納捕集器蓋板突起91，捕集器蓋板凹陷92能夠容納捕集器底板突起81；當捕集器蓋板9覆蓋在捕集器底板8上時，兩者內部構成一個閉合的統一的熔融物鋪展空間，只通過捕集器蓋板排氣孔94與熔融物擴展室7相通。捕集器蓋板9和捕集器底板8閉合後，兩者內部的各個凹陷和凸起之間存在縫隙，熔融物能夠被擠壓通過這些縫隙，實現強制鋪展、增加熔融物的熱交換面積的效果。捕集器底板8和捕集器蓋板9的形狀可以根據實際情況確定，本發明提供兩種方案，實施例一為矩形方案(見圖2、圖4)，實施例二為圓形方案(見圖5、圖6)。其中的蓋板下落定向支撐12數量和分布方式也根據實際需要進行規劃，保證捕集器蓋板9蓋板能夠牢固安裝並平穩下落(附圖中的蓋板下落定向支撐12的數量和分布僅為示意)。此外，捕集器蓋板9上的捕集器蓋板突起91的面積可以不同，例如在預測熔融物堆積較多的中間部分可以採用較大面積的捕集器蓋板大面積突起93(見圖7)，此時捕集器底板8上相對位置的捕集器底板凹陷82不必同捕集器蓋板大面積突起93完全匹配，只要能夠配合捕集器蓋板大面積突起93完成對熔融物的強制鋪展即可。捕集器底板8、捕集器蓋板9、蓋板下落定向支撐12均採用耐高溫的金屬、合金、非金屬或複合材料製造，其中需要接觸或靠近熔融物的表面或表層，均採用鎢基高密度合金或碳化矽陶瓷複合材料。捕集器蓋板9上還設置有控制捕集器蓋板9下落的蓋板釋放觸發開關11，捕集器底板8的捕集器底板凹陷82中設置有若干連接蓋板釋放觸發開關11的底板溫度傳感器10，底板溫度傳感器10均勻布置在整個捕集器底板8中。當底板溫度傳感器10監測到的接觸溫度大於設定溫度時(比如1200℃)，則底板溫度傳感器10能夠向蓋板釋放觸發開關11發送報警信號，當達到總數70％以上的底板溫度傳感器10都發出警報時，蓋板釋放觸發開關11就會被觸發，從而釋放捕集器蓋板9，捕集器蓋板9依靠重力下落(下落速度由落速阻尼器15控制)，並依靠自身重量完成對捕集器底板8上的熔融物的擠壓性的強制鋪展操作。此外，為了更可靠地執行強制鋪展操作，蓋板釋放觸發開關11還可以通過手動或遠程遙控人工觸發。如圖1所示，本發明提供的一種強制鋪展熔融物的堆芯捕集器採用能動和非能動兩種方式對熔融物進行降溫冷卻。能動方式是通過建立底板冷卻劑循環通道16，利用底板冷卻劑循環通道16中的冷卻劑進行冷卻循環來實現。具體方案是：設置貫穿熔融物擴展室7的封閉循環的底板冷卻劑循環通道16，底板冷卻劑循環通道16位於熔融物擴展室7內的部分穿過捕集器底板8內部，底板冷卻劑循環通道16位於熔融物擴展室7外的部分依次設置有底板冷卻循環水泵17、底板冷卻循環空冷器18及底板冷卻循環熱交換器19，冷卻劑能夠在底板冷卻劑循環通道16內封閉循環流動。底板冷卻劑循環通道16中流動的冷卻劑與熔融物3完全隔離。非能動方式是採用向熔融物擴展室7注入冷卻水，形成冷卻水池來實現。具體方案是：在熔融物擴展室7上(例如熔融物擴展室7上方頂部)設置熔融物擴展室注水管線20和熔融物擴展室通風通道14，通過熔融物擴展室注水管線20向熔融物擴展室7內注入冷卻水，淹沒閉合後的捕集器底板8、捕集器蓋板9，通過冷卻水的蒸髮帶走熔融物3的熱量，實現熔融物3的冷卻。根據本發明所提供的一種強制鋪展熔融物的堆芯捕集器，本發明還提供了一種強制鋪展熔融物的冷卻方法，包括以下步驟：(S1)融入了堆坑犧牲材料4的熔融物通過熔融物轉移通道6滑落到熔融物擴展室7內底板上的捕集器底板8上；(S2)當捕集器底板8上的規定數量以上的底板溫度傳感器10向蓋板釋放觸發開關11發送報警信號(例如當70％以上的底板溫度傳感器10發送報警信號時)，蓋板釋放觸發開關11被觸發，捕集器蓋板9被向下釋放；蓋板釋放觸發開關11也可以通過手動或遠程遙控人工觸發；(S3)捕集器蓋板9沿蓋板下落定向支撐12下落，並與捕集器底板8閉合構成封閉的熔融物鋪展空間，熔融物3被強制均勻鋪展在熔融物鋪展空間內；(S4)啟動底板冷卻循環水泵17、底板冷卻循環空冷器18、底板冷卻循環熱交換器19，使底板冷卻循環劑通道16內的冷卻劑開始循環，對堆芯熔融物進行能動方式冷卻；熔融物擴展室注水管線20開始向熔融物擴展室7注入冷卻水，淹沒閉合後的捕集器底板8和捕集器蓋板9。最後舉例說明本發明所提供的一種強制鋪展的堆芯熔融物捕集器的實際應用。如圖1所示，在反應堆的堆芯熔化發生時，堆芯中的熔融物3融穿反應堆壓力容器1後滑落到反應堆堆坑2底部鋪設的堆坑犧牲材料4上，當熔融物3同堆坑犧牲材料4充分融合併融穿堆坑犧牲材料4後，開始接觸坑底熔斷塞5，坑底熔斷塞5位於熔融物轉移通道6與反應堆堆坑2底部的連接處，當坑底熔斷塞5被熔融物3熔穿後，融合了堆坑犧牲材料4的熔融物3沿熔融物轉移通道6進入熔融物擴展室7內，並滑落到捕集器底板8上，隨著熔融物3不斷滑入，捕集器底板8上的熔融物開始依靠自身重力鋪展，當熔融物3接觸到捕集器底板8上的底板溫度傳感器10時，底板溫度傳感器10會向捕集器蓋板9上的蓋板釋放觸發開關11發出警報信號(設定底板溫度傳感器10的報警溫度為1200℃)，當佔總數量70％以上的底板溫度傳感器10發出警報信號後，蓋板釋放觸發開關11被觸發，捕集器蓋板9被釋放，在落速阻尼器15的控制下以一定速度沿蓋板下落定向支撐12下落並覆蓋在捕集器底板8上，擠壓捕集器底板8上的熔融物3，使熔融物3被強制擠入捕集器底板8與捕集器蓋板9之間形成的一個閉合的熔融物鋪展空間。隨後啟動底板冷卻循環水泵17、底板冷卻循環空冷器18、底板冷卻循環熱交換器19等設備，使得底板冷卻劑循環通道16內的冷卻劑開始循環，從而帶走熔融物3的熱量；同時通過熔融物擴展室注水管線20向熔融物擴展室7注入冷卻水13，在熔融物擴展室7內形成冷卻水池，淹沒閉合後的捕集器底板8和捕集器蓋板9，通過冷卻水的蒸髮帶走熔融物3的熱量，實現熔融物3的冷卻。由於熔融物3融合了金屬單質的堆坑犧牲材料4，以及捕集器底板8與捕集器蓋板9之間的各個凸起和凹陷所形成的空間形狀，使得熔融物3冷卻後形成多個相對獨立的金屬包袱體，使得後續處理工作大為簡化。此外，由於嚴重事故後反應堆中的熔融物的流動有很多不確定性，因此對於捕集器蓋板9和捕集器底板8沒有完全匹配的要求，即使存在少許的熔融物暴露，也是可以接受的。本發明所述的堆芯捕集器並不限於具體實施方式中所述的實施例，本領域技術人員根據本發明的技術方案得出其他的實施方式，同樣屬於本發明的技術創新範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp