一种反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统
技术领域
本发明属于核工业领域，具体涉及一种反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统。
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系统。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坡迫切。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；法国原子能机构于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核电系统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，本专利提出的多坩埚式反应堆熔融物堆外捕集系统，旨在有限空间内收集、分装、冷却熔融物，并达到高效滞留的目的。
有鉴于此，特提出本发明。
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反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，本技术方案能够实现在小空间内将堆芯熔融物最大程度快速有效地扩展冷却，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。
本发明的技术方案为：
一种反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，包括熔融物收集装置、多坩埚分散滞留装置及冷却回路；
所述熔融物收集装置设置于压力容器竖直支撑内壁，包括与压力容器下封头相对设置的倾斜面和围板，所述围板向中心收拢；所述熔融物收集装置为两层结构，包括下部隔热层和表面润滑层；
所述多坩埚分散滞留装置设置于堆坑底部，包括中央主坩埚和多个副坩埚；所述中央主坩埚和副坩埚通过孔道贯穿件相连；所述中央主坩埚的开口朝向所述围板的开口；
所述冷却回路与堆坑连接以堆坑中多坩埚分散滞留装置进行冷却。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，所述熔融物收集装置设置有倾斜缓冲台阶，该倾斜缓冲台阶的倾斜角度为30-60°。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，所述冷却回路包括相互连接的冷凝器和内置换料水箱；所述冷凝器和内置换料水箱分别通过管线与蒸汽通道和堆坑连接；所述内置换料水箱中的冷却水注入堆坑，蒸汽经过蒸汽通道进入冷凝器冷凝后回流到内置换料水箱。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，所述蒸汽通道设置于熔融物收集装置上方的竖直壁面，斜向上倾角为30-60°，通过球形阀开启。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，所述堆坑内壁设置有隔热层；所述多坩埚分散滞留装置设置于铺设在所述堆坑底部的牺牲混凝土层上。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，所述中央主坩埚和副坩埚均为耐高温上部开口多层复合容器，内壁是牺牲性混凝土结构，中间为耐高温结构材料，外壁为不锈钢结构，底部为球面。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，所述孔道贯穿件由主坩埚向副坩埚倾斜，倾角不大于30°。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，孔道贯穿件为耐高温氧化锆，截面为半圆形。
进一步地，上述的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，在低于副坩埚边沿高度处的堆坑内壁面设置有溢流通道。
本发明的有益效果是：
(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)采用主、副坩埚连通设计，有效实现分装，增大换热面积，缩短冷却时间；
(3)收集装置、主副坩埚采用多层复合材料设计，有效抵挡熔融物瞬时热冲击，并长期耐受高温，保护本体结构不被破坏；
(4)堆坑内的冷却水经池式沸腾蒸发后可由冷凝器收集，提高了水源的利用率；
(5)整个系统采用立体、紧凑设计，占用空间有限，资源利用率高。
附图说明
图1为本发明的反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统的结构示意图；
图2为本发明中的熔融物收集装置的剖面图；
图3为本发明中的多坩埚分散滞留装置的结构示意图；
图4为本发明中的中央主坩埚及支撑结构的示意图。
上述附图中，01、压力容器；02、熔融物收集装置；03、多坩埚分散滞留装置；04、隔热层；05、牺牲性混凝土；06、堆坑内壁支撑混凝土结构；07、溢流通道；08、蒸汽通道；09、球形阀；10、管线；11、冷凝器；12、内置换料水箱；13、电动阀；14、管线；15、安全阀；16、表面润滑层；17、隔热层；18、中央主坩埚；19、副坩埚；20、孔道贯穿件；21、支撑结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行介绍：
如图1所示，本发明提供了一种反应堆熔融物堆外收集、分装、滞留系统，包括熔融物收集装置02、多坩埚分散滞留装置03及冷却回路。
为更好地收集事故后可能向各方向喷溅的熔融物，熔融物收集装置02设置于压力容器01竖直支撑内壁，包括与压力容器01下封头相对设置的倾斜面和围板，所述围板向中心收拢。如图2所示，熔融物收集装置02为两层结构，包括下部隔热层17和表面润滑层16；所述表面润滑层16为赤铁矿层，能够保证熔融物顺利转移不致堵塞，其主要材料为氧化铁；下部隔热层17为氧化锆，能够起隔热作用以保证装置在高温情况下的可靠性。熔融物收集装置02设置有倾斜缓冲台阶，该倾斜缓冲台阶的倾斜角度为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。熔融物收集装置02的纵剖面为漏斗状以便于熔融物收集。
多坩埚分散滞留装置03设置于堆坑底部，包括中央主坩埚18和多个副坩埚19；如图3所示，中央主坩埚18和副坩埚通过水平孔道贯穿件20相连；所述中央主坩埚18的开口朝向所述围板的开口。所述中央主坩埚18和副坩埚19均为耐高温上部开口多层复合容器，内壁是牺牲性混凝土结构，中间为碳化硅或氧化锆等耐高温结构材料，外壁为不锈钢结构，底部为球面。各层间通过粘胶或水泥粘连压实。本实施例中，中央主坩埚18直径3m，高4m，副坩埚19直径1.5m，高3m。
本实施例中包括一个中央主坩埚18和六个副坩埚19，主坩埚在2/3高度处设置6个贯穿孔，并各自与副坩埚19连接，主副坩埚之间的间距为0.5m。孔道贯穿件20可以是设置或由主坩埚向副坩埚19倾斜，倾角控制在30°范围内，材质为耐高温氧化锆，截面为半圆形。
针对高温熔融物热辐射，堆坑内壁支撑混凝土结构06内侧设置有隔热层04；该隔热层04为氧化锆或碳化硅材质。多坩埚分散滞留装置03设置于铺设在所述堆坑底部的牺牲混凝土层05上。牺牲混凝土层05用于防止熔融物意外流出熔穿堆坑下底板。为保持冷却水位，在低于副坩埚19边沿高度处的堆坑内壁面设置有溢流通道07。所述溢流通道07宽度为0.2m，设置在低于副坩埚19边沿高度0.1m处的堆坑内壁面上，溢流出口设置在堆坑外。本实施例中，为使有着球面底部的主副坩埚能竖直承接熔融物，并在堆坑内保持良好的冷却状态，中央主坩埚18与副坩埚19可由高度略有不同的不锈钢环柱镂空的支撑结构21支撑，并使坩埚底部高于牺牲混凝土层05表面0.3m，保证底部冷却水可以有效流动。
所述冷却回路与堆坑连接以堆坑中多坩埚分散滞留装置03进行冷却。冷却回路包括相互连接的冷凝器11和内置换料水箱12；所述冷凝器11和内置换料水箱12分别通过管线(10、14)与蒸汽通道08和堆坑连接；所述内置换料水箱12中的冷却水注入堆坑，蒸汽经过蒸汽通道08进入冷凝器11冷凝后回流到内置换料水箱12。冷凝器11设置在反应堆安全壳外以加强换热效果。
事故情况下电动阀13开启，内置换料水箱12中的水通过重力注入堆坑，蒸汽经过蒸汽通道08，管线(10、14)，及置于反应堆安全壳的外冷凝器11回流到内置换料水箱12，构成冷却回路。
图1中，蒸汽通道08设置于熔融物收集装置02上方的竖直壁面，斜向上倾角为30-60°，优选为45°，通过球形阀09开启。
另外，本发明的压力容器01顶部设置有安全阀15，蒸汽超压时即自动打开泄压。
本发明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；采用主、副坩埚连通设计，有效实现分装，增大换热面积，缩短冷却时间；收集装置、主副坩埚采用多层复合材料设计，有效抵挡熔融物瞬时热冲击，并长期耐受高温，保护本体结构不被破坏；堆坑内的冷却水经池式沸腾蒸发后可由冷凝器11收集，提高了水源的利用率；整个系统采用立体、紧凑设计，占用空间有限，资源利用率高。
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。
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