反应堆熔融物滞留装置技术领域
本申请涉及一种反应堆熔融物滞留装置，更具体地，涉及一种湿式反应堆非能动熔融物滞留装置。
背景技术
本部分的描述仅为提供关于本申请的背景信息，决不应该被认为是对任何现有技术的承认。
随着国内三代高功率反应堆研发推进，我国主推的AP及CAP系列高功率反应堆在严重事故缓解技术方面有诸多争议，尤其是在堆内滞留和堆外滞留方面提出了更多疑问。
目前，AP或CAP系列反应堆采用IVR（In-VesselRetention）技术作为严重事故缓解措施。对于AP或CAP系列反应堆，在事故下堆芯无法得到有效冷却时，堆芯达到一定温度后，安全壳内置换料水箱（IRWST）中的水注入堆腔内使堆腔淹没，水通过保温层窄道结构实现对压力容器下封头的强化换热，降低了反应堆压力容器失效概率，进而防止可能威胁安全壳完整性的堆外现象发生。然而，随着反应堆功率的提升，压力容器失效概率增加，一旦熔融物泄露，将发生熔融物与冷却剂反应、熔融物与混凝土反应、氢气爆炸等堆外现象，这些现象都将严重威胁安全壳的完整性，将最终导致裂变产物大规模释放，给环境带来巨大影响。
为了防止高反应堆功率下的熔融物外泄，需要一种与IVR相结合的适用于AP或CAP系列反应堆堆腔淹没工况下的湿式反应堆非能动熔融物滞留装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种尤其用于大型高功率非能动核电厂的熔融物滞留装置，其通过熔融物与牺牲性材料反应来降低熔融物的热流密度，从而有效实现熔融物在该装置内滞留，防止熔融物外泄。
本发明的目的通过如下所述的熔融物滞留装置实现，所述熔融物滞留装置内包含牺牲性材料以降低熔融物的热流密度，并且所述熔融物滞留装置密封连接到压力容器外壁。
所述熔融物滞留装置与所述压力容器的密封连接是通过密封装置实现的，所述密封装置包括上法兰、下法兰、填料函和紧固螺栓，其中上法兰和填料函与压力容器的外壁紧密接触，下法兰通过所述紧固螺栓与上法兰连接在一起从而使得所述填料函位于由压力容器的外壁、上法兰、和下法兰围成的空间内。
所述熔融物滞留装置内的所述牺牲性材料被设置在所述熔融物滞留装置内的缓冲区内和牺牲性材料区内，缓冲区相比牺牲性材料区更靠近所述压力容器，其中缓冲区内的牺牲性材料在降低熔融物的热流密度的同时还承载并缓冲熔融物下落带来的冲击力。
所述熔融物滞留装置内还包括多面填料盒以均匀各方向的热流密度。
所述熔融物滞留装置被密封连接到所述压力容器的下封头周围，并且所述牺牲性材料在所述熔融物滞留装置中的高度高于所述下封头在所述熔融物滞留装置中的高度。
所述熔融物滞留装置包括外壳、密封装置、保温层和进水口装置，所述熔融物滞留装置通过所述外壳和密封装置密封连接到压力容器外壁，所述牺牲性材料容纳在所述外壳内，保温层设置在所述外壳外部从而形成冷却流道，所述进水口装置与所述外壳连接以支撑固定所述外壳的位置。
所述进水口装置包括支撑底座、进水口组件和支撑件贯穿孔，其中进水口组件包括铰链和浮力自动开启门。
所述缓冲区内的牺牲性材料是三氧化二铝，所述牺牲性材料区内的牺牲性材料选自四氧化三铁、二氧化钛和三氧化二铝中的一种或多种。
本申请还提出了使用上述熔融物滞留装置的压力容器和反应堆。
本发明主要是通过降低熔融物热流密度来大大提高安全裕度，从而使熔融物滞留在该装置中。其主要可应用于核能工程、热能工程、材料工程等领域，该装置可有效实现高功率反应堆中严重事故后堆内熔融物的滞留，防止熔融物对安全壳破坏，有效预防大量放射性物质释放。本发明不仅应用于高功率反应堆，同时将填补国内在更大规模压水反应堆核电站开发中存在的技术空白，为后续研究设计更高功率反应堆提供参考依据。
附图说明
本发明的上述和其他特征和优点将通过参照如下附图的具体描述而为本领域技术人员更全面地理解，附图中：
图1是熔融物滞留装置的正视剖面图；
图2是密封装置的剖面图；
图3是进水口装置的剖面图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细地描述本发明。其中，相同的附图标记用来表示相同或相似的部件。这些实施例仅是说明性的，决不意在将本发明仅仅限制到这些说明性的实施例。
图1示出了根据本发明实施例的熔融物滞留装置的正视剖面图。熔融物滞留装置包括捕集器外壳11、捕集器密封装置13、牺牲性材料19、进水口装置18、和保温层16。牺牲性材料19设置在捕集器外壳11内。熔融物滞留装置整体设置在由屏蔽墙24围成的空间中。捕集器密封装置13密封连接到压力容器21的外壁。保温层16连接到压力容器支撑件23上。
如图1所述，捕集器外壳11是一个圆柱形筒体、半球形底封头组成的圆柱形结构，筒体和底封头直径均大于压力容器21的尺寸。其上部与捕集器密封装置13的下法兰133焊接，底部与进水口装置18的支撑件焊接，其内部装有牺牲性材料19。
捕集器外壳11用于承载所有的牺牲性材料19。捕集器外壳11是包裹捕集器内部构件，并保证熔融物从压力容器21泄漏后不再外泄的屏蔽。因此在严重事故发生时，捕集器外壳11作为一道熔融物继续扩散的屏蔽。其与外部的保温层16形成冷却通道，能够通过捕集器外部冷却，利用冷却剂强化换热载出熔融物的热量，最大限度保证将熔融物滞留在捕集器外壳11内，保持反应堆的安全性，以实现严重事故缓解的目的。
优选地，捕集器外壳11采用SA-508-3锻件和低合金钢板制造。捕集器外壳11的筒体上缘约位于堆芯活性区高度一半位置，上缘与压力容器21之间的空隙用捕集器密封装置13填充。整个捕集器外壳11与压力容器21外壳形成密闭空间，能够在压力容器底部熔穿时形成有效屏蔽。更优选地，在密封装置13下方压力容器下封头上即开始填充牺牲性材料19，防止破口位置在下封头上部。
如图2所示，焊接在捕集器外壳11上部的捕集器密封装置13，由上法兰131、下法兰133、紧固螺栓135和填料函137组成。该密封装置13用于密封捕集器外壳11与压力容器21侧壁之间的缝隙。在不破坏压力容器原有结构的基础上，一旦发生压力容器底部熔穿，能够将熔融物有效控制在捕集器外壳11内，防止发生熔融物及其附属产物从缝隙扩散。
优选地，填料函137采用硬填料密封。优选地，捕集器密封装置13还包括分瓣环（未示出），分瓣环由上、下法兰131、133配合紧固螺栓135压紧密封。该分瓣环优选用石墨制成，具有较高的耐热和耐压性能，且在环内磨损后，仍能够保持密封性能。
捕集器外壳11中的牺牲性材料19被设置在缓冲区15和牺牲性材料区内。缓冲区15和牺牲性材料区的结构相似，均可采用多面填料盒17内置牺牲性材料19，为了使填料盒17与捕集器外壳11之间有效接触冷却，缝隙处采用牺牲性材料砖块填充。
缓冲区15包括耐冲击牺牲性材料，在压力容器熔穿时，承载并缓冲由于熔融物下落带来的冲击力，保护捕集器支撑件瞬态应力过大。有利地，缓冲区15还包括蜂窝状的多面填料盒17，利用其填料盒多面侧壁均匀与熔融物混合，降低熔融物的热流密度，起到缓解严重事故作用。
牺牲性材料区包括牺牲性材料，位于缓冲区15下部，两个区域无缝连接。牺牲性材料区能够稀释大量熔融物，大大降低熔融物热流密度。有利地，牺牲性材料区也包括蜂窝状的多面填料盒17，利用多面填料盒均匀各方向的热流密度。
优选地，上层的缓冲区15与上部的压力容器21下封头之间存在一定间隙，中间间隙较小，四周间隙较大。有利地，缓冲区15上表面成60°斜面，起到一定导流作用，同时四周间隙略大可以防止出现阻塞现象，间隙距离为150-300mm。
填料盒17采用蜂窝状结构，可以有效实现熔融物从中心向四周扩散稀释，避免熔融物在某一地方集中反应，同时也方便现场安装。在该实施例中，填料盒17主要结构为八面体的模块钢壳组成，材料为碳钢，内部填充牺牲性材料19。然而，本领域技术人员应该理解，其他合适形状和材料也可被用于填料盒17。优选地，上层缓冲区15中填料盒17内的牺牲性材料19主要为Al2O3，可以缓冲上部熔融物坠落产生的应力，与Al2O3反应也可以达到一定的稀释作用。下层牺牲性材料区中填料盒17内的牺牲性材料19可以选用Fe3O4、TiO2和Al2O3。对于不同的牺牲性材料所用体积不同，在相同体积下，认为Fe3O4材料的稀释效果最好，即壁面最大热流密度最小。由于安全壳内空间和设备布置的限制，压力容器底部的空间长度小于2.5m，若以Fe3O4为牺牲性材料，捕集器外壳11与压力容器21之间的牺牲性模块布置高度至少为2m，才能够保证捕集器外壳11处熔池热流密度减少40%以上。优选地，根据熔融物总量，下层牺牲性材料区中的牺牲性材料首选Fe3O4，TiO2和Al2O3以一定比例掺入。由于捕集器外壳11为半球性，填料盒17为八面体，故捕集器外壳11与填料盒17之间无法紧密结合。为此，优选地，以Fe3O4砖块砌成适合高度，满足填充盒17安装。
保温层16沿用IVR设计理念，在捕集器外壳11外侧安置，其上部与热管支撑件（未示出）连接。在保温层16的上部设置蒸汽排放口14。保温层16和捕集器外壳11之间形成窄隙流道，可以实现捕集器外部冷却。如图所示，保温层16由一个圆柱形筒体和底封头组成，圆柱形筒体上部布置一周蒸汽排放口14，圆柱形筒体与热管支撑件焊接而成，底封头与进水口装置18连接。
进水口装置18与捕集器外壳11连接，用于从底部支撑固定捕集器位置。进水口装置18设有进水口和贯穿孔，能够保证冷却剂的顺利进入。如图3所示，进水口装置18包括捕集器支撑底座183、进水口组件185和支撑件贯穿孔181。其中进水口组件185包括铰链和浮力自动开启门，是冷却水的主要通道。在捕集器外壳11和保温层16之间的支撑件也有足够的贯穿孔保证冷却水流动。进水口组件185轴向均布在进水口装置18底部。优选地，进水口装置18焊接于捕集器外壳11底部，部分支撑主体位于捕集器外壳11和保温层16之间冷却流道中。为了不妨碍冷却剂流通，在支撑部分开通了多个贯穿孔181，并根据实际反应堆设计孔径和数量。
工作中，在正常工况下，进水口组件185是关闭的。当严重事故发生时，冷却剂淹没堆腔底部，进水口组件185自动开启，保证冷却剂的供给。并且，当高功率反应堆发生严重事故时，堆芯熔融物在压力容器21内形成熔池，由于高功率反应堆的熔池热流密度会高于临界热流密度，压力容器下封头容易失效，从而导致压力容器熔穿，熔融物外泄。当熔融物落入捕集器外壳11内，逐步与缓冲区15和牺牲性材料区的填料盒17和牺牲性材料19发生物理化学反应时，由中心区域向四周呈放射性扩散，逐步反应至捕集器外壳11内的全部牺牲性材料19反应完全。当熔融物与牺牲性材料19发生反应后，牺牲性材料19可以起到一定稀释作用，降低熔池的热流密度，预计熔池热流密度至少可以降低40%，远远低于压力容器下封头处的临界热流密度。整个缓冲区15和牺牲性材料区与捕集器外壳冷却流道配合，有效降低熔融物的热流密度，达到熔融物冷却并在捕集器内滞留的效果。
本发明主要是利用牺牲性材料自身特性以及填充结构方式，当熔融物从压力容器底封头坠入捕集器时，先与牺牲性材料盒反应，由于采用多面体结构可实现熔融物从中心向四周熔化扩散，最终形成一个混合熔融池，该熔融池在该装置内的热流密度将大大降低，至少降低40%，再通过捕集器外部窄流道结构的非能动冷却，最终实现反应堆熔融物堆外滞留，从而增强了大型非能动压水堆严重事故缓解能力。
上面描述的实施例只是实施本发明的示例性方式。本领域技术人员完全能够理解，本发明还能够以其他的方式实施。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域技术人员可进行各种改变、改进和替换。