一种堆芯熔融物碎片冷却装置的制作方法

1.本发明涉及核工业技术领域，具体涉及一种堆芯熔融物碎片冷却装置。


背景技术：

2.当核电站发生严重事故时，反应堆压力容器内的燃料组件、控制棒、不锈钢等材料熔化，形成高温液态熔融物。堆芯熔融物的温度高达3000℃，较快熔穿压力容器继而流入到堆坑内。当堆坑内有大量水时，堆芯熔融物会破碎成1-10mm左右的碎片。如果不加干预，这些碎片沉入堆坑底部，会成“山形”堆积起来，在此称为碎片床。这些碎片本身的衰变热可达15mw，渗透到碎片床内部的水会被加热汽化，产生大量水蒸气。水蒸气的快速排出，导致水很难再渗透到碎片床内部，造成碎片床内部无法冷却。碎片床内部碎片会升温熔化，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。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是熔融物堆积无法进行有效的冷却，目的在于提供一种堆芯熔融物碎片冷却装置，能够改变熔融物碎片的堆积方式，将熔融物碎片分散成有利于冷却的分布形式，控制堆积高度，从而实现熔融物碎片的高效冷却，缓解反应堆严重事故后果。
4.本发明通过下述技术方案实现：
5.一种堆芯熔融物碎片冷却装置，包括：
6.堆坑，压力容器设置在所述堆坑的上部；
7.碎片收集组件，其与所述堆坑内壁固定连接，所述碎片收集组件具有碎片排出通道和碎片排出口，所述压力容器位于所述碎片排出通道的上方和/或所述碎片排出通道内部；
8.碎片分散冷却组件，其设置在所述堆坑底部，且位于所述碎片收集组件的碎片排出口的下方；
9.注水组件，其设置在所述堆坑外，且与所述堆坑内部连通。
10.可选地，所述碎片收集组件包括：
11.碎片收集板，其具有相互连通的大径端和小径端，所述碎片收集板的大径端为所述碎片排出通道，所述碎片收集板的小径端为所述碎片排出口，所述碎片收集板的大径端位于所述碎片收集板的小径端的上方；
12.碎片分散器，其为螺旋桨式结构，所述碎片分散器固定设置在所述碎片排出口内。
13.作为一个实施例，所述碎片收集板的内侧面为光滑面，且所述碎片收集板的下斜角度≥45
°
，所述碎片排出口的直径≥1.0m；所述碎片收集板与所述压力容器之间的最小距离≥1.0m。
14.可选地，所述碎片分散冷却组件包括：
15.支撑板，其设置在所述堆坑底部，且所述支撑板的下侧面设置有多个支撑在所述堆坑底面的支撑柱；
16.多个直径不同的圆筒组件，其下端端面均与所述支撑板的上侧面连接，且多个所述圆筒组件的中轴线重合，相邻的两个所述圆筒组件之间设置有间隙；
17.多个不同直径的支撑圆环，其固定设置在两个相邻的圆筒组件之间。
18.可选地，所述圆筒组件的直径与所述圆筒组件的高度呈反比，所述圆筒组件的上端面为下倾结构，且多个所述圆筒组件的上端面位于同一倾斜面。
19.作为一个实施例，设相邻的两个所述圆筒组件之间的间隙为环隙，且环隙宽度≤0.5m；设定所述支撑圆环与相邻的两个圆筒组件的上端面之间的最小高度为碎片堆积高度，碎片堆积高度≤1.0m；设所述圆筒组件的上端面的角度为所述碎片收集组件下倾角度，碎片收集组件下倾角度≥45
°
。
20.可选地，所述圆筒组件内部设置有与所述间隙连通的水隙；
21.所述圆筒组件包括：
22.外圆筒围板，其下端面与所述支撑板连接；
23.内圆筒围板，其同轴设置在所述外圆筒围板内，且所述内圆筒围板的下端面与所述支撑板连接，所述外圆筒围板和所述内圆筒围板上均设置有多个竖直的进水条孔；
24.倾斜圆环围板，其内环面与所述内圆筒围板的上端面连接，所述倾斜圆环围板的外环面与所述外圆筒围板的上端面连接，所述倾斜圆环围板的上侧面为所述圆筒组件的上端面。
25.可选地，所述支撑圆环上设置多个贯穿的弧形进水口，所述支撑板上设置有多个贯穿的进水孔，所述进水孔与两个相邻的所述圆筒组件之间的间隙连通，所述进水孔还与所述水隙连通。
26.作为一个实施例，所述弧形进水口的宽度为2mm～3mm，所述进水条孔的宽度≤2mm。
27.可选地，所述注水组件包括：
28.应急水源；
29.进水管道，其两端分别与所述应急水源和所述堆坑内部连通，所述进水管道上设置有开关阀；
30.水位计，其设置在所述堆坑内，且位于所述压力容器下部球形封头的上方；
31.其中，进行冷却时，注水量不低于所述水位计。
32.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
33.本发明通过设置碎片收集组件将压力容器的熔融物进行收集，并从碎片排出口排出，碎片经分散后在碎片分散冷却组件上进行分散，再通过注水组件对位于碎片分散冷却组件上的碎片进行降温；
34.当反应堆发生严重事故时，改变熔融物碎片在堆坑里的“山形”堆积形式，让碎片分散成更有利于冷却的堆积形式。通过设计参数控制碎片床高度、围度，从而实现熔融物的高效冷却，避免熔融物碎片的二次熔化，缓解反应堆严重事故后果。
附图说明
35.附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
36.图1是根据本发明所述的一种堆芯熔融物碎片冷却装置的结构示意图。
37.图2是根据本发明所述的碎片分散冷却组件的结构示意图。
38.图3是根据本发明所述的支撑圆环的俯视图。
39.图4是根据本发明所述的外圆筒围板/内圆筒围板的结构示意图。
40.图5是根据本发明所述的碎片收集板的尺寸示意图。
41.图6是根据本发明所述的冷却分散组件的尺寸示意图。
42.附图标记：
43.1-压力容器，2-堆芯熔融物，3-碎片，4-碎片收集板，5-堆坑，6-碎片分散器，7-碎片分散冷却组件，8-进水管道，9-水位计，10-开关，11-应急水源，12-倾斜圆环顶板，13-圆筒组件，14-支撑圆环，15-支撑板，16-进水孔，17-支撑柱，18-水隙，19-间隙，20-弧形进水口，21-进水条孔，x1-碎片收集板与压力容器之间的最小距离，x2-碎片收集板的下斜角度度，x3-碎片排出口的直径，x4-碎片收集组件下倾角度，x5-环隙宽度，x6-碎片堆积高度，x7-弧形进水口的宽度，x8-进水条孔的宽度。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
45.另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
46.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
47.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
48.在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
49.实施例一
50.反应堆发生严重事故时，堆芯熔融物2的温度可达2600℃以上，且具有持续的衰变热内热源，其会轻松熔穿压力容器1，液态堆芯熔融物2遇水后瞬间碎裂成堆芯熔融物2碎片
3。
51.如图1所示，本实施例提供一种堆芯熔融物2碎片3冷却装置，包括堆坑5、碎片收集组件、碎片分散冷却组件7和注水组件。
52.压力容器1设置在堆坑5的上部，通过现有的装置进行固定，本实施例不进行具体描述。
53.碎片收集组件与堆坑5内壁固定连接，碎片收集组件具有碎片排出通道和碎片排出口，压力容器1位于碎片排出通道的上方和/或碎片排出通道内部，通过将压力容器1置于上述位置，在反应堆发生事故时，保证芯熔融物碎片3均能被碎片收集组件进行收集，然后从碎片排出口排出。
54.碎片分散冷却组件7设置在堆坑5底部，且位于碎片收集组件的碎片排出口的下方；经碎片收集组件收集的熔融物碎片3从碎片排出口排出口，掉落至碎片分散冷却组件7上，通过碎片分散冷却组件7实现对熔融物碎片3的分散，避免堆积成“山”形结构。
55.注水组件设置在堆坑5外，且与堆坑5内部连通，通过碎片分散冷却组件7实现对熔融物碎片3的分散后，再通过注水组件对碎片3进行冷却，能够实现熔融物的高效冷却，避免熔融物二次融化。
56.注水组件包括应急水源11、进水管道8和水位计9。
57.进水管道8的两端分别与应急水源11和堆坑5内部连通，进水管道8上设置有开关阀10；
58.水位计9设置在堆坑5内，且位于压力容器1下部球形封头的上方，其中，进行冷却时，注水量不低于水位计9。
59.发生事故后，打开开关阀10，通过进水管道8将水注入至堆坑5内，并使其淹没碎片收集组件、碎片分散冷却组件7和压力容器1的泄漏处，从而实现了对堆芯熔融物2的冷却。水位计9测量水位，要求水位必须淹没压力容器1下部的球形封头。
60.实施例二
61.本实施例是对实施例一中的碎片收集组件的具体结构进行说明。
62.如图1和图5所示，碎片收集组件包括碎片收集板4和碎片分散器6。
63.碎片收集板4具有相互连通的大径端和小径端，可以看做类似漏斗状的结构，碎片收集板4的大径端为碎片排出通道，碎片收集板4的小径端为碎片排出口，碎片收集板4的大径端位于碎片收集板4的小径端的上方；可以将部分压力容器1置于碎片收集板4内部，也可以将压力容器1置于碎片收集板4上方。
64.碎片分散器6为螺旋桨式结构，碎片分散器6固定设置在碎片排出口内，在熔融物碎片3从碎片收集组件内排出时，通过螺旋桨对熔融物碎片3进行撞击，保证了碎片3周向均匀的分散至碎片分散冷却组件7。
65.另外，本实施例为了较好的实施收集功能，提供一个示例。
66.碎片收集板4的内侧面为光滑面，且碎片收集板4的下斜角度x2≥45
°
，碎片收集板4的上表层光滑处理，可以选择混凝土、陶瓷、不锈钢等材料，保证了碎片3在碎片收集板4上能够顺畅向下滑动，防止熔融物碎片3在碎片收集板4堆积。
67.碎片排出口的直径x3≥1.0m，避免了碎片3的堵塞。
68.碎片收集板4与压力容器1之间的最小距离x1≥1.0m，碎片收集板4与压力容器1间
维持一定距离，保证液态熔融物从压力容器1内流出，与水接触后，能充分碎裂成小碎片3。
69.实施例三
70.本实施例是对实施例一中的碎片分散冷却组件7的具体结构进行说明。
71.如图2所示，碎片分散冷却组件7包括支撑板15、圆筒组件13和支撑圆环14。
72.支撑板15设置在堆坑5底部，且支撑板15的下侧面设置有多个支撑在堆坑5底面的支撑柱17；通过支撑柱17使碎片分散冷却组件7与堆坑5底部存在一点的间隙19，便于注入堆坑5内的水进入碎片分散冷却组件7内。
73.多个直径不同的圆筒组件13的下端端面均与支撑板15的上侧面连接，且多个圆筒组件13的中轴线重合，相邻的两个圆筒组件13之间设置有间隙19；从上方掉落的熔融物碎片3掉落至间隙19内。
74.多个不同直径的支撑圆环14固定设置在两个相邻的圆筒组件13之间。
75.熔融物碎片3能否有效冷却与碎片3堆积的高度和围度有关，当高度和围度过大时，由于水蒸气的向外排出，导致水不能进入到碎片3床内部，从而造成碎片3升温熔化。为此，通过调节支撑圆环14的高度控制碎片3堆积高度；调节圆筒组件13的直径来控制安装间隔，从而控制碎片3堆积围度。
76.同时，因为熔融物碎片3的掉落呈正态分布，因此一般情况下是内圈的支撑圆环14安装位置较高，外圈的支撑圆环14的安装位置较低。
77.同时，为了在内圈间隙19内碎片3堆积满后，能够滑动至外圈间隙19，设定呈如图2所示的三角形结构，因此圆筒组件13的直径与圆筒组件13的高度呈反比，圆筒组件13的上端面为下倾结构，且多个圆筒组件13的上端面位于同一倾斜面。
78.由内向外逐渐降低高度，实现了熔融物碎片3的顺利向下滑动，当内侧碎片3堆积高度大于一定值时，碎片3会自动向下滑动至下一个碎片3堆积区。
79.另外，本实施例为了较好的实施分散功能，提供一个示例。
80.如图6所示，设相邻的两个圆筒组件13之间的间隙19为环隙，且环隙宽度x5≤0.5m。
81.设定支撑圆环14与相邻的两个圆筒组件13的上端面之间的最小高度为碎片3堆积高度，碎片3堆积高度x6≤1.0m。
82.设圆筒组件13的上端面的角度为碎片收集组件下倾角度，碎片收集组件下倾角度x4≥45
°
。
83.同时，对本实施例中的圆筒组件13进行说明，为了便于对位于间隙19内的碎片3进行冷却，设定圆筒组件13内部设置有与间隙19连通的水隙18；同时，在支撑板15、圆筒组件13和支撑圆环14上均设置进水通孔，支撑圆环14上设置多个贯穿的弧形进水口20，支撑板15上设置有多个贯穿的进水孔16，进水孔16与两个相邻的圆筒组件13之间的间隙19连通，进水孔16还与水隙18连通。
84.因此，当通过注水组件注入冷却水后，水可以从底部、侧面和上部进入到碎片3床内，实现了碎片3床的有效冷却。
85.在保证强度的条件下，支撑板15可以设计多条弧形进水口20，支撑板15可以设置多个进水孔16。
86.本实施例中，圆筒组件13的结构为包括外圆筒围板、内圆筒围板和倾斜圆环围板。
87.外圆筒围板的下端面与支撑板15连接；内圆筒围板同轴设置在外圆筒围板内，且内圆筒围板的下端面与支撑板15连接，外圆筒围板和内圆筒围板上均设置有多个竖直的进水条孔21；通过进水条孔21可以实现水隙18与间隙19的连通。
88.倾斜圆环围板的内环面与内圆筒围板的上端面连接，倾斜圆环围板的外环面与外圆筒围板的上端面连接，倾斜圆环围板的上侧面为圆筒组件13的上端面。
89.同时，外圆筒围板和内圆筒围板也可以为多个弧形板进行拼接而成。
90.进水口的尺寸严格控制，防止过多的小碎片3漏出冷却器，因此在本实施例中，弧形进水口20的宽度x7为2mm～3mm，进水条孔21的宽度x8≤2mm。
91.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
92.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
93.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。