专利名称:用于熔化堆芯材料的被动冷却和滞留装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于被动冷却并保存熔化堆芯材料的设备，尤其涉及这样一种用于被动冷却和保存熔化堆芯材料的设备，该设备能够将在核电站发生严重事故时从破损的核反应堆压力壳中流出的熔化堆芯材料被动冷却、固化并保存在反应堆腔内，以便防止流出的熔化堆芯材料损坏邻近的设备、威胁工作人员的安全、威胁反应堆安全壳的完整性，或者污染水源或土壤。
背景技术：
通常，核电站包括具有不同功能的上百个系统。这些系统大致分成具有作为其主要部件的核反应堆的核蒸汽供应系统(NSSS)，具有由供应蒸汽驱动的发电机的汽轮机/发电机系统以及其它辅助设备。此时，核反应堆控制着在核反应时瞬间产生的巨大能量缓慢释放以便核能能够被用来发电。
然而，一旦在核电站发生严重事故时从破损反应堆压力壳中流出的熔化堆芯材料不能有效地保存和冷却，流出的熔化堆芯材料能够熔化反应堆腔的混凝土结构，污染附近的土壤，和威胁安全壳的结构完整性。
因此，一直在不断地研究用于保存并适当冷却流出的熔化堆芯材料的设备和方法。
图1示出第0265320号韩国专利披露的用于保存和冷却流出的熔化堆芯材料的常规设备。
在图1所示的常规设备中，一个多层蜂窝状的冷却水滞留容器110安装在反应堆压力壳100的下面并注满冷却水120以便连续冷却从反应堆压力壳100流出的超高温熔化堆芯材料。
然而，这样构造的常规设备不能安装在现有核反应堆的安全壳房内，因为安全壳房必须极大地改变其隔室构造以便在其内安装该设备。
此外，该设备有一个问题，即超高温熔化堆芯材料熔化冷却水滞留箱110，然后与冷却水滞留箱110中的冷却水直接反应从而产生剧烈蒸汽，由此会发生不希望的蒸汽爆炸。
作为另一种用于保存和冷却流出的熔化堆芯材料的常规设备，图2示出了具有细长的熔化堆芯材料捕集部件的堆芯捕集器，它公开在日本专利申请第1996-43575号中。
如图2所示，该常规设备具有安装在反应堆压力壳100下面的多个熔化堆芯材料捕集器部件130。在该设备中，在核电站发生严重事故时从反应堆压力壳100中流出的熔化堆芯材料被保存在熔化堆芯材料捕集器部件130中，并且所保存的熔化堆芯材料被填充在熔化堆芯材料捕集器部件130周围的冷却水120冷却。
然而，上述设备通过将熔化堆芯材料间接接触冷却水来冷却高温熔化堆芯材料。因此，熔化堆芯材料与冷却水之间的热传递效率不高，因此需要非常大的冷却水箱。
而且，已经提出了一种通过用水泵来主动冷却熔化堆芯材料的设备。然而，在核电站发生严重事故时水泵可能不运行，由此该设备的可靠性低。另外，水泵的冷却能力随着时间而降低，由此熔化堆芯材料的衰变热不能被有效除去。
因此，需要有一种能够解决相关技术上述问题的用于被动冷却和保存熔化堆芯材料的改进设备。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于被动冷却和保存熔化堆芯材料的改进设备，它在超高温熔化堆芯材料与冷却水之间直接作用时能显著降低蒸汽爆炸的可能性，能够有效除去熔化堆芯材料的衰变热，并且能够装配在现有核反应堆和新近建造的核反应堆的安全壳房中。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于被动冷却并保存来自反应堆的熔化堆芯材料的设备，所述设备包括一个安装在反应堆压力壳下的熔化堆芯材料滞留箱，保存从反应堆压力壳中流出的熔化堆芯材料；一个在其出口处具有出口阀并供应高压惰性气体的压缩气体罐；一个在其出口处具有出口阀并供应冷却水的、安装得比熔化堆芯材料滞留箱高的冷却水储存箱；以及一个将压缩气体罐供给的惰性气体与冷却水储存箱供给的冷却水相混合并将冷却水/惰性气体混合物供给到熔化堆芯材料滞留箱的装置。
所述熔化堆芯材料滞留箱可以包括一外滞留容器，它具有至少一个形成在其侧壁或底部并与混合装置相连的冷却液孔；一个在该外滞留容器内侧由耐火材料形成的多孔防护容器(vessel)；以及一个形成在外滞留容器与多孔防护容器之间的砾石层，砾石层中填满了耐火砾石。
该砾石可以填入砾石层中来分散和支撑保存在多孔防护容器中的熔化堆芯材料的载荷。
该混合装置可以包括连接压缩气体罐和冷却水储存箱并分别从该压缩气体罐和冷却水储存箱延伸的管道。
该多孔防护容器可以由烧结的耐火砾石或粉末制成，并且外滞留容器可以具有形成在其内表面上的屏蔽层。
冷却水储存箱可以具有安装在其出口处的止回阀以便防止高压气体的回流。
所述设备还可以包括一个中间储存箱。因此，由熔化堆芯材料与冷却水之间反应产生的蒸汽凝结成水，该凝结的水通过中间储存箱重新供给冷却水储存箱。
中间储存箱可以具有一安装在其上侧的过滤器，以过滤通过该过滤器的凝结水，被过滤的水借此重新供给冷却水储存箱。
通过结合附图来描述本发明的优选实施例，本发明的上述目的、其它特征和优点将变得更明白，其中图1是常规熔化堆芯材料冷却设备的示意图；图2是常规熔化堆芯材料保存设备的示意图；图3是根据本发明用于被动冷却和保存熔化堆芯材料的设备的示意图；图4是如图3所示的熔化堆芯材料滞留箱的透视图；图5是如图4所示的熔化堆芯材料滞留箱的侧视截面图；图6是如图4所示的熔化堆芯材料滞留箱的外滞留容器的透视图；具体实施方式
在下文中，将结合附图详细描述本发明的优选实施例。
图3是根据本发明用于被动冷却和保存熔化堆芯材料的设备的示意图。
参照图3，发明的被动冷却和保存设备冷却并保存来自反应堆压力壳的熔化堆芯材料，并包括安装在反应堆压力壳10下面的熔化堆芯材料滞留箱20，以便保存从反应堆压力壳10流出的熔化堆芯材料。
该熔化堆芯材料滞留箱20被构造成不仅承受高温熔化堆芯材料，而且为均匀冷却高温熔化堆芯材料均匀地供给冷却水。熔化堆芯材料滞留箱20的结构将在下文中结合附图4-6来详细描述。
如图3所示，发明的被动冷却和保存设备还包括安装在安全壳房1中的冷却水储存箱40，和用于储存高压惰性气体的压缩气体罐30。该冷却水储存箱40和压缩气体罐30在其出口处各有出口阀41和31。
这里，冷却水储存箱40优选地比熔化堆芯材料滞留箱20安装得更高以致于其中的冷却水可以通过重力而被动地流进熔化堆芯材料滞留箱20。
而且，止回阀41a优选地安装在冷却水储存箱40的出口处以便防止高压惰性气体的回流。
从压缩气体罐30流下来的惰性气体与从冷却水储存箱40流出来的冷却水通过混合器50相混合，然后供给熔化堆芯材料滞留箱20。
这里，混合器50优选具有连接罐30和40并分别从其延伸的管道。
因此，混合器50可以只混合从罐30流下来的惰性气体和从箱40流下来的冷却水，并且结果得到的冷却水和惰性气体混合物供给熔化堆芯材料滞留箱20的内底部和侧面，由此由于熔化堆芯材料和供给的冷却水/惰性气体混合物之间的大接触面积，熔化堆芯材料滞留箱20中的熔化堆芯材料可以被更有效地冷却。
如图3所示，本发明的被动冷却和保存设备还可以包括一个中间储存箱60。
那末，当由熔化堆芯材料与冷却水之间的反应产生的蒸汽在安全壳房1的外表面凝结时，凝结水可以沿着安全壳房1的外表面流动，然后通过中间储存箱60流入中间储存箱60。
此外，该中间储存箱60优选地具有一安装在其上侧的过滤器61以过滤凝结水。所述凝结并过滤的水然后经由中间储存箱60循环进入冷却水储存箱40。
在这种情况下，中间储存箱60通过管道62与冷却水储存箱40相连，通过该管道62凝结水可以经由中间储存箱60重新供给冷却水储存箱40。
以这种方式，熔化堆芯材料与冷却水之间的直接接触使其有可能有效地排除来自熔化堆芯材料的热量。而且，与冷却水一道供给的惰性气体能够防止可能在超高温熔化堆芯材料与冷却水之间的剧烈反应所产生的蒸汽爆炸，从而使其能够稳定地冷却熔化堆芯材料。
此外，本发明这样构造以致于由在熔化堆芯材料与冷却水之间的反应所产生的蒸汽能够凝结，并且凝结水可以通过中间储存箱再循环，通过再循环衰变热可以有效地从熔化堆芯材料中排出。
而且，发明的被动冷却设备通过压力和重力来供给冷却水和惰性气体并且再循环凝结水，因而使其有可能比采用水泵的常规主动冷却设备更可靠地冷却熔化堆芯材料。
图4-6详细地示出了将在下文描述的熔化堆芯材料滞留箱。
参照图4，熔化堆芯材料滞留箱20通过冷却剂孔21a与管道混合器50相连，同时通过冷却孔21a从混合器50供给惰性气体和冷却水，因而冷却保存在其中的高温熔化堆芯材料。
这里，因为冷却水/惰性气体混合物供给熔化堆芯材料滞留箱20的内底部和侧表面，由于熔化堆芯材料和冷却水之间的大接触面积，熔化堆芯材料滞留箱20可以更有效地冷却高温熔化堆芯材料。
参照附图4和5对本发明的结构进行更详细的描述，熔化堆芯材料滞留箱20包括外部滞留容器21、内部多孔防护容器23和在容器21与23之间形成的砾石层22。
外部滞留容器21包括至少一个在其侧表面或底表面形成的冷却剂孔21a。冷却剂孔21a与混合器50相连，由此冷却水/惰性气体混合物通过冷却剂孔21a供给熔化堆芯材料滞留箱20。
在外部滞留容器21里面的内部多孔防护容器23优选地由烧结的耐火砾石或粉末制成，以便经受高温熔化堆芯材料。因此，冷却水/惰性气体混合物能够平稳地流入熔化堆芯材料滞留箱20。
内部多孔防护容器23可以是能装配在隔室构造内的多个分开的圆柱筒壁。而且，内部多孔防护容器23由像陶瓷结构的烧结的耐火砾石或粉末制成，并因此能够很容易根据隔室形状来调整。
防护容器23多孔结构能使冷却水/惰性气体混合物能够通过它的孔均匀地注入熔化堆芯材料滞留箱20，并且非常耐超高温熔化堆芯材料，由此能够潜在地防止超高温熔化堆芯材料与邻近结构之间的直接接触。而且，由于这种结构，熔化堆芯材料滞留箱20在发生严重事故以后能够去掉或用新的替换。
关于砾石层22，它由在容器21和23之间填充的耐火砾石22a制成，并因此能够很容易根据隔室形状来组装。
砾石层22能使冷却水/惰性气体混合物均匀的注入熔化堆芯材料滞留箱20。而且，砾石层22能够在其中储存预定量的冷却水，从而使其有可能更有效地冷却高温熔化堆芯材料。
砾石层22填满了砾石22a用来支撑保存在多孔防护容器23中的熔化堆芯材料的载荷。也就是说，砾石层22的砾石22a自身能够分散并支撑熔化堆芯材料的载荷。因此，本发明能够支撑熔化堆芯材料的载荷，没有必要使用另外的支撑设备。
而且，冷却水/惰性气体混合物的供给量能够通过改变冷却剂孔21a和砾石22a的设置来适当调整。
也就是说，根据反应堆腔的大小和熔化堆芯材料的总量，砾石层22中砾石22a的大小和多孔防护容器23中孔的大小能够作适当的调整，由此熔化堆芯材料滞留箱20能够被最佳地供给冷却水/惰性气体混合物。
图6是熔化堆芯材料滞留箱20的外部滞留容器21的透视图。参照图6，该外部滞留容器21优选地具有在其内表面上形成的筛网层21b以邻接砾石层22。
设计筛网层21b用来防止砾石22a通过冷却孔21a排出，并且均匀地供给冷却水/惰性气体混合物。
下面将要参照附图3-6来详细描述发明的被动冷却和保存设备的操作。
参照附图3-6，当核电站发生严重事故时，从损坏的核反应堆流出的超高温放射性熔化堆芯材料流入反应堆腔，流出的熔化堆芯材料保存在安装在反应堆压力壳10下面的熔化堆芯材料滞留箱20中。
当出口阀31和41打开，惰性气体和冷却水通过压力和重力分别从压缩气体罐30和冷却水储存箱40流下来，并在混合器50中混合。然后冷却水/惰性气体混合物供给熔化堆芯材料滞留箱20。
这时，冷却水储存箱40优选地安装成高于熔化堆芯材料滞留箱20，以便其中的冷却水可以通过重力稳定的供给熔化堆芯材料滞留箱20。而且，止回阀41a优选地安装在冷却水储存箱40地出口处，以便防止高压惰性气体的回流。
这里，如图4和5所示，熔化堆芯材料滞留箱20包括外部滞留容器21、内部多孔防护容器23和形成在容器21与23之间的砾石层22。
外部滞留容器21包括至少一个形成在其侧表面或底表面的冷却剂孔21a。冷却剂孔21a与混合器50相连，由此冷却水/惰性气体混合物通过冷却剂孔21a供给熔化堆芯材料滞留箱20。
多孔防护容器23和砾石层22优选地由耐火材料制成以经受受高温熔化堆芯材料。防护容器23和砾石层22的多孔结构使冷却水/惰性气体混合物能够均匀供给。
如上所述，在熔化堆芯材料滞留箱20中的熔化堆芯材料初步冷却以后，由熔化堆芯材料与冷却水之间的反应所产生的蒸汽放出到安全壳房1的环境中，然后在安全壳房1的外表面上方凝结。凝结水通过中间箱60和管道62重新供给冷却水储存箱40。
这时，中间储存箱60优选地具有安装在其上侧的过滤器61，因此所述凝结水在流入中间储存箱60以前被过滤器61过滤。
而且，适于供水的给水管70连接到冷却水储存箱40。
在高温熔化堆芯材料凝固前通过打开出口阀31和41使冷却水/惰性气体混合物供给熔化堆芯材料的底表面或侧表面，由此熔化堆芯材料开始冷却以致裂纹状流体通道能够在凝固的熔化堆芯材料中形成。此后，冷却水供给凝固熔化堆芯材料的裂纹状流体通道，由此消除凝固的熔化堆芯材料的衰变热。
如上所述，本发明能够在开始冷却处理时被动供给冷却水/惰性气体混合物，这大大地减小了可以由熔化堆芯材料与冷却水之间迅速反应所引起的蒸汽被爆炸。而且，本发明使其有可能利用凝结水的被动再循环来有效消除熔化堆芯材料的衰变热。
此外，本发明使其有可能根据反应堆腔的大小来适当地单独制造和组装熔化堆芯材料滞留箱，甚至在现有核反应堆的反应堆腔内也能够安装熔化堆芯材料滞留箱。
尽管为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，本领域普通技术人员将会意识到能够进行不偏离如权利要求
书限定的发明范围和精神的各种修改、增加和置换。
工业实用性发明的被动冷却和保存设备能够利用将冷却水/惰性气体混合物供给超高温熔化堆芯材料的底表面或侧表面来防止蒸汽爆炸，从而使其有可能极大地提高冷却过程的可靠性。
而且，即便对现有核反应堆本发明使其有可能将熔化堆芯材料滞留箱安装在反应堆腔内而不用改变核电站安全壳房隔室的结构，并且它很容易安装在新近建造的核反应堆中。
此外，本发明的熔化堆芯材料滞留箱包括外部滞留容器、内部多孔防护容器和在所述容器之间形成的砾石层。从而，冷却水/惰性气体混合物能够均匀地注入熔化堆芯材料滞留箱，预定量的冷却水能够储存在砾石层中，砾石层能够分散并支撑熔化堆芯材料的载荷。
而且，本发明使其有可能通过中间储存箱利用被动再循环冷却水来有效消除熔化堆芯材料的衰变热。
权利要求
1.一种用于被动冷却并保存来自反应堆的熔化堆芯材料的设备，所述设备包括安装在反应堆腔内的熔化堆芯材料滞留箱，以保存来自反应堆压力壳的熔化堆芯材料；在其出口处具有出口阀并供应高压惰性气体的压缩气体罐；安装成高于熔化堆芯材料滞留箱的冷却水储存箱，其在其出口处具有出口阀并供应冷却水；以及用于将从压缩气体罐供给的惰性气体与从冷却水储存箱供给的冷却水相混合并将冷却水/惰性气体混合物供给到熔化堆芯材料滞留箱的装置。
2.如权利要求
1所述的设备，其中所述熔化堆芯材料滞留箱包括外部滞留容器，其具有至少一个形成在其侧壁或底部并与混合装置相连的冷却剂孔；在该外部滞留容器内侧由耐火材料形成的多孔防护容器；以及在形成该外部滞留容器与多孔防护容器之间并填满砾石的砾石层。
3.如权利要求
2所述的设备，其中所述砾石填入砾石层中以分散并支撑保存在该多孔防护容器的熔化堆芯材料的载荷。
4.如权利要求
1所述的设备，其中所述混合装置包括连接该压缩气体罐和冷却水储存箱并分别从其延伸的管道。
5.如权利要求
2所述的设备，其中所述多孔防护容器由烧结的耐火砾石或粉末制造。
6.如权利要求
2所述的设备，其中所述外部滞留容器具有形成在其内表面上的筛网层。
7.如权利要求
1所述的设备，其中所述冷却水储存箱具有安装在其出口处的止回阀，以便防止高压气体的回流。
8.如权利要求
1所述的设备，还包括中间储存箱，其中由熔化堆芯材料与冷却水之间反应产生的蒸汽凝结成水，该凝结水通过中间储存箱重新供给冷却水储存箱。
9.如权利要求
8所述的设备，其中所述中间储存箱具有安装在其上侧的过滤器，以过滤通过该过滤器的凝结水，借此过滤过的水重新供给冷却水储存罐。
专利摘要
本发明公开了一种用于在核电站发生严重事故时被动冷却和保存从损坏的反应堆压力壳中流出的熔化堆芯材料的设备。所述设备包括保存熔化堆芯材料的熔化堆芯材料滞留箱；储存着高压惰性气体的压缩气体罐；安装成高于熔化堆芯材料滞留箱的冷却水储存罐；以及混合装置。所述熔化堆芯材料滞留箱包括具有至少一个冷却剂孔的外部滞留容器，一个在形成该外部滞留容器内侧的多孔防护容器，以及形成在该外部滞留容器与多孔防护容器之间的砾石层。所述设备可以安装在反应堆腔内而不改变安全壳房隔室的结构，并使其能够避免在超高温熔化堆芯材料冷却过程中的蒸汽爆炸并确保冷却过程的可靠性。
文档编号G21C9/016GKCN1918664SQ200580004605
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月7日
发明者宋镇镐, 金焕烈, 闵丙泰, 金熙东 申请人:韩国原子力研究所, 韩国水力原子力株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan