一種具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及反應(yīng)堆安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器。
【背景技術(shù)】
[0002]核電站安全設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是防止放射性的大規(guī)模泄漏，為此設(shè)置了三道屏障:燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼。發(fā)生事故時(shí)，如不能迅速、有效的對(duì)堆芯燃料元件進(jìn)行冷卻，帶走衰變熱，會(huì)發(fā)生堆芯余熱使冷卻劑蒸發(fā)耗盡，堆芯裸露、燃料元件持續(xù)升溫，最終發(fā)生燃料包殼融化(此時(shí)事故發(fā)展為嚴(yán)重事故)，進(jìn)而將相關(guān)堆內(nèi)構(gòu)件融化，落入反應(yīng)堆壓力容器(RPV)下封頭，形成堆芯熔融物熔池。如果不能采取有效措施對(duì)RPV下封頭進(jìn)行冷卻，堆芯熔融物有可能將壓力容器熔穿。壓力容器熔穿后，熔融物直接噴射到安全殼筏基上與結(jié)構(gòu)混凝土相互作用(MCCI)，一定時(shí)間內(nèi)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，并導(dǎo)致安全殼的完整性破壞，隨后放射性物質(zhì)將直接進(jìn)入土壤，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。
[0003]早期很多二代壓水堆和沸水堆為實(shí)現(xiàn)堆外堆芯熔融物的滯留，即熔融物可冷卻，不出現(xiàn)底板熔穿和安全殼失效(堆芯熔融物與安全殼混凝土底板發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致安全殼超壓失效)。有兩種首選方法用于熔融物冷卻:(I)讓失效壓力容器中的熔融物排到通常是干壓力容器腔的底板上，當(dāng)熔融物流到底板后會(huì)盡可能快地被注入的水淹沒(méi)；
(2)在熔融物流到底板之前，壓力容器腔已灌滿了水，從壓力容器中排出的熔融物隨后落入壓力容器腔內(nèi)形成的水池里。大多數(shù)壓水堆和沸水堆采用第一種事故管理措施，而北歐沸水堆采用第二種方法。《西屋公司嚴(yán)重事故管理導(dǎo)則》建議，電力公司至少應(yīng)使壓力容器腔內(nèi)的水位達(dá)到壓力容器下封頭中瑋線處。西屋壓水堆壓力容器腔內(nèi)的水池深度可以達(dá)到3?4米，而北歐沸水堆壓力容器腔內(nèi)的水池深度可以達(dá)到7?11米。而法國(guó)和德國(guó)的壓水堆不用水注滿壓力容器腔，實(shí)際設(shè)計(jì)的壓水堆安全殼甚至能防止冷凝水進(jìn)入安全殼內(nèi)。因此，可以有三種不同的壓力容器腔供考慮:最初是干的、最初有深度較小的水池的以及有深度較大的水池的。
[0004]目前針對(duì)嚴(yán)重事故，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(nèi)熔融物的冷卻與保持(IVR)，已在美國(guó)的AP1000機(jī)型設(shè)計(jì)中采用;壓力容器外熔融物冷卻與收集(EVR)，在俄羅斯的WWER1000機(jī)型和法國(guó)的EPR機(jī)型中采用。WWER1000機(jī)型采用“坩禍”式堆芯捕集器，它是位于壓力容器下部的一個(gè)獨(dú)立的容器結(jié)構(gòu)，主要由下底板、犧牲材料和扇形熱交換器組成。EPR機(jī)型采用“鋪展”式堆芯捕集器，嚴(yán)重事故情況下，堆芯形成可流動(dòng)液態(tài)熔融物，直接流入反應(yīng)堆堆坑中，在高溫作用下熔融物與堆坑犧牲性混凝土發(fā)生反應(yīng)，逐漸消融犧牲混凝土，達(dá)到初步冷卻、收集熔融物的功能。
[0005]考慮到IVR的實(shí)現(xiàn)需要滿足一定的條件，如對(duì)RPV內(nèi)熔融物的迀移過(guò)程的準(zhǔn)確描述(目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的理論模型)，另外，隨著堆芯功率越來(lái)越大，堆芯熔融物在RPV下封頭壁面形成的熱流密度也越來(lái)越高，因此，IVR有失效的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]關(guān)于堆芯捕集器的研究，國(guó)外起步較早，相關(guān)專利較多，如:美國(guó)麻省理工大學(xué)于1978年的專利，Core catcher for nuclear reactor core meltdown containment(US4113560)，該專利可視為EVR的設(shè)計(jì)雛形；法國(guó)原子能機(jī)構(gòu)于1981年的專利，Corecatcher device(US4280872)，該專利將EVR技術(shù)提升到了工程應(yīng)用的水平；1982年的專利，Molten core catcher and containment heat removal system(US4342621)提出將熱管技術(shù)用于EVR。中國(guó)對(duì)堆芯捕集器的研究在從俄羅斯引進(jìn)WffER核電系統(tǒng)之后逐漸增多，在引進(jìn)美國(guó)AP1000核電技術(shù)之后形成了一系列專利，如:俄羅斯2007年在我國(guó)申請(qǐng)的專利，損壞的LWR核反應(yīng)堆的襯層定位和冷卻系統(tǒng)(CN200410031091.1)，該專利即為WffER的EVR方案；中核工業(yè)二十三建設(shè)有限公司2010年在WffER施工過(guò)程中形成的專利技術(shù)，一種核電站堆芯捕集器的安裝方法(CN201010529073.1);韓國(guó)水力原子力株式會(huì)社2010年的專利，具有集成冷卻通道的堆芯捕集器(CN201080068588.4)，其主旨在于對(duì)熔融物覆蓋底板的冷卻；上海核工程研究設(shè)計(jì)院在AP1000引進(jìn)消化吸收及CAP1400設(shè)計(jì)過(guò)程中逐漸形成的EVR技術(shù)，底部注水疊加外部冷卻的大型非能動(dòng)核電廠堆芯捕集器(CN201310005308.0)、一種大型非能動(dòng)壓水堆核電廠坩禍型堆芯摧集器(CN201310005342.8)、有熔融物擴(kuò)展室的大型非能動(dòng)壓水堆核電廠堆芯捕集器(CN201310005579.6)、大型非能動(dòng)核電廠熔融物堆內(nèi)和堆外滯留相結(jié)合的裝置(CN201310264749.2)、有熔融物擴(kuò)展室的大型非能動(dòng)壓水堆核電廠堆芯捕集器(CN201320007203.4)、一種大型非能動(dòng)壓水堆核電廠堪竭型堆芯捕集器(CN201 3200072 I 8.0)、大型非能動(dòng)核電廠熔融物堆內(nèi)和堆外滯留相結(jié)合的裝置(CN20 1320007347.X)、底部注水疊加外部冷卻的大型非能動(dòng)核電廠堆芯捕集器(CN201320007522)。
[0007]另外，在二十世紀(jì)八十年代后期由美國(guó)電力研究院(EPRI)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際財(cái)團(tuán)的贊助下，在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL)發(fā)起了一項(xiàng)被名為“熔融物侵蝕和可冷卻性實(shí)驗(yàn)”(MACE)的研究計(jì)劃，隨后在ANL又繼續(xù)開(kāi)展了MCC1-1和MCC1-2項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)頂部注水的熔融物可冷卻性并不像原來(lái)想象的那樣是事故管理的有效措施。該評(píng)價(jià)甚至未考慮實(shí)驗(yàn)中以及根據(jù)實(shí)驗(yàn)知識(shí)開(kāi)發(fā)的模型中所固有的很多不確定因素。需要采取其他措施才能真正使熔融物達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并快速冷卻，從而杜絕安全殼失效，或通過(guò)安全殼通風(fēng)來(lái)保持其完整性。其中一項(xiàng)措施是，卡爾斯魯厄研究中心(現(xiàn)在被稱為卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT))開(kāi)發(fā)的COMET概念的綜合方法，該方法從熔融物層底部注水。熔池底部快速、大量的蒸汽產(chǎn)生使熔池底部出現(xiàn)了相互連通的孔隙，水通過(guò)孔隙浸入熔池，冷卻熔融物。
[0008]應(yīng)用于EPR的堆芯捕集器需要較大的拓展室，且熔融物迀移路徑較長(zhǎng)、環(huán)節(jié)較多；應(yīng)用于WffERlOOO的堆芯捕集器在實(shí)現(xiàn)熔融物滯留后，至少需要10個(gè)月才能將熔融物最終冷卻;COMET概念設(shè)計(jì)的堆芯捕集器目前僅能應(yīng)對(duì)厚度較小的熔融物。另外，上述所有堆芯捕集器相關(guān)技術(shù)均未考慮采用熔融物內(nèi)部冷卻的方式，達(dá)到熔融物熱量導(dǎo)出最大化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于針對(duì)核電站安全設(shè)計(jì)的需要，提供一種具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，在嚴(yán)重事故工況下，藉由熔融物內(nèi)部冷卻的方式，實(shí)現(xiàn)熔融物熱量導(dǎo)出最大化。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，包括設(shè)置在與反應(yīng)堆堆坑底部豎直相連的豎井中的熔融物滯留容器，在所述熔融物滯留容器內(nèi)設(shè)有若干根可注入冷卻劑的內(nèi)部管束，在所述內(nèi)部管束的外管壁以及熔融物滯留容器內(nèi)設(shè)有犧牲材料。
[0011]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的內(nèi)部管束的入水口位于熔融物滯留容器的下部，出口位于熔融物滯留容器的上部;若干根內(nèi)部管束沿不同直徑的周向布置。
[0012]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，在所述豎井上部的不同高度處分別設(shè)有若干溢流口和排汽口。
[0013]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，在所述豎井的底部設(shè)有捕集器外部冷卻入水口。
[0014]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的內(nèi)部管束的內(nèi)管壁經(jīng)過(guò)強(qiáng)化換熱處理，包括但不限于降低粗糙度、增加導(dǎo)熱涂層或設(shè)置內(nèi)螺紋形式。
[0015]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的內(nèi)部管束的外管壁上設(shè)有用于強(qiáng)化傳熱和固定犧牲材料的肋片。
[0016]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，所述的熔融物滯留容器的底部呈倒錐形結(jié)構(gòu)，錐面的傾斜角為8-20°，底部按照錐形布置有所述的犧牲材料;在所述熔融物滯留容器的側(cè)壁面也布置有犧牲材料。
[0017]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，所述熔融物滯留容器的底部和側(cè)壁面與布置的犧牲材料之間設(shè)有耐高溫材料襯底，可采用氧化鎂、氧化鋁、氧化鋯等材料。
[0018]進(jìn)一步，如上所述的具有內(nèi)部冷卻能力的堆芯熔融物捕集器，其中，所述內(nèi)部管束的入水口上游總管連接高位水箱并設(shè)有冗余的栗，事故工況下通過(guò)能動(dòng)或非能動(dòng)方式向內(nèi)部管束