專利名稱:用于冷卻從反應堆容器釋放的熔化堆芯材料的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在反應堆腔中保留和冷卻熔化的堆芯材料的裝置和方法，更具體地說，涉及在反應堆腔內穩(wěn)定地保留和冷卻熔化的堆芯材料的裝置和方法，借此，當核電站發(fā)生嚴重的熔爐事故熔化的堆芯材料從反應堆容器逸出時，逸出的熔化的堆芯材料不會腐蝕反應堆腔、污染鄰近的土地，或威脅反應堆安全殼建筑物的安全。
背景技術：
通常，核電站包括數(shù)百個具有獨立功能的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大致可分為以核反應堆為主要單元的核蒸汽供應系統(tǒng)(NSSS)、具有由供應的蒸汽驅動的發(fā)電機的汽輪機/發(fā)電機系統(tǒng)、以及其它輔助裝備。這里，核反應堆控制核反應中瞬時產生的大量熱能緩慢地釋放，以使核能能夠應用于實際生活。
然而，當在核電站發(fā)生嚴重事故的過程中，從損壞的反應堆容器釋放出(逸出)的熔化的堆芯材料沒有被有效地保留和冷卻時，釋放出的熔化的堆芯材料可能會不幸地腐蝕反應堆腔，污染鄰近的土地，以及威脅反應堆安全殼建筑物的穩(wěn)固性。
因此，對于保留和適當冷卻熔化的堆芯材料的裝置和方法的研究一直在進行。
作為傳統(tǒng)的用于冷卻熔化的堆芯材料的裝置，已經有人提出了使高溫的熔化的堆芯材料直接與冷卻水接觸的裝置。
通過直接向熔化的堆芯材料提供冷卻水來冷卻熔化的堆芯材料的方法具有很高的效率，但存在的問題在于，高溫的熔化的堆芯材料與冷卻水在密閉的空間內直接作用，會迅速產生蒸汽，從而會發(fā)生潛在地蒸汽爆炸。
進一步地說，為防止高溫的熔化的堆芯材料和冷卻水之間直接作用所引起的蒸汽爆炸，日本專利公開號1996-43575提出了一種具有延長的熔化堆芯收集部分的堆芯收集器。如圖1所示，該傳統(tǒng)裝置在反應堆容器100的下方有多個熔化堆芯收集器部分110。在此裝置中，在核電站嚴重事故中從反應堆容器100釋放出的熔化的堆芯保留在該熔化堆芯收集器部分110中，并用該熔化堆芯收集器部分110周圍的冷卻水120冷卻所保留的熔化堆芯。
但是，上述裝置通過使熔化堆芯與冷卻水間接接觸來冷卻高溫的熔化堆芯。因此，熔化堆芯與冷卻水之間的傳熱效率被不期望地降低，這樣就需要非常大的冷卻水罐。
此外，在某些情況下，相關領域中用來冷卻熔化的堆芯材料的裝置被設計成使用如泵之類的動設備來強制冷卻熔化的堆芯材料。然而，這不僅降低它在嚴重事故發(fā)生時的可靠性，而且會隨時間的推移降低泵的冷卻能力，以致于不能有效地除去來自熔化的堆芯材料的衰變熱。因此。這在長期的冷卻中問題尤為突出。
因此本領域需要能夠解決上述問題的保留和冷卻熔化的堆芯材料的裝置。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供用于有效移除衰變熱以及確保鄰近建筑物的安全的裝置和方法，其通過利用熔化的堆芯材料與冷卻水的相互作用，防止在冷卻過程中的蒸汽爆炸，同時將熔化的堆芯材料有效地保留(擋)在反應堆安全殼建筑物內。
技術方案為了達到上述目的，本發(fā)明提供了用于保留和冷卻由于熔爐從反應堆容器釋放出的熔化的堆芯材料的裝置，該裝置包括板形的玻璃材料混合部分，其形成于反應堆容器下部并且在其上表面具有玻璃層，以使已經通過反應堆容器的熔化的堆芯材料與該玻璃材料混合，以降低熱生成密度；以及多個冷卻水保留罐，其在玻璃材料混合部分的下方以多層的形式堆疊，同時冷卻水保留罐內裝有含惰性氣體的冷卻水，用于冷卻高溫的熔化的堆芯材料。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供了用于進行長期冷卻的保留和冷卻熔化的堆芯材料的裝置，該裝置包括設置在玻璃材料混合部分和冷卻水保留罐一側的冷卻水供應部分，該冷卻水供應部分包括冷卻水貯槽，以及形成于冷卻水貯槽一側的通道和閥，用于向已被冷卻水保留罐內的冷卻水降溫的熔化的堆芯材料另外提供冷卻水而移除衰變熱。
該玻璃材料混合部分包括安裝在反應堆容器下部的支承板，其以預定角度傾斜，并且由即使在接觸熔化的堆芯材料時也不熔化的材料制成；在支承板的上表面上以預定厚度形成的玻璃材料層；以及安裝在傾斜的支承板下端并由在接觸熔化的堆芯材料時熔化的材料制成的擋壁，用以防止在支承板上表面上形成的玻璃材料向下流動。
該玻璃材料層可以由玻璃和石墨形成。
每個冷卻水保留罐的罐體可以由這樣的材料制得，該材料在接觸高溫的熔化的堆芯材料的時候熔化。
冷卻水供應部分可以進一步包括在冷卻水貯槽上部的過濾裝置，以使來自冷凝蒸汽(由冷卻水與熔化的堆芯材料的相互作用產生)的水流回冷卻水貯槽。
在本發(fā)明的又一個方面中，提供了用于保留和冷卻由于熔爐從反應堆容器釋放出的熔化的堆芯材料的方法。該方法包括以下步驟(1)將熔化的堆芯材料保留在反應堆安全殼建筑物的腔內以限制其通過，并且將熔化的堆芯材料與玻璃材料混合來降低熱生成密度；以及(2)使與玻璃材料混合的熔化的堆芯材料向下流到堆疊在下方的冷卻水保留罐，并使該混合物與冷卻水保留罐中含有惰性氣體的冷卻水接觸，借此冷卻熔化的堆芯材料。
進一步地，該方法可以進一步包括在步驟2之后的步驟3打開冷卻水供應部分的閥以提供經過通道的、來自冷卻水貯槽的冷卻水，用以從熔化的堆芯材料中移除衰變熱，由此達到長期冷卻。
這里，該方法可以進一步包括下面的步驟讓產生自冷凝蒸汽(由冷卻水與熔化的堆芯材料的相互作用產生)的水流回到冷卻水貯槽，從而循環(huán)利用冷卻水。
在步驟1中，熔化的堆芯材料可以與玻璃材料層(形成于以預定角度傾斜在反應堆容器下部的支承板的上表面上)中的玻璃材料混合。
另外在步驟2中，與玻璃材料混合的熔化的堆芯材料可以落到冷卻水保留罐上，這些保留罐相對于反應堆安全殼建筑物的底部有一個預定的坡度，并且在下部以多層形式堆疊，從而該混合物可以沿著預定的坡度順序地流動，以熔化冷卻水保留罐并與冷卻水保留罐中含有惰性氣體的冷卻水接觸。



圖1是相關領域的用于冷卻熔化的堆芯材料的非接觸式裝置示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻熔化的堆芯材料的裝置示意圖。
圖3是本發(fā)明的玻璃材料混合部分的詳圖。
圖4A和4B是本發(fā)明的堆疊的冷卻水保留罐的剖視圖。
圖5是圖4中所示的冷卻水保留罐的橫向剖視圖。
具體實施方式
以下參照附圖更詳細地說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻熔化的堆芯材料的裝置的示意圖，其詳述說明如下。
為了在核電站發(fā)生嚴重事故時，保留和冷卻由于熔爐而在反應堆里產生的熔化的堆芯材料5，在預定尺寸的反應堆安全殼建筑物1的上部設置反應堆容器10，并在反應堆安全殼建筑物1內的下腔設置玻璃材料混合部分20和冷卻水保留罐(儲罐)30。玻璃材料混合部分20是用于首先將從反應堆容器釋放出的熔化的堆芯材料5與玻璃材料混合以降低熱生成密度(熱流密度)。參見圖2，玻璃材料混合部分的形狀為以預定角度α傾斜的板。
冷卻水保留罐30以多層的形式堆疊在玻璃材料混合部分20的下方。在玻璃材料混合部分20中與玻璃材料混合的熔化的堆芯材料5落到冷卻水保留罐30上，在這里，該混合物與冷卻水保留罐30中的含惰性氣體的冷卻水相互作用，從而冷卻該混合物。冷卻水保留罐30的罐體可以由能被高溫的熔化的堆芯材料熔化的材料制成。
如上所述，熔化的堆芯材料5首先與玻璃材料混合，以便降低熱生成密度，進而可以利用惰性氣體抑制由于與冷卻水相互作用而引起的蒸汽爆炸，這樣通過與冷卻水的直接接觸，可以提高傳熱效率，并可以顯著地降低蒸汽爆炸的風險。
多層堆疊的冷卻水保留罐30可以以一相對于反應堆安全殼建筑物1的底部的預定角度β傾斜，以使熔化的堆芯材料5可以順序地流下。
另外，本發(fā)明可以包括冷卻水供應部分40，其包括冷卻水貯槽43、形成于冷卻水貯槽43一例的冷卻水通道42和閥41，以便在通過冷卻水保留罐30中的冷卻水冷卻之后移除衰變熱。當核電站發(fā)生嚴重事故而打開冷卻水供應部分40的閥41時，則借助重力通過冷卻水通道42從冷卻水貯槽43提供冷卻水，以便在通過冷卻水保留罐30里的冷卻水冷卻之后可以進一步冷卻熔化的堆芯材料5，從而可以除去其衰變熱。
此外，本發(fā)明進一步包括在冷卻水供應部分40的上部的過濾裝置44。冷卻水與熔化的堆芯材料相互作用產生的蒸汽被冷凝成水，然后水流回到冷卻水貯槽43，這樣冷卻水被循環(huán)利用。因此能夠有效地進行長期冷卻。
當然，有一個用于使供應的水一直保持在適當水位的供水管線(未示出)與冷卻水貯槽43連接。
圖3是本發(fā)明的玻璃材料混合部分的詳圖。本發(fā)明在反應堆容器的下方有玻璃材料混合部分20，其作用是首先將熔化的堆芯材料5與玻璃材料混合以降低熱生成密度。該玻璃材料混合部分20包括支承板21，優(yōu)選以預定角α傾斜。支承板21由即使在與熔化的堆芯材料接觸時也不熔化的材料制成。這種構造是為了使熔化的堆芯材料5在已經經過反應堆容器的材料5與玻璃材料混合后，流向反應堆安全殼建筑物的下部。
進一步地，以預定厚度形成的玻璃材料層22設置在支承板21的上表面上。已經經過反應堆容器的熔化的堆芯材料與玻璃材料層22中的玻璃材料混合。這里，玻璃材料層22可以由玻璃或石墨形成。
此外，玻璃或石墨可以制備成顆粒或粉末的形式。
玻璃材料與熔化的堆芯材料5混合以降低熱生成密度。
擋壁23設置在傾斜的支承板21的下端。擋壁23可以由與從反應堆容器釋放出的高溫熔化的堆芯材料5接觸時熔化的材料制成。這樣，該擋壁23可以防止在支承板21上表面形成的玻璃材料在正常的時候流下，而在核電站發(fā)生嚴重事故時被高溫熔化的堆芯材料5熔化，以使與玻璃材料混合的材料5能流到反應堆安全殼建筑物的下部。
圖4和圖5示出堆疊的冷卻水保留罐的剖視圖和冷卻水保留罐的橫向剖視圖。
為了防止蒸汽爆炸，本發(fā)明設計了冷卻水保留罐30，其內裝有含惰性氣體的冷卻水，以冷卻熔化的堆芯材料5。冷卻水保留罐30可以多層地堆疊在玻璃材料混合部分20的下方。這里，每層的冷卻水保留罐30的放置方向可以和相鄰層的保留罐30的放置方向相同，或與其垂直。例如，見圖4A，所有的冷卻水保留罐30被同方向放置并層層堆疊?？商鎿Q地，冷卻水保留罐30可以下面的形式堆放一層的罐30與相鄰層的罐30垂直放置，如圖4B所示。
這里，冷卻水保留罐30可以這樣堆疊以使相對于反應堆安全殼建筑物的底部形成預定角β。借助這樣的設置，熔化的堆芯材料5在以預定角β流動時被第一層的冷卻水保留罐30冷卻，然后熔化的堆芯材料5又順序地被第二層的冷卻水保留罐30冷卻。
此外，見圖5，這種冷卻水保留罐的罐體31可以用低熔點的材料制備，使得其接觸高溫熔化的堆芯材料5時熔化。含有惰性氣體32的冷卻水33被裝在冷卻水保留罐30里面。在冷卻水保留罐30的罐體31由于接觸高溫的熔化的堆芯材料5而熔化以后，熔化的堆芯材料5就與含惰性氣體32的冷卻水33作用。因此，熔化的堆芯材料5直接與冷卻水相互作用，使得冷卻效率得到提高，并可以顯著地降低蒸汽爆炸的可能性。
下面參照圖2至5說明具有上述結構的用于冷卻熔化的堆芯材料的裝置的操作及其方法。
該方法包括步驟1將熔化的堆芯材料保留在反應堆安全殼建筑物的腔內，以限制其通過(流道)，并且將熔化的堆芯材料與玻璃材料混合以降低熱生成密度。
在核電站發(fā)生嚴重事故時，步驟1的實施是通過保留由于反應堆安全殼建筑物1的腔內的堆芯熔爐而在反應堆容器10下方釋放的熔化的堆芯材料5，以限制其通過，并且將熔化的堆芯材料5與玻璃材料混合以首次降低熱生成密度。
為此目的，見圖2，玻璃材料混合部分20包括安裝在反應堆容器10下方的支承板21。這里，支承板21可以預定角α傾斜，使得已經通過反應堆容器10的熔化的堆芯材料5可以與玻璃材料層22的玻璃材料混合，然后向下流到反應堆安全殼建筑物1的下部。因此，具有預定厚度的玻璃材料層22被設置在支承板21的上表面，以使熔化的堆芯材料5能與該玻璃材料混合。
安裝在傾斜支承板21下端的擋壁23阻止形成于支承板21上表面上的玻璃材料在正常的時候流下，但當嚴重事故發(fā)生時，擋壁被高溫的熔化的堆芯材料5熔化，使得與玻璃材料混合的熔化的堆芯材料5可以流向下部。
其次，冷卻該熔化的堆芯材料的方法包括步驟2使與玻璃材料混合的熔化的堆芯材料往下流到堆疊在下部的冷卻水保留罐30，以便與冷卻水保留罐30內的含惰性氣體32的冷卻水33接觸，從而冷卻該混合的熔化的堆芯材料。
步驟2是通過惰性氣體32和冷卻水33進行的冷卻步驟。與玻璃材料混合的熔化的堆芯材料5往下流到堆疊在玻璃材料混合部分20下方的冷卻水保留罐30，冷卻水保留罐30的罐體31在接觸高溫的熔化的堆芯材料5時熔化，然后熔化的堆芯材料通過與冷卻水保留罐30內的含惰性氣體32的冷卻水33相互作用而被冷卻。
這里，冷卻水保留罐30相對于反應堆安全殼建筑物1的底部形成預定角β，并多層堆疊。因此，熔化的堆芯材料5在向下流動的過程中可以被第一層的冷卻水保留罐30冷卻，然后又被第二層的冷卻水保留罐30冷卻，這樣逐步順序地被下層的冷卻水保留罐冷卻。
如上所述，本發(fā)明將熔化的堆芯材料5首先與玻璃材料混合以降低熱生成密度，然后使熔化的堆芯材料與堆疊的冷卻水保留罐30接觸以降低其溫度。因此，冷卻可以有效地進行，而蒸汽爆炸的危險可以顯著地降低。
在步驟2之后，即順序流過堆疊的冷卻水保留罐30的熔化的堆芯材料5被冷卻之后，本發(fā)明可以另外地進行步驟3打開冷卻水供應部分40的閥41，并通過冷卻水通道42從冷卻水貯槽43提供冷卻水，借此從熔化的堆芯材料中移除衰變熱。
在步驟3中，當打開冷卻水供應部分40的閥41時，通過冷卻水通道42從冷卻水貯槽43提供冷卻水，以使熔化的堆芯材料5的衰變熱可以被完全移除。
與按照相關領域的用泵提供冷卻水的強制(主動)系統(tǒng)不同，根據(jù)本發(fā)明的用冷卻水冷卻和移除衰變熱的過程是自然(被動)地進行，因此當發(fā)生嚴重事故時，可以在提高可靠性的情況下進行徹底的處理。
在上述冷卻過程中由于冷卻水與熔化的堆芯材料5之間相互作用而產生的蒸汽被從反應堆腔排到反應堆安全殼建筑物1內的空氣中，并且在反應堆安全殼建筑物1的高于反應堆容器10的表面上冷凝。然后，冷凝水能夠沿著反應堆安全殼建筑物1的高于反應堆容器10的表面流下，經過過濾裝置44，然后流回到冷卻水貯槽43。
如上所述，本發(fā)明提供了用以有效地移除衰變熱的冷卻水供應部分40，此外還循環(huán)利用冷卻水，這對于長期冷卻是非常有效的。
盡管為了說明，已披露了本發(fā)明優(yōu)選的具體實施方式
，但本領域技術人員可以理解在不偏離本發(fā)明所附權利要求
所限定的范圍和精神的情況下，可以對實施方案作出各種改變和等效替換。尤其是，雖然對本發(fā)明的組件可以進行各種材料變換，功能增加，形狀變化或尺寸變化，但顯然這些都落在本發(fā)明的權利范圍內。
工業(yè)應用用于冷卻熔化的堆芯材料的裝置和方法通過先將已經經過反應堆容器10的熔化的堆芯材料5與玻璃材料混合，以降低熔化的堆芯材料5的熱生成密度，并且通過使熔化的堆芯材料5流到裝有惰性氣體的冷卻水保留罐30，以防止蒸汽爆炸并有效地冷卻熔化的堆芯材料5。
進一步地，本發(fā)明提供了冷卻水供應部分40，以便完全移除來自熔化的堆芯材料5的衰變熱。
另外，通過冷卻水的冷卻和衰變熱的移除過程是自然(被動)進行的，因此，當發(fā)生嚴重事故時，可以高度可靠地采取措施。
權利要求
1.一種用于保留和冷卻由于熔爐從反應堆容器釋放出的熔化的堆芯材料的裝置，所述裝置包括板形的玻璃材料混合部分，其形成于所述反應堆容器的下部并且在其上表面具有玻璃材料層，以使已經通過所述反應堆容器的熔化的堆芯材料與玻璃材料混合，以降低熱生成密度；以及多個冷卻水保留罐，在所述玻璃材料混合部分的下方以多層的形式堆疊，所述冷卻水保留罐內裝有含惰性氣體的冷卻水，用于冷卻高溫的所述熔化的堆芯材料。
2.根據(jù)權利要求
1所述的裝置，進一步包括設置在所述玻璃材料混合部分和所述冷卻水保留罐一側的冷卻水供應部分，所述冷卻水供應部分包括冷卻水貯槽，以及形成于所述冷卻水貯槽一側的通道和閥，以便通過向已被所述冷卻水保留罐內的冷卻水降溫的所述熔化的堆芯材料另外提供所述冷卻水而移除衰變熱，從而進行長期冷卻。
3.根據(jù)權利要求
1所述的裝置，其中所述玻璃材料混合部分包括安裝在所述反應堆容器下部的支承板，所述支承板以預定角度傾斜，并且由即使在接觸所述熔化的堆芯材料時也不熔化的材料制成；在所述支承板的上表面上以預定厚度形成的玻璃材料層；以及安裝在傾斜的所述支承板下端的擋壁，所述擋壁由在接觸所述熔化的堆芯材料時熔化的材料制成，用以防止在所述支承板上表面上形成的所述玻璃材料向下流動。
4.根據(jù)權利要求
3所述的裝置，其中所述玻璃材料層由玻璃或石墨制成。
5.根據(jù)權利要求
1所述的裝置，其中每個所述冷卻水保留罐的罐體由在接觸高溫的熔化的堆芯材料時熔化的材料制成。
6.根據(jù)權利要求
1所述的裝置，其中所述冷卻水保留罐以多層的形式并以相對于反應堆安全殼建筑物的底部的一預定坡度進行堆疊。
7.根據(jù)權利要求
1所述的裝置，其中所述冷卻水供應部分的結構為當打開所述閥并且所述冷卻水通過在所述冷卻水貯槽一側形成的通道提供給被冷卻的熔化的堆芯材料時移除衰變熱，并且使在冷卻水貯槽的上面形成的冷凝水通過過濾裝置流回到所述冷卻水貯槽。
8.一種用于保留和冷卻由于熔爐從反應堆容器釋放出的熔化的堆芯材料的方法，所述方法包括下述步驟(1)將所述熔化的堆芯材料保留在反應堆安全殼建筑物的腔內，以限制其通過，并且將所述熔化的堆芯材料與玻璃材料混合以降低熱生成密度；以及(2)使與所述玻璃材料混合的所述熔化的堆芯材料向下流到堆疊在下方的冷卻水保留罐，并使所述混合物與所述冷卻水保留罐中含有惰性氣體的冷卻水接觸，從而冷卻所述熔化的堆芯材料。
9.根據(jù)權利要求
8所述的方法，進一步包括在所述步驟(2)之后的步驟(3)打開冷卻水供應部分的閥，以經過通道提供來自冷卻水貯槽的冷卻水，從而從所述熔化的堆芯材料移除衰變熱，由此達到長期冷卻。
10.根據(jù)權利要求
9所述的方法，進一步包括以下步驟使來自冷凝蒸汽的水流回到所述冷卻水貯槽，從而使所述冷卻水循環(huán)，其中所述蒸汽通過所述冷卻水與所述熔化的堆芯材料的相互作用產生。
11.根據(jù)權利要求
8所述的方法，其中進行所述步驟(1)以便將所述熔化的堆芯材料與玻璃材料層的所述玻璃材料混合，其中所述玻璃材料層形成于以預定角度傾斜并在所述反應堆容器下方的支承板的上表面上。
12.根據(jù)權利要求
8所述的方法，其中所述步驟(2)的實施如下使與所述玻璃材料混合的所述熔化的堆芯材料向下流到所述冷卻水保留罐，其中所述保留罐相對于反應堆安全殼建筑物的底部有一預定的坡度并且以多層形式堆疊在所述反應堆安全殼建筑物的下部；以及使所述混合物沿著所述預定坡度順序地流動，以便熔化所述冷卻水保留罐并接觸所述冷卻水保留罐中含有惰性氣體的所述冷卻水。
專利摘要
一種用于在核電站發(fā)生嚴重事故時有效保留和冷卻從反應堆容器釋放出的熔化的堆芯材料的裝置和方法。該裝置包括玻璃材料混合部分、冷卻水保留罐、以及冷卻水供應部分。冷卻水保留罐堆疊在玻璃材料混合部分的下方。冷卻水供應部分設置在玻璃材料混合部分和冷卻水保留罐的側面。玻璃材料混合部分包括支承板、玻璃材料層和擋壁。冷卻水供應部分包括冷卻水貯槽、通道和閥。該裝置和方法能夠降低熔化的堆芯材料的熱生成密度和防止蒸汽爆炸以及有效地降低熔化的堆芯材料的溫度。
文檔編號G21C9/00GKCN1771567SQ200580000170
公開日2006年5月10日 申請日期2005年2月7日
發(fā)明者金煥烈, 宋鎮(zhèn)鎬, 閔丙泰, 金熙東 申請人:韓國原子力研究所, 韓國水力原子力株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan