一种提高堆芯熔融物滞留有效性的反应堆压力容器及方法

技术领域

本发明涉及反应堆压力容器技术领域，具体涉及一种提高堆芯熔融物滞留有效性的反应堆压力容器及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

当核反应堆发生严重事故从而导致堆芯熔化时，若堆芯熔融物掉落到下封头，压力容器将承受熔融物向压力容器壁面传热产生的温度场、内部高压(若主回路没有卸压)、压力容器自身重量及熔融物重量、堆芯熔融物热-化学冲击等载荷，从而导致压力容器下封头超出强度极限而整体失效或受到局部热-化学载荷冲击而局部失效。

此外，当熔融物在下封头形成熔融池后，由于各材料不相溶而产生分层，使得金属层位于氧化层上部，由于金属层较薄，热流密度在压力容器与金属层的接触位置集中，此区域的热流密度与金属层的厚度成反比，产生“聚焦效应”。“聚焦效应”会导致与金属层接触的反应堆压力容器侧壁承受较高的热流密度，增加压力容器失效风险。

因此，如何实现通过缓解“聚焦效应”，减小堆芯熔融物对压力容器壁面传热的热流密度，降低压力容器失效概率，提高熔融物堆内滞留(IVR)有效性，是目前亟需要解决的一项重要技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高堆芯熔融物滞留有效性的反应堆压力容器及方法，通过在反应堆压力容器内安装隔板作为牺牲材料，降低熔融物金属层向压力容器壁面传热的热流密度，减小压力容器失效概率。

本发明的技术方案如下：

在本发明的第一方面，提供了一种提高堆芯熔融物滞留有效性的反应堆压力容器，包括反应堆压力容器，所述反应堆压力容器的下封头设置隔板，所述隔板通过多个支撑柱固定在下封头的内壁上，最高处的支撑柱轴线与压力容器轴线的夹角小于等于90°；所述隔板上设置多个通孔。

在本发明的一些实施方式中，所述隔板的形状为U型或与压力容器下封头形状相同，并伸入压力容器下封头，隔板的壁厚不小于压力容器的壁厚。

在本发明的一些实施方式中，所述隔板和支撑柱均使用钢。

在本发明的一些实施方式中，所述通孔为圆形或者多边形。

在本发明的一些实施方式中，所述隔板与反应堆压力容器的下封头的内壁之间的距离在100mm～600mm之间。

在本发明的第二方面，提供了一种提高堆芯熔融物滞留有效性的方法，当发生反应堆发生严重事故导致堆芯熔化时，利用隔板在熔化过程中吸收金属层中的热量和隔板熔化后增加金属层的厚度，缓解聚焦效应。

在本发明的一些实施方式中，堆芯开始熔化时，堆芯熔融物首先掉落进入隔板中，从隔板的通孔流入压力容器下封头，熔融物达到隔板下表面的高度并将隔板底部浸泡，浸泡在熔融物中的部分隔板和支撑柱受热熔化。

在本发明的一些实施方式中，所述隔板用于阻碍堆芯熔融物与反应堆压力容器下封头的直接接触，进而阻碍熔融物对下封头的直接冲击。

在本发明的一些实施方式中，所述隔板上的通孔对堆芯熔融物进行分散流入下封头，在熔融物掉落初期对熔融物起到搅混作用，阻碍熔融物分层，缓解聚焦效应；熔融物经过通孔分流后增加与下封头内冷却剂的接触面积，增强换热，减少压力容器壁面的热负荷。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明的反应堆压力容器，反应堆发生严重事故导致堆芯熔化后，当堆芯熔融物开始向下封头迁移时，首先掉落进入隔板，阻碍了堆芯熔融物与反应堆压力容器下封头的直接接触，阻碍了熔融物对下封头的直接冲击。

(2)本发明的反应堆压力容器，堆芯熔融物掉落进入U型隔板后，会从隔板上的通孔处分散流入下封头，在熔融物掉落初期对熔融物起到搅混作用，阻碍熔融物分层，缓解“聚焦效应”。此外，熔融物通过隔板上的通孔分散流出可以增大其与下封头内冷却剂的接触面积，增强换热，减少压力容器壁面的热负荷。

(3)本发明的反应堆压力容器，通过在反应堆压力容器中安装一个伸入下封头的U型隔板，当反应堆发生严重事故导致堆芯熔化时，堆芯熔融物首先掉落进入U型隔板中，此后从隔板的通孔流入压力容器下封头，由于U型隔板伸入下封头，因此流入隔板与下封头间隙的熔融物很快就会达到隔板下表面的高度并将隔板底部浸泡，浸泡在熔融物中的部分隔板和支撑柱受热熔化，增加了熔融物中金属层的厚度。

(4)本发明的反应堆压力容器，当有较多的堆芯发生熔化，当熔融物在压力容器下封头内到达一定高度时，所有支撑柱被熔断，上部还未熔化的部分隔板掉落进入熔融物中，由于其密度小于熔融物中氧化物层的密度，因此大部分未熔化隔板会浮在金属层中。隔板掉落后，在熔化过程中会吸收一部分金属层中的热量，待完全熔化后，会熔入金属层中，使金属层体积增加，厚度增厚，增加其与压力容器侧壁的接触面积，减小金属层与压力容器侧壁传热的热流密度，缓解“聚焦效应”，降低压力容器失效概率，提高IVR有效性。

附图说明

图1是本发明反应堆压力容器的结构示意图；

图2是发生堆芯熔化后的堆芯熔融物分布示意图；

图3是底部隔板和支撑柱被熔化后的堆芯熔融物分布示意图；

图4是隔板和支撑柱完全熔化后的堆芯熔融物分布示意图。

图中：1、堆芯；2、隔板；3、支撑柱；4、反应堆压力容器；5、堆芯熔融物金属层；6、堆芯熔融物氧化物层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，提出一种提高堆芯熔融物滞留有效性的反应堆压力容器，如图1所示，包括反应堆压力容器4，所述反应堆压力容器的下封头设置隔板2，所述隔板2通过多个支撑柱3固定在下封头的内壁上，最高处的支撑柱轴线与压力容器轴线的夹角小于等于90°；所述隔板上设置多个通孔，堆芯熔融物掉落进入U型隔板后，会从隔板上的通孔处分散流入下封头，在熔融物掉落初期对熔融物起到搅混作用，阻碍熔融物分层，缓解“聚焦效应”；同时，熔融物通过隔板上的通孔分散流出可以增大其与下封头内冷却剂的接触面积，增强换热，减少压力容器壁面的热负荷。

进一步地，隔板2的形状为U型或与压力容器下封头形状相同并伸入封头，隔板的壁厚不小于压力容器的壁厚，使熔融物掉落在压力容器下封头时可以尽快达到隔板的高度从而与之接触。此外隔板与压力容器之间也应保留足够大的缝隙，所述隔板与反应堆压力容器的下封头的内壁之间的距离在100mm～600mm之间，使冷却剂可以顺利通过，不影响反应堆正常运行。

进一步地，在反应堆压力容器内部安装的隔板作为堆芯熔化后的牺牲材料，同时隔板还能起到以下作用：当堆芯熔融物开始向下封头迁移时，首先掉落进入隔板，阻碍了堆芯熔融物与反应堆压力容器下封头的直接接触，阻碍了熔融物对下封头的直接冲击；隔板与压力容器之间由支撑柱连接；所述隔板和支撑柱均使用与堆内构件或压力容器成分类似的钢材，并在其表面堆焊不锈钢，所堆焊的不锈钢与压力容器内表面堆焊的不锈钢成分类似或相同。

进一步地，多少支撑柱在下封头的壁上均匀分布，支撑柱的强度应足够承受隔板、堆芯及堆内构件的重量。

进一步地，隔板上布置一定数量的通孔，通孔为圆形或者多边形，隔板与下封头的内壁面相距一定的距离，可以使冷却剂在隔板两侧通过，保证反应堆的正常运行不受隔板影响；当反应堆发生严重事故导致堆芯熔化时，一部分熔融物可以通过通孔漏到隔板与压力容器之间的空隙中，增加隔板和支撑柱的受热面积，使其能够尽快熔化。

进一步地，所有支撑柱布置在θ≤90°的范围内，使得熔融物高度到达一定值时，可以将全部支撑柱熔断，从而使上部隔板掉落进入熔融物金属层中，隔板密度小于氧化物层的密度，因此会处于熔融物上部，隔板熔化时会吸热，熔化后增加金属层体积，缓解“聚焦效应”，减小金属层向压力容器壁面传热的热流密度。

本实施例提供的反应堆压力容器，以隔板作为牺牲材料，隔板掉落后，在熔化过程中会吸收一部分金属层中的热量，待完全熔化后，会熔入金属层中，使金属层体积增加，厚度增厚，增加其与压力容器侧壁的接触面积，减小金属层与压力容器侧壁传热的热流密度，缓解“聚焦效应”，降低压力容器失效概率，提高IVR有效性。

实施例2

本发明的一种典型的实施方式中，提出一种提高堆芯熔融物滞留有效性的方法，如图2-4所示，当发生反应堆发生严重事故导致堆芯熔化时，堆芯熔融物包括堆芯熔融物金属层5和堆芯熔融物氧化物层6，利用隔板在熔化过程中吸收金属层中的热量和隔板熔化后增加金属层的厚度，缓解聚焦效应。

进一步地，堆芯开始熔化时，堆芯熔融物首先掉落进入隔板中，从隔板的通孔流入压力容器下封头，熔融物达到隔板下表面的高度并将隔板底部浸泡，浸泡在熔融物中的部分隔板和支撑柱受热熔化。

进一步地，所述隔板用于阻碍堆芯熔融物与反应堆压力容器下封头的直接接触，进而阻碍熔融物对下封头的直接冲击。

进一步地，所述隔板上的通孔对堆芯熔融物进行分散流入下封头，在熔融物掉落初期对熔融物起到搅混作用，阻碍熔融物分层，缓解聚焦效应；熔融物经过通孔分流后增加与下封头内冷却剂的接触面积，增强换热，减少压力容器壁面的热负荷。

当有较多的堆芯发生熔化，当熔融物在压力容器下封头内到达一定高度时，所有支撑柱被熔断，上部还未熔化的部分隔板掉落进入熔融物中，由于其密度小于熔融物中氧化物层的密度，大部分未熔化隔板会浮在金属层中。

隔板掉落后，在熔化过程中会吸收一部分金属层中的热量，待完全熔化后，会熔入金属层中，使金属层体积增加，厚度增厚，增加其与压力容器侧壁的接触面积，缓解聚焦效应。

本实施例的提高堆芯熔融物滞留有效性的方法，当隔板及支撑柱被完全熔化后，增加了熔融物中金属层的体积和其与压力容器的接触面积，可以缓解金属层对压力容器壁面的“聚焦效应”，减小金属层对压力容器壁面传热的热流密度，降低压力容器失效的概率。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。