提高压力容器外壁面临界热流密度的装置

摘要

本发明公开了一种提高压力容器外壁面临界热流密度的装置，包括反应堆压力容器和包覆于反应堆压力容器外部的保温层，反应堆压力容器外壁面和保温层之间形成流道，流道的内部具有多个固定在保温层内壁面上的突起部，多个突起部之间互不接触、呈周向排列或错位排列。本发明通过突起部呈错位的排列设置，增强流体流动过程中的搅浑，改变了压力容器外壁面中汽泡的积聚现象，增强流体的换热能力，提高流体在压力容器外壁面相应位置处的临界热流密度，从而有利于实施核电厂堆内熔融物滞留措施，提高核电厂在事故情况下的安全性。本发明结构简单、制造成本低、引入阻力小、系统可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及核电厂熔融物堆内滞留措施，尤其涉及一种提高压力容器外部临界 热流密度的装置。

背景技术

1975年发表的WASH-1400报告在对核电厂进行PRA分析后指出：核电厂 的风险主要并非来自设计基准事故，而是来自堆芯熔化事故。为此，世界各主要核 电国家均要求业界开展严重事故研究，寻求严重事故对策，以提高核电厂对付严重 事故能力。

目前，根据严重事故发展过程特点，世界上已提出许多应对严重事故的策略。 其中，核电站严重事故下堆芯熔融物坍塌至下封头，可能致使压力容器失效，威胁 到安全壳完整性，从而导致出现放射性物质外泄的严重后果，所以保持压力容器完 整性、将堆芯熔融产物保持在压力容器内是目前严重事故缓解措施研究的重点之 一。作为严重事故缓解措施的一种重要手段,把堆芯熔融物保持在压力容器内 (In-Vessel Retention，IVR)的策略已经被许多现有运行的核电站以及许多正在设计 的新型压水堆核电站所采用。

IVR措施是指核电厂发生严重事故后，通过采用一系列策略或手段，使堆芯熔 融物滞留在压力容器内，以保持压力容器的完整性，从而将严重事故后果限定在一 回路边界内。其中一种实现IVR的措施就是压力容器外部冷却，其具体策略为： 在核电厂发生事故的条件下将水注入反应堆堆腔，使反应堆压力容器浸于水中，水 进入压力容器与保温层之间的冷却流道，冷却压力容器壁面，带出堆芯衰变热，避 免了压力容器的失效，防止严重事故的进一步发展和恶化。其中，保证IVR措施 成功需要满足的条件之一是压力容器壁面的实际热流密度必须小于当地临界热流 密度。也就是说，提高反应堆压力容器外壁面的临界热流密度对于实现IVR措施 是至关重要的。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种提高压力容器外部临界热流密度的装 置，用于增强严重事故条件下熔融物堆内滞留措施的有效性，以提高核电厂应对严 重事故能力。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在核电厂压力容器 外冷却流道中提供一种搅浑流体和增加流体扰流的装置，使压力容器外壁面的临界 热流密度得到提高，从而增强严重事故条件下熔融物堆内滞留措施的有效性。

为实现上述目的，本发明提供了一种提高压力容器外壁面临界热流密 度的装置，包括反应堆压力容器、保温层；

保温层包覆在反应堆压力容器的外部，与反应堆压力容器外壁面之间 形成流道；其中，

流道内部具有突起部，突起部设在保温层内壁面的弧形段区域。

优选地，突起部的纵截面为弧线形，突起部与保温层内壁面的接触端 为第一端部，突起部朝向压力容器外壁面的端部为第二端部；

第一方向沿突起部在第一端部处的切线且指向第二端部；

第二方向沿保温层内壁面与突起部接触的位置处的切线且指向保温 层内壁面的直线段区域；

第一方向与第二方向的夹角为5°～80°。

优选地，突起部的纵截面为直线形，突起部与保温层内壁面的接触端 为第一端部，突起部朝向压力容器外壁面的端部为第二端部；

第一方向沿突起部在第一端部径向指向第二端部；

第二方向沿保温层内壁面与突起部接触的位置处的切线且指向保温 层内壁面的直线段区域；

第一方向与第二方向的夹角为5°～80°。

进一步地，突起部的数目至少为一个。

进一步地，多个突起部之间不相互接触。

进一步地，多个突起部沿保温层内壁面的周向分布。

进一步地，多个突起部在所述保温层内壁面的周向分布，形成一排或 多排突起部，所述多排突起部的排列方式为并排排列或错位排列。

优选地，通过焊接固定方式、粘接固定方式、紧固件固定方式或铆接 固定方式将突起部固定设置在保温层内壁面上。

优选地，突起部和保温层一体成型。

优选地，突起部为翅片。

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种提高压力容器外壁面临界热流密度的 装置，包括反应堆压力容器和包覆于反应堆压力容器外部的保温层，反应堆压力容 器外壁面和保温层之间形成流道，流道的内部设有多个固定在保温层内壁面上的突 起部，突起部的第一端部的切向方向与所在保温层内壁面的切向方向的夹角为5° ～80°，多个突起部之间互不接触、呈周向排列或错位排列。

由此可见，本发明的提高核电厂压力容器外部临界热流密度的装置，通过压力 容器外壁面和保温层之间的流道内设有固定在保温层内壁面上的突起部，与来流方 向形成一定夹角。当流体流经突起部时，在突起部第一端部或下游区域形成涡流， 从而可以增强流体流动过程中的搅浑，破坏由于流道形状和流体加热方式引起的流 体冷热分层，特别是呈错位的排列方式，进一步增强了流体的搅浑，改变了压力容 器外壁面中汽泡的积聚现象，增强流体的换热能力，提高流体在压力容器外壁面相 应位置处的临界热流密度，从而有利于实施核电厂堆内熔融物滞留措施，提高核电 厂在事故情况下的安全性。

此外，本发明的提高核电厂压力容器外部临界热流密度的装置，突起部可以通 过焊接固定方式、粘接固定方式、紧固件固定方式、铆接固定方式或冲压成型等方 式固定在保温层内壁面上，也可以与保温层内壁面一体成型，具有结构简单、制造 成本低、引入阻力小、装置系统的可靠性高的特点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是一个较佳实施例中，本发明的提高压力容器外部临界热流密度的装置的 结构的纵截面图；

图2显示了图1所示的一个较佳实施例中保温层和突起部之间的位置关系；

图3显示了图1所示的另一个较佳实施例中保温层和突起部之间的位置关系；

图4为本发明的提高压力容器外部临界热流密度的装置的立体图；

图5为图4所示的提高压力容器外部临界热流密度的装置的顶视图。

具体实施方式

如图1所示，一种提高核电厂压力容器外部临界热流密度的装置，包括反应堆 压力容器1和包覆于反应堆压力容器外部的保温层2，反应堆压力容器1外壁面和 保温层2之间形成流道3。其中，我们定义反应堆压力容器1与流道3间的界面为 压力容器1外壁面。

流道3内部设有固定在保温层2内壁面上的突起部4。同样，定义保温层2内 壁面为保温层2与流道3间的界面。

反应堆压力容器1包括筒体和封头等部件。压力容器的纵截面图可参见图1， 我们定义筒体部分的壁面为直线段区域；封头部分为球冠形，其壁面为弧形段区域。 保温层包覆在反应堆压力容器的外部，一般来说，保温层的直线段内壁面与弧形段 内壁面的形状设置与压力容器的壁面相一致或近似。

突起部4的数目至少为一个，固定设置在保温层2内壁面的弧形段区域，也可 以固定设置在保温层2的弧形段内壁面和直线段内壁面的连接区域附近的内壁面 上。

如图2所示，显示了图1所示的一个较佳实施例中保温层2和突起部4之间的 位置关系，突起部的纵截面可以为直线形。我们定义在视图上，突起部4与保温层 2内壁面的接触端为第一端部5，突起部4朝向压力容器外壁面的端部为第二端部 6。定义突起部4的第一端部5沿直线的径向方向为第一方向7，指向突起部4的 第二端部6；定义与突起部4相接触的保温层内壁面位置点的切线方向为第二方向 8，指向保温层内壁面的直线段区域。第一方向7与第二方向8的夹角β为5°～80 °。箭头方向代表流体的来流方向。

如图3所示，显示了图1所示的另一个较佳实施例中保温层2和突起部41之 间的位置关系，突起部的纵截面可以为弧线形。同样，我们定义在视图上，突起部 41与保温层2内壁面的接触端为第一端部5，突起部41朝向压力容器外壁面的端 部为第二端部6。定义突起部41的第一端部5的切线方向为第一方向7，指向突起 部4的第二端部6；定义与突起部41相接触的保温层内壁面位置点的切线方向为 第二方向8，指向保温层内壁面的直线段区域。第一方向7与第二方向8的夹角β 为5°～80°。箭头方向代表流体的来流方向。

如图4和图5所示，分别为本发明的提高压力容器外部临界热流密度的装置的 立体图和顶视图。可以看到，突起部42可以沿保温层2内壁面分布呈周向排列， 多个突起部42之间相互不接触。此外，突起部42在保温层2内壁面上的周向排列 可以为一排，也可以呈多排排列方式。多排排列方式可以为并排（不错位）排列， 也可以为错位排列。其中，所述错位排列包括两种情况：第一，对于任意两个突起 部42，第一方向和第二方向的夹角不同；第二，沿周向的任意两排突起部42不处 于同一纵截面上。当然，所述错位排列也可以为上述两种方式的组合。

突起部4固定在保温层2内壁面的工艺可以为焊接固定方式，可以为粘接固定、 紧固件固定或铆接固定等方式，也可以为突起部4和保温层2一体成型方式，但不 限于此。

优选的，可参见图2，突起部4可以为呈扁平的三角形状的翅片，固定设置在 保温层2内壁面的弧形段区域。箭头方向代表流体的来流方向。翅片4的数目至少 为一个，沿保温层2内壁面分布呈周向排列，多个翅片4之间不相互接触。翅片4 在保温层2内壁面的周向上呈多排排列，排列方式为并排或错位排列（可参见图4 和5）。翅片42的第一方向与所固定连接的保温层2内壁面处的第二方向的夹角β 为5°～80°。

翅片4的材质和结构的选择，保证在正常运行环境条件下（如高温环境），形 状不发生变化或只发生微小变化。翅片4与所述保温层2内壁面的固定工艺可以为 焊接固定方式，可以为粘接固定、紧固件固定或铆接固定等方式，也可以为突起部 4和保温层2一体成型方式，但不限于此。

本发明的提高核电厂压力容器外部临界热流密度的装置，通过压力容器1外壁 面和保温层2之间的流道3内设有固定在保温层2内壁面上的扁平状突起部4，与 来流方向形成一定夹角。当核电厂发生严重事故时，堆芯熔化和坍塌，熔融物逐渐 聚集在压力容器1下封头内，压力容器1外壁面与保温层2之间形成流道，流体流 经该流道，流体吸收压力容器1热量，冷却压力容器1。当流体流经突起部4时， 在突起部4下游区域形成涡流，从而可以增强流体流动过程中的搅浑，破坏由于流 道形状和流体加热方式引起的流体冷热分层，改变了压力容器1外部汽泡积聚的现 象，特别是本发明的突起部4当呈扁平状，并且各个突起部4不相互接触，减小了 流动阻力，各排突起部4呈错位布置，流体搅浑得到进一步增强，从而使得压力容 器1外壁面相应位置处的临界热流密度得到提高，有利于实施核电厂堆内熔融物滞 留措施，从而提高核电厂在事故情况下的安全性。

本领域的技术人员可以理解的是，突起部4的形状除了为扁平状的三角形，还 可以为四边形、圆弧形或其他形状，也可以为锥形状，突起部2与保温层4内壁面 连接的第一端部的形状尺寸大于突起部2的顶部的形状尺寸等，在此不作限定，只 需达到在本发明中当流体流经突起部，实现干扰和搅浑流体的作用即可。

突起部4的材质可以与保温层2相同，可以为不锈钢材料、也可以为其它材料 等，在此不作限定，只需保证在正常运行环境条件（如高温环境）下，突起部4 的形状不发生变化或只发生微小变化。

突起部4与所述保温层2内壁面的固定工艺为焊接固定方式或冲压成型方式， 也可以为突起部4和保温层2一体成型，但不限于此。可以看出，突起部4在保温 层2内壁面的固定和固定方式，结构简单、制造成本低、引入阻力小、系统可靠性 高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需 创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中 技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验 可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。