用于冷卻劑喪失事故后緩解的封閉式火炬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)主張對(duì)在2012年8月6日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利公開(kāi)序列號(hào)N0.61/680，008的優(yōu)先權(quán)。
[0002]本公開(kāi)大體涉及在反應(yīng)堆緊急關(guān)閉和并發(fā)的站點(diǎn)停電之后用于核電廠(chǎng)的封閉式火炬(contained flare)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]沸水反應(yīng)堆(BWR)類(lèi)型的核電廠(chǎng)在全世界為許多電業(yè)促進(jìn)電功率生產(chǎn)。BWR核反應(yīng)堆典型地設(shè)計(jì)為利用放射性核素危害安全殼(containment)方法，根據(jù)“零釋放設(shè)計(jì)目標(biāo)基本原理，該方法依靠多重屏障來(lái)阻止放射性核素的釋放。
[0004]多重屏障方法的典型實(shí)現(xiàn)方式包括:由合成物和核燃料芯塊自身的設(shè)計(jì)代表的第一屏障，和由通常稱(chēng)為“燃料元件細(xì)棒”的密閉容器代表的第二屏障。將許多燃料細(xì)棒(pin)支撐且定位于稱(chēng)為燃料棒的可移除結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且許多相鄰的燃料棒構(gòu)成反應(yīng)堆的“芯”。
[0005]第三屏障由包封核燃料“芯”的密閉初級(jí)冷卻水液壓回路和由初級(jí)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)包封的初級(jí)冷卻水的裝料代表，初級(jí)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)與初級(jí)回路構(gòu)件的平衡連通，初級(jí)回路構(gòu)件諸如初級(jí)冷卻泵、(多個(gè))初級(jí)至次級(jí)冷卻劑回路換熱器、帶有從屬控制的互連管道系統(tǒng)、儀器和其他初級(jí)回路支撐設(shè)備。芯的封套內(nèi)的液態(tài)水是從芯移除余熱，并且因而將構(gòu)造的芯材料保持在低于它們的操作極限的溫度下的設(shè)計(jì)策略的基本特征。
[0006]術(shù)語(yǔ)“L0CA”指當(dāng)由水提供的熱移除功能喪失或基本損壞時(shí)在芯中存在的情況。LOCA的結(jié)果是芯材料溫度的上升且最終是過(guò)熱的芯殼進(jìn)入超出設(shè)計(jì)極限溫度的熱區(qū)域中。某些時(shí)候，殘留水汽與燃料包殼材料、鋯化學(xué)地反應(yīng)，以形成氧化鋯和氫氣。氫氣和水汽對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)提出加壓挑戰(zhàn)。
[0007]初級(jí)回路構(gòu)件容納在第四屏障中，第四屏障阻止放射性核素釋放。該第四屏障稱(chēng)為“初級(jí)安全殼”，其包封整個(gè)初級(jí)回路構(gòu)件。典型地，初級(jí)安全殼的氣氛是不活潑氣體，以在氫釋放到該區(qū)域中時(shí)阻止氫的燃燒。初級(jí)安全殼典型地是加固的混凝土結(jié)構(gòu)，其具有抵抗內(nèi)部加壓而不泄漏的充分但有限的能力。
[0008]第五屏障是稱(chēng)為次級(jí)安全殼的密封結(jié)構(gòu)。對(duì)于許多BWR反應(yīng)堆構(gòu)建設(shè)計(jì)，該第五屏障裝有空氣氣氛，并且設(shè)計(jì)為抵抗不比外部環(huán)境周?chē)鷫毫Υ筇嗟膬?nèi)壓。如果由燃料包殼與初級(jí)冷卻蒸汽的反應(yīng)生成的氫氣破壞第四屏障，初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)，那么然后次級(jí)安全殼氣氛中的氫氣濃度水平將上升至空氣、氫、水汽混合物可變得可燃的點(diǎn)。在這種情況下，在反應(yīng)堆芯的放射性核素庫(kù)存與外部環(huán)境之間的第五和最終屏障可由于由一些形式的點(diǎn)火源(例如電功率火花或靜電放電)引起的次級(jí)安全殼氣氛的點(diǎn)燃時(shí)的過(guò)度加壓而失效。
[0009]盡管如此，當(dāng)前的水冷核反應(yīng)堆也是十分安全的，并且提供對(duì)電力供應(yīng)、用水和操作員動(dòng)作最少地依賴(lài)的失效保護(hù)操作，以關(guān)閉或“SCRAM”反應(yīng)堆芯中的核反應(yīng)，并且將熱功率水平降低至額定操作功率水平的小部分。如果穿過(guò)芯的初級(jí)冷卻流不被保持或恢復(fù)，那么由在SCRAM之后仍留存在反應(yīng)堆芯中的裂變產(chǎn)物材料的放射性衰變引起的剩余的較低熱功率水平基本足以使反應(yīng)堆芯過(guò)熱。如果不使來(lái)自電網(wǎng)的裝置外電功率暫停較長(zhǎng)時(shí)間，以至于后備電功率源(例如電池或發(fā)電機(jī)設(shè)備)可變得耗盡或以其他方式不可利用，那么電廠(chǎng)可經(jīng)歷站點(diǎn)停電。
[0010]核反應(yīng)堆還利用各種被動(dòng)系統(tǒng)來(lái)減緩由其他非LOCA效應(yīng)引起的氫的緩慢累積。預(yù)惰化，例如，在啟動(dòng)之前或啟動(dòng)期間與連續(xù)的功率產(chǎn)生操作一起，在初級(jí)安全殼中生成耗盡氧的氣氛。當(dāng)最初構(gòu)造電廠(chǎng)時(shí)，或在一些非操作時(shí)期期間，將不活潑氣體(通常為氮)釋放到初級(jí)安全殼中來(lái)代替該空間中的空氣。該方法將不活潑空間中的氧活度降低為低于氫燃燒所需的水平。又一被動(dòng)系統(tǒng)為催化氫復(fù)合器。氫復(fù)合器將以低于可燃極限的混合比例將氫與氧復(fù)合，以產(chǎn)生水并降低安全殼中的氫濃度。
[0011]在極為稀少的站點(diǎn)停電情況中，LOCA后的氫生成十分快速并且可淹沒(méi)一些被動(dòng)氫減緩系統(tǒng)。
【附圖說(shuō)明】
[0012]從接下來(lái)的公開(kāi)的非限制實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明中，各種特征對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)。伴隨詳細(xì)描述的附圖可簡(jiǎn)要地描述如下:
圖1是反應(yīng)堆建筑的示意圖，其例示擴(kuò)增有如所公開(kāi)地放置的封閉式火炬系統(tǒng)的多重屏障設(shè)計(jì)方法；且
圖2是根據(jù)一個(gè)公開(kāi)的非限制實(shí)施例的封閉式火炬系統(tǒng)的展開(kāi)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]圖1示意性地例示了與外部環(huán)境相關(guān)的水冷核反應(yīng)堆10。在功率操作期間和之后，水冷核反應(yīng)堆10使用初級(jí)回路冷卻劑來(lái)從由燃料包殼12包封的反應(yīng)堆芯向換熱器傳遞熱，該換熱器將熱傳遞入次級(jí)冷卻水抽吸回路來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電功率的蒸汽渦輪，并且移除且排放余熱。內(nèi)部熱源與釋放余熱的外部環(huán)境之間的溫度差越大，則越有效地獲得渦輪機(jī)械功(例如發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn))。因此，存在內(nèi)部具有高溫且在外部環(huán)境中具有低溫的需求。這導(dǎo)致期望將水冷核反應(yīng)堆10定位為鄰近水源或其他冷的熱儲(chǔ)以用于有效的電功率產(chǎn)生。
[0014]水冷核反應(yīng)堆10通常包括全體地裝在燃料包殼12內(nèi)的核燃料芯塊5，該燃料包殼12具有包含在初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16內(nèi)的周?chē)跫?jí)冷卻劑回路14結(jié)構(gòu)。次級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)18圍繞初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16，并且包括次級(jí)冷卻劑回路20，次級(jí)冷卻劑回路20與初級(jí)冷卻劑回路以及其他機(jī)器空間熱連通，其他機(jī)器空間包括但不限于渦輪、發(fā)電機(jī)、加燃料隔間、蒸汽發(fā)電機(jī)封殼、泵室等(未顯示)。
[0015]冷卻劑喪失事故(“L0CA”)可導(dǎo)致燃料包殼12的露出和作為結(jié)果的燃料溫度上升，該燃料溫度上升可導(dǎo)致與殘留過(guò)熱蒸汽反應(yīng)的鋯合金、燃料包殼12的氧化。該反應(yīng)是放熱的并且產(chǎn)生氫，如果初級(jí)冷卻劑回路14損壞，那么氫可與蒸汽一起逃逸到初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中。氫的質(zhì)量釋放速度可為大約千克每秒。隨著鋯-水反應(yīng)進(jìn)行，初級(jí)冷卻劑回路14的內(nèi)容物經(jīng)歷溫度上升，結(jié)果，初級(jí)冷卻劑回路14內(nèi)的壓力上升，從而達(dá)到可超出回路構(gòu)件的設(shè)計(jì)壓力的水平。操作者可以選擇:通過(guò)將初級(jí)冷卻劑回路14的內(nèi)容物中的一些排出到周?chē)跫?jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中來(lái)降低初級(jí)冷卻劑回路中的壓力；或者等待直到通過(guò)達(dá)到不受控制地釋放到周?chē)跫?jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中的程度的壓力，使初級(jí)冷卻劑回路14的一些部分損壞至失效的程度。在該點(diǎn)處，由于引入來(lái)自初級(jí)冷卻劑回路14的混合的蒸汽和氫，故壓力在周?chē)跫?jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中上升。
[0016]因而釋放的蒸汽和氫與通常保持在初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中的不活潑氣氛的所得的混合物沒(méi)有點(diǎn)燃的危險(xiǎn)，因?yàn)樵谠摽臻g中缺乏空氣。但是，當(dāng)壓力上升時(shí)，初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16稍早地經(jīng)歷初級(jí)冷卻劑回路14存在的相同情況。初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中的過(guò)壓的結(jié)果與加壓蒸汽、氫和不活潑氣體混合物從初級(jí)冷卻劑回路14到初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中的釋放在類(lèi)型上不同，并且比其更嚴(yán)重。這是因?yàn)槿ネ渭?jí)安全殼結(jié)構(gòu)18的空氣氣氛中的釋放混合物的氫含量可在次級(jí)安全殼氣氛中產(chǎn)生可燃混合物，其在點(diǎn)燃時(shí)可導(dǎo)致在來(lái)自反應(yīng)堆燃料的放射性核素配料與外部氣氛之間的該第五且最后的安全殼邊界的快速加壓和失效。除非采用系統(tǒng)在次級(jí)安全殼氣氛中將氫活度保持為低于點(diǎn)燃極限，否則在此可能產(chǎn)生可能能夠點(diǎn)燃的氣體混合物。
[0017]封閉式火炬系統(tǒng)30包括初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16中的進(jìn)氣口 32、次級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)18中的進(jìn)氣口 34、和回到次級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)18中的排氣口 36。閥系統(tǒng)38 (例如滿(mǎn)足核工業(yè)的嚴(yán)格要求和高期望的核認(rèn)證電磁閥)控制從初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16到封閉式火炬系統(tǒng)30中的流。應(yīng)當(dāng)理解的是，可附加地提供各種失效保護(hù)系統(tǒng)。封閉式火炬系統(tǒng)30操作以預(yù)防次級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)18中的LOCA后氫燃燒情況。
[0018]參照?qǐng)D2，在圖1的背景下，封閉式火炬系統(tǒng)30大體包括殼體40，殼體40具有用于來(lái)自次級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)18的進(jìn)入氣體的進(jìn)氣火焰消除器42、用于來(lái)自初級(jí)安全殼機(jī)構(gòu)16的進(jìn)入氣體的進(jìn)氣火焰消除器53、不活潑氣體注射器44、火焰源46、功率源48、和排氣火焰消除器50。應(yīng)當(dāng)理解的是，可備選地或附加地提供各種其他構(gòu)件和子系統(tǒng)。
[0019]進(jìn)氣火焰消除器53在進(jìn)氣口 32下游定位在殼體40內(nèi)，以便在初級(jí)管道52內(nèi)并且圍繞其進(jìn)行密封，該初級(jí)管道52將來(lái)自初級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)16的氫和蒸汽混合物通過(guò)閥系統(tǒng)38連通至封閉式火炬系統(tǒng)的內(nèi)部。進(jìn)氣火焰消除器42和53，和排氣火焰消除器50作為火焰捕捉器(flame trap)操作，該火焰捕捉器通過(guò)迫使火焰鋒穿過(guò)太窄以致不能允許火焰?zhèn)鞑サ耐ǖ纴?lái)熄滅燃料燃燒。這些通道可為規(guī)則的，例如成絲網(wǎng)或金屬帶孔板，或者為不規(guī)則的，例如成隨機(jī)填料的那些。即，進(jìn)氣火焰消除器42和53、和排氣火焰消除器50將殼體40內(nèi)的速燃(deflagrat1n)限制至隔離的速燃區(qū)域54和熱產(chǎn)物氣體區(qū)域56。通過(guò)相對(duì)于封閉式火炬殼體40外側(cè)的通常較冷的大量次級(jí)安全殼氣體的自然對(duì)流，這些熱的速燃和產(chǎn)物氣體區(qū)域改善了引出的次級(jí)安全殼氣體的通過(guò)量。
[0020]進(jìn)氣口 32因而作為引出器操作，以通過(guò)進(jìn)氣火焰消除器42從次級(jí)安全殼結(jié)構(gòu)18抽取空氣，并然后通過(guò)排氣端口 36上游的排氣火焰消除器50排出。該布置將可燃?xì)怏w混合物速燃限制在殼體40內(nèi)。引出器利用流體力學(xué)來(lái)從動(dòng)能形成對(duì)不可燃次級(jí)安全殼氣體的吸力，該動(dòng)能由