CN104620324B - 用于冷却剂丧失事故后缓解的封闭式火炬系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在LOCA中控制氢的烧尽的方法，包括打开阀来允许第一初级安全壳气体流动。通过火焰消除器引出第二次级安全壳气体。在隔离的速燃区域内燃烧第一和第二安全壳气体。利用热电元件冷却燃烧后的第一和第二安全壳气体，并且通过第二火焰消除器排出冷却的不可燃富氧化剂产物气体混合物。用于水冷反应堆的封闭式火炬系统包括进气火焰消除器和排气火焰消除器，它们定位在壳体中来将第一初级安全壳气体和第二次级安全壳气体的速燃限制在壳体内。

Description

用于冷却剂丧失事故后缓解的封闭式火炬系统

技术领域

本公开主张对在2012年8月6日申请的美国临时专利公开序列号No.61/680,008的优先权。

本公开大体涉及在反应堆紧急关闭和并发的站点停电之后用于核电厂的封闭式火炬(contained flare)系统。

背景技术

沸水反应堆(BWR)类型的核电厂在全世界为许多电业促进电功率生产。BWR核反应堆典型地设计为利用放射性核素危害安全壳(containment)方法，根据“零释放设计目标基本原理，该方法依靠多重屏障来阻止放射性核素的释放。

多重屏障方法的典型实现方式包括：由合成物和核燃料芯块自身的设计代表的第一屏障，和由通常称为“燃料元件细棒”的密闭容器代表的第二屏障。将许多燃料细棒(pin)支撑且定位于称为燃料棒的可移除结构内，并且许多相邻的燃料棒构成反应堆的“芯”。

第三屏障由包封核燃料“芯”的密闭初级冷却水液压回路和由初级反应堆结构包封的初级冷却水的装料代表，初级反应堆结构与初级回路构件的平衡连通，初级回路构件诸如初级冷却泵、(多个)初级至次级冷却剂回路换热器、带有从属控制的互连管道系统、仪器和其他初级回路支撑设备。芯的封套内的液态水是从芯移除余热，并且因而将构造的芯材料保持在低于它们的操作极限的温度下的设计策略的基本特征。

术语“LOCA”指当由水提供的热移除功能丧失或基本损坏时在芯中存在的情况。LOCA的结果是芯材料温度的上升且最终是过热的芯壳进入超出设计极限温度的热区域中。某些时候，残留水汽与燃料包壳材料、锆化学地反应，以形成氧化锆和氢气。氢气和水汽对周围结构提出加压挑战。

初级回路构件容纳在第四屏障中，第四屏障阻止放射性核素释放。该第四屏障称为“初级安全壳”，其包封整个初级回路构件。典型地，初级安全壳的气氛是不活泼气体，以在氢释放到该区域中时阻止氢的燃烧。初级安全壳典型地是加固的混凝土结构，其具有抵抗内部加压而不泄漏的充分但有限的能力。

第五屏障是称为次级安全壳的密封结构。对于许多BWR反应堆构建设计，该第五屏障装有空气气氛，并且设计为抵抗不比外部环境周围压力大太多的内压。如果由燃料包壳与初级冷却蒸汽的反应生成的氢气破坏第四屏障，初级安全壳结构，那么然后次级安全壳气氛中的氢气浓度水平将上升至空气、氢、水汽混合物可变得可燃的点。在这种情况下，在反应堆芯的放射性核素库存与外部环境之间的第五和最终屏障可由于由一些形式的点火源(例如电功率火花或静电放电)引起的次级安全壳气氛的点燃时的过度加压而失效。

尽管如此，当前的水冷核反应堆也是十分安全的，并且提供对电力供应、用水和操作员动作最少地依赖的失效保护操作，以关闭或“SCRAM”反应堆芯中的核反应，并且将热功率水平降低至额定操作功率水平的小部分。如果穿过芯的初级冷却流不被保持或恢复，那么由在SCRAM之后仍留存在反应堆芯中的裂变产物材料的放射性衰变引起的剩余的较低热功率水平基本足以使反应堆芯过热。如果不使来自电网的装置外电功率暂停较长时间，以至于后备电功率源(例如电池或发电机设备)可变得耗尽或以其他方式不可利用，那么电厂可经历站点停电。

核反应堆还利用各种被动系统来减缓由其他非LOCA效应引起的氢的缓慢累积。预惰化，例如，在启动之前或启动期间与连续的功率产生操作一起，在初级安全壳中生成耗尽氧的气氛。当最初构造电厂时，或在一些非操作时期期间，将不活泼气体(通常为氮)释放到初级安全壳中来代替该空间中的空气。该方法将不活泼空间中的氧活度降低为低于氢燃烧所需的水平。又一被动系统为催化氢复合器。氢复合器将以低于可燃极限的混合比例将氢与氧复合，以产生水并降低安全壳中的氢浓度。

在极为稀少的站点停电情况中，LOCA后的氢生成十分快速并且可淹没一些被动氢减缓系统。

附图说明

从接下来的公开的非限制实施例的详细说明中，各种特征对于本领域技术人员将变得显而易见。伴随详细描述的附图可简要地描述如下：

图1是反应堆建筑的示意图，其例示扩增有如所公开地放置的封闭式火炬系统的多重屏障设计方法；且

图2是根据一个公开的非限制实施例的封闭式火炬系统的展开示意图。

具体实施方式

图1示意性地例示了与外部环境相关的水冷核反应堆10。在功率操作期间和之后，水冷核反应堆10使用初级回路冷却剂来从由燃料包壳12包封的反应堆芯向换热器传递热，该换热器将热传递入次级冷却水抽吸回路来驱动产生电功率的蒸汽涡轮，并且移除且排放余热。内部热源与释放余热的外部环境之间的温度差越大，则越有效地获得涡轮机械功(例如发电机的旋转)。因此，存在内部具有高温且在外部环境中具有低温的需求。这导致期望将水冷核反应堆10定位为邻近水源或其他冷的热储以用于有效的电功率产生。

水冷核反应堆10通常包括全体地装在燃料包壳12内的核燃料芯块5，该燃料包壳12具有包含在初级安全壳结构16内的周围初级冷却剂回路14结构。次级安全壳结构18围绕初级安全壳结构16，并且包括次级冷却剂回路20，次级冷却剂回路20与初级冷却剂回路以及其他机器空间热连通，其他机器空间包括但不限于涡轮、发电机、加燃料隔间、蒸汽发电机封壳、泵室等(未显示)。

冷却剂丧失事故(“LOCA”)可导致燃料包壳12的露出和作为结果的燃料温度上升，该燃料温度上升可导致与残留过热蒸汽反应的锆合金、燃料包壳12的氧化。该反应是放热的并且产生氢，如果初级冷却剂回路14损坏，那么氢可与蒸汽一起逃逸到初级安全壳结构16中。氢的质量释放速度可为大约千克每秒。随着锆-水反应进行，初级冷却剂回路14的内容物经历温度上升，结果，初级冷却剂回路14内的压力上升，从而达到可超出回路构件的设计压力的水平。操作者可以选择：通过将初级冷却剂回路14的内容物中的一些排出到周围初级安全壳结构16中来降低初级冷却剂回路中的压力；或者等待直到通过达到不受控制地释放到周围初级安全壳结构16中的程度的压力，使初级冷却剂回路14的一些部分损坏至失效的程度。在该点处，由于引入来自初级冷却剂回路14的混合的蒸汽和氢，故压力在周围初级安全壳结构16中上升。

因而释放的蒸汽和氢与通常保持在初级安全壳结构16中的不活泼气氛的所得的混合物没有点燃的危险，因为在该空间中缺乏空气。但是，当压力上升时，初级安全壳结构16稍早地经历初级冷却剂回路14存在的相同情况。初级安全壳结构16中的过压的结果与加压蒸汽、氢和不活泼气体混合物从初级冷却剂回路14到初级安全壳结构16中的释放在类型上不同，并且比其更严重。这是因为去往次级安全壳结构18的空气气氛中的释放混合物的氢含量可在次级安全壳气氛中产生可燃混合物，其在点燃时可导致在来自反应堆燃料的放射性核素配料与外部气氛之间的该第五且最后的安全壳边界的快速加压和失效。除非采用系统在次级安全壳气氛中将氢活度保持为低于点燃极限，否则在此可能产生可能能够点燃的气体混合物。

封闭式火炬系统30包括初级安全壳结构16中的进气口32、次级安全壳结构18中的进气口34、和回到次级安全壳结构18中的排气口36。阀系统38(例如满足核工业的严格要求和高期望的核认证电磁阀)控制从初级安全壳结构16到封闭式火炬系统30中的流。应当理解的是，可附加地提供各种失效保护系统。封闭式火炬系统30操作以预防次级安全壳结构18中的LOCA后氢燃烧情况。

参照图2，在图1的背景下，封闭式火炬系统30大体包括壳体40，壳体40具有用于来自次级安全壳结构18的进入气体的进气火焰消除器42、用于来自初级安全壳机构16的进入气体的进气火焰消除器53、不活泼气体注射器44、火焰源46、功率源48、和排气火焰消除器50。应当理解的是，可备选地或附加地提供各种其他构件和子系统。

进气火焰消除器53在进气口32下游定位在壳体40内，以便在初级管道52内并且围绕其进行密封，该初级管道52将来自初级安全壳结构16的氢和蒸汽混合物通过阀系统38连通至封闭式火炬系统的内部。进气火焰消除器42和53，和排气火焰消除器50作为火焰捕捉器(flame trap)操作，该火焰捕捉器通过迫使火焰锋穿过太窄以致不能允许火焰传播的通道来熄灭燃料燃烧。这些通道可为规则的，例如成丝网或金属带孔板，或者为不规则的，例如成随机填料的那些。即，进气火焰消除器42和53、和排气火焰消除器50将壳体40内的速燃(deflagration)限制至隔离的速燃区域54和热产物气体区域56。通过相对于封闭式火炬壳体40外侧的通常较冷的大量次级安全壳气体的自然对流，这些热的速燃和产物气体区域改善了引出的次级安全壳气体的通过量。

进气口32因而作为引出器操作，以通过进气火焰消除器42从次级安全壳结构18抽取空气，并然后通过排气端口36上游的排气火焰消除器50排出。该布置将可燃气体混合物速燃限制在壳体40内。引出器利用流体力学来从动能形成对不可燃次级安全壳气体的吸力，该动能由被阀系统38释放的高速不可燃初级安全壳气体射流提供。从初级安全壳释放的气体射流允许不借助移动部分发生泵吸或混合，且因而无需维护。进气火焰消除器42和53，和排气火焰消除器50作为安全装置操作，以熄灭火焰，从而防止氢速燃迁移至壳体40外侧。而且，可能防止进气火焰消除器42和53，和排气火焰消除器50损坏。

使火焰源46(例如扩增火花点火器(ASI: augmented spark igniter))持续地操作来点燃来自初级安全壳结构16的氢和来自次级安全壳结构18的空气。火焰源46定位为邻接来自初级安全壳的初级管道52的出口。该管道52还装备有火焰消除器53，以防止火焰远离速燃区域54和朝初级冷却结构16内部迁移。

封闭式火炬系统30可与控制子系统54响应地运行，该控制子系统54包括控制模块56(示意地示出)和沿着封闭式火炬系统30的一组多个传感器58(示意地示出)。控制子系统54通常包括处理器、存储器和界面。处理器可为具有期望的性能特性的任何类型的已知微处理器。存储器可为也具有期望的性能特性的任何计算机可读介质，其存储和释放数据和控制算法(例如在本文中描述的逻辑)。界面有助于与其他构件(例如阀系统38、火焰源46和功率源48)的通信。控制子系统54执行控制逻辑，以通过例如利用不活泼气体注射器44选择性地注射不活泼气体(例如来自液氮源的氮)来控制速燃。

功率源48操作以对例如阀系统38、火焰源46和控制子系统54提供独立的自给功率。应当理解的是，各种其他构件和子系统可备选地或附加地由功率源48供能。在一个公开的非限制实施例中，涡轮60定位为在阀系统38下游与初级管道52流体连通。通过初级管道52的氢蒸汽和不活泼气体混合物的相对较高的压力和流为涡轮60供能，以驱动功率源48的发电机62，并因而产生电功率来为火焰源46、控制子系统54和相关的封闭式火炬设备供能。

备选地或附加地，热电套(thermoelectric cuff)64围绕速燃区域54来提供功率源。热电套64直接地利用在速燃区域54中释放的燃烧热来产生电功率。应当理解的是，可实现利用从LOCA情况释放的能量进行抽吸的各种附加或备选功率源系统，并且如此产生的功率用于操作封闭式火炬系统设备，从而改善火炬系统功能和效力，诸如为机械风扇或鼓风机提供动力，以补充从次级安全壳引出到封闭式火炬系统中的流。

热产物气体区域56可由一组热二极管66(有时称为热导管或回流锅炉)围绕，热二极管66装入壳体40内以用于与热产物气体的热联接，并且延伸出到周围的次级安全壳气氛中，以用于与彼处的较冷气体混合物热联接。热二极管66实质上是一系列的热导管，它们操作来将热从壳体40耗散到次级安全壳气氛中。同样，应当理解的是，各种其他布置和结合可由此受益。

封闭式火炬系统30可利用注入壳体40中的不活泼气体蒸汽来调整进入的氢浓度并改善速燃区域54中的受保护烧尽的效力。封闭式火炬系统30是独立并且自供能的，并且利用受控的引出、废气循环、烟囱效应和冷储效应来实现其，而较少需要或不需要外部电功率来帮助操作，即使是在极为罕见的站点停电情况中。

在说明的上下文中(尤其在下列权利要求的上下文中)，术语“一”和“一个”和“该”和相似引用的使用应释义为覆盖单数和复数两者，除非在本文中另外指出或通过上下文特别地否认。与量结合使用的修饰语“大约”包括声明的值，并且具有由上下文指示的含义(例如，其包括与特定量的测量结果相关的误差度)。在本文中公开的所有范围均包括端点，并且端点能够彼此独立地结合。应当理解的是，相对位置术语例如“前”、“后”、“上”、“下”、“在…上”、“在…下”等是参照设备的正常操作姿势并且不应当认为是另外限制。

虽然不同的非限制实施例具有特定的例示出的构件，但是本发明的实施例不限于这些具体结合。有可能与来自其他非限制实施例中的任一个的特征或构件结合地使用来自非限制实施例中的任一个的构件或特征中的一些。例如，基于该教导，能够想到，用于电功率生成的附加能量可从在这种情况下存在的其他能量储存器抽取，例如利用安装在减压管道中的涡轮发电机组，该减压管道将具有高压流体的初级冷却剂回路14包封的体积与具有低得多的流体压力的初级安全壳结构16包封的体积连接。

应当理解的是，遍及若干附图，相同的数字指示对应或相似的元件。还应当理解的是，尽管在例示出的实施例中公开了具体构件布置，但是其他布置将从其受益。

尽管示出、描述且主张了具体的步骤顺序，但是应当理解的是，除非另外指出，可以以任何顺序(分离的或结合的)执行步骤，并且仍将从本公开受益。

前述说明是示范性的而不由其内的限制所限定。在本文中公开了各种非限制实施例，但是，本领域技术人员将意识到，根据上述教导的各种修改和变型将落入所附权利要求的范围内。因而，应当理解的是，在所附权利要求的范围内，本公开可以与具体描述的那样不同地实践。因而，应当研究所附权利要求来确定真实的范围和内容。

Claims (13)

1.一种用于在LOCA中控制氢的烧尽的方法，包括：

打开阀来允许第一安全壳气体流动；

通过入口火焰消除器引出第二安全壳气体；

在隔离的速燃区域内燃烧所述第一和第二安全壳气体；

利用热电元件冷却燃烧后的第一和第二安全壳气体；和

通过出口火焰消除器排出由第一和第二安全壳气体的混合物的燃烧产生的冷却的产物气体混合物。

2.根据权利要求1所述的用于在LOCA中控制氢的烧尽的方法，其特征在于，还包括在所述入口火焰消除器和所述出口火焰消除器之间的隔离的速燃区域内燃烧所述第一和第二安全壳气体。

3.根据权利要求1所述的用于在LOCA中控制氢的烧尽的方法，其特征在于，还包括将所述隔离的速燃区域定位在壳体内。

4.根据权利要求1所述的用于在LOCA中控制氢的烧尽的方法，其特征在于，还包括从在所述隔离的速燃区域中释放的燃烧热来生成功率。

5.一种用于水冷核反应堆的封闭式火炬系统，包括：

壳体，和

进气火焰消除器和排气火焰消除器，以将第一安全壳气体和第二安全壳气体的速燃限制在所述壳体内；

其中，所述封闭式火炬系统还包括火焰源，以使来自初级安全壳结构的第一安全壳气体和来自次级安全壳结构的第二安全壳气体在所述壳体内速燃；

其中，所述封闭式火炬系统还包括初级管道，所述初级管道将来自所述初级安全壳结构的所述第一安全壳气体连通到所述壳体中；并且

其中，所述封闭式火炬系统还包括阀系统，用来控制穿过所述初级管道的所述第一安全壳气体的流。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述火焰源为扩增火花点火器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括功率源来为所述火焰源供能。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述功率源为涡轮，所述涡轮与所述第一安全壳气体连通。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述功率源为热电套。

10.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括装入所述壳体内的热二极管。

11.一种水冷核反应堆，包括：

初级安全壳结构；

次级安全壳结构，其围绕所述初级安全壳结构；和

封闭式火炬系统，以在冷却剂丧失事故(“LOCA”)期间，使来自所述初级安全壳结构的第一安全壳气体与来自所述次级安全壳结构的第二安全壳气体一起速燃；

其中，所述水冷核反应堆还包括初级管道，所述初级管道将来自所述初级安全壳结构的所述第一安全壳气体连通到所述封闭式火炬系统中；

其中，所述水冷核反应堆还包括阀系统，用来控制穿过所述初级管道的所述第一安全壳气体的流。

12.根据权利要求11所述的水冷核反应堆，其特征在于，还包括扩增火花点火器，以开始所述第一安全壳气体和所述第二安全壳气体的混合物的速燃。

13.根据权利要求12所述的水冷核反应堆，其特征在于，还包括功率源，以为所述阀系统和所述扩增火花点火器供能。