TWI505291B - 具有圍阻體及壓力釋放系統的核電廠 - Google Patents

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Description

具有圍阻體及壓力釋放系統的核電廠
本發明涉及具有一個圍阻體及至少一個從圍阻體向外伸出並能夠以閉鎖閥鎖住的壓力釋放管線的核電廠，在釋壓運轉時，打開閉鎖閥即可使壓力釋放氣流從壓力釋放管線流出。
當核電廠發生故障及意外事故時，可能會釋出大量的水及一氧化碳及蒸氣在亦稱為圍阻體的安全容器中被釋出，其中圍阻體的作用是以氣密方式將內部氣體氣氛與外部環境隔開。
如果未對這種情況採取針對性的措施，安全容器內的可燃氣體可能會形成可爆燃的混合物。此外，從冷卻循環釋出的蒸氣可能會形成超出圍阻體之設計壓力的過壓。
有許多核電廠已裝設不同的安全系統，以便在意外事故發生時分解氫氣、限制過壓、以及釋出圍阻體的壓力。此類系統的規劃、裝設及運轉通常都是彼此獨立的。
例如，在這種情況下，先前技術提出的解決 方案是利用催化元件(視構造形式而定，也時也稱為催化結合器)將存在於氣流中的氫(H2 )與氧(O2 )經由催化支持的放熱反應，以無焰方式結合成水/水蒸氣(H2 O)。同樣的，一氧化碳(CO)能夠與氧(O2 )結合成二氧化碳(CO2 )。 為了有效的分解H2 /CO及避免局部出現不許可的H2 /CO臨界濃度，通常將多個催化結合器分佈設置在整個圍阻體中。
此外，另一種已知的解決方法是設置所謂的 排氣系統，其作用是將圍阻體內的氣體(通常先經過過濾)排放到環境中，以控制過壓狀態。此種解決方案較佳是使用由圍阻體內的過壓自行驅動的被動系統。但也有其他的變化方式，例如利用電力驅動的鼓風機起動或支援從圍阻體排放出的壓力釋放氣流。
這些不同的變化方式的一個共同點是，當核 電廠處於正常運轉狀態時，穿過圍阻體的壓力釋放管線被至少一個閉鎖閥閉鎖住。當在釋放壓力時可以將相應的閉鎖閥打開，以使處於過壓狀態的氣體-蒸混合物能夠從圍阻體內部經由壓力釋放管線向外流出，在這個過程中，氣體-蒸氣混合物通常需經過多階段的過濾、淨化及乾燥處理，以避免將受放射性污染的液體、微粒及氣溶膠排放到環境中。
在某些特定的情況下，可能產生大量的H2 及/或CO並伴隨很高的壓力，因此有必要提早釋放圍阻體內的壓力。但由於提早釋放壓力的關係，分解圍阻體內之H2 /CO的措施很可能尚未產生作用。
因此在不利的情況下，壓力釋放氣流(也稱為 排流或簡稱為排氣)的蒸氣-空氣氛圍中會含有高濃度的可燃的H2 /CO。如果這些排氣通過未加熱的管線及過濾裝置，所產生的蒸氣凝結會進一步提高可燃氣體的濃度，例如使濃度加倍。其結果是會形成可燃甚至是可爆燃的混合物，此種混合物被點燃時導致很大的火焰加速，使管線及回收裝置受損，這可能造成環境的嚴重負擔及污染。
因此為了避免初始凝結的產生，排氣系統一直是處於加熱狀態，或是只有在首次使用時待圍阻體內的已產生H2 分解後，才開始使用。圍阻體內的結合系統的設計也是一樣，也就是利用許多個結合器提早進行H2 分解，以便在發生許多想像中可能發生的意外事故時，能夠在開始釋放壓力之前使圍阻體內的氣體達到幾乎不含氫的狀態。此外到目前為止，結合系統主要是設置在主對流路徑上。典型的方式是設置許多個結合器，例如20至100個、或超過100個結合器，使結合器的每小時氣體通過總量達到圍阻體氣體氣氛總體積的0.3至0.6倍(或更高)，此處將這個倍數稱為換氣數。例如圍阻體體積為50000至70000m3 ，結合器氣體通過量需達到15000至40000(或更高)m3 /h。儘管如此，在發生前面提及的臨界狀況時，仍未能確保一定能夠在排氣之前，產生足夠的H2 的分解。
本發明的目的是提出一種如前面描述的核電 廠，此種核電廠的設計能夠非常可靠的控制臨界狀況，也就是在處於臨界狀況時，能夠在圍阻體內的壓力大幅升高的同時釋出氫及/或一氧化碳。尤其是能夠阻止在從圍阻體向外伸出的壓力釋放管線及與其連接之機組及補助系統內形成或蓄積可能快速爆燃或引爆的可爆氣體混合物。
採用具有申請專利範圍第1項之特徵的核電廠即可達到上述目的。
根據本發明，每一個壓力釋放管線的入口端都有連接一個位於圍阻體內的氣流處理裝置，這種氣流處理裝置具有一個被側方外殼表面環繞住的煙囱狀的氣流通道，此氣流通道具有一個下方入口及一個上方流入及出口，其中在下方入口的範圍或上方有設置第一組催化元件或結合器，其作用是分解氣流通道內的氫及/或一氧化碳，同時壓力釋放管線具有一個入口，此入口在外表殼表面內位於第一組催化元件的上方及上方流入及出口的下方，因此在發生故障並釋出圍阻體內的氫及/或一氧化碳時，圍阻體內的氣體混合物會按照自然對流的原理由下往上流過氣流通道，這個動作是發生在釋壓運轉之前的對流運轉，而且是在閉鎖閥關閉的情況下進行，同時在釋壓運轉時，氣體混合物會按照強制流動的原理由下方及上方流入氣流通道，並作為釋壓氣流經由壓力釋放管線流出。
在本發明中，所謂氣流及氣體混合物亦包括含有所佔比例不低於蒸氣或液體的情況，也就是說氣流 及氣體混合物一詞在本發明中是氣體-蒸氣混合物或流體流的簡稱。這個含義在以下的描述中亦適用。所謂閉鎖閥一詞包括所有形式的閉鎖裝置。
本發明的出發點是要盡可能在一開始就持續阻止可爆性氣體混合物在壓力釋放管線及與其連接之機組內的形成或蓄積。為了能夠不必進行既容易故障、而且裝置又複雜的加熱工作，以防止在壓力釋放管線及與其連接之機組等系統裝置內形成冷凝物，應盡可能降低壓力管線入口處之壓力釋放氣流(排氣流)的H2 及CO濃度，而且要盡可能在釋壓運轉之初即降低這個濃度。令人訝異的是能夠以很簡單的方式達到這個目的，也就是將使氫及/或一氧化碳進行催化分解的結合器(尤其是所謂的被動式自動催化結合器(PAR)直接設置在壓力釋放管線的入口處(亦稱為排放接頭)之前。
透過設置在壓力釋放管線之入口處前面的氣流通道能夠以特別好的方式支援兩種不同的運轉模式及這兩種模式之間的過渡：在釋壓運轉的前一個運轉階段中，隨著H2 /CO濃度的升高，仍處於閉鎖狀態的壓力釋放管線(受煙囱抽力及煙囱底端因放熱的結合反應升高之催化溫度的驅動)會在氣流通道內產生一個由下往上的自然對流。這樣就可以在一定程度上將結合器預加熱到其在接下來的釋壓運轉中所需的運轉溫度。此外，對流亦有助於形成裝置區內的氣體的循環，因而亦有助於局部區域的H2 分解。打開壓力釋放管線內的閉鎖閥即可導入釋壓運轉。透過存在於圍阻體至外界環境之間的壓 力陡度，圍阻體內的氣體混合物會以強制流動的方式從兩個煙囱終端流入氣流通道，也就是由上往下流入氣流通道，然後再從氣流通道流入壓力釋放管線。因此煙囱的側表面會成為圍阻體內從斜上方或水平方向流過來的含有較高之H2 /CO濃度的“下降氣流”的阻障，以阻止其直接流入壓力釋放管線的入口。
在一種特別情況中，釋壓運轉的流動比例可能會失去平衡，那就是雖然煙囱狀氣流通道的上方入口是打開的，但由於蓄積在上方範圍的堵塞壓力，使得氣流基本上只能從下方經由下方入口流入壓力釋放管線。但在釋壓運轉中，氣流通常是從兩端流入壓力釋放管線。
在突然從圍阻體抽取或釋出氣體(包括短暫的起動階段)時，透過以上描述的措施能夠以被動及自動的方式(也就是不需輸入外部能量及/或輔助電力，也無需複雜的調整措施)有效避免壓力釋放管線及與其連接之回收及淨化裝置內的可爆性氣體達到臨界濃度。這樣因抽取氣體造成煙囱狀氣流通道內突然的氣流變化(從對流變成強制流動)就不會影響催化劑的效能，這是因為在煙囱中的催化器在預運轉階段的效能運轉中就已經處於理想的運轉溫度。
根據本發明的第一種有利的變化方式，在壓力釋放管線之入口的上方及氣流通道的上方入口及出口的範圍或下方設有第二組催化元件，以分解氣流通道內的氫及/或一氧化碳。換句話說就是在圍阻體氣體氣氛-抽取接頭的上方靠近上煙囱排出口處設有另一個催化元 件區。這樣在強制流動的釋壓運轉中就可以使從兩邊(從上方及下方)流入煙囱井的氣體在流入壓力釋放管線之前，先接受催化結合器的處理，這樣就可以非常有效的降低氣流中可燃成分的比例。此外，這樣做亦有助於在先前的對流運轉中強化對流氣流，以及在氣流處理裝置中非常有效的分解H2 /CO(轉差率較小)。
根據本發明的第二種有利的變化方式，在壓力釋放管線內設有流量限制器，其作用是根據催化結合器的結合能力進行調整，以使釋壓運轉期間，壓力釋放管線的入口範圍的氫及/或一氧化碳濃度低於氣流通道之下方入口範圍之濃度的50%、或最好是低於30%。另一種方式是以氣流通道之上方入口及出口範圍的濃度為基準，但基本出發點是氣流通道的高度為1m至2m時，兩個濃度基本上是一樣的，也就是二者的差異很小。
第二種變化方式可與第一種變化方式結合在一起，而且亦適用於氣流通道的頂端未另外設置結合器的情況，以便在釋壓運轉期間，阻止含有大量H2 /CO的環境氣體經由氣流通道的上方入口及出口被過度回吸/回流到壓力釋放管線的入口。
將排放氣體之H2 /CO濃度降低到低於初始濃度的50%(或最好是30%)，可以避免在起動設置在圍阻體之外的過濾/洗滌裝置時，因蒸氣凝結產生可能損害過濾/洗滌裝置的H2 /CO臨界濃度。這對於避免核電廠在起動階段及持續運轉期間發生爆炸是十分重要的。
和前面描述的基本考量一致，一種有利的方 式是調整流量限制器及選擇氣流通道的幾何形狀，以使釋壓運轉期間，壓力釋放管線內的物質流最多僅等於對流運轉期間氣流通道內的物質流的100%，或最好是小於80%。這個措施的目的也是避免含有大量H2 /CO的環境氣體被回吸到壓力釋放管線，否則此等環境氣體可能會透過超過最大可能結合能力的氣流進入催化器。
基於前面已說明過的原因，另一種有利的實施方式是調整流量限制器及選擇氣流通道的幾何形狀，以使釋壓運轉期間，氣流流向催化元件或結合器的流動速度小於5m/s，或最好是小於3m/s制。
為了進行流量限制，可以在壓力釋放管線內設置至少一個扼流圈。也可以將扼流圈設置在壓力釋放管線的入口處內或正前方。此外，位於壓力釋放管線內的構件(例如過濾裝置、洗滌裝置、閉鎖閥、或是某一段管線)亦可產生或協助扼流作用。
可以透過氣流通道(煙囱)的幾何參數例如高度、斷面積、入口及排出口的尺寸及配置及引導及/或影響流動的構造物影響氣流通道內的流動，以達到前面提及的目的。
例如催化元件(通常是由多個板狀元件構成)就是一種能夠透過其形狀及配置方式影響氣流通道內的對流及強制流動的構造物。催化元件較佳是朝氣體氣氛張開，而且最好是垂直擺放且彼此平行，但彼此位於不同的高度，以便在元件及元件區域之間產生上升力。此外，較佳是將氣體流過之元件的間距設定為>5m，高度> 元件間距的10倍，張開比例>50%。所謂張開比例是指元件之間可供氣流通過之斷面積與元件在氣流通道內覆蓋的總面積的比例。在一種變化方式中，可以將催化元件直接設置在氣流通道的入口/出口內或旁邊。
在一種類似管道的實施方式中，將煙囱狀的氣流通道具有分佈設置在道管道之外表面上並朝大氣開放的催化區。這種實施方式可以設置多個對氣流而言平行的管道段。
較佳是根據催化結合的配置將壓力釋放管線的入口(亦稱為氣體抽取接頭)設置於氣流通道內的不同位置。例如若只有一個位於深處的催化區，較佳是將大氣抽取接頭設置在氣流通道的較低的部分(但應高於位於深處的催化區)，以透過相對較長的上方流動路徑使含大量H2 /CO的氣體混合物不易經由氣流通道的入口/出口流入壓力釋放管線。如果裝置具有兩個催化區(也就是一個位於深處及一個位於高處的催化區)，則較佳是將抽取接頭設置於氣流通道的中間或較低部分。
由於放熱反應的關係，運轉時較佳是始終保持較高的催化溫度(較佳是100℃以上至900℃之間)。根據一種有利的實施方式，催化結合器在釋壓運轉時的運轉溫度使其在流過來的氣體混合物的氫濃度>7%體積百分比)時可產生點火器的作用。也就是說，當達到可燃濃度時，例如7%至10%(體積百分比)的氫濃度，由於催化元件的表面溫度很高(較佳是高於700℃)，會導致流過來的氣體混合物預防性的點燃。預防性點燃的優點是能夠 以爆燃的方式控制及緩和點火及接下來的燃燒，其產生的火焰及體積位移均小於引爆。透過在催化元件上的點火，在氣流進入抽取系統之前，可以在高濃度可燃氣體的運轉階段，在圍阻體內達到有效的排氣系統的濃度限制，因此在所有的運轉情況下，都可以有效確保排氣系統的安全性。
一種有利的方式是將氣流處理裝置及其排氣氣體抽取接頭設置在從圍阻體底部起算三分之一的總高度處，較佳是設置在從圍阻體底部起算四分之一的總高度處，使其位於圍阻體內的主對流路徑下方。
一種特別有利的方式是在從圍阻體底部起算三分之一或四分之一的總高度處設有多個(5個或更多)處理壓力釋放氣流用的氣流處理裝置，以及額外設置多個位於氣流處理裝置上方但未直接作用在壓力釋放氣流上的催化結合器，以分解氫及/或一氧化碳，其中直接與排氣系統共同作用的氣流處理裝置的催化結合器產生之效能小於可使用之結合器總效能的20%。分佈在圍阻體之上半部的額外設置的催化結合器產生之效能較佳是至少佔可使用之結合器總效能的70%。
透過氣流處理裝置在圍阻體(尤其是在主對流路徑旁邊的裝置空間)內的這種定位及分佈方式，可以充分利用氫在圍阻體高度上形成的分層，進一步系統化的將排氣氣流中的氫濃度限在低於圍組體內之平均氫濃度的1/4至1/2之間。
較佳是將氣流處理裝置設置在主對流路徑旁 邊的圍阻體空間段，其中又以從圍阻體底部起算三分之一之高度內的裝置空間最為適合，此部分具有被部分封閉的蓋子及/或底部(尤其是不帶光柵的部分)及內壁，而且最好是一個袋狀空間。選擇這種裝置位置的優點是可以充分利用上方圍阻體段(也就是圍阻體內上方三分之二的空間)內氫的分層，進一步系統化的將排氣氣流中的氫濃度限在低於圍組體內之平均氫濃度的1/4至1/2之間。
此外再以分佈在圍阻體上的催化結合器分解H2 /CO，就高度位置而言，較佳是將這些催化結合設置在中間三分之一的範圍(例如50%以上的催化結合器位於這個高度範圍)，其他其設置在圍阻體的上方三分之一的範圍。透過將催化結合器設置在主對流路徑及濃度(分層)較高的區域的作法，可以進一步提高每一個結合器分解H2 的效能。
透過這種新的配置方式及結合排氣-抽取功能，可以將需裝置的總結合效能的結合器氣流量從目前的15000至40000m3/h(或更高)及換氣數從目前的L>0.3h至0.6h(或更長)，降低到目前認為需要的量的2/3至1/2，這相當於在圍阻體內可達到的換氣數為L<0.3h至0.1h(或更短)。這是因為位於較高位置的高濃度區大多位於不易產生蒸氣的氣體氣氛中，因此可以非常有效率的進行氫的分解。就濃度而言，在排氣時這種新的裝置及其配置方式使位於較低位置的區域無需在排氣運轉前先降底濃度(以便能夠安全的進行排氣)。
根據另一種有利的實施方式，將至一個位於圍阻體內的釋壓氣流冷卻裝置連接到壓力釋放管線。
也可以將排氣氣流分成多個平行的子氣流，其中至少有一個子氣流被冷卻。
排氣氣體-抽取裝置及位於其後的被動式冷卻的組合可以將被催化反應加熱之排氣氣體的溫度從400至500℃降低到150至300℃。這樣就可以避免圍阻體通道及其後的裝置出現不容許的溫度負荷。
在圍阻體內較佳是沿著氣流流動方向將冷卻裝置直接設置在圍阻體通道之前，或是設置在過濾器的範圍。冷卻裝置較佳是借助周圍的圍阻體氣體氣氛以對流方式被冷卻，或是經由液體蒸發被冷卻。換句話說：冷卻裝置較佳是用於由圍阻體內的氣體混合物及/或氣化/蒸發冷卻進行的對流再冷卻。
將冷卻元件設置在儲槽區或大量混凝土結構的區域，可以透過與這些材料(冷媒或混凝土)的直接或間接接觸強化散熱效果，因而只需較小規模的冷卻裝置即可達到的相同的冷卻效果。冷卻面被從圍阻體排出的冷凝水以被動方式潤濕，這可以同時達到清潔及提高冷卻裝置之效能的效果。在發生嚴重的意外事故時，不易被弄髒、光滑、且帶有抗輻射塗層的冷卻面(亦可製作成不銹鋼表面，必要時可施以拋光及電解拋光等處理)能夠提供長時間及穩定的散熱效果。
在圍阻體通道的範圍，壓力釋放管線較佳是具有由耐熱外襯構成的絕熱包覆，因此排氣氣體在此處 的溫度可高出通道-出口溫度150至200℃(或更高)。這可以大幅縮小冷卻裝置的體積。
冷卻裝置較佳是包括一個朝圍阻體打開的輻射熱交換器及一個對流熱交換器。
例如可經由以下裝置將釋壓氣流的熱傳輸至周圍的冷媒：
●具有開放式循環冷卻通道的板狀冷卻元件
●管狀冷卻元件，必要時可帶有肋條管
●水平巷道式冷卻元件，其優點是能夠與混凝土結構物的形狀配合，及/或
●其他的熱交換構造。
原則上較佳是使用張放式且無壓的扁平室結構，以減低施工上的複雜性。也可以使用由多個預製模組組成的模組化結構。根據一種特別有利的構造方式，煙囱狀氣流通道及催化結合器構成第一個模組，冷卻裝置及構成第二個模組，而且兩個模組最好是彼此直接相鄰，尤其是壁對壁接在一起。
另一種有利的方式是在進行釋壓運轉之前的準備狀態為排氣氣體在冷卻裝置內的流動路徑加上一層破裂度校正膜，當壓力釋放管線內的閉鎖閥打開後，這個破裂度校正膜會因為壓力差的關係(被動)張開。
結合器的催化元件較佳是由安置在陶瓷支架或帶有陶瓷塗層的金屬支架上的鈀(Pd)及/或鉑(Pt)及/或釩(V)等具有催化活性的貴金屬構成。也就是說可以是由其中一種貴金屬構成，也可以是由這些貴金屬的混合物 構成，必要時亦可摻雜其他的材料，例如銅(Cu)或鎳(Ni)。
為了能夠在最嚴重的意外事故下安全的運轉，在整個催化器(包括支架部分)中，貴金屬的含量應高於陶瓷支架重量的0.2%，或最好是高於0.5%。
可以將催化元件：
●設置在金屬或陶瓷支架上
●倒入張開的支架內，及/或
●製作成格柵或蜂巢狀；也可以製作成三明治的構造方式。
較佳是採用張開比例>50%、或最好是>90%的開孔式結構，以確保不會出現氣溶膠堵塞的情況。
這種組合可以抵消因應用在圍阻體內造成的老化效應，例如因吸收碳氫化合物、焊接蒸氣及氣溶膠等造成的老化效應，因此不會在多年後(>5年，較佳是>10年)在短暫的待機時間後失去對運轉室的安全性非常重要的自啟動功能，因此可以大幅度提高安全性，同時可降低成本，因為這樣做可以免除許多維修保全及修改的工作。
根據一種有利的實施方式，在壓力釋放管線的一個位於圍阻體之外的段落內設有淨化釋壓氣流及使其保持活性用的過濾器及/或洗滌器。較佳是使用已知的文居里濕式洗滌器，這種洗滌器在調整到適當的入流速度時，可以非常有效率的攔阻氣溶膠，尤其是攔阻含碘的成分。
本發明的優點主要來自於催化元件/結合器 與抽取排氣氣流之裝置在空間及氣流流動上的適當組合，尤其是適當的調整流動速度及物質流，因此即使H2 /CO濃度相當高，仍可使圍阻體能夠即早釋壓(排氣)，而且不會對連接在後面的過濾器及淨化裝置造成損害，以及能夠減少圍阻體內所需的結合效能。整個釋壓系統(不包括閉鎖閥)都是以被動方式工作，無需輸入輔助電能，而且基本上沒有可移動的構件。因此可以大幅提高核電廠在發生重大意外事故時的安全性。
2‧‧‧核電廠
4‧‧‧圍阻體
6‧‧‧內腔
8‧‧‧外腔
10‧‧‧壓力釋放管線
12‧‧‧釋壓系統
14‧‧‧閉鎖閥
16‧‧‧煙囱
18‧‧‧過濾器及淨化裝置
20‧‧‧催化結合器
22‧‧‧入口
24‧‧‧氣流處理裝置
26‧‧‧氣流通道
28‧‧‧外殼表面
30‧‧‧入口
32‧‧‧入口及出口
36‧‧‧下方催化區
38‧‧‧上方催化區
40‧‧‧催化元件
42‧‧‧冷卻裝置
44‧‧‧氣流通道
46‧‧‧通道
48‧‧‧耐熱外襯
50‧‧‧扼流閥
52‧‧‧扼流閥
54‧‧‧入口收集器
55‧‧‧管線
56‧‧‧出口收集器
58‧‧‧環形遮蔽板
CO‧‧‧一氧化碳
CO2 ‧‧‧二氧化碳
H2 ‧‧‧氫
H2 O‧‧‧水
O2 ‧‧‧氧
以下將配合圖式對本發明的不同的實施例做進一步的說明。以下之圖式均為簡化的示意圖：第1圖：核電廠的一部分，包括一個圍阻體及圍阻體的一個釋壓系統，此時釋壓系統處於第一運轉狀態。
第2圖：如第1圖的部分，但釋壓系統處於第二運轉狀態。
第3圖：一個具有催化結合器的處理裝置及連接在其後之釋壓氣流冷卻裝置的部分立體透視圖，乙部分為第1圖及第2圖之釋壓系統的一部分。
在所有的圖式中，相同或相同作用的元件均使用相同的元件符號。
第1圖的核電廠2是一種採用壓水式反應爐或沸水式反應爐的核電廠。核電廠2具有一個圍阻體4，第1圖中繪出的部分圍阻體的形狀如同一個具有鋼製外襯的圓球。圍阻體4將核能及非核能系統構件以氣密方 式包圍在內腔6中，與外腔8隔絕。
在發生事外事故時，除了能夠消除因釋出蒸氣及氣體在內腔6造成的過壓，故設有一條穿過圍阻體4的壓力釋放管線10。壓力釋放管線10是釋壓系統12的一個構成部分。在核電廠2處於正常運轉時，壓力釋放管線10被兩個位於圍阻體4外的串聯的閉鎖閥14封閉住。要釋壓時，這兩個閉鎖閥14會被打開，使釋壓氣流能夠因壓力陡度的關係從壓力釋放管線10位於圍阻體4內的入口端流到位於圍阻體4外的出口端，也就是位於煙囱16內的出口端。這樣就可以降低圍阻體4的內腔6的壓力。
為了將釋壓運轉釋出的放射性裂變產物造成的環境負荷控制在容許範圍內，接下來需利用過濾器及/或淨化裝置18對釋壓氣流進行過濾及淨化處理，其中過濾器及/或淨化裝置係在閉鎖閥14的順流方向上位於圍組體4外的壓力釋放管線10內。例如可以使用文居里濕式洗滌器，此種洗滌器能夠有效的攔阻釋壓氣流中的放射性載體(通常是微粒及氣溶膠)。除此之外亦可加裝乾式過濾器及催化淨化裝置或其他類似裝置。
釋壓系統12是用於控制嚴重的事故，發生此等事故時，由於壓力大幅升高，導致大量的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)被釋出側內腔，如果不採取針對性的措施，可能會在局部或甚至整個範圍產生可燃/可爆燃的氣體混合物。
為了避免這種情況發生，故將催化結合器20 分佈設置在圍阻體4的內腔6中，其作用是使周圍氣體中的氫(H2 )與氧(O2 )以無焰方式結合成水或水蒸氣(H2 O)，及/或使一氧化碳(CO)與氧(O2 )結合成在圍阻體4內產生惰性作用的二氧化碳(CO2 )。
但是在發生嚴重的故障或意外事故(包括核芯熔解)時，結合器20通常在很短的時間內就會達到預定的運轉溫度，同時透過設計的結合效能需經過很長的時間才能將H2 濃度降低到夠低的程度。因此可能會出現一個問題，那就是此時圍阻體4內的壓力會大幅升高，因此在發生故障或意外事故的初期(此時分佈在建築物內的催化結合器20尚未達到最高的效能)就需要進行釋壓(亦稱為排氣)。
發生這種情況時，可燃的氣體-蒸氣混合物可能會流入壓力釋放管線10。由於位於外腔8內初期相對而言較冷的管線段內至少含有部分冷凝水的蒸氣，在接下來的輸送路徑中，可能會造成危險的氫(H2 )及一氧化碳(CO)的濃度會繼續升高。因此在不利的情況下，這個濃度可能會超過爆燃的界線，這對於過濾器及/或淨化裝置18的整合會造成不利的後果。如果要完全排除這種情況造成的危險性，圍阻體的構造會變得非常昂貴、複雜且巨大。
為了避免這個後果，在第1圖中的釋壓系統12中，壓力釋放管線10的入口22(亦稱為抽取接頭)需能夠防止流入之氣流中的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)的濃度達到臨界值。為達到這個目的，在入口22的前面有連 接一個氣流處理裝置24，其作用是淨化流入之氣體混合物的成分。
氣流處理裝置24包括一個煙囱狀且基本上垂直的氣流通道26，此氣流通道26的側面與隔板元件或其他系統構件構成的外殼表面28相鄰，而且基本上不會讓流過來的氣體通過。氣流通道26的底端有一個(在此實施例中位於端面的)入口30，以及在頂端有一個相應的入口及出口32。以氣流通道26的總高度為準，壓力釋放管線10的入口22大約是位於外殼表面28的中間部分。也可以設置環繞外殼表面28的整個或至少一部分圓周的環形細縫或其他類似構造，以取代點狀入口22。入口22的高度亦可不同於第1圖顯示的高度，只要確定流入的氣流有先經過具催化作用的區域即可(參見以下的說明)。
在入口30的上方及釋放管線10的入口22的下方設有多個催化元件或結合器34，其作用是使氫(H2 )與氧(O2 )結合成水/水蒸氣(H2 O)及/或使一氧化碳(CO)與氧(O2 )結合成二氧化碳(CO2 )。這些催化元件或結合器分佈在氣流通道26的斷面及/或外殼表面28之內圓周的邊緣。在本實施例中，這些形狀為板狀且彼此平行的垂直設立的催化元件或結合器在氣流通道26的底端共同構成第一(下方)催化區36。具有催化結合器40的第二(上方)催化區38位於氣流通道26的頂端，也就是在入口及出口32的下方及壓力釋放管線10的入口22的上方之間。
一種未在圖式中繪出的變化的實施方式僅具有第一催化區36。因此壓力釋放管線10的入口22較佳是位於氣流通道26的下方較低的位置，但其位置仍應高於催化結合器34。
在入口22的順流方向上，有一個設置在氣流通道26外面但仍在圍阻體4內的冷卻裝置42，其作用是冷卻釋壓運轉時流入壓力釋放管線10的釋壓氣流。冷卻裝置42是主要是進行通過圍阻體4內的氣體的對流冷卻，必要時亦可進行蒸發冷卻及/或將輻射熱發送到周圍環境。
冷卻裝置42較佳是構成一個煙囱狀的氣流通道44，但與氣流處理裝置24的氣流通道26不同的是，氣流通道44向周圍環境部分張開，壓力釋放管線10至少有一個管線段是經由氣流通道44將熱傳送從旁邊流過的氣體。與第1圖的實施方式不同的是，可以在冷卻裝置42內或逆流方向的更前面使壓力釋放管線10分支成多個子管線及/或分支，但這些子管線及/或分支較佳是穿過圍阻體的通道46的前面再度聚集在一起。為了實現蒸發冷卻，可以在與氣流連接的冷凝水收集槽設置一個未在圖式中繪出的液體噴淋裝置。
在本實施例中，壓力釋放管線10在從通道46到第一閉鎖閥14之間的區域具有如同外殼的耐熱外襯48。
此外，在壓力釋放管線10內有一或多個已設定好或可調整的控制排放氣流用的流量限制元件。在本 實施例中，在冷卻裝置42及穿過圍阻體4的通道46之間的管線段設有第一扼流閥50，以及在第二閉鎖閥14及下流方向連接的過濾器及/或淨化裝置18之間的管線段設有第二扼流閥52。原則上也可以將這種流量限制元件設置在壓力釋放管線10的其他位置，而且可以是由相應的流動導引元件或不同元件共同構成。
釋壓系統12的運轉方式如下：當核電廠2處於正常運轉時，壓力釋放管線10內的兩個閉鎖閥14是封閉的，因此釋壓氣流不能流出，但可能有極小量的氣體會流入壓力釋放管線10的起始段落，直到堵塞壓力阻止氣體繼續流入為止。如果不考慮因圍阻體4內的溫度分佈產生的自然對流，此時不會有任何值得一提的氣流量通過處理裝置24。
這種情況會因為核電廠故障時在圍阻體4內釋出的氫H2 及/或一氧化碳(CO)而改變。由於第一(下方)區及第二(上方)區的催化元件或結合器34、40的作用及因此造成的局部溫度升高，會支持氣流通道26內的煙囱效應，並強化存在於氣流通道26內的自然對流。也就是說，被加熱的氣流會由下往上流過氣流通道26，同時會產生前面提及的結合反應，以及催化結合器34、40會在短時間內達到其最佳運轉溫度。第1圖顯示的就是這個狀態，圖中的流動箭頭標示氣流的流動關係。
此時如果內腔6內形成很大的過壓，經過將結合器34、40預熱一段時間(例如<20分鐘)產生的短暫的自然對流階段後，即可打開壓力釋放管線10內的閉鎖 閥14，引進降低過壓的過程。從第2圖可以清楚看出這個釋壓運轉(排氣)的氣流流動關係。由於氣流流入壓力釋放管線10，以及隨後經由煙囱16排出，會產生不同於之前的自然對流的氣流關係，此種新的氣流關係的特徵是強制流動。此時圍阻體內的氣體會同時從下方及上方流入氣流通道26，同時氣體的氫(H2 )及一氧化碳(CO)的濃度會在下方催化區36及上方催化區38(如果有的話)變低，然後經由入口22流入壓力釋放管線10。
在位於順流方向的冷卻裝置42內，因發生在催化結合器34、40上的結合反應被加熱的釋壓氣流會按照前面描述的方式被主要是向圍阻體氣體氣氛散熱的對流冷卻，例如從入口端的400至500℃被冷卻至出口端的150至300℃。第2圖中的箭頭標示這個過程造成的圍阻體氣體氣氛在冷卻裝置42之外部區域受煙囱抽力強化的自然對流循環。
扼流閥50、52會限制通過壓力釋放管線10的物質流，較佳是將這個物質流限制在第1圖之自然對流運轉中通過氣流通道26的物質流的80%以下。同時透過適當的調整流動路徑，將流向下方催化區36及上方催化區38(如果有的話)的催化結合器34、40的氣流流動速度限制在5m/s以下。這樣做的目的是使壓力釋放管線10的入口22部分的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)濃度低於通道26之下方入口30部分的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)濃度的50%，或較佳是低於30%，其中濃度的測量是沿著流動方向在氣流到達催化結合器34之前進行。雖然釋 壓氣流在冷卻裝置42及連接在後的系統構件內被冷卻，以及可能會產生含冷凝水的蒸氣成分，透過這些措施仍足以阻止可爆燃的氣體混合物蓄積在壓力釋放管線10順流段落。尤其是可以避免對位於圍阻體之外的過濾器及/或淨化裝置18的整合造成損害。
較佳是將大多數的氣流處理裝置24及釋壓系統12的壓力釋放管線10設置在從圍阻體4底部起算三分之一的總高度處。如第1圖及第2圖所示，可以將多個壓力釋放管線10聚集在一起，以減少通道46的數量。較佳是將未直接作用在釋壓氣流上的催化結合器20設置在圍阻體4的較高位置處，尤其是設置在圍阻體4總高度的中間及上方三分之一處。
第2圖顯示氣流處理裝置24及連接在後之冷卻裝置42的一種變化方式，此種變化方式可透過模組化的盒狀構造方式獲得實現。第2圖中的流動箭頭標示釋壓運轉中的流動區。一個盒狀的入口收集器54位於在兩個模組之間，其作用是將經由入口22從氣流通道26流出並被催化結合器34、40降低H2 /CO濃度的氣體混合物分配到冷卻裝置42的並聯的管線55。可以將管線55設計成圓翼管或具有可讓氣流通過的板狀元件的管子，如第2圖中線條圍起的細部圖所示。同樣的，平行的子氣流接著會被一個盒狀的出口收集器56聚集在一起。如圖中蛇形箭頭所示，除了經由圍阻圍氣體氣氛進行的對流散熱外，也可以經由一個形成於冷卻裝置42之上方部分的輻射熱場將流入管線55的排氣氣流的熱傳送出去。在 本實施例中，限制流量用的釋壓管線10是透過製作成環形遮蔽板58的扼流閥50獲得實現，其中扼流閥50係設置在出口收集器56到通往圍阻體通道的管子段之間的過渡區。
2‧‧‧核電廠
4‧‧‧圍阻體
6‧‧‧內腔
8‧‧‧外腔
10‧‧‧壓力釋放管線
12‧‧‧釋壓系統
14‧‧‧閉鎖閥
16‧‧‧煙囱
18‧‧‧過濾器及淨化裝置
20‧‧‧催化結器
24‧‧‧氣流處理裝置
30‧‧‧入口
32‧‧‧入口及出口
36‧‧‧下方催化區
38‧‧‧上方催化區
40‧‧‧催化元件
42‧‧‧冷卻裝置
44‧‧‧氣流通道
46‧‧‧通道
48‧‧‧耐熱外襯
50‧‧‧扼流閥
52‧‧‧扼流閥

Claims (16)

  1. 一種核電廠(2)，具有一圍阻體(4)及至少一個從圍阻體(4)向外伸出並能夠以閉鎖閥(14)鎖住的壓力釋放管線(10)，在釋壓運轉時，打開閉鎖閥(14)即可使壓力釋放氣流從壓力釋放管線(10)流出，其中每一個壓力釋放管線(10)的入口端都有連接一位於圍阻體(4)內的氣流處理裝置(24)，這種氣流處理裝置(24)具有一被側方外殼表面(28)環繞住的煙囱狀的氣流通道(26)，此氣流通道(26)具有一下方入口(30)及一上方入口及出口(32)，其中在下方入口(30)的範圍或上方有設置第一組催化元件(34)，其作用是分解氣流通道(26)內的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)，同時壓力釋放管線(10)具有一入口(22)，此入口(22)在外表殼表面內位於第一組催化元件(34)的上方及上方入口及出口(32)的下方，因此在發生故障或意外事故並釋出圍阻體(4)內的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)時，圍阻體內(4)的氣體混合物會按照自然對流的原理由下往上流過氣流通道(26)，這個動作是發生在釋壓運轉之前的對流運轉，而且是在閉鎖閥(14)關閉的情況下進行，同時在釋壓運轉時，氣體混合物會按照強制流動的原理由下方及上方流入氣流通道(26)，並作為釋壓氣流經由壓力釋放管線(10)流出。
  2. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中在壓力釋放管線(10)之入口(22)的上方及氣流通道(26)的上方入口及出口(32)的範圍或下方設有第二組催化元件(40)，以分解氣流通道(26)內的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)。
  3. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中在壓力釋放管線(10)內設有流量限制器(50、52)，其作用是根據催元件(34、40)的結合能力進行調整，以使釋壓運轉期間，壓力釋放管線(10)的入口(22)範圍的氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)濃度低於氣流通道(26)之下方入口(30)範圍之濃度的50%、或最好是低於30%。
  4. 如申請專利範圍第3項的核電廠(2)，其中調整流量限制器(50、52)及選擇氣流通道(26)的幾何形狀，以使釋壓運轉期間，壓力釋放管線(10)內的物質流最多僅等於對流運轉期間氣流通道(26)內的物質流的100%，或最好是小於80%。
  5. 如申請專利範圍第3項的核電廠(2)，其中調整流量限制器(50、52)及選擇氣流通道(26)的幾何形狀，以使釋壓運轉期間，氣體混合物流向催化元件(34、40)的流動速度小於5m/s，或最好是小於3m/s。
  6. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中調整催化元件(34、40)在釋壓運轉期間的運轉溫度，以使其在氣體混合物的氫濃度高於7%(體積百分比)時，產生點火器的作用。
  7. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中氣流處理裝置(24)位於從圍阻體(4)底部起算三分之一的總高度處，較佳是位於四分之一的總高度處。
  8. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中主對流路徑旁邊的氣流處理裝置(24)係設置在部分閉鎖空間的氫濃度較低的區域。
  9. 如申請專利範圍第7項的核電廠(2)，其中在從圍阻體(4)底部起算三分之一或四分之一的總高度處設有多個處理壓力釋放氣流用的氣流處理裝置(24)，以及額外設置多個位於氣流處理裝置上方但未直接作用在壓力釋放氣流上的催化結合器(20)，以分解氫(H2 )及/或一氧化碳(CO)，其中氣流處理裝置的催化結合器(20)產生之效能小於可使用之結合器總效能的20%。
  10. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中在對流運轉期間，圍阻體(4)內的換氣數L<0.3h，較佳是L<0.1h。
  11. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中將一位於圍阻體(4)內的釋壓氣流冷卻裝置(42)連接到壓力釋放管線(10)。
  12. 如申請專利範圍第11項的核電廠(2)，其中冷卻裝置(42)是用於由圍阻體內的氣體混合物及/或霧化冷卻進行的對流再冷卻。
  13. 如申請專利範圍第11項的核電廠(2)，其中冷卻裝置(42)的冷卻效能能夠將入口溫度為400至500℃的釋壓氣流冷卻至出口溫度為150至300℃。
  14. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中位於穿過圍阻體之通道範圍的壓力釋放管線(10)有包覆耐熱外襯(48)。
  15. 如申請專利範圍第1項的核電廠(2)，其中催化元件(34、40)是由安置在陶瓷支架及/或帶有陶瓷塗層的金屬支架上的鈀及/或鉑及/或釩等具有催化活性的貴金屬構成，而且貴金屬的含量高於支架重量的0.2%(重量 百分比)、或較佳是高於支架重量的0.5%(重量百分比)。
  16. 如申請專利範圍第1項至第12項中任一項的核電廠(2)，其中在壓力釋放管線(10)的一位於圍阻體(4)之外的段落內設有淨化釋壓氣流及使其保持活性用的過濾器及/或洗滌器(18)。
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