TWI530962B - 關於核電廠的圍阻體保護系統及相關操作方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及處理核能設施(尤其是核電廠)發生嚴重事故時在圍阻體內釋出大量氫及蒸氣形成的氣體氣氛用的圍阻體保護系統。此外本發明還涉及圍阻體保護系統的操作方法。
核能設施(尤其是核電廠)發生嚴重事故時，除了釋出大量蒸氣外，也可能釋出大量的氫，尤其是發生在過熱的燃料棒套管上的鋯石-水反應會釋出大量的氫。如果不採取對應措施，則不能排除可爆性(爆燃性)混合物發生不受控制的反應，導致圍阻體的完整性受損的可能性。
尤其是對較小型的惰性化沸水式反應爐圍阻體(體積約5000至15000m3)而言，當不能凝結的氫被釋出並碰到蒸氣，會導致壓力快速升高，這個壓力可能會超出圍阻體的設計壓力，甚至達到氣化壓力。
到目前為止，圍阻體有配備過濾的釋壓(排氣)系統，在若干狀況下這可被視為有效的對應措施。但是這會將物質釋放對周圍環境中。雖然使用現代化的淨化
及過濾方法能夠將釋出放射性物質到環境中的可能性降到很低的程度，但原則上仍是不希望有物質釋出。
在壓水式反應爐的圍阻體內通常設有所謂的被動自動催化結合器(PARs)，但是惰性化沸水式反應爐在用盡結合反應所需的氧後，會喪失分解氫的功能。在較老式的沸水式反應爐的絕大部分構件中，所安裝的氫分解系統都只是設計用來應付輕微至中等嚴重程度的事故，因此其應付嚴重事故或甚至是核芯熔解事故的氫分解能力是不足的。
本發明的目的是提出一種圍阻體保護系統，這種保護系統不但要能夠避免先前技術之解決方案的缺點，而且惰性化圍阻體要能夠以主要是被動的方式及盡可能在不增加環境負荷的情況下，有效且快速的消除過壓狀態及氫的蓄積。此外，本發明還要為這種保護系統提出一種有利的操作方法。
採用具有獨立申請專利項目第1項之特徵的圍阻體保護裝置即可達到上述關於保護系統的目的。採用具有獨立申請專利項目第23項之特徵的方法即可達到上述關於操作方法的目的。
本發明的各種有利的實施方式及變化方式載於附屬申請專利項目及以下關於圖式的詳細說明中。
本發明的圍阻體保護系統可以在短時間內去除圍阻體內的氫，以及防止圍阻體因釋出的蒸氣及大量的氫產生的過壓而失效，而且不會釋出放射性物質到周
圍環境中。
透過回流換熱高速-多階段氧化及整合淨化階段/包含蒸氣凝結的洗滌單元的組合，可以同時減低圍阻體內的壓力及降低氫及蒸氣濃度。
為此本發明將保護系統連接到圍阻體的操作循環中，這樣在操作時就不會故意釋出原子裂變產物。透過氫與氧結合成水蒸氣及蒸氣的凝結，可以使圍阻體內的壓力快速下降。圍阻體內的蒸氣在淨化階段中凝結會進一步加速壓力下降。在洗滌階段收集的放射性物質能夠被回送到圍阻體的壓力傳導包封內，或是被輸送到處理放射性廢水用的設施。
以下是本發明系統的主要優點：系統可以在不會向周圍環境釋出具放射性之原子裂變產物的情況下工作。
在任何時候都可以進行經過濾的釋壓，以便在任何時候都能夠確實排除圍阻體失效的可能性。
可以利用作為蒸氣凝結之冷卻劑用的氮使反應爐結構惰性化，以防止圍阻體外的氫洩漏造成燃燒。
特別是能夠防止惰性化的沸水式反應爐-圍阻體因過壓造成圍阻體失效的情況，同時無需將氫發射至周圍環境即可解決氫的問題。
可以針對前面及的問題，將運轉中的舊核電廠的安全等級提升到新一代的標準(GEN3+)。
採用貨櫃箱式的模組化構造，可以很容易的加裝到舊核電廠，尤其是在緊急情況時可以快速移動到
必要的地點。
因具有回流換熱特性及可連續使用發生嚴重事故時存在於圍阻體內的能量，系統只需少許的補助電能即可運轉，而且主要是以被動方式工作。
可以透過使用充電電池、移動式小型柴油緊急發電機組、燃料電池等方式提供補助電能。
2‧‧‧圍阻體保護系統
4‧‧‧圍阻體
6‧‧‧核能設施
8‧‧‧安全包覆體
10‧‧‧輸入管線
12‧‧‧閉鎖配件
14‧‧‧流出管線
16‧‧‧驅動馬達
18‧‧‧輸送風扇
20‧‧‧結合裝置
22‧‧‧管線段
24‧‧‧文居里噴嘴
26‧‧‧預熱器
28‧‧‧管線
30‧‧‧進氣接管
32‧‧‧反應室
34‧‧‧第一反應區
36‧‧‧承載元件
38‧‧‧間隔
40‧‧‧加熱元件
42‧‧‧第二反應區
44‧‧‧圓周壁
46‧‧‧第三反應區
48‧‧‧環形區
50‧‧‧圓周壁
52‧‧‧流動通道
54‧‧‧出氣接管
56‧‧‧熱交換器
58‧‧‧熱交換器
60‧‧‧冷卻區
62‧‧‧再循環管線
64‧‧‧氧氣瓶
66‧‧‧調節閥
68‧‧‧連接管線
70‧‧‧噴淋裝置
72‧‧‧管線
74‧‧‧凝結裝置
76‧‧‧冷卻液
78‧‧‧環形冷卻器
80‧‧‧入射集熱器
82‧‧‧出射集熱器
84‧‧‧螺旋管
86‧‧‧蒸餾水接口
88‧‧‧冷卻液容器
90‧‧‧蒸氣排放口
91‧‧‧冷卻裝置
92‧‧‧凝結容器
94‧‧‧冷凝液
96‧‧‧熱交換器
98‧‧‧入射區
100‧‧‧流動通道
102‧‧‧狹窄處
104‧‧‧噴淋裝置
106‧‧‧冷凝液抽取管線
108‧‧‧冷凝液泵
110‧‧‧冷凝液回流管線
112‧‧‧管線
114‧‧‧管線
116‧‧‧氣體收集室
118‧‧‧過濾元件
120‧‧‧管線
122‧‧‧分子篩
124‧‧‧管線
126‧‧‧管線
128‧‧‧回流管線
130‧‧‧閉鎖配件
132‧‧‧煙囱
134‧‧‧流出管線
136‧‧‧閉鎖配件
138‧‧‧連接管線
140‧‧‧儲存容器
142‧‧‧管線
144‧‧‧管線
146‧‧‧管線
148‧‧‧管線
150‧‧‧供電設備
152‧‧‧電池
154‧‧‧充電設備
156‧‧‧內燃機
158‧‧‧發電機
160‧‧‧輸送管線
162‧‧‧通道
164‧‧‧連接接管
166‧‧‧凝結室
168‧‧‧反應爐壓力罐
170‧‧‧蒸氣渦輪機
172‧‧‧發電機
174‧‧‧煤氣發動機
176‧‧‧噴啉裝置
178‧‧‧儲槽
180‧‧‧蒸氣噴射器
182‧‧‧熱水鍋爐
184‧‧‧結合裝置
186‧‧‧氧氣輸入管線
188‧‧‧氧氣瓶
D‧‧‧細部圖
H2‧‧‧氫
H2O‧‧‧水
N2‧‧‧氮
O2‧‧‧氧
以下將配合圖式對本發明的各種不同的實施方式做進一步的說明。以下之圖式均為簡化的示意圖：第1圖：發生嚴重事故時，對圍阻體內部進行降壓及分解氫用的圍阻體保護系統的第一種變化方式。
第2圖：一個連接如第1圖之圍阻體保護系統的沸水式反應爐。
第3圖：圍阻體保護系統的第二種變化方式。
第4圖：圍阻體保護系統的第三種變化方式。
第5圖：圍阻體保護系統的第四種變化方式。
相同或相同作用的元件均使用相同的元件符號。
在第1圖及第2圖中以示意方式繪出的圍阻體保護系統2(簡稱為“保護系統”)的任務是處理存在於核能設施6(尤其是核電廠)之圍阻體4內的氣體氣氛，這個氣體氣氛主要來自於發生嚴重事故及意外時，大量釋出的氫(H2)及/或蒸氣。保護系統2的另一個任務是，在發生意外事故時，消除圍阻體4(或稱為安全包覆體8)的內腔內的過壓狀態，以及使可燃的氫(H2)與氧(O2)結合，
以去除蓄積的氫，及/或將可燃的氫惰性化。
如第1圖所示，為達成這個任務，絕大部分重要構件均位於安全包覆體8之外的保護系統2具有一輸入管線10，此輸送管10與一從核電廠6之安全包覆體8伸出、並能夠被閉鎖配件12封閉住的流出管線14(又稱為壓力釋放管線)連接(參見第2圖)。
在輸送管10內有設置一個例如可由電動馬達16驅動的輸送風扇18。也可以將輸送風扇18在順流方向上設置在輸送流體流用的管線系統中，此部分將在本文後面詳細說明。輸送風扇18將圍阻體4內的氣體-蒸混合物(例如釋壓過程開始時的壓力>1Bar至10Bar)輸送到設置在順流方向上的結合裝置20，其中結合裝置20的任務是受催化作用支援以無焰方式分解氫(H2)。在第1圖的例子中，結合裝置20被設計成一種組合的多階段-結合及冷卻裝置。在以下的說明中，釋壓運轉過程中從圍阻體4經由流出管線14及輸送管10流出的氣體-蒸氣混合物亦稱為流體流，或是在涉及所謂的排氣系統時，也稱為排氣氣流，雖然第1圖的保護系統2並非一定要以排氣(釋放到周圍環境中)的方式實現其保護作用。
經由管線段22流入的待處理的流體流首先會流過一個文居里噴嘴24或類似的收斂-發散型噴嘴，並被加速到最高達160m/s的流動速度，其中流動速度是指在文居里噴嘴24的咽喉處測得的速度。
接著流體流會順流流過一個回流換熱預熱器26，流體流在預熱器26內透過與被催化反應加熱的流體
流(廢氣流)的熱交換被預熱。在本實施例中，預熱器26被製作成一個流體流的流動損耗很小的U形管。
接著經過預熱的流體流經由管線28及進氣接管30流入作為氧化反應裝置用的結合裝置20的反應室32，然後流過一個熟稱為電熱結合器的第一反應區34，其中第一反應區34被電加熱，其作用是使流體流所含的氫(H2)及氧(O2)以無焰結合的方式結合成水蒸氣(H2O)。電引起的反應在多米諾骨牌效應中被轉換到周圍集中的設立的反應區(參見後面的說明)。
透過H2結合產生的反應熱，電加熱功率在起動運轉後的可以逐漸變小，而且不會使已開始的反應中斷。H2的濃度愈高，透過輸送風扇18的功率調整就可以設定愈大的流量(所謂的滑動流量運轉)。
如截取自斷面圖的細部圖D所示，在這個過程元件內的流動路徑是由多個圓柱形外殼狀的承載元件36定義，其中這些承載元件36均環繞一個共同的縱軸，且其內表面及外表面均帶有對氫的結合具有催化作用的塗層。承載元件36通常是以金屬、陶瓷、或含有金屬及/或陶瓷成分的複合材料製成。承載元件36的具有催化作用的塗層通常含有鉑、鈀、釩、及/或其他適當的貴金屬。
除了在承載元件36內之外，至少在一個以這種方式形成的導流間隙38內設有平行於縱軸的棒狀電加熱元件40，而且較佳是均勻的分佈在圓周上。救可以在中央間隙內設置這樣的電加熱元件40或加熱棒。這樣
做的目的是使第一結合區34被承載元件36分段的流動通道在縱向長度及整個斷面上均盡可能達到均勻的加熱，以使流動速度相當快且在第一反應區34僅逗留很短時間的流體流的催化反應能夠被起動及受到支援。
接著流體流會流過一個直接從第一反應區34朝流動方向延伸出的第二反應區42，其中第二反應區42是按照在廢氣技術中使用的鬆散材料催化劑/振動床催化劑的方式形成，其作用是催化未在第一應區34被補集到的氫及氧產生結合反應。
從第二反應區42流出的流體流會在這個段落的圓頂形反應室32的圓周壁44上被迫轉換方向，然後流過一個斷面為環形的第三反應區46，其中第三反應區46的範圍向內受到第一反應區34的流動通道的限制，向外受到反應室32的圓柱形外殼狀的圓周壁44的限制。
第三反應區46的任務是按照被動式自動催化結合的原理，以壓力損失很小的承載元件(所謂的PARs)對經過前面兩個反應區34、42預處理的流體流中仍需結合的剩餘成分進行催化後處理。第三反應區46環繞第一反應區34的外殼狀造型會形成由內向外的熱傳輸，因此第三反應區46也會被設置在第一反應區34內的加熱元件40及該處產生的放熱氧化反應釋出的熱能間接加熱。
在反應室32之左邊正面尾端再次轉換方向後，經過3個順序排列的反應區34、42、46處理使氫濃
度已耗盡的流體流會先流過具有環形斷面的環形區48，其中環形區48係位於反應室的圓周壁44及被外流動通道52環繞住的圓柱形外殼狀的圓周壁50之間，然後向右流到出氣接管54。
從反應室32流出的經過多階段結合反應及被電加熱元件40加熱的氣體-蒸氣混合物會流過作為熱交換器56用的預熱器26的熱交換表面，並在此處將其所含的一部分的熱以前面描述的方式輸送到流入反應室32的氣體-蒸氣混合物。
氫濃度已耗盡的氣體-蒸氣混合物(廢氣)在流動通道52內會順流流過有冷卻劑(此處為氮N2，參見後面的說明)流過的熱交換器58，並將所含的另一部分的熱輸送到冷卻區(60)。為了達到很好的冷卻效果，進入熱交換器58的冷卻劑至少有一部分是液態的，且至少有一部分冷卻劑從流動通道52內流動的氣體-蒸氣混合物接收到熱之後被蒸發。由於此時的溫度關係及系統設計的緣故，此時氣體-蒸氣混合物所含的蒸氣成分，尤其是結合產物(水蒸氣)，還不會出現明顯的凝結現象。因此冷卻區60的作用僅是氣體冷卻器，不是冷凝器。流動介質在進入冷卻區60之前的典型溫度值介於600至800℃之間，通過冷卻區60之後的溫度值介於250至500℃之間。
流動通道52在輸出端(也就是冷卻區60的順流方向)有連接再循管線62，再循環管線62的另一端匯入通往預熱器26的管線段22，以便使一部分從結合裝
置20流出的氫濃度已耗盡的流體流回流至其輸入端，並與來自圍阻體4的氫濃度很高的流體流混合。說得更精確一些，再循環管線62的另一端匯入一個設置在文居里噴嘴24的咽喉處的進氣口，使回流的部分流體流在該處被吸入與主流體流夾雜(噴射器原理，參見後面的說明)。透過廢氣回收及因此造成的反應階段或反應區34、42、46的部分惰性化，即使從圍阻體4流出的流體流含有很高的氫濃度(30%(體積百分比)或更高)，也就夠快速的將氫分解掉。
用於調節或調整對應控制閥(圖中未示出)的再循環部分流，可被提供在再循環管線62及/或文居里噴嘴24之進料口。這種附著>50%的蒸氣部分通常係作為在結合裝置20之入口流的控制目標。
在圍阻體4處於惰性化狀態時，裝在適當的儲氣罐中的氧(O2)以受調節的方式在結合裝置20之前被送入，此處之儲器罐是指填充高壓氧(O2)的氧氣瓶64。為了調節/控制供應氧的速率，在一直接伸入反應室32的連接管線68內設有一個調節閥66。測量進入結合裝置20之氣流的H2/O2濃度，即可計算出進行化學計量燃燒所需的氧氣量，並據此調節通過調節閥66的氧氣量。
從再循環管線62的順方向看過去，在流動通道52與反應室32對立的尾端上設有一個噴淋裝置70，其作用是將液體噴淋，此處所稱的液體主要是水，也就是下一個過程階段產生的冷凝水(參見後面的說明)。透過這種方式可以進一步冷卻流動通道52內的流體流。為
簡化操作起見，較佳是使用固定的噴淋流。
雖然此處描述的由多階段結合及冷卻裝置組成的結合裝置20對達到前面提及的目的特別有利，但原則上也可以使用其他不同設計的結合裝置，尤其是構造較簡單的結合裝置，例如單階段及/或設計流動速度較小的結合及冷卻裝置。也可以不在流動通道52內設置冷卻階段，也是以其他方式實現冷卻階段。另外一種實施方式可以不設置文居里噴嘴，亦可經由再循環管線62進行廢氣回收。
從流動通道52的右邊正面流出的氫濃度已耗盡且經過冷卻的流體流經由管線72流入一個較佳是由凝結裝置及洗滌器組合成的凝結裝置74。較佳是在流體流的可凝結成分從氣態轉換成液態的凝結階段之前設置一個(預)冷卻階段，而且較佳是將這個(預)冷卻階段的結構整合到整體結構中。
在基本上是垂直豎立的圓柱形裝置的上半部，被冷卻劑76(也就是水H2O)環繞的環形冷卻器78將流體流冷卻至接近凝結的溫度，也就是將流體流所含的蒸氣成分(主要是前面的結合反應釋出的水蒸氣，但也包括之前已在圍阻體4內釋出的蒸氣)冷卻至接近凝結的溫度。環形冷卻器78具有一個入射集熱器80及一個出射集熱器82，這兩個集熱器透過位於二者之間作為熱交換器用的螺旋管84彼此連接。例如可以從當地的供水網路(例如消防用水接口)取得冷卻用的水(H2O)，必要時蒸餾水接口86將水送入環繞環形冷卻器78的冷卻液容器
88。在冷卻過程被加熱及蒸發的水會經由蒸氣排放口90被排放到周圍環境中。以這種方式構成的冷卻裝置91簡單為冷卻器或(預)冷卻階段。在進入冷卻器之前，流體流的溫度通常在200至500℃之間，通過冷卻器後的溫度通常在100至200℃之間(視系統中的壓力而定)。
以這種方式被進一步冷卻的流體流經由出射集熱器82流入位於冷卻液容器88下方的凝結容器92，以便使蒸氣在凝結容器92內凝結。液態冷凝液94會集中在凝結器92的底部。進行凝結所需的再冷卻至少有一部分是利用分離的冷卻劑(此處是氮N2)進行，也就是經由伸入冷凝液94的作為熱交換器96用的管束或類似裝置引進氮(參見後面的說明)。為了達到很好的冷卻效果，進入熱交換器96的冷卻劑至少有一部分是液態的，並被來自冷凝液94的熱蒸發。和熱交換器58一樣，使用氮的熱交換器96也可以稱為氮蒸發器。
除了氮蒸發(一般稱為：惰性氣體蒸發)造成的凝結容器92的再冷卻外，也可以利用冷卻水蒸發造成再冷卻，也就是利用被冷卻水流過的設置在凝結容器92內或凝結容器92上的熱交換器進行再冷卻，及/或利用直接設置在旁邊的冷卻裝置91進行再冷卻。一般而言，較佳的系統設計是，流體流的一次冷卻是由冷卻水蒸發進行，二次冷卻是由氮蒸發進行，以便將氮的消耗量及必要的儲備量控制在可接收的範圍內。
在第1圖的實施方式中，進入凝結容器92的流體流除了含有需凝結的蒸氣成分外，也含有需淨化
但不能凝結的氣體成分。為此入射區98被設計成文居里洗滌器的形式。流體流在位於中心的圓柱形流動通道100內會通過一個設計成環形縫或光圈狀的狹窄處102，然後繼續向下流入冷凝液94中。可以在狹窄處102的範圍或是狹窄處102之前不遠處(從流動方向看過去)設置一個噴淋裝置104。一種有利的方式是使用蓄積在凝結容器92中的冷凝液94。為簡化操作起見，較佳是使用固定的噴淋流。由於在狹窄處102的流體流受到強力的擾動及分解，並與噴淋液混合，加上不能凝結的氣體成分會穿過蓄積的冷凝液94，因此流體流含有的放射性原子核及碘會被分離到冷凝液94中。
在釋壓運轉過程中，必要時可透過連接到凝結容器92底部的冷凝液抽取管線106，以不連續或連續的方式將蓄積在凝結容器92中具有放射性的冷凝液94抽出，其中在冷凝液抽取管線106內設有一個冷凝液泵108。一個作用在冷凝液泵108上的液位調節器能夠控制凝結容器92內的冷凝液94的液位，使其不會超過一預先給定的最大值。多餘的冷凝液94大部分或全部會經由冷凝液回流管線110被泵抽送回流到核能設施6的圍阻體4內，以安全的保管其所含的放射性成分。換句話說：放射性成分會在淨化階段中被攔下，以便能夠經由冷凝液回流管線110回流到送回圍阻體4內。將冷凝液噴淋到圍阻體4內，可以在圍阻體內產生冷卻作用這對於降低圍阻體內的壓力是有利的。
冷凝液回流管線110分出管線112及管線
114，必要時可以經由這兩條管線將冷凝液的第一道子流輸送到噴淋裝置70，及/或將第二道子流輸送到噴淋裝置104。為了對冷凝液流進行必要的調整，可以在管線內設置調節閥。
不能凝結的氣體成分會從冷凝液94釋出，並流入凝結容器92位於上方的氣體收集室116，其中這些氣體成分會通過設置在流動路徑上的過濾元件118。過濾元件118在第一階段是作為滴液分離器，在第二階段或層是用來分離細微的氣溶膠。如果要將排氣氣流釋放到周圍環境中，則這個分離是非常重要的(參見後面的說明)。
經由連接在氣體收集室116上的管線120，經過冷卻及預淨化的氣體會被送入另一個被稱為分子篩122的過濾裝置，同樣的也可以將分子篩122整合到凝結容器92或凝結及洗滌裝置中。例如以沸石過濾器為基礎及按照化學吸附原理工作的分子篩122會將有機碘化合物(所謂的有機碘)攔下，即使有機碘化合物的微粒非常的小。
為了能夠正確及高效率的運轉，而且不會破壞對濕氣敏感的過濾成分，應將分子篩122加熱，而且較佳是以回流換熱的方式加熱。為達到這個目的，從管線72分支出一條抽取溫度仍相當高的流體流的管線124，其中該流體流會流過分子篩122，以進行熱交換。被抽取的流體流會繼續順流流過管線126，最後進入位於凝結容器92內的冷凝液94。
在正常情況下，從分子篩122流出過淨化及過濾的氣流會全部經由回流管線128回流至圍阻體4。因此在這個循環運轉中不會有氣流被釋放到周圍環境中(零排放)。
只有在緊急情況時才會用到從回流管線128分支出來的一條具有閉鎖配件130並匯入煙囱132的流出管線134，先前經過淨化及過濾的氣流能夠經由流出管線134以傳統排氣的方式被釋放到周圍環境中。因此在任何時候都可以執行經過過濾的快速釋壓運轉，使圍阻體4內的壓力降低至較低水平，並將氣體排放到周圍環境中，然後再起動循環運轉(零排放)，以便將排放到周圍環境中的放射性成分降到最低。
在必要時，可以透過一條通常是以閉鎖配件136封閉且位於管線10及回流管線128之間的連接管線138將一部分經過淨化及過濾過的氫含量極低的氣體直接經由圍阻體4輸送到待處理的氫含量很高的流體流中。因此進入輸送風扇18的入射流會被惰性化。
為了將凝結及冷卻裝置74(尤其是將凝結容器92)再冷卻，以及將冷卻區60內的流體流預冷卻，故設有一個以液態氮N2作為冷卻劑並與環境絕熱的儲存容器140(容積通常在10000至20000m3之間)，其中儲存容器140經由管線142、144與熱交換器58、96連接，如前面所述，氮N2在熱交換器58、96會因吸熱而蒸發。在本實施例中，被蒸發的氮會經由管線146、148流入圍阻體4或反應爐結構。這樣就會造成內部氣體的惰性
化，以阻止出現未在反應爐結構內部克服(或是克服的速度不夠快)的氫H2洩漏而造成不受控制的燃燒。
如果不應將所有的氮N2送入圍阻體4或反應爐結構，則可以經由一個未在圖式中繪出的排出口將多餘的部分送入管線146、148，然後再排放到周圍環境中。
由於液態氮能夠以相對較低的價格取得，因此是較佳的冷卻劑及/或惰性化劑。但也可以使用液態二氧化碳(CO2)取代或輔助液態氮的作用。凡在本文中提及氮的地方，指的也可以是二氧化碳、氮/二氧化碳的混合物、或是其他的惰性氣體，但前提是要能夠有效的冷卻及/或液化，而且要能夠以液化狀態儲存。
體保護系統2配備一個自給自足且不中斷的供電設備150，此供電設備較佳是充電電池152或蓄電池，以便在發生嚴重事故時(包括核電廠停電及LOOP(失去廠外電源))時，仍能夠毫無時間延遲的起動及運轉保護系統。電源是經由電線向輸送風扇18的驅動馬達16及結合裝置20的電加熱元件40供應電流。根據一種可能的實施方式，電源也向凝結泵108供應電流。為充電電池152充電的充電設備154，可以確保系統的長期可用性，其中充電設備154較佳是配備由內燃機156(例如柴油馬達)驅動的發電機158。
圍阻體保護系統2較佳是以模組化的方式構成。單一的系統單元及/或模組的尺寸相當於一個貨櫃箱，非常適於以公路或空運的方式運送。這種如貨櫃箱的模組可以組合成固定式的系統，也可以組合成移動式
的系統。例如凝結及洗滌裝置74(包括分子篩122)構成一個模組，多階段-結合及冷卻裝置20也構成一個模組。供電設備150可以與整套設備的控制/調節裝置構成另一個模組。液態氮N2的儲存容器140也構成一個模組，待儲存的氮用完後，可以立即更換另一個裝滿液態氮N2的儲存容器。各單一模組的管線連接及界面應彼此配合，以便能夠容易且不會弄錯的完成模組間必要的連接。
核能設施6本身僅需配備適當的連接線/接口，以便在完成位於圍阻體4之外的模組的組裝後，能夠與釋壓-流體流的輸入管線10、已淨化氣流的回流管線128、以及氮N2的輸送管線160連接。即使是舊的核能設施也相當容易實現及/或加裝適當的連接線/接口，以滿足這個先決條件。
第2圖以示意方式繪出上述的連接。圖式中垂直虛線的左邊代表一個核電廠(核能設施6)，其具有一個由高強度且很厚的鋼構成的外殼式安全包覆體8，其內腔(亦稱為為圍阻體4)與外界環境熱絕緣。安全包覆體8配備若干數量供流體流用的不同管線通過用的固定通道162、162’、162”，這些管線在安全包覆體外面具有閉鎖配件12、12’、12”(每條管線都有兩個串聯的閉鎖配件)。從圍阻體4伸出穿過安全包覆體8的管線在更外面(在垂直虛線處)具有連接接管164、164’、164”，以便與虛線右邊在必要時組立的圍阻體保護系統2的管線連接，這樣在組立及連接彼此對應的管線段後，就可以實現前面提及的所有管線，包括輸入管線10、回流管線128
及惰性氣體輸送管線160。
從第2圖顯示的沸水式反應爐還可以看出，在這種情況下，較佳是在環形凝結室166範圍抽取排氣氣流，並使淨化過的氣流回流至環繞反應爐壓力罐168的範圍，以及將氮送入設置在外部遠處的子區域。
第3圖的保護系統2的實施方式的重要構件均與第1圖的保護系統相似，因此以下僅說明不同於第1圖之保護系統之處。
首先是將若干選擇性使用的設計特徵拿掉，例如廢氣回流、氮冷卻、以及在結合裝置20內的冷凝液噴淋。當然亦可保留這些設計特徵中的某一項或全部。
一個主要的變化是，輸送風扇18不是設置在用於從圍阻體4流出的不含氫的流體流的管線10內(也就是朝結合裝置20的逆流方向)，而是設置在用於使含氫量極低的淨化過的氣流順流朝凝結容器92及分子篩122流動的回流管線128內。這樣做的優點是，流體流在剛開始時夾帶的氫H2在結合裝置20中就已經被分解，且分解時形成的水蒸氣會在剩餘的氣流流入輸送風扇18時與其他的蒸氣成分在凝結裝置74中被凝結及分離。凝結裝置74內因蒸氣凝結而被動形成的壓力梯度即足以將流體流輸送到輸送風扇18。因此輸送風扇18的主要作用是將剩下不能凝結的氣體再度送回到圍阻體4。這對於風扇功率及電流/能源消耗的設計能夠產生有利的影響。這種變化方式亦可應用於第1圖之保護系統2。
另一個變化(此變化亦可應用於第1圖之保護系統2)是，在第3圖的保護系統2中，將一個由流體流驅動的蒸氣渦輪機170設置在管線72內結合裝置20及凝結及洗滌裝置74之間，其作用是驅動發電機172。
在發電機172的接線柱上測得的電壓經過整流後被用來使電池152或供電設備150充電，然後再由電池152或供電設備150向輸送風扇18的驅動馬達16及結合裝置20的加熱元件40供應電流。這樣就可以利用因氫結合而過熱的蒸氣的焓落差，經由電能轉換的中間步驟及暫存階段，將從凝結及洗滌裝置74流出的不能凝結的氣體送回圍阻體4。因此只有在起動系統時，才必須從外部將充電電池152充電，之後在釋壓運轉中會自給自足充電。整個系統的運轉在很大程度上是被動運轉的方式，也就是說無需使用外部輔助電能。
第4圖顯示的保護系統的其他變化方式能夠以多種不同的方式與前面提及的各種變化方式結合。
保護系統2的一個特殊處是，在凝結及洗滌裝置74及/或冷卻階段60內以被動方式被蒸發的氮N2的釋壓焓被用來驅動膨脹型煤氣發動機174。然後由煤氣發動機174直接(也就是無需轉換成電能)驅動設於回流管線128內的輸送風扇18，使輸送風扇18將不能凝結的氣體送回到圍阻體4。
此外，也可以用同樣的方式以同一個或另一個EXPANSION型煤氣發動機174’驅動凝結泵108。另一種方式是，所有的變化方式都可以配合其裝配高度，
利用地形陡度將蓄積在凝結容器92中的冷凝液94送回到圍阻體4。
在使用凝結泵108時，可以利用噴淋裝置176噴淋圍阻體4內的冷凝水94，以便將圍阻體內的氣體氣氛冷卻。
此外，如第4圖所示，可以使冷凝液回流到圍阻體4的裝有冷凝液或冷卻劑的儲槽178。
此外，第4圖還顯示一個對輸送風扇18進行的替代或附加措施，也就是安裝一個所謂的蒸氣噴射器180，其作用是以噴射泵的方式充分利用收斂-發散型噴嘴的文居里效應，以便將高壓的驅動流體(此處為蒸氣)所含的能量用於預運轉及壓縮噴嘴吸入及回流管線128內夾帶的氣體。例如可以利用熱水鍋爐182的釋壓運轉被動產生的蒸氣驅動蒸氣發射器180，其中可以利用系統產生的過程熱能以回流換熱的方式將熱水鍋爐182加熱。所有的這些措施都是以被動圍阻體冷卻及惰性化為目的。
在第5圖顯示的與第3圖連結的變化方式中，是以一個設置在圍阻體4內的分解氫用的結合裝置184取代設置在圍阻體4之外的結合裝置20，其中內部的結合裝置184是搭配同樣是設於內部的冷卻階段及/或過濾設備。較佳是採用德國專利登記(官方編號102012211897.7，登記日期2012年7月9日，登記人AREVA NP GmbH)描述的設備作為內部的結合裝置184。這個專利的內容亦屬於本說明書的一部分。
如果必要的話，尤其是圍阻體4內部缺氧時，可以從外部供應氧O2給內的結合裝置184。為此需要設置另一條穿過安全包覆體8並能夠以閉鎖配件封閉住的管線，以作為氧氣輸入管線186。氧氣輸入管線的外接口與氧氣瓶188或其他類似裝置連接。氧氣輸入管線的內部終端較佳是直接位於結合裝置184的流入區，或是直接位於反應區。
2‧‧‧圍阻體保護系統
10‧‧‧輸入管線
16‧‧‧驅動馬達
18‧‧‧輸送風扇
20‧‧‧結合裝置
22‧‧‧管線段
24‧‧‧文居里噴嘴
26‧‧‧預熱器
28‧‧‧管線
30‧‧‧進氣接管
32‧‧‧反應室
34‧‧‧第一反應區
36‧‧‧承載元件
38‧‧‧間隔
40‧‧‧加熱元件
42‧‧‧第二反應區
44‧‧‧圓周壁
46‧‧‧第三反應區
48‧‧‧環形區
50‧‧‧圓周壁
52‧‧‧流動通道
54‧‧‧出氣接管
56‧‧‧熱交換器
58‧‧‧熱交換器
60‧‧‧冷卻區
62‧‧‧再循環管線
64‧‧‧氧氣瓶
66‧‧‧調節閥
68‧‧‧連接管線
70‧‧‧噴淋裝置
72‧‧‧管線
74‧‧‧凝結裝置
76‧‧‧冷卻液
78‧‧‧環形冷卻器
80‧‧‧入射集熱器
82‧‧‧出射集熱器
84‧‧‧螺旋管
86‧‧‧蒸餾水接口
88‧‧‧冷卻液容器
90‧‧‧蒸氣排放口
91‧‧‧冷卻裝置
92‧‧‧凝結容器
94‧‧‧冷凝液
96‧‧‧熱交換器
98‧‧‧入射區
100‧‧‧流動通道
102‧‧‧狹窄處
104‧‧‧噴淋裝置
106‧‧‧冷凝液抽取管線
108‧‧‧冷凝液泵
110‧‧‧冷凝液回流管線
112‧‧‧管線
114‧‧‧管線
116‧‧‧氣體收集室
118‧‧‧過濾元件
120‧‧‧管線
122‧‧‧分子篩
124‧‧‧管線
126‧‧‧管線
128‧‧‧回流管線
130‧‧‧閉鎖配件
132‧‧‧煙囱
134‧‧‧流出管線
136‧‧‧閉鎖配件
138‧‧‧連接管線
140‧‧‧儲存容器
142‧‧‧管線
144‧‧‧管線
146‧‧‧管線
148‧‧‧管線
150‧‧‧供電設備
152‧‧‧電池
154‧‧‧充電設備
156‧‧‧內燃機
158‧‧‧發電機
160‧‧‧輸送管線
D‧‧‧細部圖
N2‧‧‧氮
Claims (29)
- 一種圍阻體保護系統(2)，用於處理核能設施(6)，發生嚴重事故時在圍阻體(4)內釋出大量氫(H2)及蒸氣形成的氣體氣氛，並具有一與該圍阻體(4)連接並構成流體流從該圍阻體(4)出發再回到該圍阻體(4)之循環的管線系統(10、72、120、128)，此管線系統至少具有以下與流動有關的構件串聯在一起的：-- 一結合裝置(20)，其作用是使流體流所含的氫(H2)與氧(O2)結合成水(H2O)；-- 一設置在該結合裝置(20)之後的凝結裝置(74)，其作用是使流體流所含的蒸氣成分凝結，並具有將冷凝液(94)從流體流中引出的器具；-- 輸送流體流用的驅動器具(18、180)；其中設有一熱交換器(96)，其作用是使該凝結裝置(74)至少部分再冷卻，該熱交換器(96)的輸入端經由一管線(144)儲存容器(140)連接，該儲存容器(140)的作用是儲存作為冷卻劑用的惰性氣體，該熱交換器(96)的輸出端經由一輸送管線(148、160)與該圍阻體(4)連接，因此為使該凝結裝置(74)再冷卻而輸入的惰性氣體，可接著被用來使該圍阻體(4)惰性化。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中該冷卻劑用的惰性氣體是液態氮(N2)。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中該 熱交換器(96)是一惰性氣體蒸發器。
- 如申請專利範圍第3項的圍阻體保護系統(2)，其中該熱交換器(96)是一氮蒸發器。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中該結合裝置(20)具有多個串聯的催化反應區(34、42、46)。
- 如申請專利範圍第5項的圍阻體保護系統(2)，其中電加熱元件(40)至少可以將一反應區(34)加速。
- 如申請專利範圍第6項的圍阻體保護系統(2)，其中電熱反應區(34)具有多個環繞一共同的縱軸設置且帶有催化塗層的承載元件(36)，其中該等承載元件(36)均具有環形斷面且彼此被可讓流體流通過的間隙(38)隔開。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中在該結合裝置(20)前方設有一文居里噴嘴(24)，其作用是將流體流的流動速度加速至10至160m/s。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中具有一儲存氧用的儲存容器(64、188)，氧可以經由一氧輸送管線(68、186)流入該結合裝置(20)。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中具有一循環管線(62)，從該結合裝置(20)之輸出端流出的流體流的一子流可以經由該循環管線(62)回流至該結合裝置(20)的輸入端。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中該凝結裝置(74)具有一凝結容器(92)，在該凝結容器(92)的前面設有一流體流的冷卻裝置(91)，該冷卻裝置(91)是透過蒸發冷卻劑，產生再冷卻的作用。
- 如申請專利範圍第11項的圍阻體保護系統(2)，其中該蒸發冷卻劑為水。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中將一流體流的濕式洗滌設備整合到該凝結裝置(74)中。
- 如申請專利範圍第13項的圍阻體保護系統(2)，其中濕式洗滌設備的作用是將流體流所含的放射線微粒及氣溶膠透過冷凝水(94)分離出來。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中在該凝結裝置(74)的順流方向上有一流體的乾式過濾設備。
- 如申請專利範圍第15項的圍阻體保護系統(2)，其中該乾式過濾設備是一回流換熱式加熱分子篩(122)。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中在該凝結裝置(74)的順流方向上有一能夠以閉鎖配件(130)封閉住的流出管線(134)，其作用是讓流體流能夠向周圍環境緊急排氣。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中該凝結裝置(74)具有一收集該冷凝液(94)用的凝結容器(92)，其中內部裝有一冷凝液泵(108)的凝結容器(92)經由冷凝液回流管線(110)連接到該圍阻體(4)。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中存在一作為流體流的驅動器用的電動輸送風扇(18)。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中有一作為流體流的驅動器用的該輸送風扇(18)，其中該輸送風扇(18)是被從該儲存容器(140)流出的膨脹的惰性 氣體驅動。
- 如申請專利範圍第20項的圍阻體保護系統(2)，其中惰性氣體是氮N2。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中有一作為流體流的驅動器用的蒸氣噴射器(180)，其中該蒸氣噴射器(180)是被從回流換熱加熱熱水鍋爐(182)流出的水蒸氣驅動。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中流體流的驅動器用是沿該結合裝置(20)的逆流方向或該凝結裝置(74)的順流方向被設置在該管線系統(10、72、120、128)內。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中在該結合裝置(20)及該凝結裝置(74)之間有一被流體流驅動的蒸氣渦輪機(170)，其作用是驅動發電機(172)，使其產生操作圍阻體保護系統(2)所需的電力。
- 如申請專利範圍第1項的圍阻體保護系統(2)，其中該凝結裝置(74)及該結合裝置(20)均位於該圍阻體(4)之外。
- 如申請專利範圍第1至25項中任一項的圍阻體保護系統(2)，其中具有模組化標準貨櫃箱結構。
- 一種操作如申請專利範圍第1至26項中任一項的圍阻體保護系統(2)的方法，其中流體流及/或冷凝液基本上全部回流到圍阻體(4)內，不會釋放到周圍環境中。
- 如申請專利範圍第27項的方法，其中凝結裝置(74)及圍阻體保護系統(2)的其他構件再冷卻時被蒸發的惰 性氣體至少有一部分被導入該圍阻體(4)及/或反應爐結構，以使該圍阻體(4)及/或反應爐結構惰性化。
- 如申請專利範圍第28項的方法，其中惰性氣體是氮N2。
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