TWI576857B - 低壓反應爐安全系統及方法 - Google Patents

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TWI576857B TW102108102A TW102108102A TWI576857B TW I576857 B TWI576857 B TW I576857B TW 102108102 A TW102108102 A TW 102108102A TW 102108102 A TW102108102 A TW 102108102A TW I576857 B TWI576857 B TW I576857B
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馬克Ａ 柏格曼
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奇異日立核能美國有限公司
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Description

低壓反應爐安全系統及方法
圖1係一習用商業核電反應爐以及用於該習用商業核電反應爐之各種安全及冷卻系統之一示意圖。如圖1中所展示，一反應爐10定位於一圍封結構1之內部。在反應爐10之操作期間，液態水冷卻劑及緩和劑透過通常連接至一散熱器及流體冷卻劑源(如由一湖或河冷卻之一冷凝器)之主給水管路60進入反應爐10。再循環泵20及主再循環迴路25驅迫液體向下流動穿過反應爐10之一底部，在此處液體然後向上行進穿過包含核燃料之核心15。當將熱自核心15中之燃料轉移至液態水冷卻劑時，該冷卻劑可沸騰，從而產生經驅動至反應爐10之頂部且透過一主蒸汽管路50排出之蒸汽。主蒸汽管路50連接至一渦輪機及配對發電機以自蒸汽中之能量產生電。一旦已自蒸汽提取能量，蒸汽通常即冷凝且經由給水管路60返回至反應爐10。
在再循環泵20出故障及/或來自主給水管路60之液態冷卻劑損耗之例項中，諸如在其中對電網之接達被切斷之一電廠停電事件中，反應爐10通常跳脫以便停止透過分裂產生熱。然而，繼此一跳脫之後在核心15中仍產生顯著量之衰變熱，且可需要額外流體冷卻劑來維持安全核心溫度並避免反應爐10過熱或損壞。在此等情景中，諸如一反應爐核心隔離冷卻(RCIC)渦輪機40或較高輸出高壓噴射冷卻(HPIC)渦輪機之主動緊急冷卻系統(舉例而言)使用藉由衰變熱在核心15中產生之蒸汽操作以驅動渦輪機。在此例項中，來自主蒸汽管路50之流被轉向 至RCIC管路55。然後，RCIC渦輪機40可驅動一RCIC泵41，RCIC泵41經由RCIC抽吸管路35及噴射管路42將液態冷卻劑自一抑壓池30或凝液儲存槽31噴射至主給水管路60中。所噴射液態冷卻劑將反應爐10中之一冷卻劑液位維持於核心15以上且轉移衰變熱遠離核心15，從而防止燃料損壞。離開RCIC渦輪機40之飽和蒸汽可藉由經由RCIC排氣管路43排放至抑壓池30中而冷凝於抑壓池30中。
RCIC渦輪機40通常需要150磅/平方英吋之一最小蒸汽壓力以便驅動RCIC泵41經由噴射管路42及抽吸管路35將液態冷卻劑噴射至主給水管路60中。來自反應爐10之一出口之主蒸汽管路50中之壓力在停機8至20個小時之後通常將降至150磅/平方英吋以下，此時RCIC渦輪機40及其他較高壓噴射系統將不運行。此時，較低壓停機冷卻劑噴射系統(未展示)經啟動且使來自電網或(在電廠停電事件中)緊急柴油發電機之電流掉。只要一電源可用，較低壓噴射系統即可維持核心15中之安全溫度及流體液位直至可達到冷停機或暫態情況已結束且核心15可透過分裂重新開始產生電力。世界各地監管機構通常需要包含RCIC系統及電動式較低壓遞送系統之此等主動系統作為在涉及冷卻劑損耗及/或廠外電力損耗之暫態情景中避免核心過熱及損壞之唯有機構。
實例性實施例包含用於在停機後藉助連接至一核反應爐之一被動噴射裝置冷卻該反應爐之方法及系統，該被動噴射裝置使用一局部高能流體驅動噴射而將一冷卻劑噴射至該反應爐或用於該反應爐之一蒸汽產生器中。實例性實施例噴射裝置使用具有包含較低極限之壓力範圍之流體進行工作，該等較低極限低於用於操作之核反應爐中之彼等極限及用於在停機後驅動習用冷卻劑噴射系統之彼等極限。局部高能流體可由反應爐自身供應；舉例而言，在一沸水反應爐(BWR)中， 被動噴射裝置可使用藉由加熱反應爐中之一冷卻劑形成之蒸汽。類似地，在一壓水反應爐中，被動噴射裝置可使用來自一蒸汽產生器之蒸汽且將冷卻劑噴射至該壓水反應爐中。實例性實施例噴射裝置可在不具有活動部件或電之情況下藉由以下方式被動地噴射冷卻劑：使用局部高能流體抽吸及/或挾帶冷卻劑且將經混合流體及冷卻劑遞送至反應爐。舉例而言，一噴射裝置可係使流體加速以形成一壓降且將冷卻劑汲取至流體流(其然後噴射至反應爐中)中之一文氏管。一實例性文氏管可包含：一流體入口，其接收高能流體源，該高能流體源然後流動穿過一變窄區段以引起加速及壓降；一冷卻劑入口，其在變窄區段處，透過該變窄區段汲取及挾帶冷卻劑；及一出口，在此處將混合物噴射至核反應爐中。舉例而言，在一輕水反應爐中，冷卻劑可係自一抑壓池或其他經冷凝源汲取之液態水。
實例性方法包含在一冷卻劑源與反應爐之間安裝一被動低壓相容噴射裝置且給該被動低壓相容噴射裝置供應一高能流體。舉例而言，可在連接至一BWR之一主蒸汽管路之一RCIC管路外安裝一文氏管，其中文氏管在一RCIC抽吸管路上，其中該文氏管可自一抑壓池或凝液槽汲取水且使用來自主蒸汽管路之蒸汽將水噴射至反應爐中。實例性方法可進一步包含操作一或多個閥以藉由為噴射裝置提供通往各種冷卻劑及流體源之流體連接而選擇性地操作該噴射裝置。無論何時期望至反應爐中之冷卻劑噴射皆可執行此操作，諸如在繼一完全電廠停電暫態之後的停機後(在反應爐壓力已下降至RCIC及其他主動噴射系統無法操作之位準之後)，以便繼此一暫態之後維持至反應爐之冷卻劑達數天或數個星期。
10‧‧‧反應爐壓力容器
15‧‧‧核心
20‧‧‧再循環泵
25‧‧‧再循環迴路
30‧‧‧抑壓池
31‧‧‧凝液儲存槽
35‧‧‧抽吸管路
40‧‧‧反應爐核心隔離冷卻渦輪機
41‧‧‧反應爐核心隔離冷卻泵
42‧‧‧噴射管路
43‧‧‧反應爐核心隔離冷卻排氣管路
50‧‧‧主蒸汽管路
55‧‧‧反應爐核心隔離冷卻管路
60‧‧‧主給水管路/給水管路
100‧‧‧實例性實施例系統
110‧‧‧低壓噴射裝置/文氏管
111‧‧‧文氏管變窄區段
112‧‧‧文氏管擴散器區段
135‧‧‧轉向管
142‧‧‧噴射轉向管路
155‧‧‧主蒸汽轉向管路
藉由詳細闡述隨附圖式，實例性實施例將變得更顯而易見，其中相似元件由相似元件符號表示，該等元件符號僅以圖解說明方式給 出且因此不限制其繪示之術語。
圖1係一習用商業核反應爐冷卻劑噴射系統之一示意圖。
圖2係一實例性實施例被動低壓冷卻劑噴射系統之一示意圖。
圖3係可在實例性實施例系統中使用之一實例性實施例文氏管之一圖解說明。
此係一專利文件，且當閱讀並理解該專利文件時應應用一般廣泛解釋規則。此文件中所闡述及展示之每一事物係歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內之標的物之一實例。本文中所揭示之任何特定結構及功能細節僅出於闡述如何製作及使用實例性實施例之目的。本文中未具體揭示之數項不同實施例歸屬於申請專利範圍範疇內；如此，申請專利範圍可以諸多替代形式體現且不應理解為僅限於本文中所陳述之實例性實施例。
將理解，雖然本文中可使用術語第一、第二等來闡述各種元件，但此等元件不應由此等術語限制。此等術語僅用來區分一個元件與另一元件。舉例而言，在不背離實例性實施例之範疇之情況下，可將一第一元件稱作一第二元件，且類似地，可將一第二元件稱作一第一元件。如本文中所使用，術語「及/或」包含相關聯之所列舉物項中之一或多者之任一組合及所有組合。
將理解，當稱一元件「連接」、「耦合」、「配合」、「附接」或「固定」至另一元件時，其可直接連接或耦合至另一元件，或可存在介入元件。相比而言，當稱一元件「直接連接」或「直接耦合」至另一元件時，不存在介入元件。用來闡述元件之間的關係之其他措辭應以一相似方式解釋(例如，「在…之間」對「直接在…之間」、「毗鄰」對「直接毗鄰」等)。類似地，諸如「以通信方式連接」之一術語包含兩個裝置(包含以無線方式或非無線方式連接之中間裝置、網路等) 之間的資訊交換路線之所有變化形式。
如本文中所使用，單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」意欲包含單數形式及複數形式兩者，除非語言藉助如「僅」、「單個」及/或「一個」之措辭另有明確指示。將進一步理解，當本文中使用術語「包括(comprise)」、「包括(comprising)」、「包含(includes)」及/或「包含(including)」時，其規定存在所述特徵、步驟、操作、元件、概念及/或組件，但並不自身排除存在或添加一或多個其他特徵、步驟、操作、元件、組件、概念及/或其群組。
亦應注意，下文所論述之結構及操作可不以圖中所闡述及/或所述之次序出現。舉例而言，取決於所涉及之功能性/動作，可事實上同時執行或有時可以相反次序執行連續展示之兩個操作及/或圖。類似地，可重複地、個別地或順序地執行下文所闡述之實例性方法內之個別操作以便提供除下文所闡述之若干單個操作以外之循環操作或其他系列之操作。應假定，具有下文所闡述之特徵及功能性(以任何可行組合形式)之任何實施例歸屬於實例性實施例之範疇內。
申請人已認識到，電廠緊急電力系統(包含自給電池及緊急柴油發電機)可能在與特定電廠暫態期間對電網之接達失敗之混雜組合中變得不可用。亦即，切斷廠外電力之一暫態事件亦可使得緊急柴油發電機不可用。在此一情形中，諸如RCIC渦輪機40及泵41之主動高壓噴射系統可將流體冷卻劑流提供至一反應爐10以自反應爐10移除衰變熱達數個小時；然而，一旦反應爐壓力降至高壓噴射系統之操作壓力以下(通常在暫態事件之一天內)，即必須起始低壓噴射系統以將液態冷卻劑補給提供至仍在產生大量衰變熱之反應爐10。若緊急柴油發電機及本地電力網接達係不可用的，則習用低壓噴射系統無法操作，且基於電池之系統不足以防止核心15中之液態冷卻劑液位因衰變熱所致之最終損耗，從而大大增加了燃料損壞之風險。
如此，申請人已認識到對在不具有電池或電網之情況下可用之可靠反應爐液態冷卻劑噴射之一意想不到的需要，可靠反應爐液態冷卻劑噴射在切斷廠外電力及本地緊急發電兩者之一暫態事件之後起動幾乎一天或持續數個星期。申請人已識別出，在進行恰當裝置及系統工程設計之情形下，使用諸如來自反應爐10之處於150磅/平方英吋以下之低壓蒸汽之一蒸汽源可給某些裝置供應動力，該等裝置能夠以較低但充足流率將液態冷卻劑噴射至反應爐10中以防止核心15變得無保護或過熱達數個星期。下文所論述之實例性實施例系統及方法以獨特且有利的方式解決並克服由申請人識別出之此等問題。
圖2係可在習用及未來水冷卻式核電廠中使用之一實例性實施例被動低壓噴射系統100之一示意圖。應理解，雖然在一習用BWR中使用輕水作為一液態冷卻劑而展示了實例性實施例100，但可使用其他電廠及冷卻劑類型作為實例性實施例。圖1與圖2之間共用之參考字元標示可在現有系統中且省略其冗餘闡述之電廠組件。
如圖2中所展示，實例性實施例系統包含可操作以將冷卻劑自一源(諸如抑壓池30及/或凝液儲存槽31)噴射至反應爐10中之一低壓噴射裝置110。低壓噴射裝置110可在低於操作習用高壓系統(諸如RCIC渦輪機40)所需要之彼等壓力之壓力下操作以便在較低壓力下並行地將冷卻提供至反應爐10。低壓噴射裝置110可在習用高壓系統操作之壓力下操作，從而另外允許低壓噴射裝置110補充此等較高壓系統。
舉例而言，低壓噴射裝置110可係一文氏管裝置，該文氏管裝置自反應爐10接收蒸汽、使該蒸汽通過一文氏管(該文氏管使該蒸汽加速且引起一抽吸/壓降，藉此自抑壓池30及/或凝液儲存槽31汲取及挾帶液態冷卻劑)，然後將合成的蒸汽-液體混合物噴射至反應爐10中以補給反應爐10之液態冷卻劑體積。在圖3中展示用於低壓噴射裝置110之此一實例性文氏管。舉例而言，如圖3中所展示，可將來自一反應 爐10之相對較低壓蒸汽自主蒸汽轉向管路155投送至文氏管110中。在文氏管110之一變窄區段111中，依據伯努利(Bernoulli)原理，蒸汽可隨著所產生壓降或抽吸而增加速度。在此實例中，該抽吸將液態冷卻劑自抽吸轉向管路135汲取至文氏管110中，在此處冷卻劑被挾帶於穿過文氏管110之蒸汽流中。文氏管110可包含一擴散器區段112，擴散器區段112降低所得液態冷卻劑/蒸汽流之流動速度且增加其壓力至經由噴射轉向管路142噴射至反應爐10中必需之壓力，或增加至用於與實例性實施例系統相容之某些其他所要壓力及速度。液態冷卻劑亦可在混合時使穿過文氏管110之一顯著部分之蒸汽流冷凝，從而產出甚至更多液態冷卻劑以用於噴射至反應爐10中。假定文氏管110在其中操作之實例性實施例系統100之配置、參數及預期暫態條件，則文氏管110可經定大小為一直徑及長度且以其他方式經組態(諸如在變窄區段111之角度及/或擴散器區段112之存在方面)以將所要流特性提供至反應爐10。
文氏管110通常包含少許或未包含活動部件且只要來自反應爐10之一經最低程度加壓蒸汽流連接至文氏管110即可被動地提供抽吸及液態冷卻劑挾帶/噴射。舉例而言，文氏管110可在完全低於RCIC渦輪機40之一操作壓力之大約每平方英吋150磅至50磅或更少下操作以自抑壓池30/凝液槽31汲取及挾帶流體。類似地，文氏管110可在完全高於每平方英吋150磅之壓力下操作以補充或替換任何RCIC渦輪機40及泵41或其他高壓噴射系統。此外，文氏管110可具有極少能量損耗，從而准許自經加壓蒸汽流至液態冷卻劑噴射之高效能量轉移。舉例而言，在由商業核反應爐產生之典型衰變熱之情況下，文氏管110可能夠在反應爐10中之壓力將不足以使文氏管110操作且維持所需液態冷卻劑噴射之前可靠地噴射充足液態冷卻劑以將冷卻劑液位維持於核心15以上達數天或數個星期。另外，文氏管110可係相對簡單及可靠的 (不需要外部電力或活動部件)以便在簡單安裝及製作之情況下甚至在涉及緊急狀況及完全電廠停電之暫態中呈現極少故障機會。
儘管圖3之實例性實施例展示用於低壓噴射裝置110之一特定文氏管，但應理解，可使用其他可靠之低壓噴射裝置代替實例性實施例系統100中之一文氏管。舉例而言，低壓噴射裝置110可係一阻流片、一噴嘴、抽氣機及/或可僅使用較低壓蒸汽將液態冷卻劑可靠且被動地驅動至反應爐10中之任何其他裝置。
在一實例性實施例冷卻劑系統100中，低壓噴射裝置110連接至一蒸汽源、一液態冷卻劑源及一反應爐入口以遞送所挾帶之液態冷卻劑。取決於一反應爐及相關聯冷卻劑系統之配置，可以數種靈活方式構成此等源及連接。如圖2中所展示，舉例而言，低壓噴射裝置110可經由RCIC管路55及一隔離主蒸汽轉向管路155連接至反應爐10之一主蒸汽管路50。抽吸轉向管路135可經由習用抽吸管路35將低壓噴射裝置110連接至諸如抑壓池30及/或凝液補給槽31之液態冷卻劑源。低壓噴射裝置110可經由噴射轉向管路142將其所挾帶之液態冷卻劑往回噴射至噴射管路42中以用於透過主給水管路60遞送至反應爐10。主蒸汽轉向管路155、抽吸轉向管路135及噴射轉向管路142中之任一者或全部可包含透過自動或手動閥啟動准許低壓噴射裝置110之隔離或啟動之閥。舉例而言，可在主蒸汽轉向管路155、抽吸轉向管路135及/或噴射轉向管路142中使用簡單擺動止回閥以在需要時可靠地操作低壓噴射裝置110。
當然，可以具有對一蒸汽源、一液態冷卻劑源之接達且至反應爐10之噴射之任何組態放置一文氏管或其他低壓噴射裝置110以便在實例性實施例系統100中與習用主動緊急冷卻系統大約並行地提供可靠低壓冷卻劑噴射。舉例而言，低壓噴射裝置110可直接定位於一散熱器及液態冷卻劑源(諸如一河或湖)與接達任何蒸汽源之反應爐10之 一入口之間以便將液態冷卻劑驅動至反應爐10中。類似地，低壓噴射裝置110可與RCIC渦輪機40及泵41直接並聯地定位且與此等或其他系統同時操作，及/或在此等或其他系統出故障之後旋即切換為專用。
如此闡述了實例性實施例及方法，熟習此項技術者將瞭解，實例性實施例可透過常規實驗而變化及替代同時仍歸屬於以下申請專利範圍之範疇內。舉例而言，儘管連同在核電廠中使用輕水作為一液態冷卻劑之BWR一起闡述了實例性實施例，但應理解，可連同其中可使用高能流體輸入挾帶一冷卻劑且將該冷卻劑噴射至包含重水、氣體冷卻式及/或熔鹽反應爐之反應爐或該反應爐之一散熱器/蒸汽產生器中之任何反應爐冷卻系統一起使用實例性實施例及方法。舉例而言，過熱化氦冷卻劑可自一球床反應爐輸出轉向且轉向至一實例性實施例噴射裝置(諸如一孔口板或文氏管)中且用於被動地汲取並挾帶較冷氦或另一流體冷卻劑以用於以相對低壓力噴射至反應爐中以維持核心溫度及/或冷卻劑流。此等變化形式不應視為背離以下申請專利範圍之範疇。
10‧‧‧反應爐壓力容器
15‧‧‧核心
20‧‧‧再循環泵
25‧‧‧再循環迴路
30‧‧‧抑壓池
31‧‧‧凝液儲存槽
35‧‧‧抽吸管路
40‧‧‧反應爐核心隔離冷卻渦輪機
41‧‧‧反應爐核心隔離冷卻泵
42‧‧‧噴射管路
43‧‧‧反應爐核心隔離冷卻排氣管路
50‧‧‧主蒸汽管路
55‧‧‧反應爐核心隔離冷卻管路
60‧‧‧主給水管路/給水管路
100‧‧‧實例性實施例系統
110‧‧‧低壓噴射裝置/文氏管
135‧‧‧轉向管
142‧‧‧噴射轉向管路
155‧‧‧主蒸汽轉向管路

Claims (10)

  1. 一種用於補充一核反應爐(10)中之一主要主動冷卻劑系統之冷卻劑噴射系統(100)，該系統包括：一噴射裝置(110)；一蒸汽連接(155)，其將蒸汽自該核反應爐(10)連接至該噴射裝置(110)；一冷卻劑連接(135)，其將一液態冷卻劑自一液態冷卻劑源(30/31)連接至該噴射裝置(110)；及一出口連接(142)，其將該蒸汽及該液態冷卻劑連接至該核反應爐(10)，其中該噴射裝置(110)經組態以將該液態冷卻劑挾帶於該蒸汽中。
  2. 如請求項1之系統(100)，其中該蒸汽處於小於每平方英吋150磅之壓力。
  3. 如請求項1之系統(100)，其中該噴射裝置(110)係包含一變窄區段(111)之一文氏管，其經組態以增加流動穿過該變窄區段(111)之該蒸汽之一速度且減小該蒸汽之一壓力。
  4. 如請求項3之系統(100)，其中該文氏管(110)進一步包含經組態以增加該所挾帶之液態冷卻劑及蒸汽之一壓力之一擴散器區段(112)。
  5. 如請求項1之系統(100)，其中，該核反應爐(10)係一輕水反應爐，該主要主動冷卻劑系統係一反應爐核心隔離冷卻渦輪機(40)及泵(41)，該蒸汽連接(155)係將該反應爐(10)之一主蒸汽管路(50)連接至該噴射裝置(110)之一管路， 該冷卻劑連接(135)係將該反應爐(10)之一抑壓池(30)連接至該噴射裝置(110)之一管路，且該出口連接(142)係將該噴射裝置(110)連接至該反應爐(10)之一主給水管路(60)之一管路。
  6. 如請求項1之系統(100)，其中該噴射裝置(110)經組態以挾帶在該反應爐僅產生衰變熱時足以維持該反應爐(10)中之一液態冷卻劑液位的一體積流率之該液態冷卻劑。
  7. 一種核反應爐冷卻系統(100)，其包括：一高能流體源(50)；一核反應爐(10)或用於該核反應爐之一散熱器，其中該核反應爐(10)或該散熱器包含僅使用來自該反應爐之能量將緊急冷卻提供至該反應爐(10)之至少一個主動渦輪機(40)及泵(41)；一冷卻劑源(30/31)；一噴射裝置(110)，其與該流體源(50)、該冷卻劑源(30/31)及該核反應爐(10)或該散熱器流體連通，其中該噴射裝置(110)經組態以使用該高能流體源將一冷卻劑自該冷卻劑源(30/31)被動地噴射至該核反應爐(10)或該散熱器中。
  8. 如請求項7之系統，其中該噴射裝置(110)經組態以藉由用一抽吸將該冷卻劑汲取至該噴射裝置(110)中且將該冷卻劑挾帶於該高能流體源中而被動地噴射該冷卻劑。
  9. 如請求項7之系統，其中該噴射裝置(110)未包含活動部件。
  10. 如請求項7之系統，其中該高能流體係具有低於每平方英吋150磅之一壓力之蒸汽，且其中該至少一個主動渦輪機(40)及泵(41)在該壓力下無法操作。
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