TWI690941B - 將放射性氣體及氫氣自一核反應器冷卻劑移除之方法 - Google Patents

將放射性氣體及氫氣自一核反應器冷卻劑移除之方法 Download PDF

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Abstract

一種基於嵌入溶解氣體移除膜之裝置，其用於將溶解氫氣及裂變氣體自來自一反應器冷卻劑系統之下泄流移除。

Description

將放射性氣體及氫氣自一核反應器冷卻劑移除之方法
本發明大體上係關於用於將溶解氣體自一核電廠中之反應器冷卻劑移除之一程序，且更特定言之，本發明係關於用於藉由使反應器冷卻劑通過一膜而將溶解氫氣及裂變氣體自該冷卻劑移除且藉由施加一真空而提取該等氣體之裝置。
在加壓水反應器工廠關閉期間，慣例做法係使反應器冷卻劑系統排水至低於反應器容器凸緣之一位準達到反應器容器冷卻劑出口噴嘴之中平面。該中平面與連接導向蒸汽產生器之「熱柱」配管之中平面重合。此排水准許在關閉期間檢查、測試及維修泵浦、蒸汽產生器、支撐結構及其他主要系統組件。 在反應器操作期間，由發生在核燃料中之裂變反應產生之一些裂變氣體(例如氙及氪)可進入反應器冷卻劑系統且溶解於反應器冷卻劑中。關閉之後但在加燃料及維修操作開始之前，必須減少放射性氣體及氫氣之濃度以避免對工廠維修檢查人員之過量輻射曝露且減少歸因於一潛在電火花點燃所包含大氣中之空氣及氫氣之一易燃混合之一爆炸之可能性。 先前已使用連接至反應器冷卻劑系統之一容積控制箱對反應器冷卻劑去氣。一般而言，該反應器冷卻劑系統主要包含諸如反應器容器、蒸汽產生器、反應器冷卻劑泵浦及連接配管之核蒸汽供應系統組件。容積控制箱係被稱為在去氣模式中藉由將溶解氫氣及放射性氣體閃蒸排出反應器冷卻劑且閃蒸至容積控制箱之蒸氣空間內來操作之化學及容積控制系統之系統之一部分。可在美國專利第4,647,425號中發現此一系統之一實例。 通常，一相對較少之反應器冷卻劑流(被稱為下泄流)自反應器冷卻劑系統且通過化學及容積控制系統轉向。此流首先經冷卻，接著在一混合床除礦質器中經純化，經過濾以移除溶解離子或懸浮粒子材料且行進至容積控制箱。 美國專利案第4,647,425號提出對此化學及容積控制系統程序之一改良且減少為反應器冷卻劑有效去氣所需之時間。由該專利提出之方法提供對一反應器冷卻劑系統真空去氣。該方法包括：將反應器冷卻劑系統排水至大約熱柱之中點；且在排水操作期間將該反應器冷卻劑系統維持於一不通風狀態中。接著，使蒸汽產生器之主側中之任何閃蒸之反應器冷卻劑回流。如在以上提及之專利中所使用，閃蒸之反應器冷卻劑意謂由於較低環境壓力而閃蒸成蒸汽相之液體冷卻劑。回流意謂冷凝及冷卻。大部分反應器冷卻劑以及回流之反應器冷卻劑通過一剩餘熱移除系統循環以冷卻反應器冷卻劑。在反應器冷卻劑系統上抽取一真空以抽出自該反應器冷卻劑除去之任何氣體。較佳地，在排水期間，使冷卻劑系統排水之步驟在不通風之反應器容器及反應器冷卻劑系統中建立一部分真空。該部分真空足以致使該反應器冷卻劑在反應器冷卻劑系統中之主流溫度下沸騰，藉以在排水步驟期間發生去氣。 圖1展示目前正使用之一真空去氣系統10之一先前技術實施例。下泄流在入口12處進入系統且被導引至一去氣器管柱容器16之一入口14，其中該下泄流通過一噴霧頭18進入該容器之內部。藉由去氣器真空泵浦36通過導管20在容器上抽取一真空。藉由排洩泵浦22自容器抽取未被蒸發之過量反應器冷卻劑，其中採用脈衝阻尼器24來消除由隔板排洩泵浦22產生之脈衝。通過排洩泵浦22抽取之冷卻劑排出至一固持槽26以返回至系統或清除。水蒸氣及自去氣器管柱16中之冷卻劑分離之不可冷凝之氣體繞線通過一除濕器28以移除任何夾帶之冷卻劑且被傳送至一蒸汽冷凝器30，該等水蒸氣及不可冷凝之氣體在蒸汽冷凝器30中與通過入口32進入蒸汽冷凝器且通過出口34離開蒸汽冷凝器之冷水為熱交換之關係。接著，藉由真空泵浦36將放射性氣體及氫氣抽取至一去氣器分離器38。接著，經分離之冷卻劑藉由去氣器分離器泵浦40抽取掉且排放至固持槽26。將放射性氣體及氫氣自去氣器分離器38排出通過蒸汽空間至反應器工廠放射性廢氣系統42。提供氮氣沖洗線44以在維修之前沖洗任何剩餘氫氣及放射性氣體。 此傳統做法要求大量能量來操作大真空泵浦、多個組件，例如，去氣器管柱、轉移泵浦、分離器容器、互連配管、閥及儀表；且需要顯著建築空間及支撐系統，例如冷卻/冷水。因此，儘管此等系統具有一長追蹤記錄，但仍期望進一步改良：將簡化設計、減少操作該系統所需之能量及裝納該系統所需之建築空間量，且減少該系統之資金及維修成本。
藉由用於將放射性氣體及氫氣自一反應器冷卻劑移除之一核反應器發電廠子系統達成此等及其他目標。該子系統包含裝納一膜之一接觸器，該膜將該接觸器之一內部劃分為一入口腔室及一出口腔室，其中該膜具有使放射性氣體及氫氣自入口腔室行進至出口腔室但防止反應器冷卻劑行進通過至出口腔室之細孔。一真空產生器連接至出口腔室以用於在該出口腔室上抽取一真空。一液體出口導管連接至入口腔室上之一出口噴嘴以用於將反應器冷卻劑之一去氣部分傳送至一所要位置。類似地，一氣體出口導管連接至出口腔室上之一出口噴嘴以用於將放射性氣體及氫氣傳送至一核反應器發電廠廢氣系統。 在一項實施例中，一「吹掃」氣體系統連接至出口腔室以用於將一相對較少之惰性氣體沖洗流供應於該出口腔室中且較佳地，該惰性氣體為氮氣。與施加一真空相組合之吹掃氣體增強用於移除溶解氣體之膜之效率，因此使所需之接觸器數目最小化。在另一實施例中，接觸器外殼包括並聯連接之複數個接觸器外殼。替代地，該等接觸器外殼可串聯連接。在另一實施例中，該等接觸器外殼包括複數個接觸器外殼，其中該複數個接觸器外殼之至少某些接觸器外殼並聯連接且該等並聯連接之接觸器外殼中之某些接觸器外殼與該複數個接觸器外殼中之至少一個其他接觸器外殼串聯連接。在另一實施例中，該等接觸器可在無一吹掃氣體之情況下操作，但可需要串聯及/或並聯之額外接觸器。
本發明利用氣體膜之一已知及已建立之技術來將溶解氣體自反應器冷卻劑移除。儘管此係一些應用之一已知及經證實之技術，但其先前並未用於處置在與一核反應器系統之主要冷卻劑介接中存在之輕度酸性及放射性溶液，如過去提出之替代反應器去氣系統所表明及在美國專利第4,647,425號之背景內容中闡述之先前技術之評估中所描述。 根據本發明，當需要處置所要流量及氣體移除程度時，分別裝納一氣體膜之一或多個替代「接觸器」串聯及/或並聯對準。主要含有溶解氫氣及放射性氣體(例如氙及氪)之液體以一相對較低之壓力進入接觸器且離開去氣至所要位準之膜。將一真空施加至膜之氣體側以將溶解氣體自液體拉動通過膜之壁中之微小細孔。此外，真空側上之一較少惰性氣體吹掃氣體(例如氮氣)流用於增強溶解氣體移除。此氣體流使所需接觸器數目最小化。入口及出口溶解氫氣分析器監測膜之效能。在圖2及圖3中繪示此一系統。圖2展示並聯之兩個接觸器46，儘管應明白，可根據需要並聯採用一個、三個或四個或更多接觸器來處置所需之流率。圖3展示如圖2中展示之並聯之兩個接觸器，其中一第三接觸器與並聯之兩個接觸器之輸出串聯以進一步減少可留存於去氣冷卻劑流內之氣體量。 返回參考圖2，下泄流在入口12處進入系統且分佈通過入口導管48至接觸器46上之入口50之各者。藉由真空泵浦54將一真空施加至氣體出口52處之膜之氣體側且在氣體入口56處自一氮氣源58引入一較少惰性氣體流(較佳為氮氣)。「惰性氣體」意謂將不與除去氣體(即放射性氣體或氫氣)反應以當排放至廢氣系統時形成一非所要或危險氣體混合物之一氣體。例如，可使用氦氣而不可使用氧氣。接觸器46內之膜具有足夠小以防止冷卻劑行進至氣體出口52但足夠大以使得氫氣及放射性氣體能夠行進通過膜之細孔。 此等接觸器係市售的，諸如購自北卡羅來納州夏洛特市之Membrana公司之Liqui-Cel。接著，去氣之冷卻劑在出口60處離開接觸器46且藉由出口導管62傳送至一固持槽26，該冷卻劑在固持槽26中可返回至反應器系統或被清除。可並聯配置處置再循環或清除所需那樣多容積的載氣冷卻劑所必需之那樣多接觸器46。接著，經提取之氫氣及放射性氣體及氮氣吹掃氣體藉由真空泵浦54循環至工廠放射性廢氣系統42。氮氣源58亦在氣體線中提供流量以沖洗系統之氣體離開側而用於維修。提供乾淨去礦物質水44之一源以用於沖刷接觸器之液體側且用於在維修之前進行配管。 圖3相同於圖2，除了一額外接觸器46定位成與圖2中展示之接觸器46之並聯配置串聯且提供另一去氣階段以增強離開系統之冷卻劑之純度。在整個系統中提供感測器以監測程序之功效。 儘管已詳細描述本發明之特定實施例，但熟習此項技術者將明白，鑒於本發明之整體教示可發展彼等細節之各種修改及替代。據此，所揭示之特定實施例關於被給予隨附申請專利範圍及其等任何及所有等效物之完整廣度之本發明之範疇僅為繪示而非限制性。
10‧‧‧真空去氣系統/去氣器系統 12‧‧‧下泄流入口 14‧‧‧去氧器槽入口/入口 16‧‧‧去氧器槽/去氣器管柱容器/去氣器管柱 18‧‧‧噴嘴/噴霧頭 20‧‧‧真空導管/導管 22‧‧‧排洩泵浦 24‧‧‧脈衝阻尼器 26‧‧‧固持槽 28‧‧‧除濕器 30‧‧‧蒸汽冷凝器 32‧‧‧入口/冷凝器入口 34‧‧‧出口冷凝器出口 36‧‧‧去氣器真空泵浦/真空泵浦 38‧‧‧去氣器分離器 40‧‧‧冷卻劑分離器泵浦/去氣器分離器泵浦 42‧‧‧放射性廢氣系統/工廠放射性廢氣系統 44‧‧‧去礦物質水/氮氣沖洗線 46‧‧‧接觸器 48‧‧‧入口導管 50‧‧‧接觸器入口/入口 52‧‧‧接觸器氣體出口/氣體出口 54‧‧‧真空泵浦 56‧‧‧氣體入口 58‧‧‧氮氣源 60‧‧‧冷卻劑出口/出口 62‧‧‧替換區/出口導管
當結合隨附圖式閱讀時，可自較佳實施例之以下描述取得對本發明之一進一步理解，其中： 圖1係一先前技術真空去氣系統之一示意佈局； 圖2係代替虛線內之圖1之系統之部分的本發明之組件之一實施例之一示意佈局；且 圖3係圖2之系統之一示意佈局，其中一額外接觸器外殼與接觸器外殼之兩個並聯配置串聯放置以進一步改良輸出之品質。
12‧‧‧下泄流入口
26‧‧‧固持槽
42‧‧‧放射性廢氣系統/工廠放射性廢氣系統
44‧‧‧去礦物質水/氮氣沖洗線
46‧‧‧接觸器
48‧‧‧入口導管
50‧‧‧接觸器入口/入口
52‧‧‧接觸器氣體出口/氣體出口
54‧‧‧真空泵浦
56‧‧‧氣體入口
58‧‧‧氮氣源
60‧‧‧冷卻劑出口/出口
62‧‧‧替換區/出口導管

Claims (8)

  1. 一種將放射性氣體及氫氣自一核反應器冷卻劑移除之方法，其包括： 將該核反應器冷卻劑轉向至並聯之一第一接觸器及一第二接觸器之各者之一入口腔室之一入口，其中並聯之該第一接觸器及該第二接觸器之各者與一第三接觸器串聯連接，又其中該第一接觸器、該第二接觸器及第三接觸器之各者裝納一膜，該等膜將該第一接觸器、該第二接觸器以及該第三接觸器之一內部劃分為該入口腔室及一出口腔室，又其中該等膜之各者具有使該等放射性氣體及氫氣自該入口腔室行進至該出口腔室但防止該核反應器冷卻劑行進通過至該出口腔室之細孔； 連接一真空產生器至該等出口腔室之各者； 在該等出口腔室之各者上抽取一真空； 將在該出口腔室內之該等放射性氣體及氫氣傳送至一廢氣系統；及 將該核反應器冷卻劑之一已去氣之部分運輸通過在該入口腔室內之一出口至一所要位置。
  2. 如請求項1之方法，更包括提供通過該出口腔室之一相對較少吹掃流之一惰性氣體之步驟。
  3. 如請求項2之方法，其中該惰性氣體係氮氣。
  4. 如請求項2之方法，其中該惰性氣體係氦氣。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一接觸器、該第二接觸器以及該第三接觸器包括複數個接觸器外殼，該等接觸器外殼具有並聯連接之各自之入口腔室。
  6. 如請求項1之方法，其中該第一接觸器、該第二接觸器以及該第三接觸器包括串聯連接之複數個接觸器外殼。
  7. 如請求項1之方法，其中該第一接觸器、該第二接觸器以及該第三接觸器包括複數個接觸器外殼，其中該複數個接觸器外殼中之至少某些接觸器外殼並聯連接且該等並聯連接之接觸器外殼中之某些接觸器外殼與該複數個接觸器外殼之至少一個其他接觸器外殼串聯連接。
  8. 如請求項1之方法，其中該轉向步驟發生於當一核反應器工廠正常運作中斷時。
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