[发明专利]灭火系统和方法、以及使用液态氮进行灭火和防爆

说明书

本申请是申请号为201380014598.3、申请日为2013年03月14日、发明名称为“核燃料和核反应堆的紧急与备用冷却系统、以及使用液态氮进行灭火和防爆”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年3月16日提交的美国临时申请No.61/611585的优先权权益，其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及核燃料和核反应堆的紧急与备用冷却系统。

背景技术

在核发电设施中，核反应堆芯(a/k/a，反应炉)内有核燃料棒，并且可以启动、控制和维持核燃料棒中的核连锁反应以产生热量。由核反应产生的热量由浸没核燃料棒的主循环冷却剂吸收，以保持稳定的操作温度。循环冷却剂限制了操作温度，从而控制核反应；在控制下的核反应所产生的热量，由循环冷却剂带走用于产生高压蒸汽以驱动涡轮机，涡轮机又驱动发电机产生电力。最常见类型的核反应堆使用闭式循环净化水作为主冷却剂，在沸水式反应炉中，净化水通过核反应煮沸成蒸汽以驱动涡轮机，再经外部循环冷却水冷凝回液相。外部循环冷却水来自大水体，例如海洋、河流或湖泊。在旧式的核反应堆设计，压水式反应炉(PWR)将反应炉的冷却剂与生成蒸汽以驱动涡轮机的热水分开。

核燃料包覆在不受辐射影响的锆合金管状棒中。这个组合称为燃料棒。在发电模式下的核反应堆操作期间，燃料棒包覆层的表面温度通常保持在约280℃。核反应尚可由控制棒调节，插在燃料棒之间的控制棒可吸收燃料棒中核反应生成的中子，以缓和并控制核反应。锆合金对于中子而言是透明的，这便是其用作核燃料的包覆层材料的原因。不幸的是，当加热至550℃或以上时，锆与蒸汽发生反应并生成氢，氢在高温和存在氧的情况下极易爆炸。在这类情况下，在核反应堆中或周围发生的爆炸必定会向环境中喷出极其危险的放射性物质。此外，燃料包覆层的崩解导致核燃料掉落到反应炉的底部，造成失控的核反应和持续升高的温度，这称为核熔毁。

即使关闭反应炉，并且停止激发连锁反应，核燃料也会继续其内在的衰变与核反应，由此生成的热量会自发地提高核反应速度直到用尽剩余的核反应材料。因此，冷却核材料至关重要，以期控制核反应低于可引发自行加速的阈值之下。高于该阈值时，核反应过程会自行加速而失控，并产生有害辐射，以及将放射性副产品释放到周遭环境。因此，无论核燃料棒是保存在反应炉中或是储存在反应炉外，始终都需要持续冷却核燃料棒。即使是用尽的核燃料，通常储存在冷水池中持续冷却若干年，才可安全移至干式的永久储存区。传统是用电动泵循环主冷却水与次冷却水，以冷却浸没其中的燃料棒；当事故发生、设备故障、停电或操作员失误时候，反应炉失去冷却功能时，燃料棒会迅速升温，导致自我推进式的持续增温和加速核反应，燃料棒会很快达到临界温度550℃及更高，此时，锆包覆层会与蒸汽发生反应。当燃料棒附近有水蒸汽时，锆和蒸汽立即发生反应而产生大量有爆炸性的热氢气。当热氢气与环境中任何形式的氧接触时，就会发生灾难性的爆炸，直到锆和核燃料都耗尽、或者环境彻底摧毁、直到启动了安全冷却系统，并且控制了温度。

Zr+4H₂O@～550C＝Zr(OH)₄+4H₂

另外，当锆合金壳在其与蒸汽发生反应期间崩裂时，核燃料芯块会掉落至钢质反应炉的底部，常规的控制机构无法控制它。在这种情况下，核燃料温度会更快速地持续升高，直到核燃料熔化并在反应炉底部形成核燃料池，这可烧穿反应炉壁进入围阻体的地面，甚至熔穿围阻体地面，暴露出熔融的核燃料，及其持续进行的核反应，并且释放大量放射性副产品到周遭环境中。这称为炉心熔毁。

在最近日本的福岛核反应堆危机的案例，电动冷却系统因为地震而故障，而备用的发电机也因海啸洪灾而故障。在六个反应炉中的燃料棒和储存用过燃料的冷水池都失去了冷却功能。

在海啸过后，日本政府和TEPCO(东京电力公司)经营者使用便携式发电机和泵将海水泵入电厂和反应炉以冷却过热的燃料棒。由于担心海水的高腐蚀性，在日本政府的要求下，美国军舰向福岛核电站运送了大量纯化水用于冷却核反应堆。不幸的是，无论是由海水或是纯化水生成的大量蒸汽与燃料棒上过热的锆包覆层(大于或等于550℃)相互作用，从而产生了大量氢气，导致重复性爆炸。

发明内容