[发明专利]用于水冷式核反应堆的应急备用氢缓解无源系统

说明书

本发明涉及在冷却剂意外流失时利用催化氢复合原理无源移除核反应堆外壳中氢的改进系统。

设计常规水冷式核反应堆使得由于冷却剂意外流失(LOCA)对其外壳完整性的威胁降至最小。LOCA可以引起两个显著的问题。第一，反应堆冷却剂回路的损坏会导致热水和蒸汽喷射进入其外壳环境之中。尽管采用了某些系统对外壳进行散热，但外壳内的压力和温度仍可能上升至超过该外壳容器的设计极限。第二，当发生不仅涉及冷却剂流失而且涉及应急备用冷却剂注入失败的严重LOCA时，燃料温度的增加会导致主系统中残留蒸汽与燃料外壳中锆之间的高温反应。在严重的情况下，可能发生燃料外壳的完全氧化。该反应为放热反应并生成氢。该反应所产生的氢随蒸汽一起从主系统破损处进入反应堆外壳环境之中。在严重的事故中，氢的物质释放率可达1公斤/秒的数量级。除非采用了某些系统以维持氢浓度处于其自燃极限之下，否则将可能在反应堆外壳内生成潜在爆炸气体混合物。

水冷式核反应堆的新设计在缓解LOCA效应方面对供电、伺服水和操作人员的依赖。这些设计采用无源方式通过外壳壁将热从外壳环境中转移以便将外壳压力维持在设计极限之内。例如，利用钢外壳壁和来自架高水塔之外部水冷却提高热转移速度。外壳环境的热通过自然对流转移给外壳壁。来自破损处的热蒸汽与空气混合并上升至外壳顶部，通过与冷外壳壁的接触而被冷却。较冷、密度较大的混合物将下沉从而开始自然循环过程，其中外壳壁附近的气流下降而其中心区域的气流上升。在初始的放气阶段之后，外壳内的温度和压力上升，直到冷外壳壁以及其它任何冷表面上蒸汽的冷凝率等于破损处蒸汽的释放率为止。

常规反应堆设计采用了各种不同的方法以减缓氢生成。预惰性处理是其中的一种方法，它涉及当工厂正式投入使用之前或期间在外壳内形成氧枯竭环境。在外壳中注入某种惰性气体(通常为氮气)以取代空气，同时将该空气释放到周围空间，从而使氧浓度降低到氢燃烧所需水平以下。考虑到大型设计中固有的实际困难，预惰性处理通常仅用于小外壳情形。

对于中、大型外壳设计，通常考虑用氢引燃剂减少氢生成。在常规技术中，氢引燃剂分布在整个外壳内，特别是在那些可能具有高氢浓度的区域。当氢浓度超过引燃阀值时氢引燃剂便引起燃烧，从而通过缓慢的燃烧消除氢，同时将能量及时分布到空间。然而，使用氢引燃剂存在如下危险，即在某局部区域所产生的燃烧可能会传入邻近较敏感区域(即接近氢释放点的区域)或排放到邻近的可燃区域(即所谓喷射引燃)，并且其传播比预期更为剧烈。这将导致由燃烧变为爆燃(TDD)，这将对外壳的结构和设备产生极大的负载。有意引燃方法的另一个缺点是混合作用和对混合气体有意引燃所产生之燃烧类型的不可预见性。这种不确定性激励人们寻求不用燃烧而去除氢的方法。另外，依赖于交流电力的引燃剂在供电故障时不能使用，电池供电的引燃剂由于其有限的能量而局限于间断工作，催化引燃剂的局限则在于其可引燃之混合气体的范围、其响应时间及其对毒化、污染或机械损坏的敏感性。因此，常规技术采用了其它维持氢浓度低于燃烧极限的方法，而只有当该其它方法无效时才依靠有意引燃的方式。

上述其他方法之一是采用氢复合装置。氢复合装置将氢与氧结合生产水，从而降低外壳中的氢浓度。与热复合装置不同，催化复合装置为自启动的，且无需外加动力，从而可用作部分无源系统。尽管已推荐在外壳内使用催化氢复合装置，但实践中由于若干原因它们并未得到广泛的应用。在常规大型反应堆的实际设计中，采用外壳大气混合方式稀释整个外壳中由破损源产生的氢。这种方式被认为是有效的，因为大外壳体积能够在达到燃烧极限水平之前稀释相当大量的氢。这可提供充分的时间以便采取应急行动处理LOCA。

为了有效地工作，氢复合装置需要较高的空气流速。常规为实现外壳冷却所用之外壳大气自然循环方式，一般不能产生足够高的流速而提供有效的无源氢复合装置以处理大外壳体积。同时，由于外壳中存在机械装置和空间，由LOCA所导致的自然对流模式极难预测或建模，从而为无源氢复合装置选择最佳位置充其量也是不精确的。所以，通常考虑将氢复合装置设置在换气管线内，其中通过风扇对部分外壳大气进行循环。显然这不是无源系统，且其在循环风扇失去动力时将失效。已经提出了各种各样的方法改善对复合装置的气流。在DE3035103专利中，提出了采用垂直轴杆和杆内加热装置而借助烟囱效应改善对复合装置的气流。当该轴杆对复合装置产生通道气流时，依靠外部动力而采用电加热器产生向上的气流。另外，大尺寸轴杆在其与外壳中设备之集成方面产生了显著的实际困难。