用于核技術設施的反應堆外殼保護系統(tǒng)及相關操作方法
【專利說明】用于核技術設施的反應堆外殼保護系統(tǒng)及相關操作方法
[0001]本發(fā)明涉及一種反應堆外殼保護系統(tǒng)，用于在具有猛烈釋放氫氣和蒸汽的嚴重核事故情況下處理核技術設施的、尤其是核電站的反應堆外殼內的氣氛。此外，本發(fā)明還涉及一種用于操作這種系統(tǒng)的方法。
[0002]在核技術設施、尤其是核電站中的嚴重核事故(英語:Severe Accident)情況下，除了釋放蒸汽之外還會出現(xiàn)釋放大量的氫氣(尤其是通過在過熱的燃料棒套管上的已知鋯石一水反應)。在沒有應對措施的情況下，不能排除爆炸性的(也稱為會爆炸的)混合物，該混合物在失控的反應情況下對通常稱為反應堆外殼的安全封閉體(Sicherheitseinschluss)的完整性造成威脅。
[0003]此外，尤其是在較小的惰性化的沸水反應堆的反應堆外殼情況下(具有大約5，000至15，OOOm3的容積)，通過釋放不可液化的氫氣連同蒸汽而出現(xiàn)快速的壓力上升，該壓力上升會超過安全殼的設計壓力并且會直至崩潰壓力。
[0004]迄今，在一些情況中，反應堆外殼裝備以用于過濾地釋放壓力的系統(tǒng)(Venting，排氣)作為有效的應對措施。然而，在此導致釋放到環(huán)境中。雖然在使用現(xiàn)代的凈化和過濾方案情況下，宣稱放射性的排放很少，然而該行為原則上是不希望的。
[0005]在壓水反應堆設施的反應堆外殼內，通常有所謂的被動式自催化復合器(PARs)，然而其在惰性化的沸水反應堆設施情況下在用盡對于復合反應所需的氧氣之后損失其氫氣降除功能(Abbaufunkt1n)。在較老結構類型的沸水反應堆設施的大部分中，所安裝的氫氣降除系統(tǒng)僅僅針對低等至中等嚴重級別的規(guī)劃核事故來設計，使得其降除能力針對嚴重核事故直到核熔化情形都是不夠的。
[0006]本發(fā)明的任務是，提出一種反應堆外殼保護系統(tǒng)，其避免了迄今的解決方案的所述缺點，并且在惰性化的反應堆外殼情況下也能夠以很大程度上被動的(passive)方式并且盡可能沒有環(huán)境負擔地將氫氣的超壓狀態(tài)以及嚴重的聚集有效且快速地降除。此外，要提出一種用于操作這種系統(tǒng)的特別有利的方法。
[0007]根據本發(fā)明，針對裝置的任務通過獨立權利要求1的特征解決。根據本發(fā)明，針對方法的任務通過并列的權利要求23的特征解決。
[0008]有利的擴展方案和變形方案是從屬權利要求的主題，并且此外由具體的附圖描述中得到。
[0009]借助根據本發(fā)明的反應堆外殼保護系統(tǒng)，可以短期地將反應堆外殼中的氫氣降除，以及通過釋放蒸汽和大量的氫氣來防止反應堆外殼的過壓故障，而并不導致將放射性物質釋放到環(huán)境中。
[0010]借助能夠恢復的(rekuperativen)高速多級氧化和集成的凈化級/清洗單元與蒸汽冷凝的組合方法，可以在同時降低壓力的情況下在反應堆外殼中進行氫氣和蒸汽聚集。
[0011]為此，該系統(tǒng)在循環(huán)中連接到反應堆外殼上，使得在運行中并不導致有意釋放裂變產物。通過氫與氧成為水蒸氣的再結合及其冷凝，導致在反應堆外殼中的快速壓力降低。通過處于反應堆外殼中的蒸汽同樣在凈化階段中沉積而強化該壓力降低。在清洗階段中，收集放射性物質并且可以由此有目的地回饋到反應堆外殼的引導壓力的包圍物(Umschliessung)中，或者輸送給用于處理放射性廢水的設施。
[0012]根據本發(fā)明的系統(tǒng)的主要優(yōu)點可以總結如下:
[0013]?該系統(tǒng)可以沒有將裂變產物放射性地發(fā)射到環(huán)境中地工作。
[0014]?在任何時候，可替選的過濾式的壓力釋放是可能的，以便在任何時刻可靠地避免安全容器的崩潰。
[0015]籲反應堆建筑可以通過在蒸汽冷凝時用作冷卻劑的氮氣來惰性化，以防止由于氫氣泄露而在反應堆外殼外引起的點燃。
[0016]籲尤其是在惰性化的沸水反應堆一反應堆外殼情況下，可以防止安全容器的過壓崩潰并且同時在沒有發(fā)射到環(huán)境中的情況下解決氫氣問題。
[0017]籲關于所描述的問題方面，目前的舊設施可以提升到新一代(GEN3+)的設施設計的安全水平。
[0018]籲對于舊設施的加裝、尤其是在緊急情況中的可移動的使用通過以反應堆外殼結構方式的模塊化構造而得到支持。
[0019]籲由于能夠恢復的特點以及隨后的在嚴重核事故情況下使用反應堆外殼中存在的能量，該系統(tǒng)借助少量的外部輔助電能就可以應付，并且在很大程度上無源地工作。
[0020]?輔助電能可以沒有問題地通過可充電的電池、必要時與小的、可移動的柴油備用發(fā)電機、燃料電池等等連接來提供。
[0021]在下面借助附圖來進一步說明本發(fā)明的不同實施例。其中在各簡化的和示意性的視圖中:
[0022]圖1示出了反應堆外殼保護系統(tǒng)的第一變形方案，其用于在嚴重核事故情況下在核技術設施的反應堆外殼中降除壓力和降除氫氣，
[0023]圖2示出了帶有所連接的、根據圖1的反應堆外殼保護系統(tǒng)的沸水反應堆，
[0024]圖3示出了反應堆外殼保護系統(tǒng)的第二變形方案，
[0025]圖4示出了反應堆外殼保護系統(tǒng)的第三變形方案，以及
[0026]圖5示出了反應堆外殼保護系統(tǒng)的第四變形方案。
[0027]相同的或者作用相同的部件分別設置有相同的附圖標記。
[0028]在圖1和圖2中在示意性的總視圖中示出的反應堆外殼保護系統(tǒng)2(簡稱:保護系統(tǒng))用于尤其是在嚴重核事故的情況下(英語=Severe Accident)以及在猛烈釋放氫氣H2和/或蒸汽的事故情況下處理在核技術設施6、尤其是核電站的反應堆外殼4中的氣氛。保護系統(tǒng)2的任務尤其是在這種事故情形中將稱為反應堆外殼4的安全殼8或者安全容器內部空間中出現(xiàn)的過壓狀態(tài)降除，并且將能點燃的氫氣4的聚集物通過與氧氣O2的復合而降除和/或必要時通過惰性化來變得不危險。
[0029]為此目的，根據圖1的、其主要部件位于安全殼8外部的保護系統(tǒng)2包括輸送管路10，其連接到相關的、從核技術設施6的安全殼8向外引出的、并且能夠以閉塞裝置12封閉的流出管路14(其也稱為壓力卸載管路)連接(也參見圖2)。
[0030]例如借助電驅動馬達16來運行的輸送通風機18連接到輸送管路10中。如下面進一步闡述的那樣，輸送通風機18也可以更為下游地布置在輸送流體流的管路系統(tǒng)中。該輸送通風機18將反應堆外殼4中存在的氣體一蒸汽混合物輸送至布置在下游的復合裝置20，該復合裝置設計用于催化支持地并且無火焰地降除其中含有的氫氣H2，其中所述混合物在卸載過程開始時會具有例如大于IBar至1Bar的壓力。這里在圖1中，復合裝置20構建為組合的多級復合與冷卻裝置。在卸載操作中從反應堆外殼4通過流出管路14以及輸送管路10流動的氣體一蒸汽混合物在下文中也稱為流體流，或者模仿所謂的通風系統(tǒng)也稱為通風流(Ventstoom)，雖然在根據圖1的保護系統(tǒng)2的情況下不一定必須進行實際意義上的通風(帶有釋放到環(huán)境中的情況)。
[0031]首先，通過管路區(qū)段22輸送的、要處理的流體流經過文丘里噴嘴24或者類似的會聚一發(fā)散類型的噴嘴，并且在此加速到直達160米/秒的流動速度(在文丘里噴嘴24的喉部(Kehlstelle)測量)。
[0032]接著，即在下游，流體流經過能夠恢復的預熱器26，其中其通過熱傳遞被由于下游的催化反應而加熱的流體流(廢氣流)預熱。預熱器26在該情況中實施為U形管道，其對于流體流而言僅僅具有小的流動損失。
[0033]被預熱的流體流隨后通過管路28和輸入接管30進入到用作氧化裝置的復合裝置20的反應室32中，并且經過也稱為電熱式復合器的第一反應區(qū)34 (其被電加熱)，并且流體流中含有的氫氣H2和氧氣O2在其中進行無火焰的成為水蒸氣H2O的復合。在多米諾效應中，電引起的反應傳遞到周圍的集中布置的反應區(qū)(見下文)。
[0034]通過在H2復合中形成的反應熱，可以在啟動運行之后逐漸降低電加熱功率，而在進行中的反應并不中斷。4濃度越高，則通過輸送通風機18的相應功率調節(jié)可以將通量設置得越多(所謂的平滑通量運行(Gleitdurchsatzbetrieb))。
[0035]在該工藝部件內的流通路徑通過圍繞共同的縱軸線同心布置的多個圓柱殼形的承載元件36來限定，所述承載元件分別在其內表面和外表面設置有關于氫復合而言起催化作用的涂層，如從橫截面視圖中選取的細節(jié)視圖D中可看到的那樣。承載元件36典型地由金屬或者陶瓷或者包含金屬和/或陶瓷組分的復合材料制成。承載元件36的催化活性涂層通常包含鉑、鈀、釩和/或其他合適的稀有金屬。
[0036]至少在通過這種方式形成的、引導流動的中間室38的之一中，可替選地或者附加地在承載元件36中，布置有與縱軸線平行取向的、棒狀的電加熱元件40，更確切地說，優(yōu)選均勻地分布在環(huán)周上。在中央的間隙中也可以布置這種電加熱元件40或者加熱棒?？傮w上，由此在縱向延伸上并且也在整個橫截面上實現(xiàn)了通過承載元件36劃分的、第一反應區(qū)34的流動通道的盡可能均勻的加熱，以便于是在流體流的比較高的流動速度并且相應地小的停留持續(xù)時間情況下在第一反應區(qū)34中也開始以及支持催化反應。
[0037]緊接著第一反應區(qū)34，即按照流動來說連接在之后，被流體流流過的第二反應區(qū)42延伸，其按照廢氣技術中已知的散料催化劑或者碎片床式催化劑(Schuettbett-Katalysator)的方式構建，并且有助于尚未被第一反應級34所收集的氫氣和氧氣部分進行催化復合。
[0038]從第二反應區(qū)42出來的流體流被反方向地迫使流過該區(qū)段中圓頂狀成型的、反應室32的圍壁44旁，并且接著經過橫截面中環(huán)形的第三反應區(qū)46，該第三反應區(qū)向內通過第一反應區(qū)34的流動通道形成邊界，并且向外通過反應室32的在該區(qū)段中圓柱殼形的圍壁44形成邊界。
[0039]第三反應區(qū)46用于對經過兩個第一反應區(qū)34和42預先處理的流體流關于還要復合的剩余部分按照本身已知的、帶有低壓力損失的承