本申請是申請?zhí)枮?01380014598.3、申請日為2013年03月14日、發(fā)明名稱為“核燃料和核反應(yīng)堆的緊急與備用冷卻系統(tǒng)、以及使用液態(tài)氮進(jìn)行滅火和防爆”的專利申請的分案申請。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2012年3月16日提交的美國臨時申請no.61/611585的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其全部內(nèi)容以引用的方式并入本文。

本發(fā)明涉及核燃料和核反應(yīng)堆的緊急與備用冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在核發(fā)電設(shè)施中，核反應(yīng)堆芯(a/k/a，反應(yīng)爐)內(nèi)有核燃料棒，并且可以啟動、控制和維持核燃料棒中的核連鎖反應(yīng)以產(chǎn)生熱量。由核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由浸沒核燃料棒的主循環(huán)冷卻劑吸收，以保持穩(wěn)定的操作溫度。循環(huán)冷卻劑限制了操作溫度，從而控制核反應(yīng)；在控制下的核反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，由循環(huán)冷卻劑帶走用于產(chǎn)生高壓蒸汽以驅(qū)動渦輪機(jī)，渦輪機(jī)又驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。最常見類型的核反應(yīng)堆使用閉式循環(huán)凈化水作為主冷卻劑，在沸水式反應(yīng)爐中，凈化水通過核反應(yīng)煮沸成蒸汽以驅(qū)動渦輪機(jī)，再經(jīng)外部循環(huán)冷卻水冷凝回液相。外部循環(huán)冷卻水來自大水體，例如海洋、河流或湖泊。在舊式的核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，壓水式反應(yīng)爐(pwr)將反應(yīng)爐的冷卻劑與生成蒸汽以驅(qū)動渦輪機(jī)的熱水分開。

核燃料包覆在不受輻射影響的鋯合金管狀棒中。這個組合稱為燃料棒。在發(fā)電模式下的核反應(yīng)堆操作期間，燃料棒包覆層的表面溫度通常保持在約280℃。核反應(yīng)尚可由控制棒調(diào)節(jié)，插在燃料棒之間的控制棒可吸收燃料棒中核反應(yīng)生成的中子，以緩和并控制核反應(yīng)。鋯合金對于中子而言是透明的，這便是其用作核燃料的包覆層材料的原因。不幸的是，當(dāng)加熱至550℃或以上時，鋯與蒸汽發(fā)生反應(yīng)并生成氫，氫在高溫和存在氧的情況下極易爆炸。在這類情況下，在核反應(yīng)堆中或周圍發(fā)生的爆炸必定會向環(huán)境中噴出極其危險(xiǎn)的放射性物質(zhì)。此外，燃料包覆層的崩解導(dǎo)致核燃料掉落到反應(yīng)爐的底部，造成失控的核反應(yīng)和持續(xù)升高的溫度，這稱為核熔毀。

即使關(guān)閉反應(yīng)爐，并且停止激發(fā)連鎖反應(yīng)，核燃料也會繼續(xù)其內(nèi)在的衰變與核反應(yīng)，由此生成的熱量會自發(fā)地提高核反應(yīng)速度直到用盡剩余的核反應(yīng)材料。因此，冷卻核材料至關(guān)重要，以期控制核反應(yīng)低于可引發(fā)自行加速的閾值之下。高于該閾值時，核反應(yīng)過程會自行加速而失控，并產(chǎn)生有害輻射，以及將放射性副產(chǎn)品釋放到周遭環(huán)境。因此，無論核燃料棒是保存在反應(yīng)爐中或是儲存在反應(yīng)爐外，始終都需要持續(xù)冷卻核燃料棒。即使是用盡的核燃料，通常儲存在冷水池中持續(xù)冷卻若干年，才可安全移至干式的永久儲存區(qū)。傳統(tǒng)是用電動泵循環(huán)主冷卻水與次冷卻水，以冷卻浸沒其中的燃料棒；當(dāng)事故發(fā)生、設(shè)備故障、停電或操作員失誤時候，反應(yīng)爐失去冷卻功能時，燃料棒會迅速升溫，導(dǎo)致自我推進(jìn)式的持續(xù)增溫和加速核反應(yīng)，燃料棒會很快達(dá)到臨界溫度550℃及更高，此時，鋯包覆層會與蒸汽發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)燃料棒附近有水蒸汽時，鋯和蒸汽立即發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生大量有爆炸性的熱氫氣。當(dāng)熱氫氣與環(huán)境中任何形式的氧接觸時，就會發(fā)生災(zāi)難性的爆炸，直到鋯和核燃料都耗盡、或者環(huán)境徹底摧毀、直到啟動了安全冷卻系統(tǒng)，并且控制了溫度。

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另外，當(dāng)鋯合金殼在其與蒸汽發(fā)生反應(yīng)期間崩裂時，核燃料芯塊會掉落至鋼質(zhì)反應(yīng)爐的底部，常規(guī)的控制機(jī)構(gòu)無法控制它。在這種情況下，核燃料溫度會更快速地持續(xù)升高，直到核燃料熔化并在反應(yīng)爐底部形成核燃料池，這可燒穿反應(yīng)爐壁進(jìn)入圍阻體的地面，甚至熔穿圍阻體地面，暴露出熔融的核燃料，及其持續(xù)進(jìn)行的核反應(yīng)，并且釋放大量放射性副產(chǎn)品到周遭環(huán)境中。這稱為爐心熔毀。

在最近日本的福島核反應(yīng)堆危機(jī)的案例，電動冷卻系統(tǒng)因?yàn)榈卣鸲收希鴤溆玫陌l(fā)電機(jī)也因海嘯洪災(zāi)而故障。在六個反應(yīng)爐中的燃料棒和儲存用過燃料的冷水池都失去了冷卻功能。

在海嘯過后，日本政府和tepco(東京電力公司)經(jīng)營者使用便攜式發(fā)電機(jī)和泵將海水泵入電廠和反應(yīng)爐以冷卻過熱的燃料棒。由于擔(dān)心海水的高腐蝕性，在日本政府的要求下，美國軍艦向福島核電站運(yùn)送了大量純化水用于冷卻核反應(yīng)堆。不幸的是，無論是由海水或是純化水生成的大量蒸汽與燃料棒上過熱的鋯包覆層(大于或等于550℃)相互作用，從而產(chǎn)生了大量氫氣，導(dǎo)致重復(fù)性爆炸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供核燃料和核反應(yīng)堆的冷卻系統(tǒng)，包括：有入口部的核反應(yīng)堆；以及裝有液態(tài)氮的容器，所述容器有入口部流體連通的出口部，以使液態(tài)氮可從所述容器流入所述核反應(yīng)堆中。一個所述容器有入口部流體連通的出口部，以使液態(tài)氮可從所述容器流入所述核反應(yīng)堆中。

附圖說明

圖1是沸水式核反應(yīng)堆及其冷卻系統(tǒng)的側(cè)面示意圖；

圖2根據(jù)本發(fā)明的實(shí)體實(shí)施例：液態(tài)氮(ln)容器連接至反應(yīng)爐的冷卻劑入口/出口；

圖3根據(jù)本發(fā)明的實(shí)體實(shí)施例：液態(tài)氮容器通過熱致動閥連接至核反應(yīng)堆；

圖4根據(jù)本發(fā)明的實(shí)體實(shí)施例：液態(tài)氮大容器先連接至液態(tài)氮小容器，再經(jīng)過熱致動閥連接至核反應(yīng)堆；

圖5根據(jù)本發(fā)明的實(shí)體實(shí)施例：液態(tài)氮制作設(shè)施。

具體實(shí)施方式

一個或多個實(shí)體實(shí)施例使用液態(tài)氮(密度最大且有利于運(yùn)輸形式的氮)，和將液態(tài)氮從容器中釋放出來時所產(chǎn)生的冷氮?dú)?，對燃料棒和核反?yīng)室進(jìn)行緊急冷卻。除了現(xiàn)有的水冷系統(tǒng)之外，實(shí)體實(shí)施例還包括待安裝在如今的核電站中的液態(tài)氮備用冷卻系統(tǒng)以提高核能反應(yīng)爐的安全性。

氮?dú)馐嵌栊缘?。在一大氣壓下，其沸點(diǎn)為-196℃。液態(tài)氮是裝在隔熱性能良好的加壓容器中以維持其液相。將液態(tài)氮從其容器釋放至較溫暖或較小壓力的環(huán)境，不需要電力或泵送作用，所以，在無電力可用時，或是核反應(yīng)堆和燃料已經(jīng)過熱時，使用液態(tài)氮是一種高效、安全和快速的冷卻劑。此外，硼粉可結(jié)合液態(tài)氮或壓縮冷氮?dú)馕盏魪暮巳剂厢尫懦鰜淼闹凶?，從而進(jìn)一步抑制并減緩核反應(yīng)。

液態(tài)氮是一種極緊實(shí)、極冷和極易運(yùn)輸?shù)亩栊缘獨(dú)庠础６?，它在大氣壓下的溫度?196℃，遠(yuǎn)低于水的冰點(diǎn)，使得它在許多種類的應(yīng)用(包括用作開放式循環(huán)致冷劑或冷卻劑)中極為有用。

液態(tài)氮和氮?dú)饩哂谢瘜W(xué)惰性，不與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。接觸高溫物體后，液態(tài)氮蒸發(fā)產(chǎn)生的大量氮?dú)饪梢韵♂尣⑻娲渌诂F(xiàn)場的氣體，諸如氫氣或氧氣，使其成為能夠滅火的窒息性氣體，但是由于氧氣含量被稀釋，它可能對呼吸有害。

液態(tài)氮在其容器中會自我加壓。將液態(tài)氮從其容器中釋放出來時，液態(tài)氮會噴出來。容器內(nèi)壓力越高，則噴力越大，其射程也越遠(yuǎn)。

在一個緊急冷卻的實(shí)施例中，當(dāng)電力中斷、反應(yīng)爐和燃料棒可能過熱的時候，可立即噴灑反應(yīng)爐的外部，通過對流降低爐內(nèi)的溫度。同時，應(yīng)準(zhǔn)備將液態(tài)氮注入反應(yīng)爐，并且對準(zhǔn)燃料棒將液態(tài)氮直接注入反應(yīng)爐，以確保液態(tài)氮盡快到達(dá)燃料棒。這兩項(xiàng)措施均不需泵與電力。一種措施可將足夠大的、加壓的液態(tài)氮容器的出口連接至隔熱軟管。軟管用于噴灑反應(yīng)爐的外部，也可連結(jié)反應(yīng)爐的水/冷卻劑入口，并且可打開液態(tài)氮容器的出口閥。如果反應(yīng)爐的冷卻劑入口的入口閥尚未打開，則也應(yīng)打開該閥。在核事故發(fā)生之后，當(dāng)該地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)放射性物質(zhì)時，這些活動應(yīng)利用機(jī)器人或者由配有適當(dāng)保護(hù)裝備的訓(xùn)練有素的操作者完成。

當(dāng)出口閥打開時，在ln容器中的加壓液態(tài)氮會自動從容器中噴到外在環(huán)境，或者經(jīng)軟管進(jìn)入反應(yīng)爐中。如上所述，不需泵與電力達(dá)成這種噴射。也可將液態(tài)氮從其容器釋放到圍阻體內(nèi)，以冷氮?dú)鈬》磻?yīng)爐。或者，可使用壓縮氮?dú)馔皝韺?shí)現(xiàn)該目的。液態(tài)氮極易取得，其產(chǎn)生的氮?dú)膺h(yuǎn)大于它的容器；因此，它比壓縮氮?dú)飧走\(yùn)輸。將氮?dú)庾⑷胗醒鯕夂蜌錃獾沫h(huán)境中，大大地稀釋了氧氣和氫氣的密度和接近度，因此可防止由氫氣和氧氣之間的化學(xué)作用而引起的爆炸。

注入反應(yīng)爐的加壓液態(tài)氮和由液態(tài)氮得到的極冷氮?dú)鈺焖俅銣缛剂习?，冷凝水蒸汽，并且凍結(jié)爐內(nèi)的殘留水。在注入液態(tài)氮之前可能已經(jīng)有氫聚集在爐內(nèi)，此冷卻法將氫氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)幾乎降低至零，并且防止再生成氫氣。在冷卻燃料棒和反應(yīng)爐的過程中，從液態(tài)氮產(chǎn)生的氮?dú)庖卜浅＠洌⑶?，?dāng)其釋放至反應(yīng)爐外的大氣環(huán)境中時，氮?dú)鈺♂尣⒅脫Q了環(huán)境中的氧氣，從而大大降低了任何現(xiàn)場氫氣的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

此外，可在裝入液態(tài)氮之前，將硼粉或其它中子吸收材料或化合物置于液態(tài)氮容器內(nèi)部。通過利用液態(tài)氮的噴力，將混合后的硼粉與液態(tài)氮注入反應(yīng)爐。硼粉可吸收由核燃料衰變與核反應(yīng)所生成的中子，以減緩甚致中止核反應(yīng)。

在實(shí)施例中，一種方法是將用于核電廠的ln小容器的兩端安裝閥門及入口/出口。隨后，先將硼粉加入該具空的ln小容器中，再將ln裝入ln小容器。將其中一個入口連接至大液態(tài)氮源，并將另一個出口連接至目標(biāo)核反應(yīng)堆。首先，打開ln小容器出口閥門通往目標(biāo)核反應(yīng)堆室的入口閥門。接著，打開ln小容器的入口閥門，使來自ln大容器的ln流入裝有硼粉的ln小容器中。ln從大容器加壓噴出，通過裝有硼粉的小容器，接著進(jìn)入反應(yīng)爐，這會將硼粉噴灑入反應(yīng)爐并涂覆在反應(yīng)爐內(nèi)的物體上。在實(shí)施例中，將ln小容器先裝入部分硼粉，并且將容器繞著它的軸旋轉(zhuǎn)，藉由重力供料和ln噴力的結(jié)合，將硼粉連同ln一起噴入反應(yīng)室涂覆在燃料棒上。只需更換用盡的ln/硼容器就可重復(fù)該過程，直到燃料棒冷卻至足夠冷的溫度，而且核活性足夠低。

本發(fā)明的另一實(shí)施例是在核能反應(yīng)爐中安裝自動液態(tài)氮備用冷卻系統(tǒng)，其中，液態(tài)氮容器內(nèi)置或外接溫度和/或壓力致動閥，該溫度和/或壓力致動閥在預(yù)定閾值溫度或壓力下打開，注入ln到反應(yīng)爐。為此目的而構(gòu)成的ln容器還可包含兩個埠。一個埠可連接至核反應(yīng)堆室或圍阻體，且配備有預(yù)先設(shè)定了閾值溫度溫度，和/或預(yù)先設(shè)定了閾值壓力的壓力致動閥。第二埠可連接至現(xiàn)場可再裝填的ln大儲存罐。該埠可為通往大儲存罐的開放連接，或配備有壓力致動閥，當(dāng)ln小容器中大部份的ln注入到反應(yīng)爐而顯示壓力下降時，就會打開該閥。

可視情況用氮化硼等陶瓷隔熱體涂覆反應(yīng)爐，隔離注入反應(yīng)爐的氮與外部環(huán)境溫度，以利維持其低溫。

另一實(shí)施例是預(yù)先裝入ln隔熱容器(杜瓦瓶)所需量的硼粉。

另一實(shí)施例是現(xiàn)場備有額外的ln大儲存罐，該ln大儲存罐可以自動裝填ln至連在反應(yīng)爐上的ln小容器，該容器將ln注入反應(yīng)爐。

本發(fā)明的另一實(shí)施例可包括通過溫度計(jì)將裝滿ln的容器連接至圍阻體?，F(xiàn)場額外的ln大儲存罐可連接至ln容器(該ln容器可連接至圍阻體)，并且當(dāng)連在圍阻體上的ln杜瓦瓶的ln流入圍阻體而變空時，該ln大儲存罐自動裝填ln到ln杜瓦瓶。

另一實(shí)施例是一個現(xiàn)場ln大儲存罐以壓力自動將ln送入連在反應(yīng)爐上的ln杜瓦瓶，及連在圍阻體上的ln杜瓦瓶。

含有用過燃料的水池壁也可用隔熱材料涂覆，并且安裝隔熱池蓋。當(dāng)需要快速冷卻時，可將灌有l(wèi)n的液態(tài)氮或硼注入池中以冷卻用過燃料。即使沒有池壁上的隔熱涂層和池蓋，用過燃料池仍可安裝溫度致動的備用ln冷卻設(shè)備。

另一實(shí)施例為安裝ln制作廠，該ln制作廠自動制造并裝滿ln大儲存罐和ln小容器，這些ln小容器彼此直接連接以裝滿反應(yīng)爐、圍阻體和用過燃料池。在斷電的情況下，ln制作廠可由位于更高處的備用發(fā)電機(jī)和電池來供電。這對具有多個反應(yīng)爐的核電站尤其有益，諸如福島核電站。

無論采用什么冷卻方法(即使是水冷)，都會產(chǎn)生大量需要釋放的氣體。福島核電站的爆炸是因?yàn)閺姆磻?yīng)爐釋放出來的熱氫氣與環(huán)境中的氧氣發(fā)生反應(yīng)所引起的。在實(shí)施例中，可采用“凈氣器”帶走來自排氣管和泄壓出口的很多放射性成分和氫氣等危險(xiǎn)氣體。凈氣器用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中用于清潔廢氣，十分有效地消除或至少限制釋放到環(huán)境中的危險(xiǎn)排放氣體。

本發(fā)明的另一實(shí)施例是在使用水不理想的其他情況(由于存在可以被水不可挽回地?fù)p壞的材料、或存在會與水其反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)、或僅僅是無法取水)下使用液態(tài)氮進(jìn)行滅火并且防止爆炸。向受熱目標(biāo)區(qū)域噴射液態(tài)氮產(chǎn)生非常大量的氮?dú)?，在冷卻該區(qū)域以及該區(qū)域中的物體的同時使該目標(biāo)區(qū)域缺氧，由此將火撲滅并且防止爆炸。該實(shí)施例可以通過如下方式實(shí)施：為消防車配備與運(yùn)輸大量液態(tài)氮的卡車相似的非常大的隔熱液態(tài)氮容器、用于控制向目標(biāo)噴射液態(tài)氮的壓力表和閥門、以及長度足夠的用于執(zhí)行向目標(biāo)噴射液態(tài)氮的隔熱軟管。博物館、含有精致家具和藝術(shù)品的豪宅、實(shí)驗(yàn)室可以配備噴射液態(tài)氮而非水的噴淋系統(tǒng)。對連接至噴淋系統(tǒng)的液態(tài)氮存儲設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測并且根據(jù)需要周期性地再裝。

圖1展示了沸水核(bwn)反應(yīng)爐及其冷卻系統(tǒng)的概念示意圖。如圖中標(biāo)記的，1-18均為常規(guī)bwn反應(yīng)爐中的常見部件。控制額外冷卻劑入口/出口20和21的通風(fēng)孔19和閥門在常規(guī)bwn反應(yīng)爐中可有、可無。如果有，則20和/或21可用于將(1)液態(tài)氮和(2)從液態(tài)氮得到的冷氮?dú)?，注入反?yīng)爐以冷卻爐體及爐內(nèi)的燃料棒。如果19、20和21不存在，則蒸汽出口6可與渦輪機(jī)斷開連接并且用作緊急過壓泄放出口，冷卻劑水出口7可用于將液態(tài)氮和冷氮?dú)庾⑷氲椒磻?yīng)爐。相同的原理和操作可用于所有其它類型的核反應(yīng)堆。

在常規(guī)核電站中，斷電時，備用冷卻系統(tǒng)由連接至其常規(guī)冷卻系統(tǒng)的備用電源驅(qū)動。

圖2：在緊急冷卻期間，將液態(tài)氮容器22放置就位并連接至反應(yīng)爐的冷卻劑入口/出口20。如果可行，則第二ln容器23可連接至入口/出口21?；蛘撸婵杖萜骺蛇B接至出口21，并用于接收來自反應(yīng)爐的過壓氮?dú)狻?/p>

圖3：在預(yù)安裝備用液態(tài)氮冷卻系統(tǒng)中，裝滿液態(tài)氮的容器24通過熱致動閥25連接至反應(yīng)爐。當(dāng)反應(yīng)爐內(nèi)的環(huán)境溫度升高至預(yù)定安全閾值溫度時，容器中的液態(tài)氮釋放到反應(yīng)爐中以快速地降低反應(yīng)爐和燃料棒的溫度。液態(tài)氮容器還可預(yù)裝部分硼粉以幫助減緩核連鎖反應(yīng)。

圖4展示一個非常大的液態(tài)氮儲存容器41，它通過一個或數(shù)個熱致動閥25連接至核反應(yīng)堆或圍阻體的液態(tài)氮小容器40。當(dāng)ln小容器40中大部份的ln注入到反應(yīng)爐或圍阻體中時，大儲存容器41自動裝滿ln小容器40。

圖5展示ln制作設(shè)施50，該ln制作設(shè)施50在現(xiàn)場生產(chǎn)液態(tài)氮裝滿非常大的液態(tài)氮儲存容器51，該液態(tài)氮儲存容器51連結(jié)到液態(tài)氮小容器52，再經(jīng)熱致動閥25連接至核反應(yīng)堆或圍阻體。ln制作廠自動裝滿大儲存罐，當(dāng)連接至反應(yīng)爐或圍阻體的ln小容器中的大部份ln注入到反應(yīng)爐或圍阻體后，該大儲存罐自動裝滿ln小容器。

雖然已經(jīng)采用優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域中的技術(shù)人員要理解，本發(fā)明的精神和范圍不限于這些實(shí)施例，而是延伸至依此技術(shù)方案所作的各種修改和等效系統(tǒng)。