用于核技术设施的反应堆外壳保护系统及相关操作方法
【专利说明】用于核技术设施的反应堆外壳保护系统及相关操作方法
[0001]本发明涉及一种反应堆外壳保护系统，用于在具有猛烈释放氢气和蒸汽的严重核事故情况下处理核技术设施的、尤其是核电站的反应堆外壳内的气氛。此外，本发明还涉及一种用于操作这种系统的方法。
[0002]在核技术设施、尤其是核电站中的严重核事故(英语:Severe Accident)情况下，除了释放蒸汽之外还会出现释放大量的氢气(尤其是通过在过热的燃料棒套管上的已知锆石一水反应)。在没有应对措施的情况下，不能排除爆炸性的(也称为会爆炸的)混合物，该混合物在失控的反应情况下对通常称为反应堆外壳的安全封闭体(Sicherheitseinschluss)的完整性造成威胁。
[0003]此外，尤其是在较小的惰性化的沸水反应堆的反应堆外壳情况下(具有大约5，000至15，OOOm3的容积)，通过释放不可液化的氢气连同蒸汽而出现快速的压力上升，该压力上升会超过安全壳的设计压力并且会直至崩溃压力。
[0004]迄今，在一些情况中，反应堆外壳装备以用于过滤地释放压力的系统(Venting，排气)作为有效的应对措施。然而，在此导致释放到环境中。虽然在使用现代的净化和过滤方案情况下，宣称放射性的排放很少，然而该行为原则上是不希望的。
[0005]在压水反应堆设施的反应堆外壳内，通常有所谓的被动式自催化复合器(PARs)，然而其在惰性化的沸水反应堆设施情况下在用尽对于复合反应所需的氧气之后损失其氢气降除功能(Abbaufunkt1n)。在较老结构类型的沸水反应堆设施的大部分中，所安装的氢气降除系统仅仅针对低等至中等严重级别的规划核事故来设计，使得其降除能力针对严重核事故直到核熔化情形都是不够的。
[0006]本发明的任务是，提出一种反应堆外壳保护系统，其避免了迄今的解决方案的所述缺点，并且在惰性化的反应堆外壳情况下也能够以很大程度上被动的(passive)方式并且尽可能没有环境负担地将氢气的超压状态以及严重的聚集有效且快速地降除。此外，要提出一种用于操作这种系统的特别有利的方法。
[0007]根据本发明，针对装置的任务通过独立权利要求1的特征解决。根据本发明，针对方法的任务通过并列的权利要求23的特征解决。
[0008]有利的扩展方案和变形方案是从属权利要求的主题，并且此外由具体的附图描述中得到。
[0009]借助根据本发明的反应堆外壳保护系统，可以短期地将反应堆外壳中的氢气降除，以及通过释放蒸汽和大量的氢气来防止反应堆外壳的过压故障，而并不导致将放射性物质释放到环境中。
[0010]借助能够恢复的(rekuperativen)高速多级氧化和集成的净化级/清洗单元与蒸汽冷凝的组合方法，可以在同时降低压力的情况下在反应堆外壳中进行氢气和蒸汽聚集。
[0011]为此，该系统在循环中连接到反应堆外壳上，使得在运行中并不导致有意释放裂变产物。通过氢与氧成为水蒸气的再结合及其冷凝，导致在反应堆外壳中的快速压力降低。通过处于反应堆外壳中的蒸汽同样在净化阶段中沉积而强化该压力降低。在清洗阶段中，收集放射性物质并且可以由此有目的地回馈到反应堆外壳的引导压力的包围物(Umschliessung)中，或者输送给用于处理放射性废水的设施。
[0012]根据本发明的系统的主要优点可以总结如下:
[0013]?该系统可以没有将裂变产物放射性地发射到环境中地工作。
[0014]?在任何时候，可替选的过滤式的压力释放是可能的，以便在任何时刻可靠地避免安全容器的崩溃。
[0015]籲反应堆建筑可以通过在蒸汽冷凝时用作冷却剂的氮气来惰性化，以防止由于氢气泄露而在反应堆外壳外引起的点燃。
[0016]籲尤其是在惰性化的沸水反应堆一反应堆外壳情况下，可以防止安全容器的过压崩溃并且同时在没有发射到环境中的情况下解决氢气问题。
[0017]籲关于所描述的问题方面，目前的旧设施可以提升到新一代(GEN3+)的设施设计的安全水平。
[0018]籲对于旧设施的加装、尤其是在紧急情况中的可移动的使用通过以反应堆外壳结构方式的模块化构造而得到支持。
[0019]籲由于能够恢复的特点以及随后的在严重核事故情况下使用反应堆外壳中存在的能量，该系统借助少量的外部辅助电能就可以应付，并且在很大程度上无源地工作。
[0020]?辅助电能可以没有问题地通过可充电的电池、必要时与小的、可移动的柴油备用发电机、燃料电池等等连接来提供。
[0021]在下面借助附图来进一步说明本发明的不同实施例。其中在各简化的和示意性的视图中:
[0022]图1示出了反应堆外壳保护系统的第一变形方案，其用于在严重核事故情况下在核技术设施的反应堆外壳中降除压力和降除氢气，
[0023]图2示出了带有所连接的、根据图1的反应堆外壳保护系统的沸水反应堆，
[0024]图3示出了反应堆外壳保护系统的第二变形方案，
[0025]图4示出了反应堆外壳保护系统的第三变形方案，以及
[0026]图5示出了反应堆外壳保护系统的第四变形方案。
[0027]相同的或者作用相同的部件分别设置有相同的附图标记。
[0028]在图1和图2中在示意性的总视图中示出的反应堆外壳保护系统2(简称:保护系统)用于尤其是在严重核事故的情况下(英语=Severe Accident)以及在猛烈释放氢气H2和/或蒸汽的事故情况下处理在核技术设施6、尤其是核电站的反应堆外壳4中的气氛。保护系统2的任务尤其是在这种事故情形中将称为反应堆外壳4的安全壳8或者安全容器内部空间中出现的过压状态降除，并且将能点燃的氢气4的聚集物通过与氧气O2的复合而降除和/或必要时通过惰性化来变得不危险。
[0029]为此目的，根据图1的、其主要部件位于安全壳8外部的保护系统2包括输送管路10，其连接到相关的、从核技术设施6的安全壳8向外引出的、并且能够以闭塞装置12封闭的流出管路14(其也称为压力卸载管路)连接(也参见图2)。
[0030]例如借助电驱动马达16来运行的输送通风机18连接到输送管路10中。如下面进一步阐述的那样，输送通风机18也可以更为下游地布置在输送流体流的管路系统中。该输送通风机18将反应堆外壳4中存在的气体一蒸汽混合物输送至布置在下游的复合装置20，该复合装置设计用于催化支持地并且无火焰地降除其中含有的氢气H2，其中所述混合物在卸载过程开始时会具有例如大于IBar至1Bar的压力。这里在图1中，复合装置20构建为组合的多级复合与冷却装置。在卸载操作中从反应堆外壳4通过流出管路14以及输送管路10流动的气体一蒸汽混合物在下文中也称为流体流，或者模仿所谓的通风系统也称为通风流(Ventstoom)，虽然在根据图1的保护系统2的情况下不一定必须进行实际意义上的通风(带有释放到环境中的情况)。
[0031]首先，通过管路区段22输送的、要处理的流体流经过文丘里喷嘴24或者类似的会聚一发散类型的喷嘴，并且在此加速到直达160米/秒的流动速度(在文丘里喷嘴24的喉部(Kehlstelle)测量)。
[0032]接着，即在下游，流体流经过能够恢复的预热器26，其中其通过热传递被由于下游的催化反应而加热的流体流(废气流)预热。预热器26在该情况中实施为U形管道，其对于流体流而言仅仅具有小的流动损失。
[0033]被预热的流体流随后通过管路28和输入接管30进入到用作氧化装置的复合装置20的反应室32中，并且经过也称为电热式复合器的第一反应区34 (其被电加热)，并且流体流中含有的氢气H2和氧气O2在其中进行无火焰的成为水蒸气H2O的复合。在多米诺效应中，电引起的反应传递到周围的集中布置的反应区(见下文)。
[0034]通过在H2复合中形成的反应热，可以在启动运行之后逐渐降低电加热功率，而在进行中的反应并不中断。4浓度越高，则通过输送通风机18的相应功率调节可以将通量设置得越多(所谓的平滑通量运行(Gleitdurchsatzbetrieb))。
[0035]在该工艺部件内的流通路径通过围绕共同的纵轴线同心布置的多个圆柱壳形的承载元件36来限定，所述承载元件分别在其内表面和外表面设置有关于氢复合而言起催化作用的涂层，如从横截面视图中选取的细节视图D中可看到的那样。承载元件36典型地由金属或者陶瓷或者包含金属和/或陶瓷组分的复合材料制成。承载元件36的催化活性涂层通常包含铂、钯、钒和/或其他合适的稀有金属。
[0036]至少在通过这种方式形成的、引导流动的中间室38的之一中，可替选地或者附加地在承载元件36中，布置有与纵轴线平行取向的、棒状的电加热元件40，更确切地说，优选均匀地分布在环周上。在中央的间隙中也可以布置这种电加热元件40或者加热棒。总体上，由此在纵向延伸上并且也在整个横截面上实现了通过承载元件36划分的、第一反应区34的流动通道的尽可能均匀的加热，以便于是在流体流的比较高的流动速度并且相应地小的停留持续时间情况下在第一反应区34中也开始以及支持催化反应。
[0037]紧接着第一反应区34，即按照流动来说连接在之后，被流体流流过的第二反应区42延伸，其按照废气技术中已知的散料催化剂或者碎片床式催化剂(Schuettbett-Katalysator)的方式构建，并且有助于尚未被第一反应级34所收集的氢气和氧气部分进行催化复合。
[0038]从第二反应区42出来的流体流被反方向地迫使流过该区段中圆顶状成型的、反应室32的围壁44旁，并且接着经过横截面中环形的第三反应区46，该第三反应区向内通过第一反应区34的流动通道形成边界，并且向外通过反应室32的在该区段中圆柱壳形的围壁44形成边界。
[0039]第三反应区46用于对经过两个第一反应区34和42预先处理的流体流关于还要复合的剩余部分按照本身已知的、带有低压力损失的承