CN104541331A - 用于核技术设施的反应堆外壳保护***及相关操作方法 - Google Patents

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CN104541331A CN201380040725.7A CN201380040725A CN104541331A CN 104541331 A CN104541331 A CN 104541331A CN 201380040725 A CN201380040725 A CN 201380040725A CN 104541331 A CN104541331 A CN 104541331A
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Abstract

一种反应堆外壳保护***(2)，用于在具有猛烈释放氢气(H2)和蒸汽的严重核事故情况下处理核技术设施(6)、尤其是核电站的反应堆外壳(4)内的气氛，该反应堆外壳保护***(2)应当能够以很大程度上被动的方式并且尽可能没有环境负担地将这种状态有效且快速地排除。为此目的，反应堆外壳保护***(2)根据本发明具有包括管路***(10，72，120，128)的、设置用于连接到反应堆外壳(4)上的、针对流体的从反应堆外壳(4)出来并且又回去的循环，更确切地说，至少带有以下按照流动而串联连接的部件：复合装置(20)，用于将流体中包含的氢气(H2)与氧气(O2)复合为水蒸气(H2O)；连接在复合装置(20)之后的冷凝装置(74)，用于将流体中包含的蒸汽部分冷凝，该冷凝装置带有用于将冷凝物(94)从流体流中导出的装置；流体流的驱动装置(18，180)，其中为了冷凝装置(74)的至少部分的再冷却而存在热交换器(96)，该热交换器在输入侧通过输送管路(144)与液氮(N2)的存储容器(140)连接。

Description

用于核技术设施的反应堆外壳保护***及相关操作方法
本发明涉及一种反应堆外壳保护***，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***的方法。
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－水反应)。在没有应对措施的情况下，不能排除***性的(也称为会***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。
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15,000m3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。
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***(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。
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(Abbaufunktion)。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***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。
本发明的任务是，提出一种反应堆外壳保护***，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***的特别有利的方法。
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。
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。
借助根据本发明的反应堆外壳保护***，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。
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。
为此，该***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。
根据本发明的***的主要优点可以总结如下：
●该***可以没有将裂变产物放射性地发射到环境中地工作。
●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。
●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。
●尤其是在惰性化的沸水反应堆－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。
●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。
●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。
●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***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。
●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。
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：
图1示出了反应堆外壳保护***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，
图2示出了带有所连接的、根据图1的反应堆外壳保护***的沸水反应堆，
图3示出了反应堆外壳保护***的第二变形方案，
图4示出了反应堆外壳保护***的第三变形方案，以及
图5示出了反应堆外壳保护***的第四变形方案。
相同的或者作用相同的部件分别设置有相同的附图标记。
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***2(简称：保护***)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***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H2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。
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***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)。
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***中。该输送通风机18将反应堆外壳4中存在的气体－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1Bar至10Bar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－蒸汽混合物在下文中也称为流体流，或者模仿所谓的通风***也称为通风流(Ventstrom)，虽然在根据图1的保护***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)。
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－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)。
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。
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)。
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。H2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))。
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。
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。
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。
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。
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载元件的被动式自催化复合器的原理(所谓的PAR)进行催化的后处理。通过第三反应区46围绕第一反应区34的外壳式的构型，进行从内向外的热传递，使得第三反应区46也间接地通过布置在第一反应区34中的加热元件40以及通过在那里由于放热的氧化反应而释放的热来加热。
在反应室32的左端侧端部上重新反转方向之后，在相继的三个反应区34、42和46中处理的并且关于氢气浓度方面被贫化的流体流首先流过反应室的围壁44与包围其的外流动通道52的圆柱壳形围壁50之间的、横截面为环形的区域48向右直到其排出接管54。
在此，由于多级复合反应以及通过电加热元件40的作用而加热的、从反应室32流出的气体－蒸汽混合物在用作热交换器56的预热器26的热交换器表面上流过，在那里该混合物将其热函的一部分用上面已经描述的方式给流入反应室32中的气体－蒸汽混合物。
在流动通道52的更下游，关于其氢气浓度而言被贫化的气体－蒸汽混合物(废气)在冷却区60中的热交换器58的、被冷却剂(在此为氮气N2，参见下文)流过的热交换器表面旁流过，并且在此将其剩余热函的另一部分传递到冷却剂。为了特别有效的冷却，冷却剂在其进入热交换器58时至少部分是液态的，并且通过在流动通道52中流动的气体－蒸汽混合物的热传递而至少部分地蒸发。在气体－蒸汽混合物中包含的蒸汽组成部分的明显的冷凝、尤其是作为复合反应的产物的水蒸气的明显的冷凝在此由于所给出的温度关系以及***设计还尚未发生。冷却区60于是仅仅作为气体冷却器而并不作为冷凝器。流动介质的典型温度值紧接在冷却区60之前在600℃到800℃的范围中，并且在其后在250℃到500℃的范围中。
输出侧(在此为冷却区60的下游)在流动通道52上连接有再循环管路62，其另外的端部汇入引导至预热器26的管路区段22，以便将从复合装置20流出的、贫化的流体流的一部分向回引导至其输入侧，并且与来自反应堆外壳4的富集的流体流混合。更确切地说，再循环管路62的另外的端部汇入布置在文丘里喷嘴24的喉部的馈入开口中，使得向回引导的部分流由于在那里出现的抽吸作用而被主流一同拖走(喷射器原理，见下文)。通过集成的废气回引装置以及反应级或者反应区34、42和46的与其相连的部分惰性化，也可以将从反应堆外壳4引导出来的流体流中的高氢气浓度(高达30体积％或者更高)转化为快速的氢气降除。
为了设置或者调节向回引导的部分流，在再循环管路62中和/或在文丘里喷嘴24的馈入开口中存在相应的调节阀(未示出)。在此典型的是，力争在复合装置20的输入流中维持大于50％的蒸汽部分作为调节目标。
在惰性化的反应堆外壳4的情况下，在复合装置20之前由合适的储存装置、在此由也称为氧气瓶64的、用加压的氧气O2填充的压力容器受控地馈送氧气O2。为了设置或者调节馈送速率，在连接管路68中设置有调节阀66，该连接管路在此直接汇入反应室32中。通过测量复合装置20的输入流中的H2/O2浓度，确定对于化学计量学的燃烧所需的氧气量，并且通过调节阀66设置要馈送的氧气量。
在用于再循环管路62的端子下游，在流动通道52的与反应室32相反的端部上布置有喷射装置70用于喷入或者射入液体(在此基本上为水，其作为冷凝物在后面的处理阶段中积聚(见下文))。通过这种方式，实现了在流动通道52中引导的流体流按照注入冷却方式的进一步冷却。喷射流出于简单起见而优选固定地设置。
虽然这里描述的复合装置20作为组合的多级复合与冷却装置的构型对于所设计的目的而言是特别有利的，然而原则上也可以使用其他的、尤其是更简单地构建的复合装置，譬如单级类型的和/或具有较低的设计流动速度的复合装置。在流动通道52中集成的冷却级必要时可以被省去或者用其他方式实现。前面连接的文丘里喷嘴在其他扩展方案中可以被省去，同样地还有通过再循环管路62的废气向回引导。
在流动通道52的右端侧上流出的、贫化的并且冷却的流体流通过管路72进入到冷凝装置74中，其在此有利地构建为组合的冷凝和清洗装置。实际的冷凝级之前合乎目的地连接有(预)冷却级，其优选在结构上同样集成到总体单元中，其中在所述冷凝级中进行流体流的可冷凝部分从气态向液态的相变。
在整体上基本竖直站立的圆柱形装置的上部中存在被冷却液体76(在此为水H2O)包围的环形冷却器78用于将流体流冷却到关于其中包含的蒸汽部分而言的近似的冷凝温度，尤其是在之前的复合反应中释放的水蒸汽的冷凝温度，然而还有前面在反应堆外壳4中已经释放的蒸汽的冷凝温度。环形冷却器78具有输入收集器80和输出收集器82，它们通过位于其间的、根据流动而言并行连接的、并且作为热交换器来起作用的螺旋管84相互连接。用于冷却的水H2O例如取自本地的水网(消防栓等等)，并且根据需要通过淡水接头86馈送到包围环形冷却器78的冷却液体容器88中。在冷却过程中被加热和蒸发的水作为水蒸气通过蒸汽出口90排放到环境中。通过这种方式整体上形成的冷却装置91也简称为冷却器或者(预)冷却级。紧接在冷却器之前的流体流温度典型地在200℃到500℃的范围中，并且在其后在100℃到200℃的范围中(取决于***中的压力)。
通过这种方式进一步冷却的流体流通过输出收集器82溢出到布置在冷却液体容器88之下的冷凝容器92中，其中由于进一步的冷却而进行蒸汽部分的冷凝。液态的冷凝物94在冷凝容器92的底部上聚集。对于冷凝所需的再冷却至少部分地通过单独的冷却剂(在此为氮N2)进行，该冷却剂通过伸入到冷凝物94中的、作为热交换器96起作用的管束等等来引导(见下文)。为了特别有效的冷却，冷却剂在其进入热交换器96时至少部分是液态的，并且通过冷凝物94的热传递而被蒸发。热交换器96于是可以如热交换器58那样在使用氮气时称为氮蒸发器。
附加于或者替代通过氮蒸发(一般地：惰性气体蒸发)引起的冷凝容器92的再冷却，也可以设计通过冷水蒸发的再冷却，譬如借助在冷凝容器92中/旁安装的、被冷水流过的热交换器和/或通过在空间上直接相邻的、作为散热器来起作用的冷却装置91。一般地，***规划优选为使得流体流的冷却初级通过冷水蒸发来进行，并且次级通过氮蒸发来进行，尤其是以便将氮消耗以及由此将所需的储备保持在合理的限度内。
在图1中所示的变形方案中，在关于其蒸汽组成部分而言要冷凝的流体流输入冷凝容器92时同时进行不可冷凝的气体部分的净化。为此，输入区域98按照文丘里清洗机的方式构建。流体流在中央布置的圆柱形流动通道100内类似于在文丘里喉部(Venturikehle)的情况下那样通过例如构建为环形缝隙或者构建为光圈式开口的窄部102引导，并且继续向下进入形成的冷凝物94中。在窄部102的区域中或者在流动方向上看，紧接在其之前可以布置有针对液体的喷入装置104。合乎目的的是，为此使用在冷凝容器92中聚集的冷凝物94本身。喷射流出于简单的原因而被优选固定地设置。通过流体流在窄部102的区域中的强烈涡流和分散，通过与喷射液体的混合，以及通过如下事实：不可冷凝的气体组成部分被引导通过所聚集的冷凝物94，在流体流中所包含的放射性核素以及碘沉积到冷凝物94中。
在减压运行的过程中在冷凝容器92内聚集的、放射性污染的冷凝物94按照要求不连续地或者连续地通过连接在冷凝容器92的底部上的冷凝物抽取管路106被抽出，其中冷凝物泵108连接到该冷凝物引出管路中。作用于冷凝物泵108的料位调节器用于使得在冷凝物容器92中的冷凝物94的液位高度不超过预先给定的最大值。通过将多余的冷凝物94大部分或者完全通过冷凝物回引管路110向回泵送到核技术设施6的反应堆外壳4中，其中所包含的放射性物质也为了安全保护的目的而被输送。换而言之，放射性物质被有目的地控制在净化级中，以便能够将其从这里有目的地又回送到反应堆外壳4中。通过将冷凝物喷射到反应堆外壳4中，在那里也产生了冷却作用，其又有利地影响压力，即导致压力降低。
管路112和管路114从冷凝物回引管路110分支，通过其可以按照要求将冷凝物的第一部分流引导至喷入装置70和/或将第二部分流引导至喷入装置104。为了合乎要求地调节冷凝物流，在管路中可以存在相应的调节阀。
不可冷凝的气体部分从冷凝物94中出来而进入位于其上的、冷凝容器92的气体收集室116中，其中其经过布置在流动路径中的过滤元件118。过滤元件118在第一级中用作液滴分离器，而在第二级或者层中用于分离细小微粒状物质。当通风流排放到环境中时，该分离尤为重要(见下文)。
通过连接到气体收集室116上的管路120，将冷却的和预先净化的气体输送给所谓分子筛122构型的另一过滤装置，该分子筛也可以结构上集成到冷凝容器92中或者一般地结构上集成到冷凝和清洗装置中。例如基于沸石过滤器构建的以及按照化学吸附原理工作的分子筛122尤其是在比较小的颗粒大小情况下也实现有机碘化合物(所谓的有机碘)的抑制。
为了所规定的并且有效的运行而并不对于湿度敏感的、有效过滤的组成部分有毁坏危险，将分子筛122加热，更确切地说，优选以能够恢复的方式进行。为此目的，管路124从管路72分支用于抽取在那里还比较热的流体流，其在分子筛122旁引导用于热传递。该抽取流在更下游通过管路126引导至冷凝容器92中存在的冷凝体94。
从分子筛122流出的、被净化的和过滤的气流通常全部通过回引管路128向回引导至反应堆外壳4中。在该循环运行中，于是没有发射到环境中(英语：Zero Release/ZeroEmission，零排放/零辐射)。
仅仅对于紧急情况，从回引管路128分支出设置有闭塞装置130的、例如汇入烟囱132中的流出管路134，之前经净化和过滤的气流可以通过该流出管路在传统的通风意义中释放到环境中。由此，在任何时刻也可以借助排放到环境中来实施经过滤的快速降压至反应堆外壳4中的较低压力水平，并且接着可以进行循环运行(零排放)用于将对环境的放射性释放最小化。
通过在输送管路10和回引管路128之间的、通常通过闭塞装置136封闭的连接管路138，可以按照要求将经净化的和过滤的、贫氢的气体的一部分直接地和没有通过反应堆外壳4绕路地传输到要处理的、富氢的流体流中。通过这种方式，将进入输送通风机18中的输入流惰性化。
为了冷凝和清洗装置74的再冷却，尤其是冷凝容器92的再冷却，以及必要时也为了流体流在冷却区60中的预先冷却，设置有在热学上相对于环境隔离的存储容器140，其带有液氮N2作为冷却剂(容积典型地为10,000m3至20,000m3)，该存储容器通过相应的管路142和144与相关的热交换器58及96连接，其中如上面已经说明的那样，氮气N2通过吸热而蒸发。在这里所示的实施变形方案中，蒸发的氮通过管路146和148引入反应堆外壳4中或者反应堆建筑物中。通过这种方式，实现了内部气氛的惰性化，以防止并未或者并未足够快地通过建筑物内部的复合器解决的氢气H2的泄露在那里导致不可控的点燃。
如果并非全部的氮N2都应当导入反应堆外壳4或者反应堆建筑物中，则多余的部分可以通过这里并未示出的、管路146和148中的出口排放到环境中。
液氮成本比较低廉地可用，并且因此优选作为冷却剂和/或惰性化剂。然而，可替选地或者附加地，为此目的也可以使用液态二氧化碳(CO2)。在谈及氮的文中各处，于是也可以是二氧化碳或者氮气/二氧化碳或者一般的惰性气体，只要其为了有效的冷却和/或液化以及紧凑的存储而可以在该状态中得到。
反应堆外壳保护***2配备有自给自足的连续供电单元150，优选配备有可再充电的电池152或者蓄电池，用于在严重的核事故情形中包括全厂断电事故(Station-Blackout)以及LOOP(＝Loss Of Offsite Power，丧失厂外电源事故)中也可靠启动和直接、无延迟地运行。电源尤其是通过电线路为输送通风机18的驱动马达16和复合装置20的电加热元件40提供电流。在一个可能的变形方案中，其也对冷凝物泵108提供电流。长期的***可用性通过用于可再充电的电池152的充电单元154、优选借助通过内燃机156(例如柴油马达)驱动的发电机158来保证。
反应堆外壳保护***2优选以模块化的结构方式实现。单个的***单元或者模块为此在反应堆容器尺寸中对于街道和飞行器而言适合运输地实施。该***因此可以用于以反应堆容器结构方式的固定安装或者可以移动地使用。例如，冷凝和清洗装置74包括分子筛122形成这种模块，同样地还有多级复合与冷却装置20。供电单元150可以与用于整个设施的控制或调节装置一同安置在另一模块中。用于液氮N2的存储容器140最后形成另一模块，其在消耗储备之后可以用相同类型的、准备就绪地填充好的模块来更换。各模块合乎目的地关于其管路端子和接口等等方面相互协调，使得可以简单地并且没有混淆危险地建立所需连接。
核技术设施6本身在前部区域中仅仅配备有合适的端子，在构建布置在反应堆外壳4之外的模块之后，用于降压流体流的输送管路10、用于经净化的气流的回引管路128以及用于设置用于惰性化的氮N2的馈送管路160可以连接到所述端子上。该前提条件即使在旧设施的情况下也可以比较简单地实现或者加装。
这示意性地在图2中示出。在垂直虚线的左边部分表示用于核技术设施6的作为例子的核电站，其带有外壳状的、由高强度的厚壁钢材构成的安全壳8，该钢材把也称为反应堆外壳4的内室相对于外部环境密封地屏蔽。安全壳8配备有多个固定安装的穿通引导部162、162′和162″用于不同的、引导流动的管路，所述管路在外侧上设置有闭塞装置12、12′和12″(分别为双重串联)。在更外部(在此通过垂直的虚线表示)，穿过安全壳8从反应堆外壳4引出的管路具有端子接管164、164′和164″用于在虚线右边的按照要求设立的反应堆外壳保护***2的相关管路，使得在设立和连接相互关联的管路区段之后，整体上实现上述管路――输送管路10、回引管路128以及惰性气体馈送管路160。
如借助图2此外对于示例性示出的沸水反应堆而认识到的那样，在该情况中通风流的抽取优选在环形的冷凝室166的区域中进行，经净化的气流的回引在围绕反应堆压力容器168的区域中进行，而氮的馈送在更外部布置的部分室中进行。
在图3中示出的保护***2的变形方案在其主要部件方面类似于图1中所示的变形方案来构建，使得在此仅仅还需要讨论不同之处。
首先，省去了一些可选的配备特征，譬如复合装置20中的冷凝物喷入装置、氮冷却装置以及废气回引装置。它们当然可以继续单独地或者全部一同地存在。
相对于前面讨论的变形方案而言的一个主要不同在于，输送通风机18并非布置在用于来自反应堆外壳4的富氢流体流的输送管路10中，即在复合装置20的上游，而是布置在冷凝容器92以及分子筛122下游的、用于贫氢的、经净化的气流的回引管路128中。这具有的优点是，开始在流体流中一起携带的氢H2已经在复合装置20中被降除，并且当剩余的气流进入输送通风机18中时，在此形成的水蒸汽与其他的蒸汽部分已经一同在冷凝装置74中被冷凝和分离。为了将流体流运送直至输送通风机18，在冷凝装置74中通过蒸汽冷凝而被动地产生的压力降低是足够的。于是输送通风机18尤其是用于将剩余的不可冷凝的气体又向回输送到反应堆外壳4中。这有利地影响通风机功率的设计以及电流/能量消耗。该变形方案也可以本身在根据图1的保护***2中实施。
在根据图3的保护***2中，另一与其结合的不同之处在于，在复合装置20与冷凝和清洗装置74之间的管路72中连接有被减压的流体流驱动的蒸汽涡轮机170，其驱动发电机172，然而其中该不同之处本身也可以在根据图1的保护***2中实施。
在发电机172的接线柱上截取的电压在整流之后用于对供电单元150的电池152充电，该电池又为输送通风机18的驱动马达16以及复合装置20的加热元件40供电。由此，利用了通过氢复合加热的蒸汽的焓降，以便通过至电能的转变以及缓存的中间步骤来将不可冷凝的气体从冷凝和清洗装置74向回输送到反应堆外壳4中。可再充电的电池152于是仅仅为了开始进程而必须外部充电，并且随后在减压运行中自给自足地被再充电。由此，整个***设计用于很大程度上无源的工作方式，而不使用外部的辅助电能。
在图4中示出了保护***的其他变形方案，其可以与迄今描述的变形方案以多种方式组合。
这里所示的保护***2的一个特别之处在于，在冷凝和清洗装置74中或者冷却级60中被被动蒸发的氮N2的膨胀焓被用于驱动膨胀式燃气发动机类型的燃气发动机174。燃气发动机174于是优选直接地、即没有转换为电能的弯路地驱动布置在回引管路128中的输送通风机18，借助该输送通风机将不可冷凝的气体向回馈送到反应堆外壳4中。
附加地或者可替选地，冷凝物泵108可以用所描述的方式通过同一或者另一膨胀燃气发动机174′驱动。可替选地，在所有变形方案中可以在相应地选择的设立高度情况下设计将冷凝容器92中聚集的冷凝物94通过测地学上的落差向回馈送到反应堆外壳4中。
一般地，可以在使用冷凝物泵108的情况下借助喷射装置176来在反应堆外壳4中喷射冷凝物94，以便这样实现反应堆外壳气氛的冷却。
此外，可以将冷凝物向回引导至用冷凝物或者冷却液体填充的、反应堆外壳4的仓部178，如在图4中所表明的那样。
此外在图4中还表明了对于输送通风机18的一个替选方案或者附加措施，即所谓的蒸汽喷射器180，其按照喷射泵的类型利用会聚－扩散喷嘴的文丘里效应，以便将压力下的驱动流体(在此为蒸汽)中包含的能量转换为同时在喷嘴中吸取的和一同拖走的气流在回引管路128中的推进和压缩。蒸汽喷射器180例如借助被动产生的蒸汽通过热水锅炉182的降压来驱动，其中该锅炉的加热在自身方面可以用能够恢复的方式通过积聚的过程热来实现。所有措施都针对很大程度的被动的反应堆外壳冷却和惰性化来设计。
最后，在图5中所示的、与图3关联的变形方案中，替代布置于反应堆外壳4之外的复合装置20，设计采用布置在反应堆外壳4之内的内部复合装置184用于氢降除，譬如还结合同样内部的冷却级和/或内部的过滤单元。内部的复合装置184尤其是可以为AREVA NP GmbH于2012年7月9日申请的、官方申请号为102012211897.7的德国专利申请中所描述的类型。该申请的内容在此声明为本说明书的组成部分。
如果需要，尤其是当在反应堆外壳4中缺少氧气时，内部的复合装置184可以从外部被提供氧气O2。为此，需要另一通过安全壳8引导的、能够借助闭塞装置封闭的管路，其可以用作氧气输送管路186。为此，该管路的外部端子与氧气瓶188等等连接。该管路的内部末端合乎目的地位于复合装置184的直接的流入区域中或者直接在反应区附近。
附图标记表
2     反应堆外壳保护***     96    热交换器
4     反应堆外壳             98    输入区域
6     核技术设施             100   流动通道
8     安全壳                 102   窄部
10    输送管路               104   喷入装置
12    闭塞装置               106   冷凝物引出管路
14    流出管路               108   冷凝物泵
16    驱动马达               110   冷凝物回引管路
18    输送通风机             112   管路
20    复合装置               114   管路
22    管路区段               116   气体收集室
24    文丘里喷嘴             118   过滤元件
26    预热器                 120   管路
28    管路                   122   分子筛
30    输入接管               124   管路
32    反应室                 126   管路
34    第一反应区             128   回引管路
36    承载元件               130   闭塞装置
38    中间室                 132   烟囱
40    加热元件               134   流出管路
42    第二反应区             136   闭塞装置
44    围壁                   138   连接管路
46    第三反应区             140   存储容器
48    环形区域               142   管路
50    围壁                   144   管路
52    流动通道               146   管路
54    输出接管               148   管路
56    热交换器               150   供电单元
58    热交换器               152   电池
60    冷却区                 154   充电单元
62    再循环管路             156   内燃机
64    氧气瓶                 158   发电机
66    调节阀                 160   馈送管路
68    连接管路               162   穿通引导部
70    喷射装置               164   端子接管
72    管路                   166   冷凝室
74    冷凝装置               168   反应堆压力容器
76    冷却液体               170   蒸汽涡轮机
78    环形冷却器             172   发电机
80    输入收集器             174   燃气发动机
82    输出收集器             176   喷射装置
84    螺旋管                 178   仓部
86    淡水端子               180   蒸汽喷射器
88    冷却液体容器           182   热水锅炉
90    蒸汽出口               184   复合装置
91    冷却装置               186   氧气输送管路
92    冷凝容器               188   氧气瓶
94    冷凝物
D     细节
H2    氢气
H2O   水(蒸汽)
N2    氮气
O2    氧气

Claims (24)

1.一种反应堆外壳保护***(2)，用于在具有猛烈释放氢气(H2)和蒸汽的严重核事故情况下处理核技术设施(6)、尤其是核电站的反应堆外壳(4)内的气氛，
该保护***带有设置用于连接到反应堆外壳(4)上的、形成针对流体流的从反应堆外壳(4)出来并且又回去的循环的管路***(10，72，120，128)，该管路***至少带有以下按照流动而串联连接的部件：
－复合装置(20)，用于将流体流中包含的氢气(H2)与氧气(O2)复合为水蒸气(H2O)，
－连接在复合装置(20)之后的冷凝装置(74)，用于将流体流中包含的蒸汽部分冷凝，该冷凝装置带有用于将冷凝物(94)从流体流中导出的装置，
－用于流体流的驱动装置(18，180)，
其中为了冷凝装置(74)的至少部分的再冷却而存在热交换器(96)，该热交换器在输入侧通过输送管路(144)与存储容器(140)连接，该存储容器用于用作冷却剂的惰性气体，尤其是液氮(N2)。
2.根据权利要求1所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述热交换器(96)设计为惰性气体蒸发器，尤其是设计为氮气蒸发器。
3.根据权利要求1或2所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述热交换器(96)在输出侧通过馈入管路(148，160)与反应堆外壳(4)连接，使得为了冷凝装置(74)的再冷却而输送的惰性气体、优选氮气(N2)接着能够用于将反应堆外壳(4)惰性化。
4.根据权利要求1至3之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述复合装置(20)具有按照流动而串联连接的多个催化反应区(34，42，46)。
5.根据权利要求4所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述反应区(34)的至少之一能够通过电加热元件(40)加热。
6.根据权利要求5所述的反应堆外壳保护***(2)，其中电加热的反应区(34)包括围绕共同的纵轴线同心布置的、通过引导流动的中间室(38)彼此间隔的、催化涂层的多个承载元件(36)，所述承载元件分别具有环形的横截面。
7.根据权利要求1至6之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中文丘里喷嘴(24)按照流动而连接在复合装置(20)之前，该文丘里喷嘴将流体流加速到10至160米/秒的流动速度。
8.根据权利要求1至7之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中存在用于氧气(O2)的存储容器(64，188)，其能够通过氧气输送管路(68，186)输送给所述复合装置(20)。
9.根据权利要求1至8之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中存在再循环管路(62)，通过该再循环管路能够将在输出侧离开所述复合装置(20)的流体流的部分流向回引导至其输入侧。
10.根据权利要求1至9之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述冷凝装置(74)具有冷凝容器(92)，在该冷凝容器之前连接有用于流体流的冷却装置(91)，其中该冷却装置(91)设计用于通过冷却液体、优选水的蒸发进行再冷却。
11.根据权利要求1至10之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中用于流体流的湿式清洗单元集成到所述冷凝装置(74)中。
12.根据权利要求11所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述湿式清洗单元构建为使得在流体流中包含的放射性颗粒以及微粒状物质沉积到冷凝物(94)中。
13.根据权利要求1至12之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中在所述冷凝装置(74)的下游存在用于流体流的干式过滤单元，优选为能够恢复地加热的分子筛(122)。
14.根据权利要求1至13之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中在冷凝装置(74)的下游存在能够借助闭塞装置(130)封闭的流出管路(134)，用于流体流至环境中的紧急情况通风。
15.根据权利要求1至14之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述冷凝装置(74)具有冷凝容器(92)用于收集冷凝物(94)，该冷凝容器通过冷凝物回引管路(110)连接到所述反应堆外壳(4)上，其中优选的是冷凝物泵(108)连接到所述冷凝物回引管路中。
16.根据权利要求1至15之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中存在电驱动的输送通风机(18)作为流体流的驱动装置。
17.根据权利要求1至16之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中存在通过来自存储容器(140)的惰性气体、优选氮气(N2)的膨胀驱动的输送通风机(18)，作为流体流的驱动装置。
18.根据权利要求1至17之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中存在蒸汽喷射器(180)作为流体流的驱动装置，该蒸汽喷射器借助来自能够恢复地加热的热水锅炉(182)的水蒸汽驱动。
19.根据权利要求1至18之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中流体流的驱动装置在所述复合装置(20)的上游或者在所述冷凝装置(74)的下游连接到管路***(10，72，120，128)中。
20.根据权利要求1至19之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中在所述复合装置(20)和所述冷凝装置(74)之间连接有通过流体流驱动的蒸汽涡轮机(170)，该蒸汽涡轮机在自身方面驱动发电机(172)以产生用于运行所述反应堆外壳保护***(2)所需的电能。
21.根据权利要求1至20之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其中所述冷凝装置(74)以及优选还有所述复合装置(20)布置在反应堆外壳(4)之外。
22.根据权利要求1至21之一所述的反应堆外壳保护***(2)，其为模块化的标准反应堆容器结构方式。
23.一种用于运行根据权利要求1至22之一所示的反应堆外壳保护***(2)的方法，其中所述流体流和/或冷凝物基本上完全向回输送到反应堆外壳(4)中，并且没有进行至环境中的排放。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在冷凝装置(74)的再冷却情况下以及必要时反应堆外壳保护***(2)的其他部件的再冷却情况下蒸发的惰性气体、优选氮气(N2)至少部分地为了惰性化而引导至反应堆外壳(4)中和/或反应堆建筑物中。
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