偵測核反應堆中發生洩漏的燃料通道的系統和方法與流程
2023-09-20 07:37:35
本發明涉及偵測核反應堆的燃料通道的洩漏。本發明尤其涉及偵測坎杜(CANDU）型核反應堆中發生洩漏的燃料通道。
背景技術：
CANDU(CANadaDeuteriumUranium，加拿大氘鈾)反應堆是一種重水或輕水冷卻的重水慢化裂變反應堆，該反應堆能夠使用的燃料包括天然鈾、其它低濃縮鈾、回收鈾、混合氧化物核燃料、易裂變和可轉換錒系元素以及前述燃料組合。
技術實現要素：
在一些實施例中，本發明提供了偵測反應堆中發生洩漏的個別燃料通道的方法和系統。該系統包括多個輸入線路和多個輸出線路。所述多個輸入線路中每個輸入線路並行地供應環空流體至反應堆中的第一組多個燃料通道中每個燃料通道的環形空間。所述多個輸出線路中每個輸出線路並行地收集離開反應堆的第二組多個燃料通道中每個燃料通道的環形空間的環空流體。在一些實施例中，該系統還包括偵測器和隔離閥。偵測器設置於每個輸出線路的出口位置，構造成用以偵測環空流體中的水分以識別發生洩漏的個別燃料通道的第一位置。隔離閥設置於每個輸入線路的入口位置，可操作以切斷環空流體在其中一個輸入線路中流通以識別所述發生洩漏的個別燃料通道的第二位置。本發明的另一個實施例提供偵測反應堆中發生洩漏的個別燃料通道的方法。該方法包括通過多個輸入線路供應環空流體至所述反應堆以及將離開所述反應堆的環空流體收集進入多個輸出線路。所述多個輸入線路中的每個輸入線路供應環空流體至所述反應堆中的多個燃料通道的環形空間。所述多個輸出線路中的每個輸出線路並行地接收離開所述反應堆的第二組多個燃料通道中每個燃料通道的環形空間的環空流體。在一些實施例中，該方法還包括在所述多個輸出線路的其中一個輸出線路的出口位置偵測環空流體中的水分以識別發生洩漏的個別燃料通道的第一位置，以及在偵測到環空流體中的水分後，依序切斷環空流體在所述多個輸入線路中的每個輸入線路中流通以識別所述發生洩漏的個別燃料通道的第二位置。通過考慮下面的詳細說明和相關附圖，本發明的其他方面將變得更為明顯。附圖說明圖1是CANDU型核反應堆的堆芯的立體圖。圖2示意性地例示CANDU型核反應堆的燃料通道。圖3是CANDU型核反應堆燃料通道的局部剖視圖。圖4-8示意性地例示CANDU型核反應堆的目前環空流體系統。圖9a-b及圖10示意性地例示CANDU型核反應堆的改進環空流體系統。具體實施方式對本發明實施例進行描述之前，應當理解，本發明不限於以下描述所闡述的或以下附圖所例示的實施例細節和元件布置。本發明可採取其他實施例並可通過不同方式被實施。圖1是一種CANDU反應堆6的堆芯的立體圖。堆芯通常容納在屏蔽室8（vault）內，該屏蔽室8利用氣鎖（airlock）密封以達到輻射控制和屏蔽目的。大體呈圓柱形的容器（被稱為排管容器10）含有重水慢化劑。排管容器10具有環形外殼14和位於第一端22和第二端24的管板18。該管板18包括多個孔，每個孔接收一個燃料通道28。如圖1所示，多個燃料通道28穿過排管容器10的管板18，從第一端22延伸到第二端24。例如，如圖2所示，一個CANDU型反應堆可包括380個燃料通道28，這些燃料通道28可位於排管容器10內的多行或多個水平位置（例如在圖2中以A至W表示的22行）以及多列或多個豎直位置（例如，在圖2中以1至22表示的22列）。圖3是燃料組件28的局部剖視圖。如圖3所示，每個燃料通道28被一個排管容器管（calandriatube,CT）包圍。CT32形成排管容器10的重水慢化劑和燃料通道28之間的第一分界。這些CT32位於管板18的孔內。壓力管36（pressuretube,PT）構成燃料通道28的內壁。PT36提供了容納反應堆冷卻劑和燃料棒束或組件40的管道。PT36例如通常容納兩個或多個燃料組件40並作為一個容納反應堆冷卻劑的管道，該反應堆冷卻劑流過每個燃料組件40。PT36和CT32之間的間隙形成了一個環形空間44。該環形空間44可以充滿流通環空流體。該環空流體可包括乾燥的二氧化碳、氦氣、氮氣、空氣或者以上氣體的混合物。該環形空間44和環空流體是作為環空流體系統（annulusfluidsystem,AFS）的一部分。該環空流體系統構成了CT32和PT36之間的邊界，為PT36內的熱的反應堆冷卻劑及燃料棒束40與相對低溫的CT32之間提供熱絕緣。該環空流體系統也可以通過環空流體中出現水分、氘或兩者同時出現來提示PT36發生了洩漏。環形間隔件或夾緊盤簧（garterspring）48可設置在CT32和PT36之間。這些環形間隔件48維持了PT36與其對應CT32之間的間隙，同時允許環空流體穿過和繞過環形空間44。圖4描繪了目前環空流體系統50的一部分結構。在正常反應堆運行過程中，PT36內的冷卻劑（例如重水，D2O）處於高壓（例如，大約10Mpa或更高）高溫（例如，大約260攝氏度或更高）狀態且具有很強的放射性。如上所述，PT36設置在CT32內，從而在每個PT36和每個CT32之間形成環形空間44。環空流體（例如二氧化碳(CO2)）從輸入管52進入到每個燃料通道28內的環形空間44內流通。如果有冷卻劑從PT36中洩漏到該環形空間44，該冷卻劑將蒸發，形成的水分將隨環空流體一起行進至輸出管54。如下所述，水分偵測器和露點分析器連接在輸出管54的下遊以偵測流通的環空流體中的水分，該水分表明有燃料通道28發生洩漏。如上結合圖1的描述，排管容器10位於屏蔽室8內。因此，為每個燃料通道20安裝輸入管52和輸出管54將需要設置貫穿屏蔽室8的壁的380個輸入穿孔和380個輸出穿孔。相應地，在一些實施例中，一個燃料通道28的環形空間44與一個或多個其它燃料通道28的環形空間44串聯以形成一「串」或一條「線路」。因此，環空流體可沿一條線路流通到達串聯的多個燃料通道，這樣減少了輸入管52和輸出管54的數量。例如，圖5描繪了一列燃料通道28的兩條線路55a和55b的一部分結構。如圖5所示，每條線路55a和55b連接一個特定列內的交替行位置的多個燃料通道。作為另一個例子，當反應堆6包括380個如圖2那樣排列的燃料通道28時，第1列燃料通道28的第一線路連接位於J、L和N行的燃料通道28的環形空間44。第二線路連接第1列的位於K、M和O行的燃料通道28的環形空間。類似地，第11列燃料通道28的第一線路連接第11列的位於A、C、E、G、J、L、N、P、R、T和V行的燃料通道28的環形空間44，而第二線路連接第11列的位於B、D、F、H、K、M、O、Q、S、U和W行的燃料通道28的環形空間44。因此，當反應堆包括380個如圖2那樣排列的燃料通道28時，每條線路連接3至7個燃料通道28的環形空間44。相應地，如圖6所示，因為AFS50包括44個輸入管52和44個輸出管54（而不是380個輸入管和380個輸出管），排管容器屏蔽室8僅需要貫穿設置44個輸入穿孔和44個輸出穿孔。而且，在一些實施例中，如圖6所示，這些輸出管54匯集成單一線路，且該單一線路穿過屏蔽室8。因此，AFS50僅需要設置一個貫穿排管容器屏蔽室8的輸出穿孔。應當理解的是，為了簡化視圖，圖6中僅例示了8行和8列燃料通道28。應當理解的是，在一些實施例中，不同於串聯特定列內的交替行位置的燃料通道的做法，目前環空流體系統使用第一線路串聯特定列的第一半（firsthalf）的燃料通道28，並使用第二線路串聯該列的第二半（secondhalf）的燃料通道28。而且，在一些目前的環空流體系統中，每列使用兩條以上的線路來串聯該列內的燃料通道。圖7例示了目前的AFS50，系統50的一部分位於排管容器10外面。如圖7所示，44個輸出管54連接至兩個洩漏指示器56。洩漏進環空流體中的冷卻劑收集在洩漏指示器56中，且可通過洩漏指示器56的窗口（例如，玻璃窗）看到。收集的水然後流至水分報警器（beetles）57，當液體出現在收集的水中時，該水分報警器57產生警報。在洩漏指示器56之後，環空流體（即，蒸汽和二氧化碳氣體但不是水）匯集至貫穿排管容器屏蔽室8的壁的單一線路58。匯集線路58內的環空流體流過熱交換器60，其降低環空流體的溫度。冷卻後的環空流體然後流過流量計62，再流過兩個或更多露點分析器64中的其中一個。露點分析器64可以偵測環空流體內的水分、氘（例如，處於蒸發狀態）或前述兩者。流過露點分析器64的環空流體然後利用壓縮機66加壓，分成44個分支，流入44個輸入管52。在一些實施例中，使用多個露點分析器64來偵測一條或多條線路提供的環空流體中的水分、氘或前述兩者。安裝在輸出管54上的隔離閥也可用於控制環空流體流至一個或多個露點分析器64的流量。雖然這些連接多個燃料通道28的環形空間44的線路以及匯集的單一線路58降低了需要貫穿排管容器屏蔽室8的穿孔的數量，使用這些匯集的線路讓AFS50無法識別發生洩漏的個別燃料通道（例如，無法識別其行和列的位置）。尤其是，當如圖6和圖7所示，輸出管54匯集成單一輸出線路58時，露點分析器64隻能識別是否排管容器10內發生洩漏，而不能識別是哪個個別燃料通道正在洩漏。為了解決這個問題，在一些實施例中，如圖8所示，屏蔽室8內的每個輸出管54的端部安裝一個水分偵測器67。使用這種構造之後，如果一個特定的燃料通道28發生洩漏（例如，如圖8中的星號所示），下遊的水分偵測器67會偵測到這個洩漏。因此，偵測到洩漏的那個特定水分偵測器67識別包括發生洩漏的燃料通道28的那個特定線路。然而，AFS50仍然無法識別發生洩漏的線路中的具體哪個燃料通道正在洩漏（例如，識別其行和列位置）。可替換地或作為補充，AFS50可包括對應每個輸入管52的隔離閥68（如圖6和圖8）。隔離閥68可被打開以允許環空流體流過該線路，同時也可被關閉以切斷環空流體在該線路中流通。最初偵測到洩漏後，AFS50可依序關閉每個隔離閥68。當包含該洩漏燃料通道的那個線路對應的隔離閥68被關閉時，AFS50將不再偵測到洩漏，因為環空流體不會在包含該洩漏流體通道的線路中流通。因此，AFS50可以使用隔離閥68識別包括該洩漏燃料通道的那個具體線路。同樣，即使使用隔離閥68，目前的AFS50也僅能夠識別包括洩漏燃料通道的具體線路，但無法識別該線路中是哪個個別燃料通道28正在洩漏（例如，識別其行和列位置）。圖9a-b例示了一種改進的AFS70。在這個AFS70中，AFS70位於排管容器屏蔽室8外部的那一部分與圖7例示的目前AFS50基本相同。類似於AFS50，該改進的AFS70也可結合包括380個如圖2所示排列（例如，22列和22行）（但是，為了簡化圖示，圖9a僅例示出8列和8行）的燃料通道的CANDU型反應堆來使用。基於這種構造，AFS70包括22個輸出線路72和22個輸入線路74。在一些實施例中，這些輸入線路74貫穿屏蔽室8的一個壁而水平供應至反應堆6，這些輸出線路72貫穿屏蔽室8的一個不同的壁而垂直離開反應堆6。該環空流體並行流過這些44個輸入線路和44個輸出線路。具體而言，每個輸入線路74並行地供應環空流體至具有相同水平位置的每個燃料通道（即，位於同一行內的每個燃料通道28）的環形空間44。因此，來自同一輸入線路74的環空流體並行地流過位於同一行的每個燃料通道28。在環空流體通過每個燃料通道28後，環空流體離開該燃料通道28並進入其中一個輸出線路72。特別是，離開具有相同垂直位置的每個燃料通道28（即，同一列內的每個燃料通道28）的環空流體並行地流入同一輸出線路72。因此，每個輸出線路72並行地收集離開同一列內的這些燃料通道的環空流體。如圖9a所示，水分偵測器67安裝在豎直輸出線路72出口位置，其能夠偵測輸出線路72內的水分和/或氘。每個輸入線路74上也安裝一個隔離閥68。如上所述，每個隔離閥68可被關閉以切斷環空流體在特定輸入線路74中流通。在AFS70運行過程中，如果有一個燃料通道28（例如，如圖9a中的星號所示）發生洩漏，該洩漏會被從該洩漏燃料通道28接收環空流體的輸出線路72上的水分偵測器67偵測到。因此，該洩漏燃料通道的豎直位置（即，列）利用該水分偵測器67識別到。在識別了該洩漏燃料通道28的豎直位置之後，該洩漏燃料通道28所在的行可使用安裝在輸入線路74上的隔離閥68加以確定。具體而言，每個輸入線路28對應的隔離閥可依序關閉。當供應環空流體至該洩漏燃料通道28的輸入線路74對應的隔離閥68被關閉時，最初偵測到洩漏的水分偵測器67將不會再偵測到洩漏。具體而言，因為環空流體不再流通於該洩漏燃料通道28的環形空間44（即，因為隔離閥68被關閉），沒有水分或氘會被攜帶至水分偵測器67而被水分偵測器67偵測到。在一些實施例中，每個輸出線路74也可安裝隔離閥以幫助識別洩漏燃料通道以及防止燃料通道柵格之間的交叉排氣（例如，由於隔離閥發生洩漏）。因此，與目前的AFS50不同，AFS70識別正在洩漏的個別燃料通道28（即，通過識別其水平或行位置以及豎直或列位置）。而且，AFS70識別洩漏燃料通道的速度比目前的系統要快。例如，當洩漏發生時，洩漏的冷卻劑形成的水分隨著環空流體行徑至下遊的水分偵測器67，這需要時間。對於目前的AFS50，每條線路包括多個串聯的燃料通道。因此，在目前的AFS50中，洩漏造成的水分通常是流過多個燃料通道28之後才到達水分偵測器67。然而，在該改進的AFS70中，因為燃料通道28是被並行供應環空流體的，水分僅需要流過單一燃料通道28就可以被一個水分偵測器67偵測到。因此，該改進的AFS70的響應時間快於目前的AFS50。而且，因為改進的AFS70僅包括22個水分偵測器67和22個隔離閥68（相對於AFS50的44個水分偵測器67和44個隔離閥68），該改進的AFS70的成本低於目前的AFS50。而且，應當理解的是，圖9a-b例示的輸入和輸出線路的方向可以調換，使得洩漏燃料通道28所在的行首先被識別，然後使用隔離閥68來識別洩漏燃料通道28所在的列。在這種構造中，輸入線路74可垂直流入屏蔽室8內，而輸出線路72可水平離開屏蔽室8。圖10例示了另外一種改進的AFS80。該改進的AFS80也可以結合包括380個如圖2所示排列（例如，22列和22行）（但是，為了簡化圖示，圖10僅例示出8列和8行）的燃料通道的CANDU型反應堆來使用。如圖10所示，這些燃料通道28分成多個部分，例如四個象限（quadrant）82a、82b、82c、82d。每個象限包括11個輸出線路84和11個輸入線路86。這些輸入線路86貫穿屏蔽室8的一個壁而供應至反應堆6，這些輸出線路72貫穿屏蔽室8的一個不同的壁而離開反應堆6。使用這些輸入線路86，環空流體並行地流過每個象限內的燃料通道28。而且，除了最後一個象限（例如，象限82c）之外，每個象限內的這些輸出線路84串聯至另一個象限的輸入線路86。在這最後一個象限中，環空流體離開屏蔽室8，以進行前述結合圖7所描述的處理。如圖10所示，對於第一象限82a，每個輸入線路86並行地供給環空流體進入該象限82a內同一行的每個燃料通道的環形空間44內。當環空流體流過每個燃料通道28後，環空流體離開該燃料通道28並進入其中一個輸出線路84。特別是，離開象限82a內同一列的每個燃料通道28的環空流體並行地流入同一輸出線路84。因此，每個輸出線路84收集離開反應堆6同一象限內同一列的燃料通道28的環空流體。從圖10也可看出，象限82a內每個輸出線路84的端部安裝一個水分偵測器67用以偵測該線路內的水分或蒸汽。該象限82a內每個輸入線路86也安裝一個隔離閥68。如上所述，每個隔離閥68可被關閉以切斷環空流體在一個特定輸入線路86中流通。如圖10所示，輸出線路84和輸入線路86的方向在不同的象限可以變化。例如，對於象限82a，輸入線路86水平地供應環空流體至象限82a的同一列內的燃料通道28，輸出線路84豎直地收集離開該象限82a的同一行內的燃料通道28的環空流體。作為另一種實施方式，對於象限82b，輸入線路86豎直供應環空流體至象限82b的同一列內的燃料通道28，輸出線路84水平地收集離開該象限82b的同一行內的燃料通道28的環空流體。在運行過程中，每個象限如上所述AFS70那樣運行。具體而言，如果圖10中以星號表示的燃料通道28發生洩漏，該洩漏被該象限對應的輸出線路84上的下遊水分偵測器67偵測到。因此，該水分偵測器67識別到該洩漏燃料通道所在的象限以及該象限內洩漏燃料通道所在的列或行。例如，對於圖10所示的洩漏燃料通道28，偵測到該洩漏的水分偵測器67識別到該洩漏燃料通道28所在的象限（即，象限82b）以及該洩漏燃料通道28所在的行。類似地，在識別該洩漏燃料通道28的象限和行之後，如上述針對AFS70的描述，使用該象限的上遊端的11個隔離閥68來識別該洩漏燃料通道的列。因此，AFS80識別正在洩漏的個別燃料通道（即，通過識別其水平或行位置以及豎直或列位置）。類似於改進的AFS70，在改進的AFS80中，洩漏燃料通道28造成的水分僅流過一個燃料通道28（相比而言，AFS50中需要流過多個燃料通道28）就到達下遊的水分偵測器67。因此，該改進的AFS80的響應時間快於目前的AFS50。而且，該改進的AFS80包括95條並行線路（380個燃料通道分成四個象限），相對而言，改進的AFS70具有380條並行線路。因此，改進的AFS80的一條線路中的環空流體的流速是改進的AFS70的一條線路中的環空流體的流速的大致四倍。這意味著水分在改進的AFS80中的行進速度快於在改進的AFS70中的行進速度，這增加了AFS80的響應時間。而且，雖然使用改進的AFS70需要大體上執行22個操作來識別個別洩漏的燃料通道28，但改進的AFS80大約僅需要11個操作來識別個別洩漏的燃料通道28。因此，改進的AFS80的響應時間快於改進的AFS70的響應時間。因此，在改進的環空流體系統70和80中，水分偵測器67響應洩漏的時間可以大大快於目前環空流體系統中的水分報警器57，這增加了破裂發生之前偵測洩漏的時間餘量。而且，因為AFS70和AFS80都能識別正在洩漏的個別燃料通道，相對於目前的環空流體系統，使用AFS70或AFS80可以更加快速和更有效率地解決識別到的洩漏。而且，因為改進的環空流體系統70和80包括相同或數量更少的水分偵測器67和/或隔離閥68，改進的環空流體系統70和80的成本低於或與目前環空流體系統50的成本相同。因此，除了別的以外，本發明的各實施例提供了偵測核反應堆中發生洩漏的個別燃料通道的方法和系統。應當理解的是，雖然圖1-10例示了CANDU型反應堆，該洩漏偵測方法和系統同樣適用於包含圖1-10所示的類似元件的其它類型反應堆。例如，本申請介紹的偵測核反應堆中發生洩漏的個別燃料通道的方法和系統可配合包括各種燃料通道數量、每個燃料通道中具有各種燃料棒束數量（例如，12或13個燃料棒束）以及包含各種熱傳輸機制的反應堆使用。特別是，所揭示的方法和系統可用於使用輕水（而不是重水）作為主熱傳輸機制的反應堆中。而且，上述方法和系統的具體細節可根據被監控的反應堆的具體配置（例如，反應堆中燃料通道的具體配置）而加以改變。例如，燃料通道可被分成更多或更少的部分，可包括更少或更多的輸入和/或輸出線路。特別是，應當理解的是，如上所述的AFS70的44個輸入和輸出線路是作為AFS70的一個實施例提供的；根據反應堆堆芯的尺寸和反應堆中燃料通道的行和列的排列，也可以使用不同數量的輸入和輸出線路。而且，在一些實施例中，這些燃料通道可以沿一條線路（例如水平線路）以不同的方式連接。例如，總體而言，AFS70或AFS80的輸入和輸出線路可以任何方式構造，只要每條輸入線路與一組燃料通道對應，而每一條其它輸出線路與一組不同（例如，至少一個燃料通道不同）的燃料通道對應。本發明的各種特點闡述於前述權利要求中。