用于抑制自燃金属火灾的方法和系统 |
|||||||
| 申请号 | CN201580070462.3 | 申请日 | 2015-12-15 | 公开(公告)号 | CN107454977A | 公开(公告)日 | 2017-12-08 |
| 申请人 | 通用电气-日立核能美国有限责任公司; | 发明人 | E.P.勒文; B.J.杜伊斯; S.R.P.斯特雷格; N.F.奥奈尔; D.C.米兰达; H.M.考恩; | ||||
| 摘要 | 一种用于抑制自燃金属火灾的方法，可包括在 安全壳 结构上方布置抑制系统。抑制系统包括第一 灭火剂 。安全壳结构被配置为容纳自燃金属且隔离自燃金属与环境空气。抑制系统被配置为在自燃金属 泄漏 和点燃时激活，以便释放第一灭火剂以抑制自燃金属火灾。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于抑制自燃金属火灾的方法，所述方法包括： |
||||||
| 说明书全文 | 用于抑制自燃金属火灾的方法和系统技术领域[0001] 本发明内容涉及用于抑制金属火灾(metallic fires)的方法和相关系统。 背景技术[0002] 液态金属冷却核反应堆(也称为液态金属快速反应堆(LMFR))是快中子核反应堆，其中主冷却剂是液态金属。具有相对高的热容量(其提供针对过热的热惯性)的不同类型的液态金属可用作主冷却剂。液态金属冷却核反应堆的例子是钠冷却快速反应堆(sodium-cooled fast reactor，SFR)。在钠冷却快速反应堆(SFR)中，液态钠代替水用作主要冷却剂。水难以用作快速反应堆的冷却剂，因为水充当将快中子减慢成热中子的中子慢化剂。相比之下，钠原子比在水中发现的氧和氢原子两者都重得多。因此，中子在与钠原子碰撞时损失更少的能量。钠也无需加压，因为它的沸点比反应堆的操作温度高得多。此外，钠不腐蚀钢反应堆零件。 [0004] 2Na(l)+O2(g)→Na2O2(s) [0005] 4Na(l)+O2(g)→2Na2O(s) [0006] 2Na(l)+2H2O→2NaOH(aq)+H2(g) [0007] 值得注意的是，氢氧化钠(NaOH)是苛性的(caustic)，并且氢(H2)是可燃的(flammable)。另外，如果与水接触，则过氧化钠(Na2O2)和氧化钠(Na2O)也将形成氢氧化钠(NaOH)。 [0008] 常规地，核反应堆中的金属火灾(metallic fire)(例如钠火灾(sodium fire))通过使其中自燃金属(例如钠)泄漏的区域惰化而熄灭。惰化可用真空泵来实现，所述真空泵用于从泄漏区域去除空气，同时提供不与自燃金属反应的惰性气体(例如氮、氩)。通过从泄漏区域去除反应源(例如氧)，可熄灭金属火灾。然而，这种惰化方法对于可能处于泄漏区域并因此意外暴露于缺氧环境的工厂工人是危险的。 发明内容[0009] 本发明提供一种用于抑制自燃金属火灾的方法，可包括在安全壳结构上方布置抑制系统。抑制系统包括第一灭火剂。安全壳结构被配置为容纳自燃金属且隔离自燃金属与环境空气。抑制系统被配置为在自燃金属泄漏和点燃时激活，以便释放第一灭火剂以抑制自燃金属火灾(pyrophoric metal fire)。附图说明 [0010] 在与附图结合阅读详细描述后，本说明书的非限制性实施例的不同特征和优点可变得更加显而易见。附图仅为了举例说明性目的而提供，并且不应被解释为限制权利要求的范围。除非明确指出，否则附图不视为按比例绘制。为了清楚起见，附图的不同尺寸可能被夸大了。 [0011] 图1是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的涂层型抑制系统的视图。 [0012] 图2是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的与涂层型抑制系统结合的喷射型抑制系统的视图。 [0013] 图3是根据本发明内容的示例实施例的I形梁型抑制系统的视图。 [0014] 图4是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的I形梁型抑制系统的视图。 [0015] 图5是根据本发明内容的示例实施例的管型抑制系统的视图。 [0016] 图6是根据本发明内容的示例实施例，用于抑制系统的光电检测器的电路图。 [0017] 图7是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的管型抑制系统的视图。 [0018] 图8是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的与管型抑制系统结合的I形梁型抑制系统的视图。 具体实施方式[0019] 应当理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”，“连接到”、“联接至”或“覆盖”另一元件或层时，所述元件或层可直接在另一元件或层上，连接到、联接至或覆盖另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”，“直接连接到”或“直接联接至”另一元件或层时，不存在中间元件或层。在说明书自始至终，相似编号指相似元件。如本说明书使用的，术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。 [0020] 应当理解，尽管术语第一、第二、第三等在本说明书中可用于描述不同元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于使一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。因此，在不背离示例实施例的教导的情况下，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分。 [0021] 为了便于描述，空间相对术语(例如，“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等等)在本说明书中可用于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，如图中所示。应当理解，空间相对术语预期涵盖除图中所示的取向之外的装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件随后被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，术语“下方”可涵盖上方和下方的取向两者。装置可另外定向(旋转90度或在其他取向)，并且相应地解释本说明书使用的空间相对描述词。 [0022] 本说明书使用的术语仅为了描述不同实施例的目的，而不预期限制示例实施例。如本说明书使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一种”、“一个”和“该/所述”也预期包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包含(comprises)”和/或“包含(comprising)”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。 [0023] 示例实施例在本说明书中参考其为示例实施例的理想化实施例(和中间结构)的示意图的横截面图示进行描述。像这样，预期由于例如制造技术和/或公差而与图示形状的变化。示例实施例不应被解释为限于本说明书所示的区域的形状，而是包括例如起因于制造的形状中的偏差。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不预期示出装置的区域的实际形状，并且不预期限制示例实施例的范围。 [0024] 除非另有定义，否则本说明书使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还应理解，术语包括在通常使用的字典中定义的术语，应被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不以理想化或过度形式化的意义来解释，除非在本说明书中明确如此定义。 [0025] 根据示例实施例用于抑制自燃金属火灾的方法可包括在安全壳结构(containment structure)上方布置抑制系统(suppression system)。抑制系统包括第一灭火剂(first extinguishing agent)，并且安全壳结构被配置为容纳自燃金属且隔离自燃金属与环境空气。抑制系统被配置为在自燃金属泄漏和点燃时激活，以便释放第一灭火剂以抑制自燃金属火灾。 [0026] 图1是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆(nuclear reactor)中实施的涂层型抑制系统的视图。参考图1，涂层型抑制系统100包括灭火剂102(例如，第一灭火剂)，并且设置在安全壳结构104上方的稳定表面上。稳定表面可以是容纳安全壳结构104的室的顶板。 [0027] 安全壳结构104可以是液态金属快速反应堆(器)的蒸汽发生器，并且可包括液态金属入口管106、液态金属出口管108、给水入口管110和蒸汽出口管112，尽管示例实施例并不限于此。安全壳结构104被配置为尤其容纳自燃金属和隔离自燃金属与环境空气。例如，自燃金属可以是碱金属(alkali metal)。在一个非限制性实施例中，碱金属可以是钠。 [0028] 如图1所示，在液态金属入口管106中的一个或多个中可发生泄漏114。然而，应当理解，泄漏114可发生在安全壳结构104的其他部分中。在安全壳结构104包含自燃金属(例如钠)时，当自燃金属泄漏并与氧和/或水(例如，经由环境空气)接触时，金属火灾可自发地发生。 [0029] 涂层型抑制系统(coating-type suppression system)100可通过自燃金属火灾被热激活和/或化学激活。例如，涂层型抑制系统100可被配置为使得其结构完整性(structural integrity)在自燃金属火灾的存在下降解(degrades)，以便释放灭火剂102。对于较小的火灾(fires)，降解的范围可限制于自燃金属火灾上方的涂层型抑制系统100附近，使得该区域中的灭火剂102的仅一部分被释放并下落到自燃金属火灾上，以抑制这种燃烧。另一方面，对于较大的火灾，更大量的涂层型抑制系统100可降解并将其中的灭火剂102释放到燃烧区域上。因此，涂层型抑制系统100在抑制或熄灭不同尺寸和在不同位置处的金属火灾的能力方面相对灵活。 [0030] 涂层型抑制系统100的结构完整性可被配置为当涂层型抑制系统100的表面由于暴露于自燃金属火灾而达到升高的温度时劣化。例如，涂层型抑制系统100的结构完整性可被配置为当涂层型抑制系统100的表面处升高的温度达到75摄氏度或更高时分解。 [0031] 除(或代替)被热激活之外，涂层型抑制系统100的结构完整性可被配置为当暴露于自燃金属火灾的一种或多种反应副产物时劣化。例如，涂层型抑制系统100的结构完整性可被配置为当一种或多种反应副产物包括氢气时变脆(embrittled)。在一个非限制性实施例中，涂层型抑制系统100的结构完整性可被配置为当氢气的浓度达到50pphm或更高时分解。 [0032] 涂层型抑制系统100可以是这样定位(例如，粘附到顶板)的连续的共形层的形式，使得当释放时灭火剂102将经由重力落在自燃金属火灾上。例如，涂层型抑制系统100可被配置为包括灭火剂102的聚合物层，其中所述聚合物层被施加到安全壳结构104上方的顶板上。聚合物层可包括下述结构 [0033] [0034] 其中X是氯(chlorine)、碳酸酯/盐(carbonate)或者与自燃金属(例如Na)反应以形成热力学稳定(hermodynamically stable)的产物(例如NaCl、Na2CO3)的另一原子/分子。然而，应当理解，也可使用其他材料(其提供合适的热激活和/或化学激活性质)。 [0035] 图2是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的与涂层型抑制系统结合的喷射型(spray-type)抑制系统的视图。参考图2，喷射型抑制系统200可单独使用或与图1的涂层型抑制系统100一起使用，以便抑制或熄灭起因于自燃金属的泄漏114的任何金属火灾。喷射型抑制系统200可被主动地控制，以允许其分配端将第二灭火剂直接喷射在泄漏处以抑制或熄灭金属火灾。第二灭火剂可以是与图1结合讨论的聚合物材料(polymer material)，尽管示例实施例并不限于此。例如，第二灭火剂可以是Met-L-X。关于被配置用于主动控制，喷射型抑制系统200的分配端(dispensing end)可根据需要旋转和/或成角度。另外，喷射型抑制系统200的一个或多个部分可根据需要延伸和/或缩回，以便到达所需位置。虽然喷射型抑制系统200在图2中示出为包括从顶板延伸的单个喷射结构，但应当理解，示例实施例并不限于此。例如，喷射型抑制系统200可包括多个喷射结构。另外，喷射结构中的一个或多个可被配置为从顶板、侧壁和/或地板中的一个或多个延伸。喷射型抑制系统200可特别用于抑制或熄灭较大和/或持续的金属火灾。 [0036] 图3是根据本发明内容的示例实施例的I形梁型(I-beam-type)抑制系统的视图。参考图3，I形梁型抑制系统300包括I形梁结构302和固定到其底部的容器。容器可以是在其中包封灭火剂的金属壳体(例如，钛片)。金属壳体可形成为包括缺陷并注入有氢扩散促进剂(hydrogen diffusion promoters)(例如CN-)，以便促进由于经由氢扩散的脆化(embrittlement)的容器的快速劣化。在一个示例实施例中，金属壳体可被配置为部分圆柱形容器304并且固定到I形梁结构302的底部。然而，应当理解，金属壳体可被配置成各种其他合适的形状。金属壳体内的灭火剂可以是基于盐的粉末(例如，Met-L-X)或基于石墨(graphite-based)的粉末。另外，灭火剂可包括弱酸(weak acid)(例如硼酸)。 [0037] 图4是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的I形梁型抑制系统的视图。参考图4，图3的I形梁型抑制系统300可在液态金属快速反应堆中实施。例如，I形梁结构302可以是已用于支撑容纳安全壳结构的室的顶板的现有结构，其中部分圆柱形容器304随后固定到I形梁结构302的底部，以形成I形梁型抑制系统300。可替代地，I形梁结构302和部分圆柱形容器304的组合可已首先固定在一起以形成I形梁型抑制系统300，并且随后进入室内并安装在顶板上。 [0038] 在液态金属快速反应堆的操作期间，安全壳结构内的自燃金属可泄漏并导致金属火灾。I形梁型抑制系统300可被金属火灾热激活和/或化学激活。例如，由于金属火灾，可能产生氢气，从而劣化部分圆柱形容器304的完整性，由此释放其中的灭火剂。 [0039] 图5是根据本发明内容的示例实施例的管型抑制系统的视图。参考图5，管式抑制系统500可包括被配置为管状容器502的金属壳体。金属壳体可形成为包括缺陷并注入有氢-扩散促进剂(例如CN)，以便促进由于经由氢扩散的脆化的容器的快速劣化。管状容器502在其中包括灭火剂和光电检测器(photodetector)504。灭火剂可以是基于盐的粉末(例如，Met-L-X)或基于石墨的粉末。另外，灭火剂可包括弱酸(例如硼酸)。光电检测器504被配置为通过检测光是否进入金属壳体来指示是否存在金属壳体的劣化。 [0040] 图6是根据本发明内容的示例实施例，用于抑制系统的光电检测器的电路图。参考图6，光电晶体管(phototransistor)602连接到第一负载电阻器(first load resistor)604和放大器606。放大器606连同第二负载电阻器608(例如，10kΩ)和第三负载电阻器610(例如，1kΩ)一起形成前置放大器612。前置放大器612连接到模数信号控制器614。此外，模数信号控制器614连接到第一指示灯616和第二指示灯618。在一个非限制性实施例中，图5中的光电检测器504可如由图6的电路图提供的。 [0041] 在液态金属快速反应堆的操作期间，如果管状容器开始降解，则光将进入并激活其中的光电检测器。特别地，参考图6，当由光电晶体管602检测到光时，相应的电压信号被发送到模数信号控制器614，其控制第一指示灯616和第二指示灯618。光电晶体管602可被配置为检测其照度范围(illuminance ranging)在1-1000lux之间的光。如果管状容器不劣化并且仍然完整，则第一指示灯616(例如，绿灯)将发光以指示正常状况。另一方面，如果管状容器已开始降解和损坏，则第二指示灯618(例如，红灯)将发光以指示劣化。 [0042] 图7是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的管型抑制系统的视图。参考图7，管型抑制系统500固定到安全壳结构上方的顶板。管型抑制系统500被配置为由金属火灾热激活和/或化学激活。 [0043] 图8是根据本发明内容的示例实施例，如在核反应堆中实施的与管型抑制系统结合的I形梁型抑制系统的视图。参考图8，I形梁型抑制系统300和管型抑制系统500两者均固定到安全壳结构上方的顶板。尽管图8显示了布置在I形梁型抑制系统300的每个I形梁结构之间的管型抑制系统500的三个管状容器，但应当理解，示例实施例并不限于此。例如，可布置在I形梁型抑制系统300的每个I形梁结构之间的管型抑制系统500的管状容器数目也将根据I形梁结构的间距以及管状容器本身的尺寸而变。 [0044] 尽管本说明书已公开了多个示例实施例，但应当理解，其他变化也是可能的。这样的变化不视为本发明内容的精神和范围的背离，并且如对于本领域技术人员显而易见的所有这样的修改预期包括在所附权利要求的范围内。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈