способ и устройство для инициирования реакции водорода с кислородом в защитной оболочке реактора

Формула изобретения

1. Способ инициирования реакции водорода с кислородом в каталитическом рекомбинационном или зажигательном устройстве, которое содержит по меньшей мере одно катализаторное тело (2) с заданной каталитической поверхностью, в частности, для атомной электростанции, отличающийся тем, что небольшую часть общей имеющейся каталитической поверхности, предпочтительно менее 5% поверхности, посредством подвода энергии постоянно поддерживают на уровне температуры, который выше уровня температуры окружения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергию подводят из местного накопителя (8, 38, 44) энергии, предпочтительно из аккумулятора.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что подвод энергии осуществляют посредством постоянного нагревания электрического нагревательного устройства (6).

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что рекомбинационное или зажигательное устройство (24) расположено в защитной оболочке (26) атомной электростанции.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что небольшую часть поверхности, поддерживаемую на уровне температуры выше уровня температуры окружения, удерживают на температуре более 50^oС, предпочтительно более 80^oС.

6. Способ по любому из пп.3-5, отличающийся тем, что энергию подводят из центрального устройства (42) электропитания и только при выходе из строя этого центрального устройства (42) электропитания - из местного накопителя (8, 38, 44) энергии.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что небольшую часть поверхности, поддерживаемую на уровне температуры выше уровня температуры окружения, постоянно удерживают на указанном уровне температуры от накопительного устройства (50) с жидким или твердым аккумулирующим энергию материалом через теплопроводный элемент (54), причем накопительное устройство (50), в свою очередь, с помощью нагревания длительно удерживают на повышенной температуре, в частности более 200^oС.

8. Устройство для инициирования реакции водорода с кислородом в каталитическом рекомбинационном или зажигательном устройстве, которое содержит по меньшей мере одно катализаторное тело (2) с заданной каталитической поверхностью, отличающееся тем, что предусмотрено устройство подвода энергии, с помощью которого небольшая часть общей имеющейся каталитической поверхности, предпочтительно менее 5% поверхности, посредством ввода энергии постоянно поддерживается на уровне температуры выше уровня температуры окружения.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что устройство подвода энергии содержит, с одной стороны, источник электрической энергии, и, с другой стороны, электрическое нагревательное устройство (6).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что устройство подвода энергии содержит местный накопитель (8, 44) энергии, в частности аккумулятор.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что устройство подвода энергии содержит центральное устройство (42) электропитания и переключатель (36), который выполнен с такой возможностью управления, что только при выходе из строя центрального устройства (42) электропитания происходит переключение с него на местный накопитель энергии (8, 38, 44).

12. Устройство по любому из пп.8-11, отличающееся тем, что предусмотрен постоянный подогрев центральной части каталитической поверхности.

13. Устройство по любому из пп.8-12, отличающееся тем, что по меньшей мере один проводник (22) тепла, который выполнен предпочтительно из металла, ведет от небольшой части поверхности, поддерживаемой на уровне температуры выше уровня температуры окружения, к другой части поверхности.

14. Устройство по любому из пп.8-13, отличающееся тем, что устройство подвода энергии содержит накопительное устройство (50) с жидким или твердым аккумулирующим энергию материалом, который через теплопроводный элемент соединен с небольшой частью поверхности, поддерживаемой на уровне температуры выше уровня температуры окружения.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что для нагревания накопительного устройства (54) предусмотрен нагреватель (6), который выполнен предпочтительно в виде электрического резистивного нагревателя.

16. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что накопительное устройство (50) является окруженным изоляцией (52) накопителем тепла.

17. Устройство по любому из пп.8-16, отличающееся тем, что электрическое нагревательное устройство (6) имеет постоянно нагреваемую нагревательную спираль (16).

18. Устройство по любому из пп.8-17, отличающееся тем, что электрическое нагревательное устройство (6) является нагревателем, расположенным между двумя соседними катализаторными телами (2).

19. Устройство по любому из пп.8-18, отличающееся тем, что электрическое нагревательное устройство (6) содержит нагревательный плоский проводник (66), который расположен параллельно выполненному в виде пластины катализаторному телу (2).

20. Устройство по любому из пп.9-19, отличающееся тем, что электрическое нагревательное устройство (6) и катализаторные тела (2) расположены в одном корпусе (24).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для инициирования реакции водорода с кислородом в каталитическом рекомбинационном или зажигательном устройстве, которое имеет по меньшей мере одно катализаторное тело с заданной каталитической поверхностью.

Каталитические зажигательные устройства известны, например, из ЕР 303144 А1 и DE 3004677 А1, а каталитические рекомбинационные устройства известны, например, из ЕР 0527968 A1.

После аварии с потерей охлаждающего средства на атомной электростанции могут выделяться большие количества водорода ₂ и окиси углерода СО в защитную оболочку. Без принятия мер противодействия накопление водорода в атмосфере защитной оболочки при некоторых условиях могло бы быть настолько большим, что оно могло бы приводить к образованию способной к детонации смеси. При последующем случайном зажигании за счет сгорания большого количества водорода может создаваться угроза целостности защитной оболочки. Поэтому предпринимаются попытки разработки и оптимирования рекомбинационного или зажигательного устройства для устранения водорода и окиси углерода из атмосферы защитной оболочки посредством рекомбинации с кислородом О₂, которое своевременно начинает действовать. Такое устройство даже при длительном сроке службы в атмосфере защитной оболочки не должно существенно утрачивать активность. Оно должно быть также в состоянии начинать действовать полностью пассивно при низких окружающих температурах. Другими словами, должна иметься возможность быстро и пассивно приводить в действие рекомбинационное или зажигательное устройство также при авариях при низких окружающих температурах, например, в аварийной ситуации TMI при работе вентиляции и результирующими окружающими температурами только 30^oС или в условиях ледового конденсатора при температуре, например, 10^oС и ниже. Если возможно своевременное пассивное устранение водорода, то значительно повышается безопасность атомной электростанции.

Обычные рекомбинационные или зажигательные устройства работают с каталитическими элементами на основе платины и/или палладия. Даже при наличии реверсивных катализаторных ядов должна значительно повышаться надежность начала реакции.

Известное из ЕР 0527986 С1 рекомбинационное устройство для рекомбинации водорода и кислорода согласно одному варианту выполнения содержит в корпусе множество расположенных параллельно друг другу катализаторных пластин. Этот корпус имеет входное и выходное отверстия, расположенные так, что расположенные параллельно друг другу катализаторные пластины обтекает параллельно газопаровая смесь. Это устройство предназначено для применения, в частности, при тяжелых авариях, при которых можно рассчитывать на температуру свыше 50^oС в атмосфере защитной оболочки. Было бы желательно выполнить это устройство так, чтобы оно надежно начинало работу также при низких температурах.

В то время как указанное выше устройство представляет собой устройство с катализатором на основе платины и палладия, из уровня техники известны также другие варианты выполнения. Например, в DE 3694416 С2 описаны смеси из благородных металлов, которые распределены гомогенно. Например, несколько слоев фольги из благородных металлов (Pd+V+Pd) могут быть нанесены на алюминиевый носитель несколькими слоями или могут быть намотаны по спирали. В ЕР 0301536 А2 описаны также устройства, в которых используют палладиевый сплав (с низким временем срабатывания до каталитической реакции). Палладиевый сплав содержит по меньшей мере 80 мас.% Pd, максимально до 19,9 мас.% другого металла 8-ой группы периодической системы, в частности, никеля, и максимально 10 мас.% меди.

Другие катализаторные смеси вследствие большого микроскопического удаления чувствительных палладиевых центров от имеющихся в преобладающем количестве устойчивых к ядам платиновых центров не могут создать достаточную скорость реакций при рассматриваемых здесь низких температурах, так что не может быть достигнуто срабатывание платиновых центров.

Указанные выше устройства могут быть согласно уровню техники снабжены еще фильтрами для предотвращения дезактивации или же могут быть размещены в закрытых резервуарах, которые открывают в случае необходимости. Хотя такие дополнительные приспособления предотвращают или снижают старение катализатора, однако они являются дорогостоящими, сложными и их трудно выполнить в соответствии с другими требованиями, например в отношении землятресений.

Из DE 3143989 С известно применение рекомбинационного устройства, которое содержит в целом резервуар и электрический подогрев. Подробности конструкции в этой публикации не указаны.

Поэтому задачей изобретения является создание способа и устройства для раннего инициирования реакции водорода с кислородом в каталитическом рекомбинационном или зажигательном устройстве, с помощью которых возможно своевременное пассивное устранение водорода и тем самым повышение безопасности. Устройство должно надежно работать в самых трудных аварийных условиях, в частности в расположенных внутри защитной оболочки атомной электростанции каталитических рекомбинационных или зажигательных устройствах, которые работают в основном с применением благородных металлов платины и палладия.

Относительно способа указанная задача решается согласно изобретению тем, что небольшую часть общей имеющейся каталитической поверхности, предпочтительно менее 5% этой поверхности, посредством подвода энергии постоянно поддерживают на уровне температуры, который выше уровня температуры окружения.

Относительно устройства указанная задача решается согласно изобретению тем, что предусмотрено устройство для подвода энергии, с помощью которого небольшая часть общей имеющейся каталитической поверхности, предпочтительно менее 5% этой поверхности, посредством подвода энергии постоянно поддерживается на уровне температуры, который выше уровня температуры окружения.

За счет подвода энергии и связанного с этим повышения температуры до уровня, превосходящего уровень температуры окружения, создают благоприятные условия для реакции водорода и кислорода. В указанной небольшой части поверхности в случае аварии инициируется ход указанной реакции вследствие повышенной температуры поверхности. С помощью других мер, которые характеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения, обеспечивается то, что начальная реакция может особенно быстро распространиться на всю поверхность.

Энергию подают, предпочтительно, из локального, т.е. расположенного вблизи каталитической поверхности накопителя энергии, предпочтительно из аккумулятора. Таким образом, даже при вызванном аварией отключении электропитания атомной электростанции и при наличии низких температур, например ниже 10^oС, при низких концентрациях водорода, например, менее 2 об.%, при сильно загрязненной атмосфере, при влажности и т.д. обеспечивается полностью пассивный старт каталитической реакции. За счет отвода выделяемого при реакции тепла в соседние каталитические поверхности обеспечивается активация всего каталитического рекомбинационного или зажигательного устройства. Тем самым происходит своевременное окисление водорода перед достижением предельных значений критической концентрации. Таким образом, достигается значительное повышение безопасности атомной электростанции.

Другими словами, с помощью постоянно темперированной каталитической части достигается то, что эта катализаторная зона при выделении водорода самостоятельно нагревается дальше за счет непосредственно начинающейся экзотермической реакции и запускает самоподдерживающуюся каталитическую реакцию. Эта реакция, при необходимости при поддержке установленных металлических проводников, транспортируется в соседние части катализатора. Тем самым обеспечивается начало общей реакции.

За счет частичного нагрева с помощью независимого накопителя энергии и комбинации указанных мер можно компенсировать эффекты старения, вызванные использованием в атмосфере атомной электростанции, например, сорбцией углеводородов и сварочных паров, аэрозольной нагрузкой и т.д., в течение длительного срока службы в несколько лет, без возникающей обычно после короткого времени нахождения в резерве потери способности автоматического запуска реакции, что очень важно для обеспечения безопасности. Срок службы может составлять пять и более лет. За счет этого значительно повышается безопасность и одновременно понижается стоимость, так как отпадает необходимость в цикличной замене отдельных катализаторных тел.

Примеры выполнения изобретения поясняются ниже с помощью восьми чертежей, на которых изображено:

Фиг. 1 - часть каталитического рекомбинационного устройства в виде сверху;

Фиг. 2 - модифицированный вариант расположения нагревательного устройства;

Фиг.3 - вариант выполнения с применением проводников тепла;

Фиг. 4 - внешнее и внутреннее электропитание нагревания в атомной электростанции;

Фиг.5 - децентрализованное, защищенное от помех электропитание;

Фиг.6 - нагревание с помощью аккумулятора тепла;

Фиг.7 - выполненный с возможностью нагревания катализаторный элемент; и

Фиг. 8 - нагревательный проводник, который расположен параллельно катализаторной пластине.

На фиг.1 показано рекомбинационное устройство в виде сверху. Таким образом, подлежащий рекомбинации газ выходит снизу из плоскости чертежа. Это обозначено заключенными в кружки точками 4. Между обеими средними катализаторными телами 2 в передней области находится электрическое нагревательное устройство 6, т.е. постоянно нагреваемая каталитически активная зона. Нагревательное устройство 6 может представлять небольшое нагревательное тело, как например, нагревательный стержень, нить накала или другой нагревательный элемент. Это электрическое нагревательное устройство 6 питается от источника 8 энергии, например от местного накопителя энергии, например от аккумулятора. Нагревательное устройство 6 установлено так, что оно отдает тепловую энергию на оба соседних катализаторных тела 2 (показаны в середине чертежа). Передача тепла обозначена стрелками W. Объем и нагревательная мощность выбраны так, что только небольшая часть всей имеющейся каталитической поверхности, предпочтительно менее 5% поверхности, посредством подвода тепла постоянно поддерживается на уровне температуры, который выше уровня температуры окружения. Постоянный подогрев центральной части поверхности происходит так, что внутри этой зоны поддерживается температура свыше 50^oС, предпочтительно более 80^oС. За счет этого при повышенных температурах значительно сокращается известное как старение снижение во времени каталитической активности, например, вследствие сорбции вредных веществ из атмосферы защитной оболочки при работе атомной электростанции.

Согласно фиг.1, рекомбинационное устройство содержит множество расположенных параллельно друг другу катализаторных пластин или катализаторных тел 2, которые, как известно (ЕР 0527968 С1), состоят из основной пластины из стального листа и нанесенного с обеих сторон каталитического материала, как например, платины и палладия. Отдельные катализаторные тела 2, которые совместно имеют заданную каталитическую поверхность, установлены с геометрическим и силовым замыканием в металлической опоре 10. Расстояние между стальными листами составляет менее 2 см, предпочтительно около 1 см. Соблюдение расстояния между пластинами катализатора в этих пределах является желательным, поскольку вследствие ламинарного состояния потока между пластинообразными катализаторными телами 2 происходит только незначительный перенос тепла за счет конвекции и тепло передается прежде всего излучением. За счет соединения с силовым замыканием более 0,1 кгс между отдельным катализаторным телом 2 (толщина около 0,05 мм) и опорой 10 после запуска катализатора происходит прямая передача тепла в соседнее катализаторное тело 2.

Передача тепла в металлической опоре 10 обозначена горизонтальными стрелками W.

Для уменьшения охлаждающего действия окружения между стенкой 12 корпуса и металлической опорой 10 предусмотрен изолирующий воздушный зазор 14, через который не проходит поток. Он может иметь ширину более 5 мм. Вместо воздушного зазора 14 может быть предусмотрен также массивный изоляционный слой. За счет воздушного зазора 14 снижается влияние внешней температуры на рекомбинацию, так что при непреднамеренном зажигании и высокой концентрации водорода более, например, 8-10 объемных %, возможна работа устройства без зажигания.

Как показано на фиг.2, между двумя катализаторными частями 2 каталитического рекомбинационного устройства расположен питаемый электрически нагреватель 6. Этот нагреватель 6 состоит в основном из нагревательной спирали 16, которая питается от источника 8 энергии, и расположенной вокруг спирали проволочной сетки 18, которая является хорошим проводником тепла и которая создаваемое постоянно нагревательной спиралью 16 тепло передает на оба катализаторных тела 2. Для этой цели проволочная сетка 18 плотно прилегает к поверхности обоих катализаторных тел 2. Вместо этого здесь также можно использовать снова каталитически нагреваемый элемент 16 или 18. Нагреватель с обоих сторон заключен между фильтровальными телами 20. Эти фильтровальные тела 20 состоят из металлической фильтровальной ватки и/или сорбционной среды, как например, активированного угля или цеолита. С помощью таких фильтровальных тел 20 можно удерживать на минимальном уровне количество аэрозольных и/или газообразных вредных веществ в этой чувствительной зоне.

На фиг. 3 показано, что от нагретой нагревательным устройством 6 зоны в обоих соседних катализаторных телах 2 тепло передается на другие катализаторные тела 2. Для этого служат элементы 22 передачи тепла, которые выполнены, в частности, в виде стержней или пластин и состоят из металла. Они могут проходить через несколько катализаторных тел 2. Передача тепла здесь также обозначена стрелками W.

На фиг. 4 показано рекомбинационное устройство 24, которое расположено внутри защитной оболочки 26 реактора. Стенка защитной оболочки обозначена позицией 28. Рекомбинационное устройство 24 выполнено, в частности, так, как оно описано и показано в ЕР 0527968 С, однако здесь используют установленные параллельно друг другу пластины 2. Входное отверстие обозначено позицией 30, а расположенное вертикально над ним выходное отверстие - позицией 32. Установленные параллельно друг другу пластинообразные катализаторные тела 2 находятся в нижней области 34. Здесь расположен также нагреватель 6. Через переключатель 36 или коммутирующий элемент 36 он в случае аварии питается от внутреннего блока 38 электропитания или через отверстие 40 в стенке 28 от внешнего блока 42 электропитания в нормальном режиме работы. Переключатель 36 выполнен так, что только при выходе из строя центрального блока 42 электропитания происходит переключение с него на местный блок 38 электропитания.

На фиг. 5 показано, что нагревательный элемент 6 в рекомбинационном устройстве 24 постоянно питается от устойчивого к излучению аккумулятора 44, который расположен непосредственно рядом с устройством 24. Таким образом, здесь имеется децентрализованное, независимое от помех снабжение энергией, причем аккумулятор 44 можно рассматривать как локальный накопитель энергии.

По поводу фиг. 4 и 5 необходимо отметить следующее: за счет частичного нагрева необходимая потребность в энергии, в частности в случае аварии настолько снижается, например, до менее 100 Вт, предпочтительно до менее 10 Вт, что можно подавать энергию из накопителя энергии 38, 44 в течение нескольких часов.

Расположенный внутри защитной оболочки 26 реактора накопитель энергии состоит согласно фиг. 5 из одного или нескольких отдельных электрических аккумуляторов 44, которые при выходе из строя электропитания в течение определенного времени более 2 часов, предпочтительно более 24 часов, автоматически начинают работать и поддерживают нагревание и темперирование активной катализаторной зоны.

Согласно фиг. 6, рекомбинационное устройство 24 снабжено устройством 50 накопления тепла. Он содержит жидкий или твердый аккумулирующий тепло материал. Накопительное устройство 50 с помощью электрического резистивного нагревания (не изображено) поддерживают постоянно на повышенной температуре свыше 200^oС, предпочтительно свыше 400^oС. Это обеспечивается внешним блоком 42 электропитания. При этом накопитель 50 для уменьшения тепловых потерь окружен аварийно устойчивой изоляцией 52, в частности вакуумной или твердотельной изоляцией. Перенос тепла из накопителя 50 тепла к нагревательному элементу 6 в устройстве 24 происходит посредством прямой теплопроводности, а именно через изолированный теплопроводный элемент 54, например металлический стержень. Если питающая линия между резистивным нагревателем в накопителе 50 тепла и внешним источником 42 прерывается, то достаточно накопленной энергии для поддерживания заданной небольшой части каталитической поверхности на повышенной температуре, а именно в течение нескольких часов. Пассивная, инициирующая зажигание часть катализатора расположена и здесь против направления потока в нижней части или области 34 устройства 24.

На фиг. 7 показан нагревательный элемент 6, который содержит нагревательную спираль 56 или каталитически покрытую нить, а также проволочную сетку 58 или каталитически покрытую фильтрующую ватку. Последняя лежит на креплении или держателе 60 или непосредственно на плоском катализаторном теле 2.

На фиг.8 показано, что питаемый электричеством нагревательный элемент 6 может быть более или менее интегрирован в катализаторное тело 2 или непосредственно прилегать к нему. Опорное тело 62 в виде пластины, в частности из аустенитной металлической фольги, покрыто электрически изолирующим слоем 64. В последнем расположен предусмотренный для электрического нагревания зигзагообразный плоский проводник 66. На изолирующем слое 64 лежит пластинообразное катализаторное тело 2, от которого для лучшей наглядности показана только часть. Катализаторное тело 2 в данном случае также является тонкой пластиной из благородного металла, которая сверху покрыта катализаторным слоем на основе Pd/Pt.

За счет относительно низкой потребности в энергии показанных на фиг.1-8 устройств возможно комбинирование с питанием других измерительных устройств с аварийным питанием в защитной оболочки реактора, как например, с питанием измерения Н₂. Это означает относительно низкие затраты.

Для восстановления каталитической активности можно включать дополнительно (циклически или во время повторных проверок с ручным включением) кратковременную фазу высокой температуры более 200^oС, например, с помощью включателя 70 по фиг.4. За счет этого достигается очень эффективная реактивация нагреваемой каталитической части в области нагревательного элемента 6, так что при нормальной работе достаточно поддерживать нагрев на значительно более низком уровне, так как реверсивные катализаторные яды качественно адсорбируются.