CN112271003A - 核电厂非能动消氢装置和消氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种核电厂非能动消氢装置，其包括：载体和设置于载体上的银沸石颗粒，其中，载体设有烟囱状流道，银沸石颗粒置于烟囱状流道中或粒附着在载体的外表面。此外，本发明还公开一种采用本发明核电厂非能动消氢装置的核电厂非能动消氢系统。相对于现有技术，本发明核电厂非能动消氢装置和系统采用了银沸石催化、非能动原理消氢的方法，实现了事故后尤其是严重事故后的可靠消氢，根本解决了核电厂事故后大空间安全壳内的氢燃、氢爆风险问题，维持安全壳的完整性；实现了小空间和工艺系统管路的可靠消氢，为小空间氢气复合、容器内氢气消除、工艺含氢介质消氢处理、实验室消氢处理和核电厂氢复合器再生试验装置中消氢处理提供了可靠方法。
Description
技术领域
本发明属于核电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种核电厂非能动消氢装置和消氢系统。
背景技术
根据IAEA导则NS-G-1.10和HAF102《核动力厂设计安全规定》要求：设计时，必须做到实际消除可能导致早期放射性释放或大量放射性释放的核动力厂工况发生的可能性。
在核电厂反应堆发生严重事故后，由于反应堆得不到足够的冷却，导致堆芯温度升高。当堆芯温度超过800℃时，锆合金会与水或蒸汽发生反应并产生大量的氢气。当安全壳内的空气中所含氢气的体积含量大于10％时，就有可能发生氢气燃烧或爆炸，影响安全壳的完整性或造成安全壳彻底失效。
目前，为了避免或缓解严重事故后安全壳内的氢燃氢爆风险，多数核电厂都采用了可燃气体控制系统，以消除氢气对安全壳包容能力完整性的挑战，避免不可控的放射性物质向外部环境大规模释放。可燃气体控制系统主要采用金属催化板结构的非能动氢复合器消氢，部分核电厂还辅助以能动点火器装置作为配合消氢。
非能动氢复合器主要根据安全壳内金属催化原理来促进氢氧复合反应的发生，进而非能动消除氢气的方法。非能动氢复合器没有能动部件，自动催化消氢，不需要电源和其它支持系统。在机组正常运行时，非能动氢复合器处于备用状态；当安全壳内的氢浓度达到设备的启动阈值时，非能动氢复合器自动工作，使安全壳内气体混合物中的氢气和氧气在催化剂的催化作用下复合成为水蒸气，有效将安全壳内的氢气浓度控制在安全范围之内。此外，非能动氢复合器启动后具有烟囱效应，可以有效促进安全壳大气的自然对流和搅浑，避免局部氢气浓度过高达到爆炸限值，维持安全壳的完整性。
相关技术中，非能动氢复合器由不锈钢壳体和催化剂单元组成，复合器的外部金属壳体引导含氢气体向上流过装置(气体从复合器的底部进入，从顶部排出)。壳体内部有一定数量的涂有催化活性涂层的耐热载体板(一般为不锈钢板或钛合金板)，在载体板上涂有铂和钯等贵金属，垂直插在箱体底部的框架上。在事故后安全壳内产生氢气时，当局部氢气浓度达到氢复合器的启动阈值时，通过安全壳内的不同位置布置的氢复合器进行非能动消氢。其工作原理为：氢复合器的金属外壳可引导气流向上通过氢复合器，在壳体的下部装有一个插入很多平行的竖直催化剂板的框架，在催化剂板上涂满活性催化剂。含氢气体混合物在催化剂作用下发生氢氧复合反应，并释放出热量使复合器下部的气体密度降低，进而加强了气体对流，使大量的含氢气体进入与催化剂接触，以此来保证高效消氢功能。
但是，上述技术方案存在以下缺陷：氢气和氧气接触金属催化剂的有效面积相对较少，消氢速率较慢，不能有效缓解氢浓度峰值；易受到由于高温辐照导致的温度场变化的影响，影响消氢效率；催化材料环境敏感性较高，催化表面容易发生中毒而失效；对催化材料的要求较高，需要较大的表面积，导致装置体积也较大，占用较多工程布置空间，同时也不适合用于小空间内的消氢；采用贵金属作为催化介质，采用钛板等作为载体，工程造价昂贵；需配套和额外采购专用的定期试验装置及催化剂板再生还原装置，会增加更多的工程成本。
相关技术中，还采用能动点火器在安全壳内通过电火花能动点火局部消除氢气。能动点火器采用电热塞设计，在事故后的安全壳环境内，能将电热塞表面维持在900℃以上，一旦氢气浓度达到可燃条件，高温的电热塞将附近的氢气点燃。在积聚的氢气风险足以威胁到安全壳完整性之前，分阶段地释放不可接受的氢气快燃风险或大体积的氢气燃爆风险，维持安全壳的完整性。
但是，上述技术方案存在以下缺陷：在水蒸汽浓度较高时，能动点火器处于惰化环境中可能无法点火，导致其功能失效，无法发挥其消氢作用；氢气点火器的点火需要满足氢气的可燃极限，与可燃点紧密相关，其能动消氢受制于氢气浓度场聚集效应明显，其应用局限性在于，气体组分必须是可燃的，不被水蒸汽惰化的；要求安全壳中氢气体积浓度至少高于一定浓度数值，水蒸汽浓度至少低于某一限值，存在低浓度难以消氢的显著缺陷；能动氢气点火器消氢装置需要动力电源的支持，相对于非能动原理，消氢可靠性较差，只能用作核电厂事故后的辅助消氢；能动点火器消氢装置点燃局部氢气存在电火花明火，只能用作大空间局部消氢，不能用作小空间消氢及工艺流程消氢。
有鉴于此，确有必要提供一种安全、可靠的核电厂非能动消氢装置和消氢系统。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷，提供一种安全、可靠的核电厂非能动消氢装置和消氢系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种安全、可靠的核电厂非能动消氢装置，其包括：载体和设置于载体上的银沸石颗粒。
在银沸石表面处，由于存在原子/分子吸引力，氢气和氧气分子在银沸石催化介质表面能被有效吸附。氢气和氧气在催化剂表面发生化学反应时，产生的反应热会加热和推进催化表面附近局部的空气，热空气因密度变化抬升，受热空气抬升后留下的局部空间由下部冷空气补充过来，从而形成局部气体自然扩散循环，催化消氢过程得以持续进行。此外，氢气和氧气在催化剂表面发生化学反应时释放的反应热会进一步提升银沸石的表面温度，提升银沸石作为催化剂的活性，使消氢效率更有效的提升。复合过程包括如下步骤：a.氢气和氧气扩散到银沸石催化剂的表面；b.氢气和氧气在银沸石催化剂表面发生催化剂反应(也称为化学吸收作用)；c.发生中间反应产生水蒸气生成物；d.生成物发生解吸附作用；e.生成物从银沸石催化剂表面扩散掉。
作为本发明核电厂非能动消氢装置的一种改进，所述载体设有烟囱状流道，所述银沸石颗粒置于烟囱状流道中。
作为本发明核电厂非能动消氢装置的一种改进，所述载体的烟囱状流道中设有蜂窝结构、格栅结构、折流板导流通道结构、夹层结构，所述银沸石颗粒分布于蜂窝结构、格栅结构、折流板导流通道结构、夹层结构上。
作为本发明核电厂非能动消氢装置的一种改进，所述载体设有烟囱状流道，所述银沸石颗粒附着在所述载体的外表面。
作为本发明核电厂非能动消氢装置的一种改进，所述载体为不锈钢材质、金属材质或陶瓷材质。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电厂非能动消氢系统，其包括安全壳和设置于安全壳内的多个间隔排布的核电厂非能动消氢装置，其中，核电厂非能动消氢装置包括载体和设置于载体上的银沸石颗粒，载体设有烟囱状流道，银沸石颗粒置于烟囱状流道中。
作为本发明核电厂非能动消氢系统的一种改进，所述核电厂非能动消氢装置具有抗震能力。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电厂非能动消氢系统，其包括工艺系统和设置于工艺系统管路内的核电厂非能动消氢装置，其中，核电厂非能动消氢装置包括载体和设置于载体上的银沸石颗粒，载体设有烟囱状流道，银沸石颗粒置于烟囱状流道中。
作为本发明核电厂非能动消氢系统的一种改进，所述核电厂非能动消氢装置具有抗震能力。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电厂非能动消氢系统，其包括安全壳和设置于安全壳内的多个间隔排布的核电厂非能动消氢装置，其中，核电厂非能动消氢装置包括载体和设置于载体上的银沸石颗粒，银沸石颗粒附着在载体的外表面
相对于现有技术，本发明核电厂非能动消氢装置和系统采用了银沸石催化、非能动原理消氢的方法，具有以下技术效果：
a.实现了事故后尤其是严重事故后的可靠消氢，根本解决了核电厂事故后大空间安全壳内的氢燃、氢爆风险问题，维持安全壳的完整性；
b.实现了小空间及工艺系统的可靠消氢，提供了多种消氢结构形式和方法，对小空间氢气复合、容器内氢气消除、工艺含氢介质消氢处理、实验室消氢处理及核电厂氢复合器再生试验装置中消氢处理提供了可靠方法；
c.节省了金属催化非能动氢复合器的配套定期试验装置及还原再生装置。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式，对本发明核电厂非能动消氢装置和消氢系统进一步详细说明，其中：
图1是本发明核电厂非能动消氢装置一个实施方式的结构示意图。
图2是采用图1所示核电厂非能动消氢装置的一个核电厂非能动消氢系统的结构示意图，适用于安全壳等大空间。
图3是采用图1所示核电厂非能动消氢装置的一个核电厂非能动消氢系统的结构示意图，适用于工艺系统等小空间。
图4是采用图1所示核电厂非能动消氢装置的一个核电厂非能动消氢系统的结构示意图，适用于工艺系统等小空间。
图5是本发明核电厂非能动消氢装置另一个实施方式的结构示意图。
图6是采用图5所示核电厂非能动消氢装置的一个核电厂非能动消氢系统的结构示意图，适用于安全壳等大空间。
载体10；银沸石20。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
请参照图1所示，为了实现上述发明目的，本发明提供了一种安全、可靠的核电厂非能动消氢装置，其包括：载体10和设置于载体10上的银沸石颗粒20。
图1所示的实施方式为内置式核电厂非能动消氢装置，载体10设有烟囱状流道，银沸石颗粒20置于烟囱状流道中。根据本发明的一个优选实施方式，载体10的烟囱状流道中设有蜂窝结构、格栅结构、折流板导流通道结构、夹层结构，银沸石颗粒20分布于蜂窝结构、格栅结构、折流板导流通道结构、夹层结构上。
请参照图5所示，为本发明核电厂非能动消氢装置的另一个实施方式，为外掠式核电厂非能动消氢装置，其中，载体10设有烟囱状流道，银沸石颗粒20附着在载体10的外表面。
根据本发明核电厂非能动消氢装置的一个实施方式，载体10由防腐蚀材料制成，如由不锈钢材质、金属材质或陶瓷材质制成。
在银沸石表面处，由于存在原子/分子吸引力，氢气和氧气分子在银沸石催化介质表面能被有效吸附。氢气和氧气在催化剂表面发生化学反应时，产生的反应热会加热和推进催化表面附近局部的空气，热空气因密度变化抬升，受热空气抬升后留下的局部空间由下部冷空气补充过来，从而形成局部气体自然扩散循环，催化消氢过程得以持续进行。此外，氢气和氧气在催化剂表面发生化学反应时释放的反应热会进一步提升银沸石的表面温度，从而提升银沸石作为催化剂的活性，使消氢效率更有效的提升。其复合过程包括如下步骤：a.氢气和氧气扩散到银沸石催化剂的表面；b.氢气和氧气在银沸石催化剂表面发生催化剂反应(也称为化学吸收作用)；c.发生中间反应产生水蒸气生成物；d.生成物发生解吸附作用；e.生成物从银沸石催化剂表面扩散掉。
请参照图2所示，本发明提供了一种核电厂非能动消氢系统，其包括安全壳和设置于安全壳内的多个间隔排布的具有抗震能力的核电厂非能动消氢装置，其中，核电厂非能动消氢装置为图1所示内置式非能动消氢装置，包括载体10和设置于载体10上的银沸石颗粒，载体10设有烟囱状流道，银沸石颗20粒置于烟囱状流道中。可以理解的是，在其他大空间内，也可以根据需要在不同位置、以不同间隔布置多个内置式核电厂非能动消氢装置，以执行大空间消氢动作，实现事故后大空间内的消氢功能，保持安全壳或相应厂房结构的完整性。内置式非能动消氢装置的具体数目和放置位置可根据实际工程需求和厂房内的布置情况择优确定，每个内置式核电厂非能动消氢装置的有效消氢能力和容量可根据实际工程需求择优确定，只要多个内置式核电厂非能动消氢装置的组合需能够将大空间内的氢气浓度控制在安全范围之内，同时能保证长期和多次消氢即可。此时，内置式核电厂非能动消氢装置内充有合格的银沸石颗粒20，备用期间，银沸石颗粒20长期放置在消氢装置内。
请参照图3和图4所示，本发明提供了一种核电厂非能动消氢系统，其包括工艺系统和设置于工艺系统管路内的具有抗震能力的内置式核电厂非能动消氢装置，其中，核电厂非能动消氢装置包括载体10和设置于载体10上的银沸石颗粒20，载体10设有烟囱状流道，银沸石颗粒20置于烟囱状流道中。可以理解的是，在其他小空间，如容器内或工艺系统管路，内配置单台或多台内置式非能动消氢装置，执行局部空间内(如容器内或工艺系统管路)内的消氢功能，避免氢气风险。设置单个或多个内置式非能动消氢装置，具体数目可根据实际工程需求和布置情况择优确定；每个内置式非能动消氢装置的有效消氢能力和容量可根据实际工程需求择优确定，只要内置式银沸石非能动消氢装置或其组合需能够将局部空间内的氢气浓度控制在安全范围之内，并能多次和持续消氢即可。
请参照图6所示，本发明提供了一种核电厂非能动消氢系统，其包括安全壳和设置于安全壳内的多个间隔排布的核电厂非能动消氢装置，其中，核电厂非能动消氢装置包括载体10和设置于载体10上的银沸石颗粒20，银沸石颗粒20附着在载体10的外表面。
可以理解的是，在其他大空间内，也可以根据需要在不同位置以不同间隔布置多个外掠式核电厂非能动消氢装置，以执行大空间消氢动作，实现事故后大空间内的消氢功能，以保持安全壳或相应厂房结构的完整性。外掠式非能动消氢装置的具体数目和放置位置可根据实际工程需求和厂房内的布置情况择优确定，每个外掠式核电厂非能动消氢装置的有效消氢能力和容量可根据实际工程需求择优确定，只要多个外掠式核电厂非能动消氢装置的组合需能够将大空间内的氢气浓度控制在安全范围之内，同时能保证长期和多次消氢即可。此时，内置式核电厂非能动消氢装置内充有合格的银沸石颗粒20，备用期间，银沸石颗粒20长期放置在消氢装置内。
结合以上对本发明具体实施方式的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明核电厂非能动消氢装置和系统采用了银沸石催化、非能动原理消氢的方法，具有以下技术效果：
a.实现了事故后尤其是严重事故后的可靠消氢，根本解决了核电厂事故后大空间安全壳内的氢燃、氢爆风险问题，维持安全壳的完整性；
b.实现了小空间及工艺系统的可靠消氢，提供了多种消氢结构形式和方法，对小空间氢气复合、容器内氢气消除、工艺含氢介质消氢处理、实验室消氢处理及核电厂氢复合器再生试验装置中消氢处理提供了可靠方法；
c.节省了金属催化非能动氢复合器的配套定期试验装置及还原再生装置。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种核电厂非能动消氢装置，其特征在于，包括：载体和设置于载体上的银沸石颗粒。
2.根据权利要求1所述的核电厂非能动消氢装置，其特征在于，所述载体设有烟囱状流道，所述银沸石颗粒置于烟囱状流道中。
3.根据权利要求2所述的核电厂非能动消氢装置，其特征在于，所述载体的烟囱状流道中设有蜂窝结构、格栅结构、折流板导流通道结构、夹层结构，所述银沸石颗粒分布于蜂窝结构、格栅结构、折流板导流通道结构、夹层结构上。
4.根据权利要求1所述的核电厂非能动消氢装置，其特征在于，所述载体设有烟囱状流道，所述银沸石颗粒附着在所述载体的外表面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的核电厂非能动消氢装置，其特征在于，所述载体为不锈钢材质、金属材质或陶瓷材质。
6.一种核电厂非能动消氢系统，包括安全壳和设置于安全壳内的多个间隔排布的核电厂非能动消氢装置，其特征在于，所述核电厂非能动消氢装置为权利要求2或3所述的核电厂非能动消氢装置。
7.根据权利要求6所述的核电厂非能动消氢系统，其特征在于，所述核电厂非能动消氢装置具有抗震能力。
8.一种核电厂非能动消氢系统，包括工艺系统和设置于工艺系统管路内的核电厂非能动消氢装置，其特征在于，所述核电厂非能动消氢装置为权利要求2或3所述的核电厂非能动消氢装置。
9.根据权利要求8所述的核电厂非能动消氢系统，其特征在于，所述核电厂非能动消氢装置具有抗震能力。
10.一种核电厂非能动消氢系统，包括安全壳和设置于安全壳内的多个间隔排布的核电厂非能动消氢装置，其特征在于，所述核电厂非能动消氢装置为权利要求4所述的核电厂非能动消氢装置。
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