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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitszündvorrichtung, umfassend einen passiven autokatalytischen Rekombinator (PAR) für eine kerntechnische Anlage, welcher mehrere in einem Zugrohr angeordnete katalytische Elemente aufweist, durch welche ein auf der ersten Seite des Zugrohres eintretendes wasserstoffhaltiges brennbares Gasgemisch zumindest teilweise in einer katalytischen Reaktion unter Abgabe von Wärmeenergie in ein nicht-brennbares Gasgemisch umwandelbar ist. Die Erfindung betrifft auch eine kerntechnische Anlage mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitszündvorrichtung und ein Verfahren zum Nachrüsten von passiven autokatalytischen Rekombinatoren.
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Es ist allgemein bekannt, dass in kerntechnischen Reaktoranlagen passiven autokatalytischen Rekombinatoren (PAR) zum Einsatz kommen, wie sie beispielsweise in der Patentschrift
DE 20 2009 009 405 (U1) beschrieben sind.
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Ein passiver autokatalytischer Rekombinator (PAR) beruht auf dem Funktionsprinzip, dass eine Gasmischung, die brennbare Gase, wie z. B. Wasserstoff (H2) oder Kohlenmonoxid (CO), und Sauerstoff enthält, von unten in ein PAR Gehäuse beziehungsweise ein Zugrohr eindringt. Dort trifft es auf katalytisch wirkendes Material, das die exotherme Oxidation von H2/CO mit O2 ohne Flamme und bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Die dabei freiwerdende Reaktionsenthalpie erhitzt unter anderem die Abgase, aber auch den PAR selbst. Die heißen Abgase verlassen den PAR beziehungsweise das Zugrohr nach oben. Verstärkt durch geeignete Geometrie des PAR-Gehäuses beziehungsweise des Zugrohres bildet sich ein Kamineffekt aus, der neues Frischgas von unten einsaugt.
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Die Reaktion ist dadurch selbststartend und selbsterhaltend. Durch die Verwendung des katalytischen Materials können PARs auch in nichtbrennbaren Gemischen H2 und CO abbauen, allerdings ist die Abbaurate begrenzt. Daher sind in Kernanlagen installierte PAR zumeist nicht ausreichend, wenn schnell große Mengen an H2 in eine nicht durch Dampf oder anderweitig inertisierte Atmosphäre freigesetzt werden. Durch die begrenzte Abbauleistung können sich dann dennoch detonative Mischungen bilden.
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Daher sind für bestimmte Typen von Kernkraftwerken, in denen diese Situation auftreten kann, wie z. B. GE Mark III und solche mit Ice Condenser Containments, häufig Zünder vorgeschrieben, wie beispielsweise in US NRC: 10 CFR50.44 Combustible Gas Control for Nuclear Power Reactors, http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part050/part050-0044.html beschrieben ist.
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Auf dem Markt erhältliche Zünder andererseits setzen eine Stromversorgung voraus, die zur Aufheizung benötigt wird. Dies kann einen erheblichen Leistungsbedarf zur Folge haben, da pro Zünder ca. 200–500 W nötig sind und in der Größenordnung von 50 Zündern pro Anlage verbaut sind, d. h. eine Gesamtleistung von über 10–20 kW. Dies ist zwar unproblematisch, wenn die Notstromversorgung mittels Diesel-Generatoren oder eines vergleichbar leistungsfähigen Systems zur Verfügung steht. Wenn jedoch ein totaler Ausfall auch der Notromanlagen vorliegt („Station Blackout” – SBO), insbesondere über längere Zeit, müsste diese Leistung über Batterien zur Verfügung gestellt werden. Das ist sehr aufwändig und die vorhandenen Batteriekapazitäten sind dafür bisher nicht ausgelegt.
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Passive Zünder und batteriebetriebene Funkenzünder sind zwar in der Vergangenheit bereits beschrieben worden, s. z. B. R. Heck: Catalytic and Spark Hydrogen Igniters, Kerntechnik 53 (1988) No 1, S. 56 und R. Heck, A. Hill: A Two-pronged Approach to Hydrogen Reduction, Nuclear Engineering International, July 1992, p 2, diese weisen aber eigene Nachteile auf:
Passive Zünder besitzen z. B. relativ kleine katalytische Oberflächen, so dass sie empfindlich gegenüber Vergiftung durch z. B. Iod oder andere Katalysatorgifte sind. Solche Katalysatorgifte sind bei einem schweren Störfall in der Atmosphäre des Sicherheitsbehälters eines Kernreaktors zu erwarten.
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Funkenzünder wirken nicht als kontinuierliche Zündquelle, so dass sich gegebenenfalls zwischen zwei Funken ein Gasgemisch bilden kann, dessen Zündung zu große Drucklasten verursachen würde. Gründe dafür sind z. B. schnelle Freisetzung von H2 oder schnelle Deinertisierung der Atmosphäre durch Sprayaktivierung. Weiterhin ist die Sicherstellung, dass die Batterie stets geladen und funktionsfähig ist, sehr aufwändig.
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PARs können zwar auch als Zünder wirken und sind sehr widerstandsfähig gegen Vergiftung. Allerdings ist der Parameterbereich, in dem eine Zündung auftritt im Vergleich zu Zündern relativ großen Schwankungen unterworfen, wie beispielsweise beschrieben in T. K. Blanchat, A. C. Malliakos: Testing a Passive Autocatalytic Recombiner in the Surtsey Facility, Nuclear Technology Vol. 129, Mar. 2000, p 356. Dies ist von extremem Nachteil, da in diesem Fall nicht sichergestellt ist, dass die Zündung bei Konzentrationen erfolgt, die keine Druckanstiege zur Folge haben, welche den Sicherheitsbehälter gefährden könnten.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitszündvorrichtung bereitzustellen, welche bei hohem Anfall von H2 zuverlässig eine Verbrennung von überschüssigem H2 bewirkt. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Kernreaktoranlage mit einem entsprechenden Sicherheitssystem bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sicherheitszündvorrichtung der eingangs genannten Art. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein stabähnliches temperaturleitendes Zündelement vorgesehen ist, welches mit seinem ersten Ende im Inneren des Zugrohres in direktem Kontakt oder in thermischer Nähe zu wenigstens einem der katalytischen Elemente angeordnet ist und mit seinem zweiten Ende in einem Außenbereich des Zugrohres.
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Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die Reaktionsenthalpie der katalytischen Reaktion eines PARs zu nutzen, um eine für die Zündung ausreichende Temperaturquelle im brennbaren Frischgas zu erzeugen. Durch die katalytische Reaktion wird jedoch nicht nur die Temperatur des Gases erhöht sondern auch Wasserstoff und Sauerstoff abgebaut, so dass die Abluft eines PARs im allgemeinen nicht brennbar ist, während die Frischgasmischung außerhalb des PARs brennbar ist. Das Gehäuse wiederum ist nicht heiß genug, um selbst als Zündquelle wirken zu können.
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Mittels eines stabähnlichen Zündelementes mit guter Temperaturleitfähigkeit wird die Temperatur aus dem Inneren des PARs nach außen, ins brennbare Frischgas, geleitet. Entscheidend ist hierbei nicht die Wärmeleitfähigkeit, sondern die Temperaturleitfähigkeit, da hier das Ziel eine möglichst verlustfreie Übertragung der hohen Temperatur der Abluft an die Spitze des Zünders im Frischgas ist.
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Die Erfindung ermöglicht die Kombination der guten Eigenschaften von PARs, d. h. dem Abbau von Wasserstoff in inerten Atmosphären und hohe Widerstandsfähigkeit gegen die bei schweren Störfällen auftretenden Umgebungsbedingungen, mit einer verlässlichen Zündquelle. Die Zündquelle wirkt kontinuierlich und benötigt keine Stromversorgung, ist komplett passiv und wartungsfrei. Somit steht sie nötigenfalls augenblicklich zur Verfügung um Konzentrationsspitzen zu beherrschen.
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Die Temperatur der katalytischen Elemente in einem PAR beträgt bei Wasserstoffkonzentrationen von 4–5 vol.% ca. 900–1000 K, wie beschrieben ist in T. K. Blanchat, A. C. Malliakos: Testing a Passive Autocatalytic Recombiner in the Surtsey Facility, Nuclear Technology Vol. 129, Mar. 2000, p 356. Die Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff-/Luftgemischen liegt im Bereich von 770–850 K wie offenbart ist in HSE: Spontaneous Ignition of Hydrogen Literature Review, RR615, 2008. Die Brennbarkeitsgrenze von Wasserstoff in Luft ist 4 vol.%. Damit kann durch eine geeignete Vorrichtung mit den katalytischen Elementen als Energiequelle eine Zündquelle zur Verfügung gestellt werden um bei Konzentrationen in der Nähe der Zündgrenze zünden zu können.
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Die Sicherheitszündvorrichtung kann neben der Kerntechnik auch in anderen Bereichen, in denen die Entwicklung von zündfähigen Gasgemischen kontrolliert werden muss, eingesetzt werden, solange ein geeignetes Katalysatormaterial bekannt ist, beispielsweise:
- • Batterieräume, in denen auch Wasserstoff entstehen kann,
- • Wasserstofftankanlagen,
- • Chemische Anlagen, insbesondere petrochemische Anlagen.
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Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitszündvorrichtung steht wenigstens ein Zündelement mit seinem ersten Ende in direktem Kontakt mit wenigstens einem der katalytischen Elemente im Inneren des Zugrohres. Hierdurch wird die für das Zündelement benötigte Temperatur direkt an dem Ort ihrer Entstehung im katalytischen Element abgeführt.
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Entsprechend einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Sicherheitszündvorrichtung ist wenigstens ein Zündelement mit seinem ersten Ende in Strömungsrichtung durch das Zugrohr direkt hinter wenigstens einem der katalytischen Elemente angeordnet, also im erhitzten Abgasstrom. Auch hier herrscht eine besonders hohe Temperatur, welche in vorteilhafter Weise durch das Zündelement in den Außenbereich um das Zugrohr bereitgestellt wird um dort im Fehlerfall ein Verbrennen von überschüssigem H2 zu initiieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitszündvorrichtung ist wenigstens ein Zündelement im Bereich einer Durchführung durch die Wandung des Zugrohres von einem thermischen Isolationsmaterial ummantelt. Hierdurch wird der Temperaturgradient zwischen erstem und zweitem Ende des Zündelementes in vorteilhafter Weise reduziert.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform der Sicherheitszündvorrichtung ist wenigstens ein Zündelement zumindest überwiegend aus einem Metall, insbesondere Silber oder Kupfer, gefertigt. Diese Materialien weisen eine hervorragende Wärme- beziehungsweise Temperaturleitfähigkeit auf und begünstigen daher in vorteilhafter Weise einen geringen Temperaturgradient zwischen erstem und zweitem Ende des Zündelementes.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitszündvorrichtung weist wenigstens ein Zündelement einen Thermosiphon auf. Ein Thermosiphon ist ein Wärmetauschelement mit Kondensator- und Verdampferseite und weist dazwischen einen geschlossenen natürlichen Kühlkreislauf auf, so dass auf sichere Weise ein Wärmetransport beziehungsweise eine Temperaturübertragung von einem Ende auf das andere Ende erfolgt. Ein Thermosiphon lässt sich gut in die stabähnliche Form eines Zündelementes integrieren, wobei vorzugsweise zumindest die Endbereiche aus einem Metall wie Silber oder Kupfer gefertigt sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der Sicherheitszündvorrichtung ist wenigstens ein Zündelement an seinem zweiten Ende als Spitze ausgeformt um so den Temperaturgradienten zu minimieren bzw. die Zündbedingungen zu optimieren.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitszündvorrichtung sind mehrere Zündelemente mit verschiedenen Orientierungen in den Außenbereich des Zugrohres geführt. Dies kann sowohl mehrere Durchführungen durch die Wandungen des Zugrohres als auch eine Ausrichtung zur Einlassseite des Zugrohres beinhalten. Somit ist die Zündsicherheit durch ein Vorsehen mehrerer an verschiedenen Stellen angeordneter Zündelemente weiter verbessert.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Nachrüsten von passiven autokatalytischen Rekombinatoren (PAR), welche jeweils mehrere in einem Zugrohr angeordnete katalytische Elemente aufweisen, durch welche ein auf der ersten Seite des Zugrohres eintretendes wasserstoffhaltiges brennbares Gasgemisch zumindest teilweise in einer katalytischen Reaktion unter Abgabe von Wärmeenergie in ein nicht-brennbares Gasgemisch umwandelbar ist. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgenden Schritt:
- • Vorsehen wenigstens eines stabähnlichen temperaturleitenden Zündelementes, welches mit seinem ersten Ende im Inneren des Zugrohres in direktem Kontakt oder in thermischer Nähe zu wenigstens einem der katalytischen Elemente angeordnet ist und mit seinem zweiten Ende in einem Außenbereich des Zugrohres.
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Auf diese Weise ist es in vorteilhafter Weise ermöglicht, bestehende PARs zu einer erfindungsgemäßen Sicherheitszündvorrichtung zu ertüchtigen. Die Sicherheit von existierenden Kernanlagen ist damit in einfacher Weise steigerbar.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Kernreaktoranlage mit in einer Schutzhülle angeordneten kerntechnischen Komponenten gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass innerhalb der Schutzhülle eine Sicherheitszündvorrichtung vorgesehen ist, umfassend einen passiven autokatalytischen Rekombinator (PAR), welcher mehrere in einem Zugrohr angeordnete katalytische Elemente aufweist, durch welche ein auf der ersten Seite des Zugrohres eintretendes wasserstoffhaltiges brennbares Gasgemisch zumindest teilweise in einer katalytischen Reaktion unter Abgabe von Wärmeenergie in ein nicht-brennbares Gasgemisch umwandelbar ist, wobei wenigstens ein stabähnliches temperaturleitendes Zündelement vorgesehen ist, welches mit seinem ersten Ende im Inneren des Zugrohres in direktem Kontakt oder in thermischer Nähe zu wenigstens einem der katalytischen Elemente angeordnet ist und mit seinem zweiten Ende in einem Außenbereich des Zugrohres.
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Die sich ergebenden Sicherheitsvorteile wurden bereits zuvor erläutert, nämlich dass im Falle eines hohen Wasserstoffüberschusses eine sichere Verbrennung des Wasserstoffs gewährleistet ist und eine Detonationsgefahr für ein entsprechendes Gasgemisch damit ausgeschlossen ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
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Es zeigen
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1 eine erste exemplarische Sicherheitszündvorrichtung,
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2 eine zweite exemplarische Sicherheitszündvorrichtung,
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3 eine dritte exemplarische Sicherheitszündvorrichtung sowie
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4 eine Durchführung eines Zündelementes durch eine Wandung eines Zugrohrs.
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1 zeigt eine erste exemplarische Sicherheitszündvorrichtung 10 in einer schematischen Schnittansicht. Im Inneren 14 eines Zugrohrs 12, welches auch als PAR Gehäuse zu verstehen ist, sind mehrere katalytische Elemente 26 eines PAR angeordnet. Diese erzeugen während des Betriebs des PARs durch Oxidation Wärmeenergie, wobei auf der ersten Seite 16 des PAR ein H2 haltiges brennbares Gasgemisch einritt 18 und an der zweiten Seite 20 des PAR als Abgasgemisch wieder austritt.
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Ein stabähnliches Zündelement 24 ist durch die Wandung des Zugrohres in dessen Inneres 14 geführt und steht dort in direktem Kontakt mit den erhitzten katalytischen Elementen 26 des PAR. Die dort herrschende Temperatur wird mittels des Zündelementes 24 in den Außenbereich des Zugrohres 12 übertragen. Dort wird im Falle eines plötzlich auftretenden H2 Überschusses in der den PAR umgebenden Atmosphäre eine sichere Verbrennung des H2 initiiert und eine Detonation des Gasgemischs verhindert.
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2 zeigt eine zweite exemplarische Sicherheitszündvorrichtung 30, welche der zuvor beschriebenen im Wesentlichen entspricht. Hier ist jedoch ein Zündelement 32 mit seinem ersten Ende direkt in den Abgasstrom aus den katalytischen Elementen gerichtet, welcher an dieser Stelle eine hohe Temperatur aufweist.
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3 zeigt eine dritte exemplarische Sicherheitszündvorrichtung 40 mit mehreren verschieden ausgerichteten Zündelementen 42, 44, 46, 48.
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4 zeigt eine Durchführung eines Zündelementes 54 durch eine Wandung 56 in den Innenraum 58 eines Zugrohrs in einer Skizze 50. Zur Verringerung des Temperaturgradienten längs des Zündelementes 54 ist dieses von einem thermischen Isolationsmaterial 52 umhüllt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erste exemplarische Sicherheitszündvorrichtung
- 12
- Zugrohr
- 14
- Inneres von Zugrohr
- 16
- erste Seite von Zugrohr
- 18
- eintretendes Gasgemisch
- 20
- zweite Seite von Zugrohr
- 22
- austretendes Gasgemisch
- 24
- exemplarisches Zündelement von erster Sicherheitszündvorrichtung
- 26
- katalytische Elemente
- 30
- zweite exemplarische Sicherheitszündvorrichtung
- 32
- exemplarisches Zündelement von zweiter Sicherheitszündvorrichtung
- 40
- dritte exemplarische Sicherheitszündvorrichtung
- 42
- erstes Zündelement von dritter Sicherheitszündvorrichtung
- 44
- zweites Zündelement von dritter Sicherheitszündvorrichtung
- 46
- drittes Zündelement von dritter Sicherheitszündvorrichtung
- 48
- viertes Zündelement von dritter Sicherheitszündvorrichtung
- 50
- Durchführung durch Wandung von Zugrohr
- 52
- thermisches Isolationsmaterial
- 54
- exemplarisches Zündelement
- 56
- Wandung von Zugrohr
- 58
- Innenraum von Zugrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009009405 U1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- US NRC: 10 CFR50.44 Combustible Gas Control for Nuclear Power Reactors, http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part050/part050-0044.html [0005]
- R. Heck: Catalytic and Spark Hydrogen Igniters, Kerntechnik 53 (1988) No 1, S. 56 [0007]
- R. Heck, A. Hill: A Two-pronged Approach to Hydrogen Reduction, Nuclear Engineering International, July 1992, p 2 [0007]
- T. K. Blanchat, A. C. Malliakos: Testing a Passive Autocatalytic Recombiner in the Surtsey Facility, Nuclear Technology Vol. 129, Mar. 2000, p 356 [0009]
- T. K. Blanchat, A. C. Malliakos: Testing a Passive Autocatalytic Recombiner in the Surtsey Facility, Nuclear Technology Vol. 129, Mar. 2000, p 356 [0015]
- HSE: Spontaneous Ignition of Hydrogen Literature Review, RR615, 2008 [0015]
