DE1953054A1

DE1953054A1 - Abgassystem fuer Siedewasserreaktoren

Info

Publication number: DE1953054A1
Application number: DE19691953054
Authority: DE
Inventors: Moore George Edmund; Tomlinson Lee H
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-10-29
Filing date: 1969-10-22
Publication date: 1970-08-20
Also published as: BE739636A; FR2021807A1; SE355104B; NL6916258A; CH516211A; JPS4932520B1; US3660041A; GB1208089A; ES372893A1

Description

Bei der Erzeugung von Hochdruckdampf in einem Siedewasserkernkraftwerk wird ein geringer Prozentsatz (etwa 0,007 %) des Wassers, das durch das Strahlungsfeld fließt, zersetzt (Radiolyse), wobei stöchiometrische Mengen an Wasserstoff- und Sauerstoffgasen erzeugt werden (2H₂+0₂). Dieses Gas strömt mit dem Dampf durch die energieerzeugenden Turbinen. Die Wasserstoff- und Sauerstoffgase werden im Hauptkondensator gemeinsam mit der Luft aus dem Wasser entfernt, das in die Niederdruckturbine gelangt ist, ebenso sehr kleine Mengen radioaktiver Isotope von Xenon und Krypton, die durch den Hauptdampfstrom im Kernreaktor auf irgendeine Weise aufgenommen wurden.

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ORlOlNALiNSPECtED

Das erzeugte Abgasvolumen beträgt normalerweise etwa 1,69 cbdm/Min/Megawatt thermisch (0,06 cb Fuß/Min/Megawatt thermisch) oder etwa 5,6 cbdm/Min/Megawatt elektrisch (0,2 cb Fuß/Min./Megawatt elektrisch). Obgleich die Beträge an radioaktiven Isotopen von Xenon und Krypton (etwa 10 VoIi) sehr klein sind, sind sie doch für fast die gesamte Radioaktivität des Abgasstroraes verantwortlich (etwa 10,6 Curie/cbdm = . 300 Curie/cb Fuß). Die Anwesenheit dieser radioaktiven Verunreinigungen macht es erforderlich, daß die Abgase etwa 30 Minuten lang zurückgehalten werden,um den Zerfall dieser Spalteprodukte zu ermöglichen, bevor sie an die Umgebung abgegeben werden. Daher müssen wegen der Anwesenheit sehr geringer Mengen an radioaktiver Verunreinigung, die hochexplosiv und leicht entzündbaren Abgase für diese Zerfallsperiode zurückgehalten werden.

Bisher war es, um für die erforderliche Verweilzeit zu sorgen, üblich, ein Rohrsystem mit großem Volumen vorzusehen, das explosionssicher ausgelegt ist. Solch ein Aufbewahrungsrohr kann z.B. einen Durchmesser von wenigen dem haben und einige hundert dem lang sein. Wegen der Notwendigkeit, sowohl eine explosionssichere Anlage als auch ein großes Volumen vorzusehen, ist eine derartige Konstruktion teuer und die Beseitigung dieses Risikos und die damit im Zusammenhang stehenden Ausgaben wären daher sehr wünschenswert.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, daß dieses Problem durch Rekombination des stöchioraetrischen Wasserstoff-Sauerstoffgehaltes des Abgases erheblich verringert werden kann, um Wasser zu bilden, es zu kondensieren und dadurch

a) das Volumen des Gases, das aufbewahrt werden muß, im weiten Maße zu verringern und >

b) das Explosionsrisiko des Abgassystems zu beseitigen.

Wegen der Explosionsgefahr des Abgases dürfen nur nicht-entflammbare Vorrichtungen für die Rekombinatipnseinrichtungen verwendet werden, und es wurden auch bereits katalytische Rekombinierer verwendet. Solche Rekombinationseinrichtungen weisen jedoch erhebliche Nachteile auf, da folgendes erforderlich ist:

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a) die DampfVerdünnung des Wasserstoffgehaltes auf eine Konzentration von etwa 4 % des Volumenanteiles,

b) die Überhitzung des dampfverdünnten Gemisches, um eine kata-Iytische Vergiftung zu verhindern und

c) eine periodische Erneuerung des Katalysators wegen der anwachsenden Vergiftung desselben durch Wasser und/oder organische Materialien.

Es bestfeht daher das Bedürfnis für vollkommen verläßliche, relativ wartungsfreie Anordnungen für eine preiswerte Rekombination eines kontinuierlichen oder unterbrochenen Stromes gemischter Wasserstoff/Sauerstoffgase variabler, nicht steuerbarer Geschwindigkeit in einer vollständig sicheren Weise, wobei die Notwendigkeit entfällt, ein explosionsfestes Abgasaufbewahrungssystem eines großen Volumens vorzusehen, ebenso wie andere Risiken ausgeschlossen werden sollen.

Obgleich die Verwendung der Flammenverbrennung für die Rekombination des Wasserstoff/Sauerstoffgasgemisches bisher als gefährlich betrachtet wurde, wurde festgestellt, daß mit der Anordnung gemäß dieser Erfindung eine Flammenverbrennung in sicherer und verläßlicher Weise durchgeführt werden kann. Diese Anordnung besteht aus einem gekühlten porösen Absperrbrenner in Verbindung mit einer kontinuierlich arbeitenden Zündquelle, und falls erforderlich, mit ein oder mehreren weiteren porösen Absperreinheiten, die in Serie geschaltet sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: '

Figur 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des gesamten Systems, in dem die Erfindung Anwendung findet;

Figur 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Innern eines porösen Absperrbrenners,^e£ei Anwendung der Erfindung verwendet werden kann;

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BAD

Figur 3 einen Querschnitt einer Konfiguration des Brennerflammenableiters gemäß der Erfindung, wobei ein Teil zur Darstellung des Kühlungssystems aufgeschnitten ist, und

Figur 4 einen Schnitt gemäß der Linie 4-4 nach Figur 3.

In Figur 1 ist mit 10 eine schematische Darstellung eines Siedewasserkernkraftwerkes wiedergegeben, wobei das durch den Kernreaktor 11 strömende Wasser in der Leitung 12 in Dampf umgewandelt wird. Danach wird der so erzeugte Dampf durch die Dampfturbine 13 geführt. Nachdem die Niederdruckstufe der Turbine 13 passiert wurde, strömt der Dampf (nun unter einem geringen Druck) durch den Hauptkondensator 14, wobei an dieser Stelle dessen Gasgehalt über die Dampfstrahlgasdüse 16 entfernt wird. Die Düse 16 pumpt die Abgase auf atmosphärischen Druck oder auch geringfügig darüber, auf. Das Abgas gelangt dann zum Kondensator 17, wo der Dampf, der zum Betreiben der Düse 16 erforderlich ist, kondensiert wird. Von diesem Punkt an ist das Abgas eine explosive Mischung.

besteht Die trockene Zusammensetzung dieses Abgases/normalerweise aus 60 % H₂; 30 % O₂; 10 % Luft und etwa 10~ % radioaktiver Gasisotope. Das Volumen dieses Gases variiert im Verhältnis zur Reaktorausgangsleistung, so daß dann, wenn die Energieerzeugung niedrig ist,'viel weniger Abgase erzeugt werden als bei voller Belastung, obgleich die Luftmenge, die in die Niederdruckstufen der Turbine gelangt dazu neigt, konstant zu bleiben. Der Volumenstrom des Abgases für einen Siedewasserreaktor mit einer Leistung vonllOO Megawatt elektrisch (MWe) kann normalerweise 300 Standardwerten (cbdm/Min bzw. cb-Fuß/Min) entsprechen, die die Größe besitzen wie oben aufgeführt wurde. Auf diese Weise wird durch Anwendung der Erfindung, wobei Wasserstoff und Sauerstoff in sicherer Weise rekombiniert wird, um Wasser zu bilden, etwa 90 % des Abgasstromvolumens beseitigt, wodurch eine erhebliche Verringerung der Größe des Abgaslagersystems (Rohr l8) erreicht werden kann und, was in gleicher Weise wichtig ist, können die Ausgaben für explosionssichere Einrichtungen des Abgassystems eliminiert werden.

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Bei der vorliegenden Erfindung wird der Abgasstrom aus dem Kondensator 17 durch das Rohr 19 zum gekühlten porösen Absperrbrenner 21 geführt, wo die explosive Wasserstoff/Sauerstoffmischung, sobald sie in die Zündzone gelangt (Figur 4), in einer stabilen Flamme verbrennt. Gleichzeitig wirkt die Erfindung als ein Flammenableiter, der in sicherer Weise die Ausbreitung der Flamme stromaufwärts in die explosive Mischung im Rohr 19 verhindert.

Der poröse Ab^perrbrenner 21 ist aus gesintertem Metall hergestellt, und zwar vorzugsweise aus Kupferteilchen einer Größe, die von etwa 1 χ 1O~^ bis etwa 200 χ 10 ^ mm reicht (1 bis 200 Mikron). Die Darstellung in Figur 2 zeigt die allgemeine Beziehung der gesinterten Metallteilchen 22 und die untereinander verbundenen leeren Stellen 23, die einen kontinuierlichen Strom des Abgasgemisches durch den porösen Körper des Brenners

-2 2 21 mit einem Druckverlust von weniger als 7iQ3 χ 10 Kp/cm ( 1 psi) für einen Brennerkörper einer Dicke von etwa 1,6 cm (5/8 inch) erlauben. Der Druckverlust variiert als eine Funktion der Geschwindigkeit des Abgasstromes. Für Absperrbrenner einer Dicke von etwa 1,3 cm (1/2 inch) beträgt der Druckverlust des

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Gasstromes etwa 21,09 x 10 Kp/cm /cm/Sek. (0,03 psi/cm/Sek.) bei einem Druck von etwa einer Atmosphäre.

Die porösen Absperreinheiten, die in den Figuren 2,3 und 4 beschrieben sind, werden aus sauerstofffreien.Kupferteilchen mit Kühlröhren 2ty,26 aus Kupfer hergestellt, die darin in Graphit gebettet sind, das durch Sinterung der Teilchen unter einem

— 2 2 geringen Druck (weniger als etwa 14,06 χ 10 Kp/cm (2 psi) ) eingeschmolzen ist. Die Größe des angewendeten Druckes bestimmt die Leerstellen und daher die Stärke des porösen Körpers. Der wichtigste Aspekt der Steuerung des Leerstellengehalts ist jedoch die Erzielung eines niedrigen Strömungswxderstandes und einer hohen thermischen Leitfähigkeit des Körpers. Die Anordnung der Kühlröhren 24,26, die in Figur 3 dargestellt ist, bewirkt auch eine ausgezeichnete Verstärkung für das poröse gesinterte Material.

Während des Betriebes ist das Abgas, das den Kondensator 17 verläßt, explosiv und wenn es allmählich den Brenner 21 erreicht

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hat, ist es vollkommen durchmischt und homogen. Es strömt durch die Leerstellen 23 des porösen Al^perrbrenners 21 und wird durch eine Kerzenzündung 27 gezündet, die von einer Energiequelle kontinuierlich betrieben wird. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt die Zündung und die Flamme zieht sich auf etwa innerhalb 1 mm von der Oberfläche 28 zurück und breitet sich flach darüber gegen den gleichförmigen Strom, der von dem porösen Körper 21 ausgeht,aus.

Im porösen Körper 21 entsteht sodann ein Temperaturgradient (der von der Strömungsgeschwindigkeit des unverbrannten abhängt) der-, art, daß die Wärme, die von der Rekombinationsverbrennung erzeugt wird, an das Innere des Körpers 21 abgegeben wird, wo sie durch ein Kühlmittel, z.B. Wasser, das durch die Kühlröhren 2^,26 über Ringleitungen 29,31 und entsprechend 32,33 fließt, abgeführt wird.

Der Brenner 21 arbeitet derart, daß eine ständige Flamme unbegrenzt aufrechterhalten wird, sogar mit einer Temperatur der Oberfläche 22, die nur wenige Grade oberhalb der Temperatur der Umgebung liegt. Da ein so großer Anteil der Verbrennungswärme kontinuierlich durch das Kühlsystem absorbiert wird, unterliegt der Brenner 21 einem sehr großen Wärmestrom, der ständig 25

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Kalorien/cm /Sek. überschreiten kann. Die gesamte Rekombinationswärmerate für ein 1000 MWfc'-Kraftwerk beträgt etwa 700 KW. Die Leerstellen 23 besitzen eine wirksame Porengröße, die geringer ist als der Löschabstand für sogar das energiereichste übliche explosive Gemisch und aus diesem Grunde wird durch die Konstruktion des porösen Absperrbrenners 21 ein Zurückschlagen der Flamme verhindert.

Bei Geschwindigkeiten von weniger als etwa 10 cm/Sek. bewirkt ' die hohe Leitfähigkeit des porösen Kupfers mit der Kapazität des Kühlsystems die Kondensation von Wasser (das Produkt des rekombinierten Wasserstoff/Sauerstoffgemisches) entweder an der Oberfläche 28 oder in den Leerstellen 23 in der Nähe der Oberfläche 28 über einen Teil des Oberflächenbereiches. Bis zu welchem Maß

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diese Kondensation die Oberflächen 28 bedeckt, hängt von der Geschwindigkeit des Abgases ab. D.h. bei Vorliegen einer geringen Gasgeschwindigkeit wird die Aufwärtsströmung im Brenner 21, die für die Oberfläche 28 ausreicht, automatisch eine Kondensationsfläche, um die Ausgangsfläche durch die Oberfläche 28 zeitlich auf eine Größe zu begrenzen, durch die die Austrittsgeschwindigkeit des Abgases auf einen Wert reguliert wird, der genügend hoch ist, um den notwendigen Wärmefluß aufrechtzuerhalten, um an der Oberfläche 28 einen Verbrennungsbereich sicherzustellen, der frei von Kondensation ist. Durch dieses Merkmal der Selbstregulierung kann sich der poröse Absperrbrenner dem extrem weiten Bereich des Gasstromes anpassen und für eine Zuverlässigkeit sorgen, die für die vorliegende Anwendung sehr wichtig ist.

Um die Leistungsfähigkeiten der 'vorliegenden Erfindung während des Betriebes aufzuzeigen, wurde eine Brenneranordnung mit einer Kantenlänge von 22,8 cm (9 inch) mit einem porösen Kupferkörper, der eine Dicke von etwa 1,3 cm (1/2 inch) aufwies, versehen, in dem 18 Röhren 2¹I mit einem Durchmesser von 0,3 cm (1/8 inch) und l8 Röhren 26 mit einem Durchmesser von 0,3 cm (1/8 inch) eingebettet wurden. Diese Einheit wurde als Brenner in einem beschleunigten Dauerversuch mehr als 2000 Stunden lang bei einem

Wärmestrom von etwa 22 Kalorien/cm /Sek. betrieben (ein Wärmefluß, der dem Wärmefluß vergleichbar ist, der in einem Raketentriebwerk auftritt), wobei 622,8 cbdm/Min. (22 cb,Fuß/Min.) an unverdünntem (2H₂+O ) verbrannt wurde und es wurden mehr als 70 KreislaufVeränderungen von der Abschaltung bis zur vollen Belastung vorgenommen. Am Ende des Versuches war die Brennereinheit durch Oxydbildung verfärbt, war aber noch funktionell und strukturell in Ordnung. Der Strömungswiderstand des porösen Materials nahm um einen geringen Betrag zu, blieb jedoch noch

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beträchtlich unter 7»O3xlO Kp/cra (1 psi) bei einem Abgasdruck von einer Atmosphäre.

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Es ist natürlich von Vorteil bei der hier gezeigten Anwendung, das gesamte von dem Verbrennungsprozeß gebildete Wasser zu kondensieren und zu diesem Zweck kann ein vielfach gesinterter poröser Kupferkörper3^ ähnlich dem Brenner 21 verwendet werden. Der Kondensator 3¹* kann vorzugsweise unter Verwendung von groben Metallteilchen hergestellt werden, um dadurch die Druckverluste noch mehr zu verringern. Andere geeignete konstruierte Wärmetauscher können zur Kühlung der Verbrennungsprodukte und zur Kondensation des Wassers verwendet werden, obgleich der Kondensator 3¹* für diese Zwecke sehr wirksam arbeitet. Bei der Kondensatoreinheit 3¹I tritt natürlich keine Verbrennung auf.

Der Äbgasstrom, der den Kondensator 3¹J verläßt, (der etwa 10 % des Volumens der aufwärtsgerichteten Strömung im Rohr 19 beträgt) wird dann zu dem unterirdischen Rohr 18 geleitet, um darin für die notwendige Zerfallszeit aufbewahrt zu werden. Wenn z.B. für die Abströmung der Ventilationsluft ein Kamin vorgesehen ist, kann in vorteilhafter Weise der endaktivierte Abgasstrom durch einen solchen Kamin abgelassen werden. Das endaktivierte Abgas kann am Boden oder in Bodennähe abgelassen werden. Durch Verwendung der beschriebenen Erfindung kann das Lager- oder das Aufbewahrungsvolumen für die Endaktivierung der gasförmigen radioaktiven Isotope im großen Umfange volumenmäßig reduziert und die Kosten dieser Anordnung ferner drastisch gesenkt werden, da die Explosionsgefahr beseitigt ist.

Obgleich die besondere Brenneranordnung, die hier beschrieben ist, vorgezogen wird, kann der poröse Absperrkörper auch andere Formen als eine flache Platte, z.B. die Form eines Zylinders, eines konischen Körpers usw., aufweisen. Die Konstruktion kann auch in sicherer Weise dadurch abgeändert werden, daß nur ein Satz Kühlröhren verwendet wird, während der zweite Satz Röhren durch feste Stäbe ersetzt wird. Das durch den Brenner 21 erwärmte Kühlmittel führt etwa 700 KW des Wärmestromes in einem 1000 MWe Siedewasserreaktor ab, eine Wärme, die mindestens teilweise durch konventionelle Wärmetauschereinrichtungen wiedergewonnen werden kann.

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Als eine Näherungsregel sei angegeben, daß etwa 5,2 cm (0,8 inch ) der Brenneroberfläche (z.B. Oberfläche 28) pro MWe Ausgangsleistung des Kraftwerkes vorgesehen sein sollten. Diese Näherungsangaben sind vorsichtig, da die hiernach entworfenen Brenner für mindestens kurze Zeitdauer Gasgeschwindigkeiten und Wärmeflüsse aufnehmen können, die etwa zweimal so groß sind wie diejenigen, die bei diesen Konstruktionsdaten erreicht werden.

Obgleich für die Herstellung des Körpers des porösen Brenners Kupfer vorgeschlagen wird, können auch andere Metalle, wie z.B. Silber, verwendet werden, solange wie die so hergestellte Brennereinheit eine genügend hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, um den auftretenden Wärmeflüssen begegnen zu können.

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Claims

T953054 Patentansprüche

1. Abgassystem für Siedewasserkernkraftwerke, das explosive Gemische gasförmiger Komponenten, die in dem Kernreaktor während der Energieerzeugung entstehen, auf^nimmt und eine bestimmte Zeit lang aufbewahrt, gekennzei chnet durch einen porösen Absperrbrenner (21), der in den Strömungsleitungen des Abgassystems in Reihe liegt, durch eine Vorrichtung (21,26,29,31,32,33) zur Zirkulation des Kühlmittels durch den Körper des porösen Brenners (21) und durch eine Zündvorrichtung (27) für den porösen Brenner (21), der neben der Abströmseite desselben angeordnet ist, wobei das gesamte Abgas, das aus dem Wasserstrom des Leistungskreislaufs entfernt wurde, durch den Körper des porösen Brenners fließen muß und stöchiometrische Mengen von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen, die in dem Abgasstrom enthalten sind, an der Abstromseite verbrannt werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper des Brenners (21) aus gesinterten Kupferteilchen (22) besteht.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsvorrichtung mehrere parallel liegende Röhren (2*1,26) umfaßt, die mit Ringleitungen (29,31,32,33) verbunden sind, welche sich an gegenüberliegenden Seiten des Körpers des porösen Brenners (21) befinden.

4. System nach den Ansprüchen Ibis. 3, dadurch

g e k en η ζ e ich η e t, daß das Zündsystem eine kontinuierlich arbeitende Zündkerze (27) umfaßt.

5. System nach den Ansprüchen 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet, daß abströmseitig vom porösen Brenner (21) Wärmetauscher angeordnet sind, um den Wasserdampf zu kondensieren, der während des VerbrennungsVorganges am Brenner entsteht.

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6. System nach den Ansprüchen 1 bis 5* 'dadurch, gekennzeichnet, daß die thermische Leitfähigkeit des porösen Körpers des Brenners (21) groß genug ist, so daß er als eine sich selbst regulierende Verbrennungseinheit wirkt.

7. Verfahren zum Betrieb eines Abgassystems für ein Siedewasserkernkraf tvrerk, dadurch gekennzeichn et, daß während des Reaktorbetriebes erzeugte explosive Mischungen gasförmiger Komponenten von dem Abgassystem aufgenommen und eine bestimmte Zeit lang aufbewahrt werden und daß die explosiven stöchiometrischen Mengen an Wasserstoff- und Sauerstoffgasen, die im Abgas vorhanden sind, unter Anwendung einer Flammen verb rennung, zu Wasser verbrannt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine ununterbrochene Zündung vorgesehen ist, um die Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases zu kompensieren.

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