DE2016800A1

DE2016800A1 - Abgasverbrennungssystem für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2016800A1
Application number: DE19702016800
Authority: DE
Inventors: William Alfred; Siegler Manfried; San Jose Calif. Hartman jun. (V.St.A.). A6ln
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-04-09
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1970-10-15
Also published as: SE344131B; NL7004921A; GB1300216A; US3598699A; CH514217A; BE748663A; FR2054546A1; FR2054546B1

Description

PATENTANWÄLTE O Π 1 £ Q Π fl

DIPL-ING. MARTIN LICHT · ■ IDOUU DR. RCI-VHOLD SCHMIDT

DIPL.-V₄.;":"rSCH^;.-K-'3.';-!,vNSMANW .'".-' -· ν . , ,

DIPL.-Pi IYS.-SEB. HtRÜMAislN _ri--i'j/Ü

MÜNCHEN 2 .

THERESIENSTRASSE 33

GENERAL ELECTRIC COMPANY Schenectady 5ι N.Y. River Road I V. St, A,

»Abgasverbrennungssystem für Kernreaktoren¹¹

Die Erfindung betrifft ein System zum Verbrennen entzündbarer und brennbarer Gase in dem Abgas eines Kernreaktors bei Kernenergieproduktionsstätten· Das System nach der Erfindung besitzt drei poröse Stöpselvorrichtungen, die in der Abgasleitung in Serie geschaltet sind. Der erste Stöpsel dient als eine stromaufwärts angeordnete Flammenarretier- bzw. Sperrvorrichtung für den Fall, dass der Brenner ausfällt. Der zweite poröse Stöpsel dient als Brenner und besitzt eine Flammenentzündungsvorrichtung, die sich neben der stromabwärts angeordneten Fläche des Stöpsels befindet· Der dritte poröse Stöpsel dient als eine stromabwärts angeordnete Flammenarretier- bzw. Sperrvorrichtung und als Kondensator für den Wasserdampf, der bei der Flammenreaktion gebildet wird,» Jeder der porösen

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Stöpsel besitzt interne Kühlvorrichtungen zum Entfernen der Wärme. Geeignete Temperatunness- und Kontrollvorrichtungen sollen einen sicheren und zuverlässigen Betrieb sicherstellen,

Kernkettenspaltungsreaktionen und Reaktoren zur Durchführung derselben sind bekannt. Ein solcher typischer Reaktor besitzt eine Kettenreaktionsanordnung oder einen Kern, der aus einem Kernbrennstoffmaterial besteht und das sich in den Brennstoffelementen befindet« Das Brennstoffmaterial ist normalerweise von korrosionsbeständigen und wärineleitfähigen Behältern umgeben oder von verkleideten und plattierten Behältern, Der Reaktorkern, der aus mehreren dieser Brennstoffelemente oder Brennstoffstäbe in bestimmter Anordnung und aus Kontrollstäben oder Kontrolllamellen, im Kern befindlichen Instrumenten und dergleichen besteht, ist in einem Behälter oder in einem Kernverstärkungsband eingeschlossen, durch die das Reaktorkühlmittel durchfliesst. Wenn das Kühlmittel zwischen den in bestimmten Abständen angeordneten Brennstoff stäben hindurchgeht, wird es durch die thermische Energie erwärmt, die im Brennstoff während der Kernspaltungsreaktion freigemacht wird, Das erwärmte Kühlmittel verlässt dann den Reaktor und die Wärmeenergie wird zu weiteren nützlichen Zwecken verwendet, so beispielsweise zum Antreiben eines Turbinengenerators zwecks Erzeugung elektrischer Energie, Das "gekühlte" Kühlmittel wird dann gereinigt, indem unerwünschte Materialien und/oder nicht kondensierbare Gase aus dem Kühlmittel entfernt werden. Das Kühlmittel wird dann zu dem Reaktor zurückgeführt.

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Bein Siedewasserreaktor wird Wasser als Kühlmittel verwendet} das teilweise im Kern verdampft wird. Der dabei entstehende Dampf wird innerhalb des Reaktionsgefässes vom Was8er getrennt und zur Energieabgabe in eine Turbine geleitet· Nach Durchgang durch die Turbine wird der Dampf kondensiert« Das Kondensat wird von Mineralien freigemacht und behandelt zwecks Entfernung bestimmter Materialien, wie beispielsweise Korrosionsprodukte· Dann wird das Wasser zu dem Reaktor zurückgeführt.

Bei den zur Zeit verwendeten Kernreaktoren werden die nicht kondensierbaren Gase, die sich mit dem Dampf vermischt haben, in einem Kondensator entfernt und dort Über einen geeigneten Zeitraum zurückgehalten, damit irgendwelche kurzlebigen Spaltprodukte und Aictivierungsproduktgase zu sicheren Niveaus zerfallen bzw» abgebaut werden· Dann werden die Gase durch einen Schornstein in die Atmosphäre abgeführt· Diese Reaktorabgabe bestehen -hauptsächlich aus Luft, die durch verschiedene Flansche, AusrUstungsteile und durch undichte Stellen in das System hineingekommen ist und aus Wasserstoff und Sauerstoff, die durch radioIytischen Abbau von Wasser in Reaktorkern erzeugt werden· Zusätzlich befinden sich geringe Mengen an radioaktiven Edelgasen, wie beispielsweise Xenon und Krypton im Abgas· Bei einem typischen grossen Reaktorsystem entstehen insgesamt etwa 5»66 er Abgas je Minute, von dem etwa 90 % aus einer radiolytisch gebildeten stöchiometrischen Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff besteht und etwa 10 % aus Wasserdampf und durch undichte Stellen hineingekommener Luft. In dem Abgas befinden sich ebenfalls einige Kubikzentimeter Spaltproduktgase je Minute, wie beispielsweise Xenon und

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Krypton, Normalerweise nuss das Abgas etwa 30 Minuten zurückgehalten werden, damit die Xenon- und Kryptonisotope und die kurzlebigen Aktivierungsprodukte zu sicheren Niveaus zerfallen, bevor die Gase in die Atmosphäre abgeführt werden. Dies bedeutet, dass grossere Gasvolumen, die explosive Mischungen aus Wasserstoff und Sauerstoff enthalten, vor dein Ablassen in die Atmosphäre über diesen Zeitraum aufbewahrt werden müssen. Bei den Standardvorrichtungen wurden bisher Röhrensysteme mit einem grossen Volumen verwendet, die diese Gase über den notwendigen Zeitraum aufbewahren können und Explosionen aushalten können» Eine solche Aufbewahrungsröhre kann einen Durchmesser von einigen Metern und eine Länge von einigen 100 Metern besitzen. Diese Aufbewahrungssysteme sind aufgrund ihrer Grosse und der notwendigen explosionsfesten Konstruktion sehr teuer und unwirtschaftlich.

Es ist vorgeschlagen worden, das Voluncn zu reduzieren, inden die stöchiometrischen Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff im Abgas rekombiniert werden, um Wasser zu bilden, aas dann kondensiert werden kann. Dadurch würde die Menge des aufzubewahrenden Gases stark verringert werden und ebenfalls würde die Explosionsgefahr wegfallen. Zu diesen Zwecke wurden Versuche mit katalytischen Rekonbinierungsmitteln durchgeführt. Diese Rekombinierungsnittel haben sich jedoch nicht als erfolgreich erwiesen, da sie eine DampfVerdünnung des Wasserstoffs zu einer Konzentration von etwa k Volumenprozent erforderlich machen. Weiterhin muss die mit Dampf verdünnte Mischung überhitzt werden, um eine Vergiftung des Katalysators zu verhindern und der Katalysator muss über best inmte Zeiträume ersetzt werden aufgrund der sich akku-

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mulierenden Vergiftung durch Wasser und/oder organische Materialien, Diese katalytischen Rekombinierungsmittel haben sich insbesondere für die kontinuierliche Behandlung von grossen Gasvolumen als nicht vorteilhaft erwiesen»

Das Rekombinieren von Wasserstoff und Sauerstoff in den Reaktorabgasen wird weiterhin dadurch erschwert, dass der Gasstrom kontinuierlich oder intermittierend sein kann, sich in der Zusammensetzung etwas verändern kann und mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit durch das System fliessen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasverbrennungssystem für Kernreaktoren zu schaffen, das das Abgasvolumen durch Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff im Abgasstrom verringert, sicher und zuverlässig gehandhabt werden kann und bei Gasströmen verwendet werden kann, die sich in ihrer Zusammensetzung stark verändern und unterschiedliche Strönungseigenschaflen zeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in einem kontinuierlichen Reaktorabgassystem drei gekühlte poröse Stöpselvorrichtungen in Serie in die Abgasleitung eingesetzt werden. Der erste Stöpsel soll stromaufwärts als eine Plammenarretier- und Sperrvorrichtung dienen, und zwar in Falle des Versagens des Brenners, Der zweite poröse Stöpsel dient als Brenner mit einer Zündvorrichtung, die sich neben der Stromabwärtsoberfläche des Brenners befindet. Der dritte poröse Stöpsel dient stromabwärts als Flammenarretiervorrichtung, als Kühlvorrichtung für die heissen Gase und als

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Kondensator für den Wasserdampf, der während des Verbrennens von Wasserstoff und Sauerstoff gebildet wird· Poröse Stöpselbrenner werden in der U.S. Patentanmeldung Nr. 771»467 beschrieben. Falls notwendig, können zusätzliche poröse Stöpsel »trooaufwärts und/oder stromabwärts in der oben beschriebenen Anordnung eingesetzt werden, uiu zusätzliche Sicherungen zu schaffen, falls einer der prinären Stöpsel teilweise oder vollständig ausfällt.

Das System nach der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen in einzelnen erläutert,

Fig. 1 ist eine schenatische Darstellung eines Kernreaktorsystens nit einen Abgasverbrennungssysten nach der Erfindung;

Pig, 2 ist ein schenatischer Schnitt durch ein Abgasverbrennungssystem nach der Erfindung;

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsfora des Verbrennungssystens nach der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht des in Fig. 3 dargestellten Verbrennungssysterns entlang der Linie 4-4;

Fig, 5 ist ein senkrechter Schnitt durch ein Gehäuse für das Verbrennungssysten nach Fig. 3;

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» 7 —

Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Verbrennungssysteas nach der Erfindung;

Fig. 7 zeigt einen senkrechten Schnitt durch das Verbrennungs system nach Fig. 6 entlang der Linie 7-7.

Fig· i zeigt eine allgeneine schematische Darstellung einer Kernenergieerzeugungsanlage, die eine Anlage zum Ynschädlichnachen des Abgases aus deu System besitzt. Bei den in Fig. i dargestellten System vird der im Reaktor 10 erzeugte Danpf durch eine Leitung Ii zu einer Turbine 12 geführt, die einen elektrischen Generator 13 antreibt. Der verbrauchte Dampf aus Turbine 12 wird im Hauptkondensator 15 kondensiert. Das so hergestellte Kondensat wird zu dem Reaktor 10 mittels einer Pumpe 16 in der Leitung 17 zurückgepumpt·

Nicht kondensierbare Gase im Hauptkondensator 15 werden mittels eines mit Danpf angetriebenen Ejektors (Saugstrahlpumpe) 19 extrahiert· Diese Gase gehen durch die Leitung 20 zu dea Manifold 21· Drei Abgasverbrennungseystene 23 sind parallel angeordnet. Isolierungsventile Zh isolieren jeden Brenner 23 vom System. Die Brenner sind vorzugsweise so dimensioniert) dass das Systeu nur mit einem Brenner betrieben werden kann, damit die anderen Brenner ersetzt oder repariert werden können. Die Abgase, deren Volumen stark verringert worden ist, verlassen die Brenneranordnung und gehen durch die Leitung 26 und dem Abschliessventil 27 zu einem Aufhaltesysten 28.

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Das Aufhaltesysten 28 enthält ausreichend Volumen, damit das hereinkommende Abgas eine ausreichende Verweilzeit in dem System zubringen kann* Dadurch sollen die kurzlebigen radioaktiven Isotope zerfallen. Vom Aufhaltesysteu gehen die Gase durch einen Absolutfilter 29 und werden dann durch einen Schornstein 30 in die Atmosphäre abgelassen« Das Aufhaltesystem 28 kann bedeutend kleiner sein als die zur Zeit verwendeten Systeme, die ein Volumen für die zeitweilige Aufbewahrung grosser Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff im Abgas besitzen müssen, das den Hauptkondensator verlässt, Ausserden braucht das Aufhaltesystem 28 nicht eine explosionssichere Konstruktion zu besitzen, da die explosive stöchiometrische Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff in dem Verbrennungssystem eliminiert worden ist.

Ein typischer Brennersatz 23 ist schematised in Fig. 3 dargestellt. Drei poröse Stöpsel sind in einer Leitung 50 installiert. Das Abgas geht links in die Leitung 50 und verlässt die Leitung auf der rechten Seite. In Verbrennungssystem nach der Erfindung wird ein Flammen arretierender bzw. sperrender Stöpsel 51 verwendet, der stromaufwärts angeordnet ist, ein poröser Stöpselbrenner 52, der stromabwärts vom Stöpsel 51 befindlich ist, und ein stromabwärts angeordneter Flammenarretierstöpsel Der stromabwärts angeordnete poröse Stöpsel 53 kann auch zum Kühlen der Reaktionsproduktgase dienen und zum Kondensieren des Wasserdampfes, der bei der Flammenreaktion erzeugt wird. Zusätzlich kann ein weiterer stromabwärts angeordneter Kondensator 5^ verwendet werden, der das Kondensieren des übrigbleibenden Wasserdampfes

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in dem herausgehenden Gasstrom unterstützen soll. Mittels des Systems nach der Erfindung verlässt ein Abgas, das beim Eintritt in das System sich beispielsweise aus etwa 60 % Wasserstoff, 30 % Sauerstoff und 10 % Luft einschliesslich etwa 10" fo radioaktiver gasförmiger Isotope zusammensetzt, als eine Mischung aus Luft und Isotope das Verbrennungssystem.

Die porösen Stöpsel 51» 52 und 53 sind vorzugsweise aus einen gesinterten Metall hergestellt, wie beispielsweise aus Kupferteilchen mit einer Grosse im Bereich von etwa 1 bis etwa 200 Mikron, Die Teilehen sind so zusammengesintert, dass sie eine Platte bilden, die kontinuierlich miteinander verbundene Öffnungen und Räume besitzt. Der typische Druckabfall durch eineil,27 cm dicken Stöpsel liegt bei etwa 0,042 kg/cm , Der Druckabfall variiert als Funktion der Geschwindigkeit der Abgasströmung. Für die Stöpselbrenner mit einer Dicke von etwa 1,27 cm liegt der Druckabfall bei etwa 0,0021 kg/cm je Zentimeter-Sekunde eines Gases, das unter einem Druck von etwa 1 Atmosphäre strömt. Die porösen Stöpsel können nach herkömmlichen Verfahren hergestellt sein· Vorzugsweise werden Xühlröhren aus kupfer in die Stöpsel eingesetzt, um dadurch eine Zirkulation des' Kühlwassers während des Betriebs zu ermöglichen. Poröse Stöpsel können beispielsweise aus sauerstoffreien Kupferteilchen mit eingelegten Kühlröhren aus Kupfer in einer Graphitform hergestellt werden, indem die Teilchen gesintert werden und ein geringer Druck angewendet wird (im allgemeinen geringer als etwa 0,14 kg/cm ), Durch die Druckgrösse kann der Gehalt an Hohlräumen und die Festigkeit des porösen Körpers reguliert werden. Die porösen Stöpsel können aus

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irgendeinen geeigneten Material bestehen, jedoch werden Kupfer und Silber bevorzugt verwendet, da sie eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen und ebenfalls wärme- und oaydationswiderstandsfähig sind_e Es können die verschiedensten Durchmesser verwendet werden, jedoch werden vorzugsweise Stöpsel nit einer Dielte von etwa 9,52 mn bis etwa 1,27 cn hergestellt. Dünnere Stöpsel besitzen eine schlechte Festigkeit und führen zu einer nicht gleiciinässigen Verbrennung, während dickere Stöpsel einen unerwünschten zu hohen Druckabfall erzeugen. Die Zülalröhren sind vorzugsweise etwa 3$ 175 tan unter der Oberfläche der Stöpsel angeordnet. Eine zu grosse Dicke des porösen Stöpselmaterials über den Kühlröhreii kann zu thernisclien Bissen im Stöpsel führen. Das zu verbrennende Abgas sollte mindestens 4 % Wasserstoff enthalten, un die Verbrennung zu fördern. Vorzugsweise enthält das Gas mindestens lö % Wasserstoff in Luft. Auf diese Weise arbeitet dieses Systen «ehr wirksam mit der typischen Realrtorabgasnischung, die etwa 60 % Wasserstoff enthält.

Die Kühlflüssigkeit, die vorzugsweise aus Wasser besteht, wird in ein Netzwerk oder in die Röhren 56 eingeführt, die sich innerhalb der porösen Stöpsel 5-, 52 und 53 befinden, Bas Kühlwasser verlässt die porösen Stöpsel durch die Leitung 57 und geht in einen Abwasserturn oder in einen Sühlturci«

In Betrieb wird eine kontinuierliche Planne auf der Stronabwärtsoberfläche der Stöpsel 52 aufrechterhalten.

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Diese Flamme wird mit einen Zünder 58 gezündet, der eine AnzUndvorriohtung 59» wie beispielsweise eine Zündkerze, in Betrieb setzt, die sich neben der stromabwärts angeordneten Oberfläche des Stöpsels 52 befindet.

Bei nornalen Betrieb hält die Anzündvorrichtung 59 eine kontinuierliche Planne auf der stromabwärts angeordneten Oberfläche des Stöpsele 52 aufrecht. Das durch die Rekonbinierung von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Vasser wird an dem stromabwärts angeordneten Stöpsel 53 und dem Kondensator 5* kondensiert und dann durch hier nicht gezeigte Vorrichtungen abgeführt. Im Falle, dass die Planne zeitweilig ausgehen sollte und dann wieder gezündet werden nuss, ist der Raun zwischen den Stöpseln 52 und 53 eng genug, un einen Schaden zu vermeiden, der durch die Explosionszündung der Gase zwischen den Stöpseln entstehen kann. Sollte sich in ähnlicher Weise ein Riss oder ein anderer Defekt in Stöpsel 52 entwickeln, so dass die Flanne durch den Stöpsel 52 gehen kann und die stromaufwärts angeordnete Fläche desselben erreichen kann, dann ist der Raun zwischen dem Stöpsel 51 und den Stöpsel 52 ausreichend klein, um zu verhindern, dass eine Explosion der Gase zwischen den Stöpseln nicht zu einer Beschädigung der Vorrichtung führt. Es konnte festgestellt werden, dass die Flammenfront sich nur bis zur stromabwärts gelegenen Oberfläche des Stöpsels 51 bewegt und an diesen Punkt weiterhin den Wasserstoff und den Sauerstoff rekombiniert. Eier nicht dargestellte Thernoelenente messen die Tenperaturdifferenz zwischen der Kühlschleife eines jeden porösen Stöpsels und zeigen an, ob die Flanne brennt und wo sich die Flamnenfront befindet. Bei einem nornalen Betrieb besitzt der Stöpsel

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52 die höchste Temperatur der drei Stöpsel, Sollte die Plaaaeiifrout durch eine Schadens^tülle Im Stöpsel 53 hindurchgehen und auf eier stroraa&wärts-angeordneten Oberfläche des Stöpsel;« 5i weiterbrennen, dann erhöht sieh die Temperatur € js Stöpsels 51. und die Temperatur des Stöpsels 52 %\ώ " .;J.ien* Durwii diese Tenperaturveränderu' ger 2car ^v - -^Ali herkömmliches Älarmsystein in Be trie ο ί '€*ίί ' /ei -. Da ein solcher Vorfall nicht gefährlicl· ' . ¹^ ^Ί entsprechende Isolierungsventil Ά ί , iar ' ersystc-ϊίϊ geschlossen und der

*iijpsel kann ers eist werden»

Die Figuren. 3 him 4 zeige» elae be¥©rsäiigte Äusfihrungs-foni eines Abgasverbreiiiamgssysteias nach der Erfindung, Fig« 3 ist eine Aufsicht, wobei ein Teil weggelassen worden ist, um die Kühlrubren iiitioF^al'b des porösen Stöpsels em zeigen, Fij* " xvhj 'ii'C seitliche Schnitt- ansiüht, aus der die Ae> iifaeh^norilii^rt" der Stöpsel am ereeliea ist*

Wie aus des Figuren 3 und % zn ersehen 1st, besitzt der poröse Stöpselsatss 99 einem stromaufwärts angeordneten Plaaaenarretierstöpsei 100, einen Brennerstupsel 101 und einen stroiaabwärts aiigecrdneten Flaoaenarretier-Stöpsel mü Soadensatorstöipsel 102_e Wie aus Fig, h zu ersahen isi_f gebt äas ü'fogas stromabwärts durch die Stöpselan^rtiiiimg». Eecliteeicige Eisliren sind an der Peripherie der porösen Stöpsel befestigt und dienen als Manifolds zuo Saftiferea naß Abführen öes iiüiilwaseers und sollen, die Stöpsel in äea erwünschten Abständen halten. Die Anorßsmng tiiesss MsMf öl as Icaas an besten aus den stromabwärts abgeordneten Stöpsel 102 ersehen werden,

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Wie aus Pig. 3 zu ersehen ist, wird Kühlwasser durch eine Kühlwasserzuführungsleitung 106 zu den Manifold 105 geleitet. Das Manifold 105 erstreckt sich nur entlang einer Seite des porösen Stöpsels 102 und ist an den Enden verschlossen. Mehrere dünne Kupferröhren 107, die in porösen Stöpsel 102 eingebettet sind, erstrecken sich vom Manifold 105 his zun Kühlausgangsmanifold 108, Das Manifold 108 erstreckt sich entlang einer Seite des porösen Stöpsels 102 in ähnlicher Weise zun Manifold 105, Das durch die Leitung 106 zugeführte Kühlwasser geht in das Manifold 105, aus dem es durch die Röhren 107 zu den Auslassoanifold 106 fliesst und wird dann zu einen Wasser- oder Kühlturm durch die Leitung 109 geführt. In ähnlicher Weise sind das Einlassnanifold 111 und das Auslassmanifold 112 entlang der anderen beiden Ränder des porösen Stöpsels 102 angeordnet. Ein zusätzlicher Satz Kühlröhren 113 erstreckt sich vom Manifold 111 zun Manifold 112, wobei die Plussigkeitsströmungen benachbart sind. Kühlwasser, dad durch Einlassleitung 115 hineingeleitet wird, geht durch das Manifold 111 und durch die Kühlröhren 113 zu den Auslassnanifold 112, von den es durch die Ablassleitung 116 sun Abwasser geführt wird. Die gekreuzten Sätze aus Kühlröhren sind eine bevorzugte Ausführungsforn, da sie den Stöpsel eine zusätzliche mechanische Festigkeit verleihen und eine gute Sicherheit ergeben, da sie zwei unabhängige Kühlstufen bilden.

Die porösen Stöpsel 100 und 101 werden in einer ähnlichen Weise gekühlt, wobei das Kühlwasser durch die Einlassleitungen il8 in die Einlassnanifolds 119 eintritt, durch die Kühlröhren 120 zu den Auelassmanifolds 121

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s tr on t und dann schliesslicli durch die Ablassleitung zum Abwasser geführt wird« Die Brenner können nittels herkönnlicher Vorrichtungen befestigt werden,^ wie beispielsweise durch Zusannenschweissen oder Zusännenhart— löten der Manifoldröhren oder durch Zusaaaenkleben mittels herkönnlicher Haftnittel. Der Raun zwischen den Stöpsel 100 und den Stöpsel 101 wird in einer Grössenordnung gehalten, die eine zerstörende Explosion verhindern soll, falls die Flanne von der Oberfläche des Stöpsels 101 durch eine Schadensstelle hindurchgehen sollte und diesen Raun erreichen sollte· In ähnlicher Weise besitzt der Raun zwischen den Stöpseln 101 und 102 eine GrÖssenojrdnung, die eine zerstörende Explosion verhindern soll, falls die Planne zeitweilig ausfällt und dann wieder angezündet werden nuss·

Wie aus Pig, 4 zu ersehen ist, wird die Flanne auf der unteren Oberfläche des Stöpsels 101 aufrechterhalten nittels einer Zündvorrichtung, die einen Zünder 125 besitzt, der in herkönnlicher Weise beispielsweise eine Zündkerze 126 sein kann, wie sie in gestrichelten Linien in Pig. 3 angedeutet ist. Die Stronzufuhr zu der Zündkerze 126 geschieht durch die Leitung 12?· Fig. 5 zeigt einen senkrechten Schnitt durch ein Gehäuse und eine Tragstruktur, die sich insbesondere für die Brenneranordnung nach Fig. 3 und 4 eignet. Die Brenneranordnung 99 befindet sich in einen Gefäss 140, das durch nehrere Füsse 141 getragen wird. Das Gefäss 140 ist durch einen Flansch 143 verschlossen, der nittels nehrerer Schrauben 144 an Gefäss befestigt ist. Die Brenneranordnung 99 wird nittels nehrerer Klappern 146 fest nit den Flansch 143 zusannengehalten. Durch den Flansch 143 gehen die Kühlwassoreinlassleitungen 106, 115 und 118 und die Kühl-

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wasserablassleitungen 109» ϋβ und 122, Der Draht 127 zur Zündvorrichtung 125 geht ebenfalls durch den Flansch 143. Die Abgase von Reaktor werden durch die Leitung 150 in Plansch 143 In das Gefäss 140 hineingeleitet_e Nachöen die Gase durch die Brenneranordnung hindurchgefUhrt worden sind, und in wesentlichen der gesante Wasserstoff verbrannt und Wasser erzeugt worden ist, verlassen die übrigbleibenden Gase das Geiäse 140 durch die Auslassleitung 151β Ein grosser Teil des erzeugten Wasserdanpfes kondensiert auf de» stromabwärts angeordneten Brenner 102 und sannelt sich in den unteren Teil des Gefässes 140, Das gesamraelte Wasser wird dann durch die Leitung 152 in die Wasserfalle 153 geführt.

Die in Flg. 5 dargestellte Brenneranordnung in den Ge-. häuse hat sich als besonders vorteilhaft und wirksam erwiesen« Mehrere eololis Anordnungen können parallel in Betrieb gehalten werden_s so dass Repar©türen en einer dieser Anordnungen ohne weiteres durchgeführt- werden können. Die Brenneranordnung ist leicht zugängig zwecks Instandsetzung und Wartung. Falls erwünscht, können mehrere Thermoelemente in das Kühlsystem alt verschiedenen porösen Stöpseln eingesetzt werden, un kontinuierlich die im System herrschenden Bedingungen zu kontrollieren und regulieren.

Eine alternative Ausführungsf©na eines Abgasverbrennung^- systems nach der Erfindung ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. In dieser Ausführungsfora besitzen die porösen Stöpsel Iq allgemeinen eine toroidale Forra oit einen Ring, der unterbrochen ist durch den Einsatz der Manifolds zua Einführen und Entfernen des Kühlwasser.

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Die Brenneranordnung wird innerhalb des Gefässes 200 getragen, das am Oberteil mittels eines Flansches 201 verschlossen ist. Das Reaktorabgas wird durch die Leitung 203 hineingeleitet, geht nach aussen durch die Brenneranordnung und verlässt das Gefäss durch die Auslassleitung 204. Kondensierter Wasserdampf, der nach aussen durch die Brenneranordnung geht, s amine It sich im unteren Teil degs befasses 201 und wird durch die Leitung 205 entfernt« Der innerste Brennerring 210 dient als eine stromaufwärts angeordnete Arretiervorrichtung, wie oben !beschrieben. Der nächste poröse Stöpselring 211 dient als Brenner, Der aussere poröse Brennerring 212 wirkt als eine stromabwärts angeordnete Flammenarretier- bzw« Sperrvorrichtung und zum Kondensieren des Wasserdampfes, der durch die Flammenreaktion erzeugt wird« Kühlwasserröhren 214 sind innerhalb eines jeden porösen Stöpsels eingebettet. Ein Paar Manifolds 215 ist in jedem porösen Brennerring an den entgegengesetzten Seiten davon eingesetzt. So geht das Kühlwasser, das in das Manifold eintritt, durch die Einlassleitung 216, geht dann in beide Richtungen um den Ring durch die Röhren 214 zu dem Auslassmanifold, von dem es durch eine Ablassleitung 21? entfernt wird. Eine Zündvorrichtung 220, die eine herkömmliche Zündkerze 221 besitzen kann, hält an der stromabwärts angeordneten Oberfläche des porösen Stöpselbrenners 211 eine Flamme aufrecht.

Das in den Figuren 6 und 7 gezeigte System ist sehr kompakt und wirksam. Mehrere solche Einheiten können parallel angeordnet werden, so dass sie leicht gewartet und instand gesetzt werden können,

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Weitere Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems nach der Erfindung werden in dem folgenden
Beispiel angegeben.

Beispiel

Eine Anordnung von porösen Stöpseln, wie sie in den Figuren 3 bis 5 gezeigt werden, wird zunächst zusammengesetzt« Jeder poröser Stöpsel besteht aus einer 22,9 χ
22,9 cn grossen Einheitmit 36,175 uua dicken Kupferkühlröhren, die an einem Kupferrahmen mit Messing angelötet sind. Die Anordnung aus Rahmen und Kühlröhren wird auf einen Graphitblock aufgesetzt und etwa 2,5 bis 1,27 cm geschnittener Kupferdraht, der einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 0,1^9 bis 0,250 mm besitzt, wird
zugegeben· Die gesamte Anordnung wird in einer Metallretorte mit einer Atmosphäre aus 90 % Wasserstoff und
10 % Stickstoff eingesetzt. Die Anordnung wird etwa
15 Minuten lang bei etwa 75O°C gehalten. Der Kupferraiinen besteht aus einer rechteckigen gewellten Führungsrohr enanl age. Drei dieser porösen Stöpsel werden dann,
wie in den Figuren 3 bis 5, zusammengesetzt» Kühlwasser mit einer Einlasstemperatur von etwa 10⁰C wird durch die Kühlröhren in einer Menge von etwa 22,7 1 per Minute
durchzirkuliert. Man lässt eine stöchiometrische Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff durch die Brenneranordnung aurchfliessen, und zwar nit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,566 er je Minute. Der Druckabfall durch jeden porösen Stöpsel liegt bei etwa 0,028 kg/cm². Das Gas wird mit einer Hochspannungszündkerze gezündet. Die Zündkerze ist nur dann für die Zündung notwendig, wenn die Flamme anschiiessend von selbst weiterbrennt» Der Brenner wird

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etwa 2100 Stunden lang betrieben, und zwar durch etwa 50 Start- und Abschaltarbeitsgänge« Die Auslassteaperatur des Kühlwassers liegt bei etwa 44⁰G* Etwa 99»9 % des gasförmigen Wasserstoffs wird in Wasser* umgewandelt, Nach Beendigung des Versuchs werden die Brenner auseinandergenommen und dan kann nur wenige leichte Risse und eine leichte Oxydation auf der Oberfläche feststellen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

Abgasverbrennungesysten für Kernreaktoren, gekennzeichnet durch eine Leitung, durch die öas Abgas durchflieset und die

(a) einen ersten porösen Stöpsel (51) enthält, der sich quer durch die Leitung erstreckt, eine Stöpselkühlvorrichtung einschliesslich einer Vorrichtung zum Durchführen eines Kühlmittels*durch den ersten Stöpsel in einen indirekten Wärmeübertragungsverhältnis alt des ersten Stöpsel und nit den Gasen, die durch den ersten Stöpsel hindurchgehen,

(to) eine Zündvorrichtung (59) neben der stromabwärts angeordneten Oberfläche des ersten porösen Stöpsels zua Entzünden der entflammbaren Gase, die an der Oberfläche des ersten Stöpsels durchmessen, (e) einen zweiten porösen Stöpsel(52), der stromaufwärts neben der Oberfläche des ersten porösen Stöpsels angeordnet ist, eine Kühlvorrichtung einschliesslich einer Vorrichtung zua Durchführen jdnes Kühlmittels durch den zweiten Stöpsel la indirekten Wärmeübertragungsverhältnis mit. dea zweiten Stöpsel und mit den Gasen, die durch den zweiten Stöpsel hindurchgehen, . wobei der zweite poröse Stöpsel das Durchschlagen der Planne stromaufwärts durch die Leitung verhindert soll in Falle, dass der erste poröse Stöpsel versagt, und (d) einen dritten porösen Stöpsel (53), der neben der stronabwärts liegenden Oberfläche des ersten porösen Stöpsels angeordnet ist, und eine Stöpselkühlvorrichtung,

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die eine Vorrichtung besitzt, die das Kühlmittel durch den dritten Stöpsel in einen indirekten Wänneübertragungsverhältnis mit den dritten Stöpsel und den Gasen, die durch den dritten Stöpsel hindurchgehen, hindurchfuhrt, wobei der dritte poröse Stöpsel das Durchschlagen der Flaisine stromabwärts durch die Leitung verhindern soll, in Falle dass der erste poröse Stöpsel versagt.

2« Verbrennungseystem nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, dass es eine Wasserdanpf-Kondensierungsvorrichtung (54) besitzt und eine stromabwärts vom dritten porösen Stöpsel angeordnete Wasserablassvorrichtung·

3· Verbrennungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stöpsel von ersten Stöpsel etwa 0,63 bis etwa 1,27 cm entfernt 1st und der dritte Stöpsel vom ersten Stöpsel etwa 1,27 bis 1,90 cm entfernt ist«

4, Verbrennungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung für den Stöpsel mindestens ein Kühlmitteleinlassnanifold besitzt, mindestens ein KUhlmittelauslassmanifold, und eine Mehrzahl von Röhren, die in porösen Stöpsel eingebettet sind und sich in Strömungsflüssigkeitsnachbarschaft vom Einlassnanifold zum Auslassmanifold erstrecken, und eine Vorrichtung zum Einführen des Kühlmittels in das Einlassnonifold und zum Abführen des erwärmten Kühlmittels aus dem Auslassmanifold·

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5. Kernenergieerzeugungssysteia, bestehend aus einem Siedewasserreaktor, einer Vorrichtung zur Ausnutzung der Dampfenergie aus den Reaktor, einer Kondensiervorrichtung zün Kondensieren des Dampfes, der obige Vorrichtung verlässt, einer Vorrichtung zum Entfernen nicht kondensierbarer Gase aus den Kondensator, einer Aufhaltevorrichtung zum Aufbewahren der Gase über einen Zeitraum, der ausreicht, un die kurzlebigen radioaktiven Isotope zerfallen zu lassen und aus einem Schornstein zum Ablassen der Gase in die Atmosphäre, gekennzeichnet durch eine Anordnung, die mindestens drei poröse Stöpsel in der Gasleitung besitzt, und zwar stromaufwärts von der Aufhaltevorrichtung, eine Zündvorrichtung neben der stromabwärts gelegenen Oberfläche des mittleren Stöpsels zum Entzünden der flannbaren Gase an der stromabwärts gelegenen Oberfläche dee mittleren Stöpsels, eine Vorrichtung zum Hindurchleiten des Kühlmittels durch jeden porösen Stöpsel in einem indirekten Wärmeaustauschverhältnis, wobei die stromaufwärts und die stromabwärts angeordneten Stöpsel ein Durchschlagen der Flamme durch die Leitung verhindern, im Falle dass der mittlere Stöpsel oder dia Zündvorrichtung versagt, und bei deffstromabwärts angeordnete Stöpsel ebenfalls zur Kühlung der Reaktionsproduktgase dient und zur Kondensierung mindestens eines Teils des Wasserdampfes, der in der Flamme erzeugt wird, und durch eine Vorrichtung zum Ablassen des kondensierten Wassers aus der Leitung·

6. System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass mehrere poröse Stöpsflanordmingen parallel angeordnet sind mit einem Isolierventil stromaufwärts von jeder Anordnung, wobei Jede Anordnung vom System isoliert werden kann zwecks Wartung oder Instandsetzung.

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7» System »ach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der stromaufwärts angeordnete Stöpsel von mittleren Stöpsel in einer Entfernung von etwa O,'63 cn bis etwa 1,27 cn angeordnet ist und der stromabwärts angeordnete Stöpsel vom nittleren Stöpsel in einer Entfernung von etwa 0,127 bis etwa 1,90 cm angeordnet ist.

8. System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass jede Stöpselkühlvorrichtung mindestens ein Xühlnitteleinlassnanifold, mindestens ein Kühlraittelauslassnanifold und mehrere Röhren besitzt, die Iq porösen Stöpsel eingebettet sind und sich in Strömungsflüssigkeitsverhältnis vom Einlassmanifold sun Auslassmanlfold erstrecken, und eine Vorrichtung zum Einführen eines Kühlmittels in das Einlassnanifold und zum Abführen des erwärmten Kühlmittel· von Auslaesoanlfold.

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L e e r s e i t e