DE3823421A1

DE3823421A1 - Beseitigung explosibler gasgemische aus grossen volumina mit katalytisch wirksamen oberflaechen

Info

Publication number: DE3823421A1
Application number: DE3823421A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Wiesemes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-06-14
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1990-01-18

Description

Die Erfindung ist ein Zusatz zu Hauptanmeldung P 38 20 187.9 "Beseitigung von Wasserstoff aus einer Nachunfallatmosphäre eines Kernkraftwerks" des gleichen Anmelders mit Eingangsdatum 14. 06. 88 und bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung explosibler Gasgemische aus großen Volumina mit katalytisch wirksamen Oberflächen, die zur Zündung einer Deflagration oder zur Verbrennung des explosiblen Gasgemisches dienen.

Neuerdings ist eine Vorrichtung zur Zündung einer Deflagration von Wasserstoff in einer Nachunfallatmosphäre im Sicherheitsbehälter (SB) eines Kernkraftwerks (KKW) vorgestellt worden (Siemens: Wasserstoffzünder Bestell-Nr. A19100-U822-A107, Mai 1988). Ein Einsatz dieser oder ähnlicher Vorrichtungen in einer Nachunfallatmosphäre ist mit der Gefahr verbunden, daß diese Zünder eine ungeplante Wasserstoffexplosion oder -detonation im SB des KKWs auslösen. Siehe dazu z. B. Baukal et al: . . . Wasserstoffbeseitigung . . . BMU-1986-114, S. 4-3 ff., der beschreibt, daß beim Einsatz anderer offener Zündquellen (hier Glühkerzen) im SB in solchen Fällen die Gefahr einer Wasserstoffexplosion nicht auszuschließen ist.

Weiterhin ist bekannt, daß eine Wasserstoffverbrennung an großflächigen, dünnen Katalysatorschichten in einer Nachunfallatmosphäre vorgeschlagen wurde (z. B. Chakraborty et al: OS-DE 36 04 416). Falls bei hohen Wasserstoffumsätzen an derartigen katalytisch wirksamen Schichten lokal eine ungenügende Wärmeabfuhr auftritt, so könnten sich kleine oder kleinste Partikel des Katalysatormaterials ablösen und sich im Gasraum bis auf Glühtemperatur aufheizen (Döbereiner Feuerzeug). Diese glühenden Partikel könnten dann als Zünder einer ungeplanten Wasserstoffexplosion im SB wirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung mit katalytisch wirksamen Oberflächen, die

- wie die von Siemens vorgestellten Wasserstoffzünder als offene Zündquellen zur Wasserstoffdeflagration oder
- wie die in OS-DE 36 04 416 vorgeschlagenen Katalysatoroberflächen zur Wasserstoffverbrennung dienen sollen,

derart zu verbessern, daß bei einem Einsatz derartiger katalytisch wirksamer Oberflächen im SB bei Auftreten explosibler Gasgemische eine Explosion oder Detonation sicher verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in analoger Weise wie in der Hauptanmeldung P 38 20 187.9 dadurch gelöst, daß derartige katalytisch wirksame Oberflächen nur in einem gegen Explosionsausbreitung geschützten Teilvolumen des Gasraums

- zur Zündung einer auf jeweils ein Teilvolumen beschränkten Deflagration oder
- zur Verbrennung des Wasserstoffs in jeweils nur einem Teilvolumen

eingesetzt werden. Die Abtrennung des einzelnen Teilvolumens gegen den übrigen Gasraum des SB erfolgt durch ein siebartiges Wandmaterial mit guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. durch Metallnetze oder -siebe, wie in der Hauptanmeldung ausführlich dargelegt ist.

Falls aufgrund der katalytisch ausgelösten Deflagration oder der katalytischen Verbrennung des explosiblen Gasgemisches die Temperatur des siebartigen Wandmaterials ca. 2/3 der Temperatur erreicht, bei der eine heiße Oberfläche das vorhandene Gasgemisch zündet, werden Thermoschalter aktiviert, die eine Aufheizvorrichtung einer Molekülquelle einschalten und für eine ausgewählte Zeitdauer in Betrieb halten. In der Molekülquelle befinden sich Inhibitoren wie z. B. leicht verdampfbare Verbindungen von S, Se, Te, P, Halogenen, die in das betroffene Teilvolumen hinein verdampfen. Die Inhibitoren gelangen auf die katalytisch wirksamen Oberflächen, so daß die katalytische Reaktion unterbrochen wird. Darauf kühlt das siebartige Wandmaterial schnell ab, da keine weitere Wärmezufuhr durch Wasserstoffverbrennung erfolgt. Nach wesentlicher Abkühlung des Wandmaterials schalten weitere Thermoschalter ein kurzfristiges Aufheizen der katalytisch wirksamen Oberflächen mittels einer elektronisch gesteuerten Heizvorrichtung, so daß die Inhibitoren von der katalytischen Oberfläche verdampfen. Im Gasraum des Teilvolumens wird bei diesem Aufheizen ein Elektrofilter aktiviert, das die Inhibitoren im Gasraum anzieht. Die katalytisch wirksame Oberfläche steht wieder für katalytische Reaktionen zur Verfügung. Ein stabiler Metallkäfig als mechanischer Schutz schirmt gegen mögliche Störstrahlung als Faradaykäfig sowohl die Vorrichtung(en) wie auch die sonstigen Elektronikteile im SB ab.

Die Art des explosiblen Gasgemisches bestimmt die Maschenweite des siebartigen Wandmaterials; in Versuchen mit einem Gemisch aus Luft und stöchiometrischem Knallgas hat sich ein Messingnetz mit einer Maschenweite von 0,2 mm bewährt.

Vorteile der Erfindung sind:

- beim Einsatz offener, katalytisch wirksamer Oberflächen in Verbindung mit der Erfindung wird eine ungeplante Explosion oder Detonation eines explosiblen Gasgemisches außerhalb der Teilvolumina (z. B. H₂ im SB eines KKW) sicher verhindert;
- eine gewünschte katalytische Zündungs- oder Verbrennungsreaktion des Wasserstoffs kann in Teilvolumina ungehindert ablaufen;
- das Elektrofilter hält auch kleinere (kleinere Partikel seien Partikel mit einem Durchmesser, der kleiner ist als die Maschenweite des Wandmaterials) Katalysatorpartikel im Teilvolumen zurück, so daß keine Zündung im SB erfolgt;
- der Einsatz dieses Verfahrens und dieser Vorrichtungen ist nicht auf wasserstoffhaltige Gasgemische beschränkt, es können auch andere explosible Gasgemische in entsprechenden Teilvolumina sicher katalytisch gezündet oder verbrannt werden;
- ein Metallkäfig als zusätzlicher mechanischer Schutz schirmt gegen mögliche Störstrahlung als Faradaykäfig sowohl die Vorrichtung(en) wie auch die sonstigen Elektronikteile im SB ab.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Beseitigung explosibler Gasgemische aus großen Volumina mit katalytisch wirksamen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die katalytisch wirksamen Oberflächen nur in einem gegen Explosionsausbreitung geschützten Teilvolumen des großen Volumens befinden, wobei das Teilvolumen durch siebartiges Wandmaterial in beliebiger geometrischer Form vom Restvolumen vollständig abgeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich zu katalytisch wirksamen Oberflächen und siebartigem Wandmaterial aus einer Tragekonstruktion, aus Thermoschaltern, die durch die Temperatur des siebartigen Wandmaterials gesteuert werden, aus einer elektronisch gesteuerten Aufheizvorrichtung für die katalytisch wirksamen Oberflächen, auf einem Elektrofilter innerhalb des Teilvolumens, aus einer Molekülquelle, die z. B. durch Aufheizen aktiviert wird, aus einer elektronisch gesteuerten Aufheizvorrichtung zur Aktivierung der Molekülquelle und aus einer elektronisch gesteuerten Spannungsversorgung des Elektrofilters besteht.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das siebartige Wandmaterial gute Wärmeleiteigenschaften aufweist und fest mit der metallischen Tragekonstruktion verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekülquelle Inhibitoren wie z. B. leicht verdampfbare Verbindungen von S, Se, Te, P, Halogenen enthält.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperaturerhöhung des siebartigen Wandmaterials bei Erreichen von etwa 2/3 der Temperatur, bei der das vorhandene explosible Gasgemisch an heißen Oberflächen zündet, die Inhibitoren in das Teilvolumen freigesetzt werden und auf die katalytisch wirksamen Oberflächen gelangen und/oder im Gasraum des Teilvolumens schweben.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach wesentlicher Abkühlung des siebartigen Wandmaterials die katalytisch wirksamen Oberflächen z. B. durch Ausheizen von der Belegung mit Inhibitoren befreit werden, und die Inhibitoren aus dem Gasraum des Teilvolumens durch Aktivierung des Elektrofilters entfernt werden.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen in einer Gruppe zusammengefaßt sind, und daß ein korrosionsgeschützter, mechanisch stabiler Metallkäfig in beliebiger Geometrie eine Vorrichtung oder eine Gruppe oder mehrere Gruppen von Vorrichtungen einschließt.