JP2014013175A - Hydrogen processing system for nuclear power plant - Google Patents

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Daisuke Watanabe
大輔 渡邉
Kenji Noshita
健司 野下
Hidehiro Iizuka
秀宏 飯塚
Taichi Takii
太一 滝井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen processing system for a nuclear power plant which can reduce the risk that hydrogen gas permeating a hydrogen permeable membrane leaks outside.SOLUTION: A hydrogen processing system comprises an iodine processing catalyst layer 1, a hydrogen permeable membrane 2, and a hydrogen recombination catalyst layer 3. The hydrogen recombination catalyst layer 3 is arranged in contact with the downstream side surface of the hydrogen permeable membrane 2, and the iodine processing catalyst layer 1 is arrange in contact with the upstream side surface of the hydrogen permeable membrane 2. When hydrogen gas is generated by a reaction between zirconium and water vapor in a loss-of-coolant accident, iodine compound gas existing in the gas in a reactor containment vessel containing hydrogen gas is removed by the iodine processing catalyst layer 1. Hydrogen gas permeates the hydrogen permeable membrane 2 and reaches the hydrogen recombination catalyst layer 3 to which oxygen gas is supplied, and is combined with the oxygen to be converted to water vapor. Because the hydrogen recombination catalyst layer 3 is in contact with the hydrogen permeable membrane 2, the risk of leakage of hydrogen gas permeating the hydrogen permeable membrane 2 to the outside is eliminated.

Description

本発明は、原子力プラントの水素処理システムに係わり、特に、沸騰水型原子力発電プラントに適用するのに好適な原子力プラントの水素処理システムに関する。   The present invention relates to a hydrogen treatment system for a nuclear power plant, and more particularly to a hydrogen treatment system for a nuclear power plant suitable for application to a boiling water nuclear power plant.

原子力発電プラントにおいて、原子炉圧力容器に接続された配管等が破断した場合、配管の破断箇所から原子炉格納容器内に放出された放射性物質を含む蒸気が原子炉格納容器内に設けられた圧力抑制室内の圧力抑制プールの冷却水中に流入し、この冷却水の放射線分解によって水素ガスおよび酸素ガスが発生することが想定されている。このような事象を冷却材喪失事故という。冷却材喪失事故時において、万が一、原子炉圧力容器内の水位が低下して原子炉圧力容器内の炉心に装荷されている燃料集合体に含まれる燃料棒内の核燃料物質の温度が上昇すると、燃料棒の核燃料物質を包んでいる被覆管に含まれるジルコニウムと水蒸気が反応して水素ガスが発生する。この水素ガスが原子炉圧力容器から原子炉格納容器内に放出される。   In a nuclear power plant, when piping connected to the reactor pressure vessel breaks, the pressure at which steam containing radioactive material released from the broken portion of the piping into the reactor containment vessel is provided in the reactor containment vessel It is assumed that hydrogen gas and oxygen gas are generated by flowing into the cooling water of the pressure suppression pool in the suppression chamber and radiolysis of the cooling water. Such an event is called a coolant loss accident. In the event of a loss of coolant, if the water level in the reactor pressure vessel drops and the temperature of the nuclear fuel material in the fuel rods contained in the fuel assemblies loaded in the reactor core in the reactor pressure vessel rises, Hydrogen gas is generated by the reaction of zirconium and water vapor contained in the cladding tube enclosing the nuclear fuel material of the fuel rod. This hydrogen gas is released from the reactor pressure vessel into the reactor containment vessel.

冷却材喪失事故への対策として、圧力抑制室を有する原子炉格納容器を採用している沸騰水型原子力プラントでは、原子炉格納容器内に水素ガスが発生しても燃焼しないように、沸騰水型原子力プラントの運転中、原子炉格納容器内の雰囲気が窒素ガスに置換されている。さらに、沸騰水型原子力プラントは、原子炉格納容器に配管で接続された加熱式水素処理設備を設置している。冷却材喪失事故が発生したときには、ブロアの駆動により原子炉格納容器内の水素および酸素を含むガスを加熱式水素処理設備に供給し、加熱式水素処理設備の電気ヒーターによる加熱により水素と酸素を再結合させて水蒸気に変換する。   In a boiling water nuclear power plant that uses a containment vessel with a pressure suppression chamber as a countermeasure against the loss of coolant, boiling water is used to prevent combustion even if hydrogen gas is generated in the containment vessel. During operation of a nuclear power plant, the atmosphere in the reactor containment vessel is replaced with nitrogen gas. Furthermore, the boiling water nuclear power plant has a heating-type hydrogen treatment facility connected to a reactor containment vessel by piping. When a coolant loss accident occurs, the blower is driven to supply gas containing hydrogen and oxygen in the reactor containment vessel to the heated hydrogen treatment facility, and hydrogen and oxygen are heated by the electric heater of the heated hydrogen treatment facility. It is recombined and converted to water vapor.

また、近年は、受動的安全性に優れ、外部動力を必要としない触媒式の水素処理設備が開発されている。この触媒式水素処理設備の一例が、特開平10−227885号公報に記載されている。触媒式水素処理設備は、水素と酸素を反応させる触媒、および触媒を収納するチムニを有し、原子炉格納容器内のドライウェルおよび圧力抑制室に配置される。また、触媒式水素処理設備を、原子炉格納容器外で原子炉建屋内に配置した例が、特開2009−69122号公報に記載されている。   In recent years, catalytic hydroprocessing equipment that has excellent passive safety and does not require external power has been developed. An example of this catalytic hydrogen treatment facility is described in JP-A-10-227885. The catalytic hydrogen treatment facility has a catalyst for reacting hydrogen and oxygen, and a chimney that houses the catalyst, and is disposed in a dry well and a pressure suppression chamber in the reactor containment vessel. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-69122 discloses an example in which a catalytic hydrogen treatment facility is disposed outside a reactor containment vessel and inside a reactor building.

冷却材喪失事故において、水素ガスを原子炉格納容器内の水素濃度を低減する方法として、原子炉格納容器内のガスと水素透過膜を接触させ、水素透過膜を透過した水素ガスを原子炉格納容器外に排出し、原子炉格納容器内の水素濃度を低減する方法が特開平11−30694号公報に記載されている。原子炉格納容器内から水素透過膜により分離された水素ガスは、ガスとして水素処理設備の外部へ排気される。特開平11−30694号公報では、水素透過膜の、原子炉格納容器内に面している表面に、水素ガスと酸素ガスとの反応を促進させる触媒を被覆している。原子炉格納容器内に水素ガスおよび酸素ガスが存在する場合には、触媒の作用により水素ガスと酸素ガスが結合され水になる。   In a loss of coolant accident, hydrogen gas is used as a method of reducing the hydrogen concentration in the containment vessel, bringing the gas in the containment vessel into contact with the hydrogen permeable membrane, and storing the hydrogen gas that has permeated the hydrogen permeable membrane in the reactor. Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-30694 discloses a method of discharging the vessel outside the vessel and reducing the hydrogen concentration in the reactor containment vessel. The hydrogen gas separated from the reactor containment vessel by the hydrogen permeable membrane is exhausted as a gas to the outside of the hydrogen treatment facility. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-30694, the surface of the hydrogen permeable membrane facing the reactor containment vessel is coated with a catalyst that promotes the reaction between hydrogen gas and oxygen gas. When hydrogen gas and oxygen gas are present in the reactor containment vessel, the hydrogen gas and oxygen gas are combined into water by the action of the catalyst.

特開平11−166996号公報には、アンモニア合成触媒により原子炉格納容器内の水素ガスおよび窒素ガスを反応させ、アンモニアに変換することで原子炉格納容器内の水素ガス濃度を低減する方法が記載されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-166996 describes a method of reducing the hydrogen gas concentration in the reactor containment vessel by reacting the hydrogen gas and nitrogen gas in the reactor containment vessel with an ammonia synthesis catalyst and converting them to ammonia. Has been.

また、特開2010−190869号公報には、原子炉格納容器内の水素ガスを、ヨウ素フィルタおよび水素透過膜を介して水素吸蔵合金を有する水素ガス吸蔵装置に導いて水素吸蔵合金に吸収させることにより、原子炉格納容器内の水素ガス濃度を低減する方法が記載されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-190869 discloses that hydrogen gas in a nuclear reactor containment vessel is guided to a hydrogen gas storage device having a hydrogen storage alloy through an iodine filter and a hydrogen permeable membrane and absorbed by the hydrogen storage alloy. Describes a method for reducing the hydrogen gas concentration in the reactor containment vessel.

特開平10−227885号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-227885 特開2009−69122号公報JP 2009-69122 A 特開平11−30694号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-30694 特開平11−166996号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-166996 特開2010−190869号公報JP 2010-190869 A

原子炉格納容器内に大量の水素ガスが発生した場合でも、前述のように通常運転時において原子炉格納容器内の雰囲気が窒素ガスに置換されているため、直ちに水素ガスが燃焼する可能性は低い。しかし、潜在的に可燃性のある水素ガスを原子炉格納容器内に放置することは好ましくない。   Even if a large amount of hydrogen gas is generated in the reactor containment vessel, the atmosphere in the reactor containment vessel is replaced with nitrogen gas during normal operation as described above. Low. However, it is not preferable to leave potentially flammable hydrogen gas in the reactor containment vessel.

従来の加熱式水素処理設備および触媒式水素処理設備による水素ガス濃度の低減方法では、水素ガスの処理に所定以上の酸素ガスを要する。したがって、原子炉格納容器内の窒素ガス雰囲気中の水素ガスを効率良く処理することができない。   In the conventional method for reducing the hydrogen gas concentration using the heated hydrogen treatment facility and the catalytic hydrogen treatment facility, a predetermined amount or more of oxygen gas is required to treat the hydrogen gas. Therefore, the hydrogen gas in the nitrogen gas atmosphere in the reactor containment vessel cannot be processed efficiently.

特開平11−166996号公報に記載のアンモニア合成触媒を用いた水素ガスの処理方法では、原子炉格納容器内の水素ガスを窒素ガスと反応させて水素ガスを処理するため、水素ガスの処理に酸素ガスは必要ないが、水素ガスの処理に伴い、原子炉格納容器内に強アルカリ性で毒性を持つアンモニアがガスあるいは液体の状態で大量に発生する。このため、その後における原子力プラントの復旧作業に大きな障害となる。   In the hydrogen gas processing method using the ammonia synthesis catalyst described in JP-A-11-166996, the hydrogen gas in the reactor containment vessel is reacted with nitrogen gas to process the hydrogen gas. Oxygen gas is not required, but a large amount of strongly alkaline and toxic ammonia is generated in the reactor containment vessel in the state of gas or liquid with the treatment of hydrogen gas. For this reason, it becomes a big obstacle for the recovery work of the nuclear power plant after that.

特開平11−30694号公報に記載された水素ガス処理設備では、冷却材喪失事故時に原子炉格納容器内の水素ガスを水素透過膜を透過させて水素排出管を通して原子炉格納容器外へ排出している。特開平11−30694号公報の水素ガス処理設備は、酸素ガスを用いないで、原子炉格納容器内の水素濃度を低減することができる。しかしながら、可燃性の水素ガスを水素透過膜後に水素排出管を通して排出する必要がある。水素透過膜の原子炉格納容器側の表面に水素再結合触媒を被覆しており、原子炉格納容器内に存在する酸素ガスを用いて水素ガスを処理することができる。冷却材喪失事故時に、万が一、前述のジルコニウムと水蒸気の反応が生じたときに発生する水素ガスの量は、冷却水の放射線分解により発生する酸素の量に比べて非常に多いので、水素透過膜の原子炉格納容器側の表面に被覆された水素再結合触媒の作用により処理される水素ガスは、原子炉格納容器内に存在する水素ガスの極一部となる。ジルコニウムと水蒸気の反応により発生した水素ガスの大部分は、水素透過膜を透過して原子炉格納容器内から外部に排出される。   In the hydrogen gas processing facility described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-30694, the hydrogen gas in the reactor containment vessel passes through the hydrogen permeable membrane and is discharged out of the reactor containment vessel through the hydrogen discharge pipe in the event of a coolant loss accident. ing. The hydrogen gas processing facility disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-30694 can reduce the hydrogen concentration in the reactor containment vessel without using oxygen gas. However, it is necessary to discharge the combustible hydrogen gas through the hydrogen discharge pipe after the hydrogen permeable membrane. A hydrogen recombination catalyst is coated on the surface of the hydrogen permeable membrane on the reactor containment vessel side, and the hydrogen gas can be treated using the oxygen gas present in the reactor containment vessel. In the unlikely event of a loss of coolant, the amount of hydrogen gas generated when the aforementioned reaction between zirconium and water vapor occurs is much greater than the amount of oxygen generated by radiolysis of the cooling water. The hydrogen gas treated by the action of the hydrogen recombination catalyst coated on the surface of the reactor containment vessel becomes a part of the hydrogen gas existing in the reactor containment vessel. Most of the hydrogen gas generated by the reaction between zirconium and water vapor passes through the hydrogen permeable membrane and is discharged out of the reactor containment vessel.

特開2010−190869号公報に記載された水素処理装置では、原子炉格納容器に接続された配管に設けられた水素透過膜を透過した水素ガスを、水素ガス吸蔵装置内の水素吸蔵合金に吸収させて原子炉格納容器内の水素ガスを処理している。ジルコニウムと水蒸気の反応により発生した水素ガスを、全部、水素吸蔵合金に吸収させると、多量の水素吸蔵合金が必要になり、水素ガス吸蔵装置を非常に大きくするか多数設置する必要がある。   In the hydrogen processing apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-190869, the hydrogen storage alloy in the hydrogen gas storage device absorbs the hydrogen gas that has permeated through the hydrogen permeable film provided in the pipe connected to the reactor containment vessel. The hydrogen gas in the reactor containment vessel is processed. If all the hydrogen gas generated by the reaction between zirconium and water vapor is absorbed by the hydrogen storage alloy, a large amount of hydrogen storage alloy is required, and it is necessary to make the hydrogen gas storage device very large or to install a large number of hydrogen storage devices.

特開2010−190869号公報のように水素透過膜を透過した水素ガスを配管により水素ガス吸蔵装置に導いているため、もし、その配管が破断した場合には、水素ガスが漏洩して水素爆発が生じる危険性がある。   As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-190869, hydrogen gas that has permeated through a hydrogen permeable membrane is led to a hydrogen gas storage device by piping. If the piping breaks, hydrogen gas leaks and hydrogen explodes. There is a risk of occurrence.

本発明の目的は、水素透過膜を透過した水素ガスが外部に漏洩する危険性を低減することができる原子力プラントの水素処理システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a hydrogen treatment system for a nuclear power plant that can reduce the risk of hydrogen gas permeating through a hydrogen permeable membrane leaking to the outside.

上記した目的を達成する本発明の特徴は、原子炉格納容器内のガスから水素ガスを分離して透過させる水素透過膜と、水素透過膜の下流側の表面に接触して配置され、水素透過膜を透過する水素ガスと酸素ガスを再結合させる水素再結合触媒層とを備え、前記水素再結合触媒層が、水素透過膜に接触している表面以外の表面で、酸素を含む領域に接していることにある。   A feature of the present invention that achieves the above-described object is that a hydrogen permeable membrane that separates and permeates hydrogen gas from the gas in the reactor containment vessel, and a hydrogen permeable membrane that is disposed in contact with the downstream surface of the hydrogen permeable membrane. A hydrogen recombination catalyst layer for recombining oxygen gas with hydrogen gas that permeates the membrane, wherein the hydrogen recombination catalyst layer is in contact with a region containing oxygen on a surface other than the surface in contact with the hydrogen permeable membrane. There is in being.

水素再結合触媒層が水素透過膜の下流側の表面に接触して配置されているので、水素透過膜を透過した水素ガスを配管を用いないで水素再結合触媒層に導いて酸素ガスと再結合することができ、水素透過膜を透過した水素ガスが外部に漏洩する危険性を低減することができる。   Since the hydrogen recombination catalyst layer is disposed in contact with the downstream surface of the hydrogen permeable membrane, the hydrogen gas that has permeated through the hydrogen permeable membrane is led to the hydrogen recombination catalyst layer without using a pipe, and is reconstituted with oxygen gas. The hydrogen gas which permeate | transmitted the hydrogen permeable membrane can be combined, and the danger that the gas leaks outside can be reduced.

好ましくは、水素透過膜及び水素再結合触媒層を筒状にして水素再結合触媒層を水素透過膜の内側に配置し、水素再結合触媒層の外面を水素透過膜の下流側に位置する内面に接触させ、筒状の水素再結合触媒層で囲まれる領域に酸素供給装置を連絡することが望ましい。このように水素透過膜及び水素再結合触媒層を筒状にすることにより、筒状の水素再結合触媒層の内側の空間をガスを流通させる通路として使用することができ、この通路内に酸素ガスを供給するという単純な運転方法を実現することができる。   Preferably, the hydrogen permeable membrane and the hydrogen recombination catalyst layer are formed in a cylindrical shape, the hydrogen recombination catalyst layer is disposed inside the hydrogen permeable membrane, and the outer surface of the hydrogen recombination catalyst layer is located on the downstream side of the hydrogen permeable membrane. It is desirable to connect the oxygen supply device to a region surrounded by the cylindrical hydrogen recombination catalyst layer. Thus, by making the hydrogen permeable membrane and the hydrogen recombination catalyst layer into a cylindrical shape, the space inside the cylindrical hydrogen recombination catalyst layer can be used as a passage through which gas flows, and oxygen can be contained in the passage. A simple operation method of supplying gas can be realized.

好ましくは、水素透過膜及び水素再結合触媒層を筒状にして水素再結合触媒層を水素透過膜の外側に配置し、水素再結合触媒層の内面を水素透過膜の下流側に位置する外面に接触させ、水素再結合触媒層の外面を酸素ガスに触れさせることが望ましい。このように水素透過膜及び水素再結合触媒層を筒状にすることにより、筒状の水素透過膜の内側の空間を水素ガスを流通させる通路として使用することができ、この通路内に水素ガスを供給するという単純な運転方法を実現することができる。   Preferably, the hydrogen permeable membrane and the hydrogen recombination catalyst layer are formed in a cylindrical shape, the hydrogen recombination catalyst layer is disposed outside the hydrogen permeable membrane, and the inner surface of the hydrogen recombination catalyst layer is located on the downstream side of the hydrogen permeable membrane. It is desirable to contact the outer surface of the hydrogen recombination catalyst layer with oxygen gas. Thus, by making the hydrogen permeable membrane and the hydrogen recombination catalyst layer into a cylindrical shape, the space inside the cylindrical hydrogen permeable membrane can be used as a passage through which hydrogen gas flows, and the hydrogen gas is contained in this passage. It is possible to realize a simple driving method of supplying

本発明によれば、水素透過膜を透過した水素ガスが外部に漏洩する危険性を低減することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the danger that the hydrogen gas which permeate | transmitted the hydrogen permeable film will leak outside can be reduced.

本発明における水素ガスの処理の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the process of hydrogen gas in this invention. 本発明の好適な一実施例である実施例1の、沸騰水型原子力プラントの原子炉格納容器に適用された原子力プラントの水素処理システムの構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram of the hydrogen treatment system of the nuclear power plant applied to the nuclear reactor containment vessel of the boiling water nuclear power plant of Example 1 which is one suitable Example of this invention. 図2に示す水素処理システムの水素処理部の詳細縦断面図である。It is a detailed longitudinal cross-sectional view of the hydrogen treatment part of the hydrogen treatment system shown in FIG. 図2に示す水素処理システムの水素処理部の横断面図である。It is a cross-sectional view of the hydrogen treatment part of the hydrogen treatment system shown in FIG. 本発明の他の実施例である実施例2の、沸騰水型原子力プラントの原子炉格納容器に適用された原子力プラントの水素処理システムの構成図である。It is a block diagram of the hydrogen treatment system of the nuclear power plant applied to the reactor containment vessel of the boiling water nuclear power plant of Example 2 which is another Example of this invention. 図5に示す水素処理システムの水素処理部の詳細縦断面図である。It is a detailed longitudinal cross-sectional view of the hydrogen treatment part of the hydrogen treatment system shown in FIG. 図5に示す水素処理システムの水素処理部の横断面図である。It is a cross-sectional view of the hydrogen treatment part of the hydrogen treatment system shown in FIG.

発明者らは、前述した課題を解消する原子力プラントの水素処理システムを検討した。そして、発明者らは、潜在的に可燃性である水素ガスは、原子炉格納容器内から抽出もしくは移送される段階で可燃性の性質を有しない化学形態に変換されることが望ましいと考えた。その結果、発明者らは、水素透過膜を用い、この水素透過膜の下流側に位置する、水素透過膜の表面に水素再結合触媒層を接触させて配置し、酸素ガスをその水素再結合器触媒層に供給すればよいとの対策を見出した。   The inventors examined a hydrogen treatment system for a nuclear power plant that solves the above-described problems. And the inventors thought that potentially flammable hydrogen gas should be converted to a chemical form that does not have flammable properties when extracted or transferred from within the reactor containment. . As a result, the inventors used a hydrogen permeable membrane, placed a hydrogen recombination catalyst layer in contact with the surface of the hydrogen permeable membrane located downstream of the hydrogen permeable membrane, and recombined oxygen gas with the hydrogen recombination. We found a measure to supply to the catalyst layer.

発明者らが創生した水素処理システムの原理を、図1を用いて説明する。この水素処理システムの基本的概念は、ヨウ素処理触媒層1、水素透過膜2および水素再結合触媒層3を備えている。水素再結合触媒層3は水素透過膜2の下流側に位置する表面に接触した状態で配置されている。ヨウ素処理触媒層1は、例えば、アルミナに銀を担持した球状のヨウ素処理触媒を充填している。ヨウ素処理触媒層1は、例えば、多数の球状のヨウ素処理触媒を充填したカートリッジによって構成される。水素透過膜2は、有機高分子膜または金属膜である。水素を透過する金属膜として、パラジウム膜、パラジウムに銀、銅、金、イットリウムおよびガドリニウムを添加した合金膜、ニオブにチタンおよびニッケルを添加した合金膜、バナジウムにニッケルを添加した合金膜などがある。水素再結合触媒層3は、例えば、水素と酸素を反応させて水に変換する触媒が充填されたカートリッジにより構成される。水素再結合触媒層3に用いられる触媒は、例えば、白金またはパラジウムを、アルミナ、酸化セリウム、および酸化セリウムおよび酸化ジルコニウムの混合酸化物などに担持させて作られる。   The principle of the hydrogen treatment system created by the inventors will be described with reference to FIG. The basic concept of this hydrogen treatment system includes an iodine treatment catalyst layer 1, a hydrogen permeable membrane 2, and a hydrogen recombination catalyst layer 3. The hydrogen recombination catalyst layer 3 is disposed in contact with the surface located on the downstream side of the hydrogen permeable membrane 2. The iodine treatment catalyst layer 1 is filled with, for example, a spherical iodine treatment catalyst in which silver is supported on alumina. The iodine treatment catalyst layer 1 is constituted by, for example, a cartridge filled with a number of spherical iodine treatment catalysts. The hydrogen permeable film 2 is an organic polymer film or a metal film. Examples of metal films that transmit hydrogen include palladium films, alloy films obtained by adding silver, copper, gold, yttrium, and gadolinium to palladium, alloy films obtained by adding titanium and nickel to niobium, and alloy films obtained by adding nickel to vanadium. . The hydrogen recombination catalyst layer 3 is composed of, for example, a cartridge filled with a catalyst that reacts hydrogen with oxygen to convert it into water. The catalyst used for the hydrogen recombination catalyst layer 3 is made, for example, by supporting platinum or palladium on alumina, cerium oxide, a mixed oxide of cerium oxide and zirconium oxide, or the like.

冷却材喪失事故時にジルコニウムと水蒸気の反応により発生した水素ガスが原子炉格納容器内に放出されたとき、原子炉格納容器内に存在するガスは、主に、水素ガス、窒素ガス、水蒸気、酸素ガスおよびヨウ素化合物ガスを含んでいる。原子炉格納容器内のガスがヨウ素処理触媒層1を通過するとき、そのガスに含まれるヨウ素化合物ガスがヨウ素処理触媒層1内のヨウ素処理触媒により除去される。ヨウ素処理触媒層1を通過してヨウ素化合物ガスが除去されたガスは、水素透過膜2と接触する。その際、そのガスに含まれた水素ガスのみが水素透過膜2を透過して水素再結合触媒層3に達する。水素再結合触媒層3には酸素ガスが供給され、水素再結合触媒層3に達した水素ガスは、水素再結合触媒層3内の水素再結合触媒の作用により酸素ガスと結合され、直ちに水蒸気へ変換される。水素透過膜2を透過した水素ガスを水素透過膜2に接触する水素再結合触媒層3で酸素ガスと再結合することができるため、水素透過膜2と水素再結合触媒層3を連絡する配管が不要になり、水素透過膜2を透過した水素ガスの外部への漏洩の危険性が解消される。   When hydrogen gas generated by the reaction of zirconium and water vapor in the accident of loss of coolant is released into the reactor containment vessel, the gas present in the reactor containment vessel is mainly hydrogen gas, nitrogen gas, water vapor, oxygen Contains gas and iodine compound gas. When the gas in the reactor containment vessel passes through the iodine treatment catalyst layer 1, the iodine compound gas contained in the gas is removed by the iodine treatment catalyst in the iodine treatment catalyst layer 1. The gas from which the iodine compound gas has been removed through the iodine treatment catalyst layer 1 comes into contact with the hydrogen permeable membrane 2. At that time, only hydrogen gas contained in the gas permeates the hydrogen permeable membrane 2 and reaches the hydrogen recombination catalyst layer 3. Oxygen gas is supplied to the hydrogen recombination catalyst layer 3, and the hydrogen gas that has reached the hydrogen recombination catalyst layer 3 is combined with oxygen gas by the action of the hydrogen recombination catalyst in the hydrogen recombination catalyst layer 3, and immediately the water vapor Converted to Since the hydrogen gas that has passed through the hydrogen permeable membrane 2 can be recombined with the oxygen gas in the hydrogen recombination catalyst layer 3 that contacts the hydrogen permeable membrane 2, piping that connects the hydrogen permeable membrane 2 and the hydrogen recombination catalyst layer 3. Is eliminated, and the risk of leakage of hydrogen gas that has passed through the hydrogen permeable membrane 2 to the outside is eliminated.

上記した水素処ガス処理の原理を適用した本発明の実施例を以下に説明する。   Embodiments of the present invention to which the above-described hydrogen treatment gas treatment principle is applied will be described below.

本発明の好適な一実施例である実施例1の、沸騰水型原子力プラントの原子炉格納容器に適用された原子力プラントの水素処理システムを、図2、図3および図4に基づいて説明する。   A hydrogen treatment system for a nuclear power plant applied to a reactor containment vessel of a boiling water nuclear power plant according to embodiment 1, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. .

本実施例の水素処理システム7は、水素処理部11、酸素供給配管8およびオフガス移送配管9を有する。沸騰水型原子力プラントは、原子炉圧力容器6を有し、原子炉圧力容器6を原子炉格納容器5で取り囲んでいる。原子炉圧力容器6は原子炉格納容器5内のドライウェルに配置される。原子炉格納容器5内でドライウェルに配置されている筒状の水素処理部11は、図3および図4に示されるように、ヨウ素処理触媒層1、水素透過膜2および水素再結合触媒層3を有する。ヨウ素処理触媒層1、水素透過膜2および水素再結合触媒層3のそれぞれは、筒状、例えば円筒形になっており、同心円状に配置されている。一番内側に水素再結合触媒層3が配置され、水素透過膜2が水素再結合触媒層3を取り囲み、水素透過膜2の内面が水素再結合触媒層3の外面に接触している。ヨウ素処理触媒層1が水素透過膜2を取り囲み、ヨウ素処理触媒層1の内面が水素透過膜2の外面に接触している。ヨウ素処理触媒層1は原子炉格納容器5内でドライウェルに連通している。通路10が、円筒形の水素再結合触媒層3内に形成され、水素再結合触媒層3によって取り囲まれている。   The hydrogen treatment system 7 of this embodiment includes a hydrogen treatment unit 11, an oxygen supply pipe 8, and an offgas transfer pipe 9. The boiling water nuclear power plant has a reactor pressure vessel 6 and surrounds the reactor pressure vessel 6 with a reactor containment vessel 5. The reactor pressure vessel 6 is arranged in a dry well in the reactor containment vessel 5. As shown in FIGS. 3 and 4, the cylindrical hydrogen treatment unit 11 disposed in the dry well in the reactor containment vessel 5 includes an iodine treatment catalyst layer 1, a hydrogen permeable membrane 2, and a hydrogen recombination catalyst layer. 3. Each of the iodine treatment catalyst layer 1, the hydrogen permeable membrane 2, and the hydrogen recombination catalyst layer 3 has a cylindrical shape, for example, a cylindrical shape, and is arranged concentrically. The hydrogen recombination catalyst layer 3 is disposed on the innermost side, the hydrogen permeable membrane 2 surrounds the hydrogen recombination catalyst layer 3, and the inner surface of the hydrogen permeable membrane 2 is in contact with the outer surface of the hydrogen recombination catalyst layer 3. The iodine treatment catalyst layer 1 surrounds the hydrogen permeable membrane 2, and the inner surface of the iodine treatment catalyst layer 1 is in contact with the outer surface of the hydrogen permeable membrane 2. The iodine treatment catalyst layer 1 communicates with the dry well in the reactor containment vessel 5. A passage 10 is formed in the cylindrical hydrogen recombination catalyst layer 3 and is surrounded by the hydrogen recombination catalyst layer 3.

ヨウ素処理触媒層1は、例えば、銀を粒子状のアルミナに担持している多数のヨウ素処理触媒を充填して構成される。水素透過膜2は、例えば、パラジウムで構成される。水素再結合触媒層3は、白金を粒子状のアルミナに担持している多数の水素再結合触媒を充填している。   The iodine treatment catalyst layer 1 is configured by, for example, filling a large number of iodine treatment catalysts in which silver is supported on particulate alumina. The hydrogen permeable membrane 2 is made of palladium, for example. The hydrogen recombination catalyst layer 3 is filled with a large number of hydrogen recombination catalysts in which platinum is supported on particulate alumina.

酸素供給配管8が、原子炉格納容器5を貫通して原子炉格納容器5外から原子炉格納容器5内に向かって配置され、水素処理部11に接続される。この酸素供給配管8は、水素処理部11において水素再結合触媒層3内に形成された通路10に連絡される。水素処理部11に接続されて通路10に連絡されるオフガス移送配管9は、原子炉格納容器5を貫通して原子炉格納容器5の外部に達している。酸素供給配管8およびオフガス移送配管9は、原子炉格納容器5内に酸素ガスが入ることがないように水素処理部11と接続されている。酸素供給配管8およびオフガス移送配管9は外部環境に開放されている。空気を供給するブロア(図示せず)が酸素供給配管8に設けられている。ヒーターが水素処理部11およびオフガス移送配管9に取り付けられている。   An oxygen supply pipe 8 passes through the reactor containment vessel 5 and is arranged from the outside of the reactor containment vessel 5 toward the inside of the reactor containment vessel 5, and is connected to the hydrogen treatment unit 11. The oxygen supply pipe 8 communicates with a passage 10 formed in the hydrogen recombination catalyst layer 3 in the hydrogen treatment unit 11. The off-gas transfer pipe 9 connected to the hydrogen treatment unit 11 and connected to the passage 10 passes through the reactor containment vessel 5 and reaches the outside of the reactor containment vessel 5. The oxygen supply pipe 8 and the off-gas transfer pipe 9 are connected to the hydrogen treatment unit 11 so that oxygen gas does not enter the reactor containment vessel 5. The oxygen supply pipe 8 and the off gas transfer pipe 9 are open to the external environment. A blower (not shown) for supplying air is provided in the oxygen supply pipe 8. A heater is attached to the hydrogen treatment unit 11 and the off-gas transfer pipe 9.

原子炉圧力容器6に接続された配管(図示せず)が原子炉格納容器5内で破断して冷却材喪失事故が発生し、さらに、原子炉圧力容器6内の炉心(図示せず)において燃料棒の核燃料物質を包んでいる被覆管に含まれるジルコニウムと水蒸気が反応して水素ガスが発生したことを想定する。   A pipe (not shown) connected to the reactor pressure vessel 6 breaks in the reactor containment vessel 5 and a coolant loss accident occurs. Further, in the core (not shown) in the reactor pressure vessel 6 It is assumed that hydrogen gas is generated by the reaction between zirconium and water vapor contained in the cladding tube that encloses the nuclear fuel material of the fuel rod.

原子炉圧力容器6に接続された配管の破断箇所から原子炉格納容器5内のドライウェルに排出された高温の水蒸気、水素ガス、ヨウ素化合物ガスおよび核分裂生成ガス、および原子炉格納容器5内に充填されている窒素ガスは、水素処理部11のヨウ素処理触媒層1に流入する。ヨウ素処理触媒層1内のヨウ素処理触媒は、流入したガスのうちヨウ素化合物ガスを除去する。水素ガスは、ヨウ素処理触媒層1を通過し、さらに、水素透過膜2を透過して水素再結合触媒層3内に達する。ブロアの駆動により、外部環境から酸素を含む空気が、酸素ガス供給配管8を通して通路10内に供給される。通路10内に達した空気が水素再結合触媒層3の内面から水素再結合触媒層3内の粒子状の水素再結合触媒管に流入する。水素透過膜2を透過した水素ガスは、水素再結合触媒層3内の水素再結合触媒の作用により、水素再結合触媒層3内に流入した空気に含まれる酸素と再結合されて水蒸気になる。水素ガスと酸素の再結合により生成された水蒸気、および酸素供給配管8から供給された空気(水蒸気および空気をオフガスと称する)は、通路10からオフガス移送配管9に排出されて原子炉格納容器5外へ移送され、外部環境に放出される。水素透過膜2は水素ガス以外の水蒸気、ヨウ素化合物ガス、核分裂生成ガスおよび窒素ガスを透過しない。   High-temperature steam, hydrogen gas, iodine compound gas and fission product gas discharged from the breakage point of the pipe connected to the reactor pressure vessel 6 to the dry well in the reactor containment vessel 5, and the reactor containment vessel 5 The filled nitrogen gas flows into the iodine treatment catalyst layer 1 of the hydrogen treatment unit 11. The iodine treatment catalyst in the iodine treatment catalyst layer 1 removes iodine compound gas from the inflowing gas. The hydrogen gas passes through the iodine treatment catalyst layer 1, further passes through the hydrogen permeable membrane 2, and reaches the hydrogen recombination catalyst layer 3. By driving the blower, air containing oxygen is supplied from the external environment into the passage 10 through the oxygen gas supply pipe 8. The air reaching the passage 10 flows from the inner surface of the hydrogen recombination catalyst layer 3 into the particulate hydrogen recombination catalyst tube in the hydrogen recombination catalyst layer 3. The hydrogen gas that has permeated through the hydrogen permeable membrane 2 is recombined with oxygen contained in the air flowing into the hydrogen recombination catalyst layer 3 by the action of the hydrogen recombination catalyst in the hydrogen recombination catalyst layer 3 to become water vapor. . Water vapor generated by recombination of hydrogen gas and oxygen and air supplied from the oxygen supply pipe 8 (water vapor and air are referred to as off-gas) are discharged from the passage 10 to the off-gas transfer pipe 9 to be contained in the reactor containment vessel 5. Transported outside and released to the outside environment. The hydrogen permeable membrane 2 does not transmit water vapor other than hydrogen gas, iodine compound gas, fission product gas and nitrogen gas.

水素処理部11およびオフガス移送配管9がヒーターによって加熱されるため、水素再結合触媒層3内で生成された水蒸気が水素処理部11およびオフガス移送配管9内で結露することが防止される。   Since the hydrogen treatment unit 11 and the off-gas transfer pipe 9 are heated by the heater, the water vapor generated in the hydrogen recombination catalyst layer 3 is prevented from being condensed in the hydrogen treatment unit 11 and the off-gas transfer pipe 9.

水素再結合触媒層3内における水素ガスと酸素の再結合により発生する反応熱により、水素再結合触媒層3に接触している水素透過膜2が温められる。本実施例では水素透過膜2として金属膜であるパラジウム膜を用いているため、水素透過膜2がその反応熱により温められて水素の透過性能が向上し、水素透過膜2する水素ガスの量が増加する。   The hydrogen permeable membrane 2 in contact with the hydrogen recombination catalyst layer 3 is warmed by the reaction heat generated by the recombination of hydrogen gas and oxygen in the hydrogen recombination catalyst layer 3. In this embodiment, since a palladium film, which is a metal film, is used as the hydrogen permeable film 2, the hydrogen permeable film 2 is warmed by the reaction heat to improve the hydrogen permeation performance, and the amount of hydrogen gas that forms the hydrogen permeable film 2 Will increase.

また、冷却材喪失事故が発生したときに電源が使用できなくなった場合には、酸素供給配管8に設けられたブロア、および水素処理部11およびオフガス移送配管9に取り付けられたヒーターが使用できなくなる。この場合には、水素透過膜2を透過した水素ガスが、水素再結合触媒層3内において、通路10に予め存在している酸素と再結合される。この再結合反応により発生した熱により上昇気流が発生し、水素再結合触媒層3によって取り囲まれる通路10内に、外部環境から酸素供給配管8を通して新たに空気が供給されるとともに、前述したように、再結合反応より発生した熱により水素透過膜2が温められて水素透過膜2の水素透過性能が向上するため、水素再結合触媒層3における水素再結合反応が促進される。   Further, when the power supply cannot be used when a coolant loss accident occurs, the blower provided in the oxygen supply pipe 8 and the heater attached to the hydrogen treatment unit 11 and the off-gas transfer pipe 9 cannot be used. . In this case, the hydrogen gas that has permeated through the hydrogen permeable membrane 2 is recombined with oxygen existing in advance in the passage 10 in the hydrogen recombination catalyst layer 3. Ascending airflow is generated by the heat generated by the recombination reaction, and air is newly supplied from the external environment through the oxygen supply pipe 8 into the passage 10 surrounded by the hydrogen recombination catalyst layer 3, and as described above. Since the hydrogen permeable membrane 2 is warmed by the heat generated by the recombination reaction and the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable membrane 2 is improved, the hydrogen recombination reaction in the hydrogen recombination catalyst layer 3 is promoted.

本実施例によれば、筒状の水素処理部11において水素再結合触媒層3を水素透過膜2の下流側の表面に接触させて配置し、水素再結合触媒層3に酸素を供給しているので、冷却材喪失事故が発生して原子炉格納容器5内の酸素濃度が水素濃度に比べて非常に低い場合でも、水素ガスを、水素透過膜2を透過させて水素透過膜2の下流に位置する水素再結合触媒層3において効率良く酸素ガスと再結合することができる。   According to the present embodiment, the hydrogen recombination catalyst layer 3 is disposed in contact with the downstream surface of the hydrogen permeable membrane 2 in the cylindrical hydrogen treatment unit 11, and oxygen is supplied to the hydrogen recombination catalyst layer 3. Therefore, even when a coolant loss accident occurs and the oxygen concentration in the reactor containment vessel 5 is very low compared to the hydrogen concentration, hydrogen gas is allowed to pass through the hydrogen permeable membrane 2 and downstream of the hydrogen permeable membrane 2. In the hydrogen recombination catalyst layer 3 located at, it can be efficiently recombined with oxygen gas.

冷却材喪失事故が発生し、さらに、万が一、炉心に存在する燃料棒の被覆管に含まれるジルコニウムと水蒸気の反応が生じたときには、ヨウ素化合物ガスが原子炉圧力容器6から原子炉格納容器5内のドライウェルに排出される。このヨウ素化合物ガスが水素透過膜2に接触した場合には、水素透過膜2がヨウ素化合物ガスによって被毒されて水素透過性能を低下させる懸念がある。本実施例では水素透過膜2の上流側にヨウ素処理触媒層1を配置しているので、ヨウ素化合物ガスをヨウ素処理触媒層1で除去することができ、水素透過膜2のヨウ素化合物ガスによる被毒を防止することができる。   If a coolant loss accident occurs and, in the unlikely event, a reaction between zirconium and water vapor contained in the fuel rod cladding tube in the core occurs, iodine compound gas is transferred from the reactor pressure vessel 6 to the reactor containment vessel 5. Discharged into the dry well. When this iodine compound gas comes into contact with the hydrogen permeable membrane 2, there is a concern that the hydrogen permeable membrane 2 is poisoned by the iodine compound gas and deteriorates the hydrogen permeation performance. In this embodiment, since the iodine treatment catalyst layer 1 is disposed upstream of the hydrogen permeable membrane 2, the iodine compound gas can be removed by the iodine treatment catalyst layer 1, and the hydrogen permeable membrane 2 is covered with the iodine compound gas. Can prevent poison.

本実施例では、ヨウ素処理触媒層1が水素透過膜2の外面に接触して配置され、水素再結合触媒層3が水素透過膜2の内面に接触して配置されるため、ヨウ素処理触媒層1、水素透過膜2および水素再結合触媒層3を連絡する配管が不要になり、水素処理システム7の構成が簡素化される。   In this embodiment, since the iodine treatment catalyst layer 1 is disposed in contact with the outer surface of the hydrogen permeable membrane 2 and the hydrogen recombination catalyst layer 3 is disposed in contact with the inner surface of the hydrogen permeable membrane 2, the iodine treatment catalyst layer 1. A pipe connecting the hydrogen permeable membrane 2 and the hydrogen recombination catalyst layer 3 is not required, and the configuration of the hydrogen treatment system 7 is simplified.

水素再結合触媒層3が、水素透過膜2の下流側に位置する表面(内面)に接触して配置されるため、水素透過膜2と水素再結合触媒層3を連絡する配管が不要になるため、この配管の破断により、水素透過膜2を透過した水素ガスが外部に漏洩する危険性を低減することができる。このため、本実施例における水素処理システム7の安全性が向上する。さらに、ヨウ素処理触媒層1が水素透過膜2の上流側の表面に接触して配置されているため、ヨウ素処理触媒層1と水素透過膜2を連絡する配管が不要になるため、この配管の破断により、ヨウ素処理触媒層1を通過した水素ガスが外部に漏洩する危険性を低減することができる。このため、本実施例における水素処理システム7の安全性がさらに向上する。   Since the hydrogen recombination catalyst layer 3 is disposed in contact with the surface (inner surface) located on the downstream side of the hydrogen permeable membrane 2, piping for connecting the hydrogen permeable membrane 2 and the hydrogen recombination catalyst layer 3 becomes unnecessary. Therefore, the risk of leakage of hydrogen gas that has permeated through the hydrogen permeable membrane 2 to the outside due to the breakage of the pipe can be reduced. For this reason, the safety | security of the hydrogen treatment system 7 in a present Example improves. Furthermore, since the iodine treatment catalyst layer 1 is arranged in contact with the upstream surface of the hydrogen permeable membrane 2, a pipe connecting the iodine treatment catalyst layer 1 and the hydrogen permeable membrane 2 is not necessary. The risk of leakage of hydrogen gas that has passed through the iodine treatment catalyst layer 1 to the outside due to breakage can be reduced. For this reason, the safety | security of the hydrogen treatment system 7 in a present Example further improves.

本実施例では、水素透過膜2及び水素再結合触媒層3を円筒状にして水素透過膜2の内側に水素再結合触媒層3を配置しているため、円筒状の水素再結合触媒層3の内側の空間をガスを流通させる通路10として使用することができ、この通路10内に酸素供給配管8により酸素ガスを供給するという単純な運転方法を実現することができる。   In this embodiment, since the hydrogen permeable membrane 2 and the hydrogen recombination catalyst layer 3 are cylindrical and the hydrogen recombination catalyst layer 3 is disposed inside the hydrogen permeable membrane 2, the cylindrical hydrogen recombination catalyst layer 3 is arranged. A simple operation method of supplying oxygen gas into the passage 10 through the oxygen supply pipe 8 can be realized.

また、水素処理部11の水素再結合触媒層3に充填する水素再結合触媒として、酸化セリウム、もしくは酸化セリウムおよび酸化ジルコニウムの混合酸化物を担体とし、パラジウム(または白金)をその担体表面に添着した触媒を用いた場合には、酸素ガスが存在しない環境下においても、水素透過膜2を透過した水素ガスを再結合するのに必要な酸素が酸化セリウムから供給され、水素再結合触媒層3において水素ガスをパラジウム(または白金)の作用により再結合することができる。酸化セリウムおよびパラジウムを含む水素再結合触媒は、酸素の供給および水素と酸素の再結合反応の両方の作用を発揮する。   Further, as a hydrogen recombination catalyst filled in the hydrogen recombination catalyst layer 3 of the hydrogen treatment unit 11, cerium oxide or a mixed oxide of cerium oxide and zirconium oxide is used as a carrier, and palladium (or platinum) is attached to the surface of the carrier. In the case of using the catalyst, oxygen necessary for recombining the hydrogen gas that has permeated through the hydrogen permeable membrane 2 is supplied from the cerium oxide even in an environment in which no oxygen gas exists, and the hydrogen recombination catalyst layer 3 The hydrogen gas can be recombined by the action of palladium (or platinum). A hydrogen recombination catalyst containing cerium oxide and palladium exerts both the supply of oxygen and the recombination reaction of hydrogen and oxygen.

上記した酸化セリウムおよびパラジウム(または白金)を含む水素再結合触媒を水素処理部11の水素再結合触媒層3に充填することによって、酸素供給配管8から酸素ガスを含まないガス、例えば窒素ガスを通路10内に供給しても、水素透過膜2を透過した水素ガスを、酸化セリウムおよびパラジウム(または白金)を含む水素再結合触媒の作用により水素再結合触媒層3で酸化セリウムから供給される酸素と再結合させることができる。この場合、単位質量あたりの酸化セリウムから供給できる酸素の量は限りがあるが、酸化セリウムに酸素ガスと接触させることによって酸化セリウムに酸素を再吸収させることができる。したがって、水素再結合触媒層3内の酸化セリウムから酸素が放出されなくなった場合には、酸素供給配管8より酸素ガスを通路10内に供給することにより、酸化セリウムに酸素を吸蔵させることができる。   By filling the hydrogen recombination catalyst layer 3 of the hydrogen treatment unit 11 with the above-described hydrogen recombination catalyst containing cerium oxide and palladium (or platinum), a gas not containing oxygen gas, such as nitrogen gas, is supplied from the oxygen supply pipe 8. Even when supplied into the passage 10, the hydrogen gas that has permeated through the hydrogen permeable membrane 2 is supplied from the cerium oxide in the hydrogen recombination catalyst layer 3 by the action of the hydrogen recombination catalyst containing cerium oxide and palladium (or platinum). Can be recombined with oxygen. In this case, although the amount of oxygen that can be supplied from cerium oxide per unit mass is limited, cerium oxide can reabsorb oxygen by contacting cerium oxide with oxygen gas. Therefore, when oxygen is no longer released from the cerium oxide in the hydrogen recombination catalyst layer 3, oxygen can be stored in the cerium oxide by supplying oxygen gas into the passage 10 from the oxygen supply pipe 8. .

酸化セリウムと酸化ジルコニウムの混合酸化物であって酸化セリウムの比率が30mol%の混合酸化物を担体としてこの単体の表面にパラジウムを添着した触媒を用いた場合には、酸素ガスが存在しない環境下において約45℃以上で水素再結合反応が急激に進行した。一方、酸化セリウムを担体としてこの単体の表面にパラジウムを添着した触媒を用いた場合には、酸素ガスが存在しない環境下において約160℃以上で水素再結合反応が急激に進行した。水素再結合触媒層3に用いる触媒の担体を酸化セリウムおよび酸化ジルコニウムの混合酸化物とすることで、担体を酸化セリウムにする場合よりも、より低温において効率良く水素再結合反応を進行させることができる。   When using a mixed oxide of cerium oxide and zirconium oxide and using a mixed oxide having a cerium oxide ratio of 30 mol% as a support and palladium on the surface of this simple substance, an oxygen gas is not present. The hydrogen recombination reaction rapidly progressed at about 45 ° C. or higher. On the other hand, when a catalyst in which palladium was impregnated on the surface of this simple substance using cerium oxide as a support was used, the hydrogen recombination reaction proceeded rapidly at about 160 ° C. or higher in an environment where no oxygen gas was present. By making the support of the catalyst used for the hydrogen recombination catalyst layer 3 a mixed oxide of cerium oxide and zirconium oxide, the hydrogen recombination reaction can proceed more efficiently at a lower temperature than when the support is made of cerium oxide. it can.

本発明の他の実施例である実施例2の、沸騰水型原子力プラントの原子炉格納容器に適用された原子力プラントの水素処理システムを、図5、図6および図7に基づいて説明する。   A nuclear power plant hydrogen treatment system applied to a reactor containment vessel of a boiling water nuclear power plant according to embodiment 2, which is another embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS.

本実施例の水素処理システム7Aは、実施例1の水素処理システム7において、水素処理部11を水素処理部11Aに替え、ヨウ素処理触媒塔1Aおよび除湿装置12を設けた構成を有し、水素処理部11Aを原子炉格納容器5の外側に配置している。水素処理システム7Aの他の構成は水素処理システム7と同じである。   The hydrogen treatment system 7A of the present embodiment has a configuration in which, in the hydrogen treatment system 7 of the first embodiment, the hydrogen treatment section 11 is replaced with the hydrogen treatment section 11A, and an iodine treatment catalyst tower 1A and a dehumidifying device 12 are provided. The processing unit 11A is disposed outside the reactor containment vessel 5. The other configuration of the hydrogen treatment system 7A is the same as that of the hydrogen treatment system 7.

筒状の水素処理部11Aは、図6および図7に示されるように、水素透過膜2および水素再結合触媒層3を有する。水素透過膜2および水素再結合触媒層3のそれぞれは、筒状、例えば円筒形になっており、同心円状に配置されている。水素処理部11Aは、水素処理部11と異なり、円筒状の水素再結合触媒層3は、円筒状の水素透過膜2を取り囲んでおり、水素透過膜2の下流側の表面、すなわち水素透過膜2の外面に接触して配置されている。水素処理部11Aにはヒーター(図示せず)が設けられている。原子炉格納容器5は原子炉建屋(図示せず)内に設置されている。水素処理部11Aは原子炉格納容器5の外部で原子炉建屋内の或る部屋に設置された容器(図示せず)内に配置されており、この容器に接続された空気供給配管(図示せず)及び蒸気排出管(図示せず)は原子炉建屋外の外部環境に達している。   The cylindrical hydrogen treatment unit 11A includes a hydrogen permeable membrane 2 and a hydrogen recombination catalyst layer 3 as shown in FIGS. Each of the hydrogen permeable membrane 2 and the hydrogen recombination catalyst layer 3 has a cylindrical shape, for example, a cylindrical shape, and is arranged concentrically. The hydrogen treatment unit 11A differs from the hydrogen treatment unit 11 in that the cylindrical hydrogen recombination catalyst layer 3 surrounds the cylindrical hydrogen permeable membrane 2, and the downstream surface of the hydrogen permeable membrane 2, that is, the hydrogen permeable membrane. 2 is arranged in contact with the outer surface. The hydrogen treatment unit 11A is provided with a heater (not shown). The reactor containment vessel 5 is installed in a reactor building (not shown). The hydrogen treatment unit 11A is disposed outside a reactor containment vessel 5 in a vessel (not shown) installed in a room in the reactor building, and an air supply pipe (not shown) connected to the vessel. And the steam discharge pipe (not shown) reach the outside environment outside the reactor building.

水素処理部11Aは、内部に、水素透過膜2によって取り囲まれた通路10Aを有している。原子炉格納容器5に接続されて原子炉格納容器5内のドライウェルに連絡されたガス供給配管13が、水素処理部11Aに接続されて通路10Aに連絡される。除湿装置12およびヨウ素処理触媒塔1Aがガス供給配管13に設けられる。さらに、ガス供給管13にはブロアが設けられる。水素処理部11Aに接続されて通路10Aに連絡されるオフガス移送配管9が原子炉格納容器5に接続されてドライウェルに連絡される。   The hydrogen processing unit 11A has a passage 10A surrounded by the hydrogen permeable membrane 2 inside. A gas supply pipe 13 connected to the reactor containment vessel 5 and connected to the dry well in the reactor containment vessel 5 is connected to the hydrogen treatment unit 11A and communicated with the passage 10A. A dehumidifying device 12 and an iodine treatment catalyst tower 1 </ b> A are provided in the gas supply pipe 13. Further, the gas supply pipe 13 is provided with a blower. An off-gas transfer pipe 9 connected to the hydrogen treatment unit 11A and connected to the passage 10A is connected to the reactor containment vessel 5 and connected to the dry well.

実施例1と同様に、原子炉圧力容器6に接続された配管(図示せず)が原子炉格納容器5内で破断して冷却材喪失事故が発生し、さらに、原子炉圧力容器6内の炉心(図示せず)において燃料棒の核燃料物質を包んでいる被覆管に含まれるジルコニウムと水蒸気が反応して水素ガスが発生したことを想定する。   As in the first embodiment, a pipe (not shown) connected to the reactor pressure vessel 6 breaks in the reactor containment vessel 5 and a coolant loss accident occurs. Further, in the reactor pressure vessel 6 It is assumed that hydrogen gas is generated by the reaction of zirconium and water vapor contained in the cladding tube enclosing the nuclear fuel material of the fuel rod in the core (not shown).

原子炉圧力容器6に接続された配管の破断箇所から原子炉格納容器5内のドライウェルに排出された高温の水蒸気、水素ガス、ヨウ素化合物ガスおよび核分裂生成ガス、および原子炉格納容器5内に充填されている窒素ガスを含むガスが、ガス供給配管13に設けられたブロアを駆動することにより、原子炉格納容器5内のドライウェルからガス供給配管13を通して除湿装置12、ヨウ素処理触媒塔1Aおよび水素処理部11Aに順次供給される。供給されるガスに含まれた水蒸気が除湿装置12で除去され、ヨウ素化合物ガスがヨウ素処理触媒塔1Aにより除去される。水蒸気およびヨウ素化合物ガスが除去されたガスが、水素処理部11Aの通路10A内に到達し、水素透過膜2の内面に接触する。そのガスに含まれた水素ガスは、水素透過膜2を透過して水素透過膜2の下流側の表面、すなわち、水素透過膜2の外面に接触している水素再結合触媒層3内に達する。   High-temperature steam, hydrogen gas, iodine compound gas and fission product gas discharged from the breakage point of the pipe connected to the reactor pressure vessel 6 to the dry well in the reactor containment vessel 5, and the reactor containment vessel 5 The gas containing nitrogen gas filled in drives the blower provided in the gas supply pipe 13, so that the dehumidifier 12 and the iodine treatment catalyst tower 1 </ b> A pass through the gas supply pipe 13 from the dry well in the reactor containment vessel 5. And sequentially supplied to the hydrogen treatment unit 11A. The water vapor contained in the supplied gas is removed by the dehumidifying device 12, and the iodine compound gas is removed by the iodine treatment catalyst tower 1A. The gas from which the water vapor and iodine compound gas have been removed reaches the passage 10A of the hydrogen treatment unit 11A and contacts the inner surface of the hydrogen permeable membrane 2. The hydrogen gas contained in the gas passes through the hydrogen permeable membrane 2 and reaches the downstream surface of the hydrogen permeable membrane 2, that is, the hydrogen recombination catalyst layer 3 in contact with the outer surface of the hydrogen permeable membrane 2. .

原子炉建屋内に配置されて水素処理部11Aを収納している容器内に空気供給配管を通して供給された空気が、水素再結合触媒層3の外面から水素再結合触媒層3内の粒子状の水素再結合触媒間に流入する。水素再結合触媒層3に到達した水素ガスは、水素再結合触媒層3に流入した空気に含まれた酸素と、水素再結合触媒層3の水素再結合触媒の作用により再結合されて水蒸気になる。この水蒸気は、水素処理部11Aを収納している容器に接続された蒸気排出管を通して外部環境に排出される。なお、水素処理部11Aにおいて水素透過膜2を透過しなかった残りのガス、すなわち、核分裂生成ガスおよび窒素ガスが、通路10Aからオフガス移送配管9に排出され、原子炉格納容器5内のドライウェルに戻される。   Air supplied through an air supply pipe into a vessel arranged in the reactor building and containing the hydrogen treatment unit 11 </ b> A is particulated in the hydrogen recombination catalyst layer 3 from the outer surface of the hydrogen recombination catalyst layer 3. It flows between the hydrogen recombination catalysts. The hydrogen gas that has reached the hydrogen recombination catalyst layer 3 is recombined by the action of the hydrogen recombination catalyst of the hydrogen recombination catalyst layer 3 and oxygen contained in the air flowing into the hydrogen recombination catalyst layer 3 into water vapor. Become. This water vapor is discharged to the external environment through a vapor discharge pipe connected to a container housing the hydrogen treatment unit 11A. The remaining gas that has not permeated the hydrogen permeable membrane 2 in the hydrogen treatment unit 11A, that is, the fission product gas and the nitrogen gas, is discharged from the passage 10A to the off-gas transfer pipe 9, and the dry well in the reactor containment vessel 5 is discharged. Returned to

水素再結合触媒層3内で生じる水素ガスと酸素との再結合反応は発熱反応であり、その反応により発生した熱で金属膜である水素透過膜2が温められ、水素透過膜2の水素を透過する性能が向上する。水素処理部11Aがヒーターによって加熱されるため、水素再結合触媒層3内で生成された水蒸気が水素処理部11A内で結露することが防止される。   The recombination reaction between hydrogen gas and oxygen generated in the hydrogen recombination catalyst layer 3 is an exothermic reaction, and the heat generated by the reaction warms the hydrogen permeable membrane 2 which is a metal film. Transmission performance is improved. Since the hydrogen treatment unit 11A is heated by the heater, the water vapor generated in the hydrogen recombination catalyst layer 3 is prevented from being condensed in the hydrogen treatment unit 11A.

水素再結合触媒層3が水素透過膜2の下流側の表面、すなわち、水素透過膜2の外面に接触しておりヨウ素処理触媒塔1Aがガス供給配管12により水素透過膜2に連絡される本実施例は、実施例1で生じる、ヨウ素処理触媒層1と水素透過膜2の間からの水素ガスの漏洩を防止できるという効果を除いて、実施例1で生じる各効果を得ることができる。   The hydrogen recombination catalyst layer 3 is in contact with the downstream surface of the hydrogen permeable membrane 2, that is, the outer surface of the hydrogen permeable membrane 2, and the iodine treatment catalyst tower 1A communicates with the hydrogen permeable membrane 2 through the gas supply pipe 12. The example can obtain each effect produced in Example 1 except the effect that the leakage of hydrogen gas from between the iodine treatment catalyst layer 1 and the hydrogen permeable membrane 2 can be prevented.

本実施例では、水素透過膜2及び水素再結合触媒層3を円筒状にして水素再結合触媒層3の内側に水素透過膜2を配置することにより、円筒状の水素透過膜2の内側の空間を水素ガスを流通させる通路10Aとして使用することができ、この通路10A内にガス供給配管13により水素ガスを供給するという単純な運転方法を実現することができる。   In the present embodiment, the hydrogen permeable membrane 2 and the hydrogen recombination catalyst layer 3 are formed in a cylindrical shape, and the hydrogen permeable membrane 2 is disposed inside the hydrogen recombination catalyst layer 3, so that the inner side of the cylindrical hydrogen permeable membrane 2 is arranged. It can be used as a passage 10A through which hydrogen gas is circulated, and a simple operation method of supplying hydrogen gas into the passage 10A through the gas supply pipe 13 can be realized.

本実施例においても、水素再結合触媒層3に充填する水素再結合触媒として、酸化セリウム、もしくは酸化セリウムおよび酸化ジルコニウムの混合酸化物を担体とし、パラジウム(または白金)をその担体表面に添着した触媒を用いてもよい。   Also in this example, as a hydrogen recombination catalyst for filling the hydrogen recombination catalyst layer 3, cerium oxide or a mixed oxide of cerium oxide and zirconium oxide was used as a carrier, and palladium (or platinum) was attached to the surface of the carrier. A catalyst may be used.

実施例1及び2のそれぞれの水素処理システムは、加圧水型原子力プラントにおける原子炉格納容器内の水素ガスの処理に適用してもよい。   Each of the hydrogen treatment systems of Embodiments 1 and 2 may be applied to the treatment of hydrogen gas in a reactor containment vessel in a pressurized water nuclear plant.

1…ヨウ素処理触媒層、1A…ヨウ素処理触媒塔、2…水素透過膜、3…水素再結合触媒層、5…原子炉格納容器、6…原子炉圧力容器、7,7A…水素処理システム、8…酸素供給配管、9…オフガス移送配管、10,10A…通路、11,11A…水素処理部、13…ガス供給配管。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Iodine treatment catalyst layer, 1A ... Iodine treatment catalyst tower, 2 ... Hydrogen permeable membrane, 3 ... Hydrogen recombination catalyst layer, 5 ... Reactor containment vessel, 6 ... Reactor pressure vessel, 7, 7A ... Hydrogen treatment system, 8 ... oxygen supply pipe, 9 ... off-gas transfer pipe, 10, 10A ... passage, 11, 11A ... hydrogen treatment section, 13 ... gas supply pipe.

Claims (11)

原子炉格納容器内のガスから水素ガスを分離して透過させる水素透過膜と、前記水素透過膜の下流側の表面に接触して配置され、前記水素透過膜を透過する前記水素ガスと酸素ガスを再結合させる水素再結合触媒層とを備え、前記水素再結合触媒層が、前記水素透過膜に接触している表面以外の表面で、酸素を含む領域に接していることを特徴とする原子力プラントの水素処理システム。   A hydrogen permeable membrane that separates and permeates hydrogen gas from the gas in the reactor containment vessel, and the hydrogen gas and oxygen gas that are disposed in contact with the downstream surface of the hydrogen permeable membrane and pass through the hydrogen permeable membrane A hydrogen recombination catalyst layer that recombines the hydrogen recombination catalyst layer, wherein the hydrogen recombination catalyst layer is in contact with a region containing oxygen at a surface other than the surface in contact with the hydrogen permeable membrane. Plant hydrogen treatment system. 前記原子炉格納容器内の前記ガスに含まれるヨウ素を除去するヨウ素処理触媒層を前記水素透過膜の上流側の表面に接触させて配置する請求項1に記載の原子力プラントの水素処理システム。   2. The hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to claim 1, wherein an iodine treatment catalyst layer for removing iodine contained in the gas in the reactor containment vessel is disposed in contact with an upstream surface of the hydrogen permeable membrane. 前記酸素ガスを供給する酸素供給装置が前記酸素を含む領域に連絡されている請求項1または2に記載の原子力プラントの水素処理システム。   3. The hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to claim 1, wherein an oxygen supply device that supplies the oxygen gas communicates with a region containing oxygen. 4. 原子炉格納容器内のガスから水素ガスを分離して透過させる筒状の水素透過膜と、前記水素透過膜によって取り囲まれて外面が前記水素透過膜の下流側に位置する内面に接触して配置され、前記水素透過膜を透過する前記水素ガスと酸素ガスを再結合させる筒状の水素再結合触媒層と、前記水素再結合触媒層によって取り囲まれた内部空間に前記酸素ガスを供給する酸素供給装置とを備えたことを特徴とする原子力プラントの水素処理システム。   A cylindrical hydrogen permeable membrane that separates and permeates hydrogen gas from the gas in the reactor containment vessel, and an outer surface that is surrounded by the hydrogen permeable membrane and is in contact with an inner surface that is located downstream of the hydrogen permeable membrane. A cylindrical hydrogen recombination catalyst layer that recombines the hydrogen gas and oxygen gas that permeate the hydrogen permeable membrane, and an oxygen supply that supplies the oxygen gas to an internal space surrounded by the hydrogen recombination catalyst layer And a hydrogen treatment system for a nuclear power plant. 前記水素透過膜および前記水素再結合触媒層が前記原子炉格納容器内に配置され、前記酸素供給装置が前記原子炉格納容器を貫通して設けられ、前記内部空間に連絡されるガス排出管が前記原子炉格納容器を貫通している請求項4に記載の原子力プラントの水素処理システム。   The hydrogen permeable membrane and the hydrogen recombination catalyst layer are disposed in the nuclear reactor containment vessel, the oxygen supply device is provided through the nuclear reactor containment vessel, and a gas exhaust pipe connected to the internal space is provided. The hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to claim 4, which penetrates the reactor containment vessel. 前記原子炉格納容器内の前記ガスに含まれるヨウ素を除去する筒状のヨウ素処理触媒層を、前記原子炉格納容器内で前記水素透過膜を取り囲んで配置し、前記ヨウ素処理触媒層の内面を前記水素透過膜の上流側に位置する外面に接触させている請求項4または5に記載の原子力プラントの水素処理システム。   A cylindrical iodine treatment catalyst layer for removing iodine contained in the gas in the nuclear reactor containment vessel is disposed so as to surround the hydrogen permeable membrane in the nuclear reactor containment vessel, and an inner surface of the iodine treatment catalyst layer is arranged. The hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to claim 4 or 5, wherein the hydrogen treatment system is in contact with an outer surface located upstream of the hydrogen permeable membrane. 原子炉格納容器内のガスから水素ガスを分離して透過させる筒状の水素透過膜と、前記水素透過膜を取り囲んで内面が前記水素透過膜の下流側に位置する外面に接触して配置され、前記水素透過膜を透過する前記水素ガスと酸素ガスを再結合させる筒状の水素再結合触媒層とを備え、前記水素再結合触媒層の外面が酸素を含む領域に接していることを特徴とする原子力プラントの水素処理システム。   A cylindrical hydrogen permeable membrane that separates and permeates hydrogen gas from the gas in the reactor containment vessel, and an inner surface that surrounds the hydrogen permeable membrane and is in contact with an outer surface located downstream of the hydrogen permeable membrane. A cylindrical hydrogen recombination catalyst layer for recombining the hydrogen gas and oxygen gas that permeate the hydrogen permeable membrane, wherein an outer surface of the hydrogen recombination catalyst layer is in contact with a region containing oxygen. A hydrogen treatment system for nuclear power plants. 前記水素透過膜および前記水素再結合触媒層が前記原子炉格納容器の外部に配置され、前記原子炉格納容器に接続されて前記原子炉格納容器内の前記ガスを導くガス供給配管が、前記水素透過膜によって取り囲まれた内部空間に連絡され、
前記内部空間に連絡されるガス移送配管が前記原子炉格納容器に接続される請求項7に記載の原子力プラントの水素処理システム。
The hydrogen permeable membrane and the hydrogen recombination catalyst layer are disposed outside the reactor containment vessel, and a gas supply pipe connected to the reactor containment vessel and guiding the gas in the reactor containment vessel is provided with the hydrogen Connected to the internal space surrounded by the permeable membrane,
The hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to claim 7, wherein a gas transfer pipe connected to the internal space is connected to the reactor containment vessel.
前記原子炉格納容器内の前記ガスに含まれるヨウ素を除去するヨウ素処理触媒装置が、前記ガス供給配管に設けられている請求項8に記載の原子力プラントの水素処理システム。   The hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to claim 8, wherein an iodine treatment catalyst device for removing iodine contained in the gas in the reactor containment vessel is provided in the gas supply pipe. 除湿装置が前記ガス供給配管に設けられている請求項8または9に記載の原子力プラントの水素処理システム。   The hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to claim 8 or 9, wherein a dehumidifying device is provided in the gas supply pipe. 前記水素再結合触媒層に充填される水素再結合触媒が、酸化セリウム、及び酸化セリウム及び酸化ジルコニウムの混合酸化物のいずれかで構成された担体にパラジウムを添着している触媒である請求項1ないし10のいずれか1項に記載の原子力プラントの水素処理システム。   2. The hydrogen recombination catalyst filled in the hydrogen recombination catalyst layer is a catalyst in which palladium is impregnated on a support made of cerium oxide and a mixed oxide of cerium oxide and zirconium oxide. 11. A hydrogen treatment system for a nuclear power plant according to any one of items 1 to 10.
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