JPH01176045A - 触媒としてのパラジウム合金及びそれを用いた安全装置 - Google Patents

触媒としてのパラジウム合金及びそれを用いた安全装置

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JPH01176045A
JPH01176045A JP63188527A JP18852788A JPH01176045A JP H01176045 A JPH01176045 A JP H01176045A JP 63188527 A JP63188527 A JP 63188527A JP 18852788 A JP18852788 A JP 18852788A JP H01176045 A JPH01176045 A JP H01176045A
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    • G21C19/30Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core with continuous purification of circulating fluent material, e.g. by extraction of fission products deterioration or corrosion products, impurities, e.g. by cold traps
    • G21C19/317Recombination devices for radiolytic dissociation products
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水素及び酸素を含む雰囲気の中の水素を酸化さ
せるための触媒として用いられるパラジウム合金及びこ
のパラジウム合金を収容ための安全装置に関する。
水素及び酸素を含み、そのために爆発性を有するガス混
合物から水素を除去することは特に原子炉事故の際に重
要である。このようなガス混合物はとりわけ軽水炉の原
子炉溶損事故に際して発生する。
(従来の技術) 原子炉の安全容器の雰囲気から水素を除去するために、
そのガス混合物を吸い出してその安全容器の外部で酸化
銅Cub2と200℃の温度において反応させることが
公知である(W、 Baukal等;”水素除去の種々
の可能性”、 BMI−1984−033(1984)
  参照)。この方法は「ワンウェー法」と呼ばれ、と
言うのはその反応に際して生ずる銅を取り換える必要が
あるからである。加えて、水素の吸い出しのためにポン
プ駆動用のエネルギーを賢さなければならないと言う前
提条件がある。
またり、 Thompson ;  ”ERRI  水
素燃焼及び制御のためのプログラムプラン” (198
1年11月のパロー・アルド−におけるERRI)、及
びM、 Berman等; “水素の挙動と軽水炉″ 
: Nuclear 5afety。
Vo1、 25. No、 l (1984)から、安
全容器中のガス混合物の強制着火を導くことも公知であ
る。このために、中でもそのガス混合物中の水素濃度、
ガス速度及びガス温度に依存してガスの着火を20秒か
ら400  秒までの時間間隔以内に導くために触媒と
して白金を使用することが公知である(L。
R,Thorne等: ”少量水素混合空気のためのプ
ラチナ接触燃焼器”NRCFIN No、 A−133
6(DOE 4O−550−75)、 1986参照〕
しかしながら、このような手段においてもたらされる種
々の反応及び安全容器に現われるの種々の要求条件は未
だ一義的に明らかにされてはいない。中でも、ガス混合
物中の乱流によって場合により予想よりも高くなる火炎
前縁の伝播速度及びそれによってもたらされる爆発の危
険が重大であると考えられる。
未だ公開されていない西ドイツ特許出願P 36044
16.4−43 (PT 1,781 G)にはガス混
合物中の僅かな水素分圧においても水素に対して高い吸
蔵力を示す金属が水素除去のために用いられるような水
素除去装置が記述されている。酸化防止のためにこの金
属は水素を透過させる保護層で覆われている。保護層と
してはパラジウムも使用される。パラジウムを被覆した
バナジウムが水素を効果的に水に転換する触媒として実
証されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の!!題は接触反応に至るまでの応答時間ができ
るだけ短い触媒を見出すことである。
その上に、ガス混合物中の例えば塩素、硫黄、−酸化炭
素のような触媒毒に対して感受性を示さずに反応をもた
らす触媒を開発することが問題となる。
その接触反応速度は安全容器内の爆発性反応を確実に避
けるために、約100  ℃の温度においてもできるだ
け高くなければならない。
(問題点を解決するための手段) 本発明のこの課題は本文頭初に記述した態様の方法にお
いて特許請求の範囲の請求項1に挙げたパラジウム合金
を用いて解決される。このパラジウム合金は少なくとも
80重量%以上のPd、  最高19.9重景%までの
Ni及び最高10重量%のCu  を含むニッケル含有
パラジウム合金である。
このパラジウム合金を用いた場合に、ガス混合物中に酸
素が存在すればこの合金の表面温度約100℃において
水素を酸化させることができる。反応開始までの応答時
間は雰囲気ガスが塩素、硫黄及び−酸化炭素のような触
媒毒により汚染されていてもほんの数分間にしかならな
い。
(作用) Pd−Ni−Cu合金は、原子炉事故の際に現実的に予
想できるようなガス雰囲気において純粋なPdが取るで
あろう触媒的挙動よりも道かに優れていることが確認さ
れている。Ni及びCuの含有量の最小値としてNiは
1重量%、Cuは0.1  重量%を維持すべきであろ
う。
最低89重量%のPd 、最高10重量%のNi及び最
高1重量%のCuを含有するパラジウム合金が好ましい
(請求項2)。中でも96重量%のPd、4重量%のN
i及び1重量%のCuを含有する合金が実証されている
(請求項3)。この合金は塩素、硫黄化合物及び−酸化
炭素を含むガス混合物中の水素の酸化を最少限の遅延時
間で接触する。この反応は確実に進行する。
水素の一接触酸化に際して発生する熱を吸収して排除す
ることができるようにするために、パラジウム合金を反
応熱吸収性の支持板の片面又は両面に支持させることが
提案される(請求項4)。支持板の材質として好ましく
はアルミニウム又はアルミニウム合金、或いは銅又は銅
合金が適している(請求項5)。
安全容器内で水素の接触酸化のためにパラジウム合金を
使用するために、気密に閉じた触媒容器が備えられてお
り、この中にパラジウム合金製の薄板又は網、或いはパ
ラジウム合金を被覆した金属製支持板が入れられている
(請求項6)。
薄板、網又は支持板は、危険時において、即ち触媒容器
の周りの酸素を含んだガス雰囲気中に水素が侵入するよ
うな場合に、この容器を開放した後でこれがそのガス雰
囲気と接触するような態様で触媒容器内に配置されてい
る。ガス雰囲気との接触に際してガス混合物の着火を避
けるためにこの触媒の危険時に利用できる全表面積は、
反応熱の吸収により反応の間に加熱される薄板、網又は
支持板が触媒表面におけるガス混合物の着火温度に達す
る程に強く熱せられることがないように定められ′る。
触媒表面については成る限界温度が定められるが、これ
は上記の発火温度より低く、またこれはそのガス雰囲気
中に侵入し得る可能な最大の水素量と生ずる最大量の反
応熱とを与える予想水素量の考慮のもとに、また薄板、
網又は支持板から外界に排除される可能な放出熱量の考
慮のもとに薄板、網又は支持板の必要な最小面積を定め
、その際特に触媒とガス雰囲気との間の熱移動が決定的
に重要である。
薄板、網又は支持板は触媒容器中にこれが触媒容器の開
放後に外気中へ延び出して接触表面を形成するような態
様で収容されているのが好ましいく請求項7)。これは
重力の作用のもとに、危険時において接触面を形成する
のに何等追加的手段を必要としないように好都合性なわ
れる(請求項8)。このためにそれら薄板、網又は支持
板は板すだれ状に折り畳まれていて安全容器の開放後に
重力の作用のもとでほどかれて速やかに外部に延び出す
ように配置されている(請求項9)。
薄板、網又は支持板はまた、もしもそれらが触媒容器の
内部に巻き上げブラインドの態様で巻き付けられていて
触媒容器の開放後に周囲へばねの力の作用により繰り出
されるように予備緊張させて配置されているならばなん
ら追加的手段を要せず重力作用に無関係に自動的に外部
へ延び出すことができる(請求項10 )。
(実施例) 以下本発明を添付の図面参照のもとに幾つかの実施例に
よって更に詳細に説明する。
旌−ユ 9mffu+1%ノpa、 4重fit%(7) Ni
 及び1重量%のCuを含み且つアルミニウム製の支持
板の両面に被覆されたパラジウム合金の触媒作用を反応
器の中でテストしたが、この反応器の中には原子炉事故
に際しての実際的な条件に合致したガス混合物を導入す
ることができるようになっている。
この反応容器内には自由表面を有する一枚以上の被覆さ
れた支持板がそれぞれ両波覆面に反応容器内のガス混合
物が到達できるように配置されていた。6.5Ilt容
積を有する反応容器内に例1の場合には触媒反応用とし
て240 cm”  の全表面積を有する支持板が入れ
られていた。
第1図はそれぞれ分圧で1.3  バールの空気、1.
6バールの水蒸気及び0.007  バールのCOが含
まれているガス混合物の中に水素を導入した後の反応器
内の圧力の経過(実線工)を示す。このガス混合物中に
0.4  バールの水素を導入した。
第1図にはまた、その被覆された支持板の温度の経過(
Hの点線で示す)並びに反応容器内におけるこの被覆さ
れた支持板の周りの温度即ち反応容器中の空間温度の経
過も示されている(■の一点鎖線で示す)。
ガス雰囲気中に水素を導入した後で反応容器内の圧力は
先ず初めに3.3  バールになった。水素の接触酸化
の開始によ7て次に圧力は最初の3.5分間以内に約3
.15バールの圧力に低下した。その後でこの圧力は一
定に保たれたが、このことから酸化反応は既にこの時間
の後には本質的に終了し、そして水素は水として結合状
態で存在していたことが明らかである。
この同じ期間の間に支持板の温度は+20  t:から
出発して1分間以内に260  ’Cの最高温度に達す
る。この最高温度に到達した後で温度は速やかに低下し
、4分間後には支持板は再び120  ”Cの出発温度
に達した。
触媒反応に際して生じた熱が殆ど完全に支持板に吸収さ
れて排除できたと言うことは反応容器内の被覆された支
持板の周りの温度変化が僅かであることを示し、即ち反
応容器内の温度は水素の導入の後で接触反応の間に12
0  ”Cから最高140 ”Cまで上昇した。この反
応容器内の最高温度には反応開始後2分間で到達した。
次いで反応容器内の熱挙動は再びその出発値に鎮静した
医−ユ 第2図に90重量%のPd、9.5重量%のNi及び0
.5  重量%のCuを含むパラジウム合金についての
水素の接触酸化における反応の経過を示す。このパラジ
ウム合金はアルミニウムの支持板の両面にスパッタリン
グにより被覆されている。
支持板は0.1 amの厚さである。触媒反応のために
全部で80 am2の触媒表面積が利用できる。
第2図には反応容器内の圧力の経過及び支持板。
内の温度の経過が第1図と同様に示されている。
曲線工は反応容器内の圧力の経過を、また曲線■は支持
板内の温度経過を示す。第2図においては支持板の周り
の温度の経過は示されていないけれども、反応容器内の
熱発生はここではほんの僅かに過ぎない。触媒反応によ
り発生した熱は支持板に吸収されて排除された。
第2図にあげた実施例においてその反応容器は分圧で表
わしたガス組成率で空気1.3  バール、水素 1.
6バール及びGO0,005バールのガス雰囲気を保有
していた。このガス雰囲気中に0.4バールの水素を導
入した。
第1図にあげた実施例と同様にここで使用したパラジウ
ム合金の場合にも触媒反応はガス雰囲気中に水素を侵入
した直後に開始された。水素供給に際して高められた反
応容器内の圧力と共に支持板の温度もまた上昇した。水
素の接触酸化は圧力低下をもたらし、反応容器内の圧力
は約3.4  バールから3.1−バールに低下した。
支持板の温度は120  ℃から出発して速やかに上昇
し、そして1分間以内に最高240  ℃にまで達した
。温度はそれ以後低下し、そして既に3分間後には再び
120℃の出発温度に達した。水素は完全に水蒸気に変
換された。
これらの実験に基づいていくつか適当な合金について酸
化反応の開始時点、即ち反応熱の吸収による支持板内の
温度の上昇の現われた時点がかろうじて確認された。
医−ユ 90重量%のPd、  9.5重量%のNi及び0.5
重量%のCuの含まれた合金を薄板(圧延した金属箔)
の形で使用した。特別な支持板は使用しなかった。この
薄板の寸法は200X 20X O,1mm’であった
。6.5ILt容積の反応容器内において80cm2の
全触媒表面積が利用できた。
この反応容器内には1.3バールの空気、0.005バ
ールのGO及びり、S  バールの水蒸気よりなるガス
混合物が含まれていた。このガス雰囲気は更に塩素、水
溶性のエロゾル(窒化銀及び窒化はう素)及び油分の不
純物の痕跡量で汚染されていたがこれは原子炉事故の際
に原子炉安全容器内に現われ得るようなできるだけ不都
合なガス雰囲気状態を作り出すためであった。薄板の初
期温度は120℃であった。
反応容器内に0.4  バールの水素を導入した。
このPd合金の触媒作用は著しい遅延なく開始され、薄
板の温度上昇は自発的に開始された。Pd薄板の温度は
最高500  ℃に上昇した。
倣−A 例3に”記述した90重量%のPd、9.5重量%のN
i及び0.5  重量%のCuの含まれたPd合金をア
ルミニウムの支持板に被覆した。
触媒として有効な全表面積が120 cm2  の何枚
かの支持板を反応容器内で用いた。ガス雰囲気は1.6
バールの空気及び0.005  バールの一酸化酸素を
含んでいた。このガス雰囲気中に0.4  バールのH
2を導入した。支持板の初期温度は120t:であった
圧力低下と温度上昇とが1分間の後に開始された。支持
板の温度は最高325  ℃に上昇した。
涯−j 94重量%のPd、5.Ofi量%のNi及び1.0重
量%のCuの含まれたPd合金をアルミニウムの支持板
の両面に蒸着した。支持板の両面のPd合金の厚さは3
000人であった。
支持板の寸法は200X 30X O,1whm”であ
った。
この実施例では反応容器内で利用できる全触媒表面積は
240 cab2  であった。反応容器内部で使用さ
れる触媒表面積が大きくなわばなる程、触媒反応が急速
に開始されることは自明である。
しかしながら触媒表面積の決定に重要なのはガス混合物
の着火温度以下でその予め与えられた限界温度までに加
熱するのを最大限に許容することである。このためには
薄板又は支持板からの外界への熱の排除が重要であり、
従って与えられた比熱伝達率(J/m2・OK・Sで表
わした熱伝達係数)が重要である。
高い安全性に達するためには従フて原子炉安全容器中の
ガス雰囲気は故障の際にできるだけ大きな触媒表面積を
しかもできるだけ迅速に提供するように努めるべきであ
る。
この実施例においては反応容器中に存在するガス:囲気
は分圧組成で空気1.3  バール、水蒸気1.6バー
ル及びGO0,007バールであった。支持板の初期温
度は120  ℃であった。この反応容器の中に0.4
  バールの水素を導入した。
阻−1 94重量%のPd、5重量%のNi及び1重量%のCu
の含まれたPd合金を 145X 28X O,1ml
113の寸法のアルミニウム支持板の両面に被覆した。
この反応容器の中で合計180 ctn2の触媒表面積
を有する何枚かの支持板を使用した。この反応容器中に
存在するガス雰囲気はガスの分圧組成として空気1.3
  バール、水蒸気1.6  バール及びGO0,00
6バールよりなっていた。支持板の出発温度は120℃
であった。0.4  バールの水素を導入した。
反応は自発的に開始され、支持板中の最高温度は305
℃であった。
医−ユ 9r重量%のPd、4重量%のNi及び1重量%のCu
の含まれたPd合金を銅製の支持板の両面に蒸着した0
反応容器内の利用可能触媒表面積は240 cra2で
あフた。この容器内に存在する1、9バールの空気雰囲
気中に0.08バールの水素(4容積%)を導入した。
支持板内の初期温度は約ioo℃であった。
低い水素濃度にも拘らず、この場合においても反応は水
素の導入の後で直ちに開始され、支持板内の最高温度は
130  ℃であった。
以上の例1ないし例7の種々のデータは表1にまとめで
ある。
第3図にI’d合金で被覆された支持板2が板すだれ状
に折り畳まれて収容されている気密に閉じた触媒容器1
を図式図で示す。触媒容器はそのカバー板3に支持部材
4で懸吊して取り付けられている。カバー板3は仕切り
壁5によって2つの容器室1a、 lbに分けられてお
り、そのそれぞれにおいて支持板の最上部片2aがコー
ナー6に固定されている。支持部材4は、例えば触媒容
器が開放したときに、支持板2の延び出しのために触媒
容器1の下方に自由空間が維持されるような態様で、原
子炉安全容器のデツキに固定することができる。
触媒容器1は幾つかのアルミニウム壁7からなり、これ
らはカバー板3に、また相互に軟ろう付けされている。
この軟ろうとしては危険時に成る予め与えられた温度が
現われたならば各アルミニウム壁7のつぎ目が軟化して
それらの壁が崩壊することにより触媒容器が開放されて
支持板2が露出されるようなものが選ばれる。
この場合に支持板はその自重により触媒容器1の下方の
空間中に延び出す。触媒表面はガス雰囲気と接触するに
到る。
本実施例においては支持板2は触媒容器の中に折り畳ん
で収容されているだけである。できるだけ扁平で迅速に
開放される表面を作り出すためには、個々の支持板をそ
の縁部で互いに蝶番により連結しそれによりそれら互い
に結合された支持板が相互に官物に動き得るようにする
のが好都合である。
蝶番で連結された支持板は第3図の中には示されていな
い。
第4図に筒状の触媒容器8が示されているが、この中で
スパイラルばね等で予め緊張されている軸10の上にP
d合金被覆した支持板9が巻上ブラインドの態様で巻き
付けられている。第3図に示した実施例の場合と同様に
してこの筒状触媒容器8においても軟ろう付けされてい
る底板11が開放された後で、支持板9は上記のばねの
力の作用により外部空間中に捲き出されて、触媒表面を
原子炉安全容器中で生じたガス雰囲気と接触するように
露出させる。これにより水素の接触酸化が僅か数分間以
内に開始される。
触媒容器1および8は閉じた状態では不活性ガス、例え
ばアルゴンで満たされている。この不活性ガスは外部空
間からの異種ガスが侵入するのを防ぐために過圧のもと
にある。Pd合金の触媒性能を長期間にわたり確実に維
持するためにその不活性ガス雰囲気は1ないし2容積%
の水素を含んでいる。第3図及び第4図に示した触媒容
器の中にはPd合金で被覆された支持板の代りにPd合
金の1板や網等も場合によってはフィルムに圧延して取
り付けることができる。フィルムを用いるときはこれを
外部空間中にに延び出させるために例えばこのフィルム
の外縁に荷重用縁片を取り付けてこれが触媒容器の開放
に際して先ず最初に垂れ下がるようにすることができる
第4図にこのような縁片12が示されている。
第5図は総容積80000 m3を有する原子炉安全容
器について必要な触媒表面積を示すものであるが、これ
は下記を前提条件とするものである:1)原子炉事故に
際して原子炉安全容器の中に1000  秒(16,6
分)以内に800 kgの水素が流入する。
2)原子炉安全容器内の圧力約3バールにおいて触媒表
面はそのガス混合物中に含まれる水素と酸素との着火温
度600℃に達しない。
水素の完全な反応に際して発生した反応熱を考慮しまた
何枚かの被覆支持板について実験的に求めた熱伝達係数
を考慮して、接触酸化の間の支持板中の発生熱を計算し
た。この場合にその発熱反応の反応熱が完全に支持板に
吸収されたと言うことを前提条件とした。この熱は次に
再び原子炉安全容器内の雰囲気に伝えられる。その限り
において、既に原子炉安全容器中への流入水素量を推定
したきと同様に、原子炉事故における最悪の状態を前提
条件とした。
第5図に、cu+2  で表わした触媒表面最小面積に
対してのOKで表わした温度上昇の曲線を挙げであるが
、これは支持板中に上記推定の水素侵入量に際して現わ
れる最大値である。支持板中の温度上昇は酸化反応に基
づく発生熱量と支持板から外部へ排出される熱量との間
の熱平衡により定まる。
触媒表面の最高温度は表面積の増大と共に低下する。5
000 rs2の面積では最高温度上昇は3000に 
以下にとどまり、即ち120  ℃の初期温度のときは
支持板中の温度は約400  ℃にまで上昇する。、こ
の温度は着火温度よりも逸かに低く、そして実際的な条
件のもとでも着火温度に対して十分に安全な温度幅を与
える。
【図面の簡単な説明】
第1図は反応容器内でのPd 95重量%、Ni4重量
%及びCu 1重量%のパラジウム合金による水素の接
触酸化における圧力の経過、このパラジウム合金で被覆
されたアルミニウム支持板中の温度変化及び支持板の周
りの温度変化を示す。 第2図は90重量%のPd、9.5重量%のNi及び0
,5  重量%のCuを含むパラジウム合金による接触
酸化の際の第1図と同様な圧力及び温度の経過を示す。 第3図は折り畳んだ薄板又は支持板を有する触媒容器の
図式説明図である。 第4図は巻上げブラインド状に巻き付けられた薄板又は
支持板を有する触媒容器の図式説明図である。 第5図は薄板又は支持板中の最高温度と最小触媒表面積
との関係を示す。 1.8・・・触媒容器  2.9・・・支持板3  ・
・・カバー板  4  ・・・支持部材5  ・・・仕
切り壁 7  ・・・アルミニウム板 10   ・・・軸     11   ・・・底板1
2   ・・・縁片 時(ト)− FIG、 1 晦 →

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)少なくとも80重量%のPd、最高19.9重量
    %までのNi及び最高10重量%のCuを含むニッケル
    含有パラジウム合金。
  2. (2)少なくとも89重量%のPd、最高10重量%の
    Ni及び最高1重量%のCuを含む、請求項1記載のパ
    ラジウム合金。
  3. (3)95重量%のPd、4重量%のNi及び1重量%
    のCuを含む、請求項2記載のパラジウム合金。
  4. (4)反応熱を吸収する支持板の片面又は両面に合金が
    支持されている、請求項1、2又は3記載のパラジウム
    合金。
  5. (5)支持板がアルミニウム又はアルミニウム合金或い
    は銅又は銅合金からなる、請求項4記載のパラジウム合
    金。
  6. (6)酸素及び水素を含む雰囲気の中の水素を接触的に
    酸化する安全装置の中で前記各請求項の一つに記載のパ
    ラジウム合金を使用する方法において、このパラジウム
    合金を気密に閉じた触媒容器(1、7)の中に入れられ
    ているパラジウム合金よりなる薄板又は網、或は表面に
    パラジウム合金を載せた金属支持板(2、8)の形で使
    用し、その際触媒容器(1、7)はこれを取りまく酸素
    含有ガス雰囲気中に水素が存在するときに開放されてパ
    ラジウム合金と雰囲気とを接触させるように構成されて
    いることを特徴とする、上記パラジウム合金の使用方法
  7. (7)触媒容器(1、7)中の薄板又は網或いは支持板
    (2、8)が触媒容器(1、7)の開放の後に周囲のガ
    ス雰囲気中にこれとの接触面を形成しながら延び出すこ
    とを特徴とする、請求項6記載の安全装置。
  8. (8)薄板又は網或いは支持板(2、8)が触媒容器(
    1、7)の開放の後、重力の作用のもとに延び出す、請
    求項7記載の安全装置。
  9. (9)触媒容器(1)の中の薄板又は網或いは支持板(
    2)が板すだれ状に折り畳まれていて触媒容器の開放の
    後に外気中に延び出す、請求項8記載の安全装置。
  10. (10)触媒容器(2)の内部の薄板又は網或いは支持
    板(8)が巻上ブラインド状に巻き付けられていてスパ
    イラルばね、又は捻りばねによって予備緊張されており
    、そしてこれが触媒容器(7)の開放の後にその弾性力
    の作用により外気中に繰り出される、請求項7記載の安
    全装置。
  11. (11)触媒容器(1、7)が1ないし2容積%の水素
    の含まれた過圧下の不活性ガスで満たされている、前記
    の請求項6ないし10のいずれかに記載の安全装置。
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