SE409849B - Forbrenningsanordning for att till vattenanga forbrenna i en inneslutning for en kernreaktor upptredande vetgas med syrgas - Google Patents

Description

g»- aj? 1211102-1i 2 vätgas användes även avsiktligt vid vissa vattenkylda reaktorer, särskilt för att avlägsna gasformiga fissions- å produkter från de ställen, där det primära kylvattnet finns, Å varvid väte användes som bärargas för att skilja fissions- _ produkterna från kylmediet. Genom uppfinningen enligt huvud- I ä kravet blir det framför allt möjligt att åstadkomma en anord- _, ning, som håller vätgaskoncentrationen i inneslutningssystemet Å vid en mycket låg och säker nivå, varvid anordningen icke krä- ' ver några rörliga delar och icke heller något eldfarligt V bränsle. Anordningen kan lätt placeras i inneslutningssystemet med kontrollsystemet beläget utanför inneslutningssystemet, och anordningens funktionsduglighet kan periodiskt kontrolle- ras. Värmebehovet är relativt ringa. Vätekoncentrationen i atmosfären i inneslutningssystemet kommer att hållas vid mindre än 4 volymprocent och företrädesvis vid omkring 2 vo- lymprocent eller mindre. I En lämplig utföringsform av uppfinningen beskrivs nedan i samband med bifogade ritningar.

Fig. l visar schematiskt inneslutningssystemet för en reaktoranläggning med en förbränningsanordning enligt uppfin- ningen. Fig. 2 visar i perspektiv en lämplig utföringsform av anordningen. Fig. 3 visar en sektion genom den_i fig. 2 visade anordningen. Fig. 4 visar i störe skala värmeelement för användning i anordningen enligt fig. 2 och 3. Fig. 5 visar i sektion enfiannan utföringsform av anordningen enligt -uppfinningen. Fig. 6 är ett schema av en anordning enligt uppfinningen i kombination med ett system för behandling av avgas i en vattenkyld kärnreaktor. Fig. 7 visar schematiskt ' en anordning enligt uppfinningen för behandling av en reàk- tors avgas under normal drift, varvid anordningen även an- vänds för att behandla atmosfären i inneslutningssystemet. efter ett missöde som medför förlust av kylmedium.

I I fig. I visas en kärnreaktor 10 och dess kylsystem an- ordnade inuti en inneslutningsbyggnad ll, som är utförd att kvarhålla radioaktiva emissioner för att förhindra att de ute släpps till omgivningen. En arbetsplattform 12, som är be- lägen ovanför reaktortanken l0,utgör en lämplig plats för vätgasförbränningsanordningar 13 inuti byggnaden ll. Arbets- ~ --~r 7211702-1 3 i plattformen 12 hindrar icke en fri konvektionsströmning av atmosfären i inneslutningsbyggnaden. Förbränningsanordningarna 13 är elektriskt kopplade till strömförsörjnings-, manöver- och kontrollsystemet 14, vilket är anordnat utanför inneslut- ningsbyggnaden. Det kan vara önskvärt att anordna ett vanligt vätgaskännande organ 15 inuti inneslutningsbyggnaden och att använda detta kännande organ 15 för reglering av förbrän- ningsanordningarnas funktion. Två sådana anordningar 13 visas anordnade inuti inneslutningsbyggnaden ll för att bilda ett samverkande system, fastän i och för sig en enda sådan anordning vore tillräcklig för att avlägsna vätgasen.

Den typiska vätgaskoncentration, som kan väntas inuti inne- slutningsbyggnaden är av storleksordningen 2 till 4 volym- procent, och det är önskvärt att anordningarna 13 är utförda att begränsa vätekoncentrationen till omkring 4 volymprocent eller mindre.

En förbränningsanordning 13 visas mera i detalj i fig. 2, 3 och 4. I anordningen 13 ingår en yttre kåpa 16 med gälfor- made inloppsöppningar 17 nära ramens nedre del och gälformade utloppsöppningar 18 nära ramens övre del. Öppningarna 17 och 18 är gälformade för att så mycket som möjligt hindra att vattenstänk intränger i anordningen 13. Vattenstänk inne- hållande vissa kemikalier kan uppträda i vissa inneslutnings- byggnader till följd av att man använder spraysystem för att avlägsna klyvningsprodukter (fissionsprodukter) från luften .i inneslutningsbyggnaden. Elektriska värmeelement 19 är anord- nade centralt inuti kåpan 16. En mantel eller inre ram 20 är anordnad runt de elektriska värmelementen 19 och har vid den visade utföringsformen en i huvudsak rektangulär tvär- sektion. Manteln 20 är belägen på avstånd från den yttre ramen 16, så att ett utrymme 21 bildas, som utgör en förvärm- ningszon, vilken dessutom begränsas av en bottenplatta 22 och en övre platta 23. Stödorgan 24 för värmeelementen sträcker sig vertikalt från bottenplattan 22 och uppbär man- teln 20 liksom även värmeelementen 19. En perforerad platta är anordnad vid botten av manteln 20, genom vilken den väte innehållande gasen under konvektion insläppes i förbrän- ningszonen 20a, som begränsas av manteln 20 och plattan 25. _30 1211702-1 n-m-n 4 En anordning 25a för att alstra en tvångsströmning av gas genom rekombinationszonen kan dessutom vara anordnad på plattan 25 eller vid annat lämpligt ställe. _ De elektriska värmeelementen 19 är anordnade i fem upp- värmningssektioner inuti manteln 20. Ett sådant element visas i fig. 4 och har i huvudsak rätblockform. Vart och ett av de fem vertikalt staplade värmeelementen är enligt fig. 4 upp- byggt av U-formade mantlade värmeorgan 26, som är sammanförda i grupper av tre vertikala rader med 20 organ per rad, så att var och en av de fem uppvärmningssektionerna innehåller sammanlagt 60 U-formade värmeorgan. Mellanrummen mellan dessa rader är tillräckligt stora för att tillåta en gasgenomström- ning av omkring 2,8 m3 gas per minut vid vanlig temperatur och tryck. De U-formade värmeelementen 26 är vid en kopplinge- box 27 anslutna till den icke visade strömtillförselledningen.

Den totala uppvärmningsytan hos mantlarna pâ de 300 värme- elementen är omkring 3,3 m2. En sådan uppvärmningsanordning ' kan behandla omkring 2,8 m3 luft per minut vid standardtempe- ratur och -tryck. Uppvärmningsanordningen drivs med omkring 43 kilowatt ingångseffekt och uppvärmer luften, som inkommer vid luftinloppsgälarna med en temperatur från 27 till 44°C, till en temperatur av minst 620°C vid uppvärmningsanordningens utlopp, varigenom väte.och syre med säkerhet förenas till vattenånga. Gastemperaturen vid utgången från uppvärmnings- anordningen är företrädesvis från omkring 620°C till 760°C. _Högre temperaturer erfordras inte, och det är önskvärt att gaserna hålls inom detta temperaturområde. Metallmantlarna för värmeelementen är utförda av en järn-nickel-legering, som är stabil och inte reagerar vid höga drifttemperaturer. Även manteln 20 enligt fig. 3 måste vara utförd av ett högtempera- turbeständigt material, lämpligen likaledes en järn-nickel- legering.

De använda enskilda värmeelementen är av en standardtyp, som har en drifteffekt av omkring 32 kW/m2 av mantelns upp- värmningsyta. Det är önskvärt att uppvärmningen av gasen upp- nås vid låg effekttäthet för värmeorganen för att dessa skall få lång livslängd. Uppvärmningen brukar därför ske med en effekttäthet av omkring 2,8 kW/m2 av mantelytan. Denna effekt- täthet är mindre än omkring 10% av den rekommenderade drift- 7211702-1 effekttätheten.

Det inses lätt att ett eventuellt fel på något av värme- elementen kommer att ha mycket liten inverkan på förbränninge- anordningens funktion. Anordningen inkopplas i allmänhet perio- diskt en gång om dagen eller med nâgra dagars mellanrum under tiden efter en reaktorolycka, då systemet hålls tillslutet.

Tiden för sådan förslutning kan väntas vara av storleksord- ningen l00 dagar. Uppvärmningsanordningens tillförlitlighet är sålunda av största betydelse.

Det är önskvärt att använda olika effektäthet för de fem staplade värmeelementen, varvid de nedre av dessa element drivs med högre effekttäthet. Detta medför den maximala totala effekttäthet med den lägsta temperatur hos värmeelementen som är förenlig med maximal tillförlitlighet. Detta är möjligt, eftersom gasströmningen är sådan att de med den högsta effekttätheten arbetande elementen kyls av de inströmmande gaserna, som har relativt låg temperatur, och eftersom före- ningen eller "förbränningen" av väte och syre till vattenånga är en exotermisk reaktion, så att mindre värme krävs från de översta uppvärmmingsanordningarna allteftersom reaktionen fortskrider i rekombinationszonen, dvs. förbränningsutrymmet.

I vissa fall kan det t.o.m. vara önskvärt att anordna ett mantlat vattenkylningssystem nära uppvärmningsanordningens övre ände. Uppvärmningsanordningen och effekttätheten måste naturligtvis anpassas till den mängd gas som skall behandlas.

Den uppvärmd vattenånga innehållande avgasen avgår upp- till från förbränningskanalens 20 förbränningsrum 20a och passerar in i en avkylningskammare 28a, som begränsas av den övre delen 28 av den yttre kåpan 16, gälarna 18 och plattan 23. Gälarna 18 är anordnade i kåpans 16 övre del 28a, varvid de nedre gälarna 18 släpper in kylluft i kylningszonen 28a, där denna luft blandas med den uppvärmda gasen från förbrän- ningsrummet 20a, varefter den kylda blandningen avgår genom de översta gälarna 18.

Gasens väg genom förbränningsanordningen visas med pilar i fig. 3, Vid denna utföringsform sker gasströmningen genom naturlig konvektion, dvs. självdrag, men även anord- ningar för att åstadkomma tvångsströmning kan användas för att driva gasen genom rekombinationsanordningen. 7211702-1 Förvärmningszonen 21 uppvärms av manteln 20 genom vär- meledning så att gasen däri uppvärms till ungefär l20°C med vilken temperatur den inkommer till botten av förbränninge- zonen 20a. Denna förvärmning torkar gasen, varigenom värme- elementen utsätts för torr gas, som är mindre korrosiv och har mindre benägenhet att lämna avsättningar på värmeelementen.

Denna förvärmning bidrar också till ett effektivt utnyttjande av värmen genom regenerativ uppvärmning av den inkommande gasen.. _ Prov på laboratoriemodeller av förbränningsanordningen enligt uppfinningen visar att väte och syre förenas (förbränns) genom uppvärmningen av gaserna och icke på grund av någon ka- talytisk inverkan från värmeelementens metallmantlar. Detta 'har bekräftats genom att väte och inert kväve fick passera genom uppvärmningsanordningen för att bringa vätet till en hög temperatur, och genom att syre infördes nedströms i för- hållande till eller på avstånd från uppvärmningsanordningen.

Förbränning av väte skedde endast, när syre tillfördes. Efter- som anordningen enligt uppfinningen icke utnyttjar katalytisk verkan, uppstår inga problem med förgiftning av en katalysa- tor genom fission eller genom avsättning av kemiska produkter.

För en typisk volym hos en reaktorinneslutningsbyggnad är förbränningsanordningen utförd för en matareffekt av omkring 43 kilowatt.

En annan utföringsform av en anordning enligt uppfin- -ningen visas i fig. 5. Denna anordning är avsedd för använd- ning i en mindre reaktorinneslutningsvolym, som kräver mycket lägre effekttäthet. Förbränningsanordningen 29 har en i huvud- sak cylindrisk form med en cylindrisk yttre kåpa 30 och en koncentrisk cylindrisk mantel 31 anordnad centralt inuti den yttre kåpan 30 på visst avstånd från denna. Den mantlade upp- värmningsanordningen 32 är centralt anordnad inuti den inre manteln 31. Inloppsöppningar 33 är anordnade i den yttre väggen 30, och en förvärmningszon 30a finns mellan kåpan 30 och manteln 31, varvid manteln 31 begränsar förbränningszonen 3la kring värmeelementet 32. Utloppsöppningar 34 är likaledes anordnade i kåpan nära dess övre del. Den elektriska anslut- ningen till värmeelementet 32 sker i en kopplingsbox 35. 7211702-1 7 En anordning enligt uppfinningen har den fördelen, att den inte kräver några rörliga delar, inget bränsle och inget manöver- och kontrollsystem inuti inneslutningsbyggnaden.

Försök har visat att i huvudsak 100% av den teoretiska kombi- nationen och/eller rekombinationen av väte och syre sker obe- roende av dessa gasers koncentration i den inkommande gas- blandningen. Ingen låga erfordras, eftersom hela gasströmmen genom förbränningszonen uppvärms till en högre temperatur än reaktionstemperaturen för väte och syre.

En förbränningsanordning enligt uppfinningen kan användas i olika slags anläggningar, där vätgas och syrgas uppträder.

Ett exempel visas schematiskt i fig. 6, som visar fiörbrän- _ ningsanordningen tillsammans med ett system för behandling av avgas från en kärnreaktor. Användning av vätgas för att skilja fissionsgasprodukter från det primära kylmediet är väl känd och sker i den kemiska volymkontrollbehållaren 36, som är inkopplad i den primära kylslingan 37 för kärnreaktorn. En recirkulationseduktor 38 används i detta system som'ström- ningsframkallande anordning. väte och fissionsgasprodukter tillförs en elektrisk förbränningsanordning 39 enligt upp- finningen och uppvärms till en temperatur, som är högre än den för väte-syre-reaktion erforderliga temperaturen, varvid syre tillförs anordningen från en särskild syrekälla. Väte och syre förenas till vattenånga, och vattenångan jämte fissionsgasprodukterna leds till en kondensorkylare 40 och en -ångavskiljare 41, i vilken en avsevärd del av vattenångan av- lägsnas. Från ångavskiljaren avgår i huvudsak fissionsgaspro- dukter med en obetydlig halt av ånga och väte. Fissionsgasen leds till lagringstankar för avfallsgas i och för isolering av fissionsprodukterna. Avfallsgaserna kan lagras i dessa tankar vid lågt tryck eller komprimerade i högtrycksflaskor.

Alternativt kan dessa gaser lagras i stora lagringstankar och eventuellt återföras till förbränningsanordningen. En sådan återföring visas i fig. 6, varvid utloppet hos de icke visade lagringstankarna för avfallsgas är anslutna till recir- kulationseduktorn 38. Vid utföringsformen enligt fig. 6 är förbränningsanordningen försedd med ett mantlat Vattenkyl- system 43. glo 7211702-1 8 Fig. 7 visar en anordning enligt uppfinningen schematiskt i kombination med ett system för avgasbehandling under normal drift av kärnrekatorn och med organ för anslutning till det primära inneslutningssystemet vid läckage av kylmedium för att styra vätekoncentrationen i inneslutningssystemet, som normalt är ett slags byggnad. Under normal drift av kärnreaktorn är förbränningsanordningen 49 inkopplad i ett system som är i huvudsak detsamma som visas i fig. 6 men med en kompressor 44 som strömningsframkallande anordning. Vid en olyckshändelse som medför utsläppning av kylmedium stängs ventiler 45 och 46 för att tätt skilja avgassystemet från förbränningsanordníngen 49, varjämte två andra ventiler 47 och 48 öppnas och ansluter därvid anordningen 49 till en inneslutningsbehållare 50. Efter I en olyckshändelse med utsläpp av kylmedium kommer sålunda at- mosfären i reaktorbyggnaden att cirkuleras genom förbrännings- 'anordningen 49 och tillhörande kondensorkylare 51 och ångav- skiljare 52. Den av anordningen 49 alstrade vattenångan åter- förs till reaktorbyggnadens inre.

Vid det i fig. 7 visade systemet är förbränningsanordningen belägen utanför reaktorbyggnaden, och kompressorn och hög- trycksrörsystemet används för att leda atmosfären i reaktor- byggnaden genom förbränningsanordningen. Det är även möjligt att placera anordningen inuti reaktorbyggnaden, men.hellre utanför densamma. ' ' En förbränningsanordning enligt uppfinningen kan även an- vändas i kombination med ett vattenkylsystem, som beskrivs i den amerikanska patentskriften 3 362 883. _ Ovan har antagits att atmosfären i reaktorbyggnaden är luft och därför innehåller tillräckligt mycket syre för att förbränna det utvecklade vätet till vattenånga. Det är natur- É ligtvis även möjligt att använda en inert gas som atmosfär i reaktorbyggnaden, och i så fall måste syre tillföras från en separat syrgaskälla till den elektriska förbränningsanordningen.

Det är även vanligt att använda en inert bärargas, såsom kväve, i system för behandling av avfallsgas, och sådan bärargas kan lätt användas i ett system¿ i vilket en anordning enligt upp- finningen ingår. 7211702-1 9 En anordning enligt uppfinningen kan även användas i så- dana system, som innehâller syre, där det är önskvärt att hålla syrehalten under en viss förutbestämd nivå. I ett sådant system kan den syrgas innehållande atmosfären uppvärmas med hjälp av en anordning enligt uppfinningen tillsammans med vät- gas, som tillförs anordningen från en separat vätgaskälla.

Syret och vätet uppvärms till en högre temperatur än omkring 620°C för att åstadkomma förbränning till vattenånga; Om endera väte och syre inte förekommer i den atmosfär, som skall behandlas, måste väte resp. syre tillföras från en separat gaskälla för att blandas med den andra gasen. Gasen från den separata gaskällan kan blandas med den primära gasen, som skall behandlas, innan gaserna bringas att passera genom uppvärmningsanordningen, eller den kan tillsättas efter det att den primära gasen har uppvärmts i uppvärmningsanordningen, så att de blandade, väte och syre innehållande gaserna har en högre temperatur än omkring 620°C.

Claims (3)

7211702-1 16 Patentkrav

1. l. Förbränningsanordning för att till vattenånga förbränna i en inneslutning (ll) för en kärnreaktor (10) uppträdande ¿ _vätgas med syrgas, i vilken förbränningsanordning ingår dels Å ett hölje (13) med ett inlopp (17) för en vätgasen och syr- A : gasen innehållande gas och ett utlopp (18) för den vatten- ångan innehållande avgasen och dels en elektrisk uppvärmnings- anordning (19) inuti en i det nämnda höljet anordnad central, i huvudsak vertikal förbränningskanal (20, 20a), varvid gasen vid genomströmning genom denna kanal upphettas till minst 620°C, k ä n n e t e c k n a d av att ett mellanrum (21) mellan den centrala förbränningskanalen (20) och höljet (13) bildar en förvärmningszon för gasen, som tillföres förbrän- ningskanalen, vilken har en med förvärmningszonen (21) kommu- nicerande inloppsände (25) och en med förbränningsanord- ningens utlopp (18) kommunicerande utloppsände för avgasen, och att uppvärmningsanordningen (l91 nära den nämnda kanalens (20) utloppsände arbetar med lägre effekttäthet än vid kana- lens inloppsände (25).

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att en avkylningskammare (28a) inom det nämnda höljet (13) är anordnad vid den nämnda kanalens (20) utloppsände.

3. Anordning enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d .av att den vertikala förbränningskanalen' (20) är försedd med inloppsöppningar vid sin inloppsände, som är kanalens undre ände, och med utloppsöppningar vid sin övre utloppsände, så att gas genom termiskt självdrag kan passera uppåt genom kanalen. ANFÜRDA PUBLIKATIONER: Norge 41 371 Frankrike 2 030 265