WO1994001870A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen rekombination eines gases eines gasgemisches - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal recombination of a gas of a gas mixture, in particular of hydrogen or oxygen in the containment atmosphere of a nuclear reactor plant. It is also directed to an apparatus for performing the method.
  • flammable gases can form inside the safety envelope.
  • Hydrogen and oxygen are generated as a result of a water-zirconium reaction.
  • the proportion of combustible gases must be kept low.
  • the invention is therefore based on the object of achieving high recombination rates with simple means and regardless of the respective mixture proportions of a gas mixture.
  • the stated object is achieved according to the invention in that the gas mixture is first mixed with a reaction gas and then fed to a reaction chamber, the reaction gas containing the reaction partner required for recombining a gas of the gas mixture.
  • a catalyst is expediently used for thermal recombination.
  • the recombination can also take place in a heatable reaction chamber in which heating takes place up to the ignition limit of the ignitable gas mixture.
  • steam is mixed into the reaction gas in an advantageous development of the method.
  • the steam condenses within the security envelope, the gas mixture enclosed therein being simultaneously diluted.
  • reaction gas can advantageously be preheated before being mixed with the gas mixture.
  • a device with a thermal reaction chamber which is characterized by a mixing chamber for mixing the gas mixture with a reaction gas required for the recombination of the gas, the mixing chamber being arranged upstream of the reaction chamber in the flow direction of the gas mixture.
  • the mixing chamber expediently comprises a drive nozzle which is connected to a gas line for supplying the reaction gas.
  • a jet pump is particularly suitable as a mixing chamber.
  • the recombiner 2 arranged inside the security casing 1 is separated by a wall 4, e.g. protected against debris or splinter flight.
  • the recombiner 2 comprises a thermal reaction chamber 6 and a mixing chamber 8.
  • the reaction chamber 6 contains a catalyst 10 which can be heated by means of a heating device 9, e.g. on platinum or palladium basis, in the form of a bed or a solid.
  • the mixing chamber 8 comprises a drive nozzle 12 and is designed in the manner of a jet pump or an injector.
  • the driving nozzle 12 is connected to a gas line 14.
  • the gas line 14 is connected to a propellant gas container 20 via a heat exchanger 16 and a feedthrough 18 in the safety casing 1 and to a reaction gas container 24 via a branch 22.
  • the heat exchanger 16 and a further heat exchanger 26 are arranged between the reaction chamber 6 and the mixing chamber 8.
  • the heat exchanger 26 is connected via a line 28 to the reaction chamber 6 and a line 30, which opens into a mixing stage 32, is connected to the gas atmosphere enclosed within the safety envelope 1.
  • the container 24 is filled with a reaction gas, e.g. filled with hydrogen or oxygen.
  • the propellant gas container 20 is filled with water, which can be evaporated by means of a heating device 34.
  • oxygen or hydrogen is fed from the container 24 to the mixing chamber 8 via the line 14, the respective amount of reaction gas being set by means of a valve 36.
  • the reaction gas thus contains the reaction partner which is missing for recombination of the gas contained in the gas mixture in an increased concentration or which is present only in a low concentration.
  • the gas mixture flowing into the recombiner 2 in the direction of the arrows 40 is mixed with the reaction gas emerging from the driving nozzle 12, the reaction gas being first preheated in the heat exchanger 16.
  • a quantity of steam which can be adjusted by means of a valve 42 is fed from the container 20 into the mixing chamber 8.
  • the gas mixture enriched with the reaction gas and the steam flows via a water separator or filter 44 into the reaction chamber 6, in which a catalytic recombination of the gas contained in the gas mixture in an increased concentration takes place with the reaction gas.
  • the gas mixture then flows back into the containment atmosphere via line 28 and heat exchanger 26 as well as via line 30 and mixing stage 32.
  • the mixing stage 32 brings about a thorough mixing of the nator 2 outflowing gas mixture with the containment atmosphere.
  • the mixing chamber 8 which is designed as a jet pump, is expediently dimensioned in such a way that with a mass fraction of the reaction gas, more than five mass fractions, preferably more than ten mass fractions, of the gas mixture are conveyed within the safety cover 1. As a result, high circulation rates are achieved.
  • hydrogen is fed from the container 24 into the mixing chamber 8 by means of a conveying device 46 arranged in the mixing chamber 8.
  • the described method is expediently carried out by means of a number of recombiners 2, which can also be arranged outside the security cover 1.
  • the recombiner 2 is connected to the containment atmosphere in a manner which is not shown in more detail by means of bushings within the security cover 1.
  • the method can advantageously be carried out independently of the composition of the gas mixture within the security envelope 1. In this way, high recombination or degradation rates are also achieved in an inert containment atmosphere in which nitrogen and / or carbon dioxide are contained in high concentration and hydrogen and / or oxygen in only low concentration.

Abstract

Zur thermischen Rekombination eines Gases eines Gasgemisches, insbesondere von Wasserstoff oder Sauerstoff in der Containment-Atmosphäre einer Kernreaktoranlage, wird erfindungsgemäß das Gasgemisch zunächst mit einem Reaktionsgas vermischt und anschließend einer Reaktionskammer (6) zugeführt, wobei das Reaktionsgas den zur Rekombination des Gases erforderlichen Reaktionspartner enthält. Dadurch werden in einer Kernreaktoranlage unabhängig von der Zusammensetzung der den Reaktorkern umgebenden Containment-Atmosphäre hohe Rekombinations- oder Abbauraten erreicht. Das Verfahren wird vorteilhafterweise mit einem Rekombinator (2) durchgeführt, der eine Reaktionskammer (6) und eine dieser vorgeschaltete Mischkammer (8) zum Vermischen des Gasgemisches mit dem für die Rekombination des Gases erforderlichen Reaktionsgas umfaßt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Rekombination eines Gases eines Gasgemisches
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur thermi- sehen Rekombination eines Gases eines Gasgemisches, insbe¬ sondere von Wasserstoff oder Sauerstoff in der Containment- Atmosphäre einer Kernreaktoranlage. Sie richtet sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Auftreten eines Störfalls in einer Kernreaktoranlage können sich innerhalb der Sicherheitshülle brennbare Gase bilden. So können z.B. Wasserstoff und Sauerstoff infolge einer Wasser-Zirkonium-Reaktion erzeugt werden. Um eine Zündung eines derartigen zündfähigen Gasgemisches zu ver- meiden, muß der Anteil an brennbaren Gasen gering gehalten werden.
Aus der DE-PS 29 22 717 ist ein Verfahren zur katalytischen Rekombination von in der Sicherheitshülle einer Kernreak- toranlage eingeschlossenem Wasserstoff bekannt. Dazu wird ein Katalysatorpulver in die Sicherheitshülle eingeblasen, wobei an dem durch die Schwerkraft nach unten sinkenden Katalysatorpulver eine katalytische Oxidation des Wasser¬ stoffs stattfindet. Mit diesem besonders aufwendigen Ver- fahren werden häufig, insbesondere bei einem unterstöchio- metrischen Sauerstoffanteil in der Gasatmosphäre des den Kernreaktor einschließenden Containments, nur geringe Abbauraten des Wasserstoffs erreicht.
Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, mit ein¬ fachen Mitteln und unabhängig von den jeweiligen Gemisch¬ anteilen eines Gasgemisches hohe Rekombinationsraten zu erreichen. Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gasgemisch zunächst mit einem Reaktionsgas ver¬ mischt und anschließend einer Reaktionskammer zugeführt wird, wobei das Reaktionsgas den zur Rekombination eines Gases des Gasgemisches erforderlichen Reaktionspartner enthält.
Zur thermischen Rekombination wird zweckmäßigerweise ein Katalysator verwendet. Die Rekombination kann aber auch in einer beheizbaren Reaktionskammer stattfinden, in der eine Aufheizung bis an die Zündgrenze des zündfähigen Gas¬ gemisches erfolgt.
Um bei der Rekombination von Wasserstoff in der Sicher¬ heitshülle eines Kernreaktors eine Druckerhöhung zu vermei¬ den, wird in vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens dem Reaktionsgas Dampf zugemischt. Der Dampf kondensiert inner¬ halb der Sicherheitshülle, wobei gleichzeitig das dort ein¬ geschlossene Gasgemisch verdünnt wird.
Zur Erhöhung der Rekombinationseffektivität kann vorteil¬ hafterweise das Reaktionsgas vor der Vermischung mit dem Gasgemisch vorgewärmt werden.
Die genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit einer thermischen Reaktionskammer gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine Mischkammer zum Vermischen des Gasgemisches mit einem für die Rekombination des Gases erforderlichen Reak¬ tionsgas, wobei die Mischkammer in Strömungsrichtung des Gasgemisches vor der Reaktionskammer angeordnet ist.
Zur Vermischung des Gasgemisches mit dem Reaktionsgas umfaßt die Mischkammer zweckmäßigerweise eine Treibdüse, die mit einer Gasleitung zum Zuführen des Reaktionsgases verbunden ist. Als Mischkammer eignet sich besonders eine Strahlpumpe. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson¬ dere darin, daß durch die Vermischung des Gasgemisches mit einem Reaktionsgas auch in einer inerten Gasatmosphäre, in der ein Reaktionspartner nicht oder nur in unterstöchio- metrischer Konzentration vorhanden ist, hohe Abbauraten erzielt werden. Dadurch wird z.B. bei einer durch einen Störfall verursachten Wasserstoff-Freisetzung innerhalb der Sicherheitshülle einer Kernreaktoranlage der Überdruck im Containment abgebaut, so daß ein Folgeunfall praktisch ausgeschlossen ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt einen Rekombinator zur thermischen Rekombination von Wasserstoff oder Sauerstoff in der Containment-Atmosphäre einer Kernreaktoranlage.
Von der Kernreaktoranlage ist nur die Sicherheitshülle 1 im Ausschnitt dargestellt. Der innerhalb der Sicherheits¬ hülle 1 angeordnete Rekombinator 2 ist durch eine Wand 4, z.B. gegen Trümmer- oder Splitterflug, geschützt.
Der Rekombinator 2 umfaßt eine thermische Reaktionskammer 6 und eine Mischkammer 8. Die Reaktionskammer 6 enthält einen mittels einer Heizeinrichtung 9 beheizbaren Kataly- sator 10, z.B. auf Platin- oder Palladiumbasis, in Form einer Schüttung oder eines Festkörpers.
Die Mischkammer 8 umfaßt eine Treibdüse 12 und ist in der Art einer Strahlpumpe oder eines Injektors ausgebildet. Die Treibdüse 12 ist mit einer Gasleitung 14 verbunden. Die Gasleitung 14 ist über einen Wärmetauscher 16 und eine Durchführung 18 in der Sicherheitshülle 1 mit einem Treib¬ gasbehälter 20 und über einen Zweig 22 mit einem Reaktions¬ gasbehälter 24 verbunden. Der Wärmetauscher 16 sowie ein weiterer Wärmetauscher 26 sind zwischen der Reaktionskammer 6 und der Mischkammer 8 angeordnet. Der Wärmetauscher 26 ist über eine Leitung 28 mit der Reaktionskammer 6 und über eine Leitung 30, die in eine Mischstufe 32 mündet, mit der innerhalb der Sicherheitshülle 1 eingeschlossenen Gasatmo¬ sphäre verbunden.
Der Behälter 24 ist mit einem Reaktionsgas, z.B. mit Wasser¬ stoff oder Sauerstoff, gefüllt. Der Treibgasbehälter 20 ist mit Wasser gefüllt, das mittels einer Heizeinrichtung 34 verdampft werden kann.
Bei einer erhöhten Wasserstoff- oder Sauerstoffkonzentration innerhalb der Sicherheitshülle 1 wird der Mischkammer 8 über die Leitung 14 Sauerstoff bzw. Wasserstoff aus dem Be¬ hälter 24 zugeführt, wobei die jeweilige Reaktionsgasmenge mittels eines Ventils 36 eingestellt wird. Das Reaktionsgas enthält somit den für eine Rekombination des in erhöhter Konzentration im Gasgemisch enthaltenen Gases fehlenden oder nur in geringer Konzentration vorhandenen Reaktions¬ partner. Innerhalb der Mischkammer 8 wird das in Richtung der Pfeile 40 in den Rekombinator 2 einströmende Gasge¬ misch mit dem aus der Treibdüse 12 austretenden Reaktions¬ gas vermischt, wobei das Reaktionsgas zunächst im Wärme¬ tauscher 16 vorgewärmt wird. Zusammen mit dem Reaktions¬ gas wird eine mittels eines Ventils 42 einstellbare Dampf¬ menge aus dem Behälter 20 in die Mischkammer 8 geführt. Durch Beimischung von Dampf wird ein Druckaufbau innerhalb der Sicherheitshülle 1 sicher vermieden.
Das mit dem Reaktionsgas und dem Dampf angereicherte Gas¬ gemisch strömt über einen Wasserabscheider oder Filter 44 in die Reaktionskammer 6, in der eine katalytische Rekombi¬ nation des in erhöhter Konzentration im Gasgemisch enthal¬ tenen Gases mit dem Reaktionsgas stattfindet. Das Gasge¬ misch strömt anschließend über die Leitung 28 und den Wär¬ metauscher 26 sowie über die Leitung 30 und die Mischstufe 32 in die Containment-Atmosphäre zurück. Dabei bewirkt die Mischstufe 32 eine gute Durchmischung des aus dem Rekombi- nator 2 abströmenden Gasgemisches mit der Containment- Atmosphäre.
Bei einem erhöhten Druck innerhalb der Sicherheitshülle 1 wird das Reaktionsgas vom Gasgemisch angesaugt. Die als Strahlpumpe ausgebildete Mischkammer 8 ist zweckmäßiger¬ weise derart dimensioniert, daß mit einem Massenanteil des Reaktionsgases mehr als fünf Massenanteile, vorzugsweise mehr als zehn Massenanteile, des Gasgemisches innerhalb der Sicherheitshülle 1 gefördert werden. Dadurch werden hohe Umwälzraten erreicht.
Für einen Sauerstoffabbau in einer Gasatmosphäre mit hoher Stickstoffkonzentration wird mittels einer in der Misch- kammer 8 angeordneten Fördereinrichtung 46 Wasserstoff aus dem Behälter 24 in die Mischkammer 8 eingespeist.
Das beschriebene Verfahren wird zweckmäßigerweise mittels einer Anzahl von Rekombinatoren 2 durchgeführt, wobei diese auch außerhalb der Sicherheitshülle 1 angeordnet sein können. In diesem Fall ist der Rekombinator 2 in nicht näher dargestellter Art und Weise über Durchführun¬ gen innerhalb der Sicherheitshülle 1 mit der Containment- Atmosphäre verbunden.
, Das Verfahren kann vorteilhafterweise unabhängig von der Zusammensetzung des Gasgemisches innerhalb der Sicherheits¬ hülle 1 durchgeführt werden. Dabei werden auch in einer inerten Containment-Atmophäre, in der Stickstoff und/oder Kohlendioxid in hoher Konzentration und Wasserstoff und/ oder Sauerstoff in nur geringer Konzentration enthalten sind, hohe Rekombinations- oder Abbauraten erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermischen Rekombination eines Gases eines Gasgemisches, insbesondere von Wasserstoff oder Sauerstoff in der Containment-Atmosphäre einer Kernreaktor¬ anlage, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gasgemisch zunächst mit einem Reaktionsgas ver¬ mischt und anschließend einer Reaktionskammer (6) zuge¬ führt wird, wobei das Reaktionsgas den zur Rekombination des Gases erforderlichen Reaktionspartner enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur thermischen Rekombination ein Katalysator (10) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Reaktionsgas Dampf zugemischt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Reaktionsgas vor der Vermischung mit dem Gasge¬ misch vorgewärmt wird.
5. Vorrichtung zur Rekombination eines Gases eines Gasge¬ misches mit einer thermischen Reaktionskammer (6), insbe¬ sondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Mischkam¬ mer (8) zum Vermischen des Gasgemisches mit einem für die Rekombination des Gases erforderlichen Reaktionsgas, wobei die Mischkammer (8) in Strömungsrichtung des Gasgemisches vor der Reaktionskammer (6) liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Reaktionskammer (6) einen Katalysator (10) enthält.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mischkammer (8) eine Treibdüse (12) umfaßt, die mit einer Gasleitung (14) zum Zuführen des Reaktionsgases verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der Mischkammer (8) und der Reaktionskammer (6) ein Wärmetauscher (16) zum Vorwärmen des Reaktions¬ gases angeordnet ist.
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