РЕКОМБИНАНТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2012 года по МПК G21C19/317 G21C9/06 

Изобретение относится к рекомбинаторному элементу, в частности, для использования в системе безопасности для ядерно-технической установки с некоторым количеством катализаторных элементов, размещенных в общем корпусе, которые, соответственно, в присутствии водорода, приносимого вместе в обтекающем газовом потоке, вызывают реакцию рекомбинации с кислородом, причем корпус каминообразно окружает размещенные в нем катализаторные элементы так, что высвобождаемое при реакции рекомбинации тепло поддерживает течение газа внутри корпуса посредством конвекции.

В ядерно-технической установке, в частности в атомной электростанции, нужно в ситуациях неисправностей или аварий, при которых, например, ввиду ядерного разогрева может произойти окисление циркония, следует принимать во внимание образование и высвобождение газообразного водорода и окиси углерода внутри окружающего сердечник реактора защитного резервуара или противоаварийной оболочки. В частности, после отказа в виде потери охладителя могут высвобождаться большие количества водорода. Из-за этого внутри противоаварийной оболочки могут возникать взрывоопасные смеси. Без противодействующих этому мероприятий обогащение водородом в атмосфере противоаварийной оболочки возможно до такой степени, что при случайном воспламенении из-за сгорания большого количества водорода может возникнуть опасность повреждения защитного резервуара.

Для предотвращения формирования подобных взрывоопасных газовых смесей в противоаварийной оболочке атомной электростанции обсуждаются различные устройства или способы. Сюда относятся, например, такие устройства, как каталитические рекомбинаторы, каталитически и/или электрически приводимые в действие устройства воспламенения или комбинации обоих названных устройств, а также способы непрерывного создания атмосферы инертного газа в противоаварийной оболочке.

При использовании системы воспламенения для устранения водорода из атмосферы противоаварийной оболочки должна достигаться надежная рекомбинация водорода с кислородом посредством контролируемого сжигания. При этом следует надежным образом избегать значительного нарастания давления как следствие вирулентного сжигания водорода. Подобная система воспламенения обычно выполняется таким образом, что уже при превышении нижней границы зажигания газовой смеси, то есть при газовой смеси с относительно незначительной концентрацией водорода, или при спадании границы создания атмосферы инертного газа порядка 55 объемных процентов пара, а также высоких концентрациях водорода гарантируется надежное воспламенение водорода.

Известная из ЕР 289907 В1 система зажигания для управляемого воспламенения водородосодержащей газовой смеси включает в себя искровой воспламенитель, который запитывается от встроенного аккумулятора энергии. Система зажигания при этом снабжена независимо выполненным аккумулятором энергии, так что не требуются подводящие проводники. В качестве аккумулятора энергии при этом, в частности, предусмотрена сухая батарея. Вообще эта система зажигания ввиду емкости встроенного аккумулятора энергии пригодна только в течение ограниченного срока службы. Это приводит к тому, что в зоне концентрации, например, от 5 до 8 объемных процентов, в принципе, предотвращается беспламенное каталитическое окисление путем заблаговременного воспламенения. Предпочтительное беспламенное каталитическое разложение при более высоких концентрациях, а также одновременное создание высокотемпературных зон (>600-900^оС) тем самым исключается.

Область беспламенного катализа сокращается тем самым практически до невоспламеняемой области, и уже при невысоких различиях концентрации инициируется заблаговременный одиночный поджиг с быстрыми процессами перемещения газа, при этом не создается возможность - ввиду отсутствия высокотемпературных зон - действенного противоподжига для достижения более коротких путей ускорения пламени. Кроме того, при заблаговременном возбуждении искрового воспламенителя, при возмущающем процессе с последующим высвобождением водорода, управляемое воспламенение водорода возможно лишь в ограниченной степени. К тому же эта система зажигания реагирует также только по истечении времени запаздывания воспламенения на высвобождение водорода. Также долговременный режим работы системы зажигания, который требовался бы для перекрытия всех возможных сценариев отказов, возможен лишь с ограничениями. Кроме того, упреждающее возбуждение системы зажигания уже перед началом намечающегося сбоя функционирования с внешнего поста, как, например, из диспетчерской атомной электростанции, также невозможно.

Кроме того, при системах защиты, основанных исключительно на использовании способа воспламенения для водорода, например, в форме систем свечей зажигания, существует дополнительное ограничение, состоящее в том, что в ситуациях инертного пара не может осуществляться разложение водорода. В соответствии с этим накапливающийся в защитном резервуаре водород при подобных системах может полностью сжигаться только после соответствующей конденсации пара. Это может, в случае обогащения водородом в паре, привести к сравнительно высоким количествам или концентрациям водорода, которые затем в ходе воспламенения сжигаются за сравнительно короткое время, так что могут возникать неконтролируемые процессы реакции. К тому же в системах, основанных исключительно на воспламенении, следует принимать во внимание то, что при так называемых сценариях «обесточивания электростанции», то есть сценариях с полной потерей энергоснабжения внутри противоаварийной оболочки, воспламенение могло бы полностью отказывать.

Поэтому в качестве альтернативы или дополнительно в рамках системы защиты в защитном резервуаре или противоаварийной оболочке реактора ядерно-технической установки могут размещаться так называемые пассивные автокаталитические рекомбинаторы. Они обычно включают в себя подходящие катализаторные элементы, которые каталитическим способом в водороде, приносимом вместе с обтекающим газовым потоком, вызывают реакцию рекомбинации с кислородом. При этом катализаторные элементы обычно снабжены окружающим корпусом, причем корпус по типу камина выполнен таким образом, что на основе каминного действия внутри корпуса самостоятельно возникает конвекционный поток, так что газовая смесь надежно направляется вдоль соответствующего катализаторного элемента и тем самым каталитическая реакция рекомбинации может поддерживаться. При этом собственно каталитические элементы размещены внутри соответствующего каталитического рекомбинаторного элемента преимущественно вертикально и в основном параллельно, чтобы между элементами создать и оптимизировать напор. При накоплении водорода в газовой смеси противоаварийной оболочки реактора эти устройства обычно запускаются самостоятельно и окисляют водород кислородом, содержащимся в атмосфере, так что, в частности, и при наличии условий инертного пара или газовых смесей, находящихся лишь незначительно выше границы воспламенения, может быть реализовано эффективное разложение водорода без воспламенения.

В общем случае и в подобных системах при установленных сценариях отказов с высокими скоростями высвобождения водорода и одновременно низкими концентрациями пара в защитном резервуаре могут достигаться локально или глобально критические концентрации и количества накапливающегося водорода.

Так как воспламенение в таких рекомбинаторах до сих пор наблюдалось лишь случайно при различных атмосферных условиях, таких как концентрации водорода, доли пара и т.д., такие устройства не обеспечивали ни надежного предотвращения непреднамеренных воспламенений, ни гарантированной функции воспламенения. Кроме того, в исследованиях сообщалось о временном запаздывании вплоть до 30 минут до достижения максимальных температур реакции на таких катализаторных блоках. Также мероприятия для полного исключения воспламенений катализатора, как, например, посредством уменьшенных плотностей покрытия или слоев торможения диффузии и т.д., не приводили в зоне высокой концентрации к надежному исключению непреднамеренных воспламенений. Даже если бы удалось получить подтверждение этого, все равно нельзя было бы исключить случайные воспламенения на основе мыслимых других непостоянных источников воспламенения в противоаварийной оболочке реактора.

Поэтому для выполнения с учетом требований техники безопасности противоаварийной оболочки реактора при применении каталитических рекомбинаторов определяют максимальные концентрации в защитном резервуаре, возникающие при перепитке водородом, и допускают воспламенение при этих условиях. При подобных сценариях воспламенения приходится считаться с образованием быстрых дефлаграций вплоть до возможных переходов от дефлаграций к детонациям. Чтобы при этом даже теоретически возникающие значительные нагрузки и дифференциальные давления до нескольких бар за счет конструктивного выполнения противоаварийной оболочки реактора надлежащим образом компенсировать, соответствующие конструкции противоаварийной оболочки реактора, а также предусмотренные в них встроенные элементы обычно выполняются соответственно массивными. Поэтому желательным было бы видоизмененное выполнение системы защиты, при которой даже при названных условиях можно было бы с самого начала исключить слишком высокое обогащение водородом атмосферы и, тем самым, надежным образом избежать названных сценариев воспламенения и детонации.

Чтобы удовлетворить такие цели, могут также предусматриваться комбинированные системы, которые включают в себя как воспламенители, так и каталитические рекомбинаторы. Из ЕР 596 964 В1, например, известна комбинированная система воспламенения с катализатором для рекомбинации водорода в газовой смеси. В этой системе при каталитической рекомбинации водорода тепло, получаемое на теле катализатора, подводится к воспламенительному устройству и там применяется для воспламенения необедненных водородосодержащих газов. При подобной комбинированной системе воспламенения с катализатором воспламенение водорода возникает, однако, только по истечении времени запаздывания воспламенения после высвобождения водорода. После первого высвобождения водорода требуется некоторое время, пока тело катализатора, включая расположенное рядом устройство зажигания, в достаточной степени нагреется, чтобы обеспечить возможность воспламенения водорода. Это время запаздывания приводит к тому, что при быстрых процессах перемещения газа внутри противоаварийной оболочки реактора воспламенение водорода начинается только при сравнительно высоких концентрациях водорода.

Однако затем после нагрева всей системы на некаталитических частях происходит раннее воспламенение уже после превышения нижней границы воспламенения. Это приводит к тому, что в области концентрации, например, от 5 объемных % до примерно 10 объемных %, в принципе, предотвращается беспламенное каталитическое окисление за счет преждевременного воспламенения. Беспламенное каталитическое разложение при высоких концентрациях, а также одновременное создание высокотемпературных областей тем самым исключается.

Область беспламенного катализа тем самым практически сокращается до невоспламеняемой области, и уже при небольших различиях концентрации инициируются преждевременные отдельные воспламенения с быстрыми процессами перемещения газа, без обеспечения при этом возможности - ввиду отсутствия высокотемпературных областей - действенного контрвоспламенения для достижения более коротких путей ускорения пламени.

В других комбинированных системах с каталитическими рекомбинаторами и с множеством автономных искровых воспламенителей, в случае которых воспламенение вводится независимо от каталитической рекомбинации в устройстве поджига, необходимо считаться со сравнительно высокими затратами из-за соответствующего согласования систем друг с другом, и, в особенности, проблематично обращение с неблагоприятным последствием при некорректной частоте поджига. В принципе, в данном случае вновь справедливо то, что инициируются ранние отдельные воспламенения с соответствующими процессами перемещения газа, без обеспечения возможности - ввиду отсутствующих высокотемпературных потенциалов - действенного контрвоспламенения для обеспечения более коротких путей ускорения пламени.

Поэтому в основе изобретения лежит задача предложить рекомбинаторный элемент вышеназванного вида, в особенности, для использования в системе защиты ядерной установки, с помощью которого, даже основываясь на сравнительно экстремальных условиях или сценариях названного типа, с особенно высокой эксплуатационной безопасностью гарантируется надежное удаление водорода из газовой смеси.

Эта задача в соответствии с изобретением решается тем, что, по меньшей мере, один из размещенных внутри корпуса катализаторных элементов имеет заданную зону воспламенения, в которой в конвекционном режиме при окружающих условиях примерно 1 бар и 100^оС при концентрации водорода в набегающем газовом потоке более 5 объемных % устанавливается температура поверхности более 560^оС.

Изобретение исходит при этом из того, что надежное устранение водорода при названных возможно экстремальных условиях при надежном предотвращении образования критических концентраций и, как следствие, исключении сценариев детонации достижимо за счет того, что система, по существу, основанная на каталитической рекомбинации, особенно подходящим образом дополняется целенаправленно вводимыми воспламенениями. Для этого система воспламенения для соблюдения особенно высокого эксплуатационного стандарта безопасности, а также для решения проблемы сценариев «обесточивания электростанции» должна быть выполнена полностью или, по меньшей мере, в значительной степени пассивной. Подобным образом направленное дополнение системы, основанной на каталитических рекомбинаторах, посредством подходящих механизмов воспламенения, может быть реализовано за счет того, что особенно подходящим образом тепло, высвобождаемое при каталитической рекомбинации локально в зоне катализаторных элементов, используется для целенаправленного введения воспламенения.

При этом система должна в своей совокупности, в частности, быть выполнена таким образом, что и при сухих сценариях с умеренным высвобождением водорода и сравнительно низкими долями пара заблаговременно вводится каталитическое разложение водорода, в частности, еще при некритических концентрациях, например от 6 до 8 объемных % водорода. Этот беспламенный режим рекомбинатора должен продолжаться при повышенных концентрациях пара, например >30 объемных %, вплоть до примерно 8 объемных % концентрации водорода, при >40 объемных %, предпочтительно вплоть до 10 объемных % и более концентрации водорода. Тем самым достигается то, что во множестве сценариев вообще не возникает никакого воспламенения. Только в экстремальных сценариях, в частности при возникновении соответствующих количеств водорода с концентрациями выше примерно 8 объемных %, однако в каждом случае при концентрациях водорода более 10 объемных %, должно превентивно предотвращаться дальнейшее повышение концентрации и целенаправленно самостоятельно должно инициироваться воспламенение в различных зонах пространства защитного резервуара.

Чтобы надежным образом и при предотвращении слишком высоко оцениваемого времени запаздывания воспламенения гарантировать это, предусмотрено посредством подходящего структурного позиционирования и выполнения катализаторных элементов и окружающего их корпуса и соответствующего структурного выполнения, в частности, в отношении задания путей потока и выполнения предусмотренных для этого компонентов целенаправленным образом использовать режим течения и воспламенения обогащенного водородом газового потока в зоне соответствующих каталитических элементов. При этом поступающий водород в начальной фазе реакции также при низких температурах преобразуется посредством каталитически особенно эффективной системы, на сравнительно небольших массах достигается быстрое повышение температуры, и тем самым каталитическая реакция далее ускоряется и за счет этого формируется окружающий граничный слой.

При этом в основе лежит знание того, что в случае каталитического рекомбинатора названного типа, при котором, например, вследствие каминного действия или тому подобного газовый поток с определенной скоростью течения направляется вдоль каталитических элементов, и тем самым вводится и поддерживается реакция рекомбинации, в равновесном состоянии катализатора, то есть, в частности, в рабочем состоянии естественной конвекции, предпочтительно в ламинарной зоне течения, теперь с быстро развивающейся реакцией рекомбинации может формироваться более толстый граничный слой, и тем самым осуществляется обеднение доли водорода в газовом потоке непосредственно по соседству с каталитически активными поверхностями. Это является следствием очень быстрой кинетической реакции рекомбинации на катализаторе в равновесном состоянии катализатора при повышенных температурах и одновременно ограничивающих процессов диффузии газа, которое непосредственно в граничной зоне каталитически активной поверхности к проводимому мимо газовому потоку ввиду преобразования совместно приносимого водорода с кислородом ведет к локальному обеднению содержания водорода и кислорода в непосредственной близости к катализатору и по существу к формированию защитного слоя.

Устройство соответствующим образом выполняется так, что, в частности, в фазе нарастания концентрации уже при еще не способных к воспламенению смесях осуществляется быстрое и равномерное нагревание в заданной области зоны воспламенения, кинетика каталитической реакции затем соответственно укоряется, и тем самым эффективным образом вокруг высокотемпературной заданной зоны воспламенения образуется полный защитный слой концентрации.

Тепло, генерируемое посредством каталитической реакции рекомбинации, которое соответственно нагревает катализатор, может, таким образом, в подобном равновесном состоянии только тогда привести к воспламенению обтекающего газового потока, когда даже в обедненной зоне по отношению к температуре, имеющей место в катализаторном элементе, имеется достаточное для воспламенения содержание водорода в газовой смеси. Это может использоваться при намеренном вводе воспламенения для поддерживаемого особенно коротким времени запаздывания воспламенения таким образом, что за счет подходящего конструктивного выполнения компонентов в предусмотренной для этого области, то есть в заданной зоне воспламенения, уже во время режима естественной конвекции устанавливаются или поддерживаются температуры выше температуры воспламенения водорода, то есть выше примерно 560^оС. Воспламенение в подобной области со сверхкритическими условиями осуществляется при этом без заметного времени запаздывания, как только несущественно обедненная и, тем самым, способная к воспламенению газовая смесь доходит достаточно близко к соответствующим зонам. При повышенных температурах следует, кроме того, обращать внимание на то, что область воспламенения на нижней и верхней границе воспламенения смеси водорода еще расширяется, и тем самым можно наблюдать некоторую тенденцию к более раннему воспламенению.

Воспламенение может при этом, в частности, инициироваться посредством процессов перемещения газов, вследствие которых способная к воспламенению газовая смесь достигает непосредственной окрестности соответствующей заданной зоны воспламенения. За счет установки названных условий в заданной зоне воспламенения по типу «сверхкритического» состояния система реагирует в этой зоне сравнительно быстро и чувствительным образом к процессам перемещения газа любого рода, так что воспламенения быстро и надежно инициируются уже до наступления намечающихся крупномасштабных отказов.

Предусмотренное установление температуры поверхности в заданной зоне воспламенения может при этом осуществляться, в особенности, за счет соответствующего конструктивного выполнения соответствующих катализаторных элементов и соседних компонентов. При этом, в частности, в соответствии с выполнением во время режима конвекции должно учитываться тепло, высвобожденное за счет реакции рекомбинации, нагревающее катализаторные элементы, а также соответствующий теплоотвод, в частности, в форме теплоты излучения и теплопроводности через непосредственно связанные компоненты. При этом на устанавливающуюся температуру можно оказывать соответствующее влияние через подходящий выбор геометрии и размеров соответствующих компонентов в отношении соответствующей теплопроводности. Система могла бы при этом, в случае необходимости, в области заданной зоны воспламенения для надежной установки названной температуры поверхности снабжаться дополнительным обогревом. Однако для особенно высокой эксплуатационной безопасности система предпочтительным образом выполнена как полностью пассивная система, при которой устанавливающаяся температура, по существу, получается за счет тепла, высвобождаемого при реакции рекомбинации, и соответствующего направления в область заданной зоны воспламенения.

Предпочтительным образом система при этом выполнена таким образом, что в заданной зоне воспламенения в конвекционном режиме при окружающих условиях примерно 1 бар и 100°С при концентрации водорода в обтекающем газовом потоке более 5 объемных % устанавливается температура поверхности между 600°С и 900°С.

Для обеспечения достаточно высоких температур внутри корпуса предпочтительным образом в корпусе размещены, по меньшей мере, три, предпочтительно, по меньшей мере, десять катализаторных элементов.

Чтобы сформировать надежную реакцию рекомбинации, один или каждый катализаторный элемент предпочтительно выполнен подходящим образом.

В частности, для этого каждый катализаторный элемент имеет каталитически активную зону из пористого материала, предпочтительно из Al₂O₃, причем пористый материал в другом предпочтительном осуществлении нанесен как керамическая тонкослойная пористая система, при необходимости, дополнительно с соответствующим слоем с хорошей адгезией к подложке в виде травленого слоя для достижения достаточной прочности на истирание, на соответствующую подложку, предпочтительно на тонкую металлическую подложку с алюминиевым компонентом. За счет этого можно достичь улучшающего каталитическое действие увеличения внутренней поверхности, предпочтительно более чем в 1000 раз, и особенно предпочтительно более чем в 10000 раз. Пористый материал каталитически активной зоны при этом в другом предпочтительном варианте осуществления легирован катализаторным материалом, предпочтительно Pt и/или Pd, причем распределение Pt и/или Pd предпочтительно выполнено в значительной степени равномерным, чтобы избежать деактивации из-за катализаторных ядов и т.п., также и в глубоко расположенных зонах пористой системы.

Для особенно благоприятного каталитического действия для концентрации благородных металлов при этом предусмотрено избыточное легирование от 2 до 10, в особенности до 25 г/м². В области заданной зоны воспламенения легирование предпочтительно выше, чем в остальной каталитически активной области.

Каталитически активные материалы, особенного платина и/или палладий, могут наноситься на замкнутые металлические подложки, на перфорированные подложки или также на керамические подложки, например, в форме шариков или таблеток, путем легирования и в качестве засыпки внутрь подходящих металлических рамных опорных структур.

Толщина покрытия каталитически активными благородными материалами может при этом также локально и, в особенности, по высоте протекания поддерживаться переменной, так что в отношении реакции рекомбинации за счет этого может оказываться влияние, в том числе на место и высоту устанавливающейся температуры поверхности и тем самым также на положение заданной зоны воспламенения.

Благоприятным образом можно, например, таким образом заданную зону воспламенения локализовать в области втекания катализаторных элементов. Например, при этом в заданной зоне воспламенения может осуществляться повышенное обогащение катализаторным материалом, особенно благоприятно из обоих каталитических элементов Pt и Pd.

Предпочтительным образом катализаторные элементы размещены главным образом в нижней области рекомбинаторного элемента, так что тепло, поступающее вследствие рекомбинаторного процесса, поддерживает каминное действие и тем самым конвекционное течение внутри корпуса. Предпочтительным образом и для особенно благоприятных условий обтекания рекомбинаторный элемент в свой зоне втекания имеет свободную площадь поперечного сечения, то есть долю свободно обтекаемой газовым потоком площади поперечного сечения на полной площади поперечного сечения более 40%, предпочтительно более 90%. При этом за счет выполнения по тонкопленочной технологии возможна особенно благоприятная свободная площадь поперечного сечения до 98%.

Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления устройство выполняется с незначительной массой катализатора и с лишь уменьшенным нагреванием некаталитических частей корпуса, лежащих не в каталитических областях, таким образом, что особенно в фазе нарастания концентрации или уже при еще не способных к воспламенению смесях осуществляется быстрое равномерное нагревание, каталитическая реакция затем соответственно ускоряется, и тем самым в зоне обтекания может эффективным образом устанавливаться полный защитный слой концентрации вокруг высокотемпературной области заданной зоны воспламенения.

Для поддержки каминного действия и тем самым особенно стабильных режимов потока предпочтительным образом предусмотрено отношение глубины шахты к высоте шахты примерно от 1:3 до 1:55. Общая высота рекомбинаторных элементов может при этом составлять, например, от 0,3 м до 3 м.

Катализаторные элементы рекомбинаторного элемента предпочтительно выполнены как катализаторные пластины, причем последние предпочтительным образом для улучшения направления потока ориентированы преимущественно вертикально. Катализаторные элементы предпочтительно расположены на расстоянии примерно от 0,5 см до 3 см друг от друга и примерно на той же высоте, как нижняя кромка корпуса, однако предпочтительным образом со своей нижней кромкой примерно на 10 см выше, чем нижняя кромка корпуса. Расстояния между отдельными катализаторными элементами могут также варьироваться, так что при незначительном указанном расстоянии может достигаться высокая степень реакции и тем самым локально более высокие температуры. Также этот параметр может, таким образом, привлекаться для отслеживания температуры и определения заданной зоны воспламенения. Альтернативно или дополнительно за счет локально повышенной плотности установки каталитически активных поверхностей может создаваться так называемая горячая точка, то есть зона повышенной температуры, для определения заданной зоны воспламенения.

Для особенно надежного ввода воспламенения катализаторные пластины предпочтительно выполнены как тонкие элементы или по тонкопленочной технологии с толщиной стенки менее 1 мм, предпочтительно менее 0,2 мм, частично еще более тонкими. При этом на основе введенной тем самым сравнительно низкой локальной термической инерции, в особенности при переходных процессах, может достигаться особенно спонтанное каталитическое обогащение смеси и локальное повышение температуры, так что как раз при переходных изменениях смеси желательная функция воспламенения может гарантироваться особенно эффективным образом.

За счет применения тонкопленочной технологии и соответствующей каталитической структуры может гарантироваться то, что, например, при переходных изменениях концентрации в области, например, выше 3 объемных % водорода устанавливается скорость подъема температуры поверхности на катализаторном элементе >50^оС/% Н2, в пределах 30 с, предпочтительно в пределах <10 c. Кроме того, при этом катализаторные элементы могут таким образом быть выполнены и размещены в заданной зоне воспламенения, что при переходном вводе водорода с практически 0 объемных % до спонтанно >6 объемных %, предпочтительно до >8 объемных %, построение полностью эффективного защитного слоя концентрации кратковременно и частично не осуществляется и в целях защиты осуществляется заблаговременное воспламенение.

Это каталитическое разложение водорода может осуществляться при концентрациях водорода от >8 до 10 объемных %, при соответственно высоком содержании парообразного СО₂, например порядка 40 объемных %, предпочтительно при содержании >50-55 объемных % парообразного СО₂ также при концентрациях водорода >10 объемных %. Двойственное воздействие этого устройства обнаруживается также в этих областях инертной атмосферы пара, при содержании >55 объемных % парообразного СО₂ в качестве предпочтительного, так как за счет беспламенного окисления уже существенным образом может происходить разложение водорода и одновременно создание соответственно высоких температурных потенциалов, например > 600^оС, однако особенно на верхней границе воспламенения, более сложной из-за условий воспламенения, также возможны температурные потенциалы до >900^оС. Из-за этих высоких температур возникающий ввиду высокого содержания пара повышенный отвод тепла в зоне воспламенения может компенсироваться, и также при этих условиях осуществляется надежное воспламенение.

Посредством комбинации этого специфического рекомбинационного устройства с режимом работы системы впрыска в защитную оболочку в зоне инертного пара может происходить интенсивное перемешивание атмосферы за счет впрыскивания и генерируемых конвекционных потоков рекомбинатора, а также одновременно достигается снижение доли водорода. В частности, возможные из-за этого критические области высокой концентрации с релевантным потенциалом для ускорения воспламенения кратковременно перемешиваются с остальной атмосферой, и, кроме того, различные высокотемпературные заданные зоны воспламенения приводятся на единый уровень. При этом могут устанавливаться особенно явно выраженные высокие температуры в заданных зонах воспламенения порядка >700^оС, предпочтительно >800^оС. Кроме того, посредством соответствующего измерительного датчика можно непосредственно и явно определять температуры в высокотемпературных заданных зонах воспламенения, и стратегия контроля водорода, то есть, в частности, активирование и/или управление системой впрыска в защитную оболочку, может формироваться на основе этой информации. Кроме того, устройство обеспечивает в явно выраженной высокотемпературной зоне, также при возникновении высоких скоростей газа, например, порядка >50 м/с и более, очень надежное спонтанное воспламенение. Возникающий при этом эффект охлаждения, обусловленный массивной втекающей более холодной атмосферой окружающей среды, может надежно компенсироваться посредством происходящего термостатирования массы внутри устройства.

В особенно предпочтительном выполнении в качестве заданной зоны воспламенения может предусматриваться каталитически неактивная зона, включенная со стороны потока за каталитически активной зоной. При этом выделяющееся в каталитически активной зоне тепло целенаправленно отводится в каталитически неактивную зону. При этом в основе лежит то обстоятельство, что в зоне оттока каталитически активных областей поверхности ввиду происходившей перед этим реакции рекомбинации и без того имеется обогащенный газовый поток. Только для случая, когда за короткое время поступают сравнительно большие количества газа, обогащенного водородом, то есть вследствие процессов перемещения газа внутри защитного резервуара, способная к воспламенению газовая смесь доходит до этих зон, так что гарантируется особенно соответствующее потребности инициирование воспламенения. При этом рекомбинаторное устройство предпочтительным образом выполнено так, что, например, достигается спонтанное удвоение скорости газа в области заданной зоны воспламенения, предпочтительно до >5 м/с, при парциальных температурах катализаторных зон >560^оС (предпочтительно >600^оС) и, тем самым, целенаправленная активация функции воспламенения.

В дополнительном или альтернативном предпочтительном выполнении рекомбинаторного элемента перед катализаторными элементами со стороны газового потока включены средства для фокусировки потока. Тем самым может гарантироваться, что внешние процессы перемещения газа в защитной оболочке, надлежащим образом сфокусированные и усиленные, приводят к притоку газа на катализаторные элементы или, в частности, в области заданной зоны воспламенения, так что непосредственно в подобных ситуациях обедненные зоны в газовом потоке в области заданной зоны воспламенения вскрываются, и воспламенение надежным образом инициируется. Фокусировка может при этом реализовываться или поддерживаться с помощью соответствующих направляющих щитков или иных отклоняющих средств, с помощью средств для формирования турбулентности, с помощью спиральных конфузоров и/или сокращениями поперечного сечения. В частности, подобные устройства могут размещаться во всех основных направлениях в нижней части корпуса, вертикально и горизонтально на корпусе или встраиваться в катализаторные элементы. Катализаторное устройство может также связываться с полностью или частично замкнутой системой труб или каналов. Посредством подачи импульса давления можно при этом через такой трубчатый элемент, например, в комбинации с эжектором, для всасывания воздуха окружающей среды, целенаправленно осуществить повышение скоростей газа в области заданной зоны воспламенения и намеренно вызвать воспламенение.

Предпочтительным образом рекомбинаторный элемент используется в системе защиты ядерно-технической установки.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества состоят, в особенности, в том, что за счет обеспечения заданной зоны воспламенения с температурой поверхности в конвекционном режиме работы сверхкритической, то есть лежащей выше температуры воспламенения водорода, знание того, что вблизи катализатора образуется граничный слой с обедненным содержанием водорода, целенаправленным образом может быть использовано для обеспечения особенно надежных и быстрых процессов воспламенения. Воспламенение может в подобной системе особенно тогда быстро и надежно инициироваться, если ввиду условий обтекания обедненный слой прорывается. Это, в частности, имеет место тогда, когда поступающий импульс давления или процесс перемещения газа в области притока рекомбинаторного элемента или в области заданной зоны воспламенения таким образом создает высокие скорости газового потока, что находящийся в непосредственной близости к каталитической поверхности газовый слой с обедненным или сниженным содержанием водорода прорывается. За счет этого может затем необедненный или лишь незначительно обедненный газ непосредственно контактировать со сравнительно горячими поверхностями каталитического элемента, так что за счет этого надежным образом инициируется воспламенение в этой области пространства.

Тем самым рекомбинаторный элемент может быть эффективно использован, в частности, в системах защиты, в которых эффекты перекрестных помех между отдельными рекомбинаторами, при которых воспламенение в одном рекомбинаторе инициируется поступающим от другого рекомбинатора фронтом пламени, должно предотвращаться ввиду связанных с этим нестабильностей. За счет того что при медленных дефлаграциях создаваемые при этом волны давления со сравнительно длинной продолжительностью колебания и низкой амплитудой распространяются перед соответствующим фронтом пламени, именно за счет обусловленных этим процессов перемещения газа инициируется воспламенение в рекомбинаторе, прежде чем поступит фронт пламени. Массивная подача газов горения приводит, таким образом, к перепитке локального рекомбинаторного устройства и к минимизации обеднения концентрации в области граничного слоя нагретых поверхностей и на границе фаз к возмущению граничных поверхностей, так что дополнительно вызываются другие конвективные потоки и обеспечивается возможность надежного воспламенения. Тем самым гарантируется безопасное воспламенение критических областей перед дальнейшим повышением концентрации, причем по типу эффекта домино или цепочечного воспламенения, исходя из первого рекомбинаторного устройства, могут надежно инициироваться воспламенения в соседних или примыкающих со стороны потока рекомбинаторных устройствах. Эффектов перекрестных помех и неконтролируемых условий обтекания можно при этом надежно избежать, так что осуществляется минимизация принимаемой во внимание нагрузки.

В соответствии с этим система в ее совокупности может выполняться с акцентом на каталитическую функцию разложения водорода, причем в сравнительно многих сценариях, таким образом, в частности, при концентрациях менее 8-10 объемных % и соответствующих концентрациях пара, при отказе от воспламенения, разложение водорода может осуществляться исключительно каталитически. При более высоких концентрациях осуществляются воспламенения и процессы горения главным образом в зоне концентрации или в зоне притока медленных дефлаграций, причем надежные процессы воспламенения вводятся в соседних устройствах вследствие процессов перемещения газа, опережающих волны горения или фронты пламени.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг.1 - система защиты для рекомбинации водорода и кислорода в газовой смеси,

Фиг.2 - каталитический рекомбинатор в продольном сечении и

Фиг.3 - рекомбинатор по Фиг.2 на виде сбоку.

Одинаковые элементы на всех чертежах снабжены теми же самыми ссылочными позициями.

Система 1 защиты по Фиг.1 предусмотрена для рекомбинации водорода в газовой смеси, в частности в атмосфере защитной оболочки фрагментарно показанного на Фиг.1 защитного резервуара 2 ядерной установки. Система 1 защиты содержит для этого некоторое количество расположенных внутри защитного резервуара 2 каталитических рекомбинаторных элементов 4, из которых каждый на каталитическом пути вызывает реакцию рекомбинации водорода, приносимого обтекающим газовым потоком, с кислородом, содержащимся в атмосфере защитной оболочки.

Для этого каждый из термических рекомбинаторных элементов 4, как можно видеть на увеличенном изображении на Фиг.2, содержит некоторое количество размещенных в корпусе 6 катализаторных элементов 8. На Фиг.2 для наглядности показаны четыре катализаторных элемента 8, причем в примере выполнения, в частности, десять или более катализаторных элементов 8 размещаются в общем корпусе 6. Катализаторные элементы 8 имеют поверхность, которая снабжена соответственно выбранным материалом, например палладием и/или платиной, и которая в граничащей газовой смеси для случая, когда эта газовая смесь содержит заметную долю водорода, например несколько процентов по объему, вызывает каталитическую реакцию рекомбинации с кислородом, содержащимся в атмосферном газе. При этом водород реагирует с кислородом с образованием воды при экзотермической реакции. За счет этой экзотермической реакции катализаторные элементы 8, со своей стороны, так нагреваются, что вследствие возникающего из-за этого перепада температуры возникает конвекционное течение снизу вверх в окружающем газовом пространстве.

Для поддержки этого конвекционного течения посредством так называемого каминного эффекта окружающий катализаторные элементы 8 корпус 6 соответствующего рекомбинаторного элемента 4 выполнен соответствующим образом, в особенности каминоподобно, и для дальнейшего облегчения возникающего при этом конвекционного течения катализаторные элементы 8 выполнены, по существу, в форме пластин и размещены параллельно друг другу. Кроме того, рекомбинаторный элемент 4 имеет общую высоту примерно 3 м и отношение глубины шахты к высоте шахты от 1:3 до 1:5. В зоне 10 притока для газового потока рекомбинаторный элемент 4 имеет долю свободно обтекаемой, то есть не занятой конструктивными элементами, площади поперечного сечения примерно 90%. В совокупности образованный из этих компонентов рекомбинаторный элемент 4 имеет, таким образом, структурные свойства, которые при наличии водорода в атмосферном газе защитного резервуара 2 самостоятельно запускают каталитический процесс рекомбинации и поддерживают его посредством поддерживающего действия конвекционного течения вследствие каминного эффекта и обуславливают дополнительное перемешивание атмосферы, пока не произойдет достаточное разложение водорода.

Катализаторный элемент 8 содержит соответствующую каталитически активную зону 12 из пористого материала, в особенности из Al₂O₃. Пористый материал нанесен как керамическая тонкослойная пористая система, дополнительно с соответствующим слоем с хорошей адгезией к подложке в виде травленого слоя для достижения достаточной прочности на истирание, на соответствующую подложку, предпочтительно на тонкую металлическую подложку с алюминиевым компонентом. За счет этого можно достичь улучшающего каталитическое действие увеличения внутренней поверхности, предпочтительно более чем в 10000 раз. Пористый материал каталитически активной зоны 12 при этом легирован катализаторным материалом, предпочтительно Pt и/или Pd, причем распределение Pt и/или Pd предпочтительно выполнено в значительной степени равномерным, чтобы избежать деактивации из-за катализаторных ядов и т.п., также и в глубоко расположенных областях пористой системы.

Для особенно благоприятного каталитического действия для концентрации благородных металлов при этом предусмотрено избыточное легирование до 25 г/м².

Система 1 защиты в своей совокупности выполнена таким образом, чтобы во множестве возможных сценариев отказов, включая также сравнительно маловероятные экстремальные условия отказов, гарантировать надежную рекомбинацию водорода, возможно вырабатываемого в атмосфере защитного резервуара 2. Для этого система 1 защиты выполнена для разложения водорода с акцентом на каталитическую рекомбинацию, причем при необходимости, в частности, локально ограниченным образом должно также осуществляться воспламенение способной к воспламенению газовой смеси. Для этого каталитические рекомбинаторные элементы 4 в отношении типа, позиционирования и выбора размеров их компонентов преимущественно выполнены таким образом, что при газовых смесях с концентрацией водорода от 6 объемных процентов или, при необходимости, до примерно 8 объемных процентов, при повышенных концентрациях пара до >10 объемных процентов еще не происходит воспламенения, а осуществляется разложение водорода посредством каталитически инициированной реакции рекомбинации на поверхности катализаторных элементов 8.

Для более высоких концентраций водорода, напротив, дополнительно предусмотрено, что катализаторные элементы 8, вследствие высвобожденной посредством каталитической реакции рекомбинации термической энергии, нагреваются таким образом, что их температура по типу так называемых «горячих точек» в предусмотренных для этого заданных зонах 20 воспламенения, которые предпочтительно лежат непосредственно в зоне обтекания потока катализатора, лежит выше температуры воспламенения, и, таким образом, воспламенение газовой смести, самостоятельно инициированное по типу пассивной системы, поддерживает процесс рекомбинации. При этом за счет расположения, структуры и выбора размеров компонентов внутри корпуса 6, в частности катализаторных элементов 8, с учетом высвобождаемого при реакции рекомбинации тепла и теплоотвода вследствие теплоты излучения или в форме теплопроводности через отдельные компоненты, система выполнена таким образом, что при базовых условиях в конвекционном режиме соответствующего рекомбинаторного элемента 4 при окружающих условиях примерно 1 бар и 100°С при концентрации водорода в газовом потоке, обтекающем катализаторные элементы 8, более 5 объемных % устанавливается температура поверхности в заданной зоне 200 воспламенения между 600°С и 900°С, то есть больше, чем температура воспламенения водорода порядка 560°С.

При таком выполнении рекомбинаторных элементов 4 учитывается знание того, что каждый из катализаторных элементов 8, которые частично также могут быть окружены металлической оболочкой, в каталитическом режиме рекомбинации, также при имеющейся естественной конвекции, обтекается газовым потоком, требующим обработки, причем в непосредственной близости от каталитических поверхностей катализаторных элементов 8 вследствие протекающей реакции рекомбинации осуществляется обеднение доли водорода в газовом потоке. В состоянии естественной конвекции катализаторные элементы 8, тем самым, по типу многослойного газового потока непосредственно контактируют с обедненным газом, причем в более удаленных пространственных зонах имеется необедненный газ с соответственно повышенным содержанием водорода. Таким образом, в этом состоянии естественной конвекции эффект воспламенения, который нагретый катализаторный материал может оказывать на окружающий газовый поток, снижается за счет обедненного газового слоя.

Этот эффект в рекомбинаторных элементах 4 используется для того, чтобы заданные зоны 20 воспламенения, в случае необходимости, то есть в особенности в состоянии естественной конвекции, использовать в своего рода сверхкритическом режиме, при котором имеет место температура поверхности, превышающая границу воспламенения. В подобном состоянии система, таким образом, сравнительно чувствительна к возмущениям условий обтекания, причем в случае, когда касающийся перегретых частей поверхности обедненный газовый слой прерывается и необедненный газ может достичь этих частей поверхности, спонтанно инициируется воспламенение на основе повышенной температуры. За счет такого выполнения системы при импульсах давления, создающих возмущения в условиях обтекания в непосредственной ближней области катализаторных элементов, или при процессах перемещения газа может быть реализовано воспламенение спонтанным образом и без заметного времени запаздывания воспламенения. Тем самым гарантируется самостоятельное и пассивное воспламенение для случая, когда внутри защитного резервуара 2 возникают импульсы давления, так что надежное воспламенение уже перед возможными наступающими отказами или т.п. может быть инициировано.

Чтобы еще больше повысить чувствительность системы к импульсам давления или процессам перемещения газа и тем самым надежность и безопасность вводимого воспламенения, перед отдельными катализаторными элементами 8 могут быть включены соответствующие средства фокусировки потока, которые улучшают или усиливают целенаправленное направление возникающих импульсов давления или потоков газа на заданную зону 20 воспламенения. Для этого, как показано на Фиг.3, для расположенных в корпусе катализаторных элементов 8 в качестве подходящих средств для направления потока могут быть предусмотрены направляющие щитки 22, отклоняющие щитки 24, турбулизаторы или формирователи турбулентности 26 и другие подходящие средства или конфузоры, с помощью которых поступающий импульс давления целенаправленно отводится в пространственную зону вблизи заданной зоны воспламенения.

Перечень ссылочных позиций

1 система защиты

2 защитный резервуар

4 рекомбинаторный элемент

6 корпус

8 катализаторный элемент

10 зона притока

12 активная зона

20 заданная зона воспламенения

26 формирователь турбулентности

Изобретение относится к рекомбинаторному элементу, в частности, для использования в системе безопасности для ядерно-технической установки. Рекомбинаторный элемент (4) с некоторым количеством катализаторных элементов (8), размещенных в общем корпусе (6), которые, соответственно, в присутствии водорода, приносимого вместе с обтекающим газовым потоком, вызывают реакцию рекомбинации с кислородом, причем корпус (6) каминообразно окружает размещенные в нем катализаторные элементы (8) так, что высвобождаемое при реакции рекомбинации тепло поддерживает течение газа внутри корпуса (6) посредством конвекции, и причем, по меньшей мере, один из размещенных внутри корпуса (6) катализаторных элементов (8) имеет заданную зону (20) воспламенения. Согласно изобретению катализаторный элемент (8) имеет каталитически активную зону из пористого материала, выбранного так, что в заданной зоне (20) воспламенения в конвекционном режиме при окружающих условиях примерно 1 бар и 100°С при концентрации водорода в набегающем газовом потоке более 5 объемных % устанавливается температура поверхности выше имеющейся при этих условиях температуры воспламенения, составляющей примерно 560°С, причем перед катализаторным элементом (8) со стороны газового потока включены средства для фокусировки потока из группы, включающей в себя направляющие щитки, отклоняющие щитки, турбулизаторы и формирователи турбулентности. Техническим результатом является повышение чувствительности системы к импульсам давления или процессам перемещения газа, повышение надежности, безопасности вводимого воспламенения. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рекомбинаторный элемент (4) с некоторым количеством катализаторных элементов (8), размещенных в общем корпусе (6), которые соответственно в присутствии водорода, приносимого вместе с обтекающим газовым потоком, вызывают реакцию рекомбинации с кислородом, причем корпус (6) каминообразно окружает размещенные в нем катализаторные элементы (8) так, что высвобождаемое при реакции рекомбинации тепло поддерживает течение газа внутри корпуса (6) посредством конвекции, и причем, по меньшей мере, один из размещенных внутри корпуса (6) катализаторных элементов (8) имеет заданную зону (20) воспламенения,
отличающийся тем, что катализаторный элемент (8) имеет каталитически активную зону из пористого материала, выбранного так, что в заданной зоне (20) воспламенения в конвекционном режиме при окружающих условиях примерно 1 бар и 100°С при концентрации водорода в набегающем газовом потоке более 5 об.% устанавливается температура поверхности выше имеющейся при этих условиях температуры воспламенения, составляющей примерно 560°С, причем перед катализаторным элементом (8) со стороны газового потока включены средства для фокусировки потока из группы, включающей в себя направляющие щитки, отклоняющие щитки, турбулизаторы и формирователи турбулентности, которые улучшают целенаправленное направление возникающих импульсов давления на заданную зону воспламенения.

2. Рекомбинаторный элемент (4) по п.1, в котором в заданной зоне (20) воспламенения в конвекционном режиме при окружающих условиях примерно 1 бар и 100°С при концентрации водорода в обтекающем газовом потоке более 5 об.% устанавливается температура поверхности между 600°С и 900°С.

3. Рекомбинаторный элемент (4) по п.1, в котором внутри корпуса (6) размещены, по меньшей мере, три, предпочтительно, по меньшей мере, десять катализаторных элементов (8).

4. Рекомбинаторный элемент (4) по п.1, в котором один или каждый катализаторный элемент (8) имеет каталитически активную зону (12) из пористого материала, предпочтительно из Al₃O₃.

5. Рекомбинаторный элемент (4) по п.4, в котором пористый материал каталитически активной зоны (12) легирован катализаторным материалом, предпочтительно Pt и/или Pd.

6. Рекомбинаторный элемент (4) по п.1, который в свой зоне втекания имеет свободную площадь поперечного сечения, то есть долю свободно обтекаемой газовым потоком площади поперечного сечения на полной площади поперечного сечения, равную более 40%, предпочтительно более 90%.

7. Рекомбинаторный элемент (4) по п.1, в котором катализаторные элементы (8) выполнены как катализаторные пластины.

8. Рекомбинаторный элемент (4) по п.7, в котором катализаторные пластины выполнены как тонкие элементы с толщиной стенки менее 1 мм, предпочтительно менее 0,2 мм.

9. Рекомбинаторный элемент (4) по п.1, в котором в области заданной зоны (20) воспламенения предусмотрено по сравнению с остальной каталитически активной зоной (12) повышенное обогащение катализаторным материалом.

10. Рекомбинаторный элемент (4) по любому из пп.1-9, в котором масса катализаторного элемента в области обтекания определена и размещена таким образом, что при переходных изменениях концентрации, например выше 3 об.% водорода, устанавливается скорость повышения температуры поверхности в катализаторном элементе >50°С на % водорода в течение 30 с, предпочтительно в течение 10 с.