СИСТЕМА АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2013 года по МПК G21C9/06 

Изобретение относится к системе аварийной защиты для ядерной установки, содержащей множество каталитических рекомбинаторных элементов, которые при увлекаемом приходящим газовым потоком водороде инициируют реакцию рекомбинации с кислородом.

В ядерной установке, в частности в атомной электростанции, необходимо в ситуациях неисправности или аварии, в которых может возникать, например, на основании ядерного нагрева окисление циркония, приходится считаться с образованием и выделением газа водорода и моноксида углерода внутри окружающей активную зону реактора защитной оболочки. В частности, после аварии с потерей охлаждающего средства могут высвобождаться большие количества водорода. За счет этого внутри защитной оболочки могут возникать взрывоопасные газовые смеси. При этом без принятия защитных мер возможно такое скопление водорода в атмосфере защитной оболочки, что при случайном воспламенении за счет сгорания большого количества водорода возникает опасность целостности защитной оболочки.

Для предотвращения образования таких взрывоопасных газовых смесей в защитной оболочке атомной электростанции имеются различные устройства и способы. К ним относятся, например, такие устройства, как каталитические рекомбинаторы и/или электрически работающие зажигающие устройства или комбинации обоих указанных выше устройств, а также способы постоянной инертизации защитной оболочки.

При использовании зажигающей системы для устранения водорода из атмосферы защитной оболочки необходимо обеспечивать надежную рекомбинацию водорода с кислородом посредством контролируемого сжигания. При этом необходимо надежно предотвращать значительное повышение давления вследствие вирулентного сгорания водорода. При этом такая зажигающая система обычно выполнена так, что уже при превышении нижней границы возгорания газовой смеси, т.е. при газовой смеси со сравнительно небольшой концентрацией водорода, например 4 об.% водорода, или при прохождении границы инертизации, равной примерно 55 об.% пара, должно инициироваться зажигание водорода.

Известная из ЕР 289907 В1 система зажигания для управляемого зажигания содержащей водород газовой смеси содержит искровое зажигание, которое питается от интегрированного накопителя энергии. При этом система зажигания снабжена независимым накопителем энергии, так что нет необходимости в подводящих проводах. При этом в качестве накопителя энергии предусмотрена, в частности, сухая батарея. Однако эта система зажигания на основании емкости интегрированного накопителя энергии пригодна лишь для ограниченного срока службы. В частности, при преждевременном возбуждении искрового зажигания в ходе развития аварии с последующим выделением водорода возможно лишь ограниченное управляемое зажигание водорода. Кроме того, эта система зажигания реагирует также лишь по прошествии времени задержки зажигания на выделение водорода. Также ограниченно возможна длительная работа системы зажигания, которая необходима для перекрытия всех возможных аварийных сценариев. Кроме того, предусмотрительное возбуждение системы зажигания при возможно грозящей аварии также невозможно с внешней точки, такой как, например, диспетчерская электростанция.

Кроме того, в основывающихся исключительно на использовании способов зажигания водорода, например в виде систем свечей зажигания, системах аварийной защиты существует дополнительное ограничение, состоящее в том, что в ситуациях инертизации с помощью пара невозможно осуществлять устранение водорода. В соответствии с этим возникающий в защитной оболочке при таких системах водород можно полностью сжигать лишь после соответствующей конденсации пара. Это может приводить к скапливанию водорода в паре до сравнительно больших количеств или концентраций водорода, который затем вследствие зажигания сжигается в относительно короткое время, так что могут возникать неконтролируемые развития реакции. Дополнительно к этому, в основывающихся исключительно на зажигании системах следует учитывать, что при так называемых сценариях обесточивания электростанции, т.е. сценариях с полной потерей электроснабжения внутри защитной оболочки, зажигание может полностью выходить из строя.

Поэтому в качестве альтернативного решения или дополнительно, в рамках системы аварийной защиты в защитной оболочке ядерной установки могут быть расположены так называемые пассивные автокаталитические рекомбинаторы. Они обычно содержат подходящие катализаторные элементы, которые каталитическим образом инициируют при увлекаемом в приходящем газовом потоке водороде реакцию рекомбинации с кислородом. При этом катализаторные элементы обычно снабжены окружающим корпусом, при этом корпус выполнен в виде камина, так что на основании каминного действия внутри корпуса самостоятельно возникает конвективный поток, так что газовая смесь надежно проводится по соответствующим катализаторным элементам, и тем самым может поддерживаться каталитическая реакция рекомбинации. При этом собственно каталитические элементы расположены внутри каждого рекомбинаторного элемента преимущественно вертикально и максимально параллельно с целью создания и поддерживания между элементами подъемной силы. При наличии водорода в газовой смеси защитной оболочки эти устройства запускаются обычно самостоятельно и окисляют водород с помощью содержащегося в атмосфере кислорода, так что, в частности, также при наличии условий инертизации с помощью пара или при лежащих слегка выше границы зажигания газовых смесях достигается эффективное удаление водорода без зажигания.

Однако и в таких системах при постулированных аварийных сценариях с высоким выделением водорода и одновременно небольших концентрациях пара в защитной оболочке могут достигаться местные или глобальные критические концентрации и количества возникающего водорода.

Поскольку до настоящего времени зажигания у рекомбинаторов наблюдались лишь случайно при различных условиях атмосферы, таких как концентрация водорода и доля пара и т.д., то с помощью таких устройств не обеспечивается ни надежное предотвращение непреднамеренных зажиганий, ни надежная функция зажигания. Меры для полного предотвращения катализаторных зажиганий, такие как, например, различные плотности покрытия или слои, препятствующие диффузии или т.п., также не приводят к надежному исключению зажиганий. Даже когда это можно было бы доказать, нельзя полностью в целом исключать случайные зажигания на основе других возможных непостоянных источников зажигания в защитной оболочке.

Поэтому для выполнения с аварийной защитой защитной оболочки при применении каталитических рекомбинаторов определяют возникающую при избытке водорода максимальную концентрацию в защитной оболочке, и при этих условиях предполагают зажигание с соответственно длинными путями ускорения пламени в защитной оболочке. При таких сценариях зажигания необходимо считаться с образованием быстрых дефлаграций вплоть до переходов от дефларгации к детонации. Для обеспечения возможности подходящей компенсации даже теоретически возникающих при этом значительных нагрузок и перепадов давления вплоть до нескольких бар за счет структурного выполнения защитной оболочки соответствующие структуры защитной оболочки, а также предусмотренные в ней вставки обычно выполняются соответственно массивными. Поэтому желательно модифицированное выполнение системы аварийной защиты, в которой даже при указанных условиях заранее исключается слишком сильное обогащение атмосферы водородом и, тем самым, надежно обеспечивается предотвращение указанных сценариев зажигания или детонации.

Для этого могут быть также предусмотрены комбинированные системы, которые содержат как устройства зажигания, так и каталитические рекомбинаторы. Из ЕР 596964 В1 известна, например, комбинированная система катализации и зажигания для рекомбинации водорода в газовой смеси. В этой системе при каталитической рекомбинации водорода получаемое на каталитическом теле тепло подается в устройство зажигания и применяется там для непосредственного зажигания необедненных содержащих водород газов. Однако в такой комбинированной системе катализации и зажигания зажигание водорода происходит лишь после истечения времени задержки зажигания после высвобождения водорода. А именно, после первого высвобождения водорода необходимо определенное время, пока каталитическое тело и примыкающая система зажигания достаточно нагреются для обеспечения зажигания водорода. Эта задержка зажигания приводит к тому, что при быстрых процессах перемещения газа внутри защитной оболочки зажигание водорода начинается лишь при сравнительно высоких концентрациях водорода. Однако после нагревания всей системы происходит затем на некаталитических частях раннее зажигание уже при превышении нижней границы зажигания.

В других комбинированных системах с каталитическими рекомбинаторами и со множеством автономных искровых устройств зажигания, в которых зажигание инициируется в устройстве зажигания независимо от каталитической рекомбинации, необходимо считаться со сравнительно высокими затратами за счет соответствующего согласования систем друг с другом, и проблемой являются, в частности, неблагоприятные последствия при неправильной частоте зажигания. В принципе, в данном случае снова справедливо, что ранние отдельные зажигания инициируются соответствующими процессами перемещения газов без обеспечения возможности эффективных противоположных зажиганий для получения коротких путей ускорения пламени на основе отсутствующих зон высокой температуры.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания системы аварийной защиты, с помощью которой обеспечивается с особенно высокой рабочей безопасностью надежное удаление водорода из газовой смеси также при сравнительно экстремальных условиях или сценариях указанного вида.

Эта задача решена согласно изобретению тем, что рекомбинаторные элементы и/или соответствующие соединяющие два рекомбинаторных элемента внутри защитной оболочки на стороне газа пути прохождения потока выполнены так, что инициированный зажиганием при реакции рекомбинации в первом рекомбинаторном элементе в газовой среде импульс давления в зоне набегающего потока второго, соседнего, рекомбинаторного элемента вызывает процесс перемещения газа со скоростью потока, по меньшей мере, 5 м/с. При этом обусловленная выполнением желательная скорость потока в зоне набегания должна предпочтительно превышать двойную скорость набегания, господствующую в режиме конвекции.

При этом изобретение исходит из понимания того, что надежное удаление водорода при названных, возможно, экстремальных условиях при надежном предотвращении образования критических концентраций и при обусловленном этим исключении сценариев детонации обеспечивается тем, что основывающаяся по существу на каталитической рекомбинации система особенно подходящим образом дополняется целенаправленно инициируемыми зажиганиями. Для этого также система зажигания должна быть выполнена полностью или, по меньшей мере, частично пассивной для выполнения особенно высоких стандартов безопасности, а также для сохранения работоспособности в сценариях обесточивания. Такое целенаправленное дополнение основанной на каталитических рекомбинаторах системы подходящими механизмами зажигания достижимо тем, что особенно подходящим образом используется выделяемое при каталитической рекомбинации локально в зоне катализаторных элементов тепло для целенаправленного инициирования зажиганий.

При этом система в целом должна быть, в частности, выполнена так, что также при сухих сценариях с умеренным выделением водорода и сравнительно низкой долей пара своевременно инициируется беспламенное каталитическое удаление водорода и продолжается до уже способных к зажиганию, однако не критических концентраций, например, 6-8 об.% водорода. Этот беспламенный режим рекомбинации должен продлеваться при более высоких концентрациях пара, например >30 об.%, до концентрации водорода примерно >8 об.%, при >40 об.%, предпочтительно до концентрации водорода примерно 10 об.% и больше. За счет этого достигается, что во многих сценариях вообще не возникает зажигания.

Лишь в экстремальных сценариях, в частности при возникновении релевантных количеств водорода с концентрацией свыше примерно 8 об.% при небольшой доле пара, однако в любом случае при концентрациях водорода более 10 об.% необходимо предусмотрительно предотвращать дальнейшее нарастание концентрации и целенаправленно самостоятельно инициировать зажигание в различных пространственных зонах защитной оболочки. При этом указанные предельные концентрации относятся, в частности, к температуре атмосферы до примерно 100°С. При более высоких температурах следует дополнительно учитывать, что диапазон зажигания на нижнем и верхнем пределе зажигания смеси водорода еще расширяется и тем самым обеспечивает возможность еще более раннего безопасного зажигания.

Для целенаправленного обеспечения этого предусмотрено, что с помощью подходящего структурного позиционирования катализаторных элементов относительно друг друга и подходящего структурного выполнения, в частности, относительно задания путей прохождения потока и выбора размеров для предусмотренных для этого компонентов целенаправленно регулируются характеристики набегания газового потока во входной зоне соответствующих каталитических элементов.

При этом в основу положено понимание того, что в каталитическом рекомбинаторе указанного вида, в котором, например, вследствие каминного эффекта или т.п. газовый поток направляется с определенной скоростью потока к каталитическим элементам и тем самым инициируется и поддерживается реакция рекомбинации, в состоянии равновесия катализатора происходит уменьшение доли водорода в газовом потоке непосредственно вблизи каталитически активных поверхностей. Это является следствием реакции рекомбинации, которая непосредственно в пограничной зоне каталитически активной поверхности с проходящим газовым потоком приводит на основании реакции увлекаемого в нем водорода с кислородом к локальному обеднению доли водорода в непосредственной близости к катализатору. Создаваемое за счет каталитической реакции рекомбинации тепло, которое, соответственно, нагревает катализатор, может также приводить в таком состоянии равновесия затем к зажиганию проходящего газового потока, даже когда в обедненной зоне имеется еще достаточная для зажигания относительно господствующей на катализаторном элементе температуры доля водорода газовой смеси.

Таким образом, в таких системах могут возникать нестабильности, в частности, когда локально внутри защитной оболочки в любом месте на основании любой причины, например за счет преднамеренного зажигания с помощью устройств зажигания, за счет зажигания с помощью других электрических устройств, за счет первоначального зажигания на одном из рекомбинаторов или за счет переходных процессов при подаче газа, таких как, например, выбросы пара при внезапной подаче охлаждающей воды на перегретые встроенные элементы, происходит зажигание, и за счет этого фронт пламени распространяется вдоль путей прохождения потока. Как только этот фронт пламени достигнет другого рекомбинатора, то локально превышается необходимая для зажигания газовой смеси в зоне окружения этого второго рекомбинатора, т.е. в указанной обедненной зоне, температура зажигания, и зажигание инициируется также в этой пространственной зоне. Как раз такой перенос эффектов зажигания вследствие распространения за счет бегущих фронтов воспламенения может приводить к нежелательным ускорениям пламени и к указанным нестабильностям, которые в наиболее неблагоприятном случае могут приводить к детонации или к указанному переходу от дефлаграции к детонации.

Для целенаправленного противодействия этим эффектам необходимо пути прохождения потока между отдельными рекомбинаторными элементами и/или ими самими целенаправленно выполнять так, что зажигание предусмотрительно инициируется также в зоне окружения второго рекомбинатора уже тогда, когда еще не пришел фронт пламени от первого рекомбинатора, так что зажигание в зоне окружения второго рекомбинатора, соответственно, контролируется и может происходить с исключением взаимного влияния. Для достижения этого пути прохождения потока между отдельными рекомбинаторами должны быть выполнены так, что зажигание в соответствующем втором рекомбинаторе инициируется уже на основе импульса давления или процесса перемещения газа, который идет перед указанным фронтом пламени. Это возможно за счет целенаправленного использования указанного импульса давления или процесса перемещения газа для разрушения указанной обедненной зоны в непосредственном окружении соответствующего второго катализаторного элемента, так чтобы доли газа с необедненной долей водорода могли входить в непосредственный контакт с соответствующим катализаторным элементом. На основании необедненной доли водорода в таких ситуациях может быть достаточной и без того возникающая в катализаторном элементе температура в качестве температуры зажигания, так что инициированное за счет этого зажигание можно осуществлять независимо от фронта пламени и тем самым контролируемым образом без указанных и подлежащих предотвращению эффектов переноса. Таким образом, энергия из происходящего сжигания используется за счет целенаправленного частичного ввода в темперированное пассивное каталитическое устройство для противозажигания, уменьшения опасности взрыва или гашения.

Для обеспечения этого необходимо позиционировать подходящим образом рекомбинаторные элементы относительно друг друга и/или соединять друг с другом через подходящим образом заданные и структурированные пути прохождения потока, так что создаваемые за счет указанных процессов перемещения газов скорости протекания приходящего ко второму рекомбинатору газового потока были достаточными для разрушения указанной обедненной зоны и направления смеси с необедненной долей водорода в непосредственной близости от катализаторных элементов.

При выполнении системы рекомбинаторов следует дополнительно учитывать также зависящие от концентрации направления путей распространения пламени. При этом вертикально вверх является при небольших концентрациях в принципе предпочтительным путем распространения пламени. При горизонтальном распространении необходимо уже учитывать несколько более высокие концентрации, а при распространении пламени вниз - даже примерно на 2-3 об.% более высокие минимальные концентрации.

В качестве подходящего критерия для всей концепции выполнения предусмотрен зависящий от выполнения подходящий выбор скорости потока, которую имеет процесс перемещения газа в зоне набегания второго, соседнего, рекомбинаторного элемента, вызванного в газовой среде инициированным за счет зажигания при реакции рекомбинации в первом рекомбинаторном элементе импульсом давления.

Предпочтительно в виде подходящего критерия выполнения всей системы задана в качестве скорости потока для инициированного процесса перемещения газа скорость, с помощью которой с особенно высокой надежностью разрушается указанная слоистость газа в непосредственном окружении соответствующего катализаторного элемента. Это может достигаться за счет обусловленной выполнением заданной минимальной скорости 5 м/с, которая соответствует больше чем двойной скорости набегания в конвективном режиме. Однако для этого в качестве скорости потока предпочтительно задана номинальная скорость 10 м/с. Кроме того, способ обеспечивает также при возникновении высоких скоростей газа, например более 50 м/с, более высоких давлений и концентраций пара и т.д., очень надежные спонтанные зажигания. Возникающий при этом эффект охлаждения, обусловленный приходящими массивно более холодными окружающими газами и окружающими условиями, можно надежно компенсировать за счет соответствующего поддерживания равномерной температуры масс в устройстве.

В качестве подходящих параметров, с помощью которых можно, в частности, оказывать влияние на желаемую обусловленную выполнением скорость набегания, можно использовать, в частности, непосредственные признаки выполнения каталитических рекомбинаторных элементов, т.е., например, прохождение каналов внутри соответствующего корпуса, предусмотренные при этом поперечные сечения каналов, длину каналов отдельных элементов и т.п., однако также вид и форму прохождения каналов (прямолинейное или изогнутое и т.д.), а также соответствующее дросселирование и т.п. Однако в качестве альтернативного решения или дополнительно, соответствующее согласование можно осуществлять за счет оказания аналогичного влияния на пути прохождения потока.

При этом дальнейшее направление потока при процессах сгорания можно целенаправленно осуществлять с помощью структур здания и компонентов в защитной оболочке или же в частично или полностью закрытых системах каналов и трубопроводов. Такие дополнительные системы каналов и трубопроводов можно также использовать для инициирования желаемого зажигания. При этом такая система предпочтительно снабжается еще датчиком давления или аккумулятором, который за счет приведения в действие инициирует процесс перемещения газа в рекомбинаторном устройстве с целью зажигания.

Расположение рекомбинаторов предпочтительно осуществляется в соответствии с определенными благоприятными для желаемого механизма зажигания критериями расстояний, объемов и структур в защитной оболочке реактора. Например, предпочтительным является усиленное расположение рекомбинаторов, т.е., например, с долей, по меньшей мере, 70%, в зоне 1/4-3/4 высоты здания защитной оболочки. Расположение рекомбинаторов с повышенной плотностью осуществляется дополнительно предпочтительно в возможной зоне выделения водорода вблизи главного циркуляционного контура в объеме защитной оболочки, составляющем примерно 20-50% всего объема, а также в зонах с более сильным разделением пространства. Предпочтительно здесь располагается один рекомбинаторный элемент в 300-1500 м³ объема здания. Кроме того, здесь предпочтительно применяется критерий расстояния меньше 15 м, предпочтительно меньше 10 м с учетом структуры здания, между блоками, с целью минимизации эффектов ускорения пламени. При этом указанные расстояния обозначают, в частности, длину предусмотренного пути прохождения потока между двумя рекомбинаторными блоками.

Поскольку в выбранной зоне концентрации создается преимущественно распространение пламени в направлении вверх, то расположение рекомбинаторов предпочтительно осуществляется над главным циркуляционным контуром с целью обеспечения особенно эффективного выполнения способа.

В противоположность этому в наружной, скорее свободной зоне защитной оболочки, в частности, за счет значительно меньших там градиентов концентрации и едва имеющихся генераторов турбулентности реализуются значительно большие расстояния между рекомбинаторными элементами - до 25 м, предпочтительно меньше 15 м. Кроме того, здесь выбирается предпочтительно объем здания от 1000 до 5000 м³ для каждого рекомбинатора.

Кроме того, расположение рекомбинаторов осуществляется в соответствии с этим способом предпочтительно в зоне главного циркуляционного контура в виде последовательной цепочки, а также с поддержкой конвекции в зоне локальных или глобальных путей прохождения потока.

Дополнительно к этому, расположение рекомбинаторов осуществляется предпочтительно с учетом геометрических пространственных размеров и степени блокирования в соответствующих путях прохождения потока, при этом блокирования могут возникать, в частности, за счет расположенных там дополнительных компонентов и встроенных блоков. При этом следует учитывать в принципе эффекты распространения пламени в пространстве, такие как, например, двумерное или трехмерное распространение, а также генераторы турбуленций в пространстве и демпфирующие эффекты охлаждения структур здания.

При лишь непосредственно значительно расширяющихся пространствах необходимо выдерживать большее расстояние между рекомбинаторами - до 10 м, однако при сильно расширяющихся пространствах необходимо выдерживать меньшее расстояние между рекомбинаторами - меньше 7 м.

Зоны с коэффициентами блокирования пространства от >0,2 до <0,5 в комбинации с выбранными зонами средней концентрации являются наиболее благоприятными для расположения рекомбинаторов. Здесь расположение осуществляется предпочтительно вблизи влияющих на скорость пространственных зон потока перед или после перепускных отверстий, в частности, в зоне входа потока, или в зоне свободного излучения, или в зонах с повышенной турбуленцией. За счет своевременного противозажигания надежно предотвращается как раз при этих более медленных скоростях распространения пламени в этой особенно критичной зоне ускорения пламени сильное ускорение пламени вплоть до быстрых дефлаграций. При очень сильном блокировании пространства, более 0,5, расположение рекомбинаторов предпочтительно осуществляется после препятствия и/или снаружи зоны ядерного излучения потока.

При этом следующий рекомбинатор позиционируется при более длинных участках разгона предпочтительно перед соответствующим блокированием пространства, а при более коротких участках разгона - также в зоне сбегания позади блокирования пространства.

В другом предпочтительном варианте выполнения система аварийной защиты выполнена также для особенно эффективного увязывания предусмотренного вследствие происходящего нагревания и возбуждения с помощью импульса давления желаемого целенаправленного зажигания газовой смеси. Для этого, с учетом корреляции между концентрацией водорода и соответствующей температурой зажигания, система в особенно предпочтительном варианте выполнения выполнена так, что в режиме естественной конвекции каждого рекомбинаторного элемента зажигание инициируется в обтекающем потоке газа лишь тогда, когда доля увлекаемого водорода составляет, по меньшей мере, 6%, предпочтительно, по меньшей мере, 8% при атмосферных условиях и при окружающей температуре до примерно 100°С. Для этого при выполнении соответствующих компонентов следует учитывать, в частности, тепловую инерцию катализаторных элементов и охлаждающее действие проходящего вдоль поверхности газового потока, при этом устанавливающуюся в зависимости от выполнения температуру соответствующего катализаторного элемента можно изменять за счет варьирования массы, толщины или боковой длины собственно катализаторного тела.

В другом особенно предпочтительном варианте выполнения предусмотрена система разбрызгивания воды внутри здания-оболочки, в частности, для конденсации при необходимости пара в атмосфере защитной оболочки. В определенных рабочих случаях можно за счет комбинации с системой разбрызгивания воды внутри здания-оболочки осуществлять усреднение атмосферы защитной оболочки и целенаправленное уменьшение доли водорода и/или пара согласованно и синхронно.

При целенаправленной конденсации пара и достижении неинертного диапазона концентрации, например от <50 до 55 об.% пара и СО₂ при преимущественно гомогенной концентрации, можно инициировать зажигание также надежно вблизи границы инертизации, также при более высоких концентрациях водорода в зоне медленной дефлаграции с помощью противозажигания.

За счет комбинации расположенных в различных зонах пространства рекомбинаторных устройств с работой системы разбрызгивания воды внутри здания-оболочки можно осуществлять в инертизированной паром зоне интенсивное смешивание атмосферы за счет разбрызгивания, с одной стороны, и выходящих из рекомбинаторов конвективных потоков, с другой стороны, а также одновременно достигать снижения доли водорода. В частности, можно за счет этого смешивать облака с возможно критической высокой концентрацией с релевантным потенциалом ускорения пламени с остальной атмосферой и приводить различные высокотемпературные зоны заданного зажигания на единообразный уровень. При этом можно устанавливать особенно высокие температуры в соответствующих расположенных в здании-оболочке зонах заданного зажигания более 700°С, предпочтительно более 800°С. Способ обеспечивает на основании ярко выраженной зоны высокой температуры очень надежные спонтанные зажигания также при возникновении высоких скоростей газа, например больше 50 м/с и более. Возникающее при этом охлаждающее действие, обусловленное массивно входящей более холодной окружающей атмосферой, можно надежно компенсировать за счет имеющегося выравнивания температуры масс.

Кроме того, за счет соответствующего выполнения работы разбрызгивающей системы можно при необходимости замедлять, соответственно, действие конденсации, например осуществлять со скоростью конденсации пара менее 1 об.%/мин, так что заранее обеспечивается выравнивание атмосферы и удаление водорода. При соответствующей высокой температуре, предпочтительно более 800°С в заданных зонах зажигания соответственно расположенных рекомбинаторов можно осуществлять также непосредственное инициирование разбрызгивания с целью деинертизации, в частности, при повышенной вероятности течи защитной оболочки или при приближении к расчетным величинам избыточного давления, быстрого уменьшения давления в защитной оболочке, а также для достижения особенно надежного действия способа с инициированием медленной дефлаграции с противозажиганием.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества состоят, в частности, в том, что за счет структурного выполнения рекомбинаторных устройств и/или соединяющих их путей прохождения потока обеспечивается, что приходящий к одному рекомбинаторному элементу вследствие зажигания у другого рекомбинаторного элемента импульс давления или процесс перемещения газа в зоне входа потока рекомбинаторного элемента создает настолько высокие скорости потока газа, что разрушается находящийся в непосредственной близости каталитической поверхности газовый слой с обедненным или уменьшенным содержанием водорода.

За счет этого необедненный или мало обедненный газ не может приходить в контакт со сравнительно горячими поверхностями каталитического элемента, так что за счет этого надежно инициируется зажигание в этой пространственной зоне. За счет того, что при медленных дефлаграциях создаваемые при этом волны сжатия со сравнительно большой длительностью колебаний и небольшой амплитудой продвигаются впереди соответствующего фронта пламени, при этом инициируется за счет вызванных этим процессов перемещения газа зажигание в рекомбинаторе, прежде чем приходит фронт пламени. Таким образом, массивная подача горючего газа приводит к перепитке местного рекомбинаторного устройства и к минимизации уменьшения концентрации в зоне переходного слоя нагревательных поверхностей и на фазовой границе - к возмущению пограничных поверхностей, так что вызываются дополнительные конвективные потоки и обеспечивается возможность надежного зажигания. Таким образом, обеспечивается защитное зажигание критических зон, при этом по типу эффекта домино или зажигания по типу домино надежно инициируются исходя из первого направления рекомбинации зажигания в соседних или примыкающих по потоку рекомбинаторных устройствах. За счет этого можно надежно предотвращать перекрестные помехи и неконтролируемые характеристики потока, так что происходит минимизация неизбежных нагрузок.

В соответствии с этим можно выполнять систему в целом на основании каталитической функции удаления водорода, при этом в сравнительно многих сценариях, т.е., в частности, при концентрациях меньше 8 об.%, предпочтительно меньше 6 об.%, можно осуществлять удаление водорода исключительно каталитически с отказом от зажиганий. При более высоких концентрациях происходят зажигания и процессы сгорания первично в зоне концентрации или зоне разгона медленных дефлаграций, при этом инициируются надежные процессы зажигания в соседних устройствах вследствие опережающих волны сгорания или фронты пламени процессов перемещения газа.

Таким образом, в диапазоне концентраций, например, от 5 до около 8 об.%, в принципе обеспечивается возможность беспламенного каталитического окисления за счет своевременного зажигания и тем самым также предпочтительное беспламенное каталитическое удаление при более высоких концентрациях, а также одновременное создание зон высокой температуры (более 600 - 900°С). Таким образом, диапазон беспламенного катализа расширяется за и без того не зажигаемый диапазон. При небольших различиях концентрации предотвращаются преждевременные отдельные зажигания с быстрыми процессами перемещения газа, так что при приходящих зажиганиях обеспечивается возможность действенного противозажигания для достижения коротких путей ускорения пламени.

Двойное действие способа проявляется как предпочтительное, в частности, в диапазоне инертизации паром примерно при более 55 об.% пара СО₂, поскольку за счет беспламенного окисления уже достигается значительное уменьшение водорода и одновременное создание соответственно высоких температурных потенциалов, например более 600°С, однако предпочтительно на более трудной с точки зрения условий зажигания верхней границе зажигания, также температурных потенциалов более 900°С. За счет этих высоких температур можно на основании высоких долей пара и условий давления компенсировать возникающий повышенный отвод тепла в зоне зажигания, и также при этих условиях может происходить надежное зажигание.

Ниже приводится более подробное пояснение примера выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - система аварийной защиты для рекомбинации водорода и кислорода в газовой смеси;

фиг. 2 - каталитический рекомбинатор;

фиг. 3 - часть системы аварийной защиты согласно фиг. 1 в увеличенном масштабе.

Одинаковые части обозначены на всех фигурах одинаковыми позициями.

Система 1 аварийной защиты, показанная на фиг. 1, предусмотрена для рекомбинации водорода в газовой смеси, а именно в атмосфере частично изображенной на фиг. 1 защитной оболочки 2 ядерной установки. Для этого система 1 аварийной защиты содержит множество расположенных внутри защитной оболочки 2 каталитических рекомбинаторов 4, из которых каждый инициирует каталитическим путем реакцию рекомбинации увлекаемого проходящим мимо газовым потоком водорода с содержащимся в защитной оболочке кислородом.

Для этого каждый из каталитических рекомбинаторов 4 содержит, как показано в увеличенном масштабе на фиг. 2, множество расположенных в корпусе 6 катализаторных элементов 8. При этом катализаторные элементы 8 имеют каждый снабженную пригодным материалом, например палладием и/или платиной, поверхность, которые инициируют в прилегающей газовой смеси, в случае когда эта газовая смесь содержит значительные доли водорода, например, в несколько об.%, каталитическую реакцию рекомбинации с содержащимся в атмосферном газе кислородом. При этом водород вступает в экзотермическую реакцию с кислородом с образованием воды. За счет этой экзотермической реакции катализаторные элементы 8 в свою очередь нагреваются, так что вследствие возникающего за счет этого перепада температур возникает конвективный поток снизу вверх в окружающем газовом пространстве.

Для поддержки этого конвективного потока за счет так называемого каминного эффекта окружающий катализаторные элементы 8 корпус 6 каждого рекомбинатора 4 выполнен соответствующим образом, в частности в виде камина, а для дальнейшего облегчения возникающего за счет этого конвективного потока катализаторные элементы 8 выполнены по существу в виде пластин и расположены параллельно друг другу. В целом, образованный из этих компонентов рекомбинатор 4 имеет структурные свойства, которые при наличии водорода в атмосферном газе защитной оболочки 2 самостоятельно запускают процесс рекомбинации, поддерживают его за счет действия конвективного потока вследствие каминного эффекта и вызывают дополнительное перемешивание атмосферы, пока не произойдет достаточное удаление водорода.

Система 1 аварийной защиты выполнена в целом для обеспечения при множестве возможных сценариев неисправностей, включая также сравнительно маловероятные экстремальные аварийные условия, надежную рекомбинацию возможно образуемого в атмосфере защитной оболочки 2 водорода. Для этого система 1 аварийной защиты выполнена для удаления водорода с опорой на каталитическую рекомбинацию, при этом в случае необходимости и, в частности, дополняющим образом локально и глобально должно происходить также зажигание способной к зажиганию газовой смеси. Для этого каталитические рекомбинаторы 4 выполнены относительно вида, позиционирования и размеров своих компонентов преимущественно так, что при газовых смесях с концентрацией водорода примерно до 6 об.% или же при необходимости также до примерно 8 об.% не происходит зажигания, а удаление водорода происходит за счет каталитически запущенной реакции рекомбинации на поверхности катализаторных элементов 8.

В противоположность этому, для более высоких концентраций водорода дополнительно предусмотрено, что катализаторные элементы 8 вследствие высвобождаемой за счет каталитической реакции рекомбинации тепловой энергии нагреваются так, что их температура в виде так называемых горячих пятен лежит выше температуры зажигания газовой смеси и тем самым самостоятельно инициирует зажигание газовой смеси и поддерживает процесс рекомбинации.

Однако чтобы при этом выполнении предотвращать нежелательный перенос событий зажигания между отдельными рекомбинаторами 4 и возможно вызываемые этим нестабильные условия потока с длинными путями ускорения пламени и т.п., рекомбинаторы 4 и соединяющие их пути прохождения потока выполнены целенаправленно подходящим образом. При этом учитывается, в частности, то, что, как показано в увеличенном масштабе на фиг. 3, инициированное в первом рекомбинаторе 40, вольно или невольно, активно или за счет внешнего события, такого как, например, выброс пара или т.п., зажигание создает распространяющийся во времени по типу импульса фронт 42 пламени. Проблемы могут возникать, когда этот фронт 42 пламени распространяется до расположенного далее по потоку следующего рекомбинатора 44 и инициирует там за счет дополнительного ввода тепла в газовую смесь зажигание. А именно, при таком индуцированном фронтом пламени инициировании могут происходить нежелательные эффекты переноса с ускорением пламени, противопотоки и т.п.

Для противодействия этому в системе 1 аварийной защиты целенаправленно используется понимание того, что перед инициированным в первом рекомбинаторе 40 за счет зажигания фронтом 42 пламени распространяется по типу процесса перемещения газа волна 46 сжатия, которая тем самым приходит также перед фронтом 42 пламени к следующему по потоку другому рекомбинатору 44. Для желаемого высокого стандарта безопасности при исключении указанного эффекта переноса система 1 аварийной защиты выполнена так, что эта волна 46 сжатия инициирует зажигание в следующем по потоку рекомбинаторе 44.

Для обеспечения этого в системе 1 аварийной защиты учитывается понимание того, что каждый из рекомбинаторов 4 в каталитическом режиме рекомбинации, т.е. при наличии естественной конвекции, омывается подлежащим обработке газовым потоком, при этом в непосредственной близости каталитической поверхности катализаторных элементов 8 вследствие проходящей реакции рекомбинации происходит обеднение доли водорода в газовом потоке. Таким образом, в состоянии естественной конвекции катализаторные элементы 8 контактируют по типу слоистого газового потока непосредственно с обедненным газом, при этом в лежащих удаленно пространственных зонах имеется необедненный газ с соответственно более высокой долей водорода. Таким образом, в этом состоянии естественной конвекции уменьшается действие зажигания, которое может оказывать нагретый катализаторный материал на окружающий газовый поток, за счет обедненного газового слоя.

Для целенаправленного использования действия процессов перемещения газа или приходящей волны 46 сжатия во входной зоне следующего рекомбинатора 44 путь прохождения потока или расположение рекомбинаторов на пути прохождения потока между рекомбинаторами 4 выполнены так, что приходящая волна сжатия во входной зоне соответствующего рекомбинатора 4 имеет скорость потока, равную, по меньшей мере, задаваемой минимальной скорости, например 5 м/с, предпочтительно, по меньшей мере, 10 м/с. Этого можно достигать, например, за счет того, что в пути прохождения потока предусмотрены подходящие места блокирования пространства, места дросселирования, экраны или т.п., как показано на фиг. 3 в виде места 12 сужения. За счет установленной соответствующим образом скорости потока приходящей волны сжатия разрушаются образованные в режиме естественной конвекции газовые слои, в частности поверхностная обедненная зона, и газ с необедненной долей водорода приходит в непосредственный контакт с поверхностью соответствующего катализаторного элемента 8.

При этом соответствующие катализаторные элементы 8 выполнены относительно выбора материала, толщины пластин и других структурных свойств с учетом охлаждающего действия проходящего мимо газового потока, так что хотя в режиме естественной конвекции с учетом проходящего по поверхности газового слоя с обедненной долей водорода нагревание за счет экзотермической реакции рекомбинации приводит к температурам, которые не приводят к зажиганию газовой смеси, однако при контакте с необедненным газом инициируют зажигание. Таким образом, за счет приходящей волны сжатия приводимый в контакт с горячей поверхностью катализаторного элемента 8 необедненный газ зажигается, так что зажигание инициируется за счет подходящего контролируемого регулирования скорости газового потока перед приходом фронта 42 пламени.

Кроме того, система 1 аварийной защиты содержит систему 50 разбрызгивания в здании-оболочке, с помощью которой в случае необходимости можно разбрызгивать инертизирующее средство в защитной оболочке 2. При этом в показанном примере выполнения предусмотрено разбрызгивание при необходимости воды, которая на основе господствующих в защитной оболочке 2 температур тотчас испаряется после разбрызгивания. Образующийся при этом пар делает затем инертной атмосферу в оболочке 2 аварийной защиты. Как показано на фиг. 1, система 50 разбрызгивания в здании, так же как множество рекомбинаторов 4, расположена над главным циркуляционным контуром 52 ядерной установки.

Система 50 разбрызгивания согласована относительно выполнения своего управления с рекомбинаторами 4. При этом учитываются, в частности, указанные выше критерии относительно инициирования разбрызгивания.

Перечень позиций

1 Система аварийной защиты

2 Защитная оболочка

4 Рекомбинатор

6 Корпус

8 Катализаторный элемент

40 Рекомбинатор

42 Фронт пламени

44 Рекомбинатор

46 Волна сжатия

50 Система разбрызгивания в здании-оболочке

52 Главный циркуляционный контур

Группа изобретений относится к системе аварийной защиты для ядерной установки, содержащей множество каталитических рекомбинаторных элементов. Система аварийной защиты для ядерной установки содержит множество каталитических рекомбинаторных элементов, которые при увлекаемом приходящим газовым потоком водороде инициируют реакцию рекомбинации с кислородом. При этом рекомбинаторные элементы пригодны также в качестве элементов зажигания. Рекомбинаторные элементы и соответствующие соединяющие два рекомбинаторных элемента на стороне газа пути прохождения потока выполнены так, что инициированный зажиганием при реакции рекомбинации в первом рекомбинаторном элементе в газовой среде импульс давления в зоне набегающего потока второго, соседнего, рекомбинаторного элемента вызывает опережающий фронт пламени процесс перемещения газа со скоростью потока, по меньшей мере, 5 м/с, который вызывает усиленное нагревание второго рекомбинаторного элемента и за счет этого зажигание газового потока еще перед приходом фронта пламени ко второму рекомбинаторному элементу. Имеется также ядерная установка, содержащая систему аварийной защиты. Группа изобретений позволяет создать систему аварийной защиты, с помощью которой обеспечивается особенно надежное удаление водорода из газовой смеси при сравнительно экстремальных условиях или сценариях. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система (1) аварийной защиты для ядерной установки, содержащая множество каталитических рекомбинаторных элементов, которые при увлекаемом приходящим газовым потоком водороде инициируют реакцию рекомбинации с кислородом, при этом рекомбинаторные элементы пригодны также в качестве элементов зажигания, отличающаяся тем, что рекомбинаторные элементы и соответствующие соединяющие два рекомбинаторных элемента на стороне газа пути прохождения потока выполнены так, что инициированный зажиганием при реакции рекомбинации в первом рекомбинаторном элементе в газовой среде импульс давления в зоне набегающего потока второго, соседнего рекомбинаторного элемента вызывает опережающий фронт пламени процесс перемещения газа со скоростью потока, по меньшей мере, 5 м/с, который вызывает усиленное нагревание второго рекомбинаторного элемента и за счет этого зажигание газового потока еще перед приходом фронта пламени ко второму рекомбинаторному элементу.

2. Система (1) аварийной защиты по п.1, в которой в качестве скорости потока для инициированного процесса перемещения газа задана скорость, равная, по меньшей мере, 10 м/с.

3. Система (1) аварийной защиты по любому из пп.1 или 2, в которой рекомбинаторный элемент или каждый рекомбинаторный элемент выполнен так, что в режиме естественной конвекции зажигание в омывающем газовом потоке инициируется лишь тогда, когда доля увлекаемого водорода составляет, по меньшей мере, 6 об.%, предпочтительно, по меньшей мере, 8 об.%.

4. Система (1) аварийной защиты по п.1 или 2, содержащая систему (50) разбрызгивания в здании-оболочке, в частности, для разбрызгивания при необходимости воды.

5. Система (1) аварийной защиты по п.3, содержащая систему (50) разбрызгивания в здании-оболочке, в частности, для разбрызгивания при необходимости воды.

6. Система (1) аварийной защиты по п.4, в которой рекомбинаторные элементы и система (50) разбрызгивания в здании согласованы друг с другом так, что в случае срабатывания сначала происходит образование высокотемпературных заданных зон зажигания, и затем - деинертизация паром.

7. Ядерная установка, содержащая систему аварийной защиты по любому из пп.1-6.