DE2002542A1

DE2002542A1 - Einrichtung zur Beseitigung von im Sicherheitsbehaelter eines Atomkernreaktors frei werdenden Wasserstoffs

Info

Publication number: DE2002542A1
Application number: DE19702002542
Authority: DE
Inventors: Mcadoo Jun John Dare; Robert Frumerman
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1969-02-03
Filing date: 1970-01-21
Publication date: 1970-11-19
Also published as: US3658996A; AT304714B; GB1230547A; CH494449A; FR2030265B1; ES375861A1; FR2030265A1; BE744757A

Description

WESTINGHOUSE Erlangen, 20.1.70

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str.

Pittsburgh, PA., USA

Unser Zeichen: VPA 70/8306 Ms/An

Einrichtung zur Beseitigung von im Sicherheitsbehälter eines Atomkernreaktors freiwerdenden Wasserstoffs

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beseitigung von im Sicherheitsbehälter (Containment) eines Atomkernreaktors frei- m werdenden Wasserstoffs durch Verbrennung desselben in einer Brennkammer innerhalb des Sicherheitsbehälters.

Bei einem Unfall in einem insbesondere wassergekühlten Kern^- reaktor, der beispielsweise durch Bruch einer Kühlmittelleitung auftreten kann, kann sich Wasserstoff innerhalb des abge- . schlossenen Sicherheitsbe.hälters, der das eigentliche Reaktordruckgefäß umschließt, bilden. Dieser Wasserstoff entsteht im wesentlichen durch Radiolyse, jedoch sind auch andere chemische Reaktionen möglich. Der Wasserstoff kann einen explosiven Grenz» wert erreichen oder sogar überschreiten,.insbesondere da der Sicherheitsbehälter selbst nach einem Unfall für eine bestimmte ^ Zeit nicht belüftet werden kann, da vermieden werden muß, daß radioaktive Stoffe in die Atmosphäre austreten. Daher ist eine Explosion innerhalb der Sicherheitshülle möglich. ■

Es sind bisher eine Reihe von Sicherheitssystemen in der Technik bekannt geworden, um derartige Unfälle zu vermeiden. Jedes dieser Systeme hat jedoch verschiedene Nachteile. ■■'

So ist z.B. ein Verfahren bekannt geworden, bei dem eine bestimmte Menge eines Inertgases der Atmosphäre in dem Sicherheitsbehälter zugefügt wird, um den Prozentsatz von entflamm-, barem Wasserstoff innerhalb des Sicherheitsbehälters herabzusetzen und somit die Entstehung eines explosiven Gemisches zu vermeiden. Ein derartiges Verfahren hat aber den Nachteil, daß

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innerhalb des Sicherheitebehälters ein hoher Druck entsteht, so daß der Behälter selbst sehr stark ausgeführt werden muß, um diesem Druck standzuhalten.

Ferner ist es bekannt geworden, die luft des Sicherheitsbehälters durch eine Kammer mit einem Katalysator zu leiten, in dem aus dem Wasserstoff und dem Sauerstoff der Atmosphäre ein hochprozentiger nichtexplosiver Wasserdampf erzeugt wird, der anschließend kondensiert werden kann. Die Schwierigkeit bei derartigen Katalysatoren besteht jedoch darin, daß sie sehr leicht Giftstoffe aufnehmen können, was auch bedeutet, daß sie während der Anfangszeit des Einsatzes nicht sehr wirkungsvoll sind, da chemische Veränderungen im Katalysator selbst vorgehen. Obwohl verschiedene Maßnahmen ergriffen wurden, um eine derartige Vergiftung zu verhüten, ist es im großen und ganzen doch sehr schwierig, derartige Katalysatoren im Sicherheitsbehälter eines Kernreaktors zu verwenden.

Aus dem US-Patent Nr. 3 307 913 ist eine sogenannte offene Verbrennung bekennt geworden, um ein Vakuum innerhalb des Sicherheit sbehälte rs zu erzeugen. Obwohl nach diesem Patent das Problem der Beseitigung des im Sicherheitsbehälter entstehenden Wasserstoffes selbst nicht behandelt wird, wird durch den Brenner, der das Vakuum erzeugen soll, doch ein Teil des Wasserstoffs verbrannt. Um Jedoch auch eine gezielte Verbrennung zu erreichen, wird ein Teil der Atmosphäre innerhalb des Sicherheit sbehält er s dem Brenner durch die natürliche Zirkulation und außerdem noch Wasserstoff von einer Quelle außerhalb des Behälters zugeführt, um eine brennbare Atmosphäre innerhalb der Brennkammer zu erzeugen. Das Vakuum entsteht dabei dadurch, daß ein Teil des Sauerstoffs innerhalb des Sicherheitebehälters mit verbrannt wird. Nach diesem Verfahren wird zwar der Sauerstoffgehalt der Luft im Sicherheitsbehälter vermindert, jedoch steigt der Anteil des unverbrannten Wasserstoffs an. Dadurch wird die Flamme in diesem Brenner zunehmend unstabil, bevor der Saueretoffspiegel soweit abgesunken ist, daß eine Waseerstoffexplosion nicht mehr möglich ist.

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Ferner ist in dem US-Patent Nr. 3 155 310 ein Verfahren beschrieben, nach dem «usätzlicher Sauerstoff zu der Wasserstoffmischung zugefügt wird, um eine vollständigere Verbrennung der Mischung zur Erhaltung eines Vakuums zu erreichen. Ein? einfache Kombination einer derartigen Sauerstoffzufuhr zu einem Verbrennungssystem, wie es in dem ersten US-Patent beschrieben ist, ergibt jedoch keine ausreichenden Ergebnisse. Insbesondere wird ein derartiges kombiniertes System ungenügend arbeiten, da es im wesentlichen von der jeweils vorliegenden Gasschichtung abhängig ist, und wobei außerdem ein Rückschlagen der Flamme nicht vermieden werden kann. Es bildet sich nämlich eine Wasserdampfschicht von der Verbrennungskammer nach oben zum Oberteil des Sicherheitsbehältera und bedingt, daß sich der Wasserstoff, der in der Luft enthalten ist, in den unteren Regionen ausbreitet und somit eine Gasechichtung bildet, die allein durch die natürliche Zirkulation in die Verbrennungskammer gelangen kann. Eine derartige Schichtung kann jedoch explosive Wasserstoffpolster bilden. Darüber hinaus kann die Flamme zurückschlagen oder au3 dem Brenner durch die Gaszuführungsleitungen in den Sicherheitsbehälter austreten, da keinerlei konstant arbeitende Gasquelle vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Beseitigung dieses Wasserstoffs zu schaffen, die unter allen Betriebsbedingungen arbeitet und eine sichere Verbrennung ohne Rücksehlagen der Flamme gewährleistet. Dabei wird ebenfalls von einer Brennkammer innerhalb des Sicherheitsbehälters Gebrauch gemacht.

Die Erfindung besteht dabei darin, daß der Brenner der Brennkammer mit einer Zuleitung von einem die Luft innerhalb des SicherheitBbehälters ansaugenden Gebläses und einer weiteren Zuleitung von einer außerhalb-des Sicherheitsbehälters angeordneten zusätzlichen Wasserstoffquelle verbunden ist, und daß eine zusätzliche Sauerstoffquelle mit einer innerhalb des Sicherheitsbehälters frei endenden Förderleitung sowie eine innerhalb def5 Sicherheitsbehälters angeordnete Kühl- und Umwälzvorrichtung für die Luft im Sicherheitsbehälter vorgesehen sind.

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Durch das Einblasen der Luft des Sicherheitsbehälters in den Brenner und zusätzliches Zuführen von Wasserstoff direkt zum Brenner und Sauerstoff zur luft wird eine gleichmäßige Verbrennung des Gemisches in der Brennkammer erreicht. Eine Schichtung der Gase innerhalb des Sicherheitsbehälter wird zusätzlich durch die Umwälzvorrichtung vermieden.

Die Brennkammer selbst kann dabei mit einem Temperaturfühler versehen sein, der über eine Regeleinrichtung derart mit einem Ventil in der Wasserstoffzuleitung in Verbindung steht, daß der Wasserstoffstrom bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur von 72O⁰C in der Brennkammer erhöht wird.

Ferner kann eine von einem Mengenmesser in der Wasserstoffleitung beaufschlagte Meßeinrichtung derart mit einer weiteren Regeleinrichtung und einem Ventil in der Sauerstoffleitung in Wirkverbindung stehen, daß stets eine stö'chiometrische Verbrennung in der Brennkammer gewährleistet ist.

Zum Vermeiden vom Rückschlagen der Flamme kann die Luft zuleitung vor der Brennkammer mit einer Flammensperre versehen sein. Diese Flammensperre kann sowohl vor als hinter der Brennkammer angeordnet sein und mit einem Wasserschleier arbeiten.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Sicherheitsbehälter nach

der Erfindung und
Fig. 2 eine ähnliche Anlage mit zusätzlichen Flammensperren.

Nach Fig. 1 wird durch ein Gebläse 1 ein konstanter Luftstrom aus dem Sicherheitsbehälter 2 in eine Brennkammer 3 geblasen, und zwar in einer derartigen Menge, daß durch die Verbrennung des Wasserstoffs der Wasserstoffanteil im Sicherheitsbehälter selbst unterhalb des Flammpunktes des Wasserstoffs gehalten wird, der bei etwa 4 Volumenprozent liegt. Dos Verhältnis der

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Wasserstoff- und.Sauerstoffzusammensetzung innerhalb des Sicherheitsbehälters 2 kann dabei von Zeit zu Zeit durch eine Probenentnahme über ein Ventil 4 und einer anschließenden Gasanalyse festgestellt werden.

Um eine derartige Verbrennung mit stabiler Flamme in'der Brennkammer zu gewährleisten, muß zusätzliches Wasseratoffgas von einem Gasreservoir 6 oder einem Gaserzeuger außerhalb des Sicherheitsbehälters 2 dem Brenner 5 innerhalb der Brennkammer 3 zugeführt werden. Darüber hinaus ist es wünschenswert, zusätzlich Sauerstoff zuzuführen, da der Sauerstoff innerhalb des Behälters 2 auch in der Brennkammer 3 verbrannt wird. Zu diesem Zweck ist Jj eine Säuerstoffquelle 7 ebenfalls außerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet, wobei die Sauerstoffzuleitung 15 frei im Sicherheitsbehälter endet. Die Flamme selbst kann durch einen entsprechenden Zünder, bekannter Bauart im Brenner gezündet werden.

Die Menge dea eingespeisten Wasserstoffs kann durch einen Temperaturfühler 8 innerhalb der Brennkammer 3 ermittelt werden. Das durch den Temperaturfühler 8 ermittelte Signal wird an eine Regeleinrichtung 9 herkömmlicher Bauart weitergegeben, die wiederum auf ein Stellventil 10 in der Wasserstoffspeiseleitung 13 einwirkt. Die Regeleinrichtung 9 arbeitet so, daß in der Brennkammer 3 stets eine Verbrennung etwa bei 87O⁰C erfolgt, was j durch den Temperaturfühler 8 festgestellt werden kann. Diese ™ Temperatur liegt sicher oberhalb der Entflammtemperatur von 720⁰C des Wasserstoffs. Als Ergebnis wird der Wasserstoff in der zirkulierenden Atmosphäre durch Oxidation bei der Verbrennung verbraucht, wobei diese Verbrennung durch die externe Wasserst off quelle 6 unterstützt wird. Wenn Sauerstoff zusätzlich erforderlich ist, wird er in einer derartigen Menge eingeführt, daß stets, eine stöchiometrische Verbrennung in "der Brennkammer gewährleistet ist. Dies kann durch einen Strömungsmesser 12 in der Wasserstoffspeiseleitung 13 und einem-entsprechenden Strömungsmesser 14 in der Säuerstoffleitung 15 erreicht werden. Die Gaemenge, die vom Strömungsmesser 12 erfaßt wird,- wird von einem Strömungsregler 16 an einen entsprechenden Strömungs-

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regler 18 weitergegeben, der wiederum das Stellventil 20 in der Säuerstoffleitung 15 regelt. Die Menge des Wasserstoffs und Sauerstoffs ist natürlich abhängig von der Gasmenge, die durch die Leitung 11 vom Gehläse 1 in den Brenner 3 einströmt.

Ein gesondertes Umwälzsystem 22 wälzt die Gase im Sicherheitsbehälter 2 um und kühlt sie gleichzeitig. Die Umwälzung muß dabei so groß sein, daß die Gase stets gut gemischt werden und daß eine Schichtung des Wasserstoffs vermieden wird. Dieses Umwälzsystem 22 enthält gleichzeitig einen Kühler, der das Wasser kondensiert, das duroh die Oxidation des Wasserstoffs in der Brennkammer 3 entstanden ist. Die Pfeile 23 zeigen die Strömung innerhalb des Sicherheitsbehälters an.

Es sei ferner noch festgestellt, daß die Verwendung von Wasserstoff als Brenngas im Brenner bewirkt, daß die Menge des nichtkondensierbaren Gases im Sicherheitsbehälter niemals ansteigt. Da die luft innerhalb des Sicherheitsbehälters zur Verbrennung dient, ist es möglich, daß der Druck im Behälter zeitweise unter den atmosphärischen Druck absinkt, solange nicht Sauerstoff aus dem Vorratstank 7 zugefügt wird.

Um zu verhüten, daß unerwünschte örtliche Ansammlungen sehr heißer Verbrennungsgase, die aus der Brennkammer ausströmen, sich innerhalb des Sicherheitsbehälters bilden, können diese heißen Gase durch Wassersprühen, Mischung oder Verdünnung mit der Luft im Sicherheitsbehälter oder andern geeigneten Mitteln gekühlt werden.

Wie sich aus dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ergibt, wird der Wasserstoff sofort nach einer Entstehung innerhalb des Sicherheitsbehälters 2 verbrannt. Eine andere Ausführungsform ist in Pig. 2 beschrieben, die im Hinblick auf die Verbrennung und Gaszuführung im wesentlichen der Ausführungsform nach Pig. entspricht. Hierbei wird die vom Gebläse angesaugte Luft aus dem Sicherheitsbehälter 2 jedoch durch eine Flammensperre 24 geblasen, die aus einem Wasserschleier oder aus einer metallischen

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Sperre öder ähnlichem "bestehen kann. Damit· die Gase durch die Flammensperre 24 in die Brennkammer 3 gelangen können, ist ein hinreichender Druck erforderlich, damit die Einströmgeschwindigkeit des Gases größer ist als die Entflammgeschwindigkeit des Wasserstoffs, um Flammenrückschläge zu vermeiden. Der Brenner 5 in der Brennkammer ist in einfacher Form ausgebildet und kann aus keramischem Material "bestehen oder mit Wasser gekühlt sein, so daß er durch die Flamme nicht angegriffen wird. Die Gase, die die Brennkammer 3 verlassen,strömen anschließend durch eine zweite Flammensperre 25» die ähnlich wie die Flammensperre 24 aufgebaut ist, in den Sicherheitsbehälter 2 zurück. Wenn der Wasserstoffanteil innerhalb des Sicherheitsbehälters soweit ]| zurückgegangen ist, daß seine Konzentration nicht mehr ausreicht, ;J um eine stabile Flamme zu gewährleisten, kann auch hier zusätzlich Wasserstoff von außen aus dem Vorratsbehälter 6, wie im obengenannten Ausführungsbeispiel, zugeführt werden. Ebenfalls kann Sauerstoff von der Quelle 7 zugeführt werden. Wenn die Flammensperren 24 und 25 mit einem Wasserschleier arbeiten, so kann · das Wasser von diesen Sperren über siphonartig ausgebildete Leitungen 27 und 28 in einen Sumpf 26 ablaufen. Die Flammensperren 24 und 25 erhalten dann das Wasser aus dem Sumpf 26" über eine Pumpe 30 und einen Wärmetauscher 29 durch die Rohrleitung 31 zugeführt.

5 Patentansprüche \g

2 Figuren . · .

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Claims

Patentansprüche

r 1 ·,/Einrichtung zur Beseitigung von im Sicherheitsbehälter eines Atoinkernreaktors freiwerdenden Wasserstoffs durch Verbrennung desselben in einer Brennkammer innerhalb des Sicherheitsbehälters, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (5) der Brennkammer (3) mit einer Zuleitung (12) von einem die Luft innerhalb des Sicherheitsbehälters (2) ansaugenden Gebläses (1) und einer weiteren Zuleitung (13) von einer außerhalb des Sicherheitsbehälters (2) angeordneten zusätzlichen Wasserstoffquelle (6) verbunden ist und daß eine zusätzliche Sauerstoffquelle (7) mit einer innerhalb des Sicherheitsbehälters (2) frei endenden Förderleitung (15) sowie eine innerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnete Kühl- und Umwälzvorrichtung (22) für die Luft im Sicherheitsbehälter vorgesehen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (3) mit einem Temperaturfühler (8) versehen ist, der über eine Regeleinrichtung (9) derart mit einem Stellventil (10) in der Wasserstoffzuleitung (13) in Verbindung steht, daß der Wasserstoffstrom bis zur Erreichung einer Mindesttemperatur von 720 C in der Brennkammer (3) erhöht wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Mengenmesser (12) in der Wasserstoffleitung (13) beaufschlagter ötrömungsregler derart mit einem weiteren Strömungsregler (18) und einem Stellventil (20) in der Sauerstoffleitung (15) in Wirkverbindung steht, daß stets eine stöchiometrische Verbrennung in der Brennkammer (3) gewährleistet ist.

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4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuleitung (1.1) vor der Brennkammer (3) mit einer Flammensperre (24) versehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor und hinter der Brennkammer (3) je eine mit einem Wasserschleier arbeitende Flammensperre (24,25) vorgesehen ist.

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