DE3739720A1 - Eliminating hydrogen from a post-accident atmosphere of a nuclear power station - Google Patents
Eliminating hydrogen from a post-accident atmosphere of a nuclear power stationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beseitigung von Wasserstoff aus einer Nachunfallatmosphäre eines Kern kraftwerks mittels milder Reaktionen des Wasserstoffs mit organischen Substanzen (Hydrierungen, Hydrogenolysen).The invention relates to a method for elimination of hydrogen from an after-accident atmosphere of a core power plant using mild hydrogen reactions organic substances (hydrogenation, hydrogenolysis).
Es ist bekannt, daß nach einem schweren Unfall in einem Kern kraftwerk durch Metall-Wasser-Reaktionen entstehender Wasserstoff aus der Gasphase entfernt werden muß, um explosionsartige Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionen mit hohen Druckspitzen zu verhindern; ansonsten ist ein frühzeitiges Versagen des Sicherheitsbehälters nicht auszuschließen. Seit langem sind bereits verschiedene Verfahren zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff bekannt z. B.:It is known that after a serious accident in a core Hydropower generated by metal-water reactions must be removed from the gas phase to be explosive Hydrogen-oxygen reactions with high pressure peaks to prevent; otherwise there is an early failure of the Security container cannot be excluded. Various recombination methods have been around for a long time known from hydrogen and oxygen z. B .:
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- thermische Rekombination
thermische Rekombinatoren sollen nach einem Unfall extern an den Sicherheitsbehälter angeschlossen werden, um die abzupumpende Nachunfallatmosphäre mittels kontrollierter thermischer Rekombination ggf. unter Sauerstoffzugabe von Wasserstoff zu befreien. Der Rekombinationsdurchsatz, der letztlich durch den Anschlußquerschnitt begrenzt ist, erlaubt nur eine lokal stattfindende Langzeitreduzierung der Wasserstoffkonzentration, die jedoch bei einem Unfall im Sicherheitsbehälter in kurzer Zeit sehr stark ansteigt und außerdem nicht homogen verteilt ist. Die in diesem Fall vorliegende hohe Strahlenintensität erschwert das Anschließen und Betreiben dieser Rekombination zusätzlich.- thermal recombination
After an accident, thermal recombiners are to be connected externally to the safety container in order to free the post-accident atmosphere to be pumped out by means of controlled thermal recombination, if necessary with the addition of oxygen, and hydrogen. The recombination throughput, which is ultimately limited by the connection cross section, only allows a local long-term reduction in the hydrogen concentration, which, however, increases very rapidly in a short time in the event of an accident in the containment and is also not homogeneously distributed. The high radiation intensity in this case makes it even more difficult to connect and operate this recombination. -
- katalytische Rekombination
katalytische Rekombinatoren sind Kontaktkatalysatoren, an deren Grenzschichten Wasserstoff und Sauerstoff unter Wärmefreisetzung rekombinieren. Erfahrungen mit üblichem Katalysatormaterial wie Platin haben gezeigt, daß sich durch thermische und/oder mechanische Belastungen feinste Partikel vom eigentlichen Katalysatormaterial ablösen können, denen eine ausreichende Wärmeabfuhr fehlt. Bei hohen Wasserstoffumsätzen können sich diese Partikel (historische Döbereiner Feuerzeug) bis auf Glühtemperatur aufheizen und lokal Explosionen auslösen, die zu einem frühzeitigen Versagen des Sicherheitsbehälters führen können. Darüberhinaus enthält eine Nachunfallatmosphäre verschiedenste Elemente und Verbindungen, deren Wirkungen als mögliche Katalysatorgifte bisher nicht untersucht wurden. Somit kann im Ernstfall eine kontaktkatalytische Rekombination stark beeinträchtigt oder unmöglich werden.- catalytic recombination
Catalytic recombiners are contact catalysts, at the boundary layers of which hydrogen and oxygen recombine with the release of heat. Experience with conventional catalyst material such as platinum has shown that, due to thermal and / or mechanical loads, the finest particles can detach from the actual catalyst material and lack adequate heat dissipation. With high hydrogen conversions, these particles (historical Döbereiner lighter) can heat up to the glow temperature and trigger local explosions, which can lead to premature failure of the containment. In addition, an after-accident atmosphere contains a wide variety of elements and compounds, the effects of which have not been investigated as possible catalyst poisons. In an emergency, contact catalytic recombination can be severely impaired or impossible. -
- Funkenrekombination
Zündkerzen zur Wasserstoffoxidation erfordern die ständige Versorgung mit elektrischer Energie. Neben ungewollten Zündungen lokal erhöhter Wasserstoffkonzentrationen mit den bereits erwähnten Folgen können in der Nachunfallatmosphäre an den Funkenelektroden im Dauerbetrieb große Korrosionsprobleme auftreten.- spark recombination
Spark plugs for hydrogen oxidation require a constant supply of electrical energy. In addition to unwanted ignitions of locally increased hydrogen concentrations with the consequences already mentioned, major corrosion problems can occur in the post-accident atmosphere of the spark electrodes in continuous operation. -
- Rekombination an CuO₂
Baukal et al / BMI-1984-033 "Möglichkeiten zur Wasserstoff beseitigung"/ schlagen vor, die Nachunfallatmosphäre außerhalb des Sicherheitsbehälters abzusaugen und den Wasserstoff über CuO₂ thermisch zu oxidieren. Das dabei entstehende Cu muß ständig regeneriert oder gegen unverbrauchtes CuO₂ ausgetauscht werden. Auch diese Lösung erlaubt nur eine längerfristige Beseitigung des in großen Mengen kurzfristig entstehenden Wasserstoffs aus dem Sicherheitsbehälter und ist daher wie die thermische Rekombination zu beurteilen.- Recombination on CuO₂
Baukal et al / BMI-1984-033 "Possibilities for removing hydrogen" / propose to vacuum the post-accident atmosphere outside the containment and to thermally oxidize the hydrogen via CuO₂. The resulting Cu must be constantly regenerated or exchanged for unused CuO₂. This solution, too, only allows long-term removal of the large quantities of hydrogen from the containment and is therefore to be assessed like thermal recombination.
Ein gravierender Nachteil aller bisherigen Lösungsvorschläge ist die Beschränkung der Rekombinatorwirkung auf die einmal ausgewählten Installationsorte bzw. deren Nahbereiche, die der Wasserstoff nur langsam über turbulente und/oder molekulare Diffusion erreichen kann.A serious disadvantage of all previous solutions is the limitation of the recombiner effect to once selected installation locations or their immediate vicinity, the the hydrogen slowly over turbulent and / or molecular Diffusion can achieve.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einer Nachunfall atmosphäre eines Kernkraftwerks den Wasserstoff schnell und vorwiegend im Gasraum zu beseitigen, wobei die gravierenden Nachteile früherer Lösungsvorschläge vermieden werden. Wasserstoff- Sauerstoff-Reaktionen, wie sie in Tschernobyl und in abgeschwächter Form in Three Mile Island aufgetreten sind, dürfen sich nicht wiederholen.The invention has for its object from a post-accident atmosphere of a nuclear power plant quickly and to be eliminated primarily in the gas space, with the serious Disadvantages of previous solutions can be avoided. Hydrogen- Oxygen reactions, as in Chernobyl and in weakened form occurred in Three Mile Island do not repeat themselves
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wasserstoff mit zusätzlich zugeführten, ungesättigten organischen Substanzen an Kontaktkatalysatoren oder an organmetallischen Katalysatoren oder durch chemische Aktivierung der Reaktionspartner im Strah lungsfeld ionisierender Strahlen in milden Reaktionen (d. h. unter geringer Energiefreisetzung) reagiert und so an die organischen Substanzen gebunden wird. Die hierzu notwendigen Stoffe können auch in Gas-, Dampf- oder Aerosolform zugeführt werden. Bei Einsatz des Tröpfchenaerosols können somit bereits früher in der flüssigen Phase erprobte Hydrierreaktionen auch im Gasraum ablaufen. Die hierzu erforderlichen Substanzen und Materialien können nach entsprechender Prüfung aus einer Vielzahl bekannter Möglichkeiten / z. B. Ullmann Bd. 13 S. 546; Bd. 16 S. 602; Bd. 24 S. 328ff/ ausgewählt werden; Tröpfchenaerosole lassen sich beispielsweise mit bekannten Flüssigkeitszerstäubern - ggf. unter Nutzung von Druckdifferenzen - im Sicherheitsbehälter erzeugen. This object is achieved in that the hydrogen with additionally supplied unsaturated organic substances Contact catalysts or on organometallic catalysts or by chemical activation of the reactants in the beam field of ionizing radiation in mild reactions (i.e. under low energy release) and reacts to the organic Substances is bound. The substances necessary for this can also be supplied in gas, vapor or aerosol form. When using the droplet aerosol, you can use it earlier Proven hydrogenation reactions in the liquid phase also in the gas space expire. The substances and materials required for this can be tested from a variety of known Possibilities / z. B. Ullmann vol. 13 p. 546; 16 p. 602; 24 p. 328ff / can be selected; Droplet aerosols can be for example with known liquid atomizers - if necessary under Use of pressure differences - generate in the containment.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind folglich nicht räumlich redundante Einbringvorrichtungen sondern die Nutzung solcher Reaktionen, die zu einer Anlagerung des Wassestoffs an ungesättigte organische Substanzen in milden Reaktionen führen, sowie der Einsatz der dafür notwendigen Stoffe.The present invention therefore does not relate to space redundant insertion devices but the use of such Reactions that lead to an accumulation of hydrogen cause unsaturated organic substances in mild reactions, as well as the use of the necessary materials.
Wichtige Vorteile der Erfindung liegen darin, daßImportant advantages of the invention are that
- - bereits überall im Gasraum, d. h. insbesondere in kritischen Bereichen, eine schnelle Beseitigung des Wasserstoffs mittels milder Reaktionen erfolgt und damit- Already everywhere in the gas room, d. H. especially in critical Areas, using a quick elimination of hydrogen mild reactions occur and with it
- - eine bisher unvermeidbare Beschränkung der Wasserstoffbeseitigung auf lokal festgelegte Reaktionsbereiche an Kontaktkatalysatoren oder auf außerhalb des Sicherheitsbehälters angebrachte Systeme entfällt und- a previously unavoidable restriction on hydrogen removal to locally defined reaction areas on contact catalysts or attached to the outside of the containment Systems eliminated and
- - die Enthalpien der milden Reaktionen deutlich geringer sind als bei bisher vorgeschlagenen Wasserstoffoxidationen, so daß einerseits ein generell reduzierter Temperaturanstieg aufgrund der Wasserstoffbeseitigung auftritt und andererseits- The enthalpies of the mild reactions are significantly lower than with previously proposed hydrogen oxidations, so that on the one hand a generally reduced temperature rise occurs due to hydrogen removal and on the other hand
- - ungewollte lokale Zündungen durch Aufheizen von Partikeln aus Katalysatormaterial vermieden werden und- unwanted local ignitions by heating up particles Catalyst material can be avoided and
- - eine Katalysatorvergiftung im Gasraum auszuschließen ist, wenn organometallisches Katalysatormaterial in Aerosolform mit extrem vergrößerter Oberfläche ständig nachgeliefert wird.- catalyst poisoning in the gas space must be excluded, if organometallic catalyst material in aerosol form with an extremely enlarged surface is constantly supplied.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dieser Erfindung ein frühzeitiges Sicherheitsbehälterversagen aufgrund von Wasserstoff- Explosionen oder -Detonationen verhindert werden kann. Wegen geringer Energiefreisetzungen milder Reaktionen ist auch eine Verbesserung bekannter kontaktkatalytischer Verfahren zur Wasserstoffbeseitigung aus Gasphasen (z. B. OS DE 36 04 416 Chakroborty et al) möglich. Es bliebe aber zu prüfen, ob bei hohen Wasserstoffumsätzen an den sehr dünnen Katalysatorschichten dieser OS auch mit milden Reaktionen noch zu große Temperatur gradienten auftreten, die aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungs koeffizienten der verschiedenen Schichtmaterialien lokales Abblättern oder Partikelablösung von Katalysatormaterial verursachen können. Sollten aber solche Partikel auftreten, dann wäre eine frühe Explosionszündung durch die auch an diesen Partikeln ablaufenden milden Reaktionen wesentlich weniger wahrscheinlich als bei den Oxidationsreaktionen, die die genannte OS vorsieht. In summary it can be said that with this invention a early containment failure due to hydrogen Explosions or detonations can be prevented. Mild reactions due to low energy releases also an improvement of known contact catalytic processes for removing hydrogen from gas phases (e.g. OS DE 36 04 416 Chakroborty et al) possible. But it would have to be checked whether at high Hydrogen sales on the very thin catalyst layers this OS is too high even with mild reactions gradients occur due to different expansion coefficients of the different layer materials local peeling or cause particle detachment from catalyst material can. But should such particles occur, then that would be an early explosion due to the presence of these particles mild reactions are much less likely than in the oxidation reactions provided by the OS mentioned.
Als weitere, wesentliche Neuerung werden milde Reaktionen des Wasserstoffs mit den organischen Substanzen an organometallischen Katalysatoren (OMK) vorgestellt, die meist aus organischen Metallkomplexen bestehen, wobei Übergangsmetalle wie die Edelmetalle sich als besonders geeignet erweisen. Bei einer hier vorgesehenen Lösung der Aufgabe, den Wasserstoff bereits aus dem Gasraum zu beseitigen, können die Reaktionspartner (OMK u. organische Substanzen) als Aerosole im Gasraum wirksam werden. Zu erwartende Aerosolverluste aus dem Gasraum durch Effekte wie Deposition, Kondensation, Diffusio- und Ther mophorese sowie eine mögliche Katalysatorvergiftung können durch Nachlieferung frischer, unverbrauchter Reaktionspartner in Aerosolform ausgeglichen werden (ggf. mit Sumpfumwälzung). In der Nähe der Kernschmelze treten hohe Temperaturen und damit verbundene Metall-Wasserstoffreaktionen sowie hohe Intensitäten ionisierender Strahlen auf. Erfolgen Dissoziierung des Wasserstoffs und chemische Aktivierung der gas-, dampf- oder aerosolförmigen organischen Substanzen bereits im Feld ionisierender Strahlen, so können milde Reaktionen der Reaktionspartner im Gasraum auch ohne Katalysatorwirkung ablaufen.Another major innovation is the mild reactions of the Hydrogen with the organic substances on organometallic Catalysts (OMC) are presented, mostly made of organic Metal complexes exist, with transition metals such as the precious metals prove to be particularly suitable. At a The proposed solution to the problem, the hydrogen already The reactants can eliminate from the gas space (OMC and organic substances) as aerosols in the gas space be effective. Expected aerosol losses from the gas space through effects such as deposition, condensation, diffusion and therm mophoresis and possible catalyst poisoning by delivering fresh, unused reaction partners be compensated in aerosol form (possibly with sump circulation). High temperatures occur near the meltdown and therefore associated metal-hydrogen reactions as well as high intensities ionizing rays. Successful dissociation of hydrogen and chemical activation of the gas, vapor or aerosol organic substances already ionizing in the field Radiate, so mild reactions of the reactants in the Drain the gas space even without a catalytic effect.
Unter katalytischer Hydrierung (Hydrogenisierung) versteht man die Anlagerung von Wasserstoff an Verbindungen in Gegenwart eines Katalysators. Im allgemeinen verlaufen diese Anlagerungs reaktionen als Molekülreaktionen exotherm entsprechend folgender Bruttogleichung:Catalytic hydrogenation (hydrogenation) means the addition of hydrogen to compounds in the presence a catalyst. In general, these additions take place reactions as molecular reactions exothermic according to the following Gross equation:
A + nH₂ ⇄ B - Δ H A + n H₂ ⇄ B - Δ H
A = Ausgangsmolekül
B = Hydrier-Produkt
n 1
H₂ = molekularer Wasserstoff
H = Enthalpie A = starting molecule
B = hydrogenation product
n 1
H₂ = molecular hydrogen
H = enthalpy
Das Gleichgewicht liegt bei Temperaturen <400°C meist auf Seiten der Hydrier-Produkte B. Rückreaktionen, Dehydrierungen, treten häufig oberhalb 400°C auf. Im Gegensatz zu Ionenreaktionen verlaufen Molekülreaktionen deutlich langsamer, da in tramolekulare Bindungen zur Aktivierung der Moleküle gelöst werden müssen. In homogener Phase reicht die thermische Energie bei Temperaturen <500°C nicht aus, die Schwelle der Ak tivierungsenergie zu überwinden. Mit geeigneten Hydrierkatalysatoren läßt sich die Aktivierungsenergie der Hydrierreaktionen soweit herabsetzen, daß milde Reaktionen bereits bei Temperaturen <100°C auftreten / Ullmann Bd. 13. S. 136 /. Bei Kontaktkatalysatoren dissoziieren Wasserstoffmoleküle an den Grenzflächen durch Chemisorption in monoatomaren Schichten. Es liegen hochaktive Wasserstoffatome mit niedriger Platzwechselenergie und damit verbundener, großer Beweglichkeit auf der Katalysatoroberfläche vor. Die Wahrscheinlichkeit einer Desorption der Wasser stoffatome ist wegen der relativ großen Aktivierungsenergie sehr gering. Die Chemisorption der zu hydrierenden organischen Substanz(en) auf der gleichen Katalysatoroberfläche führt ebenfalls zu einer Aktivierung der Substanz(en), so daß eine Hydrierung, eine milde Reaktion, erfolgt.The equilibrium is usually at temperatures <400 ° C Sides of the hydrogenation products B. back reactions, dehydrations, often occur above 400 ° C. In contrast to ion reactions Molecular reactions are significantly slower because in tramolecular bonds are released to activate the molecules Need to become. The thermal energy is sufficient in a homogeneous phase at temperatures <500 ° C the threshold of the Ak overcoming activation energy. With suitable hydrogenation catalysts the activation energy of the hydrogenation reactions reduce to the extent that mild reactions already at temperatures <100 ° C occur / Ullmann vol. 13 p. 136 /. For contact catalysts Hydrogen molecules dissociate at the interfaces through chemisorption in monoatomic layers. There are highly active ones Hydrogen atoms with low space exchange energy and associated great mobility on the catalyst surface in front. The likelihood of desorption of the water is because of the relatively large activation energy very low. The chemisorption of the organic to be hydrogenated Substance (s) on the same catalyst surface also leads to activate the substance (s) so that hydrogenation, a mild reaction occurs.
Insbesondere die Übergangsmetalle, z. B. Edelmetalle, sind zur Dissoziierung und Aktivierung des Wasserstoffs geeignet, da sie ihre unvollständig besetzten, inneren Elektronenschalen mit den Elektronen der adsorbierten Moleküle oder Atome (H⁺) zur Edelgas konfiguration auffüllen können. Platin-(Pt) oder Palladium-(Pd) Kontakte zeigen hochaktive Katalysatoreigenschaften, wobei Pt eine noch etwas höhere Hydrieraktivität als Pd aufweist. An Pt- Kontakten treten neben Hydrierungen auch Hydrogenolyse-Reaktionen auf.In particular, the transition metals, e.g. B. precious metals are for Dissociation and activation of hydrogen are suitable as they their incompletely occupied, inner electron shells with the Electrons of the adsorbed molecules or atoms (H⁺) to the noble gas configuration can fill. Platinum (Pt) or palladium (Pd) Contacts show highly active catalyst properties, with Pt has a slightly higher hydrogenation activity than Pd. At Pt- In addition to hydrogenation, contacts also occur hydrogenolysis reactions on.
Bei OMK in homogener Phase sind anstelle der Grenzoberflächen mit Chemisorption einzelne Moleküle (Metallkomplexe) mit Anla gerungsprozessen katalytisch aktiv. Die Hydriereigenschaften werden bei den OMK nicht nur von der Art der Metallatome im Komplex sondern auch von der Art der sonstigen Liganden stark beeinflußt. OMK-Reaktionen z. B. in flüssiger Phase sind z. B. in / Ullmann Bd. 13 S. 137 / beschrieben:At OMK in a homogeneous phase instead of the boundary surfaces with chemisorption individual molecules (metal complexes) with anla processes are catalytically active. The hydration properties At OMK, not only the type of metal atoms in the Complex but also strong on the nature of the other ligands influenced. OMK reactions e.g. B. are in the liquid phase e.g. B. in / Ullmann vol. 13 p. 137 /:
Weiterhin findet sich eine übersichtliche Darstellung von Hydrierungen verschiedenster ungesättigter Kohlenwasserstoffe unter milden Bedingungen beispielsweise mittels des am universellsten einsetzbaren OMK ClRh[P(C₆H₅)₃]₃ - Chloro-tris- tri phenylphosphan -rhodium - in / B. R. James: Homogenous Hydrogenation J. Wiley New York 1973; F. M. Jardine: Prog. Inorg. Chem. 28 64 (1981)/.There is also a clear presentation of hydrogenations various unsaturated hydrocarbons under mild conditions using, for example, the most universal usable OMK ClRh [P (C₆H₅) ₃] ₃ - chloro-tris- tri phenylphosphane -rhodium - in / B.R. James: Homogeneous hydrogenation J. Wiley New York 1973; F. M. Jardine: Prog. Inorg. Chem. 28 64 (1981) /.
Die Randbedingungen der Hydrierreaktionen an OMK überstreichen sehr große Bandbreiten, z. B.Paint over the boundary conditions of the hydrogenation reactions on OMK very large bandwidths, e.g. B.
- - einen weiten Partialdruckbereich von Wasserstoff 48 kPa (480 mbar) /G.Plattbrood: J. Mol Catal. 1 265 (1965/76)/ bis 1.6 · 10⁷ Pa (160 bar) /N. Nakamura u. S. Otsuka: Tetrahedron Lett. 1973 4529/- a wide partial pressure range of hydrogen 48 kPa (480 mbar) / G. Platbrood: J. Mol Catal. 1 265 (1965/76) / up to 1.6 · 10⁷ Pa (160 bar) / N. Nakamura et al. S. Otsuka: Tetrahedron Lett. 1973 4529 /
- - einen großen Temperaturbereich von 20°C /M. Cais u. D. Fraenkel: Coord. Chem. Rev. 16 27 (1975)/ bis 200°C /A. Futura: Agric. Biol. Chem. 46 1757 (1982)/- a wide temperature range of 20 ° C / M. Cais et al. D. Fraenkel: Coord. Chem. Rev. 16 27 (1975) / up to 200 ° C / A. Futura: Agric. Biol. Chem. 46 1757 (1982) /
- - neben üblichen organischen Lösungsmitteln auch Wasser (H₂O) /Y. Dror u. J. Manassen: J. Mol. Catal. 2 219 (1977) und A. F. Borowski et al: Nouv. J. Chim. 2 137 (1987)/.- in addition to common organic solvents Water (H₂O) / Y. Dror u. J. Manassen: J. Mol. Catal. 2nd 219 (1977) and A.F. Borowski et al: Nouv. J. Chim. 2nd 137 (1987) /.
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Cited By (3)
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WO1991020086A1 (en) * | 1990-06-21 | 1991-12-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Process and device for oxidation of hydrogen |
DE4421601C1 (en) * | 1994-06-21 | 1995-08-24 | Siemens Ag | Device to create inert atmos. in containment vessel of nuclear reactor |
WO2022057927A1 (en) * | 2020-09-21 | 2022-03-24 | 中广核研究院有限公司 | Combustible gas control method and system |
-
1987
- 1987-11-24 DE DE19873739720 patent/DE3739720A1/en not_active Withdrawn
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