DE9303209U1 - Catalyst arrangement for a containment vessel of a light water reactor - Google Patents

Catalyst arrangement for a containment vessel of a light water reactor

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Description

Katalvsatoranordnunq für den Sicherheitsbehälter eines LeichtwasserreaktorsCatalytic converter arrangement for the containment vessel of a light water reactor

Die Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung für einen Sicherheitsbehälter eines LeichtwasserreaktorsThe invention relates to a catalyst arrangement for a containment vessel of a light water reactor

a) mit einem Katalysator, der die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser begünstigt, dera) with a catalyst that promotes the oxidation of hydrogen to water, the

b) auf ein poröses Trägermaterial aufgezogen ist undb) is applied to a porous carrier material and

c) mit der Atmosphäre des Sicherheitsbehälters in Kontakt steht.c) is in contact with the atmosphere of the containment vessel.

Mit solchen Katalysatoranordnungen sollen die Sicherheitsbehälter von Leichtwasserreaktoren nachgerüstet werden. Bei schweren Unfällen werden im Sicherheitsbehälter infolge von Reaktionen der Kernbrennstoffschmelze und des Hüllrohrmaterials mit Wasser und Beton größere Mengen an Wasserstoff freigesetzt. Mit den Katalysatoranordnungen soll erreicht werden, daß der freigesetzte Wasserstoff bereits bei unkritischen Konzentrationen mit dem Sauerstoff der Atmosphäre des Sicherheitsbehälters zu Wasser oxidiert wird. Hierdurch wird die Gefahr einer Wasserstoffexplosion beseitigt. Für die Oxidation des Wasserstoffs ist ein Katalysator notwendig, der bei niedrigen Temperaturen und Wasserstoffkonzentrationen die Bildung von Wasser begünstigt. Als Katalysatormetalle werden insbesondere Platin und Palladium und als Trägermaterialen körnige Schüttungen von Stoffen mit großer innerer Oberfläche vorgeschlagen.Such catalyst arrangements are intended to be used to retrofit the containment vessels of light water reactors. In the event of serious accidents, large amounts of hydrogen are released in the containment vessel as a result of reactions between the nuclear fuel melt and the cladding material with water and concrete. The catalyst arrangements are intended to ensure that the released hydrogen is oxidized to water with the oxygen in the atmosphere of the containment vessel even at non-critical concentrations. This eliminates the risk of a hydrogen explosion. A catalyst is required for the oxidation of the hydrogen, which promotes the formation of water at low temperatures and hydrogen concentrations. Platinum and palladium in particular are proposed as catalyst metals, and granular fillings of materials with a large internal surface area are proposed as carrier materials.

Aus aerosolphysikalischen Überlegungen ergibt sich jedoch, daß parallel zu den wasserstofferzeugenden Reaktionen bei einem Unfall große Mengen an partikelförmigen Schadstoffen freigesetzt werden, welche die Oberfläche der Katalysatoren nach kurzer Zeit durch Ablagerung inhibieren. Insbesondere sind hier Eisenpartikel, Ruß und Tröpfchen von rekondensierenden Ölen, Fetten und von Wasser zu nennen. Daher besteht die Gefahr, daß die bekannten KataIysatoranordnungen bei einem Un-However, aerosol physics considerations show that in parallel to the hydrogen-producing reactions, large quantities of particulate pollutants are released in an accident, which inhibit the surface of the catalysts after a short time by depositing. In particular, iron particles, soot and droplets of recondensing oils, fats and water are to be mentioned here. Therefore, there is a risk that the known catalyst arrangements could be damaged in the event of an accident.

fall nicht ausreichend lange wirksam sind. Dieser Gesichtspunkt scheint bisher nicht genügend berücksichtigt worden zu sein.case, they are not effective for a sufficiently long period of time. This aspect does not seem to have been sufficiently taken into account so far.

Aus der EP 0 467 110 Al ist ein Katalysator zur Beseitigung von Wasserstoff aus einer Wasserstoff, Sauerstoff und Dampf enthaltenden Atmosphäre bekannt, der aus einem katalytisch wirksamen Metall besteht, das in Form einer Schicht auf Trägermaterialien wie Blech, Gewebe, Netz oder Granulat aufgebracht ist, wobei die Schicht des katalytisch wirksamen Metalls und die Trägermaterialien in ihren Ausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt sind. Als Trägermaterial wird Blech aus einem niedrig legierten, ferritischen Stahl bevorzugt. Das Blech soll vor dem Auftragen der Schicht des katalytisch wirksamen Metalls sandgestrahlt werden, um u. a. die Oberfläche zu vergrößern. Es wird erwähnt, daß ein solcher Katalysator gegen säure- oder laugehaltige Aerosole beständig sei.EP 0 467 110 A1 discloses a catalyst for removing hydrogen from an atmosphere containing hydrogen, oxygen and steam, which consists of a catalytically active metal applied in the form of a layer to carrier materials such as sheet metal, fabric, mesh or granulate, whereby the layer of the catalytically active metal and the carrier materials are matched to one another in terms of their coefficients of expansion. Sheet metal made of a low-alloy, ferritic steel is preferred as the carrier material. The sheet metal should be sandblasted before the layer of the catalytically active metal is applied in order to increase the surface area, among other things. It is mentioned that such a catalyst is resistant to aerosols containing acid or alkali.

Die Angabe, daß der Katalysator gegen säure- oder laugehaltige Aerosole beständig sei, kann sich nur auf die chemische Beständigkeit des Materials beziehen. Ein solcher Katalysator wird durch Laugen und Säuren zwar nicht zerstört, jedoch durch die Bildung eines dünnen Flüssigkeitsfilms auf seiner Oberfläche unwirksam. Da der Wasserstoff in Wasser und wäßrigen Lösungen praktisch unlöslich ist, kann er in diesem Fall mit dem katalytisch wirksamen Metall nicht mehr in Kontakt treten.The statement that the catalyst is resistant to aerosols containing acid or alkali can only refer to the chemical resistance of the material. Such a catalyst is not destroyed by alkalis and acids, but is rendered ineffective by the formation of a thin liquid film on its surface. Since the hydrogen is practically insoluble in water and aqueous solutions, it can no longer come into contact with the catalytically active metal in this case.

Die Aufgabe besteht darin, der Gefahr, daß der Katalysator durch Ablagerung von Aerosolen unwirksam wird, zu begegnen und ausgehend von einer Katalysatoranordnung der eingangs genannten Art eine entsprechende Verbesserung vorzuschlagen.The task is to counteract the risk that the catalyst becomes ineffective due to the deposition of aerosols and to propose a corresponding improvement based on a catalyst arrangement of the type mentioned above.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das gekennzeichnete Merkmal des ersten Schutzanspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.The object is achieved according to the invention by the characterized feature of the first protection claim. The dependent claims describe preferred embodiments of the invention.

Der Katalysator steht erfindungsgemäß mit der Atmosphäre des Sicherheitsbehalters über eine Filterschicht aus einem Metallfasergewebe und/oder Metallfaservlies in Kontakt; deshalb werden die partikelförmigen Schadstoffe durch das Metallfasergewebe und Metallfaservlies zurückgehalten, bevor sie mit dem Katalysator in Berührung kommen können. Metallfasergewebe sind zur Rückhaltung der genannten partikelförmigen Schadstoffe besonders geeignet, weil sie einen sehr niedrigen Strömungswiderstand aufweisen und somit die Ausbildung einer reaktionsbedingten, passiv erzeugten Thermokonvektionsströmung erlauben, durch die große Gasmengen zur Umsetzung in den Bereich des Katalysators gelangen. Trotz des niedrigen Strömungswiderstands werden die Schadstoffpartikel am Metallfasergewebe und/oder Metallfaservlies wirksam zurückgehalten; der Kontakt von Gasen, insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff, mit dem Katalysator durch Diffusion wird wegen des niedrigen Strömungswiderstands dennoch nicht wesentlich beeinträchtigt. According to the invention, the catalyst is in contact with the atmosphere of the containment vessel via a filter layer made of a metal fiber fabric and/or metal fiber fleece; therefore, the particulate pollutants are retained by the metal fiber fabric and metal fiber fleece before they can come into contact with the catalyst. Metal fiber fabrics are particularly suitable for retaining the aforementioned particulate pollutants because they have a very low flow resistance and thus allow the formation of a reaction-related, passively generated thermal convection flow through which large quantities of gas reach the area of the catalyst for conversion. Despite the low flow resistance, the pollutant particles are effectively retained on the metal fiber fabric and/or metal fiber fleece; the contact of gases, in particular hydrogen and oxygen, with the catalyst by diffusion is nevertheless not significantly impaired due to the low flow resistance.

Vorzugsweise besteht das Metallfasergewebe und/oder Metallfaservlies aus einem hochschmelzenden, korrosionsbeständigen Metall, damit die Anordnung bei einem Unfall für eine möglichst lange Standzeit wirksam bleibt. Geeignet ist beispielsweise Metallfasergewebe aus Edelstahl. Die Filterwirkung wird verbessert, wenn die Fasern von unterschiedlicher Dicke sind.Preferably, the metal fiber fabric and/or metal fiber fleece is made of a high-melting, corrosion-resistant metal so that the arrangement remains effective for as long as possible in the event of an accident. Metal fiber fabric made of stainless steel is suitable, for example. The filter effect is improved if the fibers are of different thicknesses.

Bevorzugt wird eine Katalysatoranordnung in Modulform, wobei der Modul aus einem Rahmen mit zwei offenen Seiten besteht, der den Katalysator umgibt und wobei die beiden offenen Seiten des Rahmens durch jeweils eine Schicht des Metallfasergewebes und/oder Metallfaservlieses abgeschlossen sind.A catalyst arrangement in modular form is preferred, wherein the module consists of a frame with two open sides, which surrounds the catalyst and wherein the two open sides of the frame are each closed off by a layer of the metal fiber fabric and/or metal fiber fleece.

Der Rahmen besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem hochschmelzenden, korrosionsbeständigen Metall wie z. B. Edelstahl, damit er bei einem Unfall eine möglichst lange Standzeit erreicht.The frame is preferably also made of a high-melting, corrosion-resistant metal such as stainless steel, so that it lasts as long as possible in the event of an accident.

Besonders bevorzugt wird, den Rahmen in Form eines langgestreckten Quaders mit zwei kleineren Stirnflächen und zwei größeren, langen Seitenflächen auszubilden, wobei eine der Stirnflächen als Grundfläche vorgesehen wird. Ein solcher Modul weist daher eine säulenförmige Gestalt auf. Eine solche Form und Anordnung des Moduls ist insbesondere deshalb besonders günstig, weil Wasser und andere Flüssigkeiten, die in Form von Aerosolen im Metallfasergewebe und/oder im Metallfaservlies zurückgehalten werden, nach unten ablaufen können, ohne daß in einem wesentlichen Teil des Metallfasergewebes oder -vlieses durch Flüssigkeitsansammlungen ein höherer Differenzdruck entsteht. Ein solcher Modul ist somit auch in einer mit Wasserdampf und Wasseraerosolen beladenen Atmosphäre noch wirksam. Zudem können partikelförmige Ablagerungen durch die ablaufende Flüssigkeit abgewaschen werden.It is particularly preferred to design the frame in the form of an elongated cuboid with two smaller front surfaces and two larger, long side surfaces, with one of the front surfaces being provided as the base surface. Such a module therefore has a column-shaped shape. Such a shape and arrangement of the module is particularly advantageous because water and other liquids that are retained in the form of aerosols in the metal fiber fabric and/or the metal fiber fleece can drain downwards without a higher differential pressure being created in a significant part of the metal fiber fabric or fleece due to liquid accumulation. Such a module is therefore still effective even in an atmosphere loaded with water vapor and water aerosols. In addition, particulate deposits can be washed away by the draining liquid.

Die Zuverlässigkeit der Katalysatoranordnung wird verbessert, wenn nicht nur ein einziger, sondern mehrere solcher Module vorgesehen werden. Die Module sollen in einem solchen Abstand zueinander angeordnet werden, daß die Strömung der Atmosphäre zwischen den Module nicht behindert wird. Der gegenseitige Abstand kann im Bereich zwischen 1 und 10 cm liegen.The reliability of the catalyst arrangement is improved if not just one but several such modules are provided. The modules should be arranged at such a distance from each other that the flow of the atmosphere between the modules is not obstructed. The mutual distance can be between 1 and 10 cm.

Vorzugsweise werden die Module gitterförmig in mindestens einer Ebene angeordnet, so daß parallele Reihen der Module gebildet werden. Mehrere solcher paralleler Reihen können übereinander angeordnet werden. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Modulen erlauben einen fast widerstandslosen Durchgang der Gase durch die gesamte Anordnung und damit eine schnelle und kräftige Ausbildung der Thermokonvektion bei einem Unfall.Preferably, the modules are arranged in a grid pattern in at least one plane, so that parallel rows of modules are formed. Several such parallel rows can be arranged one above the other. The spaces between the individual modules allow the gases to pass through the entire arrangement with almost no resistance, thus allowing for rapid and powerful thermal convection in the event of an accident.

Damit bei hohen Temperaturen im Sicherheitsbehälter der Katalysator nicht vorzeitig unbrauchbar wird, soll als Trägermaterial eine Schüttung von Keramikpartikeln mit großer innerer Oberfläche verwendet werden. Ein temperaturbeständiges Trägermaterial stellt Aluminiumoxid dar.To ensure that the catalyst does not become unusable prematurely at high temperatures in the containment vessel, a bed of ceramic particles with a large internal surface should be used as the carrier material. Aluminum oxide is a temperature-resistant carrier material.

Wenn der Katalysator Silber enthält, kann gleichzeitig luftgetragenes Jod gebunden werden.If the catalyst contains silver, airborne iodine can be bound at the same time.

Besonders wirkungsvoll ist eine Filterschicht, die aus einer Lage eines Metallfasergewebes und einer Lage eines Metallfaservlieses besteht. Zweckmäßigerweise ist die Lage des Metallfaservlieses dem Katalysator zugewandt.A filter layer consisting of a layer of metal fiber fabric and a layer of metal fiber fleece is particularly effective. The layer of metal fiber fleece is preferably facing the catalyst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to the figure.

Dargestellt ist ein Modul 1, der die n-te Stelle in einer Reihe von Modulen einnimmt. Die Nachbarmodule an den Stellen (n+1) und (n-1) sind angedeutet. Der Modul besteht aus einem Rahmen 2, dessen offene Seiten mit einem Metallfasergewebe 3 abgeschlossen sind. Im Innern des Moduls ist die Schüttung 4 eines mit dem Katalysator überzogenen, körnigen Trägermaterials mit einer großen inneren Oberfläche angedeutet. Die Pfeile geben die Vorzugsrichtung der Gasströmung an.A module 1 is shown, which occupies the nth position in a series of modules. The neighboring modules at the positions (n+1) and (n-1) are indicated. The module consists of a frame 2, the open sides of which are closed with a metal fiber fabric 3. Inside the module, the bed 4 of a granular carrier material coated with the catalyst with a large inner surface is indicated. The arrows indicate the preferred direction of the gas flow.

Claims (16)

Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 4. März 1993 Karlsruhe GmbH PLA 9315 Rü/he H. Krantz GmbH & Co. Aachen, den 4. März 1993 Schutzansprüche:Karlsruhe Nuclear Research Center, 4 March 1993 Karlsruhe GmbH PLA 9315 Rü/he H. Krantz GmbH & Co. Aachen, 4 March 1993 Protection claims: 1. Katalysatoranordnung für einen Sicherheitsbehälter eines Leichtwasserreaktors1. Catalyst arrangement for a containment vessel of a light water reactor a) mit einem Katalysator, der die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser begünstigt, dera) with a catalyst that promotes the oxidation of hydrogen to water, the b) auf ein poröses Trägermaterial aufgezogen ist undb) is applied to a porous carrier material and c) mit der Atmosphäre des Sicherheitsbehälters in Kontakt steht,(c) is in contact with the atmosphere of the containment vessel, dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that d) der Kontakt über eine Filterschicht aus Metallfasergewebe und/oder Metallfaservlies hergestellt ist.d) the contact is made via a filter layer made of metal fibre fabric and/or metal fibre fleece. 2. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfasergewebe und/oder Metallfaservlies aus einem hochschmelzenden, korrosionsbeständigen Metall besteht.2. Catalyst arrangement according to claim 1, characterized in that the metal fiber fabric and/or metal fiber fleece consists of a high-melting, corrosion-resistant metal. 3. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfasergewebe und/oder Metallfaservlies aus Fasern unterschiedlicher Dicke besteht.3. Catalyst arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the metal fiber fabric and/or metal fiber fleece consists of fibers of different thicknesses. 4. Katalysatoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Edelstahl darstellt.4. Catalyst arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the metal is stainless steel. 5. Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens einen Modul, der aus einem Rahmen mit zwei offenen Seiten besteht, der den Katalysator umgibt, wobei die beiden offenen Seiten des Rahmens durch jeweils eine Schicht des Metallfasergewebes und/oder Metallfaservlieses abgeschlossen sind.5. Catalyst arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized by at least one module consisting of a frame with two open sides that surrounds the catalyst, the two open sides of the frame being closed off by a layer of the metal fiber fabric and/or metal fiber fleece. 6. Katalysatoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen die Form eines langgestreckten Quaders aufweist und aus zwei kleineren Stirnflächen und zwei größeren Seitenflächen besteht und eine der Stirnflächen die Grundfläche darstellt.6. Catalyst arrangement according to claim 5, characterized in that the frame has the shape of an elongated cuboid and consists of two smaller end faces and two larger side faces and one of the end faces represents the base area. 7. Katalysatoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch mehrere Module, die in Abstand zueinander angeordnet sind.7. Catalyst arrangement according to claim 5 or 6, characterized by several modules which are arranged at a distance from one another. 8. Katalysatoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand 1 bis 10 cm beträgt.8. Catalyst arrangement according to claim 7, characterized in that the distance is 1 to 10 cm. 9. Katalysatoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Module gitterförmig in einer Ebene angeordnet sind.9. Catalyst arrangement according to claim 7 or 8, characterized in that the modules are arranged in a grid-like manner in one plane. 10.Katalysatoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ebenen übereinander angeordnet sind.10. Catalyst arrangement according to claim 9, characterized in that several levels are arranged one above the other. 11.Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus einem hochschmelzenden, korrosionsbeständigen Metall besteht.11. Catalyst arrangement according to one of claims 5 to 10, characterized in that the frame consists of a high-melting, corrosion-resistant metal. 12.Katalysatoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Edelstahl darstellt.12. Catalyst arrangement according to claim 11, characterized in that the metal is stainless steel. 13.Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator Silber enthält.13. Catalyst arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the catalyst contains silver. 14.Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus Keramik besteht.14. Catalyst arrangement according to one of claims 1 to 13, characterized in that the carrier material consists of ceramic. 15.Katalysatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschicht aus einer Lage eines Metallfasergewebes und einer Lage eines Metallfaservlieses besteht.15. Catalyst arrangement according to one of claims 1 to 14, characterized in that the filter layer consists of a layer of a metal fiber fabric and a layer of a metal fiber fleece. 16.Katalysatoranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Metallfaservlieses dem Katalysator
zugewandt ist.
16.Catalyst arrangement according to claim 15, characterized in that the layer of the metal fiber fleece is
is facing.
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