KR20150046005A - Hydrogen recombiner - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 수소 재결합기는, 일련의 촉매 스테이지로서, 일련의 촉매 스테이지의 각각은 유로의 함수로서 상승되는 촉매 활동도를 한정하는, 일련의 촉매 스테이지를 포함한다.A hydrogen re-reactor according to the present invention is a series of catalytic stages, each of which comprises a series of catalytic stages, each of which defines a catalytic activity which rises as a function of the flow path.

Description

수소 재결합기{HYDROGEN RECOMBINER}{HYDROGEN RECOMBINER}

본 발명은 2012년 7월 24일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제61/675,155호에 대한 우선권을 향유한다.The present invention enjoys priority to U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 675,155, filed July 24, 2012.

본 발명은 냉각재 상실(loss of coolant)의 경우에 원자로의 격납 용기(containment vessel) 내부측으로부터 수소를 패시브방식으로(passively) 제거하는 진보된 자가-촉매 수소 재결합(auto-catalytic hydrogen recombination)에 관한 것이다.The present invention relates to an advanced auto-catalytic hydrogen recombination system for passively removing hydrogen from the inside of a containment vessel of a reactor in the case of a loss of coolant. will be.

원자력 발전소는 매우 효율적인 전력 생성을 용이하게 한다. 경수-냉각 원자로(LWR: Light Water-cooled nuclear reactor)는 냉각재-상실 사고("LOCA: loss-of-coolant accident)"로 인한 격납부의 일체성에 대한 위협을 최소화하도록 설계되어 있다. LOCA는 격납부 분위기 내로의 뜨거운 물 및 증기의 방출을 초래할 수 있다. 격납부로부터 열을 제거하는 시스템이 채용되지 않으면, 격납부 내의 압력 및 온도가 설계 한계를 넘어 상승될 수 있다.Nuclear power plants facilitate very efficient power generation. Light Water-cooled nuclear reactors (LWRs) are designed to minimize threats to the integrity of the enclosure due to a "loss-of-coolant accident" (LOCA). LOCA can lead to the release of hot water and vapors into the compartment atmosphere. If a system for removing heat from the compartment is not employed, the pressure and temperature in the compartment can be raised beyond the design limit.

나아가, LOCA가 또한 노심의 노출 그리고 결국 잔류 증기와 반응될 때에 지르코늄 합금의 산화로 이어질 수 있는 연료 온도 면에서의 상승으로 이어질 수 있다. 반응은 발열성이고, 격납부 분위기 내로 증기와 함께 탈출될 수 있는 수소를 생성한다. 수소의 대량 방출 속도는 약 1 ㎏/초일 수 있다. 자연-발화 한계(self-ignition limit) 아래로 수소 활동도를 유지하는 시스템이 채용되지 않으면, 잠재적으로 발화 가능한 가스 혼합물이 원자로 격납부 내에서 생성될 수 있다.Further, LOCA can also lead to an increase in fuel temperature which can lead to oxidation of the zirconium alloy when exposed to the core and eventually reacted with residual steam. The reaction is exothermic and produces hydrogen which can escape along with the vapor in a storage atmosphere. The mass release rate of hydrogen may be about 1 kg / sec. If a system that maintains hydrogen activity below the self-ignition limit is not employed, a potentially combustible gas mixture can be generated in the reactor compartment.

기존의 LWR은 극도로 안전하고, LOCA의 영향을 완화시키도록 전원, 급수(service water) 및 작업자 행동에 대해 최소 의존성을 갖는 고장-안전 동작(fail-safe operation)을 제공한다. 다양한 액티브 방식의 냉각 옵션에 추가하여, 많은 LWR은 격납부 분위기로부터 열을 전달하기 위해 패시브 방식의 시스템을 채용한다. 예컨대, 일부의 원자로는 열 전달을 촉진시키기 위해 강철 격납 용기 그리고 상승된 탱크로부터의 외부 물 냉각을 이용한다. 격납부 분위기로부터의 열이 자연 대류에 의해 격납 용기로 전달된다. 파단부(break)로부터의 뜨거운 증기가 공기와 혼합되어 격납부의 상부까지 상승되고 그 다음에 차가운 격납 용기와의 접촉에 의해 냉각된다. 더 차가운 더 밀집한 혼합물은 떨어지고, 벽 근처에서의 유동이 하향되고 중심 영역 내에서의 유동이 상향되는 자연 순환의 과정이 시작된다. 초기의 블로우-다운 기간(blow-down period) 후에, 격납부 내의 압력 및 온도는 차가운 격납 용기 및 다른 차가운 표면 상에서의 증기의 응결 속도가 파단부로부터의 증기의 방출 속도와 동일해질 때까지 상승된다.Conventional LWRs are extremely safe and provide fail-safe operation with minimal dependence on power supply, service water and operator behavior to mitigate the effects of LOCA. In addition to the various active cooling options, many LWRs employ passive systems to deliver heat from the containment environment. For example, some reactors use steel containment vessels and external water cooling from elevated tanks to promote heat transfer. Heat from the compartment atmosphere is transferred to the containment vessel by natural convection. Hot steam from the break is mixed with the air to rise to the top of the compartment and then cooled by contact with the cold containment. The cooler, more dense mixture falls, and the process of natural circulation begins, in which the flow near the wall is lowered and the flow in the central region is raised. After an initial blow-down period, the pressure and temperature in the compartment are raised until the condensation velocity of the vapor on the cold containment vessel and other cold surfaces is equal to the release rate of the vapor from the rupture section .

원자로는 또한 수소 축적을 완화시키기 위해 다양한 패시브 방식의 시스템을 이용한다. 예컨대 사전-불활성화(pre-inerting)는 시동 전에 또는 시동 중에 격납부 내에 산소-결핍 분위기를 발생시킨다. 불활성 가스(대개 질소)가 공기를 대체하여 수소 연소에 필요한 수준 아래로 산소 활동도를 감소시키도록 격납부 내로 주입된다.The reactor also uses a variety of passive systems to mitigate hydrogen buildup. Pre-inerting, for example, generates an oxygen-deficient atmosphere in the compartment prior to or during startup. An inert gas (usually nitrogen) is injected into the compartment to replace the air and reduce oxygen activity below the level required for hydrogen combustion.

또 다른 패시브방식의 시스템이 수소 재결합기이다. 수소 재결합기는 수소 및 산소를 결합시켜 물을 생성하고 그에 의해 격납부 내의 수소 활동도를 감소시킨다. 자가-촉매 재결합기는 열 재결합기와 대조적으로 자동-시동형(self-starting)이고, 외부 동력을 요구하지 않고 그에 따라 패시브방식이다.Another passive system is a hydrogen recombiner. The hydrogen recombiner combines hydrogen and oxygen to produce water, thereby reducing hydrogen activity in the compartment. The autocatalytic recombiner is self-starting as opposed to a heat recuperator, does not require external power, and is therefore passive.

효과적으로 동작되기 위해, 수소 재결합기는 비교적 높은 유속의 공기를 요구한다. 종래 기술에 따른 격납부 냉각을 수행하기 위한 격납부 분위기의 자연 순환의 사용은 전형적으로 효과적인 패시브 방식의 수소 재결합기가 큰 격납부 체적을 처리하게 할 정도로 충분히 높은 유속을 생성하지 못한다. 수소와 산소 사이의 반응으로부터 촉매 재결합기 내에서 발생된 온도 상승은 국부 대류를 촉진시킨다. 이것은 단독으로의 자연 순환으로부터의 대류 유동보다 큰 대류 유동을 재결합기 내에서 발생시킬 수 있다.In order to operate effectively, the hydrogen re-reactor requires a relatively high flow rate of air. The use of natural circulation of the compartment atmosphere to perform compartment cooling according to the prior art typically fails to produce a flow rate that is sufficiently high to allow an effective passive hydrogen recomposer to handle large compartment volumes. The temperature rise that occurs in the catalytic recombiner from the reaction between hydrogen and oxygen promotes local convection. This can cause a convection flow in the recombiner that is larger than the convection flow from the natural circulation alone.

다양한 특징이 개시된 비-제한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확해질 것이다. 상세한 설명을 수반하는 도면은 다음과 같이 간략하게 설명될 수 있다.
도 1은 하나의 개시된 비-제한 실시예에 따른 수소 재결합기의 개략도이다.
도 2는 또 다른 개시된 비-제한 실시예에 따른 수소 재결합기의 개략도이다.
도 3은 또 다른 개시된 비-제한 실시예에 따른 수소 재결합기의 개략도이다.
도 4는 또 다른 개시된 비-제한 실시예에 따른 수소 재결합기의 개략도이다.
도 5는 또 다른 개시된 비-제한 실시예에 따른 수소 재결합기의 개략도이다.
도 6은 또 다른 개시된 비-제한 실시예에 따른 수소 재결합기의 개략도이다.Various features will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description of the disclosed non-limiting embodiments. The drawings accompanying the detailed description can be briefly described as follows.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a schematic diagram of a hydrogen re-cycler according to one disclosed non-limiting embodiment.
Figure 2 is a schematic diagram of a hydrogen re-cycler according to another disclosed non-limiting embodiment.
3 is a schematic diagram of a hydrogen re-reactor according to another disclosed non-limiting embodiment.
4 is a schematic diagram of a hydrogen re-reactor according to another disclosed non-limiting embodiment.
Figure 5 is a schematic diagram of a hydrogen re-cycler according to another disclosed non-limiting embodiment.
Figure 6 is a schematic diagram of a hydrogen re-cycler according to another disclosed non-limiting embodiment.

도 1은 일반적으로 하우징(31) 그리고 그 내부에 일련의 촉매 스테이지(catalyst stage)(32A, 32B, 32C)를 포함하는 수소 재결합기(30)를 개략적으로 도시하고 있다. 3개가 도시되어 있지만, 어떤 개수라도 여기에서 이익을 취한다는 것이 이해되어야 한다. 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각은 입구(34)로부터 출구(36)까지의 유로의 함수로서 상승되는 촉매 활동도를 한정한다. 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각의 연속 스테이지는 수소 재결합기(30)의 출력물이 상당히 낮은 수소 활동도 수준을 갖도록 수소의 활동도를 감소시킨다.Figure 1 schematically illustrates a hydrogen re-mixer 30, generally comprising a housing 31 and a series of catalyst stages 32A, 32B, 32C therein. Although three are shown, it should be understood that any number will benefit from this. Each of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C defines a catalytic activity that rises as a function of the flow path from the inlet 34 to the outlet 36. Each successive stage of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C reduces the activity of hydrogen so that the output of the hydrogen recombiner 30 has a significantly lower level of hydrogen activity.

재결합 반응(H₂ + 2O₂ = 2H₂O)은 촉매 표면에서 열을 발생시킨다. H₂ 활동도가 클수록, 생성되는 열이 커지고, 그래서 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각 내의 촉매 활동도가 수소를 효율적으로 제거하고 또한 수소 폭연(hydrogen deflagration)을 피하기 위해 동작 온도 예컨대 약 923℉(500℃) 미만의 온도에 대해 한정될 수 있다.The recombination reaction (H ₂ + ₂ O ₂ = 2H ₂ O) generates heat at the catalyst surface. The greater the H ₂ activity, the greater the heat generated, so that the catalytic activity within each of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C efficiently removes hydrogen and also avoids hydrogen deflagration. Such as about 923 DEG F (500 DEG C).

동작 면에서 패시브 방식이지만, 수소 재결합기(30)는 유동을 용이하게 하도록 팬(fan)(38)(개략적으로 도시됨; 도 2)을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 팬(38)을 갖지 않더라도, 수소 재결합기(30)는 효율적으로 동작되지만, 팬(38)은 팬(38) 전용의 무정전 전원 장치(UPS: uninterruptable power supply)에 의해 동작 가능할 수 있거나, 외부 동력이 이용 가능하면, 팬(38)은 효율을 상승시키도록 동작 가능하다.Although passive in operation, the hydrogen recloser 30 may further include a fan 38 (shown schematically; FIG. 2) to facilitate flow. That is, although the hydrogen recloser 30 operates efficiently, even without the fan 38, the fan 38 may be operable by an uninterruptable power supply (UPS) dedicated to the fan 38, If external power is available, the fan 38 is operable to raise the efficiency.

일반적으로, 일련의 촉매 스테이지들 중 제1 스테이지(32A)가 비교적 높은 수소 함량에 노출되므로, 일련의 촉매 스테이지들 중 제1 스테이지(32A)는 비교적 낮은 촉매 활동도에 맞게 조정된다. 즉, 일련의 촉매 스테이지들 중 제1 스테이지(32A)는 표면 온도가 미리 정해진 온도 아래로 유지되도록 비교적 낮은 촉매 활동도를 갖는다. 이러한 낮은 활동도의 촉매 때문에, 귀금속보다 덜 비싼 재료가 이용될 수 있다. 중간 촉매 스테이지(32B)는 비교적 중간의 촉매 활동도를 제공한다. 최종의 촉매 스테이지(32C)는 표면 온도가 미리 정해진 온도 아래로 유지되도록 낮은 활동도의 수소의 제거를 위해 비교적 높은 촉매 활동도를 제공한다.In general, the first stage 32A of the series of catalyst stages is adjusted to a relatively low catalytic activity because the first stage 32A of the series of catalyst stages is exposed to a relatively high hydrogen content. That is, the first stage 32A of the series of catalyst stages has a relatively low catalyst activity such that the surface temperature is maintained below a predetermined temperature. Because of this low activity catalyst, materials less expensive than noble metals can be used. The intermediate catalyst stage 32B provides relatively moderate catalyst activity. The final catalyst stage 32C provides relatively high catalyst activity for removal of low activity hydrogen so that the surface temperature remains below a predetermined temperature.

일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각 내의 촉매 활동도는 예컨대 열 전도성 기판이 촉매 표면으로부터 열을 운반하여 대류가 기판으로부터 열을 제거하도록 열 전도성 기판 상으로의 부분적인 촉매 포위에 의해 제어될 수 있다. 또 다른 개시된 비-제한 실시예에서, 금속 합금 메시(mesh)가 열 전달을 향상시키도록 촉매 표면 상에 위치되거나 그 내에 매식될 수 있다. 다양한 촉매 배열 또는 이들의 조합이 대체예에서 또는 추가예에서 제공될 수 있다.The catalytic activity in each of the series of catalytic stages 32A, 32B, 32C can be controlled by, for example, the partial catalytic encapsulation onto the thermally conductive substrate such that the thermally conductive substrate conveys heat from the catalyst surface, Lt; / RTI > In another disclosed non-limiting embodiment, a metal alloy mesh may be placed on or embedded within the catalyst surface to enhance heat transfer. Various catalyst arrangements or combinations thereof may be provided in alternate examples or in additional examples.

나아가, 다양한 촉매 기하 형상 및 배향이 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각 내에서 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 하나의 개시된 비-제한 실시예에서, 수직으로 배향된 촉매 판(40)이 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각 내에서 이용된다(도 3). 또 다른 개시된 비-제한 실시예에서, 수직으로 배향된 로드(rod) 또는 튜브(tube)(50)가 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각 내에서 이용된다(도 4). 또 다른 개시된 비-제한 실시예에서, 스피어(sphere)(60)의 어레이가 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각 내에서 이용된다(도 5). 또 다른 개시된 비-제한 실시예에서, 수직으로 배향된 코일형 시트(70)가 일련의 촉매 스테이지(32A, 32B, 32C)의 각각 내에서 이용된다(도 6). 재차, 다양한 다른 배열 및 조합이라도 여기에서 이익을 취한다는 것이 인식되어야 한다.Further, various catalytic geometries and orientations can be used individually or in combination within each of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C. In one disclosed non-limiting embodiment, a vertically oriented catalyst plate 40 is utilized within each of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C (FIG. 3). In another disclosed non-limiting embodiment, vertically oriented rods or tubes 50 are utilized within each of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C (FIG. 4). In another disclosed non-limiting embodiment, an array of sphere 60 is utilized within each of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C (FIG. 5). In another disclosed non-limiting embodiment, a vertically oriented coiled sheet 70 is utilized within each of the series of catalyst stages 32A, 32B, 32C (FIG. 6). Again, it should be appreciated that various other arrangements and combinations will benefit from this disclosure.

수소 재결합기(30)는 그에 의해 동력 없이 그리고 긴급 동력이 이용 가능할 때에 과열 및 고장을 차단하도록 단계적으로 열을 용이하게 제거한다. 나아가, 10 배 이상의 체적의 수소가 종래의 수소 재결합기에 비해 용이하게 제거되므로, 수소 재결합기(30)는 수소 재결합기의 요구 개수를 감소시킬 수 있고, 그에 따라 자본 비용 감소가 가능하다.The hydrogen recombiner 30 thereby removes heat step by step to prevent overheating and failure when power is available and emergency power is available. Further, since the hydrogen of 10 times or more volume is easily removed compared with the conventional hydrogen re-charging machine, the hydrogen re-coupling machine 30 can reduce the required number of hydrogen re-charging machines, thereby reducing the capital cost.

설명의 문맥에서(특히 다음의 특허청구범위의 맥락에서)의 단수형의 기재 및 유사 인용 어구의 사용은 여기에서 그렇지 않은 것으로 지시되지 않거나 문맥에 의해 특별히 모순되지 않으면 단수 및 복수의 양쪽 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 양과 연계하여 사용된 수식어 "약"은 기재된 수치를 포함하고, 문맥에 의해 지시된 의미를 갖는다(예컨대, 이것은 특정한 양의 측정과 관련된 어느 정도의 오차를 포함함). 여기에서 개시된 모든 범위는 종점들을 포함하고, 종점들은 서로 독립적으로 조합 가능하다. "전방", "후방", "상측", "하측", "위", "아래" 등과 같은 상대 위치와 관련된 용어는 그 수단의 통상의 동작 자세와 관련된다는 것이 이해되어야 하고, 그와 다르게 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.The use of the singular form of the description and similar phrases in the context of the description (in particular in the context of the following claims) is intended to include both singular and plural unless otherwise indicated or contradicted by context . The modifier "about" used in connection with an amount includes the numerical value described and has the meaning indicated by the context (e.g., it includes some error associated with a particular amount of measurement). All ranges disclosed herein include endpoints, and the endpoints are independently combinable. It is to be understood that the terms associated with relative positions such as "front," " rear, "" top," " Should not be regarded as doing.

상이한 비-제한 실시예가 특정한 예시의 구성 요소를 갖지만, 본 발명의 실시예는 이들 특정한 조합에 제한되지 않는다. 비-제한 실시예들 중 임의의 실시예로부터의 구성 요소 또는 특징들 중 일부를 다른 비-제한 실시예들 중 임의의 실시예로부터의 특징 및 구성 요소들과 조합하여 사용하는 것이 가능하다.While the different non-limiting embodiments have the elements of particular illustrations, the embodiments of the invention are not limited to these specific combinations. It is possible to use some of the elements or features from any of the non-limiting embodiments in combination with features and elements from any of the other non-limiting embodiments.

동일한 도면 부호는 여러 개의 도면 전체에 걸쳐 대응하거나 유사한 요소를 나타낸다는 것이 이해되어야 한다. 특정한 구성 요소 배열이 예시된 실시예에서 개시되어 있지만, 다른 배열이라도 여기에서 이익을 취한다는 것이 또한 이해되어야 한다.It is to be understood that like reference numerals denote corresponding or similar elements throughout the several views. Although specific element arrangements are disclosed in the illustrated embodiment, it should also be understood that other arrangements are beneficial herein.

특정한 단계 순서가 예시, 설명 및 청구되어 있지만, 단계들이 그렇지 않은 것으로 지시되지 않으면 임의의 순서로, 분리되어 또는 조합되어 수행될 수 있고 여전히 본 발명으로부터 이익을 취한다는 것이 이해되어야 한다.Although specific step sequences are illustrated, described, and claimed, it should be understood that steps may be performed in any order, either separately or in combination, and still benefit from the present invention, unless indicated to the contrary.

위의 설명은 그 내에서 제한에 의해 한정되기보다는 예시적이다. 다양한 비-제한 실시예가 여기에서 개시되어 있지만, 통상의 기술자라면 다양한 변형 및 변화가 위의 개시 내용의 관점에서 첨부된 특허청구범위 내에 속한다는 것을 인식할 것이다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 상이하게 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그 이유 때문에, 첨부된 특허청구범위는 진정한 범주 및 내용을 결정하도록 검토되어야 한다.The above description is illustrative rather than limiting within. While various non-limiting embodiments have been disclosed herein, one of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and variations are within the scope of the appended claims in view of the above disclosure. It is, therefore, to be understood that within the scope of the appended claims, the invention may be practiced otherwise than as specifically described. For that reason, the appended claims should be construed to determine the true scope and content.

Claims (8)

일련의 촉매 스테이지로서, 상기 일련의 촉매 스테이지의 각각은 유로의 함수로서 상승되는 촉매 활동도를 한정하는, 일련의 촉매 스테이지
를 포함하는 수소 재결합기.A series of catalyst stages, each of the series of catalyst stages defining a series of catalytic stages
≪ / RTI > 제1항에 있어서, 상기 촉매 활동도는 입구로부터 출구까지 상승되는 수소 재결합기.2. The hydrogen re-combination apparatus of claim 1, wherein the catalyst activity is raised from the inlet to the outlet. 제2항에 있어서, 상기 입구에 인접한 팬을 추가로 포함하는 수소 재결합기.3. The hydrogen re-mixer of claim 2, further comprising a fan adjacent the inlet. 제1항에 있어서, 상기 촉매 활동도는 동작 온도에 대해 한정되는 수소 재결합기.2. The hydrogen re-mixer of claim 1, wherein the catalyst activity is defined for operating temperature. 제4항에 있어서, 상기 동작 온도는 수소 폭연 온도보다 낮은 수소 재결합기.The hydrogen re-solidifier according to claim 4, wherein the operating temperature is lower than a hydrogen defrosting temperature. 원자로의 격납 용기 내부측으로부터 수소를 패시브방식으로 제거하는 방법이며,
격납 용기 내에 일련의 촉매 스테이지를 위치시키는 단계로서, 상기 일련의 촉매 스테이지는 유로의 함수로서 상승되는 촉매 활동도를 한정하는, 단계
를 포함하는 방법.A method for passively removing hydrogen from the inside of a containment vessel of a reactor,
Positioning a series of catalyst stages in a containment vessel, the series of catalyst stages defining catalyst activity elevated as a function of the flow path,
≪ / RTI > 제6항에 있어서, 상기 일련의 촉매 스테이지의 각각 내에서 수소 폭연 온도보다 낮은 동작 온도를 유지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.7. The method of claim 6, further comprising maintaining an operating temperature below the hydrogen spill temperature within each of the series of catalyst stages. 제6항에 있어서, 상기 일련의 촉매 스테이지의 상류에 팬을 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.7. The method of claim 6, further comprising positioning the fan upstream of the series of catalyst stages.

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