Elemento recombinador.

Elemento recombinador (4) con un número de elementos de catalizador (8) dispuestos en una carcasa común (6),

que desencadenan respectivamente con oxígeno una reacción recombinante cuando se porta hidrógeno junto conuna corriente de gas de alimentación, rodeando la carcasa (6) los elementos de catalizador (8) que están dispuestosen su interior a modo de embudo, de forma tal que el calor liberado en la reacción de recombinación soporta el flujode gas dentro de la carcasa (6) mediante convección, y en el que al menos uno de los elementos de catalizador (8)dispuestos dentro de la carcasa (6) presenta una zona de ignición predeterminada (20),

caracterizado porque el elemento de catalizador (8) incluye una zona catalíticamente activa de material poroso,que se selecciona de modo que en la zona de ignición predeterminada (20) en operación por convección encondiciones ambientales de aproximadamente 100 kPa (1 bar) y 100º C y con una concentración de hidrógeno en lacorriente de gas de alimentación de más de 5% en volumen una temperatura de superficie por encima de latemperatura de ignición que se presenta en estas condiciones de 560º C, y porque se conectan aguas arriba alelemento de catalizador (8) medios para la focalización de la corriente del grupo que comprende placas deflectoras,placas de direccionamiento y generadores de turbulencia, que favorecen una conducción intencionada del pulso depresión que se aplica sobre la zona de ignición predeterminada.

Elemento recombinador

La invención se refiere a un elemento recombinador, de forma particular para el uso en un sistema de seguridad para una instalación nuclear, con una cantidad de elementos de catalizador dispuestos en una carcasa común, que desencadenan respectivamente con hidrógeno conducido en una corriente de gas de alimentación una reacción de recombinación con oxígeno, rodeando la carcasa los elementos de catalizador dispuestos en su interior a modo de embudo, de modo que el calor liberado en la reacción de recombinación soporta la corriente de gas dentro de la carcasa mediante convección.

En una instalación nuclear, de forma particular en una central de energía nuclear, se debe tener en cuenta situaciones de accidente o siniestro, en las que por ejemplo puede darse debido al calentamiento del núcleo una oxidación de circonio, con la formación y liberación de gas hidrógeno y monóxido de carbono dentro del recipiente o contenedor de seguridad que rodea al núcleo del reactor. Particularmente tras un accidente con pérdida de refrigerante se pueden liberar cantidades grandes de hidrógeno. De este modo pueden generarse dentro del contenedor mezclas de gas explosivas. Sin contramedidas es posible el enriquecimiento de hidrógeno en la atmósfera del contenedor, de modo que con una ignición ocasional podría poner en riesgo la integridad del recipiente de seguridad con la combustión de una gran cantidad de hidrógeno.

Para evitar la formación de tales mezclas de gas explosivas en el contenedor de una planta de energía nuclear se discuten diversos dispositivos o procedimientos. A estos pertenecen, por ejemplo, dispositivos como recombinadores catalíticos, dispositivos de ignición operados catalíticamente y/o eléctricamente o la combinación de ambos dispositivos citados previamente así como procedimientos de una inertización permanente del contenedor.

Con el uso de un sistema de ignición para la eliminación del hidrógeno de la atmósfera del contenedor se debe conseguir una recombinación fiable del hidrógeno con oxígeno mediante una combustión controlada. A este respecto se debe evitar de forma segura una formación de presión significativa como consecuencia de una combustión de hidrógeno virulenta. Un sistema de ignición de este tipo se configura normalmente de modo que también con la superación de los puntos de inflamación inferiores de una mezcla de gas, por ejemplo en una mezcla de gas comparativamente con menor concentración de hidrógeno, o quedando por debajo de los puntos de inertización de aproximadamente 55% en volumen de vapor y también concentraciones elevadas de hidrógeno, se asegure ignición fiable del hidrógeno.

Un sistema de ignición conocido del documento EP 289 907 B1 para la ignición controlada de una mezcla de gas que contiene hidrógeno comprende un sistema de ignición por ondas de radio, que se puede cebar con un almacén de energía integrado. El sistema de ignición está previsto a este respecto con un depósito de energía dispuesto autárquicamente, de modo que no se requieren conducciones. Como depósito de energía está previsto a este respecto de forma particular una batería seca. Sin embargo este sistema de ignición basado en la capacidad del depósito de energía integrado es sólo adecuado para un tiempo limitado. Esto conduce adicionalmente a que en el intervalo de concentración de, por ejemplo, 5 hasta aproximadamente 8% en volumen se evita fundamentalmente una oxidación catalítica sin llama mediante ignición temprana. Se excluye por tanto una degradación catalítica sin llama ventajosa a mayores concentraciones así como la generación simultánea de regiones de alta temperatura (> 600 – 900º C) .

El intervalo de catálisis sin llama se reduce en la práctica al intervalo no inflamable y ya con ligeras diferencias de concentración se desencadena una ignición individual prematura con procesos de desplazamiento de gas rápidos, sin que – debido a las regiones a alta temperatura fallidas – sea posible una contraignición efectiva para la consecución de modos de aceleración de la inflamación más cortas. Adicionalmente es posible solo de forma limitada con una excitación previa del sistema de ignición por radiofrecuencia en una situación alterada con posterior liberación de hidrógeno una ignición controlada del hidrógeno. Además este sistema de ignición reacciona igualmente ya tras el trascurso de un tiempo de retardo de ignición hasta la liberación de hidrógeno. También es posible una operación de tiempo prolongado del sistema de ignición, que sería requerible para dar cobertura a todos los escenarios de accidente que se puedan plantear, solo con limitaciones. Adicionalmente tampoco es posible una actuación a modo de aviso previsor del sistema de ignición ya a la vista de un accidente que se vaya a producir de una estación externa, como por ejemplo, la sala de control de una planta energética.

Además exclusivamente en el uso de procedimientos de ignición para el hidrógeno, por ejemplo en forma de sistemas de seguridad que se basan en sistemas de antorcha, se da la limitación adicional de que se puede operar en situaciones inertes al vapor sin a penas degradación de hidrógeno. En consecuencia en el recipiente de seguridad se puede quemar por completo el hidrógeno generado con sistemas de este tipo ya tras la condensación de vapor correspondiente. Esto puede conducir con enriquecimiento de hidrógeno en el vapor a cantidades o concentraciones de hidrógeno comparativamente altas, que luego a continuación de la ignición se queman en tiempo comparativamente corto, de modo que podrían generarse reacciones no controladas. Adicionalmente se tiene que considerar en sistemas que se basan exclusivamente en ignición que con los denominados escenarios “Station-black-out”, por ejemplo escenarios con pérdida completa de suministro de energía dentro del contenedor, podría eliminarse por completo la ignición.

Alternativamente o complementariamente pueden estar dispuestos por tanto en el marco de un sistema de seguridad en el recipiente de seguridad o contenedor de una instalación nuclear los denominados recombinadores autocatalíticos pasivos. Estos comprenden normalmente elementos de catalizador adecuados, que desencadenan por vía catalítica con hidrógeno conducido en una corriente de gas de alimentación una reacción de recombinación con oxígeno. Los elementos de catalizador se prevén a este respecto normalmente con una carcasa que los rodea, estando configurada la carcasa en la forma de un embudo, que debido al efecto de embudo genera por sí mismo una corriente de convección dentro de la carcasa, de modo que la mezcla de gas se conduce a lo largo del elemento de catalizador respectivo de forma fiable y por tanto se puede mantener la reacción de recombinación catalítica. Los elementos catalíticos propios se disponen a este respecto dentro del elemento recombinador catalítico respectivo verticalmente y paralelamente, para generar y favorecer entre los elementos la sustentación. Con la aparición de hidrógeno en la mezcla de gas del contenedor estos dispositivos se inician normalmente automáticamente y oxidan el hidrógeno con el oxígeno contenido en la atmósfera, de modo que particularmente con presencia de condiciones inertes a vapor o mezclas de gas que se encuentran ligeramente por encima de los puntos de inflamación se puede llegar a una degradación de hidrógeno efectiva sin ignición.

Sin embargo se pueden conseguir también en sistemas de este tipo con planteamientos de escenarios de accidente con elevadas tasas de liberación de hidrógeno y al mismo tiempo bajas concentraciones de vapor en el recipiente de seguridad concentraciones y cantidades críticas locales o globales en hidrógeno generado.

Debido a que la ignición en tales recombinadores solo se observaba hasta ahora ocasionalmente en distintas condiciones de atmósfera como concentraciones de hidrógeno, proporciones de vapor etc., no se impide de forma fiable igniciones no deseadas ni un aseguramiento de la función de ignición con tales dispositivos. Adicionalmente se informó en estudios de retardo temporal de hasta 30 minutos hasta la consecución de las temperaturas de reacción máximas en tales unidades de catalizador. También medidas para evitar por completo igniciones de catalizador como, por ejemplo, mediante densidades de recubrimiento reducidas o capas de inhibición de difusión etc. no condujeron en regiones de concentraciones elevadas a la exclusión segura de igniciones no deseadas. Propiamente si se alcanzase esta desventaja, no serían excluibles igniciones ocasionales fundamentalmente debido a otras fuentes de ignición discontinuas en el contenedor.

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1. Elemento recombinador (4) con un número de elementos de catalizador (8) dispuestos en una carcasa común (6) , que desencadenan respectivamente con oxígeno una reacción recombinante cuando se porta hidrógeno junto con una corriente de gas de alimentación, rodeando la carcasa (6) los elementos de catalizador (8) que están dispuestos en su interior a modo de embudo, de forma tal que el calor liberado en la reacción de recombinación soporta el flujo de gas dentro de la carcasa (6) mediante convección, y en el que al menos uno de los elementos de catalizador (8) dispuestos dentro de la carcasa (6) presenta una zona de ignición predeterminada (20) ,

caracterizado porque el elemento de catalizador (8) incluye una zona catalíticamente activa de material poroso, que se selecciona de modo que en la zona de ignición predeterminada (20) en operación por convección en condiciones ambientales de aproximadamente 100 kPa (1 bar) y 100º C y con una concentración de hidrógeno en la corriente de gas de alimentación de más de 5% en volumen una temperatura de superficie por encima de la temperatura de ignición que se presenta en estas condiciones de 560º C, y porque se conectan aguas arriba al elemento de catalizador (8) medios para la focalización de la corriente del grupo que comprende placas deflectoras, placas de direccionamiento y generadores de turbulencia, que favorecen una conducción intencionada del pulso de presión que se aplica sobre la zona de ignición predeterminada.

2. Elemento recombinador (4) según la reivindicación 1, en el que en la zona de ignición predeterminada (20) se produce en operación en convección a condiciones ambientales de aproximadamente 100 kPa (1 bar) y 100º C y con una concentración de hidrógeno en la corriente de gas de alimentación de más de 5% en volumen una temperatura de superficie entre 600º C y 900º C.

3. Elemento recombinador (4) según la reivindicación 1 ó 2, en el que dentro de la carcasa (6) están dispuestos al menos tres, preferiblemente al menos diez, elementos de catalizador (8) .

4. Elemento recombinador (4) según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el o cada elemento de catalizador

(8) presenta respectivamente una zona catalíticamente activa (12) de material poroso, preferiblemente de Al2O3.

5. Elemento recombinador (4) según la reivindicación 4, en el que el material poroso de la zona catalíticamente activa (12) está dopada con material de catalizador, preferiblemente con Pt y/o Pd.

6. Elemento recombinador (4) según una de las reivindicaciones 1 a 5, que presenta en su circuito de corriente de entrada una superficie de sección transversal por la que puede fluir libremente la corriente de gas, es decir, que no está obstruida por componentes cuya porción de la superficie en sección transversal contabiliza más del 40%, preferiblemente más de 90%.

7. Elemento recombinador (4) según una de las reivindicaciones 1 a 6, cuyos elementos de catalizador (8) se realizan como placas de catalizador.

8. Elemento recombinador (4) según la reivindicación 7, en el que las placas de catalizador se ejecutan como elementos finos con un espesor de pared de menos de 1 mm, preferiblemente de menos de 0, 2 mm.

9. Elemento recombinador (4) según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la masa de elemento de catalizador se dimensiona y dispone en la zona de corriente, de modo que en los cambios de concentración transitorios se produce una tasa de aumento de superficie-temperatura en el elemento catalizador de > 50º C por % de hidrógeno en el periodo de 30 segundos, preferiblemente en el periodo de 10 segundos, por ejemplo por encima del 3% en volumen de hidrógeno.