(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合気内の水素を再結合するための多数の火花点火器（４）を備え、各火花点火器（４）が１0Hz以上の運転周波数の高速パルス点火器として形成されていることを特徴とする点火装置（１）。
【請求項２】
火花点火器（４）が10Wより低い運転電力の低エネルギ点火器として形成されていることを特徴とする請求項１記載の点火装置。
【請求項３】
火花点火器（４）が5Wより低い運転電力の低エネルギ点火器として形成されていることを特徴とする請求項１記載の点火装置。
【請求項４】
火花点火器（４）がエネルギ供給に関してグループ毎にまとめられ、各火花点火器群がそれらに共通のエネルギ蓄積器（８）に接続され、このエネルギ蓄積器（８）が中央エネルギ供給装置（７）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の点火装置。
【請求項５】
各エネルギ蓄積器（８）が、触媒被覆温度計を備えた自動起動器（14）を有することを特徴とする請求項４記載の点火装置。
【請求項６】
各エネルギ蓄積器（８）が、一体形圧力スイッチを備えた自動起動器（14）を有することを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の点火装置。
【請求項７】
各エネルギ蓄積器（８）が冷却装置（29）を有することを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１つに記載の点火装置。
【請求項８】
各火花点火器（４）が、その点火電子回路（30）に対する放射線保護体として形成された内部ハウジング（44）を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の点火装置。
【請求項９】
各火花点火器（４）が、絶縁壁（42）を備えたハウジング（36）を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の点火装置。
【請求項１０】
各火花点火器（４）が一体形放熱器を有することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の点火装置。
【請求項１１】
各火花点火器（４）が、それぞれ安全弁（56）で遮断できる放出管（58）を有することを特徴とする請求項１ないし10のいずれか１つに記載の点火装置。
【請求項１２】
請求項１ないし11のいずれか１つに記載の点火装置（１）の多数の火花点火器（４）が、その内部空間内に配置されていることを特徴とする原子力設備の安全容器。
【請求項１３】
請求項４ないし11のいずれか１つに記載の点火装置（１）の多数の火花点火器（４）および点火装置（１）のエネルギ蓄積器（８）が、その内部空間内に配置されていることを特徴とする原子力設備の安全容器。
【発明の詳細な説明】
本発明は、混合気内における水素を再結合するための、複数の火花点火器を備えた点火装置に関する。また本発明は、このような点火装置を備えた原子力設備の安全容器に関する。
原子力設備、特に原子力発電所において、例えば炉心が過熱されることによってジルコニウムの酸化を生じてしまうような事故あるいは故障が起きた際、水素ガスおよび一酸化炭素が発生し、これが原子炉の炉心を包囲する格納容器、即ち安全容器の内部に放出されることを予期しなければならない。この場合、特に冷却材喪失事故に伴い多量の水素が放出されることがある。これに伴い、安全容器内に爆発性混合気が生ずる。その特別な処置を講じないと、安全容器内の雰囲気における水素濃度が、突然発火した際に多量の水素が燃焼するために、安全容器の完全性が壊されてしまう程高くなることがある。
原子力発電所の安全容器内における、そのような爆発性混合気の形成を防止するために、種々の装置あるいは方法が検討されている。それは、例えば触媒式再結合器、触媒式および／又は電気式点火装置あるいはこれら両者の複合装置、並びに安全容器の永久的な不活性化法である。
安全容器内の雰囲気から水素を除去するために点火装置を採用する際、制御して燃焼によって、水素と酸素の確実な再結合を達成するようにしなければならない。危険な水素燃焼による顕著な圧力上昇は確実に回避しなければならない。そのような点火装置は、通常混合気の点火上限でも、即ち比較的高い水素濃度の混合気においても、水素の確実な点火を保証できるように設計されている。
ヨーロッパ特許第0596964号明細書により、混合気内の水素を再結合するための触媒・点火複合装置が知られている。この装置の場合、触媒体で水素が触媒再結合する際に得られる熱を点火装置に導き、そこで水素を点火するために利用する。しかしながらこのような触媒・点火複合装置の場合、水素が初めて発生した後、点火遅延時間経過後に始めて、この水素が点火される。即ち、水素が初めて発生した後、この水素の点火を可能にするために触媒体が十分に加熱されるまでに或る時間を要する。この点火遅延時間は、安全容器内で気体が高速で移動する際、比較的高い水素濃度で初めて水素が点火されると言う結果に結びつく。
水素含有混合気を制御して点火するための、ヨーロッパ特許第0289907号明細書で公知の点火装置は、一体化されたエネルギ蓄積器を介してエネルギが供給される火花点火器を有している。その点火装置は、自励式に設計されたエネルギ蓄積器を備えているので、供給配線は不要である。そのエネルギ蓄積器として、特に乾電池が利用されている。もっともこの点火装置は、一体化されたエネルギ蓄積器の容量のために、限られた運転時間にわたってしか動作できない。特に火花点火器が早期に始動する場合、水素が遅れて放出される事故経過の際には、水素の制御された点火は狭い時間範囲でしかできない。更にこの点火装置は、点火遅延時間経過後にはじめて放出水素と反応する。また、考え得るすべての事故シナリオをカバーする必要がある点火装置の長期運転は、限られた範囲でしかできない。更にまた、事故発生の前段において既に、念のために点火装置を、例えば発電所の監視所のようなステーションから始動させることもできない。
本発明の課題は、混合気、特に原子力設備の安全容器の雰囲気内における水素を再結合するための、多数の火花点火器を備えた点火装置において、気体の流れが比較的速い場合でも、発火性混合気の確実な点火を保証できるようにすることにある。更に、爆発性混合気の形成を特に防止する、原子力設備の安全容器を提供することにある。
この課題は、本発明によれば冒頭に述べた形式の点火装置において、各火花点火器を約10Hz以上の運転周波数の高速パルス点火器として形成することにより解決される。
本発明は、気体が高速で移動する場合でも混合気を確実に点火するため、混合気が約10m/秒以上の速度で火花点火器もしくは各点火器のそばを通って流れる際にも、この混合気を直接点火しようという考えから出発している。そのように高速で流れる混合気を確実に直接点火するために、火花点火器は相応した高い運転周波数の高速パルス点火器として設計される。その高速パルスによって、周囲の混合気は強く予備イオン化され、これによって点火確率は上昇し、従って混合気の点火下限を超えた直後に、早くも確実な点火が保証される。その場合、燃焼に伴うエネルギは、遅い点火に比べてかなり小さくなる。
本発明の有利な実施態様においては、火花点火器は10Wより低い、好適には5Wより低い運転電力の低エネルギ点火器として形成される。これによって、火花点火器に、特に簡単な手段で確実にエネルギを供給できる。その場合、特に小さな横断面積のエネルギ供給ケーブルを利用することができる。従って、このケーブルのために必要な原子力設備の安全容器の貫通部は、それに応じて小さく寸法づけられる。
外部装置の一時的な故障の際並びに点火装置の特に長い運転時間においても、発火性混合気の確実な点火を保証するために、火花点火器をエネルギ供給のためにグループ毎にまとめ、各火花点火器群を、それらの火花点火器を共通のエネルギ蓄積器に接続し、このエネルギ蓄積器を中央のエネルギ供給装置に接続するのが有利である。各エネルギ蓄積器には、例えばそれぞれ、約10〜20個の火花点火器から成る火花点火器群を接続する。あるいはまた、すべての火花点火器を唯一のエネルギ蓄積器に接続することもできる。
このような２段式に構成されたエネルギ供給装置の場合、外部装置から独立した火花点火器へのエネルギ供給は、少なくとも過渡期にわたってエネルギ蓄積器によって保証される。しかしながら他方ではまた、エネルギ蓄積器を、中央エネルギ供給装置を介して充電できるので、点火装置は、特に例えば５日間以上の長い運転時間に対しても適用される。このようなエネルギ供給装置の場合、エネルギ蓄積器は中央エネルギ供給装置が休止した場合にしか動作しないようにすることもでき、これによってエネルギ蓄積器の動作可能な時間が特に長くなる。中央エネルギ供給装置は、例えば蓄電池、非常ディーゼル発電機あるいは別個の電源装置として形成可能である。
この場合、エネルギ蓄積器として乾電池も利用可能である。しかしエネルギ蓄積器が、低電圧蓄電池として形成されていることが有利である。２段式エネルギ供給装置は、例えば事故が長く続いている場合に、点火装置の運転時間を制限することなしに、水素濃度が比較的薄い場合に、念のために早期に点火装置を始動することもできる。従ってこの点火装置は、原子力設備の安全容器内における爆発性混合気の発生を回避する際、著しく高い安全要求に関し、特に柔軟に採用できる。
点火装置が、水素の発生し始めに特に確実に応動するようにするため、各エネルギ蓄積器が触媒被覆温度計を備えた自動起動器を有することが有利である。この自動起動器は、放出された水素に対するセンサとして、触媒被覆温度計および／又は一体形圧力スイッチを有する。換言すれば、火花点火器に対する起動器は、火花点火器自体にではなく、むしろエネルギ蓄積器に配置するのが目的に適っている。従って火花点火器は、特にコンパクトな構造に形成できる。これによって、火花点火器を外部の温度および放射線の影響に対し、簡単な手段で特に有効に保護できる。特に水素センサが冗長的に形成されている場合、水素の発生を早期かつ確実に認識することが保証される。
種々の事故シナリオにおいても、点火装置が特に確実に動作するようにするために、点火装置の主要な構成要素に対して、それぞれの構成要素が許容最高温度を超過するのを確実に防止する冷却装置を設けるのが有利である。そのため、各エネルギ蓄積器に、種々の事故シナリオにおいてその運転温度を約140℃以下、好適には100℃以下に保つ冷却装置を設けることが目的に適っている。このような冷却装置を備えたエネルギ蓄積器は、原子力設備の安全容器の内部にも設置できる。この場合、各エネルギ蓄積器に接続された火花点火器に点火エネルギを供給するための伝達手段は、特に短い伝達経路で実現できる。その点火装置の耐熱性は、補助絶縁体による防熱によって、延長された電極によって、そしてまた鉱物絶縁体付きの金属外被ケーブルの利用によっても、一層高められる。
本発明の有利な実施の形態において、各火花点火器のハウジングは、大きな温度負荷および放射線負荷の場合でも、特に火花点火器を良好に冷却するべく形成されている。このために各火花点火器のハウジングが、絶縁外被を有するようにするのがよい。その絶縁外被として、二重壁構造により形成された空隙あるいは真空絶縁が、あるいはまた耐熱および耐放射線絶縁物質が利用される。各火花点火器は、その点火電子回路に対する放射線保護体として形成されている内部ハウジングを有するのが有利である。
更に、各火花点火器に一体形の放熱器を装備するのが目的に適っている。火花点火器の点火を開始させるために考慮された高周波電子回路は、温度負荷あるいは放射線負荷が変動する際も、例えば連続した火炎に伴う高温状態においても、その放熱器によって約150℃以下の低い温度に保たれる。その一体形放熱器として、それぞれの火花点火器に設けた水槽を利用し、その水槽の水は加熱された際に蒸発し、この蒸発熱によって火花点火器の点火電子回路を冷却する。そのように形成された放熱器は、外部装置と無関係に自励的に作動するので、それぞれの火花点火器の、特に確実な運転が保証される。これによって、高速パルス点火器として設計された火花点火器が、重大事故条件においても、簡単に且つ安全に採用できることを保証する。
その点火電子回路の温度を、特に長時間にわたって確実に制限するために、各火花点火器に安全弁で遮断できる冷却材の放出管を設けると有利である。これにより、例えば放熱器として設けた水槽の蒸発水を、各火花点火器から流量調整して放出することができ、この結果冷却材の蒸発により長時間にわたって確実な冷却を保証することができる。
原子力設備の安全容器についての上述の課題は、上述した様式で形成された点火装置の多数の火花点火器を、安全容器内室に配置することにより解決される。安全容器の内室に、約10Hz以上の運転周波数の高速パルス点火器として形成した多数の火花点火器を配置することにより、安全容器の雰囲気から発生した水素を早期にかつ確実に除去することが保証される。
その場合、多数の火花点火器並びにこれら火花点火器に付属するエネルギ蓄積器を、安全容器の内室に配置するのが有利である。発生した水素を、特に柔軟に且つ確実に再結合するため、火花点火器に加えて、別の再結合装置、例えば触媒再結合器も採用できる。
本発明によって得られる利点は、特に火花点火器を約10Hz以上の運転周波数の高速パルス点火器として設計したことにより、気体が高速で移動する場合も、発火性混合気の確実且つ早期の点火を保証できることにある。その高いパルス周波数によって、火花点火器の電極の範囲において混合気が強く予備イオン化されるので、混合気の点火確率が特に高くなる。従って確実且つ早期の点火は、僅かに動く雰囲気内でも保証される。点火装置の、２段式に形成したエネルギ供給により、一方では、点火装置を外部供給源と無関係に一時的に自励的に運転でき、他方では、点火装置の完全な機能を長い運転時間にわたって保証できる。特に火花点火器が中央外部エネルギ供給装置からエネルギを供給される場合、点火装置は、特に低い水素濃度において念のため早期に始動できる。更に、火花点火器に対する起動器および火花点火器に対するエネルギ供給をエネルギ蓄積器に負わせることによって、特に火花点火器をコンパクトな構造にすることができる。従って、火花点火器は場所的に特に柔軟に設置できるので、点火装置は、特に水素の発生が予期される立体的な部位に良好に分布するような、適合した配置が可能である。
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は混合気内における水素を再結合する点火装置の概略構成図、
図２は図１における点火装置の火花点火器の断面図である。
各図において、同一部分には同一符号が付されている。
図１における点火装置１は、混合気内の水素、つまり図１に概略的に示されている原子力設備の安全容器２内の雰囲気における水素を再結合するように考慮されている。この点火装置１は、安全容器２の内部に、内壁３に配置された多数の火花点火器４を有している。これらの火花点火器４は、それぞれ安全容器２の内部空間内に放出された水素を制御して燃焼させるための火花を必要に応じて発生するべく設計されている。
火花点火器４は、その点火エネルギを供給するために、２段式に形成されたエネルギ供給装置６に接続されている。このエネルギ供給装置６は、中央エネルギ供給装置７に接続された多数のエネルギ蓄積器８を有している。この実施例においては、エネルギ蓄積器８として低電圧蓄電池を利用している。あるいはまたエネルギ蓄積器８を、乾電池により形成することもできる。エネルギ蓄積器８は安全容器２の内部において、別の内壁９に取り付けられている。
各エネルギ蓄積器８には、それぞれ約15個の火花点火器４から成る火花点火器群が接続されている。換言すれば、火花点火器４はエネルギの供給に対してグループ毎にまとめられ、各火花点火器群はそれらの各火花点火器４に共通のエネルギ蓄積器８に接続されている。この火花点火器４のグループ化は、図１において、エネルギ供給配線10を束状に図示することによって示されている。そのエネルギ伝達配線10は、耐熱構造を持ち、鉱物絶縁体付きの金属外被ケーブルとして形成されている。
エネルギ蓄積器８は、その入力側が、安全容器２を貫通して延びる供給配線12を介し、中央エネルギ供給装置７に接続されている。各エネルギ蓄積器８は、約24時間の自励動作時間を持つように設計され、中央エネルギ供給装置７を介して充電できる。エネルギ供給装置７として、この実施例では非常用ディーゼル発電機が考慮されている。あるいはまた、別個の蓄電池あるいは別の電源装置を用意することもできる。
それぞれ配線12を介して中央エネルギ供給装置７に接続された各エネルギ蓄積器８は、点火過程を開始するために触媒被覆形温度計16と一体形圧力スイッチ18とを備えた自動起動器14を有する。この結果、点火装置１は、安全容器２の内部空間における圧力および／又は温度に関して、自動的に始動して点火するように、冗長的に構成されている。追加的に各エネルギ蓄積器８には、信号配線22を介して手動起動器24が接続されている。この手動起動器24は、例えば原子力発電所の監視所の一部に設けてもよい。手動起動器24は、その入力側が信号配線26を介して水素センサ28に接続されている。前置接続されたエネルギ蓄積器８を介しての、火花点火器４へのエネルギ供給は、このエネルギ蓄積器８にそれぞれ一体化された自動起動器14により、あるいは手動起動器24により開始させられる。
更に、各エネルギ蓄積器８には、放熱器として一体型の冷却装置29が設けられている。この冷却装置29は、大きな熱を発生する事故が生じた際も、エネルギ蓄積器８の内部の温度が100℃を超えないように設計されている。これにより、エネルギ蓄積器８は、それが低電圧蓄電池として形成されている場合でも、多数の事故シナリオにおいて確実に動作できる。
図２は、点火装置１の火花点火器４を概略的に示す。火花点火器４は、約100Hzの運転周波数の高速パルス点火器として、そして約5Wの運転電力の低エネルギ点火器として設計され、そのため、主要な構成要素としてパルス発生器、高圧トランジスタ、コンデンサおよび点火変圧器を含んだ点火電子回路30を有している。この点火電子回路30は、その入力側がエネルギ供給配線10に接続されている。このエネルギ供給配線10は、火花点火器４に付属するエネルギ蓄積器８に接続されている。点火電子回路30は、出力側が火花ギャップ32に接続されている。この火花ギャップ32の先端34は、安全容器の内部空間内に、事故が発生した際に水素の放出の増大が予想される範囲に突き出ている。
火花点火器４は、多層構造に形成されたハウジング36を有し、その外側壁38は、例えばVA鋼あるいはチタンのような耐熱材料から成っている。外側壁38の内部に絶縁壁40が配置され、これは、この実施例では、二重壁構造の形で外側壁38と内側壁42との間に形成された空隙とされている。あるいはまた、絶縁壁40として、外側壁38と内側壁42との間に配置された耐熱性および耐放射線性の絶縁物も利用できる。
点火電子回路30は、ハウジング36の内部において、放射線遮蔽体として形成された内部ハウジング44中に配置されている。内部ハウジング44と内側壁42との間の中間室46は、水槽の形態を取り、水位48まで水Ｗで満たされている。この水Ｗは、火花点火器４に一体化された放熱器として使われる。
内部ハウジング44は、絶縁材料から成るマウント50を介してハウジング36に取り付けられている。ハウジング36には、カバー52で閉じらた火花ギャップ32側の端面に、セラミック製の耐熱板54が設けられている。中間室46は、安全弁56で遮断できる放出管58を介して、ハウジング36の外部空間36に連通している。
ハウジング36は、マウント60を介して内壁３に掛けられている。マウント60を介して内壁３に掛けられたハウジング36は、内壁３に直に配置された別の絶縁壁62で包囲されている。
安全容器２の内部で事故が生じた際、水素センサ28によってあるいはセンサとして用意された温度計16および／又は圧力スイッチ18によって、水素が放出されたか否かが検出される。水素が放出されているとき、手動で起動器24を介してあるいはエネルギ蓄積器８に一体化された自動起動器14を介して自動的に、火花点火器４が始動される。各火花点火器４の火花ギャップ32により、その先端34に水素を制御して燃焼させるか再結合させる火花が発生される。火花点火器４が、約100Hzの運転周波数を持つ高速パルス点火器として形成されていることにより、気体が10m/秒以上の非常に高い流速で移動する場合でも、水素の確実な点火が保証される。更に、火花点火器４の運転周波数が高いために、混合気の特に強い予備イオン化が保証され、従って、僅かに移動する雰囲気においても、火花点火器群を通り過ぎた直後の、早期の点火が保証される。従って、点火中における燃焼エネルギは特に小さい。
点火装置１は、種々の事故状況においても、特に高い運転安全性を保つよう設計されている。火花点火器４に対しエネルギ供給装置６が２段式に構成されていることによって、点火装置１は中期の自励運転並びに長期にわたる連続運転に適用可能である。中期の自励運転中、火花点火器４に対するエネルギ供給は、専らエネルギ蓄積器８によって行われる。このエネルギ蓄積器８は、外部からの充電なしに、少なくとも24時間の運転時間を保証する。従って、外部装置が休止した場合でも、点火装置１の確実な運転が保証される。更に、点火装置１の確実な長期の運転も、中央エネルギ供給装置７によって保証される。
火花点火器４は、その構造に基づき、種々の事故シナリオにおいても高い運転安全性を示すように設計されている。それぞれの点火電子回路30の機能安全性は、その都度の事故による高い外部温度に対しても保証される。そのために、各火花点火器４のハウジング36内に設けられている絶縁壁40のほかに、特に内部ハウジング44を包囲する、水Ｗを用いた一体形の放熱器も貢献する。即ち水Ｗは温度に伴って蒸発し、その蒸発熱によって点火電子回路30を冷却する働きをする。特に長い運転時間は、安全弁56によって保証される。即ち、この安全弁56によって、ハウジング36からの蒸発水Ｗの放出量を調整できる。従ってこの一体形放熱器は、貯水量が制限されている場合でも、特に長い運転時間にわたって利用できる。
【図１】
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【図２】
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