(57)【要約】水素再結合器は、一連の触媒段を備え、一連の触媒段の各段が、流路の関数として増加する触媒活性を画定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素再結合器であって、
一連の触媒段を備え、一連の触媒段の各段が、流路の関数として増加する触媒活性を画定することを特徴とする水素再結合器。
【請求項２】
触媒活性は、入口から出口へと増加することを特徴とする請求項１記載の水素再結合器。
【請求項３】
入口に隣接するファンをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の水素再結合器。
【請求項４】
触媒活性は、作動温度に関して定義されることを特徴とする請求項１記載の水素再結合器。
【請求項５】
作動温度は、水素爆燃温度より低いことを特徴とする請求項４記載の水素再結合器。
【請求項６】
格納容器内に一連の触媒段を配置することを含み、一連の触媒段は、流路の関数として増加する触媒活性を画定することを特徴とする、原子炉の格納容器の内部から水素を受動的に除去する方法。
【請求項７】
一連の触媒段の各段内を水素爆燃温度より低い作動温度に維持することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
一連の触媒段の上流にファンを配置することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は冷却材の喪失の場合に原子炉の格納容器の内部から水素を受動的に除去するための高性能の自触媒水素再結合に関する。
【０００２】
本開示は２０１２年７月２４日に出願された出願番号第６１／６７５，１５５号の米国仮出願特許の開示に対して優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
核発電所は、非常に効率的な電力生成を容易にする。軽水冷却原子炉（Ｌｉｇｈｔ  Ｗａｔｅｒ−ｃｏｏｌｅｄ  ｎｕｃｌｅａｒ  ｒｅａｃｔｏｒ）（ＬＷＲ）は、冷却材喪失事故（ｌｏｓｓ−ｏｆ−ｃｏｏｌａｎｔ  ａｃｃｉｄｅｎｔ）（「ＬＯＣＡ」）に起因する格納器の健全性に対する脅威を最小限に抑えるように設計される。ＬＯＣＡは、格納器雰囲気内への高温の水および水蒸気の放出を生じさせ得る。格納器から熱を除去するシステムが使用されないと、格納器内の圧力および温度が設計限界を超えて上昇し得る。
【０００４】
さらに、ＬＯＣＡはまた、炉心の露出をもたらし、結果として、残留水蒸気と反応する際のジルコニウム合金の酸化につながり得る燃料温度の上昇をもたらし得る。この反応は、発熱を伴い、水蒸気と共に格納器雰囲気内へと漏れ出し得る水素を生成する。水素の質量放出速度は、ｋｇ／ｓのオーダーであり得る。水素の活性を自己発火限界より下に維持するシステムが使用されないと、発火の可能性のある気体混合物が、原子炉格納器内で生じ得る。
【０００５】
現在のＬＷＲは極めて安全であり、給電、配水、運転員の行動への依存を最小限にしてフェイルセーフ動作を行い、ＬＯＣＡの影響を軽減する。さまざまな能動的冷却の選択肢に加えて、多くのＬＷＲは、格納器雰囲気から熱を移動させる受動的システムを使用する。例えば、いくつかの原子炉では熱移動を促進するために、鋼製格納容器と、高所タンクからの外部水冷却とを用いる。格納器雰囲気からの熱は、自然対流によって格納容器へと移動する。破損からの高温の水蒸気は、空気と混合し、格納器の最上部へと上昇し、次いで、低温の格納容器と接触して冷却される。温度が下がり、密度が上がった混合物は降下し、自然循環過程が始まり、壁の近くの流れは下方へと向かい、中心領域の流れは上方へと向かう。初期のブローダウン期間の後、格納器内の圧力および温度は、低温格納容器上および他の低温表面上での水蒸気凝縮速度が破損からの水蒸気放出速度と等しくなるまで上昇する。
【０００６】
原子炉はまた、水素蓄積を軽減するさまざまな受動的システムを使用する。例えば、予め不活性化することで、運転開始前または運転開始中に格納器内に酸素を減少させた雰囲気を生成する。不活性ガス（通常は窒素）を格納器内へと注入して空気と置換し、水素燃焼に必要なレベルより下に酸素の活性を低減する。
【０００７】
さらなる別の受動的システムは、水素再結合器である。水素再結合器は、水素と酸素を結合して水を生成し、格納器内の水素の活性を低減する。自触媒再結合器は、熱再結合器とは対照的に、自動始動であり、外部電源を必要とせず、従って受動的である。
【０００８】
効果的に作動させるためには水素再結合器は比較的高い流量の空気を必要とする。格納器の冷却を行うために格納器雰囲気の自然循環を従来使用しているが、この使用では通常、効果的な受動的水素再結合器が大きな格納器体積を処理するのに十分に高い流量は生成されない。水素と酸素の反応によって触媒再結合器内で生成する高温は、局所的対流を促進する。これは、自然循環だけからの対流より大きな対流を再結合器内に生成し得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】開示された非限定的な一実施例による水素再結合器の概略図。
【図２】開示された別の非限定的な実施例による水素再結合器の概略図。
【図３】開示された別の非限定的な実施例による水素再結合器の概略図。
【図４】開示された別の非限定的な実施例による水素再結合器の概略図。
【図５】開示された別の非限定的な実施例による水素再結合器の概略図。
【図６】開示された別の非限定的な実施例による水素再結合器の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
当業者には、開示された非限定的な実施例についての以下の詳細な説明からさまざまな特徴が明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は、上記のように簡単に説明可能である。
【００１１】
図１は、一般にハウジング３１と、その内部に一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃなどとを備える水素再結合器３０を概略的に例示する。３つが例示されているとはいえ、任意の数が本願明細書から利益を得られるであろうことを理解されたい。一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段は、入口３４から出口３６への流路の関数として増加する触媒活性を画定する。一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの連続した各段は、水素再結合器３０の出力が実質的により低い水素活性レベルを有するように、水素の活性を低減する。
【００１２】
再結合反応（Ｈ２＋２Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ）は、触媒表面で熱を生成する。Ｈ２活性が大きければ大きいほど、生成される熱は大きくなり、それによって、一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段における触媒活性は、効果的に水素を除去しなお水素爆燃を防止するように、例えば約９３２Ｆ（５００Ｃ）より低い温度などの作動温度に関して定義され得る。
【００１３】
作動は受動的であるとはいえ、水素再結合器３０は付加的に、流れを促進するためのファン３８（概略的に示される、図２）を備えることができる。すなわち、ファン３８なしでも水素再結合器３０は効率的に作動するとはいえ、ファン３８は、ファン３８専用の無停電電源（ＵＰＳ）によって作動可能にすることもでき、あるいは、外部電源が利用可能な場合、ファン３８は、効率を増大させるために作動可能である。
【００１４】
通常一連の触媒段のうちの最初の触媒段３２Ａは、比較的高い水素含有量に曝されるので、比較的低い触媒活性に合うように作成される。すなわち、一連の触媒段のうちの最初の触媒段３２Ａは、表面温度が予め決められた温度より低いままとなるように、比較的低い触媒活性を有する。そのような低い触媒活性では、貴金属より費用の掛からない材料を使用することができる。中間の触媒段３２Ｂは、比較的中間の触媒活性を与える。最後の触媒段３２Ｃは、表面温度が予め決められた温度より低いままとなるように、低い活性の水素の除去のために比較的高い触媒活性を与える。
【００１５】
一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段の触媒活性は、例えば、熱伝導性基材が触媒表面から熱を伝達するとともに対流が熱伝導性基材から熱を除去するように、熱伝導性基材上の部分的触媒被覆によって調整することができる。別の開示の非限定的な実施例では、熱伝達を高めるように金属合金メッシュを触媒表面上に配置し、または触媒表面に埋め込むことができる。さまざまな触媒構成またはそれらの組み合わせを代替としてまたは付加的に提供することができる。
【００１６】
さらに、さまざまな触媒形状および方向を一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段で個別にまたは組み合わせで使用することができる。開示の非限定的な一実施例では、鉛直方向の触媒プレート４０を一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段で使用する（図３）。別の開示の非限定的な実施例では、鉛直方向のロッドまたは管５０を一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段で使用する（図４）。さらなる別の開示の非限定的な実施例では、球の配列６０を一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段で使用する（図５）。なお別の開示の非限定的な実施例では、鉛直方向のコイルシート７０を一連の触媒段３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各段で使用する（図６）。また、さまざまな他の構成および組み合わせが本願明細書から利益を得られるであろうことを理解されたい。
【００１７】
その結果、水素再結合器３０は、電源なしおよび非常用電源が利用可能な時の両方で過熱および故障を防止するように、各段で熱を容易に除去する。さらに、水素再結合器３０は、従来の水素再結合器に比較して１０倍以上の体積の水素を容易に除去するので、必要とされる水素結合器の数を低減できるため、資本費用の低減が可能である。
【００１８】
記述の文脈内（特に添付の請求項の文脈内）における「ある」、「その」という用語および同様の言及の使用は、明細書中で別段の定めがない場合、または文脈によって具体的に矛盾する場合を除き、単数、複数両方を含むものとして解釈されるべきである。数量に関連して使用する「約」という修飾語は、提示された値を含み、文脈が規定する意味を有する（例えば、それは、特定の量の測定に付随する程度の誤差を含む）。明細書に開示される全ての範囲は、端点を含み、複数の端点は独立して互いに結合可能である。「前部」、「後部」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」および同様のものなどの相対位置の用語は、乗り物の通常の運転姿勢に関連しており、それ以外に限定して考えるべきでないことを理解されたい。
【００１９】
異なる非限定的な実施例が特定の例示の構成要素を有するとはいえ、本発明の実施例は、それらの特定の組み合わせに限定されない。非限定的な実施例のいずれかからの構成要素または特徴のいくつかを、他の非限定的な実施例のいずれかからの特徴または構成要素と組み合わせて使用することができる。
【００２０】
同様の参照符号がいくつかの図面に亘って対応するまたは同様の要素を特定することを理解されたい。特定の構成要素の構成を例示の実施例に開示するとはいえ、他の構成が本願明細書から利益を得られることを理解されたい。
【００２１】
特定の工程一続きを示し、記載し、請求するとはいえ、工程は、別段の定めがない場合、別々または組み合わせで任意の順序で実施可能であること、また本開示からなお利益を得られることを理解されたい。
【００２２】
上述の説明は、そこでの限定によって規定されるものではなく例示である。さまざまな非限定的な実施例を明細書で開示しているが、当業者ならば、上述の教示に照らしてさまざまな修正および変形が添付の請求項の範囲に含まれることを理解するであろう。従って、添付の請求項の範囲内で、具体的に記載された以外に本開示を実施できることを理解されたい。その理由で、真の範囲および内容を決定するには添付の特許請求の範囲を検討する必要がある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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