氫復合器的制造方法
【專利摘要】一種氫復合器包括一系列催化劑級，所述一系列催化劑級中的每級均限定隨著流動路徑而遞增的催化劑活性。
【專利說明】氫復合器
[0001]本公開要求于2012年7月24日提交的美國臨時專利公開序列號為61/675，155的優先權。
【技術領域】
[0002]本公開涉及一種改進式自動催化氫復合以便在失水(loss of coolant)情況下從核反應堆的安全殼容器(containment vessel)內部非能動地去除氫。
【背景技術】
[0003]核電站有助于非常高效的電力生產。輕水冷卻式核反應堆(LWR)被設計成使因失水事故(“L0CA”)而對安全殼的完整性所造成的威脅降至最低。LOCA會導致熱水和蒸汽噴射進入安全殼氣氛(containment atmosphere)內。除非采用從安全殼散熱的系統，否則安全殼內的壓力和溫度可能會超過設計限制而上升。
[0004]此外，LOCA還可能會導致堆芯暴露并且因而導致燃料溫度增加，當鋯合金與殘余蒸汽起化學反應時就可能會導致鋯合金氧化。這種反應是放熱的并且產生可隨著蒸汽而散逸到安全殼氣氛中的氫。氫的質量釋放率可以是千克/秒的等級。除非采用使氫活性維持在自燃限制之下的系統，否則就能夠在反應堆安全殼內產生潛在可燃性氣體混合物。
[0005]當前LWR非常安全并且對失效保護操作提供有對于電力供應、工業用水和操作者行為最小依賴性以便消除LOCA的影響。除了各種能動(active)的冷卻選擇之外，許多LWR采用從安全殼氣氛傳遞熱量的非能動(passive)系統。例如，一些反應堆利用鋼制安全殼容器和來自高位罐的外部水冷卻來促進傳熱。來自安全殼氣氛的熱量通過自然對流被傳遞到安全殼容器。由于源于破裂處(break)的熱蒸汽與空氣混合并且上升到安全殼的頂部，然后通過接觸冷安全殼而被冷卻。冷卻劑較稠密的混合物下降從而開始自然循環的過程，其中壁附近的流動向下并且中央區域的流動向上。在最初下吹(blow-down)期間之后，安全殼內的壓力和溫度增加，直到冷安全殼以及其它冷表面上的蒸汽的冷凝速率等于從破裂處排放的蒸汽速率為止。
[0006]核反應堆也利用各種非能動系統來緩解氫累積。例如，在啟動之前或期間預惰化在安全殼內產生貧氧氣氛。惰性氣體(通常是氮)被噴射到安全殼內以取代空氣從而將氧活性降低到氫燃燒所需的水平之下。
[0007]另一非能動系統是氫復合器。氫復合器使得氫和氧復合以產生水從而降低安全殼內的氫活性。相對于熱復合器，自動催化復合器是自起動的而且不需要外部動力因而是非能動的。
[0008]為了有效地工作，氫復合器需要相對高的空氣流率。常規使用安全殼氣氛的自然循環以達到安全殼冷卻，通常無法產生足夠高的流率來獲得有效的非能動氫復合器以處理大的安全殼體積。源于氫和氧之間的反應而在催化復合器內所產生的升高溫度促進了局部對流。這可以在復合器內產生比起僅由自然循環所產生的流動更大的對流流動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]根據所公開的非限制性實施例的下述具體描述，對本領域技術人員而言各種特征將變得顯而易見。附隨于該具體描述的附圖能夠被簡要地如下描述為:
圖1是根據一種公開的非限制性實施例的氫復合器的示意圖；
圖2是根據另一種公開的非限制性實施例的氫復合器的示意圖；
圖3是根據另一種公開的非限制性實施例的氫復合器的示意圖；
圖4是根據另一種公開的非限制性實施例的氫復合器的示意圖；
圖5是根據另一種公開的非限制性實施例的氫復合器的示意圖；并且圖6是根據另一種公開的非限制性實施例的氫復合器的示意圖。
【具體實施方式】
[0010]圖1示意地示出氫復合器30，其通常包括外殼31以及其內的一系列催化劑級(catalyst stage) 32A、32B、32C等。雖然示出了三個，但是應該意識到任意數量均會由此而受益。所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每一級均限定隨著從入口 34到出口 36的流動路徑(flowpath)而遞增的催化劑活性(catalyst activity)。所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每個相繼級都降低氫的活性，以致氫復合器30的輸出具有大體上較低的氫活性水平。
[0011]再化合反應(H2+202=2H20)在催化劑表面處產生熱量。H2活性越大則產生的熱量越多，以致可以相對于操作溫度(例如低于大約932F(500C)的溫度)來限定所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每級內的催化劑活性，以便有效除去氫又避免氫爆燃。
[0012]雖然是在操作上是非能動，不過氫復合器30可以額外地包括風扇38 (示意性示出；圖2)以促進流動。就是說，即使沒有風扇38，氫復合器30也能有效地運轉，不過風扇38可以通過專用于風扇38的不間斷電源(UPS)而可操作，或者若外部電源可供使用的話則風扇38也可操作以增加效率。
[0013]一般而言，所述一系列催化劑級中的第一級32A被特制成用于相對低的催化活性，因為所述一系列催化劑級中的第一級32A暴露于相對高的氫含量。換句話說，所述一系列催化劑級中的第一級32A具有相對低的催化劑活性，以致表面溫度保持在預定溫度之下。對于這種低活性的催化劑，可以利用比貴金屬廉價的材料。中間的催化劑級32B提供相對中等的催化劑活性。最后的催化劑級32C提供相對高的催化劑活性以便除去處于低活性的氫，以致表面溫度維持在預定溫度之下。
[0014]所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每一級內的催化劑活性例如可以通過導熱基體上的部分催化劑覆蓋來進行控制，以致該基體將熱量從催化劑表面傳走，并且對流將從該基體散熱。在另一公開的非限制性實施例中，金屬合金網可以被置于催化劑表面上或者被嵌入其內以便增強傳熱。可以替代性地或額外地提供各種催化劑布置或其組合。
[0015]此外，在所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每一級內可以單獨地或組合地使用各種催化劑幾何構型和取向(geometries and orientat1ns)。在一種公開的非限制性實施例中，在所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每一級內利用豎直定向的催化劑板40(圖3)。在另一公開的非限制性實施例中，在所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每一級內利用豎直定向的桿或管50(圖4)。在又一公開的非限制性實施例中，在所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每一級內利用球體陣列60 (圖5)。在再一公開的非限制性實施例中，在所述一系列催化劑級32A、32B、32C中的每一級內利用豎直定向的帶狀薄板(卷繞板材；coiled sheet) 70 (圖6)。同樣，應該意識到各種其它布置和組合將由此受益。
[0016]因而，氫復合器30在各級中容易地散熱以便在沒有動力和緊急動力可用兩種情況下均可防止過熱和失效。此外，由于與常規的氫復合器相比容易地去除了十倍以上的氫容量，所以氫復合器30可以減少所需的氫復合器數量，從而可以降低投資成本。
[0017]在說明書的上下文(尤其是在所附權利要求的上下文)中術語“一”和“一個”和“所述”和類似代詞的使用應被解釋成涵蓋單個和復數個，除非在文中另外說明或者具體地根據上下文自相矛盾。結合數量使用形容詞“大約”包括所列值并且具有由上下文決定的含義(例如其包括與具體數量的測量有關的誤差程度)。這里公開的所有范圍均包括端點，并且端點可獨立地彼此結合。應該意識到，相對位置術語，例如“前”、“后”、“上”、“下”、“之上”、“之下”等等參考工具(vehicle)的正常工作姿態并且不應被看作另外的限制。
[0018]雖然不同的非限制性實施例具有被具體圖示出的部件，不過本發明的實施例不限于這些特有的組合。可能使用來自任何非限制性實施例中任意實施例的一些部件或特征與來自其它非限制性實施例中任意實施例的特征或部件的組合。
[0019]應該意識到貫穿所示的多幅圖，類似附圖標記指代對應或類似元件。也應該意識到，雖然在所圖示實施例中公開了特有的部件設置，不過其它設置也將由此受益。
[0020]雖然示出、描述和要求了特有的步驟順序，不過應該理解的是，除非明確指出，否則步驟可以以任意次序、單獨地或結合地被執行，并且將從本公開中受益。
[0021]前面的描述是示例性而不是被限定在其內。這里公開了各種非限制性實施例，不過本領域一個普通熟練人員將認識到，根據上述教導的各種改進和變型將應列入所附權利要求的范圍內。因此，應該意識到，在所附權利要求的范圍內，可以以特有地描述之外的方式實現本公開。為此，應該研宄所附權利要求來確定真實范圍和內容。
【權利要求】
1.一種氫復合器，包括: 一系列催化劑級，所述一系列催化劑級中的每級均限定隨著流動路徑而遞增的催化劑活性。
2.根據權利要求1所述的氫復合器，其特征在于，所述催化劑活性從入口到出口而遞增。
3.根據權利要求2所述的氫復合器，其特征在于，還包括鄰近所述入口的風扇。
4.根據權利要求1所述的氫復合器，其特征在于，相對于操作溫度來限定所述催化劑活性。
5.根據權利要求4所述的氫復合器，其特征在于，所述操作溫度小于氫爆燃溫度。
6.一種從核反應堆的安全殼容器內部非能動地去除氫的方法，包括: 將一系列催化劑級放置在所述安全殼容器內，所述一系列催化劑級限定隨著流動路徑而遞增的催化劑活性。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括在所述一系列催化劑級中的每級內維持操作溫度小于氫爆燃溫度。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括將風扇放置在所述一系列催化劑級的上游。
【文檔編號】B01J19/24GK104470848SQ201380039211
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年3月28日 優先權日:2012年7月24日
【發明者】M. 阿茲茲 S., 格里梅特 D. 申請人:特拉華空氣噴射火箭達因公司