Способ преобразования водородосодержащей среды и устройство для реализации способа

Изобретение относится к области технологий утилизации радиолитического газа в растворных ядерных реакторах и может быть использовано для создания способов обеспечения безопасной работы ядерного реактора (ЯР) и очищения парогазовой смеси до концентрации водорода. Способ преобразования водородосодержащей среды в каталитическом блоке включает пропускание потока через слой катализатора с окислением водорода до воды. В ЯР, в котором осуществлено облучение находящегося в нем подкисленного до рН в диапазоне 0,5-2,0 топливного раствора в виде уранилсульфата, потоком нейтронов, в топливном растворе протекает радиолиз с получением побочных продуктов водорода и кислорода, которые направляются в надтопливное пространство, а затем под действием воздушного компрессора парогазовую смесь направляют через систему охлаждения в каталитический блок с находящимся в нем платиново-палладиевым катализатором, в виде нанесенного тонким слоем на поверхность керамических гранул из оксида алюминия в качестве носителя катализатора, где осуществляют рекомбинацию водорода в воду, которую затем направляют в исходное надтопливное пространство ЯР. Изобретение обеспечивает возможность более стабильной и безопасной работы ядерного реактора (ЯР). 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области технологий утилизации радиолитического газа в растворных ядерных реакторах и может быть использовано для создания способов обеспечения безопасной работы ядерного реактора (ЯР) и очищения парогазовой смеси до концентрации водорода.

Актуальность решаемой проблемы основана на необходимости разработки системы каталитической утилизации радиолитического газа, образующегося при работе растворного ядерного реактора, состоящего из смеси водорода, кислорода, в ходе эксплуатации которой возможно образование так называемой «гремучей смеси», способной при определенных условиях к самопроизвольной детонации, приводящей к возможной разгерметизации активной зоны реактора с выходом опасных радиоактивных продуктов в окружающую среду.

Из уровня техники известен способ преобразования водородосодержащей среды с мольным соотношением водорода к кислороду в диапазоне от 1,5:1 до 2,5:1 дегидрогенизацией в каталитическом реакторе пропусканием потока через слой катализатора из группы платиново-палладиевых катализаторов со скоростью от 0,5 до 100 л/мин и давлении реакции от 0,07 до 0,15 МПа с окислением водорода до воды (патент РФ №2 554879, МПК B01J 23/42, публ. 27.06.2015 г.).

К недостаткам известного способа относится отсутствие возможности обеспечения стабильной и безопасной работы ядерного реактора (ЯР) и очищения парогазовой смеси от водорода в надтопливном пространстве растворного ЯР.

Задачей авторов изобретения является разработка эффективного способа преобразования водородосодержащей среды, обеспечивающей стабильную и безопасную работу растворного ЯР за счет поддержания безопасной концентрации водорода и кислорода в ЯР и очищения радиолитического газа от водорода.

Новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым способом, по сравнению с прототипом, заключается в обеспечении возможности более стабильной и безопасной работы ядерного реактора (ЯР) и очищения парогазовой смеси от водорода в надтопливном пространстве растворного ЯР.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного способа преобразования водородосодержащей среды с мольным соотношением водорода к кислороду в диапазоне от 1,5:1,0 до 2,5:1,0 в каталитическом блоке пропусканием потока через слой катализатора из группы платиново-палладиевых катализаторов со скоростью от 0,5 до 100 л/мин и давлении реакции от 0,07 до 0,15 МПа с окислением водорода до воды, согласно изобретению, в ЯР, в котором осуществлено облучение находящегося в нем подкисленного до рН в диапазоне 0,5-2,0 топливного раствора в виде уранилсульфата потоком нейтронов, осуществляют радиолиз в топливном растворе водорода и кислорода с получением побочных продуктов водорода и кислорода, которые направляют в надтопливное пространство, а затем под действием воздушного компрессора при высоких скоростях прокачки парогазовую смесь направляют через систему охлаждения с одноконтурным теплообменником для снижения температуры до 10-30°С в каталитический блок с находящимся в нем платиново-палладиевым катализатором в виде нанесенного тонким слоем на поверхность керамических гранул из оксида алюминия в качестве носителя катализатора, где осуществляют рекомбинацию водорода в воду в виде парогазовой смеси, которую затем направляют посредством компрессора в исходное надтопливное пространство для образования замкнутого цикла утилизации радиолитического газа.

Известен в качестве прототипа заявляемого устройства реализации способа преобразования водородосодержащей среды (патент РФ №2633712, МПК G21C 01/24, публ. 17.10.2017 г.), включающее ЯР, корпус которого заполнен уранилсульфатом в качестве жидкого топлива, систему охлаждения, каталитический блок с катализатором из группы платиново-палладиевых катализаторов.

Недостатком прототипа является сравнительно невысокая безопасность из-за использования пассивной системы каталитической рекомбинации газовой среды, в которой используется гравитационная система подачи водородсодержащей газовой среды в каталитический блок, вследствие чего концентрация водорода в надтопливном пространстве корпуса реактора может превысить нижний предел взрывобезопасности и привести к взрыву и разгерметизации газового контура с выходом газообразных радиоактивных веществ и аэрозолей в окружающую среду.

Задачей авторов изобретения является разработка устройства для реализации заявляемого способа преобразования водородосодержащей среды, с повышенной безопасностью и стабильностью работы.

Новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым устройством, заключается в более безопасной и стабильной работе растворного ЯР, а также в очищении радиолитического газа от попутно поступающих с ним каталитических ядов, по сравнению с прототипом.

Указанные задача и технический результат обеспечивается тем, что в отличие от известного устройства, включающего ЯР, корпус которого заполнен уранилсульфатом в качестве жидкого топлива, система охлаждения, каталитический блок с катализатором из группы платиново-палладиевых катализаторов, согласно изобретению в каталитическом блоке установлены отсеки, одна часть которых заполнена платино-палладиевым катализатором, нанесенным на гранулированную керамическую основу, другая часть отсеков образует систему газопроницаемых каналов каталитического блока, система охлаждения представляет собой трубчатый теплообменник для охлаждения водородсодержащей газовой смеси, перемещающейся из надтопливного пространства ЯР в систему каталитической утилизации водорода, воздушный компрессор для постоянной принудительной циркуляции газовой смеси из надтопливного пространства ЯР в каталитический блок и обратно с образованием замкнутого цикла утилизации радиолитического газа.

Предлагаемые способ преобразования водородосодержащей среды и устройство для его реализации поясняются следующим образом.

Принципиальная схема и устройство системы каталитической утилизации радиолитического газа (СКР) для ЯР растворного типа с принудительной системой циркуляции газовой смеси представлены на фиг. 1, где 1 - ЯР, 2 - холодильник, 3 - каталитический блок, 4 - воздушный радиатор, 5 - воздушный компрессор, 6 - датчики давления, 7 - датчики температуры, 8 - датчики водорода, 9 - газовые краны.

Каталитический блок - (фиг. 1, п. 3) представляет собой металлический цилиндрический контейнер с чередующимися отсеками, отделенными друг от друга перфорированными металлическими пластинами и/или сетками. Одни отсеки заполнены палладиевым и/или платиновым катализатором, нанесенным на гранулированную керамическую основу, а другие остаются пустыми для обеспечения высокой газодинамической проницаемости каталитического блока при высоких скоростях прокачки парогазовой смеси в газовом контуре СКРВ. В каталитическом блоке в отдельной защитной оболочке устанавливаются по два датчика температуры, расположенные в пространствах с катализатором.

В СКР с принудительной циркуляцией парогазовой смеси предлагается разместить несколько каталитических блоков: 1) рабочие блоки; 2) резервные блоки и 3) блоки, находящиеся на «высвечивании» перед заменой. Рабочие каталитические блоки используют до тех пор, пока каталитическая активность катализатора и скорость прокачки парогазовой смеси позволяют поддерживать взрывобезопасную концентрацию водорода в надтопливном пространстве растворного ЯР (не более 4% объем.). Затем осуществляют включение резервных каталитических блоков, а отработанные блоки посредством газовых вентилей отключают от газового контура и без демонтажа переводят в режим «высвечивания».

По мере снижения радиационного фона до уровня, соответствующего требованиям НРБ-99/2009, производят процедуру их регенерации (на месте размещения, без демонтажа) и/или замену их на новые блоки.

Холодильник (фиг. 1, п. 2), расположенный по ходу движения парогазовой смеси (ПГС) до каталитического блока, представляет собой одноконтурный замкнутый трубчатый теплообменник, в котором в качестве рабочего тела используется воздух, вода, фреон или другой теплоноситель. Теплообменник предназначен для снижения температуры парогазовой смеси, поступающей из топливного раствора ЯР в каталитический блок, не более 30°С.

Радиатор (фиг. 1, п. 4) расположен после каталитического блока, и представляет собой вспомогательный воздушный теплообменник, предназначенный для охлаждения и конденсации ПГС, поступающей из каталитического блока в надтопливное пространство ЯР, В качестве рабочего тела используют воздух.

Воздушный компрессор (газодувка) (фиг. 1, п. 5) обеспечивает принудительную циркуляцию ПГС в газовом контуре СКР. При изменении условий работы реактора и/или снижения каталитической активности рабочего блока он позволяет своевременно отрегулировать скорость прокачки парогазовой смеси в газовом контуре так, чтобы концентрация водорода в надтопливном пространстве ЯР не превышала нижний предел взрывобезопасности (4% объем.).

Датчики давления (фиг. 1, п. 6) и датчики водорода (фиг. 1, п. 8) позволяют контролировать давление и состав ПГС в газовом контуре СКР.

Газовые краны (фиг. 1, п. 9) - позволяют отсекать в случае необходимости (при проведении облучательных экспериментов в импульсном режиме и при проведении регламентируемых работ для СКР и др.) газовый контур ЯР от газового контура СКР.

На фиг. 2 представлены графики изменения параметров ПГС в течение времени эксплуатации - изменения давления, концентрации водорода в газовом контуре СКР до и после каталитического блока, температуры катализатора.

Принцип работы системы каталитической утилизации радиолитического газа с принудительной прокачкой ПГС в составе растворного ЯР можно описать последовательностью следующих стадий:

- радиолиз топливного раствора с образованием водородно-кислородной парогазовой смеси ПГС при проведении облучательных экспериментов;

- гравитационное накопление водородно-кислородной смеси в надтопливном пространстве растворного ЯР;

- принудительная продувка водородно-кислородной смеси из надтопливного пространства растворного ЯР в холодильник;

- охлаждение водородно-кислородной смеси между трубками теплообменника для снижения влагосодержания и концентрации йода в прокачиваемой ПГС;

- поступление охлажденной водородно-кислородной парогазовой смеси в каталитический блок;

- взаимодействие водорода с кислородом в каталитическом блоке с образованием парогазовой смеси с пониженным содержанием водорода (рекомбинированная ПГС);

- охлаждение рекомбинированной парогазовой смеси между трубками второго теплообменника;

- возвращение рекомбинированной и охлажденной ПГС в надтопливное пространство растворного ЯР.

Последовательность представленных стадий формирует замкнутый цикл утилизации (преобразования) радиолитического газа, образовавшегося при работе ЯР на мощности, с возвращением в топливный раствор ЯР эквивалентного количества воды, разложенной в процессе радиолиза.

Таким образом, использование предлагаемого способа преобразования водородсодержащей среды и устройства с регулируемой принудительной прокачкой ПГС позволяет обеспечивать стабильную и безопасную работу растворных ЯР.

Возможность промышленной реализации предлагаемого способа преобразования (утилизации) радиолитического газа в надтопливном пространстве ЯР может быть подтверждена следующими примерами конкретного исполнения.

Пример 1.

В лабораторных условиях заявляемый способ был реализован на опытной модели ЯР.

Лабораторные эксперименты по каталитическому окислению водородно-кислородной смеси (ПГС), поступающей со скоростью 0,45 дм³/мин через модельные топливные растворы с рН=7,0, проводили при скоростях циркуляции ПГС в замкнутом газовом контуре 5,0 дм³/мин и 9,0 дм /мин соответственно. Лабораторные эксперименты проводились в течение более 1100 часов работы модели ЯР.

В ходе эксперимента проведена оценка степени каталитической конверсии водорода для одно- двух- трех- и четырехсекционных каталитических блоков, оснащенных палладиевыми гранулированными катализаторами с массовой долей палладия от 0.2 до 2,0%. Массы палладиевых катализаторов в каждой секции блока составляли от 25 до 38 г.

Установлено, что:

- максимальная объемная доля водорода в газовом контуре испытательного стенда (опытной модели ЯР) до каталитического блока ЯР не превышала 4.0%;

- максимальная объемная доля водорода на выходе из односекционных каталитических блоков с массой катализатора составляла 1,0% при скорости циркуляции ПГС 5,0 дм³/мин и 0,55% при 9,0 дм³/мин;

- максимальная объемная доля водорода на выходе из каталитических блоков с массой катализатора составляла 0,023% и 0,042% при скоростях прокачки ПГС 4,6 дм³/мин и 8,7 дм³/мин соответственно;

- степень конверсии водорода для всех каталитических блоков после истечения 20 минут от начала эксперимента превышала 90%.

Пример 2.

В ходе эксперимента проведена оценка степени каталитической конверсии водорода на гранулированном промышленном катализаторе К-ПГ (массой 20 г) при окислении водородно-кислородной смеси, поступающей в газовый контур макета СКР со скоростью 0,5 дм /мин через подкисленные модельные топливные растворы с рН=0,5 и 1,0 в отсутствии каталитического яда - йода. Скорость циркуляции ПГС в газовом контуре макета СКР составляла 9,0 дм³/мин.

Установлено, что при отсутствии йода в подкисленных модельных растворах степень каталитической конверсии водорода составляла (98±1) % при окислении ~ 3000дм водорода в течение 132 ч непрерывной работы без тенденции к снижению. Концентрация водорода в газовом контуре СКР до и после каталитического блока не превышала 4% (объемн.).

Пример 3.

В ходе проведения эксперимента проведена оценка степени каталитической конверсии водорода на гранулированном промышленном катализаторе К-ПГ (массой 20 г) при окислении водородно - кислородной смеси, поступающей в газовый контур макета СКР со скоростью 0,5 дм³/мин через подкисленный модельный топливный раствор с рН=0,5 0 в присутствии каталитического яда - йода с концентрацией 32,5 мг/дм³. Скорость циркуляции ПГС в газовом контуре макета СКР составляла 9,0 дм³/мин.

Следует отметить, что концентрация йода в модельном топливном растворе в 90 раз превышала его максимальную концентрацию в топливном растворе ЯР ВИР-2М.

Установлено, что в присутствии йода с концентрацией 32,5 мг/дм³ подкисленном модельном топливном растворе степень каталитической конверсии постепенно снижалась от 98,0% до 85,0% при каталитическом окислении ~ 5000 дм³ водорода. Лабораторный эксперимент проводился в течение 240 ч непрерывной работы.

Концентрация водорода в газовом контуре СКР до и после каталитического блока не превышала 4% (объемн.).

В ходе проведения экспериментов в режиме он-лайн осуществлен мониторинг измеряемых параметров водородсодержащей газовой среды для своевременной корректировки для поддержания их на безопасном уровне.

Результаты измерений в условиях данного примера сведены в таблицу 1, из которой следует, что в течение времени проведения экспериментальных исследований (более 2 месяцев непрерывной работы) все параметры преобразуемой водородсодержащей газовой среды были выдержаны на безопасном уровне.

1. Способ преобразования водородосодержащей среды с мольным соотношением водорода к кислороду в диапазоне от 1,5:1,0 до 2,5:1,0 в каталитическом блоке пропусканием потока через слой катализатора из группы платиново-палладиевых катализаторов со скоростью от 0,5 до 100 л/мин и давлении реакции от 0,07 до 0,15 МПа с окислением водорода до воды, отличающийся тем, что в ядерном реакторе, в котором осуществлено облучение находящегося в нем подкисленного до рН в диапазоне 0,5-2,0 топливного раствора в виде уранилсульфата потоком нейтронов, в топливном растворе протекает радиолиз с получением побочных продуктов водорода и кислорода, которые направляются в надтопливное пространство, а затем под действием воздушного компрессора при высоких скоростях прокачки парогазовую смесь направляют через систему охлаждения с одноконтурным теплообменником для снижения температуры до 10-30°С в каталитический блок с находящимся в нем платиново-палладиевым катализатором, в виде нанесенного тонким слоем на поверхность керамических гранул из оксида алюминия в качестве носителя катализатора, где осуществляют рекомбинацию водорода в воду в виде парогазовой смеси, которую затем направляют посредством компрессора в исходное надтопливное пространство для образования замкнутого цикла утилизации радиолитического газа, при этом осуществляют контроль в режиме онлайн параметров - давления, концентрации водорода преобразуемой газовой среды на входе в каталитический блок и на выходе из него, а также температуры в каталитическом блоке.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее ядерный реактор, корпус которого заполнен уранилсульфатом в качестве жидкого топлива, система охлаждения, каталитический блок с катализатором из группы платиново-палладиевых катализаторов, отличающееся тем, что в каталитическом блоке установлены отсеки, одна часть которых заполнена платиново-палладиевым катализатором, нанесенным на гранулированную керамическую основу, другая часть отсеков образует систему газопроницаемых каналов каталитического блока, система охлаждения представляет собой трубчатый теплообменник для охлаждения водородсодержащей газовой смеси, поступающей из надтопливного пространства ядерного реактора в систему каталитической рекомбинации водорода, воздушный компрессор для постоянной принудительной циркуляции газовой смеси реактора из надтопливного пространства ядерного реактора в каталитический блок и обратно с образованием замкнутого цикла утилизации радиолитического газа.