Simulation of start-up behaviour of a passive autocatalytic hydrogen recombiner

Antoni Rożeń

Abstract

AbstractHeterogeneous catalytic recombination of hydrogen with oxygen is one of the methods used to remove hydrogen from the containment of a light-water nuclear reactor (LWR). Inside a passive autocatalytic recombiner (PAR), hydrogen and oxygen molecules are adsorbed at catalyst active spots and they recombine to yield water. Heat released in this exothermic reaction creates natural convection of gas in the spaces between the elements supporting a catalyst. Hot and humid gas flows upwards into the PAR chimney, while fresh, hydrogen-rich gas enters the PAR from below. Catalytic recombination should start spontaneously at room temperature and low hydrogen concentration. Computational fluid dynamics (CFD) has been used to study the dynamic behaviour of a plate-type Areva FR-380 recombiner in a quiescent environment for several test scenarios, including different rates of increase in hydrogen concentration and temporary catalyst deactivation. A method for the determination of pressure boundary conditions at the PAR exits was proposed and implemented into a CFD code. In this way, transient operation of PAR could be simulated without the need to model gas circulation outside the device. It was found that first a slow downward flow of gas is developed, which may persist until the temperature of the catalyst foils rises. As soon as the gas inside the PAR absorbs enough heat to become lighter than the gas outside the PAR, it starts to flow upwards. Criteria for determining the start-up time of PAR were proposed. Model predictions were also compared with experimental data obtained in tests conducted at the THAI facility.
Author Antoni Rożeń (FCPE / DCRED)
Antoni Rożeń,,
- Department of Chemical Reactor Engineering and Dynamics
Journal seriesNukleonika, ISSN 0029-5922, (A 15 pkt)
Issue year2018
Vol63
No2
Pages27-41
Publication size in sheets0.7
Keywords in Polishrekombinacja katalityczna, CFD, bezpieczeństwo wodorowe, naturalna konwekcja
Keywords in Englishcatalytic recombination, CFD, hydrogen safety, natural convection
Abstract in PolishHeterogeniczna rekombinacja katalityczna wodoru i tlenu jest jedną z metod usuwania wodoru z obudowy reaktora lekko-wodnego (LWR). Wewnątrz pasywnego autokatalitycznego rekombinatora (PAR) cząsteczki wodoru i tlenu są adsorbowane na centrach aktywnych katalizatora i łączą się tworząc wodę. Ciepło wyzwolone w tej reakcji egzotermicznej wywołuje naturalną konwekcję gazu w przestrzeniach pomiędzy elementami, na których osadzony jest katalizator. Gorący i wilgotny gaz płynie do góry przez komin rekombinatora, podczas gdy świeży i bogaty w wodór gaz wpływa od dołu do rekombinatora. Rekombinacja katalityczna powinna rozpoczynać się spontanicznie w temperaturze pokojowej i przy niskich stężeniach wodoru. Obliczeniowa mechanika płynów (CFD) została zastosowana do badania dynamiki rekombinatora płytowego Areva FR-380 w bezwietrznym otoczeniu dla kilku scenariuszy operacyjnych uwzględniających różne szybkości wzrostu stężenia wodoru i przejściową dezaktywację katalizatora. Zaproponowano metodę do ustalania ciśnienia na wlocie i wylocie z rekombinatora i zaimplementowano ją do kodu CFD w formie warunków brzegowych. W ten sposób można przeprowadzać symulację nieustalonej pracy rekombinatora bez konieczności modelowania cyrkulacji gazu na zewnątrz urządzenia. Wykazano, że najpierw gaz zaczyna płynąć wolno w dół, dopóki nie wzrośnie temperatura folii pokrytej katalizatorem. Jak tylko gaz wewnątrz rekombinatora zaabsorbuje wystarczającą ilość ciepła, aby stać się lżejszym niż gaz na zewnątrz rekombinatora, zaczyna płynąć ku górze. Zaproponowano kryteria do określania czasu trwania rozruchu rekombinatora. Wyniki modelowania zostały również porównane z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi w testach przeprowadzonych w instalacji THAI.
DOIDOI:10.2478/nuka-2018-0004
URL http://www.nukleonika.pl/www/back/full/vol63_2018/v63n2p27f.pdf
Languageen angielski
File
Rożeń A. - Simulation of start-up....pdf of 17-08-2018
664.37 KB
Score (nominal)15
ScoreMinisterial score = 15.0, 17-08-2018, ArticleFromJournal
Ministerial score (2013-2016) = 15.0, 17-08-2018, ArticleFromJournal
Publication indicators WoS Impact Factor: 2016 = 0.76 (2) - 2016=0.512 (5)
Citation count*
Cite
Share Share

Get link to the record


* presented citation count is obtained through Internet information analysis and it is close to the number calculated by the Publish or Perish system.
Back