Modelling of the start-up period of a passive catalytic recombiner for hydrogen removal

Antoni Rożeń

Abstract

Hydrogen produced in a light-water nuclear reactor by water radiolysis and oxidation of zirconium fuel cladding accumulates in the reactor water cooling system and in the reactor safety containment. This can result in a local increase of concentration of this combustible gas, exceeding flammability limit, and create conditions conducive to accidental hydrogen ignition followed by flame propagation in the reactor building. Catalytic recombination of hydrogen conducted in passive autocatalytic recombiners (PAR) have become a very important method used in practice to mitigate the risk of hydrogen ignition in the recent time. A typical PAR device is a stainless metal box opened at the bottom and at the top end, containing several dozen of vertical plates coated with platinum or palladium catalysts. These plates are mounted in the lower PAR section, while the long upper PAR section serves as a chimney. Hydrogen and oxygen are adsorbed at catalyst active spots, recombine and create steam and heat. Reaction heat is released into the gas phase and hot gas flows out of the PAR due to natural convection. Recombination process starts spontaneously when hydrogen concentration exceeds approximately 0.51% v/v and continue until both reactants are available. PAR is a self-adaptive device producing intense natural mixing of gas above it. The aim of this work is to model the initial period of PAR operation beginning from a cold start until reaching stable gas flow and maximum recombination rate. Modelling is carried out by means of Ansys Fluent 16.0 in a simplified 2D geometry of Areva FR-380 recombiner. It is assumed that the catalytic recombination of hydrogen proceeds according to Schefer kinetics and flow in channels between the catalyst plates is laminar. Forced and natural convection of heat and mass, molecular and thermal diffusion along with heat transport by irradiation are taken into account. Pressure boundary conditions at the inlet and outlet of PAR box are based on the chimney draft force equation in order to obtain operating conditions close to real ones without a need to model PAR surrounding. As a result the length of the start-up period of PAR is determined for different initial compositions of the inlet cold gas. Model predictions are also compared with experimental data available in the subject literature and a good accuracy of CFD simulations is found.
Author Antoni Rożeń ZIDRCh
Antoni Rożeń,,
- Department of Chemical Reactor Engineering and Dynamics
Pages377-386
Publication size in sheets18.85
Book ENC 2016 Conference Proceedings, 2016, European Nuclear Society, ISBN 978-92-95064-27-0, 448 p.
Keywords in PolishCFD, wodór, katalizator, rekombinacja, czas rozruchu
Keywords in EnglishCFD, hydrogen, catalyst, recombination, start-up period
Abstract in PolishWodór, powstający w reaktorze jądrowym lekkowodnym wskutek radiolizy i utleniania cyrkonowych osłon paliwa, gromadzi się w układzie chłodzenia reaktora i w obudowie bezpieczeństwa. To może prowadzić do lokalnego wzrostu stężenia tego palnego gazu, przekraczającego granicę palności, i spowodować przypadkowy zapłon wodoru połączony z propagacją płomienia w budynku reaktora. Rekombinacja katalityczna wodoru prowadzona w pasywnych autokatalitycznych rekombinatorach wodoru (PAR) stała się ostatnio ważną metodą, wykorzystywaną w praktyce do zmniejszania ryzyka zapłonu wodoru. Typowe urządzenie PAR to stalowa skrzynka z otworami na dole i górze, zawierająca kilkadziesiąt pionowych płytek, pokrytych katalizatorem platynowym lub palladowym. Płytki te są zamontowane w dolnej sekcji PAR, podczas gdy górna, długa, sekcja PAR działa jak komin. Wodór i tlen adsorbują się na centrach aktywnych katalizatora i rekombinują, wytwarzając parę wodną i ciepło. Ciepło reakcji przenika do fazy gazowej i gorący gaz wypływa z rekombinatora na zewnątrz PAR wskutek konwekcji naturalnej. Proces rekombinacji zaczyna się spontanicznie wtedy, gdy stężenie wodoru przekracza w przybliżeniu 0,5÷1% objętościowych i jest kontynuowany dopóki oba reagenty są obecne. PAR ma zdolność do samoadaptacji i powoduje silne mieszania gazu nad sobą. Celem tej pracy jest stworzenie modelu fazy rozruchu PAR począwszy od zimnego startu aż do osiągnięcia stabilnego przepływu gazu i maksymalnej szybkości rekombinacji. Modelowanie prowadzi za pomocą programu Ansys Fluent 16.0 w uproszczonej geometrii 2D rekombinatora Areva FR-380. Zakłada się, że rekombinacja katalityczna wodoru zachodzi wg. modelu kinetycznego Schefera a przepływ między płytkami katalitycznymi jest laminarny. W modelu CFD uwzględniono wymuszoną i naturalną konwekcje ciepła i masy, dyfuzję molekularna i termiczna oraz transport ciepła w drodze promieniowania. Jako warunki brzegowe przyjęto ciśnienie gazu na wlocie i wylocie z PAR, wyznaczone z równania ciągu kominowego tak, aby uzyskać realistyczne warunki pracy i wyeliminować konieczność modelowania przepływu w otoczeniu rekombinatora. W efekcie wyznaczono czas rozruchu PAR dla różnych składów zimnego gazu wlotowego. Wyniki modelowania zostały porównane z danymi eksperymentalnymi, dostępnymi w literaturze, i stwierdzono dobrą dokładność symulacji CFD.
Languageen angielski
File
Rożeń A. - Modelling of the...pdf 694.25 KB
Score (nominal)15
Citation count*0
Cite
Share Share

Get link to the record
msginfo.png


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