CH405518A - Verfahren und Einrichtung zum Betrieb eines Atomreaktors - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 Verfahren und Einrichtung    zum   Betrieb eines Atomreaktors Die Erfindung betrifft ein    Verfahren   und    eine   Einrichtung zum Betrieb eines Atomreaktors, den zur Kühlung ein verdichtetes Gas    kleinen      Molekularge-      wichtes   durchströmt, das die    im   Reaktor entwickelte    Wärme   aufnimmt und einer Kraftmaschine zur Erzeugung von    Nutzleistung   zuführt, worauf das    ener-;      giearm   gewordene Gas    in   geschlossenem Kreislauf neuerlich verdichtet wird. 



  Im Zusammenhang mit gasgekühlten Atomreaktoren ist die Verwendung von    Gasturbinen-   oder Dampfkraftanlagen bekannt, wobei das    aufgeheizte   Arbeitsmittel direkt eine Gasturbine oder einen Dampfkessel    beaufschlagt.      Vorteilhafterweise   wird dabei die Leistungsabgabe durch Änderung der Dichte des in geschlossenem    Kreislauf   geführten Arbeitsmittels geregelt. 



  Bekannt ist auch die Verwendung von Drucktauschen in    Gasturbinenanlagen.   Der    Drucktauscher   ist in der Lage, heissere    Brenngase   als eine    Gasturbine      zu   verarbeiten,    denn   seine    Kanalwände   werden abwechselnd von    heissen   und kalten Gasströmen bestrichen, so dass deren    mittlere   Temperatur unter der Maximaltemperatur des heissen Gasstromes bleibt.

   Die Arbeitsweise des    Drucktauschers   sei kurz beschrieben: Mit    Hilfe   eines rotierenden Zellenrades    können   die unterschiedlichen Drücke von Gasströmen miteinander ausgetauscht werden, wobei der eine Gasstrom durch Verdünnungswellen von einem höheren auf einen niedrigeren Druck und der andere Gasstrom durch Verdichtungswellen von einem niedrigeren auf einen höheren Druck gebracht wird. Der    Drucktauscher   kann dabei aus einem rotierenden Zellenrad mit feststehenden    stirnseitigen   Gehäuseteilen oder aus einem feststehenden Kranz von Kanälen mit drehbaren Verteilern bestehen. Bei Verwendung eines Gases kleinen Molekulargewichtes, z. B.

   Helium, als    Reaktor-Kühlmittel   und als Wärmeträger werden    bekanntlich   bei relativ kleinen Reaktorleistungen die Abmessungen der thermischen Turbomaschinen ungünstig. Die    thermodyna-      mischen   Berechnungen eines Luft- und eines    Helium-      Gasturbinenhreislaufes   ergeben    nämlich,   dass zur Erreichung optimaler Wirkungsgrade bei gegebenen Temperaturen die    Gefälle   in    einem   Heliumkreislauf zirka    5-mal   grösser sind    als   in einem    Luftkreislauf.   Auch    wenn   im    Sinne   eines    Kompromisses   die Druckverhältnisse bei Helium unter dem Optimum angesetzt werden,

   verbleibt gegenüber Luft ein mehrfaches    Gefälle      zu   verarbeiten. 



  Die Verarbeitung eines bestimmten Gefälles in einer    thermischen   Turbomaschine erfordert einen bestimmten    Wert   der Grösse    u2z,   worin u die Umfangsgeschwindigkeit der Verdichter- oder Turbinenstufe und    z   die Stufenzahl ist.    In   einer Heliummaschine muss    somit      u2z   ein    Mehrfaches   dieses    Wertes   einer    Luftmaschine      sein.   



  Eine Vergrösserung    von,   u kommt bei den ohnehin schon    hochgezüchteten   Maschinen aus Festigkeitsgründen nur noch    beschränkt   in Frage. Dies    führt   zu einer grossen Stufenzahl z, was kostspielig    ist   und überschlanke Maschinen ergibt. 



  Auch beim    Drucktauscher   besteht    ein      ähnliches   Gesetz, welches bei    geometrischer      Ähnlichkeit   eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit für Helium erfordert.    Drucktauscher   für Luft haben aber wesentlich kleinere    Umfangsgeschwindigkeiten   als Turboverdichter, so dass einer Erhöhung von Seite der mechanischen Festigkeit her nichts    im   Wege steht.

   Dazu    kommt,   dass in der Wahl der    Drehzahl      eine   etwas grössere Freiheit besteht als bei    Turboverdichtem.   Beispielsweise können    verhältnismässig   lange, 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 schlanke, gerade Zellen Verwendung    finden,   die von einem    rotierenden-Verteiler   -mit    -nicht      übermässiger   Umfangsgeschwindigkeit    beaufschlagt   werden. 



  Ein    Drucktauscher   bietet noch den weiteren Vorteil, dass durch die direkte Druckübertragung von energiereichem auf energiearmes Gas der sonst notwendige Verdichter gänzlich    entfällt   und die    Nutzlei-      stungsmaschine   entsprechend    kleiner      ausgeführt   werden kann, da sie    keine   Leistung mehr für den Antrieb des Verdichters abgeben muss.

      Erfindungsgemäss   wird dies zum Betrieb eines von einem leichten Gas gekühlten Atomreaktors verwendet, in dem ein Teil der im verdichteten und    aufgeheizten,   also energiereichen Gas enthaltenen Energie zur direkten Wiederverdichtung des energiearmen Gases dient, während die restliche Energie zum Betrieb    einer   Kraftmaschine verwendet wird. Somit    übernimmt   ein    Drucktauscher   die Umwälzung des zur Kühlung des Reaktors dienenden Gases und    trägt   dazu bei, die durch Kernspaltung erzeugte    thermische   Energie nach aussen zu übertragen. 



  In den beiden Figuren der    Zeichnung   sind Ausführungsbeispiele der    erfindungsgemässen   Einrichtung    zum   Betrieb eines    Atomreaktors   schematisch dargestellt. Gleichen Teilen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet. 



  Nach    Fig.   1 wird ein Teil des verdichteten und in einem Atomreaktor 1    erhitzten   Gases    kleinen   Molekulargewichtes in einer Gasturbine 2    entspannt,   die den Stromerzeuger 3 antreibt. Der    restliche   Teil des verdichteten und erhitzten also energiereichen Gases gibt im    Drucktauscher   4 seine Energie zur    direkten   Wiederverdichtung von energiearmem Gas ab. Die beiden    Teilströme   vereinigen sich wieder und werden im Rückkühler 5 noch weiter abgekühlt, worauf die gesamte, nun -energiearm gewordene Gasmenge dem    Drucktauscher   4 zugeführt wird, in welchem sie auf den gewünschten    Betriebsdruck   verdichtet wird.

   Damit ist der Kreislauf des Gases    geschlossen   und es    tritt   neuerlich in den    Atomreaktor   ein. Der Motor 6 dient zum Antrieb des    Drucktauschers.   



  Die    Anlage   nach    Fig.   2 unterscheidet sich    darin,,   dass die Gesamtmenge des energiereichen Gases zuerst den    Drucktauscher   4 durchströmt und nachher ihre noch verbliebene Restenergie an eine Kraftmaschine abgibt. Bei diesem    Beispiel   wurde dafür eine Dampfkraftanlage gewählt, bestehend aus einem    Dampfkessel   7, der von den heissen Gasen    beauf-      schlagt   wird, einer Dampfturbine 8, welche mit dem Stromerzeuger 3 gekuppelt ist, einem Kondensator 9 und einer    Umwälzpumpe   10. Das aus dem Dampfkessel 7 austretende Gas wird wieder im    Drucktau-      scher   4 verdichtet und hierauf dem Atomreaktor 1 zugeführt. 



  Es    ist   eine Frage der Auslegung, ob das energiearme Gas im    Drucktauscher   auf den vollen Betriebsdruck oder nur auf    eine      Teilstufe   des    Enddruk-      kes   verdichtet wird. Im letzteren Falle ist es notwen-    dig,   dem    Drucktauscher   druckseitig, also    dort,   wo ihn das    vorverdichtete   Gas    verlässt,   noch    einen   Verdichter 11    nachzuschalten,   um das Gas auf den    Enddruck   zu verdichten. Diese zusätzliche Möglichkeit ist in    Fig.   2 gezeigt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum Betrieb eines Atomreaktors, den zur Kühlung ein verdichtetes Gas kleinen Molekulargewichtes durchströmt, das die im Reaktor entwickelte Wärme aufnimmt und einer Kraftmaschine zur Erzeugung von Nutzleistung zuführt, worauf das energiearm gewordene Gas in geschlossenem Kreislauf neuerlich verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der im verdichteten und erhitzten, also energiereichen Gas enthaltenen Energie zur direkten Wiederverdichtung des energiearmen Gases dient, während die restliche Energie zum Betrieb einer Kraftmaschine verwendet wird. 1I. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch einen Drucktauscher (4), in welchem das energiearme Gas verdichtet wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge des energiereichen Gases zur Wiederverdichtung des energiearmen Gases herangezogen wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des energiereichen Gases zur Wiederverdichtung des energiearmen Gases herangezogen wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das energiearme Gas durch das energiereiche Gas nur auf eine Teilstufe des Enddruckes verdichtet wird. 4.

   Einrichtung nach Patentanspruch II zur Durchführung des Verfahrens nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das energiereiche Gas zuerst den Drucktauscher (4) durchströmt und nachher seine Restenergie an eine Kraftmaschine (2, 8) abgibt. 5. Einrichtung nach Patentanspruch II zur Durchführung des Verfahrens nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des energiereichen Gases den Drucktauscher (4) durchströmt und der restliche Teil zum Betrieb einer Kraftmaschine (2, 8) dient, worauf die beiden Teilströme energiearmen Gases vereinigt und dem Drucktauscher (4) zugeführt werden. 6.

   Einrichtung nach Patentanspruch 1I und den Unteransprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Drucktauscher druckseitig ein Verdichter (11) nachgeschaltet ist, welcher das im Drucktauscher (4) vorverdichtete Gas auf den Enddruck verdichtet.