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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,
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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.
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Method and device for operating a nuclear reactor The invention relates to a method and device for operating a nuclear reactor, through which a compressed gas of small molecular weight flows for cooling, which absorbs the heat developed in the reactor and feeds it to an engine to generate useful power, whereupon the ener-; Gas that has become poor in gas is compressed again in a closed circuit.
In connection with gas-cooled nuclear reactors, the use of gas turbine or steam power plants is known, the heated working medium directly acting on a gas turbine or a steam boiler. The power output is advantageously regulated by changing the density of the working medium which is guided in a closed circuit.
The use of pressure swaps in gas turbine systems is also known. The pressure exchanger is able to process hotter fuel gases than a gas turbine, because its duct walls are alternately brushed by hot and cold gas flows, so that their mean temperature remains below the maximum temperature of the hot gas flow.
The operation of the pressure exchanger is briefly described: With the help of a rotating cell wheel, the different pressures of gas flows can be exchanged with one another, whereby one gas flow is brought from a higher to a lower pressure by dilution waves and the other gas flow is brought from a lower to a higher pressure by compression waves becomes. The pressure exchanger can consist of a rotating cellular wheel with fixed end-face housing parts or a fixed ring of channels with rotatable distributors. When using a small molecular weight gas, e.g. B.
Helium, as a reactor coolant and as a heat carrier, is known to be unfavorable in the case of relatively small reactor outputs, the dimensions of the thermal turbomachines. The thermodynamic calculations of an air and a helium gas turbine ice cycle show that in order to achieve optimal efficiency at given temperatures, the gradients in a helium cycle are approximately 5 times greater than in an air cycle. Even if the pressure ratios for helium are set below the optimum as a compromise,
there remains a multiple gradient to process compared to air.
The processing of a certain gradient in a thermal turbo machine requires a certain value of the quantity u2z, where u is the peripheral speed of the compressor or turbine stage and z is the number of stages. In a helium machine, u2z must be a multiple of this value for an air machine.
For reasons of strength, an increase of, u is only possible to a limited extent for the machines, which are already highly developed. This leads to a large number of stages z, which is expensive and results in superlean machines.
There is also a similar law for the pressure exchanger, which requires an increase in the circumferential speed for helium if the geometry is similar. Pressure exchangers for air, however, have significantly lower peripheral speeds than turbo compressors, so that nothing stands in the way of an increase in mechanical strength.
In addition, there is a somewhat greater freedom in the choice of speed than with turbo compressors. For example, relatively long,
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slim, straight cells are used, which are acted upon by a rotating distributor -with -not excessive peripheral speed.
A pressure exchanger offers the further advantage that, through the direct transfer of pressure from high-energy to low-energy gas, the otherwise necessary compressor is completely dispensed with and the power machine can be made correspondingly smaller, since it no longer has to output power to drive the compressor.
According to the invention, this is used to operate a nuclear reactor cooled by a light gas, in which part of the energy contained in the compressed and heated, i.e. high-energy gas is used for direct recompression of the low-energy gas, while the remaining energy is used to operate an engine. Thus, a pressure exchanger takes over the circulation of the gas used to cool the reactor and helps to transfer the thermal energy generated by nuclear fission to the outside.
In the two figures of the drawing, exemplary embodiments of the device according to the invention for operating a nuclear reactor are shown schematically. The same parts are assigned the same reference symbols.
According to FIG. 1, part of the compressed gas of small molecular weight which is heated in an atomic reactor 1 is expanded in a gas turbine 2 which drives the power generator 3. The remaining part of the compressed and heated, that is, high-energy gas releases its energy in the pressure exchanger 4 for direct recompression of low-energy gas. The two partial flows combine again and are further cooled in the recooler 5, whereupon the entire amount of gas, which has now become low in energy, is fed to the pressure exchanger 4, in which it is compressed to the desired operating pressure.
This completes the gas cycle and re-enters the nuclear reactor. The motor 6 is used to drive the pressure exchanger.
The system according to FIG. 2 differs in that the total amount of the high-energy gas first flows through the pressure exchanger 4 and then transfers its remaining energy to an engine. In this example, a steam power plant was selected for this, consisting of a steam boiler 7, which is acted upon by the hot gases, a steam turbine 8, which is coupled to the power generator 3, a condenser 9 and a circulating pump 10. The one from the steam boiler 7 Exiting gas is compressed again in the pressure exchanger 4 and then fed to the atomic reactor 1.
It is a question of design whether the low-energy gas in the pressure exchanger is compressed to the full operating pressure or only to a partial stage of the final pressure. In the latter case, it is necessary to connect a compressor 11 downstream of the pressure exchanger on the pressure side, that is to say where the precompressed gas leaves it, in order to compress the gas to the final pressure. This additional possibility is shown in FIG.