DE102010035831A1

DE102010035831A1 - Nuclear power plant i.e. generation four reactor, has gas circuit provided as intermediate circuit between heat exchanger of primary circuit and heat exchanger of downstream pressure water-vapor circuit

Info

Publication number: DE102010035831A1
Application number: DE102010035831A
Authority: DE
Inventors: Carsten Graeber; Peter Koschatzky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2011-09-29

Abstract

The nuclear power plant has a primary circuit (10) evacuating thermal energy from a nuclear reactor and a downstream pressure water vapor circuit (20) for generating electrical power from evacuated thermal energy. A gas circuit (Z) is provided as an intermediate circuit between a heat exchanger of the primary circuit and a heat exchanger of the downstream pressure water-vapor circuit. Liquid sodium is provided as heat transfer medium to the primary circuit. The gas circuit comprises a gaseous mixture of nitrogen and helium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kernkraftwerkanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a nuclear power plant according to the preamble of claim 1.

Bei fortschrittlichen Kernkraftwerksanlagen (wie z. B. die Reaktorgeneration IV) liegt ein Schwerpunkt auf der Verbesserung des Anlagenwirkungsgrades beziehungsweise auf der verbesserten Nutzung des eingetragenen nuklearen Spaltmaterials (z. B. Brutreaktor). Bei beiden Ansätzen geht der Trend hin zu höheren Prozesstemperaturen, wobei darauf geachtet werden muss, dass es dabei zu keinen Einschränkungen in der Anlagensicherheit kommt.For advanced nuclear power plants (such as Reactor Generation IV), one focus is on improving plant efficiency and improving the utilization of nuclear fissile material (eg, breeder reactor). In both approaches, the trend is towards higher process temperatures, but care must be taken to ensure that there are no restrictions on plant safety.

Bei schnellen Brütern wird flüssiges Natrium als Kühlmittel und damit als Wärmeträgermedium im Primärkreislauf vorgesehen. Damit wird einerseits sichergestellt, dass ein schnelles Neutronenspektrum für den Brutprozess zur Verfügung steht und andererseits kann der Reaktor wegen der hohen Siedetemperatur des Natriums im Vergleich zu Wasser mit höheren Kühlmitteltemperaturen betrieben werden. Aus Sicherheitsgründen kann dem Primärkreislauf zudem ein weiterer Natrium-Folgekreislauf direkt nachgeschaltet sein. Die Umwandlung der so über den Primärkreislauf vom Reaktor abtransportierten thermischen Energie in elektrische Energie erfolgt in einem nachfolgenden Wasser-Dampfkreislauf mit einem durch eine Dampfturbine angetriebenen elektrischen Generator.In fast breeders liquid sodium is provided as coolant and thus as heat transfer medium in the primary circuit. This ensures, on the one hand, that a fast neutron spectrum is available for the hatching process and, on the other hand, because of the high boiling temperature of the sodium, the reactor can be operated at higher coolant temperatures compared to water. For safety reasons, the primary circuit can also be followed by another sodium secondary circuit directly downstream. The conversion of the so transported via the primary circuit from the reactor thermal energy into electrical energy is carried out in a subsequent water-steam cycle with a driven by a steam turbine electric generator.

Bisherige Erfahrungen zeigen, dass die Komponenten zur Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Kreisläufen aber eine Schwachstelle in der Anlage bilden können. So muss insbesondere bei einem schnellen Brüter sichergestellt sein, dass es bei einer Leckage im Wärmeübertrager zwischen dem mit Natrium befüllten Primärkreislauf bzw. einem diesem ggf. folgenden Natriumkreislauf auf der einen Seite und dem nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislauf auf der anderen Seite des Wärmeübertragers zu keinem Eintrag von Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Wasser-Dampfkreislauf in den vorgelagerten Natriumkreislauf kommt. Natrium gehört zu den Alkalimetallen und reagiert im flüssigen Zustand sehr heftig mit Wasser. Ein Leck im Wärmeübertrager könnte so zu einer explosionsartigen Natrium-Wasser-Reaktion im Wärmeübertrager selbst führen, wodurch der sichere Betrieb des Wärmeübertragers nicht mehr gewährleistet ist. Für den sicheren Betrieb der Anlage gibt es daher Lösungen, durch qualitativ hochwertige Fertigungen oder entsprechende konstruktive Maßnahmen, wie z. B. doppelwandige Wärmetauscher oder räumlich getrennte Module, diese Gefahr einer Natrium-Wasser-Reaktion im Wärmeübertrager zu unterbinden. Da der Wärmeübertrager aber immer noch das direkt Bindeglied zwischen den beiden Kreisläufen darstellt, bleibt er so trotz solcher konstruktiven Maßnahmen aber immer noch das schwächste Glied in der Kreislaufkette.Previous experience shows that the components for heat transfer between the individual circuits but can form a weak point in the system. Thus, in particular in the case of a fast breeder, it must be ensured that there is no entry in the case of a leakage in the heat exchanger between the primary circuit filled with sodium or a possibly following sodium circuit on the one side and the downstream water-steam circuit on the other side of the heat exchanger of water or water vapor from the water-steam cycle in the upstream sodium cycle comes. Sodium belongs to the alkali metals and reacts violently with water in the liquid state. A leak in the heat exchanger could thus lead to an explosive sodium-water reaction in the heat exchanger itself, whereby the safe operation of the heat exchanger is no longer guaranteed. For the safe operation of the plant, there are therefore solutions through high-quality manufacturing or appropriate design measures, such. B. double-walled heat exchangers or spatially separated modules to prevent this risk of sodium-water reaction in the heat exchanger. However, as the heat exchanger still represents the direct link between the two circuits, it still remains the weakest link in the cycle despite such constructive measures.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kernkraftwerksanlage bereitzustellen, die den zuvor beschriebenen Nachteil vermeidet.The object of the invention is to provide a nuclear power plant, which avoids the disadvantage described above.

Diese Aufgabe wird mit der Kernkraftwerksanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the nuclear power plant with the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist ein Gaskreislauf als weiterer Kreislauf und damit als zusätzliche Barriere zwischen einem Primärkreislauf und einem nachfolgenden Wasser-Dampfkreislauf vorgesehen. Mit dem zusätzlichen Gaskreislauf wird somit ein direkter Kontakt zwischen dem Wasser bzw. Wasserdampf des Wasser-Dampfkreislaufs und dem Wärmeträgermedium des Primärkreislaufs bzw. einem dem Primärkreislauf nachgeschalteten Folgekreislaufs über den Wärmeübertrager vermieden.According to the invention, a gas circulation is provided as a further circuit and thus as an additional barrier between a primary circuit and a subsequent water-steam cycle. With the additional gas circulation thus a direct contact between the water or water vapor of the water-steam cycle and the heat transfer medium of the primary circuit or a primary circuit downstream follow-up circuit is avoided via the heat exchanger.

Gerade bei flüssigem Natrium als Wärmeträgermedium im Primärkreislauf werden so ungewünschte Reaktionen zwischen Natrium und dem Wasser bzw. Wasserdampf verhindert und damit die Sicherheit und Verfügbarkeit der Kernkraftwerksanlage nicht eingeschränkt.Especially with liquid sodium as the heat transfer medium in the primary circuit as unwanted reactions between sodium and water or water vapor are prevented, thus not limiting the safety and availability of the nuclear power plant.

Vorzugsweise liegt ein Druckniveau im Gaskreislauf über einem Prozessdruck des Primärkreislaufs oder des dem Primärkreislauf ggf. nachgeschalteten Natrium-Folgekreislaufs. Damit wird bei einer auftretenden Leckage, insbesondere im Wärmeübertrager, zwischen dem Primärkreislauf bzw. dem Folgekreislauf und dem nachgeschalteten Gaskreislauf ein Übertritt des Wärmeträgermediums aus dem Primärkreislauf in den Gaskreislauf verhindert. Es kann somit zu keiner Verunreinigung des Gaskreislaufs durch flüssiges Natrium kommen.Preferably, a pressure level in the gas circuit is above a process pressure of the primary circuit or of the primary circuit possibly connected downstream sodium follower circuit. Thus, in the event of leakage occurring, in particular in the heat exchanger, a transfer of the heat transfer medium from the primary circuit into the gas circulation is prevented between the primary circuit or the subsequent circuit and the downstream gas circuit. It can thus come to no contamination of the gas circuit by liquid sodium.

Vorteilhafterweise liegt das Druckniveau des Gaskreislaufes über einem maximalen Druck des nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislaufs. Somit wird bei einer Leckage im Wärmeübertrager und dessen Rohrleitungssystem ein Übertritt von Wasser bzw. Wasserdampf in den vorgeschalteten Gaskreislauf verhindert. Insgesamt wird so für den Fall, dass gleichzeitig eine Leckage im Wärmeübertrager zum Primärkreislauf auftreten würde, weiterhin das Natrium und das Wasser bzw. der Wasserdampf durch das Gas im Gaskreislauf sicher voneinander getrennt.Advantageously, the pressure level of the gas circuit is above a maximum pressure of the downstream water-steam cycle. Thus, in case of leakage in the heat exchanger and the piping system, a transfer of water or water vapor is prevented in the upstream gas cycle. Overall, in the event that at the same time a leak would occur in the heat exchanger to the primary circuit, continue to separate the sodium and the water or water vapor by the gas in the gas cycle safely separated.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Gaskreislauf ein gegenüber Natrium oder einem anderen Reaktorkühlmittel inertes Gas oder Gasgemisch auf. Vorteilhaft in Bezug auf die Auslegung der Anlagenkomponenten und den Anlagenbetrieb (Minimierung des Verdichters, Gebläse-Eigenbedarf, Gaskosten oder Gefährdungspotential) kommt dabei reiner Stickstoff bzw. ein Gasgemisch aus Stickstoff und Helium als Gas bzw. Gasgemisch zum Einsatz. Wesentlich bei der Wahl der Gaskomponenten ist dabei aber immer die sicherheitsrelevante Wechselwirkung zwischen dem Wärmeträgermedium des vorgeschalten Primär- bzw. Folgekreislaufs und der Gaskomponente des Gaskreislaufs.In a preferred embodiment, the gas circuit has a gas or gas mixture inert to sodium or another reactor coolant. Advantageous in terms of the design of the system components and the plant operation (minimization of the compressor, internal blower power consumption, gas costs or hazard potential) pure nitrogen or a gas mixture of nitrogen and helium is used as a gas or gas mixture. However, it is always the safety-relevant interaction between the heat transfer medium of the upstream primary or secondary circuit and the gas component of the gas cycle that is essential in the choice of the gas components.

Die Erfindung soll nun anhand der nachfolgenden Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:The invention will now be explained by way of example with reference to the following figures. Show it:

1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel, 1 schematically a first embodiment,

2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel. 2 schematically a second embodiment.

In 1 dargestellt ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kernkraftwerksanlage mit einem Primärkreislauf 10, dem erfindungsgemäßen Gaszwischenkreislauf Z sowie den nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislauf 20. Die drei Kreisläufe 10, 20 und Z stehen dabei in bekannter Weise jeweils über Wärmeübertrager miteinander in Wechselwirkung und weisen jeweils die üblichen Komponenten wie z. B. ein Reaktor, Pumpen oder ein oder mehrere Turbinen auf. Im Gaskreislauf Z ist hier nur beispielhaft ein Gasgebläse dargestellt, welches zur Förderung des Gases durch Überwindung des Druckverlustets dient. Weitere übliche Komponenten eines Gaskreislaufs sind nicht dargestellt.In 1 is shown schematically a first embodiment of a nuclear power plant with a primary circuit 10 , the gas intermediate circuit Z according to the invention and the downstream water-steam cycle 20 , The three circuits 10 . 20 and Z are in a known manner in each case via heat exchangers interact with each other and each have the usual components such. As a reactor, pumps or one or more turbines. In the gas cycle Z is here only exemplified a gas blower, which serves to promote the gas by overcoming the pressure loss. Other common components of a gas cycle are not shown.

Durch das Zwischenschalten des Gaskreislaufs Z und die damit in die Gesamtanlage eingebrachten weiteren verlustbehafteten Komponenten zwischen Reaktor als Energiequelle und der Turbine auf der anderen Seite wird sich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage insgesamt verschlechtern. Zur Kompensation kann daher, wie in 1 angedeutet, im Wasser-Dampfkreislauf 20 eine Zwischenüberhitzung vorgesehen werden. Dabei ist die Umsetzung einer Zwischenüberhitzung im Wasser-Dampfkreislauf mit Gas als Wärmeträger im Zwischenkreislauf apparatetechnisch einfacher umzusetzen als ohne Gaszwischenkreislauf, weil auch hier ein Wärmetauscher zwischen Natrium und Wasserdampf ersetzt wird und somit die aus dem Stand der Technik bekannten konstruktiven Gegenmaßnahmen so vermieden werden können.By the interposition of the gas cycle Z and thus introduced into the overall system further lossy components between the reactor as an energy source and the turbine on the other hand, the overall efficiency of the system will deteriorate overall. Compensation can therefore, as in 1 indicated in the water-steam cycle 20 a reheatening be provided. In this case, the implementation of reheating in the water-steam cycle with gas as heat transfer in the intermediate circuit is technically easier to implement than without gas intermediate circuit, because here too a heat exchanger between sodium and water vapor is replaced and thus known from the prior art constructive countermeasures can be avoided.

In 2 dargestellt ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dampfkraftwerksanlage mit einem Primärkreislauf 10, einem dem Primärkreislauf 10 direkt nachgeschaltenen Folgekreislauf 11, sowie dem bereits in 1 gezeigten Gaskreislauf Z, und einem nachgeschalteten Wasser-Dampfkreislauf 20, hier allerdings ohne Zwischenüberhitzerstufe. Eine solche Anordnung mit einem zwischengeschalteten Folgekreislauf 11 ist besonders bei der Verwendung von flüssigem Natrium als Wärmeträgermedium im Primärkreislauf 10 vorteilhaft. Dieser Folgekreislauf 11 enthält dabei üblicherweise auch flüssiges Natrium als Wärmeträger und verhindert, dass bei einer Undichtigkeit des Gas-Natrium-Wärmetauschers kein Gas direkt in den Primärkreislauf 10 eindringen und somit die Kühlung des Reaktors beeinträchtigen kann.In 2 is shown schematically a further embodiment of a steam power plant according to the invention with a primary circuit 10 , one the primary cycle 10 directly downstream sequence 11 , as well as the already in 1 shown gas cycle Z, and a downstream water-steam cycle 20 , but here without reheater stage. Such an arrangement with an intermediate follower circuit 11 is particularly useful when using liquid sodium as the heat transfer medium in the primary circuit 10 advantageous. This follow-up cycle 11 In this case, it usually also contains liquid sodium as the heat carrier and prevents any gas from leaking directly into the primary circuit in the event of a leak in the gas-sodium heat exchanger 10 penetrate and thus affect the cooling of the reactor.

Insgesamt gelingt so mit der erfindungsgemäßen und anhand der 1 und 2 beschriebenen beispielhaften Umsetzung bei neuen weiterentwickelten Reaktorkonzepten die Nutzung des hohen temperaturbedingten Wirkungsgradniveaus im Wasser-Dampfprozess, ohne dass es dabei zu kritischen und damit sicherheitsrelevanten Reaktionen zwischen dem Wärmeträgermedium des Primärkreislaufs und dem Wasser bzw. Wasserdampf des Wasser-Dampfkreislaufs kommt.Overall, it is possible with the invention and based on the 1 and 2 described exemplary implementation of new advanced reactor concepts, the use of high temperature-related efficiency levels in the water-steam process, without causing critical and thus safety-relevant reactions between the heat transfer medium of the primary circuit and the water or water vapor of the water-steam cycle.

Die vorliegende Erfindung ist aber nicht beschränkt auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr sind auch Kombinationen, Abwandlungen bzw. Ergänzungen einzelner Merkmale denkbar, die zu weiteren möglichen Ausführungsformen der erfinderischen Idee führen können. So kann die Kernkraftwerksanlage beispielsweise auch mehr als die zuvor gezeigten seriellen Kreisläufe oder aber auch mehrere parallele Natrium-, Gas- oder Wasser-Dampfkreisläufe aufweisen, solange immer sichergestellt ist, dass Natrium nicht mit Wasser bzw. Wasserdampf in Berührung kommt.However, the present invention is not limited to the above-described embodiments. Rather, combinations, modifications or additions of individual features are conceivable that can lead to further possible embodiments of the inventive idea. For example, the nuclear power plant can also have more than the previously shown serial circuits or else several parallel sodium, gas or water steam cycles, as long as it is always ensured that sodium does not come into contact with water or water vapor.

Claims

Nuclear power plant with a primary circuit ( 10 ) for the removal of thermal energy from a nuclear reactor and a downstream water-steam cycle ( 20 ) for generating electrical energy from this removed thermal energy, characterized in that a gas circuit (Z) as an intermediate circuit between a heat exchanger of the primary circuit ( 10 ) and a heat exchanger of the water-steam cycle ( 20 ) is provided.

Nuclear power plant according to claim 1, characterized in that as the heat transfer medium in the primary circuit ( 10 ) liquid sodium is provided.

Nuclear power plant according to claim 1 or 2, characterized in that a Pressure level of the gas circuit (Z) above a process pressure of the primary circuit ( 10 ) or a primary circuit ( 10 ) downstream sodium sequential circuit ( 11 ) lies.

Nuclear power plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that a pressure level of the gas circuit (Z) above a maximum pressure of the downstream water-steam cycle ( 20 ) lies.

Nuclear power plant according to one of claims 2 to 4, characterized in that the gas circuit (Z) contains a sodium inert gas or gas mixture.

Nuclear power plant according to claim 5, characterized in that the gas is nitrogen or the gas mixture is a mixture of nitrogen and helium.