DE1046792B

DE1046792B - Dampfgekuehlter Kernreaktor

Info

Publication number: DE1046792B
Application number: DED25092A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Alfred Schraud
Original assignee: Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Current assignee: Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Priority date: 1957-03-06
Filing date: 1957-03-06
Publication date: 1958-12-18

Description

Dampfgekühlter Kernreaktor Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors, bei welchem ein Dampf als Kühlmittel benutzt wird, und besteht darin, daß der Dampf, der einen für Turbinenbetrieb brauchbaren Überdruck hat und.leicht überhitzt ist, mit Hilfe eines Gebläses durch den Reaktor gedrückt wird, wobei das Gebläse nur die im Kreislauf entstandenen Druckverluste zu überwinden hat, und der Dampf im Reaktor höher überhitzt und in zwei Ströme aufgeteilt wird, von welchen der eine der Turbine zum Zwecke einer Energieerzeugung zugeführt, nach geleisteter Arbeit kondensiert und dem zweiten Dampfstrom durch Einspritzen beigemischt wird. Es wird dabei nur so viel Dampf für die Turbine abgezweigt, daß nach dem Mischen des anfallenden Kondensates mit dem ungebrauchten überhitzten Dampf ein Dampfgemisch entsteht, welches leicht überhitzt ist. Dieses Dampfgemisch wird dem Gebläse zugeführt, welches den Dampf von neuem durch den Reaktor drückt.
Die bekannten gasgekühlten Kernreaktoren müssen mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern versehen werden, in welchen das Kühlgas abgekühlt und Wasserdampf erzeugt wird. Da das Kühlgas mit verhältnismäßig niedriger Temperatur aus dem Reaktor kommt, ist auch die Übertragung der Wärme im Austauscher nicht intensiv, so daß demnach der Austauscher ein verhältnismäßig großer Apparat sein muß. Darum ist eine Kraftanlage mit gasgekühltem Kernreaktor zu groß, um sie bei ortsbeweglichen Anlagen, vor allem bei Schiffsantriebsanlagen benutzen zu können.
Erfindungsgemäß wird ein Kernreaktor bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors vorgeschlagen, welcher keine Wärmeaustauscher braucht und demnach bedeutend raumsparender ausgeführt werden kann. Der Reaktor wird erfindungsgemäß mit einem leicht überhitzten Dampf gekühlt, wobei dieser Dampf so stark überhitzt wird, wie das Material des Reaktors es erlaubt. Ein Teil des so überhitzten Dampfes wird in einer Turbine zur Energiegewinnung ausgenutzt und als Kondensat niedergeschlagen. Der andere Teil des überhitzten Dampfes wird durch Einspritzen des genannten Kondensates abgekühlt und für die Kühlung des Reaktors vorbereitet, wobei das Kondensat verdampft. Es wird dabei nur so viel Kondensat in den überhitzten Dampf eingespritzt, daß das entstandene Dampfgemisch sich noch immer im Gebiet des überhitzten Dampfes befindet, jedoch kurz oberhalb der Sättigungskurve. Dementsprechend ist die Dampfturbine so auszulegen, daß der für sie zu entnehmende Teil des Dampfes diesen Forderungen entspricht, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Verluste des Kühlmittels bzw. die Dampfverluste dem Kreislauf von außen zugesetzt werden müssen. Wenn auch erfindungsgemäß irgendein Dampf nach diesem Verfahren zum Kühlen eines Kernreaktors und zur Energieübertragung herangezogen werden kann, so ist es doch besonders vorteilhaft, Wasserdampf dafür zu benutzen, da Wasserdampf ein sehr gutes Kühlmittel bei den in Frage kommenden Temperaturen ist. Ein Kriterium dafür, welche relative Wärmemenge aus gleichen Heizkanälen bei gleichen Bedingungen durch verschiedene Gase abgeführt werden kann, ist der Wert wobei M das Molekulargewicht und c" die spezifische Wärme eines Gases ist. Bei 300' C ergeben sich dafür folgende Werte:

Luft Kohlen- Wasser- D 0 -

Gas Gas oder Helium dioxyd Stoff bei 10 a f

atü

fM2c 1 3

3,6

5,5

5,6

12,9

6,6

Die Wärmezufuhr erfolgt direkt an das Arbeitsmittel ohne Zwischenkreislauf. Mit dem Wegfall des Wärmeaustauschers entfällt auch die mit diesem verbundene Temperaturdifferenz der Wärmeübertragung. Eine Temperaturdifferenz von etwa 500' C ist bei der Dampferzeugung durch Heizgas schon dadurch nicht vermeidbar, daß das Heizgas bei Abgabe seines Wärmeinhaltes kälter wird, während das Wasser beim Verdampfen seine Temperatur beibehält. Der Wirkungsgrad i7tt eines Dampfprozesses hängt aber von der mittleren Temperatur 72 ab, bei welcher die Wärme dem Arbeitsmittel zugeführt wird wobei Ti die Kondensationstemperatur bedeutet. Da die maximale Temperatur des Reaktors .praktisch festliegt, bewirkt der Wegfall der Temperaturdifferenz im Wärmeaustauscher eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades.
Der Wegfall der Wärmeaustauscher bringt eine so bedeutende Gewichts- und Bauvolumenersparnis, daß damit wahrscheinlich die Verwendung des nicht flüssigkeitsgekühlten Reaktors für Schiffsantriebe möglich wird.
Da es wahrscheinlich wegen der Korrosin unmöglich ist. Dampf durch Graphitkanäle strömen zu lassen. wird eine andere Möglichkeit vorgeschlagen, welche den Vorteil bringt, daß das schwere Druckgefäß wegfällt. Der Kühlmittelkreislauf besteht nur aus einem Röhrensystem, das durch Sammlertrommeln verbunden ist. Nur dieses System steht unter Überdruck. Wenn man ungefähr das Uran-Graphit-Gitter des Calder-Hall-Reaktors übernimmt, so müßten durch den Graphitblock Rohre mit etwa 100 mm Durchmesser geführt werden. Bei 10 atü und 1 mm Wandstärke wäre die Beanspruchung dieser Rohre 5 kglmm2. Für die Wahl des Werkstoffes ist vermutlich das Korrosionsproblem maßgebend. Wenn dabei Mg, Be öder Al für Kühlkanäle und Schutzhüllen nicht ausscheiden, kann auch natürliches Uran verwendet werden, da ein Reaktivitätsgewinn durch die Möglichkeit separater Moderatorkühlung erzielt werden kann.
Der Hauptvorteil dieses Reaktors gegenüber einem System mit Gaskühlung und Wärmeaustauschern wäre eine bedeutende Verringerung von Gewicht und Bauvolumen. Die Wärmeaustauscher werden durch die Wassereinspritzvorrichtung und das Reaktordruckgefäß durch ein dünnwandiges Röhrensystem ersetzt. Da mehrere parallele Kühlleitungen für den Reaktor vorhanden sind, -welche einzeln abgesperrt werden können, vereinfacht sich auch die Lade- und Entladevorrichtung für die Brennstoffelemente. Ferner können die Antriebe für die Kontrollstäbe in normaler Atmosphäre arbeiten.
Der heißdampfgekühlte Reaktor unterscheidet sich weiterhin vom Siede- und Preßwasserreaktor durch bessere Neutronenbilanz und Stabilität (da Graphit oder eventuell Beryllium als Moderator verwendet -;;erden kann), höhere Dampftemperatur bei geringerem Druck' und geringere Explosionsgefahr.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Reaktors mit Wasserdampf als Kühlmittel beispielsweise und vereinfacht dargestellt. Die Drücke und Temperaturen sind dabei so ausgewählt, daß bei jetziger Materialauswahl ein Reaktorbetrieb unbedingt durchführbar ist. Eine Druck- und Temperaturerhöhung, falls konstruktionsmäßig und materialseitig möglich, würde noch eine bedeutende Wirkungsgraderhöhung bieten.
Der als Beispiel in der Abbildung dargestellte Zyklus arbeitet zwischen 10 und 11 atü und im Temperaturbereich bis 350° C. Leicht überhitzter Dampf 1 wird mittels eines Gebläses 1-2 durch den Reaktor gepreßt und darin auf den Zustand 3 erwärmt. Von diesem Punkt aus wird der größere Teil des Dampfes durch Einspritzen von Wasser wieder zum Zustand 1 zurückgekühlt, während die dem eingespritzten Wasser entsprechende Dampfmenge in einer Turbine auf den Kondensatdruck 4 entspannt wird. Turbinenleistung abzüglich Gebläseleistung ergeben die Nutzleistung.
Thermodynamisch handelt es sich um einen normalen Dampfprozeß, nur die Art der Wärmezuführung ist außergewöhnlich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors, bei welchem ein Dampf als Kühlmittel benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf, der einen für Turbinenbetrieb brauchbaren Überdruck hat und leicht überhitzt ist, mit Hilfe eines Gebläses durch den Reaktor gedrückt -wird, -wobei das Gebläse nur die im Kreislauf entstandenen Druckverluste zu überwinden hat, und der Dampf im Reaktor höher überhitzt und in zwei Ströme aufgeteilt -wird. von -welchen der eine der Turbine zum Zwecke einer Energieerzeugung zugeführt, nach geleisteter Arbeit kondensiert und dem zweiten Dampfstrom durch Einspritzen beigemischt wird, wobei nur so viel Dampf für die Turbine abgezweigt wird, daß nach dem Mischen des anfallenden Kondensates mit dem ungebrauchten überhitzten Dampf ein Dampfgemisch dem Gebläse zugeführt wird, welches leicht überhitzt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verluste des Kühlmittels dem Kreislauf von außen zugesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf Wasserdampf ist. -