DE1067140B - Dampferzeugungsanlage mit einem gasgekuhlten Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPU

DEUTSCHES

PATENTAMT

INTERNAT. KL.,* G 21

B 49119 Vnic/21g

ANMKLDETAG: 2.JUNI1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 15. O KTO B E R 1959

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Dampferzeugung unter Druck sowie auf eine Dampferzeugungsanlage; sie betrifft insbesondere eine Dampferzeugungsanlage mit einem gasgekühlten Kernreaktor und einem Kompressor, der ein gasförmiges Kühlmittel in geschlossenem Kreislauf durch den Kernreaktor und durch Wärmeaustauschvorrichtungen einschließlich einem Dampferzeuger umwälzt. In einer solchen Anlage macht die für den Kompressor erforderliche Eingangsleistung einen wesentlichen Teil der Reaktorwärmeleistung aus. Dieser Nachteil wird im praktischen Betrieb noch vergrößert durch die Verwendung eines elektrischen Antriebsmotors und den sich daraus durch Umwandlung von Wärme in mechanische Energie an der Motorausgangswelle ergebenden Verlust.

Der Kraftbedarf eines Kompressors verhält sich direkt proportional zur absoluten Temperatur der von ihm komprimierten Gase und läßt sich somit dadurch reduzieren, daß die Temperatur des Kühlmittels vor seinem Eintritt in den Kompressor herabgesetzt wird. Andererseits aber resultiert das Einströmen weniger warmen Kühlmittels in den Reaktor in einem entsprechend niedrigeren Dampfdruck und einer entsprechenden Minderung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Dampfumlaufs. Darüber hinaus kann eine zu niedrige Kühlmitteltemperatur am Gaseintritt zum Reaktor unerwünscht sein wegen des Wigner-Effekts, d. h. wegen der unter dem Einfluß von Strahlung erfolgenden und leicht zu makroskopischen Verformungen führenden Verdrängung der Atombestandteile kristallischer Körper — wie beispielsweise Moderatorgraphit ■— aus ihrer Lage in den Kristallen; dieser Effekt ist um so größer, je niedriger die Temperatur ist. Es folgert sich hieraus die große praktische Bedeutung von Vorrichtungen, mittels deren der Kompressor mit niedrigen Temperaturen arbeiten kann, während gleichzeitig das Kühlmittel mit verhältnismäßig hoher Temperatur in den Reaktor eintritt, ohne daß dazu eine zusätzliche Wärmequelle verwendet zu werden braucht. ■

Eine ernndungsgemäßeDampferzeugungsänlage mit einem gasgekühlten Reaktor, mit einem Kompressor zum Umwälzen eines gasförmigen Kühlmittels in geschlossenem Kreislauf unter anderem auch durch den Reaktor und mit Wärmeaustauschvorrichtungen, zu denen ein Dampferzeuger gehört und die in vorgenanntem geschlossenem Kreislauf hinter dem Kernreaktor und vor dem Kompressor liegen, kennzeichnet sich dadurch, daß die Wärmeaustauschvorrichtungen das Kühlmittel auf eine Temperatur abkühlen, die beträchtlich unter der Kühlmitteleingangstemperatur am Reaktor eintritt liegt, und daß im geschlossenen Kreislauf hinter dem Kompressor und vor dem Reaktor ein Dampferzeugungsanlage
mit einem gasgekühlten Kernreaktor

Anmelder:
Babcock & Wilcox Limited, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Kühnemann und Dipl.-Ing. K. Kühnemann, Patentanwälte, Düsseldorf, Friedrichstr. 71

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 3. Juni 1957

William Robert Wootton, London,
ist als Erfinder genannt worden

Kühlmittelerwärmer eingebaut ist, der einen Bestandteil der vorgenannten Wärmeaustauschvorrichtungen darstellt und Wärme aus jenem Teil des Kühlmittels abzieht, der auf seinem Weg durch die Wärmeaustauschvorrichtungen in Richtung auf den Kompressor bereits teilweise abgekühlt ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß mit dem Kompressor eine Gasturbine gekuppelt werden'kann, die im Kühlmittelkreislauf hinter dem Reaktor und vor den Wärmeaustauschvorrichtüngen angeordnet ist. Somit wird der Wirkungsgrad der Anlage weiter erhöht, während beim A^orliegen günstiger Gastemperatur- und Druckverhältnisse gleichzeitig die Möglichkeit gegeben ist, daß die Gasturbine mehr Kraft liefert als der Kompressor braucht, da ja sein Kr.aftbedarf wegen der niedrigeren Temperatur der ihn durchströmenden Gase gering ist.

Die Erfindung ermöglicht daher ein Verfahren zur Dampferzeugung unter Druck und unter Ausnutzung von aus einem Kernreaktor stammender Wärme, das mit einem Kompressor arbeitet, der ein gasförmiges Kühlmittel in geschlossenem Kreislauf durch den Reaktor, durch Wärmeaustauschvorrichtungen. einschließlich einem Dampferzeuger und dann wieder zurück zum Kompressor treibt, und das sich dadurch kennzeichnet, daß mittels Gasexpansion Betriebsenergie vom aus dem Reaktor kommenden Kühlgasstrom auf die Wärmeaustauschvorrichtungen übertragen wird, daß in den Wärmeaustauschvorrichtüngen dem Kühlmittel so viel Wärme entzogen wird, daß dessen Temperatur beträchtlich unter jenen Wert sinkt, der beim Eintritt des Kühlgases in den Reaktor erwünscht ist, daß ferner die dem'Kühlmittelstrom ent-

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zogene Energie zum Betrieb eines Kompressors verwendet wird, der das nunmehr weniger warme Kühlmittel aus dem Wärmeaustauscher hinaus in Richtung auf den Reaktor treibt, und daß das Kühlmittel nach seiner Verdichtung und vor seinem Eintritt in den Reaktor mit Wärme aufgeheizt wird, die in den .Wärmeaustauschvorrichtungen einem anderen Teil des Kühlmittels entzogen wurde.

Beim Kernreaktor handelt es sich beispielsweise um

ziehen, durch eine zweistufige Dampfturbine 4, die überhitzten Dampf von den Dampferzeugungsvorrichtungen bezieht, und durch einen von der Dampfturbine getriebenen Elektrogenerator 5.

Der Reaktorkern besteht aus einem stehenden zylindrischen Gräphitblock, der in ein kugelförmiges Druckgefäß 6 eingebaut ist und eine Vielzahl von parallel zur Kernachse verlaufenden Kanälen enthält, die zur Aufnahme umhüllter Uran-Brennstoffelemente

einen heterogenen graphitmoderierten Reaktor mit io dienen und um diese Elemente herum genügend Platz Kohlendioxyd, Wasserstoff oder Helium als Kühl- für den Durchstrom von Kohlendioxyd-Kühlgas lassen, mittel. Beim Dampferzeuger handelt es sich zweck- das die in den Brennstoffelementen erzeugte Wärme mäßigerweise um einen Dampf rohrkessel. abführt. Durch geeignete Unterteilungen im Druck-

Letztgenannter, im Kühlmittelkreislauf gelegener gefäß ist dafür gesorgt, daß die Kernkanäle unten mit Teil der Wärmeaustauschvorrichtnngen wird zweck- 15 einem im unteren Teil des Druckbehälters vorgemäßigerweise neben einem Vorwärmer und in mög- sehenen Kühlgas-Eintrittsraum 7 in Verbindung stehen liehst großer Entfernung vom Kompressor angeordnet. und oben in einen im oberen Teil des Druckbehälters

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ge- vorgesehenen Kühlgas-Austrittsraum 8 münden; hören zu den Wärmeaustauschvorrichtungen Kessel, Der Wärmeaustauschturm hat eine zylindrische

die mit unterschiedlichen Drücken arbeiten, die Dampf 20 Wandung 9, die oben in eine gewölbte Decke 10 mit in verschiedene Druckstufen von Dampfturbinen einem Kühlgaseinlaß 11 und unten in einen gewölbten leiten, die ferner hintereinander in den Kühlmittel- Boden 12 mit einem Kühlgasauslaß 13 übergeht. Im strom eingeschaltet sind und von denen jeder in Turm befinden sich Trennwände 14 zur Bildung eines Stromrichtung weiter hinten gelegene Kessel Dampf senkrechten Kühlgasdurchganges 21 mit quadratischem von geringerem Druck abgibt als der jeweils vorher- 25 Querschnitt sowie sieben Wärmeaustauschgruppen 22 gehende. Mehrdruckkessel dieser Art sind in der bis 28, die im Kühlgasdurchgang 21 hintereinander britischen Patentschrift 738 286 beschrieben. Bei die- angeordnet sind. Die Wärmeaustauschgruppen 22 bis sem Ausführungsbeispiel liegt der obengenannte Teil 26 und 28 sind die Wärmeaustauschelemente eines der Wärmeaustauschvorrichtungen zwischen dem Kessels, der mit verhältnismäßig hohem Druck Kessel mit niedrigstem Abgabedruck und einem Vor- 30 arbeitet, und eines Kessels, der mit verhältnismäßig wärmer, der alle Kessel bedient. niedrigem Druck arbeitet. Jede der Wärmeaustausch-

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungs- gruppen 22 bis 26 hat eine Rohrbatterie, deren einbeispielen und unter Bezugnahme auf die schema- zelne Rohre von einem unteren Eingangs-Sammelrohr tischen Zeichnungen wie folgt beschrieben: der jeweiligen Wärmeaustauschgruppe ausgehen,

. Fig. 1 zeigt zwei Dampfkessel, die mit zwei vex- 35 durch die zylindrische Wandung 9 des Wärmeaus-. schiedenen Drücken arbeiten und deren Wärmeaus- tauschturmes hindurchführen, dann in mehreren tauscher in einem im Längsschnitt dargestellten Schlangen quer über den gesamten Kühlgasdurchgang .Wärmeaustauschturm liegen; sie zeigt ferner den zu 21 und nach oben verlaufen, um schließlich wieder einem Kernreaktor gehörigen und den Wärmeaus- durch die zylindrische Wandung 9 des Wärmeaus-.tauschturm einbeziehenden Kühlgaskreislauf und ver- 40 tauschturmes auszutreten und in ein oberes Ausgangsanschaulicht die Ausnutzung des erzeugten Dampfes Sammelrohr der jeweiligen Wärmeaustauschgruppe zu ■in einer Dampfturbine; münden. Jede Rohrbatterie setzt sich aus zwei neben-

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Wärme- einander angeordneten Rohrkolonnen zusammen, die austäuschturm längs der Linie II-II von Fig. 1; durch einen schmalen senkrechten Zwischenraum von-

; Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des 45 einander getrennt sind. Dieser Zwischenraum ist an Wärmeaustauschturms längs Linie IH-III von Fig. 2; seinen Seiten durch Trennwände abgeschlossen und

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Wärme- oben gewöhnlich durch ein Blech abgedeckt, um den •austäuschturm längs der Linie IV-IV von Fig. 1; Durchstrom von Gas durch diesen Raum hindurch zu

■ Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des verhindern. Wie auf den Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind Wärmeaustauschturms längs der Linie V-V von 50 die beiden Rohrkolonnen 22 α und 22 b der Rohr-

Fig. 4; .

,· Fig. 6 zeigt den teilweisen Längsschnitt durch ein ■Kernkraftwerk mit Darstellung des Reaktors und eines von mehreren Wärmeaustauschtürmen;

• Fig. 7 zeigt einen zu einem Kernreaktor gehörigen 55

•Kühlgaskreislauf, in den einbezogen sind ein Wärmeaustauschturm mit Austauschelementen von zwei Dampfkesseln sowie eine Kühlgasturbine, die mechanisch mit einem Kühlgaskompressor gekuppelt ist.

' Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Ausführung, in der 60 Wasser verdampft wird. Der Zylinder 32 hat eine

• ein brennstoffbefeuerter Überhitzer für einen mit Rohrverbindung, durch die hindurch Wasser aus dem dem Kühlgas eines Reaktors beheizten Kessel vorge- .Wasserraum des Zylinders in eine Hochdruck-Umsehen ist. ; wälzpumpe 33 geleitet wird, die mit ihrer Ausgangs-Auf den Fig. 1 bis 5 der Zeichnungen wird ver an- seite über eine Rohrleitung an das Eingangs-Sammel-

■ schaulicht, wie Wärmeenergie, im Kern 1 eines gas- 65 rohr der Wärmeaustauschgruppe 24 angeschlossen ist.

; gekühlten graphitmoderierten Natururan-Reaktors 2 Der Dampf raum von Zylinder 32 steht mit dem Einerzeugt, in elektrische Energie umgewandelt wird, und gangs-Sammelrohr von Wärmeaustauschgruppe 22 in zwar, durch Vorrichtungen zur Dampferzeugung und Verbindung, in der Dampf überhitzt wird. Dampfüberhitzung die im Wärmeaustauschturm 3 ein- Der Niederdruckkessel hat einen Dampf-Wasser-

gebaut sind und Wärme aus den Reaktorkühlgasen be- 70 Zylinder 35, der gleichfalls außerhalb des Wärme

batterie von Wärmeaustauschgruppe 22 durch einen schmalen senkrechten Zwischenraum 29 voneinander getrennt, der seitlich von den Trennwänden 30 und oben von einem Blech 31 eingeschlossen ist.

Der Hochdruckkessel hat einen Dampf-Wasser-Zylinder 32, der außerhalb des Wärmeaustauschturmes 3 angeordnet ist und zur Aufnahme eines Dampf-Wasser-Gemisches aus dem Ausgangs-Sammelrohr der Wärmeaustauschgruppe 24 dient, in der

austauschturmes 3 angeordnet ist und zur Aufnahme ■eines Dampf-Wasser-Gemisches aus dem Ausgangs-S ammeiröhr der Wärmeaustauschgruppe 26 dient, in der Wasser verdampft wird. Der Zylinder 35 hat eine Röhrverbindung, durch die hindurch Wasser aus dem 'Wasserraum des Zylinders in eine Niederdruck-Umwälzpumpe 41 geleitet wird, die mit ihrer Ausgangsseite über eine Rohrleitung an das Eingangs-Sammelrohr der Wärmeaustauschgruppe 26 angeschlossen ist. Der Dampfraum von Zylinder 35 steht mit dem Eingangs-Sammelrohr von Wärmeaustauschgruppe 23 in Verbindung, in der Dampf überhitzt wird.

Die Wärmeaustauschgruppe 28 dient als Primärvorwärmer für den Hochdruckkessel und als Vorwärmer für den Niederdruckkessel; sie gleicht in ihrer Konstruktion den Wärmeaustauschgruppen 22 bis 26, hat jedoch je zwei Eingangs- und Ausgangs-Sammel-•rohre. Die in der Wärmeaustauschgruppe 28 befindlichen Rohre münden nämlich zum Teil vorn in ein Hochdruck-Eingangs-Sammelrohr 42 und hinten in •ein Hochdruck-Ausgängs-Sammelrohr 43 und zum andern Teil vorn in ein Niederdruck-Eingangs-Sammelrohr 44 und hinten in ein Niederdruck-Ausgangs-Sammelrohr 45. Das Ausgängs-Sammelrohr 43 ist mit •dem Eingangs-Sammelrohr der Wärmeaustausch-.gruppe 25 verbunden, die als Sekundärvorwärmer für ■den Hochdruckkessel dient und mit ihrem Ausgängs-Sammelrohr mit dem Hochdruck-Dampf-Wasser-Zylinder 32 in Verbindung steht. Das Ausgangs-Sammelrohr 45 ist mit dem Niederdruck-Dampf-Wasser-Zylinder 35 verbunden.

Die Wärmeaustauschgruppe 27 hat eine untere Rohrbatterie 46, die sich quer über den gesamten Kühlgasdurchgang 21 erstreckt und von einer Eingangs-Verteilerkammer 47 einerseits des Durchganges 21 zu einer Überleitungskammer 48 andererseits des Durchganges 21 führt. Die vorgenannte Gruppe hat ferner eine obere Rohrbatterie 49, die von der oberen Hälfte der Überleitungskammer 48 zu einer Ausgangsverteilerkammer 50 führt, die einerseits des Durchganges '21 oberhalb der Eingangs-Verteilerkammer 47 angeordnet ist. In der zylindrischen Wandung 9 des Wärmeaustauschturms 3 befindet sich ein Einlaß 51 zur Kammer 47 und ein Auslaß 52 aus der Kammer 50. Jede der beiden Rohrbatterien 46 und 49 besteht aus zwei nebeneinanderliegenden Rohrkolonnen, die durch einen schmalen senkrechten Zwischenraum voneinander getrennt sind. Dieser Zwischenraum 54 reicht von der Oberkante der Batterie 49 bis zur Unterkante der Batterie 46 und ist seitlich von den senkrechten Trennwänden 53· und oben von einem Blech 55 abgeschlossen, so daß der Durchstrom von Gas durch den Zwischenraum verhindert wird.

Eine Kühlgasleitung 61 führt vom Kühlgas-Aus-■gangsraum 8 im oberen Teil des Reaktordruckgefäßes zum Kühlgaseinlaß 11 in der Decke des Wärmeaustauschturms 3. Eine Kühlgasleitung 62 führt vom Kühlgasauslaß 13 im Boden des Wärmeaustauschturms 3 zu einem motorgetriebenen Axialkompressor •63. Von diesem Kompressor 63 führt eine Kühlgasleitung 64 zum Einlaß 51 der Wärmeaustauschgruppe ■27. Und schließlich führt eine Kühlgasleitung vom Auslaß 52 der Wärmeaustauschgruppe 27 in den Kühlgas-Eingangsraum 7 des Reaktordruckgefäßes. Von der Leitung 64 zweigt eine Kühlgasnebenleitung 66 ab und führt über ein Ventil 67 zu Vorrichtungen 68, die zum Einleiten vom Kompressor kommender Kühlgase in den Gasdurchgang 21 an einer Stelle zwischen den Wärmeaustauschgruppen 27 und 28 dienen. Die Kühlgasnebehleitung 66 wird gewöhnlich nur zum Anlassen der Anlage verwendet. '

Wie ersichtlich, strömt das Kühlgas in geschlossenem Kreislauf vom Reaktorkern 1 durch den Wärmeaustauschturm 3, durch den Kompressor 63 und dann durch die Wärmeaustauschgruppe 27 zurück in den Reaktorkern. Der beschriebene Kühlmittelkreislauf kann die alleinige Kühlung des Reaktors darstellen. Es sind jedoch zusätzlich noch fünf gleichartige geschlossene Kreisläufe vorgesehen, die alle das Reaktordruckgefäß und den Reaktorkern einbeziehen würden. Das Ausgängs-Sammelrohr der Wärmeaustauschgruppe 22 ist über eine mit Ventil 70 versehene Dampfleitung 69 mit der Hochdruckstufe 71 von Dampfturbine 4 verbunden. Die Niederdruckstufe 72 dieser Turbine bezieht ihren Dampf aus der Hochdruckstufe sowie über eine mit Ventil 74 versehene Dampfleitung 73 vom Ausgängs-Sammelrohr der Wärmeaustauschgruppe 23. Vom Kondensator 75 der Dampfturbine 4 wird Speisewasser zum Hochdruckkessel und zum Niederdruckkessel zurückgeleitet, und zwar durch eine Kondensatpumpe 76, eine Anwärmstrecke 77, die mit (nicht dargestellten) Turbinenableitungen zusammenwirkt, und durch Speise- pumpen 78 und 79, die Speisewasser ins Eingangs-Sammelrohr 42 beziehungsweise . 44 der Wärmeaustauschgruppe 28 drücken. '

Zwecks Konstanthaltung des Dampfdrucks im kesselseitigen Abschnitt von Leitung 69 ist das Ventil 70 mit einer automatischen Regelung versehen. Desgleichen wird der Kompressor 63 automatisch gesteuert, und zwar —'wie durch die Sfeuerleitung81 gekennzeichnet — in Abhängigkeit von der Kühlgastempera tür in der Kühlgasleitung 61, wogegen die Kühlgastemperatur in der Kühlgasleitung 65 als Grundlage für die automatische Steuerung von Ventil 74 dient, wie durch die Steuerleitung 82 gekennzeichnet. Der Lauf der Speisewasserpumpen 78 und 79 wird in bekannter Weise automatisch geregelt, urn den Wasserspiegel im Hochdruckzylinder 32 und im Niederdruckzylinder 35 auf gewünschter Höhe zu halten.

Im praktischen Betrieb wälzt der Kompressor 63 das Kühlgas in geschlossenem Kühlgaskreislauf um.

Auf seinem Weg von der Decke zum Boden des Wärmeaustauschturms 3 gibt das Kühlgas Wärme an alle Wärmeaustauschgruppen 22 bis 28 ab. Der Wärmeabfall kann beispielsweise folgendes Bild ergeben: Eingangstemperatur von 427° C am Einlaß 11, Temperatur von 271° C zwischen den Wärmeaustauschgruppen 26 und 27, Temperatur von 177° C zwischen den Wärmeaustauschgruppen 27 und 28 und verhältnismäßig niedrigere Temperatur von 121° Cam Auslaß 13. Die austretenden, verhältnismäßig kühlen Gase werden vom Kompressor durch die Rohre der Rohrbatterien 46 und 49 gedrückt, die von heißeren Kühlgasen umströmt werden, so daß die in den Rohren befindlichen Gase Wärme absorbieren und wieder auf eine Temperatur von beispielsweise 204° C kommen.

Bei Veränderungen der Kühlgastemperatür in der Kühlgasleitung 65 zwischen Wärmeaustauschgruppe 27 und Reaktor wird die Kühlgastemperatur automatisch wieder auf den gewünschten Wert eingeregelt. Dies geschieht dadurch, daß die Veränderungen des Dampferzeugungsdrucks in der Wärmeaustauschgruppe 26 des Niederdruckkessels das Ventil 74 automatisch veranlassen, sich entsprechend weit zu öffnen bzw. zu schließen. Temperaturänderungen des Kühlgases bei seinem Austritt aus dem Reaktor bewirken eine automatische Beeinflussung des Korn-

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pressors 63, so daß die Gasgeschwindigkeit im Gas- gesonderten Kammern 204, 205 und 206, die von den kreislauf entsprechend verändert und die Gastempe- Trennwänden 207 voneinander abgeschlossen sind. Die ratur am Reaktorausgang wieder auf den gewünschten Welle führt durch diese Trennwände hindurch. Wert gebracht wird. ^; Eine Kühlgasleitung 261 α führt Kühlgas aus dem

Die Kühlgase haben somit am Reaktoreingang die 5 Reaktor zu einer Gasturbinen-Eintrittsdüse im Druckfür den jeweiligen Reaktortyp günstigste Temperatur, behälter 201, und eine weitere Kühlgasleitung 261 b während sie andererseits den Kompressor in bedeutend führt Gas von einer Gasturbinen-Austrittsdüse im kühlerem Zustand passieren, so daß der Kraftbedarf Druckbehälter zum Wärmeaustauschturm. Eine Kühldes Kompressors weit geringer ist, als wenn die ihn gasleitung 262 führt gekühlte Gase vom Ausgang des durchströmenden Gase die gleiche Temperatur hätten io Wärmeaustauschturms zu einer Kompressor-Eintritts-Wie am Reaktoreingang. düse im Druckbehälter 201, eine weitere Kühlgas-

Fig. 6 veranschaulicht die aufeinander bezogene leitung 264 führt Gase von einer Kompressor-Aus-Anordnung von Reaktor und Wärmeaustauschturm trittsdüse im Druckbehälter 201 zum Eingang der eines Kernkraftwerks. Das kugelförmige Druckgefäß 6 Wärmeaustauschgruppe 127,. und eine weitere Kühlsteht auf einem Sockel 85 in einer Schutzkammer 86 15 gasleitung 265 führt Gase vom Ausgang der Wärmemit einer metallischen Wärmeabschirmung 87 und austauschgruppe 127 zum Reaktor, einer biologischen Betonabschirmung 88. Das Dach Beim praktischen Betrieb der Anlage liefert die

der biologischen Betonabschirpiung 88, das Dach der Gasturbine einen Teil der zum Antrieb, des Kommetallischen Wärmeabschirmung 87 und die Decke pressors erforderlichen Kraft. Beim Durchlaufen der des kugelförmigen Druckgefäßes 6 haben Löcher zur 20 Gasturbine erleiden die heißen Kühlgase einen Tempe-Aufnahme von Reihen senkrechter Beschickungs- und raturverlust von etwa 38° C und einen Druckverlust Regelrohre 89. Die Kühlmittelleitungen 61 und 65 von etwa 3,5 kg/cm². Beim Passieren des Kompressors münden radial ins Druckgefäß, führen waagerecht erhöht sich der Kühlgasdruck wieder um etwa durch die Öffnung 90 bzw. 91 in der Wärmeabschir- 5,6 kg/cm², und beim Passieren der Wärmeaustauschmung und in der biologischen Abschirmung hindurch 25 gruppe 127 erhöht sich die Kühlgastemperatur wieder und enthalten senkrechte Abschnitte, die sie bis zur um etwa 66° C, damit das Gas beim Eintritt in den Höhe ihres Eintritts in den Wärmeaustauschturm Reaktor eine Temperatur von etwa 205° C hat. Autoführen. Dieser Turm steht mit seinem gesamten matisch geregelt wird erstens die Geschwindigkeit von Körper oberhalb der Mittelebene des Reaktors und Welle 202, um die Kühlgastemperatur beim Austritt ruht auf einer Bühne 92, unterhalb der sich ein Ge- 30 aus dem Reaktor auf der gewünschten Höhe zu halten, bläsemaschinenhaus 93 mit einem Axialkompressor 63 zweitens die Dampf entnahme aus dem Hochdruck- und einem elektrischen Antriebsmotor 94 für den kessel, um so den im Hochdruckkessel herrschenden Kompressor befindet. Die Leitungen 61 und 65 sind an Druck zu regulieren, und drittens der im Niederdruckden Öffnungen 90 und 91 von Betonwänden umgeben. kessel herrschende Druck, um die Kühlgastemperatur Bei gasgekühlten Reaktoren mit genügend hohen 35 beim Eintritt in den Reaktor auf der gewünschten Gasaustrittstemperaturen kann der Kraftbedarf des Höhe zu halten.

Kompressors zum Umwälzen des Kühlmittels in ge- Auf Grund der nicht zu hohen Druckunterschiede

schlossenem Kreislauf durch den Reaktorkern und beiderseits der Trennwände 207 genügen einfache einen oder mehrere Dampfkessel ganz oder teilweise Labyrinthdichtungen an den Durchgangsstellen der durch eine in den Kreislauf eingeschaltete Kühlgas- 40 Welle 202 durch diese Trennwände. Durch den Einturbine gedeckt werden, die eine wirkungsvollere Schluß der rotierenden Teile in den gemeinsamen Kraftversorgung des Kompressors gewährleistet als Druckbehälter 201 werden Dichtungen an Stoßstellen ein Elektromotor. zwischen einerseits Reaktorkühlmittel und anderer-

Auf Fig. 7 sind Kernreaktor 102 und ein Wärme- seits Außenluft überflüssig.

austauschturm 103 in einen geschlossenen Kühlgas- 45 In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel; in kreislauf einbezogen, so daß die im Reaktorkern er- dem geeignete Kühlgastemperaturen und Kühlgaszeugte Wärme in den Turm und dort zu den Wärme- drücke vorliegen und in dem die Gasturbine mehr austauschgruppen 122 bis 126 und 128 befördert wird, Kraft liefert als vom Kompressor benötigt wird, kann die in ihrer Bauart den Wärmeaustauschgruppen 22 von einem an die Welle 202 angeschlossenen Elektrobis 26 und 28 der Fig. 1 bis 5 entsprechen und zu 50 generator Kraft von dieser Welle abgenommen wereinem Hochdruckkessel bzw. einem Niederdruckkessel den, wobei der Motor 194 jedoch zum Anlassen der gehören. Diese Kessel liefern — wie unter Bezugnahme Anlage eingebaut bleibt. In diesem Ausführungsauf die Fig. 1 bis 5 beschrieben — Heißdampf über ge- beispiel läßt sich somit die Geschwindigkeit der Welle eignete (nicht dargestellte) Leitungen an bestimmte 202 durch Ändern der Generatorausgangsleistung Verwendungsorte, wie beispielsweise zu einer Dampf- 55 regeln oder aber durch Ändern der umgeleiteten Gasturbine. Die Wärmeaustauschgruppe 127 im Wärme- menge, wenn die Gasturbine mit einer Gasumleitung austauschturm 103 dient zum Kühlgas-Wärmeaus- versehen worden ist.

' tausch und entspricht in ihrer Konstruktion der Fig. 8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, das

Wärmeaustauschgruppe 27 gemäß den Fig. 1 bis 5. Der sich von der Anordnung gemäß Fig. 7 unterscheidet -Kernreaktor arbeitet mit einem Kühlgasdruck von etwa 60 _und in dem die Dampfüberhitzung durch einen brenn-21 kg/cm² und mit einer Kühlgas-Austrittstemperatur stoffbefeuerten Überhitzer 300 bewirkt wird. Wie auf von etwa 650° C. ■ Fig. 8 veranschaulicht, sind in den Kühlgaskreislauf

In einem gemeinsamen Druckbehälter 201 sind auf einbezogen ein Kernreaktor 2, eine Gasturbine 203, einer gemeinsamen, in. geeigneten (nicht dargestellten) ein Wärmeaustauschturm 303 und ein Kompressor Lagern laufenden Welle 202 angeordnet ein Korn- 6₅ 163. Turbine und Kompressor sowie der Motor pressor 163 zur Umwälzung des Kühlgases in ge- haben eine gemeinsame Welle 202 und sind einschließschlossenem Kreislauf, ein Elektromotor 194 einerseits lieh ihrer rotierenden Teile innerhalb eines gemeindes Kompressors 163 sowie eine Kühlgasturbine 203 samen Druckbehälters 201 angeordnet. '

andererseits des Kompressors 163. Motor 194, Korn- Der Wärmeaustauschturm hat eine zur Dampf-

■pressor 163 und Gasturbine 203 befinden sich in den 70 erzeugung dienende Wärmeaustauschgruppe 324 und

in Gasfluß richtung gesehen dahinter liegen de, zum Vorwärmen dienende Wärmeaustauschgruppe 328. Der brennstoff befeuerte Überhitzer 300 hat Brennstoffaustragsvorrichtungen 351, eine Windkammer 352 zur Einleitung von Verbrennungsluft in die Brennstoffaustragsvorrichtungen und im von den Verbrennungsgasen bestrichenen Raum vorn Dampfüberhitzungsflächen 353 und hinter diesen einen Verbrennungsluftvorwärmer 354.

Im Wärmeaustauschturm ist hinter der zum Vorwärmen dienenden Wärmeaustauschgruppe 328 eine zur Lufterwärmung dienende Wärmeaustauschgruppe 355 angeordnet. Ein Gebläse 356 treibt die Verbrennungsluft zuerst durch die zur Lufterwärmung dienende Wärmeaustauschgruppe 355 im Wärmeaus- tauschturm, dann durch den Verbrennungsluftvorwärmer 354 des Kompressors und schließlich in die Windkammer 352.

Im Kühlgasstrom des Turms befindet sich zwischen der zur Dampferzeugung dienenden Wärmeaustauschgruppe 324 und der zum Vorwärmen dienenden Wärmeaustauschgruppe 328 eine Kühlgas-Wärmeaustauschgruppe 327, die Wärme aus den Kühlgasen im Turm abzieht und diese Wärme auf Kühlgase überträgt, die im geschlossenen Kühlgaskreislauf den Kompressor verlassen und den Reaktor noch nicht wieder erreicht haben. Die Kühlgasleitungen 261 a, 261b, 262, 264 und 265 verbinden Reaktor, Gasturbine, Turm, Wärmeaustauschgruppe 327 und Kompressor in gleicher Weise miteinander wie in Fig. 7 veranschaulicht.

Beim praktischen Betrieb der Anlage gemäß Fig. 8 wird im Reaktor erzeugte Wärme zum Erwärmen und Verdampfen von Wasser sowie zum Vorwärmen von Verbrennungsluft für den Überhitzer verwendet. Im Überhitzer verfeuerter Brennstoff liefert die erforderliche Wärme zum Überhitzen des im Kessel· erzeugten Dampfes auf die gewünschte Heißdampftemperatur. Die Kühlgas-Umwälzrate im geschlossenen Kreislauf wird so eingestellt, daß die Kühlgastemperatur am Ausgang des Reaktors den gewünschten Wert hat, und der Kesseldruck wird so eingestellt, daß die Kühlgastemperatur am Eingang des Reaktors den gewünschten Wert hat. Die Heißdampftemperatur an der Turbine oder an anderen dampfverbrauchenden Einrichtungen wird eingeregelt durch gleichzeitiges \"erändern der Brennstoffzufuhr und der Verbrennungsluftzufuhr zum Überhitzer.

Da bei dieser Anordnung das Kühlgas nicht zur Erzeugung von Heißdampf herangezogen wird, ist es zweckmäßig, eine ziemlich große Energiemenge aus den Gasen bei ihrem Durchgang durch die Gasturbine abzuziehen. Ferner absorbiert die zur Lufterwärmung dienende Wärmeaustauschgruppe 355 Wärme, so daß der Kompressor mit niedrigerer Kühlgastemperatur arbeitet, als sie am Gasaustritt der zum Vorwärmen dienenden Wärmeaustauschgruppe zu verzeichnen ist, und somit einen entsprechend geringeren Kraftbedarf hat.

Claims (9)

Patentansprüche: 60

1. Dampferzeugungsanlage mit einem gasgekühlten Kernreaktor, mit einem Kompressor zum Umwälzen eines gasförmigen Kühlmittels in geschlossenem Kreislauf unter anderem auch durch den Reaktor, und mit Wärmeaustauschvorrichtungen, zu denen ein Dampferzeuger gehört und die in vorgenanntem geschlossenem Kreislauf hinter dem Kernreaktor und vor dem Kompressor liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschvorrichtungen das Kühlmittel auf eine Temperatur abkühlen, die beträchtlich unter der Kühlmitteleingangstemperatur am Reaktoreintritt liegt, und daß im geschlossenen Kreislauf hinter dem Kompressor und vor dem Reaktor ein Kühlmittelerwärmer eingebaut ist, der einen Bestandteil der vorgenannten Wärmeaustauschvorrichtungen darstellt und Wärme aus jenem Teil des Kühlmittels abzieht, der auf seinem Weg durch die Wärmeaustauschvorrichtungen in Richtung auf den Kompressor bereits teilweise abgekühlt ist.

2. Dampferzeugungsanlage nach Anspruch 1, in der die Wärmeaustauschvorrichtungen hinter ihren Dampferzeugungsflächen einen Vorwärmer für den Dampferzeuger enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil der Wärmeaustauschvorrichtungen in Richtung des Kühlmittelstroms durch die Wärmeaustauschvorrichtungen gesehen vor dem Vorwärmer und hinter den Dampferzeugungsflächen liegt.

3. Dampferzeugungsanlage nach Anspruch 1, in der zu den Wärmeaustauschvorrichtungen ein Vorwärmer sowie davor Kessel gehören, die mit unterschiedlichen Drücken arbeiten, die Dampf in verschiedene Druckstufen einer Dampfturbine liefern, deren Dampferzeugungsflächen im Kühlmittelstrom hintereinander liegen, und von denen jeder in Stromrichtung weiter hinten gelegene Kessel Dampf von geringerem Druck abgibt als der jeweils vorhergehende, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil der Wärmeaustauschvorrichtungen in Richtung des Kühlmittelstroms durch die Wärmeaustauschvorrichtungen gesehen vor dem Vorwärmer und hinter den Kesseln liegt.

4. Dampferzeugungsanlage nach Anspruch 3, da- . durch gekennzeichnet, daß obengenannter Vorwärmer sämtliche Kessel bedient.

5. Dampferzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der vom Kompressor benötigten Antriebsenergie von einer Gasturbine geliefert wird, die hinter dem Reaktor und vor den Wärmeaustauschvorrichtungen in den Kühlmittelkreislauf einbezogen ist.

6. Dampferzeugungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger zwecks Belieferung einer Dampfturbine mit Dampf einen brennstoffbefeuerten Überhitzer hat und daß hinter diesem Teil der Wärmeaustauschvorrichtungen als Bestandteil der Wärmeaustauschvorrichtungen ein Luftvorwärmer zum Anwärmen der Verbrennungsluft vorgesehen ist.

7. Dampferzeugungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftvorwärmer im Rahmen der Wärmeaustauschvorrichtungen ebenfalls hinter einem Vorwärmer für den Dampferzeuger angeordnet ist.

8. Dampferzeugungsanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks weiterer Erwärmung der Verbrennungsluft ein zweiter Luftvorwärmer vorgesehen ist, der im Wirkungsraum der Verbrennungsgase des Überhitzers liegt.

9. Dampferzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Gasturbine und Kompressor innerhalb eines gemeinsamen Druckbehälters angeordnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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