DE1089082B - Einrichtung zur Gewinnung von nutzbarer Leistung aus einem Atomkernreaktor - Google Patents
Einrichtung zur Gewinnung von nutzbarer Leistung aus einem AtomkernreaktorInfo
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung von nutzbarer Leistung aus einem Atomkernreaktor,
bei der zur Umwälzung eines Gasstromes ein Kompressor dient.
Bei den bekannten Ausführungen von gasgekühlten Atommeilern zur Erzeugung von Energie mit Hilfe
von Dampfmaschinen wird der Kompressor für den Umlauf des Gases entweder unmittelbar oder über ein
Getriebe von einer Dampfturbine oder mittels eines Wechselstromerzeugers und eines Elektromotors angetrieben.
Unter den den günstigsten thermischen Wirkungsgrad der Gesatntanordnung ergebenden Bedingungen
verbraucht der Kompressor größenordnungsmäßig etwa ein Drittel oder ein Viertel der
mechanischen Leistung.
Bei derartigen Anlagen wirft der Antrieb des Kompressors im allgemeinen schwierige Fragen hinsichtlich
der Abdichtung der das erforderliche Antriebsmoment liefernden sich drehenden Welle gegenüber
dem radioaktiven Gas, des beträchtlichen Werts der zu übertragenden Leistung und der Notwendigkeit der
Regelung der Drehgeschwindigkeit zur Erzielung des Arbeitens des Kompressors unter den günstigsten
Wirkungsgradbedingungen auf.
Schließlich beschränken bekanntlich die bei der Herstellung
der mit natürlichem Uran arbeitenden Meiler benutzten Materialien die Austrittstemperatur der
Gase des Meilers auf einen zu niedrigen Wert (etwa 380'° C), um diese bei Berücksichtigung der gegenwärtigen
Möglichkeiten der Turbinen und Kompressoren unmittelbar und vollständig in einer Gasturbine
mit einem annehmbaren Wirkungsgrad benutzen zu können.
Man hat nun, lange bevor die Entwicklung der Kompressoren und Turbinen so weit vorgeschritten
war, um die unmittelbare Anwendung der Gasturbine für den Flugzeugantrieb zu ermöglichen, zur Speisung
von Kolbenmotoren mit Vorverdichtung einen Turbokompressor genannten Apparat benutzt, welcher durch
einen Vorverdichtungskompressor gebildet wird, welcher unmittelbar von einer Turbine angetrieben
wird, welche die Auspuffgase dieser Motoren entspannt, wobei die gesamte an der Turbine verfügbare
Leistung zum Antrieb des Kompressors dient.
Es ist ferner bereits ein mit Helium gekühlter Atomkernreaktor beschrieben, bei dem das Helium unmittelbar
aus dem Reaktor kommend, dem Wärmeaustauscher zugeführt und vom Wärmeaustauscher mittels eines
Gebläses in den Reaktor zurückgeführt wird. Ein Entspannen des aus dem Reaktor kommenden Gases vor
dem Einleiten in den Wärmeaustauscher findet jedoch nicht statt. Dies bedeutet, daß das aus dem Reaktor
kommende heiße Gas mit verhältnismäßig hohem Druck den Wärmeaustauscher durchsetzt. Dies hat
Einrichtung zur Gewinnung
von nutzbarer Leistung
aus einem Atomkernreaktor
aus einem Atomkernreaktor
Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique,
ίο Paris
ίο Paris
Vertreter: Dr. W. P. Radt, Patentanwalt,
Bochum, Heinrich-König-Str. 12
Bochum, Heinrich-König-Str. 12
X5 Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 28. Mal 1956
Jean Le Foil, Sevres, Seine-et-Oise (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
aber den erheblichen Nachteil, daß der Wärmeaustauscher beträchtliche Dichtungsschwierigkeiten
bereitet. Neben einem Verlust von Helium würde eine Undichtigkeit des Wärmeaustauschers auch dazu
führen, daß von dem Kühlungsgas Helium mitgeführte radioaktive Teilchen aus dem Kühlmittelkreis entweichen
und nachteilige Folgen hervorrufen können. Ferner gehört eine Kreis lauf führung für einen Reaktor zum Stande der Technik, bei der das aus dem
Reaktor kommende Gasr bevor es in den Wärmeaustauscher eintritt, nicht entspannt wird. Bei dieser
Anlage wird der Wärmeaustauscher außerordentlich hoch beaufschlagt, und es ist schwierig zu vermeiden,
daß bei der herrschenden hohen Temperatur und dem
, verhältnismäßig hohen Druck Gas von dem Primärlauf
in den Sekundärlauf übertritt und dabei aus dem Reaktor mitgetragene radioaktive Teilchen mitnimmt.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung führt der
Kreislauf des Heliums vom Reaktor über eine Turbine, einen Rekuperator, einen Kühler und einen Verdichter
zum Reaktor zurück. Es wird hier zwar der Verdichter durch die Turbine angetrieben, jedoch ist an beide
noch der Generator angesetzt. In einem solchen Kreislauf ist es besonders' schwierig, die Umlaufwelle, die
vom Verdichter zum Generator führt, hinreichend ab-
so zudichten, so daß kein Kühlgas aus dem Verdichter
entweichen kann.
Es ist auch vorbeschrieben, die aus dem Reaktor kommenden Gase, ehe sie. in einen die Nutzleistung
vermittelnden Wärmeaustauscher eintreten, in einer
009 607/307
Gasturbine zu entspannen, die zum. Antrieb des den Gasumlauf sicherstellenden Kompressors dient.
Bei dieser Vorrichtung sitzt der Turbinenläufer mit dem Läufer des Kompressors auf einer Welle, jedoch
ist diese Welle durchgeführt bis zu einem Generator. Auch hier tritt die Schwierigkeit einer hinreichenden
Abdichtung gegen das Kühlgas auf, weil es gerade bei den Drehdurchführungen praktisch unvermeidlich ist,
daß Gase die Durchführungsdichtungen durchsetzen und dabei radioaktive Teilchen nach außen tragen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine unbedingte Abdichtung zwischen den
durch die Spaltprodukte verunreinigten Gasen und der Atmosphäre in einfacher Weise sicherzustellen, insbesondere
bei einem Reaktor mit Gaskühlung eine solche Anordnung des Kühlkreislaufes zu schaffen, die
in sich völlig dicht ist und Gewähr dafür bietet, daß kein Kühlgas nach außen tritt. Bei einer Einrichtung
zur Gewinnung von nutzbarer Leistung aus einem Atomkernreaktor, bei der zur Umwälzung eines Gasstromes
durch den Reaktor und einen die Nutzleistung vermittelnden Wärmeaustauscher ein Kompressor
dient, der durch eine durch den Reaktorgasstrom gespeiste Gasturbine angetrieben wird, dient gemäß der
vorliegenden Erfindung die Gasturbine lediglich zum Antrieb des Kompressors und ist mit diesem baulich
vereinigt unter Wegfall von Drehdurchführungen im Druckgehäuse des Reaktors untergebracht.
Hierdurch wird einerseits erreicht, daß die Kühlgase in entspanntem Zustand in den Wärmeaustauscher
oder Dampfkessel eintreten, andererseits daß die Gasturbinen und der Kompressor eine in sich geschlossene
Einheit bilden, die vollständig abgekapselt werden kann und sicherstellt, daß keinerlei Kühlgas aus dem
Kühlkreise entweichen kann.
Da der Kompressor unmittelbar von der Gasturbine angetrieben wird, kann die gesamte an den Wellen der
Dampfturbinen abgenommene Leistung mit Ausnahme des kleinen für den Antrieb der Hilfsbetriebe erforderlichen
Bruchteils unmittelbar benutzt werden.
Da der Rotor des Turbinenkompressors vollständig in dem Kühlgas des Meilers liegt und vollkommen
selbständig ist, tritt keine Welle aus der das Gas enthaltenden Hülle aus, so daß ohne Dichtung von Durchführungen
eine vollständige Abdichtung zwischen dem durch die Spaltprodukte verunreinigten Gas und der
Atmosphäre hergestellt werden kann. Es genügt dann, eine Abdichtung bekannter Bauart zwischen dem in
der Turbine strömenden Gas und dem in dem Kompressor strömenden Gas herzustellen. Diese beiden
Gase sind nämlich verunreinigt.
Die den Gegenstand der Erfindung bildenden Verbesserungen eignen sich besonders für mit Graphit
und natürlichen Uran arbeitende Atommeiler, und der so erhaltene thermodynamische Wirkungsgrad ist
dem Wirkungsgrad der bekannten Ausführungsformen gleichwertig. Er ist sogar höher, falls die Verwendung
von Sondermaterialien die Erwärmung des Kühlgases des Meilers auf zwischen 400 und 500° C liegende
Temperaturen gestattet.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzten Hauptteile;
Fig. 2 zeigt in einem Axialschnitt den in Fig. 1 schematisch dargestellten Turbokompressor genauer;
Fig. 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
In diesen Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile dargestellt.
In dem Prinzipschema der Fig. 1 treten die Gase bei 1 in den Meiler 2 mit einer gewissen Temperatur
Q1 und mit einem Druck P1, welcher erheblich
höher als der Atmosphärendruck ist, ein. Sie erwärmen sich in dem Meiler durch Konvektion längs
der Heizelemente bis auf eine Ausgangstemperatur Q2 = Q1 + AQ, wobei sie einen Druckabfall Ap erfahren,
welcher klein gegenüber P1 ist, so· daß ihr
Druck p2 am Ausgang 3 des Meilers 2 noch sehr viel
ίο größer als der Atmosphärendruck ist.
Diese Gase gelangen hierauf erfindungsgemäß in eine Gasturbine 4, in welcher sie sich bis auf einen
gewissen Druck p2' entspannen, worauf sie bei 5 mit
einer Temperatur Q2 austreten. Der Kessel 6 und der
Kühler 7 entziehen ihnen hierauf die von dem Meiler gelieferte Wärme, um sie auf das Treibmittel einer
Dampfmaschine 8 bzw. auf die Kältequelle (flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel) zu übertragen, wodurch
sie bis auf die Temperatur O1 abgekühlt werden und
einen neuen Druckabfall dp erfahren.
Ein erfindüngsgemäß auf der gleichen Welle 10 wie die Turbine 4 sitzender Kompressor 9 verdichtet dann
die so entspannten und abgekühlten Gase von dem Druck P1' = P2 — dp auf den Druck P1 am Eingang
des Meilers.
Der Wert des Druckes P1 wird durch die Gleichgewichtsbedingung
des dem Kompressor 9 und der Turbine 4 gemeinsamen Rotors 10 bestimmt, was bedeutet, daß der Enthalpieabfall in der Turbine gleich
der Enthalpiezunahme in dem Kompressor ist. Diese Beziehung gestattet die Berechnung von P1 in Abhängigkeit
von P1, p2 und dp und der Eigenwirkungsgrade
des Verdichters 9 und der Turbine 4.
Der Kühler 7 dient dazu, in die Kältequelle unmittelbar einen kleinen Bruchteil der dem Gas während
seiner Abkühlung zwischen der Turbine 4 und dem Verdichter 9 entnommenen Wärme abzuführen,
um durch Einwirkung auf den Kühlmittelstrom die Eingangstemperatur Q1 in den Kompressor zu regeln.
Dies gestattet die Verschiebung des Gleichgewichts des Turbokompressors bis zu dem gewünschten Betriebspunkt.
Da diese Temperatur Q1 nur wenig größer
als die Temperatur der Kältequelle ist, wird so eine sehr geringwertige Energie abgeführt, so daß die
Regelung mit geringen Kosten erfolgt.
Der Kessel 6 kann natürlich auch vor der Turbine4 angeordnet werden; die Anordnung hinter derselben
ist jedoch vorzuziehen, da er dann nur geringeren Drücken ausgesetzt ist.
Fig. 2 zeigt in einem Axialschnitt den Turbokompressor, welcher aus der Turbine 4 und dem Kompressor
9 besteht, welche erfindungsgemäß auf der gleichen Welle 10 angebracht sind. Die Dichtung 11
üblicher Bauart ist dann für die Herstellung der Abdichtung zwischen dem Gas der Turbine 4 und dem
des Kompressors 9 ausreichend.
Von den Vorrichtungen zur Wärmegewinnung unter Benutzung des Turbokompressors, d. h. einer den
Kompressor und die ihn antreibende Turbine umfassenden dichten Anordnung, betrifft die Erfindung
im besonderen die dem Schema der Fig. 3 entsprechenden.
Gemäß dieser Fig. 3 strömen die bei 3 aus dem Meiler 2 austretenden Gase vor ihrem Eintritt in die
Turbine 4 durch den Überhitzer 12. Die von ihnen abgegebene Wärme dient zur Überhitzung des aus dem
Kessel 6 kommenden Dampfes bis auf eine Temperatur, welche größer als die ist, welche man erhalten
würde, wenn die Überhitzung des Dampfes hinter der Turbine 4 erfolgen würde.
Die Überhitzung erfolgt jedoch nicht vollständig in 12, sondern kann auch durch die aus der Turbine 4
austretenden und in den Kessel 6 eintretenden Gase erfolgen.
Ferner kann es, obwohl es zweckmäßig ist, eine möglichst niedrige Temperatur am Eingang des Kompressors
9 aufrechtzuerhalten, um die Verdichtungsarbeit zu verringern, zweckmäßig sein, die Eingangstemperatur in den Meiler 2 auf einen höheren Wert
als die Austrittstemperatur des Kompressors 9 zu bringen. Hierfür strömen gemäß dem Schema der
Fig. 3 die aus dem Kessel 6 kommenden Gase durch einen Austauscher 13, bevor sie in den Regelkühler 7
eintreten, so daß sie ihre Wärme an die aus dem Kompressor 9 kommenden Gase abgeben, bevor sie wieder
in den Meiler 2 zurückkehren.
Temperatur
Druck
[Eingang
Meiler 2 <^ Hüllentemperatur
[Ausgang
[Ausgang
Turbine4
v /Eingang
Kessel 6 |Aus|an|
a , [Eingang
Austauscher 13 (Aus to gan|
T,... , _ (Eingang
Kuhler 7 (Aus|an|
T^ „ [Eingang
Kompressor 9 (^8J11nI
Austauscher 13 {^|r
160° 400° 360° |
C C C |
360° 330° |
C C |
330° 300° |
C C |
300° 180° |
C C |
180° 80° |
C C |
80° 30° |
C C |
30° 60° |
C C |
60° 160° |
C C |
25 kg/cm2 23 kg/cm2
23 kg/cm2 20 kg/cm2
25
35
20 kg/cm2 25 kg/cm2 Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist das
Kühlgas Kohlensäuregas, und die Werte der Drücke und der Temperaturen an den verschiedenen Stellen
des Kreislaufs' dieses Gases sind in der vorstehenden Tabelle zusammengestellt.
Die Erfindung, welche im wesentlichen die Kombination des Turbokompressors und des Dampfzyklus
betrifft, ist keineswegs weder auf die Benutzung eines einzigen Kessels noch auf die Benutzung einer Turbine
oder eines Kompressors einer bestimmten Bauart beschränkt. Sie umfaßt auch die Kombination eines
Turbokompressors der axialen oder zentrifugalen oder gemischten Bauart mit einem Dampfzyklus mit einem
oder mehreren Kesseln und Überhitzern oder einem oder mehreren Austauschern Gas/Wasser, welche
Dampf mit Hilfe von adiabatischen Kochern liefern, oder eine Kombination dieser beiden Dampferzeugerarten,
sowie die bekannten Vorrichtungen zur Überhitzung, nochmaligen Überhitzung und Dampfentnahme.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH:Einrichtung zur Gewinnung von nutzbarer Leistung aus einem Atomkernreaktor, bei der zur Umwälzung eines Gasstroms durch den Reaktor und einen die Nutzleistung vermittelnden Wärmeaustauscher ein Kompressor dient, der durch eine durch den Reaktorgasstrom gespeiste Gasturbine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine lediglich zum Antrieb des Kompressors dient und mit diesem baulich vereinigt unter Wegfall von Drehdürchführungen im Druckgehäuse des Reaktors untergebracht ist.In Betracht gezogene Druckschriften:
»Elektrotechnik und Maschinenbau«, Bd. 72, 1955, Heft 15/16, S. 359 und 369;
»Nucleonics«, Bd. 14, 1956, Heft 3, S. 34, 35.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen® 009 607/307 9.60
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1089082X | 1956-05-28 |
Publications (1)
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
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CH344265A (fr) | 1960-01-31 |
GB819762A (en) | 1959-09-09 |
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