DE1089082B

DE1089082B - Einrichtung zur Gewinnung von nutzbarer Leistung aus einem Atomkernreaktor

Info

Publication number: DE1089082B
Application number: DEC14900A
Authority: DE
Inventors: Jean Le Foll
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1956-05-28
Filing date: 1957-05-25
Publication date: 1960-09-15
Also published as: CH344265A; GB819762A; FR1151015A; LU35164A1; BE557677A

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

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique,
ίο Paris

Vertreter: Dr. W. P. Radt, Patentanwalt,
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

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 Gas_r 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

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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

Turbine4

_v /Eingang

Kessel 6 |_Aus|_an|

a , [Eingang

Austauscher 13 (_Aus ^to _gan|

_T,... , _ (Eingang

Kuhler 7 (_Aus|_an|

_T^ „ [Eingang

Kompressor 9 (^₈J_11nI

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

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