-
Atomkernreakto.ranlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Atomkernreaktoranlage
mit Nutzung der im Reaktor frei gewordenen Wärme in einer Nutzungsanlage durch ein
verdampftes Arbeitsmittel, dessen Verdampfung in einem außerhalb des Reaktors angeordneten
Verdampfer erfolgt, bei welcher der Reaktor von mindestens zwei voneinander getrennten
Kreisläufen durchströmt wird, von denen der eine ein die Nutzungsanlage enthaltender
Kreislauf des Arbeitsmittels und der andere ein die Verdampfungswärme in den Verdampfer
fördernder Kreislauf eines Wärmetransportmittels ist.
-
Es sind Atomkernreaktoranlagen bekanntgeworden, bei welchen ein Teil
des aus dem Reaktor austretenden, überhitzten Dampfes in einen Verdampfer geführt
wird und dort flüssiges Arbeitsmittel verdampft. Der auf diese Weise gewonnene Dampf
wird in den Reaktor geführt, überhitzt und teilweise zur Verwendung, z. B. in einer
Turbinenanlage geführt und teilweise dem Verdampfer zugeleitet. Bei dieser Anlage
muß der gesamte Kühlmittelteil im Reaktor für den höchsten Druck und die höchste
Temperatur ausgelegt werden. Das verlangt die Einführung von druck- und temperaturfestem
Material in den Reaktorkern, was den Reaktor verteuert und insbesondere bei der
Verwendung von Druckrohren im Reaktorkern den Neutronenhaushalt des Reaktors beeinträchtigt.
Es sind auch Atomkernreaktoranlagen bekannt, bei welchen der Reaktorkern von zwei
voneinander getrennten Kreisläufen mit flüssigem Wasser als Wärmetransportmittel
in dem einen Kreislauf durchströmt wird. Dieses flüssige Wasser muß zur Erzielung
hoher Temperaturen unter sehr hohem Druck stehen und beteiligt sich zudem selbst
in bedeutender Weise an einer Verschlechterung des Neutronenhaushaltes des Reaktors.
Es muß bei einem derartigen Reaktor aus Gründen der Neutronenökonomie entweder schweres
Wasser für den Kühlkreislauf oder angereicherter Spaltstoff verwendet werden.
-
Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß als
Wärmetransportmittel Wasserdampf dient, der im Reaktor überhitzt wird, und der die
Nutzungsanlage enthaltende Kreislauf des Arbeitsmittels beim Austritt aus dem Reaktor
einen höheren Druck aufweist als der Kreislauf des Wärmetransportmittels.
-
Auf diese Weise ist es möglich, die beiden Kreisläufe bei verschiedenen
Drücken und Temperaturen zu betreiben, wobei der der Verdampfung des Arbeitsmittels
dienende Kreislauf des Wärmetransportmittels Spaltstoffstäbe mit Umhüllungen aus
weniger wärmebeständigem Material mit kleinem Neutroneneinfangquerschnitt und der
eigentliche Arbeitskreislaufstäbe mit Umhüllungen aus wärmebeständigerem und druckfestem
Material aufweisen kann.
-
Die F i g. 1 bis 5 zeigen verschiedene Strömungsschemas für Reaktoranlagen
nach der Erfindung.
-
In F i g. 1. ist ein Reaktorkern 1 mit Spaltstoffstäben a,
b, c ausgestattet. Die Spaltstoffstäbe bestehen aus in besonderen Umhüllungen
eingebettetem Spaltstoff, z. B. Uran. Die Umhüllungen schützen in an sich bekannter
Weise den Spaltstoff vor Korrosion und verhindern das Entweichen von Spaltstoff
und Spaltprodukten nach außen. Die einzelnen Spaltstoffstäbe sind in vom Arbeitsmittel
durchströmten Druckrohren untergebracht, die von einem Moderatormaterial umgeben
sind. Es sind von jeder Gruppe nur wenige Spaltstoffstäbe gezeichnet, es versteht
sich jedoch, daß deren Anzahl größer ist. Die Druckrohre der Spaltstoffstäbe b sind
an eine Rohrleitung 2 angeschlossen, welche zu einem Verdampfer 3 führt. Aus dem
Verdampfer 3 führt eine Rohrleitung 4 in ein Umwälzgebläse 5 und aus diesem zu den
Spaltstoffstäben b zurück. Der Dampfteil des Verdampfers 3 ist durch eine Rohrleitung
6 an die Spaltstoffstäbe c angeschlossen. Von den Spaltstoffstäben c führt eine
Rohrleitung 7 zu den Spaltstoffstäben a und von dort eine Rohrleitung
8 in eine Turbine 9. Aus der Turbine 9 gelangt das Arbeitsmittel in
einen Kondensator 10, eine Kondensatpumpe 11 und von dieser über einen
Vorwärmer 12 und eine Speisepumpe 13 in den Verdampfer 3 zurück. Die Rohrleitung
2 ist mit einer Anzapfleitung 14 versehen, in welcher sich ein
Drosselorgan
15 befindet. Die Rohrleitung 14 führt zu einer Turbine 16, einem Kondensator
17, einem Reinigungselement 18 und mündet in die Rohrleitung 8 vor der Speisepumpe
11. Die Rohrleitung 4 ist mit der Rohrleitung 6 durch ein Drosselorgan 19 verbunden.
Der Vorwärmer 12 wird über eine Rohrleitung 20 durch Anzapfdampf aus der Turbine
9 beheizt.
-
Die Rohrleitungen 2 und 4 mit den Teilen 3 und 5 bilden einen Kreislauf
durch den Reaktor 1, welcher der Verdampfung des Arbeitsmittels dient. Das in diesem
Kreislauf befindliche Wärmetransportmittel wird im Reaktor 1 an den Spaltstoffstäben
b überhitzt, gibt seine Wärme an das im Verdampfer 3 befindliche Arbeitsmittel ab,
wird dadurch abgekühlt und wird durch das Gebläse 5 wieder zur neuerlichen Erhitzung
in den Reaktor gefördert. Das im Verdampfer 3 verdampfte Arbeitsmittel gelangt durch
die Rohrleitung 6 zu den Spaltstoffstäben c des Reaktors, wird dort überhitzt und
von dort durch die Rohrleitung? zu den Stäben a, wo es weiter überhitzt wird. Von
den Stäben a gelangt das Arbeitsmittel durch die Rohrleitung 8 in die Turbine, leistet
dort mechanische Arbeit, wird nach seiner Expansion im Kondensator 10 kondensiert,
durch die Kondensatpumpe 11 in den Vorwärmer 12 befördert, vorgewärmt und durch
die Speisepumpe 13 wieder in den Verdampfer 3 geführt.
-
Durch diese Anordnung können die beiden Kreisläufe, der eigentliche
Arbeitskreislauf und der Verdampfungskreislauf verschiedene Drücke und Temperaturen
aufweisen. Der Verdampfungskreislauf kann dabei die niedrigeren Werte haben und
mit Spaltstoffstäben ausgerüstet sein, die somit bezüglich der Neutronenökonomie
des Reaktors vorteilhafteren, jedoch temperatur- und druckmäßig weniger widerstandsfähigen
Umhüllungen aus Aluminium, Zirkon oder anderem Material mit geringem Einfangquerschnitt
für Neutronen ausgestattet sind. Der um die Spaltstoffstäbe a und c führende eigentliche
Arbeitskreislauf kann hingegen zur Erzielung höherer überhitzungstemperaturen mit
Umhüllungen aus austenitischem Stahl oder anderem wärme- oder druckbeständigerem
Material ausgestattet sein. Unter Umständen können diese Spaltstoffstäbe mit angereichertem
Spaltstoff versehen sein, um die ungünstige Wirkung der wärmebeständigen Umhüllungen
auszugleichen. Auf diese Weise kann der die größere Wärmemenge führende Kreislauf
durch den Verdampfer mit optimaler Wirkung mit Rücksicht auf den Reaktor ausgebildet
sein, der Arbeitskreislauf hingegen mit höherem Druck und höherer Temperatur zur
Erzielung eines besseren thermischen Wirkungsgrades.
-
In der F i g. 2 ist eine Atomkernreaktoranlage mit einer zweistufigen
Turbine dargestellt. Der Verdampferkreislauf des Wärmetransportmittels führt dabei
wieder durch den Verdampfer 3, Rohrleitung 4,
Gebläse 5 zu den Spaltstoffstäben
b und durch die Rohrleitung 2 in den Verdampfer 3 zurück. Der Arbeitskreislauf führt
aus dem Dampfraum des Verdampfers 3 durch die Rohrleitung 6, an den Spaltstoffstäben
c, a vorbei in den Hochdruckteil 22 der Turbine. Aus dem Hochdruckteil gelangt das
teilweise expandierte Arbeitsmittel durch eine Rohrleitung 23 zu den Spaltstoffstäben
d des Reaktors und aus diesen durch eine Rohrleitung 24 in die Niederdruckstufe
25 der Turbine. Von der Turbine gelangt das Arbeitsmittel durch die Teile 10, 11,
12, 13 in den Verdampfer zurück. Bei der Ausführung nach F i g. 2 wird das teilweise
expandierte Arbeitsmittel wieder dem Reaktor zugeführt und in diesem zwischenüberhitzt.
Dabei können dem niedrigeren Druck entsprechend ebenfalls Umhüllungen mit kleinerem
Einfangquerschnitt Anwendung finden.
-
Bei der Ausführung nach F i g. 3 erfolgt die Zwischenüberhitzung des
teilweise expandierten Dampfes durch einen Wärmeübertrager 30, der im Verdampfungskreislauf
2, 3, 4, 5 eingeschaltet ist. Dem Wärmeübertrager 30 ist ein Drosselorgan 31 parallel
geschaltet, durch welches die Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 30 geregelt werden
kann. Aus der Hochdruckstufe 22 der Turbine gelangt das Arbeitsmittel durch ein
Rohr 32 in den Wärmeübertrager 30 und aus diesem durch eine Rohrleitung 33 in die
Niederdruckstufe 25. Die Rohrleitungen 8 und 33 sind durch eine Verbindungsleitung
mit Drosselorgan 34 verbunden, wodurch auch die zweite Turbinenstufe bei Bedarf
an die Hochdruckdampfleitung anschließbar ist. Die Anordnung nach der F i g. 3 hat
den Vorteil einer Vereinfachung im Reaktor, da das Arbeitsmittel zur Zwischenüberhitzung
nicht in den Reaktor geführt werden muß, sondern die Zwischenüberhitzung außerhalb
des Reaktors erfolgt.
-
In F i g. 4 ist eine weitere Ausführung einer Atomkernkraftanlage
mit zweistufiger Turbine dargestellt. Bei dieser erfolgt die Zwischenüberhitzung
ebenfalls in einem Wärmeübertrager außerhalb des Atomkernreaktors. Der Wärmeübertrager
40 ist dabei jedoch nicht in den Verdampfungskreislauf eingeschaltet, sondern entnimmt
seinen Heizdampf aus der Hochdruckleitung B. Aus dem Wärmeübertrager 40 gelangt
das abgekühlte und teilweise kondensierte Arbeitsmittel über ein Drosselorgan
41 in einen Flüssigkeitsabscheider 42. Der flüssige Teil des Arbeitsmittels
wird durch eine Rohrleitung 43 über ein Drosselorgan 44 der Speisepumpe 13
zugeführt. Der dampfförmige Teil des Arbeitsmittels kann aus dem Flüssigkeitsabscheider
42 durch eine Rohrleitung 45 mit Drosselorgan 46 in die Niederdruckstufe 25 der
Turbine geführt werden. Die in F i g. 4 dargestellte Ausführung eignet sich für
die Fälle, wo eine größere Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes erwünscht
ist, als sie der Verdampfungskreislauf aufweist.
-
Die F i g. 5 stellt einen Ausschnitt aus der F i g. 1 dar, mit einer
abgeänderten Anordnung der Reinigungselemente im Verdampfungskreislauf. Im Arbeitsmittelkreislauf
ist zwischen dem Vorwärmer 12
und der Speisepumpe 13 ein Speisebehälter 50
angeordnet. Aus der Speisepumpe 13 gelangt das Arbeitsmittel durch einen Wärmeübertrager
51 in den Verdampfer 3 und aus diesem durch die Rohrleitung 6 in weiter nicht
dargestellter Weise in den Reaktor 1. Aus der Rohrleitung 4 wird durch eine
Rohrleitung 52 Arbeitsmittel aus dem Verdampfungskreislauf abgezapft, im Wärmeübertrager
51 zur Aufwärmung des von der Speisepumpe 13 geförderten Arbeitsmittels herangezogen
und dadurch abgekühlt und kondensiert. Das abgekühlte und kondensierte Arbeitsmittel
gelangt aus dem Wärmeübertrager 51 durch eine Rohrleitung 53 über Drosselorgane
54 zu Reinigungselementen 55 und aus diesen durch Drosselorgane 56 und eine Rohrleitung
57 in die Rohrleitung 2 des Verdampfungskreislaufes. Durch den in der Rohrleitung
4
gegenüber der Rohrleitung 2 herrschenden Überdruck wird das Arbeitsmittel
durch die Drosselorgane 84, 56
und die Reinigungselemente 55 gefördert.
Nach der
Einführung aus der Rohrleitung 57 in die Rohrleitung 2
wird dieses durch das überhitzte Arbeitsmittel sofort wieder verdampft. Durch die
in F i g. 5 dargestellte Anordnung wird eine kontinuierliche Reinigung des im Verdampferkreislauf
befindlichen Arbeitsmittels ermöglicht, und zwar mit geringerem Investitionsaufwand,
als es bei der Ausführung nach der F i g. 1 der Fall ist. Diese Anordnung ist dort
angebracht, wo die Menge des zur kontinuierlichen Reinigung entnommenen Arbeitsmittels
kleiner ist als im Beispiel nach der F i g. 1 und der durch die Abkühlung im Wärmeübertrager
51 entstandene thermodynamisch Verlust nicht ins Gewicht fällt.
-
Durch die Ausführung der Atomkernreaktoranlage nach der Erfindung
ist es möglich, deren Wirkungsgrad gegenüber den bekannten Anlagen zu verbessern.
Zur Erzielung noch höherer Ausgangstemperaturen des Arbeitskreislaufes und dadurch
noch besserer thermischer Wirkungsgrade können zumindest die letzten der im Arbeitskreislauf
liegenden Spaltstoffstäbe (Stäbe a in den F i g. 1 bis 5) die Stäbe einer Zone des
Reaktors mit geringerer Wärmeentwicklung sein. In einer Zone mit geringerer Wärmeentwicklung
ist nämlich das Temperaturgefälle zwischen Spaltstoff und Kühlmittel geringer, so
daß bei einer bestimmten höchstzulässigen Temperatur des Spaltstoffes oder dessen
Umhüllung die Temperatur des als Kühlmittel dienenden Arbeitsmittels höher sein
kann.
-
Das im Arbeitskreislauf kreisende Arbeitsmittel wird vorzugsweise
Wasser bzw. dessen Dampf sein. Die kontinuierliche Reinigung des Arbeitsmittels
macht dabei die schwer zu erfüllende Forderung einer absoluten Dichtigkeit des betreffenden
Kreislaufs überflüssig. Bei der Anordnung nach der F i g. 1 wird das Mittel beider
Kreisläufe gleichzeitig kontinuierlich gereinigt. Als Reinigungselemente können
dabei z. B. Filter oder Ionenaustauscher dienen.