DE1281593B - Kernenergieanlage mit einem mit Kohlendioxid gekuehlten Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21d

Deutsche Kl.: 21g-21/22

Nummer: 1281593

Aktenzeichen: P 12 81 593.9-33 (C 36259)

Anmeldetag: 29. Juni 1965

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernenergieanlage mit einem mit Kohlendioxid gekühlten Kernreaktor mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem in Strömungsrichtung gesehen hintereinander der Reaktorkern, eine Leistungsturbine, ein sekundärseitig vom komprimierten Kühlgas durchströmter Wärmetauscher, ein von einem von außen zugeführten Kühlmedium durchströmter Vorkühler für das Kühlgas und mindestens ein Kompressor angeordnet sind.

Derartige an sich bekannte Anlagen bieten offensichtliche Vorteile gegenüber Kernenergieanlagen eines anderen, beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1073 647 bekannten Typs, bei denen die Energie in einem Sekundärkreislauf abgegeben wird, da sie mit den Vorteilen der Gasturbinen die Einfachheit und gute Leistung von Einkreisanlagen verbinden.

Spezielle Kernenergieanlagen mit Gasturbinenkreislauf sind bekannt, beispielsweise aus »Schiff und Hafen«, 1958, S. 124, und »The Motorship«, 1957, S. 518, mit Stickstoff gekühlte Kernenergieanlagen mit einem Gasturbinenkreislauf als Schiffsantriebe und aus »Atomenergie«, 9. Jahrgang 1964, S. 232, eine spezielle, mit Helium gekühlte Kernenergieanlage mit geschlossenem Gasturbinenkreislauf. Diese bekannten Anlagen lassen sich aber nicht ohne weiteres mit Kohlendioxid betreiben, da jedes Kühlgas andere Eigenschaften aufweist und eine auch durch komplizierte Berechnungen nicht völlig vorauszusehende Abwandlung der Gestaltung der Anlage erfordert.

Allgemein muß man in einem Gasturbinenkreislauf bei höheren Temperaturen und Drücken arbeiten, um eine annehmbare Leistung der Gasturbine zu erzielen. Im Zusammenhang mit den Bestrebungen, höhere Spaltelementtemperaturen zuzulassen, wurde in der »Österreichischen Ingenieurzeitschrift«, 3. Band, 1960, S. 196, ein Verfahren beschrieben, das nach dem bekannten Ackeret-Keller-Verfahren des Gasturbinenbaues eine direkte Umsetzung der dem Kühlgas mitgeteilten Wärme in Nutzenergie vorsieht. Das mit höherer Temperatur aus dem Reaktor strömende Kühlgas, dessen Wärmezufuhr aus den Spaltelementen nunmehr auch bei höheren Drücken erfolgt, wird in einer im geschlossenen Kreislauf arbeitenden Gasturbinenanlage entspannt und deren Nutzleistung als elektrische Energie gewonnen. Dabei wird die Umwälzleistung des Kühlgases durch den von der Gasturbine angetriebenen Kompressor aufgebracht, wobei durch Rückgewinnung der Auslaßwärme der Gasturbine eine wesentliche Effekterhöhung möglich wird. Dabei sind jedoch die höchst erreichbaren Temperaturen und Drücke, abgesehen von der Ausführung Kernenergieanlage mit einem mit Kohlendioxid gekühlten Kernreaktor

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. H. U. May, Patentanwalt,
8000 München 2, Ottostr. 1 a

Als Erfinder benannt:
Ennemond Maillet, Paris

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 8. Juli 1964 (981028),
vom 14. Mai 1965 (17 045)

der Gasturbine selbst, durch die Widerstandsfähigkeit der verschiedenen Bauteile des Reaktors begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist eine weitere Leistungsverbesserung derartiger Kernenergieanlagen durch Behebung dieser Nachteile unter Beibehaltung der Vorteile der Gasturbinen und Verwendung des gasförmigen Reaktorkühlmittels als Antriebsmittel.

Erfindungsgemäß wird dies bei der eingangs genannten Kernenergieanlage dadurch erreicht, daß zwischen der letzten Kompressorstufe und dem Reaktorkern eine Turbine angeordnet ist, welche das bis zu einem Druck zwischen 120 und 250 bar komprimierte Kühlgas bis auf einen Druck zwischen 40 und 120 bar entspannt.

Vorzugsweise ist ferner bei einer solchen Kernenergieanlage ein primärseitig von dem aus der Leistungsturbine austretenden entspannten Kühlgas durchströmter Wärmeaustauscher zur Vorwärmung mindestens eines Teils des der Turbine zugeführten komprimierten Kühlgases vorgesehen.

Für den Fall, daß eine solche Kernenergieanlage mit einem flüssigkeitsmoderieften Kernreaktor aus-

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gestattet ist, ist ein primärseitig vom Moderator kritischen Zustands bleibt^ um so, soweit wie inögdurchströmter Wärmeaustauscher zur_; Vorwärmung lieh, die von der Kompression absorbierte Leistung mindestens eines Teils des komprimierten Kühlgases herabzusetzen. Man verhindert so im übrigen auch vorgesehen. Hierbei kann ferner mit Vorteil der den bei einer Kondensation auftretenden Wärmeprimärseitig von dem aus der Leistungsturbine aus- 5 verlust.

tretenden entspannten Kühlgas durchströmte Wärme- Der in. Fi g. 1 gestrichelt gekennzeichnete kritische

austauscher zur weiteren Vorwärmung der vorge- Bereich zeichnet sich durch rasche Veränderungen wärmten Teilmenge des komprimierten Kühlgases der thermodynamischen Eigenschaften des Mediums dienen. . aus. Insbesondere verändert sich die Kompressions-

Die Erfindung ermöglicht insbesondere, die für eine io arbeit viel rascher als im übrigen Teil des Diagramms, gute Gesamtleistung der Turbine erforderlichen hohen wenn der Anfangsdruck ansteigt, d.h. wenn der Drücke mit den vom Reaktor auferlegten Beschrän- betreffende Punkt sich in Fig. 1 von rechts nach kungen zu vereinbaren. Sie ermöglicht außerdem, die links verschiebt. Das zeigt sich ebenfalls in Fig. 2, vom Reaktor her möglichen und für eine gute Lei- wo die Kurve 5 die für die Kompression notwendigen stung der Turbine günstigen hohen Temperaturen zu 15 Veränderungen der Energie A Hc in Abhängigkeit trennen von den hohen Drücken, wodurch eine Her- vom Ausgangsdruck für ein gegebenes Kompressionsabsetzung der durch die Kompression des Antriebs- verhältnis in der Größenordnung von 2 bis 3 für die mittels absorbierten Leistung erzielt wird. gezeigte Kurve 5 wiedergibt.

Da die kritische Temperatur von CO₃ 31° C be- Diese Kurve zeigt eine rasche Verringerung der

trägt, kann man leicht die Kompression (oder minde- ao Kompressionsenergie für einen Anfangsdruck in der stens den Hauptteil derselben, wenn sie in zwei oder Nähe von 75 bar, während beiderseits dieses Werts mehreren Stufen durchgeführt wird) bei dem über- " die Veränderungen viel langsamer erfolgen, kritischen. Bereich^ .entsprechenden Anfangsbedin- Die für das gleiche konstante Kompressionsver^

gungen in der Nähe der Sättigungskurve vornehmen, hältnis (in der Größenordnung von 2 bis 3) wie die um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen..Die 25 Kurve 5 geltende Kurve 6 der Fig. 2 zeigt die VerWahl eines Maximaldrucks des Gases nach der änderungen der "beim Wiedererwärmen des' kom-Hochdruckkompressiön (zwischen 120 und 250 bar) primierten Mediums bis auf eine bestimmte Tempebegünstigt ebenfalls die Erzielung eines maximalen ratur von beispielsweise 250° C (^ingarigstemperatur Wirkungsgrads. des Reaktors) notwendigen Wärme AHr. Diese Kurve

Der Mindestdruck ;des Kreislaufs, d.h. der Gas- 30 zeigt einen scharfen Anstieg von A Hr in der Gegend druck nach der zweiten Entspannung, wird vorteil- des gleichen Anfarigsdrucks vor der Kompression hafterweise auf einen"Wert über 15 bar "festgelegt, von 75 bar.

um eine übermäßige-Vergrößerung der Oberfläche Die Wahl des optimalen Kompressiönsdrucks zur

und des Raumbedarfs des Wärmeaustauschers (oder Erzielung einer guten Gesamtleistung des Wanne-' der Wärmeaustauscher) zu vermeiden, in dem das 35 zyklus führt also zu einem Kompromiß zwischen der entspannte Gas die Wärme an das komprimierte Gas Herabsetzung der Kompressionsenergie undder der abgibt. " Wiedererwärmungswärme nach der_: Kompression.

Im folgenden werden nut Bezug auf die F ig. I Der Optimalwert Kegt im beschriebenen FaU zwischen bis 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrie- 50 und 80 bar. _; "

ben. In den Figuren zeigt 40 Um andererseits die zur Kompression benötigte

Fig. 1 das Entropiefflagramm von Kohlendioxid- Energie zu verringern, wird die Kompression in zwei gas, ' - - vj'r- ■■-...·-- :.. Stuf en durchgeführt, die durch eine zwischengeschal-

Fig. 2 die Veränderung der Kompressionsenergie tete Kühlung getrennt sind. Die jeweiligen Kompres- und der Wiedererwärmungswärme in Abhängigkeit sionsverhältnisse der zwei Stufen werden in Ab- vom Druck, 45 hängigkeit von den obigen Erwägungen gewählt. So

Fig. 3 ein Beispiel des erfindungsgemäßen GO₂- wird in dem in Fig. 3 wiedergegebenen und im Zyklus im Enthalpie-Entropie-Diagramm, folgenden mit weiteren Einzelheiten erläuterten

Pig. 4 eine schematische Darstellung der zur Zyklus der .Zwischendruck auf 75 bar festgelegt, Durchführung des Zyklus der Fig. 3 benutzten wobei die zweite Kompressionsstufe die wichtigste ist.7 Anlage, ."' 5° Der Gesämtwirkungsgrad hängt natürlich in

Fig. 5 ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen starkem Maß vom Verhältnis der Extremdrücke des CO₂-Zyklus im Enthaipie-Entropie-Diagramm, . ' ^; Zyklus ab, wobei dieses Verhältnis im allgemeinen Fig. 6 ein Schemä_veiner Vorrichtung zur Durch- einen Optimalwert besitzt. Der Mindestdruck kann führung des Zyklus d% Fig. 5, jedoch nicht auf weniger als ungefähr 15 bar herab-

Fig. 7 eine Abwandlung der in Fig. 6 schema- 55 gesetzt werden, wenn er nicht eine nur schwer zutisch gezeigten Vorrichtung. ' lässige Erhöhung der für den Wärmeaustausch er-

Fig.l zeigt schematisch das Entropiediägramm forderlichen Austauscherfläche zur Folge haben soll, von Kohlendioxidgasrin. der Nachbarschaft des kri- Andererseits sind hohe Drücke, von beispielsweise

tischen Punkts; die Kurve 1 ist die Sättigungskurve. über 100 bar zwar für die Kühlmittel und die Wärme-Ferner ist eine Isocofenlinie 2 und die Ispbare 3 von 60 austauscher, deren Oberfläche auf diese Weise herab-80 bar gezeigt. Die kritische Temperatur beträgt gesetzt werden kann, nicht nachteilig, jedoch halten 31°C. Sie steht praktisch der Anwendung eines die gegenwärtigen Reaktoren solche Drücke nicht aus. Kondensationszyklus unter mittleren Atmosphären- Bei der Wahl des günstigsten Maximaldrucks des

bedingungen entgegen, da man während des größten Zyklus sollten auch günstige Werte für die Tempe-Teils des Jahres ein.Kühlwasser mit einer Temperatur 65 raturdifferenzen im Wärmeaustauscher und gleichvon nicht über 15,. bis. 20° C zur Verfügung haben zeitig das Entspannungsverhältnis bei einem Wert müßte. Daher wird'vorzugsweise im überkritischen gehalten werden, der mit einer zur richtigen Kühlung Bereich gearbeitet, jObei man in der Nähe des des Reaktors ausreichenden Temperaturdifferenz des

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Mediums zwischen dem Reaktoreingang und-ausgang kompressor 11. Es ist auch möglich, wenn die von zu vereinbaren ist. Eine Optimierungsberechnung der Entspannung gelieferte Arbeit ausreicht, die beiunter Berücksichtigung dieser verschiedenen Faktoren den Kompressoren 11 und 13 durch die Leistungshat beispielsweise gezeigt, daß die Leistung um 10 turbine 15 anzutreiben.

bis 12°/o verbessert wird, wenn der Maximaldruck 5 Das Diagramm der Fig. 5, worin die Entropie als

von 100 auf 200 bar ansteigt. Abszisse und die Enthalpie als Ordinate abgetragen

Erfindungsgemäß kann der Maximaldruck auf sind, wird mit Bezug auf F i g. 6 erläutert, wie sche-

diesen optimalen Hochdruckwert der Größenordnung matisch eine Vorrichtung zur Durchführung des er-

von 200 bar festgelegt werden, wobei die voraus- findungsgemäßen Verfahrens und insbesondere des

gehende Entspannung diesen Druck vor dem Eintritt io in F i g. 5 wiedergegebenen Kreislaufs zeigt,

in den Reaktor bis auf 100 bar herabsetzt. Die Kompression des Kohlendioxidgases wird im

Das Diagramm der F i g. 3, worin die Entropie als beschriebenen Fall in zwei Stufen durchgeführt. In Abszisse und die Enthalpie als Ordinate aufgetragen der ersten Stufe wird das Gas in einem Niederdrucksind, gibt ein Beispiel des unter Berücksichtigung der kompressor 21 von 35 auf ungefähr 73 bar geobigen Erwägungen verwirklichten Wärmezyklus. Es 15 bracht. Der Kennpunkt verschiebt sich in F i g. 5 wird unter gleichzeitigem Bezug auf F i g. 4 beschrie- vom Punkt A' zum Punkt B'. Die Temperatur erhöht ben, die schematisch eine Vorrichtung zur Durchfüh- sich von einer Ausgangstemperatur in der Nähe von rung des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbe- 30 bis auf ungefähr 100° C. Das Gas wird dann in sondere des in F i g. 3 gezeigten Zyklus zeigt. den Zwischenkühler 22 geleitet, wo es sich bis auf

Die Kompression des Kohlendioxidgases wird im 20 ungefähr 30° C durch Austausch mit dem die Kältebeschriebenen Fall in zwei Stufen vorgenommen. In quelle darstellenden Wasser abkühlt,
der ersten Stufe wird das Gas in einem Niederdruck- Die zweite Kompressionsstufe wird im Hochdruckkompressor 11 von 27 auf 56 bar gebracht. Der kompressor 23 von ungefähr 72 auf 160 bar vorgeentsprechende Kennpunkt verschiebt sich in F i g. 3 nommen. Infolge der entsprechenden Temperaturvon A nach B. Die Temperatur erhöht sich von einer 25 erhöhung verlassen die Gase den Kompressor 23 mit Ausgangstemperatur in der Nähe von 30° C bis auf einer Temperatur von ungefähr 85° C (Punkt D' der ungefähr 100° C. Das Gas wird dann in den F i g. 5). Das Gas wird durch Austausch mit der in Zwischenkühler 12 geleitet, wo es sich bis auf unge- das den Wärmeaustauscher 24 α speisende schwere fähr 30° C (Punkt C) durch Austausch mit dem das Wasser abgegebenen Wärme von D' auf /' erwärmt. Kühlmittel darstellenden Wasser abkühlt. 30 Bei /' liegt die Temperatur in der Nähe von 100° C;

Die zweite Kompressionsstufe wird im Hochdruck- dann erfolgt durch Hindurchleiten durch den Wärmekompressor 13 von ungefähr 56 auf 180 bar vorge- austauscher 24, der von dem die Niederdruckturbine nommen. Infolge der entsprechenden Temperatur- (Leistungsturbine) 27 verlassenden Gas gespeist wird, erhöhung verlassen die Gase den Kompressor 13 mit eine erneute Temperaturerhöhung, und bei E' ereiner Temperatur von ungefähr 120° C (Punkt Ό des 35 reicht diese ungefähr 350° C bei einem Druck von Diagramms der F i g. 3). Sie werden dann im Wärme- ungefähr 157 bar. Die Gase gelangen so zum Eingang austauscher 14 durch das die Niederdruckturbine der Hochdruckturbine 25, in der sie bis auf ungefähr (Leistungsturbine) 17 verlassende entspannte Gas 80 bar (von E' nach F' in F i g. 5) entspannt werden, weiter erwärmt. wobei die Temperatur von 350 auf 280° C absinkt.

Die Gase gelangen so mit einer Temperatur von 40 Die Gase werden dann in den Reaktor 26 geleitet. Im

ungefähr 320° C zum Eingang der Hochdruckturbine Reaktor steigt die Gastemperatur bis auf 520° C.

15. In dieser werden sie bis auf 100 bar entspannt Der Druckverlust führt zu einem Ausgangsdruck in

(von E nach F in Fig. 3). Die Temperatur sinkt der Nähe von 75 bar (Punkt G' der Fig. 5).

gleichzeitig bis auf 258° C. Die Gase entspannen sich dann in der Nieder-

Die aus der Hochdruckturbine 15 austretenden 45 druckturbine 27 bis zu einem Druck von 36 bar und Gase werden dann in den Reaktor 16 geleitet, den sie einer Temperatur von ungefähr 430° C. Diese Entkühlen. Im Reaktor erhöht sich die Gastemperatur spannung ist in F i g. 5 von G' nach H' gezeigt,
von 258 auf 520° C. Der Druckverlust führt zu einem Die aus der Niederdruckturbine 27 austretenden Ausgangsdruck von ungefähr 95 bar (Punkt G der Gase gelangen in den Wärmeaustauscher 24, wo sie F i g. 3). 50 einen großen Teil ihrer Wärme an das die Hoch-

Die Gase entspannen sich dann in der Nieder- druckturbine 25 speisende Gas abgeben. Sie werden

druckturbine 17 bis zu einem Druck von 28 bar und so von H' auf /' (Fig. 5) bis auf ungefähr 120⁰C

einer Temperatur von ungefähr 395° C. Diese Ent- abgekühlt. Die Abkühlung wird im Wasserkühler 28

spannung ist in Fig. 3 von G nach H gezeigt. bis auf ungefähr 3O⁰C (von /' nach A') weiter-

Die aus der Niederdruckturbine 17 austretenden 55 geführt. Dann beginnt ein neuer Zyklus, wobei die Gase gelangen in den Wärmeaustauscher 14, wo sie gekühlten Gase dem Niederdruckkompressor 21 zueinen großen Teil ihrer Wärme an die die Hoch- geführt werden.

druckturbine 15 speisenden Gase abgeben. Sie wer- F i g. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Anden so bis auf ungefähr 153° C abgekühlt (von H lage, wobei ein Teil der aus den Hochdruckkomnach I in Fig. 3). Im Wasserkühler 18 erfolgt eine 60 pressor austretenden Kühlgasmenge durch Hindurchweitere Abkühlung bis auf ungefähr 30° C (von I leiten durch den vom flüssigen Moderator gespeisten nach A). Dann beginnt ein neuer Zyklus, wobei die Wärmeaustauscher 24« wieder erwärmt wird, wähgekühlten Gase den Niederdruckkompressor 11 rend die Hauptmenge des Kühlgases unmittelbar speisen. durch den Wärmeaustauscher 24 geht. Am Ausgang

Die Turbine 15, in der die vorausgehende Ent- 65 des Austauschers 24 a vereinigt sich das Medium

spannung erfolgt, treibt den Hochdruckkompressor 3. wieder mit dem Hauptkreislauf, indem es durch einen

Die Turbine 17, in der die Hauptentspannung erfolgt, Teil des Austauschers 24 tritt, worin es eine erneute

treibt einen Generator 19 sowie den Niederdruck- Erwärmung erfährt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernenergieanlage mit einem mit Kohlendioxid gekühlten Kernreaktor mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem in Strömungsrichtung gesehen hintereinander der Reaktorkern, eine Leistungsturbine, ein sekundärseitig vom komprimierten Kühlgas durchströmter Wärmeaustauscher, ein von einem von außen zugeführten Kühlmedium durchströmter Vorkühler für das Kühlgas und mindestens ein Kompressor angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der letzten Kompressorstufe (13, 23) und dem Reaktorkern eine Turbine (15, 25) angeordnet ist, welche das bis zu einem Druck zwischen 120 und 250 bar komprimierte Kühlgas bis auf einen Druck zwischen 40 und 120 bar entspannt.

2. Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein primärseitig von dem aus der Leistungsturbine (17, 27) austreten- ao den entspannten Kühlgas durchströmter Wärmeaustauscher (14, 24) zur Vorwärmung mindestens eines Teils des der Turbine (15, 25) zugeführten komprimierten Kühlgases dient.

3. Kernenergieanlage nach Anspruch 1 mit as einem flüssigkeitsmoderierten Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß ein primärseitig vom Moderator durchströmter Wärmeaustauscher (24 a) zur Vorwärmung mindestens eines Teils des komprimierten Kühlgases dient.

4. Kernenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der primärseitig von dem aus der Leistungsturbine (27) austretenden entspannten Kühlgas durchströmte Wärmeaustauscher (24) die vorgewärmte Teilmenge des komprimierten Kühlgases anschließend weiter vorwärmt.

5. Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestdruck des Kühlgases nach der Entspannung in der Leistungsturbine (17, 27) über 15 bar liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1073 647;

französische Patentschrift Nr. 1205 566;

»Österreichische Ingenieurzeitschrift«, Bd. 3, I960,. H.

6, S. 196 bis 198;

»Schiff und Hafen«, 1958, H. 8, S. 123 bis 126;

»The Motorship«, Mai 1957, S. 518 bis 522;

»BWK«, Bd. 8, 1956, Nr. 6, S. 318;

»Atomkernenergie«, 9. Jahrgang, 1964, H. 7/8,
S. 231 bis 240, 6. Jahrgang, 1961, H. 5, S. 187.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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