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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von überhitztem Dampf,
bei der einem Reaktorkern zur Kühlung zugeführter Dampf in einem außerhalb des Reaktorkerns
angeordneten Verdampfer durch Übertragung von Wärme von aus dem Reaktorkern austretendem
überhitztem Dampf aus Speisewasser erzeugt wird.
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Es ist eine derartige Anlage bekannt, bei der die Verdampfung des
Arbeitsmittels mittels eines Frischdampfteilstromes in einem Mischverdampfer erfolgt.
Der resultierende Sattdampf wird sodann über ein Umwälzgebläse als Kühlmittel in
den Reaktor zurückgeführt.
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Diese Anlage hat den Nachteil, daß das Umwälzgebläse einer sehr hohen
Antriebsleistung bedarf, weil die für das Umwälzen des Dampfes durch den Reaktor
nötige Druckhöhe dem Arbeitsmittel erst dann zugeführt wird, wenn es Dampfform,
d. h. ein hohes spezifisches Volumen, aufweist. Die Antriebsleistung des Umwälzgebläses
geht jedoch von der Bruttoleistung der Anlage in Abzug.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad der vorstehend
beschriebenen Anlage wesentlich zu verbessern, d. h. mit Hilfe einer möglichst geringen
Antriebsleistung zur Förderung des Arbeitsmittels auszukommen sowie eine bessere
Kühlung des Reaktorkerns zu erreichen.
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Die Erfindung besteht darin, daß zur Dampferzeugung mindestens zwei
auf verschiedenen Druckniveaus arbeitende, hinsichtlich des überhitzten Dampfes
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen durch den Reaktor hintereinandergeschaltete,
als Oberflächenverdampfer ausgebildete Verdampfer vorgesehen sind und weitere Mittel
vorgesehen sind, welche die von den Verdampfern gelieferten Dampfmengen auf ein
gemeinsames Druckniveau bringen, und daß ferner Mittel angeordnet sind, welche diese
Dampfmengen vereinigt durch den Reaktor führen.
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Außer daß bei der Erfindung das Arbeitsmittel gegenüber der bekannten
Anlage in flüssigem Zustand auf höheren Druck gebracht und anschließend verdampft
wird, wodurch eine geringere Förderleistung erforderlich ist, weist die Erfindung
noch die folgenden wesentlichen Vorteile auf: Da erfindungsgemäß die Verdampfung
des Arbeitsmittels auf mindestens zwei verschiedenen Druckniveaus erfolgt, kann
die Temperaturspanne zwischen dem aus dem Reaktor austretenden und dem eintretenden
Dampf größer gewählt werden. Dieses hat zur Folge, daß bei einer tieferen Eintrittstemperatur
auf Grund der besseren Kühlwirkung eine kleinere Durchsatzmenge von Dampf durch
den Reaktorkern und damit eine kleinere Förderleistung erforderlich ist. Eine kleinere
Durchsatzmenge ermöglicht weiterhin bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes
kleinere Strömungsquerschnitte der Kanäle, die den Reaktorkern in mehreren Durchgängen
durchdringen, und damit eine kompakte Bauweise des Reaktorkerns. Es sei auch darauf
hingewiesen, daß kleinere Kanalquerschnitte die Neutronenökonomie günstig beeinflussen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Anzahl der
Durchgänge durch den Reaktorkern auf Grund der tieferen Eintrittstemperatur des
Dampfes verringert werden kann und somit neben einer Reduktion der Umwälzleistung
ein relativ geringer Aufwand für das Leitungssystem des Dampfes erzielt wird.
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Da der zuerst vom im Reaktor überhitzten Dampf durchströmte Verdampfer
infolge des höheren Drukkes mit einer höheren Sattdampf-Temperatur arbeitet, ist
die in ihm ausgetauschte Wärme auf einem höheren Temperaturniveau verfügbar, so
daß zwischen ihm und dem zweiten (oder allgemein einem folgenden) Verdampfer ein
Energie liefernder thermodynamischer Prozeß ausgeführt werden kann. Beispielsweise
kann eine Turbinen-Kompressorgruppe angeordnet werden, wobei der von auf hohem Druck
arbeitende Verdampfer gelieferte Dampf in der Turbine auf das gemeinsame Druckniveau
expandiert wird und der von auf niedrigerem Druck arbeitende Verdampfer gelieferte
Dampf im Kompressor auf das gemeinsame Druckniveau komprimiert wird.
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Es kann auch vorteilhaft sein, die aus den Verdampfern stammenden
Dampfmengen durch mindestens eine Strahlpumpe auf gleiches Druckniveau zu bringen.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß
der aus einem Verdampfer mit höherem Druckniveau stammende Dampf in einer Dampfturbine
direkt bis auf das Druckniveau eines mit niedrigerem Druck arbeitenden Verdampfers
entspannt wird, wobei die Dampfturbine einen Kompressor antreibt, durch den Dampf
aus einer hinter dem ersten Durchgang durch den Reaktor liegenden Stelle auf das
Druckniveau vor dem ersten Durchgang gebracht wird.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus den an Hand
der Zeichnung nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen ersichtlich. Dabei zeigt
F i g.1 eine Anlage, bei der der Druckausgleich durch eine Turbinen-Kompressorgruppe
erfolgt, F i g. 2 eine zum Druckausgleich dienende Strahlpumpe, F i g. 3 eine Variante,
bei der in einem Teil der Umläufe die Rückkühlung nur in einem der beiden Verdampfer
vorgenommen wird, F i g. 4 ein Anlageschema, bei dem von einer Stelle des Kreislaufes
eine Teilmenge des Arbeitsmittels über einen Kompressor in den Eingang zurückgeführt
wird.
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Die in F i g.1 gezeigte Anlage enthält den schematisch dargestellten
Reaktor 1, der in mehreren Durchgängen von dem aus den Verdampfern 2 und 3 stammenden
Dampf durchströmt wird. Die beiden Verdampfer werden aus einem Speisewassergefäß
4 über eine Pumpe 5 und einen Vorwärmer 6 mit Speisewasser versorgt, wobei eine
Pumpe 7 dafür sorgt, daß eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen den beiden Verdampfern
aufrechterhalten wird. Die Pumpe kann dabei durch einen auf die Druckdifferenz zwischen
den beiden Verdampfern ansprechenden Druckfühler 8 gesteuert werden. Der aus dem
Verdampfer 2 stammende Dampf gelangt über die Leitung 9 in den Kompressor 10 und
von diesem zur gemeinsamen Leitung 11, in welche auch der Dampf aus dem Verdampfer
3 über Leitung 12 und Turbine 13 eingespeist wird. Kompressor und Turbine sitzen
vorzugsweise auf einer gemeinsamen Welle, mit der zum Ausgleich allfälliger Leistungsdifferenzen
auch ein Motor-Generator 14 gekuppelt ist. Von der gemeinsamen Leitung 11 strömt
der Dampf in einem ersten Durchgang durch den Reaktor 1, wird überhitzt, hierauf
in den beiden Verdampfern rückgekühlt und gelangt über die Leitung 15 erneut in
den Reaktor, wo er in einem zweiten Durchgang wiederum
überhitzt
und nachfolgend in den Verdampfern rückgekühlt wird. Nach einer Mehrzahl von Durchgängen
wird der überhitzte Dampf als Frischdampf der Nutzturbine 16 zugeführt, an deren
Ausgang sich in üblicher Weise ein Kondensator 17 anschließt, von dem das Kondensat
über eine Kondensatpumpe 18 und einen Vorwärmer 19 in den Speisewasserbehälter
4
zurückgeführt wird.
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Der aus dem Verdampfer 3 stammende Sattdampf wird in der Turbine 13
unter Arbeitsleistung entrpannt und gelangt als Naßdampf zur Vereinigungsstelle
mit dem aus dem Verdampfer 2 kommenden und im Kompressor 10 verdichteten und dabei
überhitzten Dampf. In der Praxis liegen die Verhältnisse so, daß die Mischung des
Naßdampfes mit dem überhitzten Dampf wieder praktisch gesättigten Dampf beim gemeinsamen
Druckniveau p", liefert. Würde man nur einen einzigen Verdampfer verwenden, der
beim Druck p. arbeitet, dann wäre die entsprechende Sattdampftemperatur höher als
diejenige im Verdampfer 2. Man kann also dank dem zweiten Verdampfer den im Reaktor
1 überhitzten Dampf tiefer herabkühlen, d. h. ihm mehr Wärme pro Umlauf entziehen.
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Dieser Umstand erlaubt für jeden Durchgang des Kühlmittels durch den
Reaktor eine größere Anzahl von Kühlkanälen parallel zu schalten. Dadurch läßt sich
die im Reaktor total produzierte Wärme mit weniger Umläufen abführen.
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Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel, bei dem der Verdampfer 3
bei 80 at und 293° C Sattdampftemperatur und der Verdampfer 2 bei 50 at und
262° C Sattdampftemperatur arbeitet, wird in die Leitung 11 ein Dampf von 60 at
und 275° C eingespeist. Wäre nur ein Verdampfer vorhanden, so müßte dieser, um gleiche
Verhältnisse zu erreichen, bei 60 at und einer Sattdampftemperatur von 275° C arbeiten.
Dank der Verwendung zweier Verdampfer kann also bei der Rückkühlung eine um 13°
höhere Temperaturdifferenz ausgenutzt werden. Damit läßt sich - wie die Berechnungen
zeigen - für einen bestimmten Reaktor die Zahl der Umläufe um etwa 20% reduzieren,
und entsprechend verringert sich der gesamte Druckabfall, so daß der Dampf mit höherem
Druck am Turbineneintritt zur Verfügung steht.
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Um die Wärmemenge, welche dem Reaktor durch den Wärmeträger bei jedem
Durchgang entnommen wird, möglichst groß zu machen, wird man bestrebt sein, den
Dampf bei jedem Umlauf so weit zurückzukühlen, daß er beim Eintritt in den Reaktor
jeweils wieder Sattdampftemperatur aufweist. Dies läßt sich durch Rückkühlung in
den Verdampfern allein schon deshalb nicht erreichen, weil infolge der Strömungswiderstände
der Druck nach mehreren Umläufen wesentlich unter denjenigen Wert gefallen ist,
der beim erstmaligen Eintritt des Dampfes in den Reaktor vorhanden war. Damit liegt
auch die Sattdampftemperatur nach mehreren Umläufen tiefer als diejenige im Verdampfer
2. Es wird daher erforderlich sein, weitere Rückkühlungsmöglichkeiten auszunutzen,
indem beispielsweise die Speisewasservorwärmung in den Kreislauf einbezogen wird
oder an einer oder mehreren Stellen flüssiges Arbeitsmittel, im vorliegenden Fall
also Wasser, eingespritzt wird.
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An Stelle des in F i g. 1 gezeigten Turbinen-Kompressoraggregats 25
könnte zum Druckausgleich zwischen den beiden Verdampfern auch die in F i g. 2 schematisch
dargestellte Strahlpumpe verwendet werden. Bei dieser wäre die Leitung 41 an den
Verdampfer mit niedrigerem und die Leitung 40
an den Verdampfer mit höherem
Druckniveau anzuschließen. Im Diffusor der dargestellten Einrichtung würde sodann
ein Druck auftreten, der oberhalb des Druckniveaus des Verdampfers 2 liegt. Vom
Austrittsstutzen 42 wird der Dampf sodann über die Leitung 11 (F i g. l.) dem ersten
Durchgang des Reaktors zugeführt.
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In F i g. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die besonders
dann von Vorteil ist, wenn der Dampf bei den verschiedenen Durchgängen durch den
Reaktor mit verschieden hoher überhitzungstemperatur austritt. Je nach der Überhitzungstemperatur
wird hier der Dampf nach den einzelnen Durchgängen nur durch einen oder auch beide
Verdampfer geführt. Man hat es hier somit in der Hand, die bei den einzelnen Durchgängen
aufgenommenen verschieden großen Wärmemengen durch Rückkühlung des Arbeitsmittels
in nur einem oder beiden Verdampfern abzuführen. Eine weitere Regelung der Rückkühlung
in den einzelnen Umläufen kann natürlich auch in diesem Fall durch Einspritzen von
flüssigem Arbeitsmittel erfolgen, wobei die Einspritzmenge in Abhängigkeit von der
jeweiligen Temperatur des Arbeitsmittels gesteuert werden kann.
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In F i g. 4 ist eine Anlage dargestellt, welche der in F i g. 1 gezeigten
ähnlich ist und in der gleiche Teile wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind. Bei dieser Anlage wird der im Verdampfer 3 erzeugte Dampf in der Turbine 13
unter Arbeitsleistung direkt auf das Druckniveau des Verdampfers 2 entspannt. Die
von der Turbine 13 gelieferte Energie kann durch den - gestrichelt gezeichneten
-elektrischen Generator 20 direkt in Nutzenergie umgewandelt werden. Vorzugsweise
wird jedoch durch die Turbine 13 ein Kompressor 10 angetrieben. Durch
diesen Kompressor wird von einer Stelle 18'
des Kreislaufes Dampf entnommen,
auf das Druckniveau des Verdampfers 2 gebracht und zusammen mit den von den beiden
Verdampfern kommenden Dampfströmen dem Reaktor zugeführt. Die Dampfentnahme erfolgt
an einer Stelle, an welcher das Arbeitsmittel bereits mehrere Umläufe durchlaufen
hat, so daß sein Druckniveau zufolge der Strömungswiderstände bereits wesentlich
gesunken ist. Die an der Stelle 18' entnommene Dampfmenge kann durch ein
Verteilerventil geregelt werden. Die zurückgeführte Teilmenge wird vorzugsweise
so gewählt, daß die für den Betrieb des Kompressors 10 erforderliche Leistung
gerade durch die Turbine 13 aufgebracht werden kann. Es kann jedoch wie in F i g.
1 zur Aufnahme allfälliger Leistungsdifferenzen wieder ein Motor-Generator mit der
Turbinen-Kompressorgruppe gekuppelt sein. Durch die beschriebene Dampfrückführung
wird die am Anfang des Kreislaufes vorhandene totale Dampfmenge erhöht. Es können
somit bei den diese größere Dampfmenge führenden Reaktordurchgängen eine größere
Anzahl von Kühlkanälen für jeden Durchgang parallel geschaltet werden, wodurch wieder
die gesamte Anzahl von Umläufen verringert wird. In F i g. 4 sind weitere Rückkühlmöglichkeiten
für das Arbeitsmittel durch Einspritzstellen 21 sowie eine Speisewasservorwärmung
im Wärmeaustauscher 22 angedeutet. Weiterhin kann der Nutzturbine 16 Anzapfdampf
zur Kondensat- und Speisewasservorwärmung
entnommen werden. Bei
einer weiteren Variante wäre es auch möglich, statt des Aggregats 25 in F i g. 1
einen durch Fremdenergie gespeisten Kompressor zu verwenden, der den Dampf aus dem
Verdampfer mit niedrigerem Druckniveau auf das Druckniveau des anderen Verdampfers
komprimiert.