DE1539004A - - Google Patents

Description

- J&inrid QH₉ 15399 04

17 414/5 Berlin, den 20. Mai 1967

Europäische,Atomgemeinsojbaft
Brüssel (Belgien) ,

Ami einem Hochtemperatur-Reaktor und einer Gobturbine bestehende_P au einer Einheit zusammenfiefaaste Kraftanlage

Die Erfindung besieht sich auf eine Kraftanlage« bei welcher ein gasgektthlter Hoohtemperatur~Kernreaktor so eingerichtet ist, dass er einer Gasturbine heiaee Gase ale Arbeitemediua zuführte

Die bisher bekanntgewordenen Konetruktionavorsohlfige für Kraft* anlagen dieser Art bedingen die Vereinigung eine^ Kernreaktors mit einem Gaßverdiohter und einer Wärmeaustauecherturbine, was die Verwendung von den Beaktor ale Wärmequelle alt den TurblneneintrittsdUeen verbindenden» erheblich langen Leitungeeträngen erforderlich machte die den Äaohteil eine« Druokrerlustes und eines Teaperaturabfalls mit eich bringen«

Dia der lärfindung augrunde liegende Aufgabt beiteht demsufolgt in einer Kraftanlage nit einem einen Kernreaktorkem enthaltenden Erueligefäas und einem QtrOaungeweg für Gase ia Inneren des Bruckgefässesp der die Beutendteile der Oaeturbinen-Verdichtereinheit mit geschlossenen Kreislauf., und awar die

909839/0686) **²"

6AD

1539904

KUhlraittelkanäle in dem Reaktorkern* eine Helssgasepeicher*? kammer, eine Gasturbine, einen Wärmeableiter (heat sink), einen öaeverdichter und eine die Xtthlmitte!kanüle speisende Gaespei« oherkammer,, In Reihe untereinander verbindet Vorzugsweise ist die Gasturbine in DurchbrUehen dee 7)ruokgefäseee an solchen Stellen angeordnet, dass die Bintrittaleitschaufeln oder Elntrittüdüoen angrenzend an die Heisegasapeioherkanmer angeordnet Bind-. Eine die Heiss&aaspeioherkammer umgebende ßlngleitung kann vorgesehen werden, um das Gas aue der Speicherkaamer in die Öaaturbinenel^bej.t au leiten» Die öaaturbineneinheit kann mehrere Stufen haben« die voneinander getrennt sind, indem eie auf verschiedenen* in den jeweiligen Suroh» brtlohen angebrachten Läufern angeordnet eind, wobei da» öae «lt Hilfe von um die Heleegaeapeioberkaouaer herum verlaufenden Leitungen hintereinander durch jede Stufe hlndnrohgeleitet wird ο

Erfindungogeöäaa sind die Hauptbestandteile einer Gaeturbinenkraftanlage in den den Beaktor timeohlieBaonden Druokgefäea angeordnet, wobei ein ringförmiger Raum swiacnen dem iieaktorkern und der Druokgefässwand ssur Unterbringung der Wärmeaustauschetruuungawege verwendet wirdο Dieee StrOmungewege sind Leitungen, die sonst auaaerhalb des Druokgefäseea angeordnet sein wurden und Infolge ihres swangeläufig grosssn Sttrohmessers aufwendig wären»

Die Erfindung 1st nachstehend anhand der in d«n beigefügte*» Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeiepiel· näher erläutert« Ba Beigem

909839/0686

Figo \ einen senkrechten axialen Schnitt durch ein« aus Gasturbine und Kernreaktor bestehende ₈ tsu einer Einheit zusaiamBngef aaste Kraftanlage* in schematischer Der« Hteilungρ

? einen Querschnitt durch ein Wärmeaustauscherelement six's Stahlbleche senkrecht aur Ebene dee Bleches« für einen Bekuperativäärmeäustaueeher nach Figo 1,

3 «ine den Zusammenbau von Blechen nach Figo 2 veranschaulichende TeiMneioht _s

4» 5 und 6 lediglich den Umriss flaretf? 11 ende Sraufsiebten auf mögliche Ausführungen von aus Gasturbine und Kernreaktor bestehenden, zu einer Einheit suseraraengefaesten Kraftanlagen und

Figo 5A ein der Ausführung nach Figo 5 entsprechendes Kreielaufdiagramm»

6-öffiä8B den Darstellungen in den Zeichnungen, insbesondere in Figo 1₉ umuGhlieast ein zylindrisches Srucfcgefäee V aus Beton einen Reaktorkern 1 mit nicht dargestellten senkrechten Kanälen₈ durch die senkrecht nach oben Helium-Kühlgae strömt₀ Im oberen Teil der zylindrischen Betonwand sind awei einander diametral gegenüberliegende Durchbrücbe 2» 3 vorgesehen, die weit genug sind, um einen ϊβϊΐ einer üJurboverdichtereinheit aufsunehmen· So sind in dem Durohbruch 2, dessen äueseres Ende durch eine abnehmbare Deckplatte 2a verschlossen ist, ein Niederdruck» verdichter 4g ein Hochdruckverdichter 5 und eine Gasturbine 6

9098 39/0686

BAD ORIGINAL

1539904

angeordnete Die Läufer dieser drei Strömungsmaschinen 4, 5,6 sind alle zusammen mit einem elektrischen Anlassmotor 7 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet» Der Durohbruch 3 bildet den Zugang au einer Leistungaturbine 8, deren Säufer sich durch eine den Durchbrach< normalerweise verecblieeaende abnehmbareVereobluasplatte 9 herausnehmen läsetο

Dae IOihlmittelgaa für den Beaktor, dae aueeerdea ale Arbeitsmedium für ale. Turboyerdlchtereinheit dient, läuft Xa g·- aohlpBeenem Kreislauf- innerhalb der Grenzen des den Heakrtorkern umschlieasenden Druokgefäflseeo Vm den Reaktorkern herum ein4 WKrmeaustauBoaer angeordnet» die zwangsläufig mit den Wäriaenutsungakreislauf verbunden bsm_o ihn zugeordnet sindo Diese Wärmeauatauecher. sind ringförmig und bestehen aue einen Zwisonenktthler 10, einem VorkUhler 12, die einen Sekundär-Vaaaerlprelslauf besitaen, und einen Rekuperator ti«

Der Läufer der Turbine 8 ist aittele einer lusbareft Kupplung 13a an. ein Ende einer Zwischenwelle 14 angesohlosven« deren anderes Sode, aittele einer entsprechenden Kupplung-13b en einen Wechselstromgenerator 15 angeschlossen ist» Der »«aerator wird mit der gleichen Oasaxt gekühlt, wie sie eis Reaktorkühlmittel verwendet wird, doh« mit Helluragae, wobei die gesamte Länge der Zwiaehenwelle 14 durch ein au· swel iß Verlängerung voneinander angeordneten Teilen 16a, 161» gebildetes Rohr 16 uimantelt.int, dessen entgegengeeetsten Bndea mit der Versohlua«platte 9 fesw« aife.de» Gan©ratc»r«ehÄWfl« aittflc

sind« während: die aneinander engressenden

909839/0689

S.Enden, der Rohretücke 16a, 16b Ineinander verschiebbar und durch nachgiebige Bälge 17 miteinander verbunden sind*

Diese Auefiihrungsform gewährleistet, dass die Welle U auegekuppelt und ausgebaut werden kann, damit eich der iurbinenläufer au seiner Wartung und Instandhaltung herausnehmen lässt» wobei unter normalen Betriebsbedingungen aus der Niederdruckturbine 8 und aus dem Wechselstromgenerator aualeokendes Heliumgas sich in den Rohr 16 ansammeln kann, aus dem es über die Leitung 18 au einer nicht dargestellten Reinigunga- und RückgewinnongSBone abgesaugt werden kann»

Sas in dem Jfiederdruokverdiohter 4 verdichtete Gas wird über die Leitung 10a den Zwischenkühler 10 angeführt, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen dem Gas und über Zuführ leitung·» 19 herangeführtem Kühlwasser stattfindet» Die Leitung 10b führt das gekühlte Gas aus dem Zwischenkühler dem Hochdruckverdichter 5 su. Her Hochdruckverdichter gibt aus seines Diffusor Druckgas in den freien Baum des Druokgefässes ab» aus welchem das Gas in den Rekuperator 11 einströmen kann» in welchem zwischen dem Gras und den Abgasen aus der Leistungen turbine 8 ein Wärmeaustausch stattfindet* Aus dem Rekuperator etrömt das Gas in den unteren Abschnitt des Kernreaktorkerne ein. Der Auslass 11a des Rekuperators ist ringförmig und lenkt das Ge» radial nach innen in Richtung auf die Achse des Reaktorkern» in eine die Ktihlkanäle dee Reaktorkeme speisende GaBapeieherkaamer 20a hinein»

90 9 83 9/0 68S

BAD Off.

Dn8 durch die KühlmittelkanHle im Reaktorkern strömende Ga* wird bei seinem Wärmeaustausch mit Kernbrennstoff erhitzt und strömt bei seinem Auetreten aus dem Reaktorkern in eine HeissgaaSpeicherkammer 20b eino Die Speicherkammer 20b ist dureJä eine ringförmige Abschirmung 21 abgegrenzt₉ um zu verhindern, dass hochaktiye. Kernstrahlungen die Gasturbine 6-8 erreiohen» Die Turbine 6 ist eine Axialströmungsraaschine, bei welcher die Strö.mimgsrichtung_; in Bezug auf die senkrechte Achse dee Druckgefäsaee. radial nach auesen verläuft, Das Gas treibt die Turbine an, die ihrerseits die Läufer des Hochdruck- und des Jtiederdruckverdiohters antreibt α Me Abgase aus der Turbine 6 strömen in eine die' Heissgasspelöherkammer 20b umgebende IZingleitung 22 ein»

In einem der Lelstungsturbine 8 benachbarten Bereich der Sing« leitung 22 ist ein Auslass 25 vorgesehen, durch den das Heise» gas in die Eintrittsdüsen der Leietungsturbine '8 einstrOnen kann« Mach der Expansion in der Leistungsturbine wird die Strömungsrichtung der Abgase durch die Leitung 24 umgekehrt» die das Gas nunmehr bei verhöltniemäaai.g niedrigem Druck und niedriger Temperatur in eine Ringleitung 25 bineinleitet, die sum Sinless der Heiseeite des Bekuperators 11 führte in welchem dae Gas seine restliche- Hutswärme an das ia den Reaktorkern einströmende Kiihl&as abgibt ο Aus dem Rekuperator etröaen die Abgase aus der ieistungeturbine über die Leitung 26 in dea Wärmeaustauscher 12 des wassergekühlten Vorkühlers ein, von wo sie in gekühlten guetand über die Leitungen 27 in eine Bingleitung 28 hinein euaKinlaee dee Niederdruokverdiolitere 4

90 9839/0 680

Strumen* Aus dem Niederdruokverdiehter 4 wird das Gea über die Leitung 10a dem Zwischenkühler 10 und dann über die Leitung 10b dem Hochdruckverdichter 5 zugeführt«

Hach seiner letzten Terdiobtungestafe strömt das Gas über die DiffuBorleitung 50 in den Rekuperator 1t ein, in welohem jswisohen <im> C4as und den Abgasen aus der Xeistungsturbine ein rekupesrat&ver Y/ärnteaustausch atattfindetp

Pie typischen numerischen g&eielaufwerte eines 1250 H\?(e)-Healctorkerns mit einer Kemleistungadlohte von 8 MW/ra⁵ sind in der Zeichnung (fig* T) angegeben, vnü. »war der jeweilige Druck in at und die jeweilige Teeperatur in ⁰Go

Der Rekuperator 11 ist ein Gfie/Gee-Wäraeauatauscher mit einer Tora, die sieh in den riagföraigen Raus awisohen der Jtieaktorkernbegrensmng und Hen beiden ein Sekuaßiir-lärmeauetauechÄediua erfordernden üäruteauat aus ehern 10, 12 einsetsen lässt _o Ba als Sekundärkühlmittel nur Wasser In Srage kommt, let es wesentlich au gewährleisten, dass dia Gefahr eines Aueleekens ▼on Wasser in den Gaskreislau* hinein auf ein Miniaum herabgesetzt wird« Zu diesem Zweck haben die Wärmeaustauscher 10, ihre Gasanschlüsse, an ihrer Oberseite_s ihre Wasseranschlüsse a» ihrer Unterseite, wobei der Wasser enthaltende 5eil des Kreislaufs durch eine Schranke 32 umgeben ist» Die Sc hranke 52 erstreckt sich um die Gasverteilerleitungen der beiden W&rraeaustauBßher tö_r 12 herum die BÄfangewand des Rekuperators 11 hinab ₉ die an ihrem unteren Baöe durch einen Rand ait des Boden des Druefcgefässes verbünde» -let«.

909839/068S

1539904

Per ringförmige Rekuperator 11 besteht aweckmäseigerweise aue einer Anzahl Segmenteο Jedes Segment besteht wiederum aus einer Anzahl miteinender Übereinstimmender, zueinander parallel angeordneter, in Pigο 2 Ια Querschnitt dargestellter Bleche 40, die auf beiden Selten abwechselnd herausstehende kurze Rippen 41 aufweisen, die über die gesamte länge des Bleches eo verlaufen _e dass beim Zusammensetzen der Bleche nebeneinander (FIg₉ 3) die Rippen 41 des einen Bleches zwischen den Kippen des benachbarten Bleches 41* so zu liegen kommen, dasβ die Spitzen (Aussenkanten) der !lippen gegen die sich zwischen den Rippen erstreckenden Stegabaoluiitte 42 anliegen?.

Auf diese Welse entsteht eine grosse Anzahl von Strumungekanälen 43 mit rechteckig en querschnitt, die parallel zu den Rippen Über die gesamte Länge des Bleches verlaufen, wobei jeder Strömungekanal auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten durch die Stegabsohnltte 42 einander benachbarter Bleche und auf den beiden anderen einander gegenüberliegenden Seiten durch aus Aen jeweiligen Bleohen heraueetehende Rippen 41t 41* abgegrenzt Ist?

Die aneinander angrenzenden, in radialer Richtung verlaufenden Kanalreihen X und Y führen abwechselnd erhitztes Gas und Auf heizgas bei einem wesentlichen !Druckunterschied« den auf der Hiederdruokeeite gegen die Utegabschnitte dee bsnaohbarten Bleches anliegend? Hippen standhalten* Dazu sind lediglich an jeder abwechselnden (übernächsten) Kanteaaftht in Längsrichtung verlaufende Versobluaeeehwelsenähte 44 erforderlich O

90983 9/0686

1539904

Die Fora des zusammengesetzten Wärmeauβtausohera ist ringförmig, bo dass folglich die Rippen, Je näher sie der den Ausaendurchmeeser dee Hinges bestimmenden Aussenkante 40a dee Bleches 40 liegen, zunehmend länger werden»

Von den Pigο 4, 5 und 6 zeigt Pig« 4 die anhand von Pigο 1 erörterte Ausfübrungeform inDraufsicht₉ bei welcher die Leistungsturbine 8 für den Antrieb des Wechselstromgenerator« 15 in öinam Durchbruch 3 des Druckgefäeses angeordnet ist» der dem die Verdichter und die Hochdruckturbine aufnehmenden Durchbruch 2 diametral gegenüberliegtο

Figo 5 zeigt eine Ausführungaform mit drei im gleichen Umfange* abstand voneinander getrennt angeordneten Uarohbrüoben» bei welcher die Hoohdruekturbine in zwei Stufen 6a_s 6b unterteilt iatβ die durch Anschluss an die Verdichterstufen 4a, 5a bzw» 4bβ 5b ihren Antrieb erhalten» Vie in Pigο 5A₉ die den Kreislauf der Aueführungaform nach ?ig» 5 veranechaulicht, darge- . stellt, sind die Wärmeaustauscher so geteilt; dass sie in dem !Druckgefäßs in Wirklichkeit zwei geschlossene Kreisläufe bilden» In Pig« 5A sind dia gleichen Besugszeichen verwendet wie in ?ig₀ 1, wobei die Beaugseeiohen für die zweite Hälfte dea Kreielaufs mit einen Strich (') versehen sind«

6 zeigt eine Ausfülirungsfora alt seche ßruckgefäflsdurohbrüchen» bei welcher »wei Je ihren WechselstroiBgenerator sätreibende ieietungaturbinen 8a, 8b vorgesehen eind_e 01·.)· ·»· zwei die verdichter antreibenden Hoebdruckturbinenie wesentlichen enteprechend Pig«, 5A mit Arbeitamediu» gespeist werften.

909839/0681

Bs sind Sicherheitsvorkehrungen getroffen, die bei einem Durchgehen der Leistungsturbine,das von einem Laptauefall verursacht werden kann, in Tätigkeit treten«, Xn einem solchen falle werden in Auswirkung der Turblnendrßhzabl arbeitende Mittel betätigt» die ein nicht dargestelltes Ventil öffnen» um die Ring leitung 22 mit de>r Hingleitung 25 zu verbinden und somit die Lei 3 tuiiß 3 turbine zu umgehen ο Ausserdem kann das Ventil einwirken, um Über passende.Öffnungen in der Leitung 2$ aus den niedertemperaturiges Hookdruckgas enthaltenden angrenzenden Bereichen des Bruckgefässes, iie mit dem Diffusor des Hochdruckverdiohtero 5 in Verbindung stehen, Kühlgas suitrömen su lassen* Die konzentrische Anordnung der Einleitung 22 und der Ringleitung 25 ermöglicht den bequemen Einbau einer solchen Ventileinrichtung in Strömungsrichtung vor der Leistungaturbineo

Nach dem Vorstehenden leuchtet ein, dass der Einbau einer Gasturbine in einen Reaktor durch die verbesserte Bauweise des Rekuperators 11 erleichtert wird« Biese Bauweise ermöglicht es, mit Hilfe eines Bauteils, das sieh um den Reaktorkern herum anordnen IHsst und aus nicht aufwendigen Einheiten, beispielsweise Stahlabeohnitten, hergestellt sein kann, während es gleichzeitig hohen Druokunteraehieden standhält, bei geringem Druckabfall eine grosse iförmeübertrogungsflReli· su erreichen«

Demsufolge führt die Erfindung in dieser Hinsicht su einem Wttmeeuetauacfcer aus einem Stapel Blechplatte, von denen su_r mindest einige aaf beiden Selten der Blechplatte herauestehende

90983 9/0686

1539904

Hippen aufweisen» wobei die Blechplatten eo angeordnet sind, dass .sich die Hippen, einander benachbarter Bleche ineinanderschachteln und sie die einander benachbarten Bleche auf Si stan« holten, so dass zwischen jedem Paar einander benachbarter Bleohplatten zahlreiche Strömungebahnen für Värm eaus tausch*» abggKgrenst «erden« und zwar in der Weise, dass daa ge v=ärmeauatauschmediuia auf der entgegengeeetzten Seite jedes Blechplatte .strSiato

Patentanaprüchei

90983 9/0686 bad

Claims (1)

1. eaaturbinen-Kraftanlag«, -bei welcher die Abgaee au· einem gaagekUhlten Kernreaktor al· Arbeitsmedium benutet werden^ gekenneelohnet durch ein Druckgefäßβ (V)₉ einen Reaktorkern (1), der in dem ftruokgefäso ao angeordnet let, da·· awiechen dem Reaktorkern und der Wand dee SruokgefM···· ein freier Raum abgegtenst wird, in welchem je eine Binlaee- und die Auelaeeepeioberkammer (20a baw« 20b) untergebracht alnd» die Ga β in den Beaktorkern hinein zuführen bswo Gas au· dem Reaktorkern auf nehmen_e wobei Leitungen die Auelaaakaomer (20b) mit der flfae turbine und einem Rekuperator (11) verbinden, der eo .angeeohlossen let» daae er Wärme au· den Tarblnenabgaeen auf das in die Einlasekammer (20a) einströmende Oee Uberträ gto

2ö Kraftanlage nach Anspruch .1, gekennselohnet durch einen Reaktorkern (1) mit «u seiner Achee parallel rerleufenden KUhlmittelkanälen« die mit den Speioberkammern (20a_f 20b) und dem in einem ringförmigen 'Bereich* dee Räume· «wieohen

■ ·' -2-

909 8 3 9/0 686

1539904

dem Reaktorkern urid der Druckgefäßawand angeordneten He« kuperator (11) in Verbindung steheno

3ο Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennaeiohnet, dass die Gasturbine in dem Raum Einlassführungskanal« aufweist«

4ο Kraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine gesonderte Leistuhgatürbine (8) und eine Verdichtergsaturbine (6) besitsto

Kraftanlage nach Anepruöh 4» dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verdichter (5) beäitst, der durch Anschluss an die Verdiohtergastürbine (6) seinen Antrieb erhält und so eingerichtet ist, daös er dem Rekuperator (11) öas aur Vorwärmung zuführte

Kraftanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet* dass der Verdichter (5) und die Turbine (8) in Teilen (2 bsw. 5) der Druekgefäsawand angeordnet sindo

7ο Kraftanlage nach Anspruch 6» dadurch gekennseiehnet, daee die Verdichter (4, 5) und die Turbine (6-8) AxielBtrÖKungsmaschinen sind, deren IÄufer herausnehmbar sind«

8ο Kraftanlage nach einem der Ansprüohe 1 bis 7, gekenttaeiohnet duroh ein sylindrisches Bruckgefäss (V), das einen *ylindriaohen Reaktötkern (1) umecblieset, in welchem in axialer Richtung verlaufende Kühlraittelkanäle vorgesehen

909839/0686 -BAD oweiNAL ^'

slhd₉ wobei zwischen den Auslässen der KUhlmittelkanäle und der angrenzenden Stirnwand des ßruekgefäesea eine Heieegasapelcherkammer (20b) und in der Seitenwand des Bra&legefäßssB in der Nähe der Stirnwand eine eine Gasturbine aufnehmend» öffnung vorgesehen iat_e die so überkragt ist₈ dass sie Eintrittsführungskaniile in die Heieegasspeioher« kammer (20b.) aufweist ο

Kraftanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ringförmigen Raum awiechen dem Auesenuiafang des fieaktor*- kerne (1) und der Druolfgefäaswand, wobei in dieses Haus ein Rekuperator (11) angeordnet ist» um Härme aus den Abgasen der (Ja β turbine auf das in die Sinlaaspeicherkammor (20a) einstrottende KUhlmittalgae su übertragen_o

10· Kraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet* das· die (raeturbine einen auf der gleichen Welle angeordneten Verdichter antreibt»

ο Kraftanlage nach Anspruoh 8* dadurch gekennseichnet, das« der Verdichter aweietufig (4, 5) ist, wobei in den ϊταοίζ-gef&ee (V) um den Hekuperator (11) herum ein ssweietufiger Kühler (10, 12) angeordnet istο

12o Kraftanlage neon Anspruch 8, gekennseiohnet dureli einen um den Rekuperator (11) herum angeordneten Vortühlea? C12). die Tttrbinenabgaee aue der kalten Seite de· Hekuperator· (11) aufnimmt und das gekühlte Gaa dem Verdichter sufübrt

JB/Hf 909839/0688