DE1539904B1 - Kernenergie-Waermekraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kernenergie-Wärmekraftanlage, bei der ein in einem Verdichter auf erhöhten Druck gebrachtes gasförmiges Arbeitsmedium über eine Einlaßkammer einem in einem aus Beton bestehenden zylindrischen Druckgefäß angeordneten Kernreaktor zugeführt wird und das den Kernreaktor über eine Auslaßkammer verlassende erhitzte Arbeitsmedium eine Gasturbine antreibt, wobei das die Gasturbine verlassende Arbeitsmedium in einem Rekuperator, der einem aus Kühlern, einem Sekundär-Wasserkreislauf und dem Rekuperator bestehenden, den Kernreaktor in dem Druckgefäß ringförmig umgebenden Wärmeaustauschsystem angehört. Wärme auf das in die Einlaßkammer des Kernreaktors einströmende Arbeitsmedium überträgt.

Es ist bereits eine Kernenergie-Wärmekraftanlage bekannt, bei der die gesamte Turboverdichtereinheit vom Innern des den Kernreaktor aufnehmenden Druckgefäßes umschlossen wird (GB-PS 7 99 212). Da von dieser Anlage eine entsprechend große Leistung abzugeben ist, muß auch das Druckgefäß entsprechend groß dimensioniert werden.

Es ist auch eine Kernenergie-Wärmekraftanlage mit Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels bekannt, ίο welches in einem Kernreaktor erhitzt wird, indem ein außerhalb des den Kernreaktor aufnehmenden druckfesten Gehäuses angeordneter Verdichter das auf einen erhöhten Druck gebrachte Arbeitsmittel im Kernreaktor erhitzt und dann über eine aus dem druckfesten Gehäuse des Kernreaktors herausführende Leitung einer den Verdichter antreibenden Turbine zuführt, um dann von dort nach teilweiser Entspannung in dieser Turbine über eine weitere wiederum außerhalb des druckfesten Gehäuses liegende Leitung einer die Nutzleistung abgebenden Turbine zugeleitet zu werden (DT-PS 10 73 648).

Es liegt auf der Hand, daß bei dieser bekannten Ausführung sich wegen der außerhalb des druckfesten ä Reaktorgehäuses verlaufenden langen Leitungswege für das Arbeitsmittel, und zwar von der Turboverdichtereinheit zum im druckfesten Gehäuse angeordneten Reaktorkern und von dort zurück zur Nutzleistung abgebenden Turbine, ein ungünstiger Wirkungsgrad ergibt. Darüber hinaus ist auch die gesamte Anlage wegen der außerhalb des Reaktorgehäuses angeordneten Turboverdichtereinheit mit Gasturbine äußerst langgestreckt und großbauend, so daß hierdurch einerseits ein großer Platzbedarf erforderlich wird und andererseits die Anlage selbst kostenmäßig auch sehr aufwendig wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernenergie-Wärmekraftanlage der eingangs genannten Art in einer gedrängten und platzsparenden Bauart zu schaffen, wobei auch der Wirkungsgrad der Anlage wesentlich über das bei bekannten Anlagen erreichbare Maß zu erhöhen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Verdichter bildende Turboverdichtereinheit und die Gasturbine jeweils in entsprechenden g Durchbrüchen im oberen Teil der zylindrischen Druck- " gefäßwand des Druckgefäßes angeordnet sind, so daß sämtliche Wärmeaustauschleitungen im Innern des Druckgefäßes verlaufen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere in folgenden Punkten zu sehen:

1. Die Kernenergie-Wärmekraftanlage kommt ohne außerhalb des Druckgefäßes zur Turboverdichtereinheit und Gasturbine verlaufende Wärmeaustauschleitungen aus, wodurch der für eine Gasturbinenanlage sich sehr empfindlich auswirkende hohe Druckverlust vermieden und ein wesentlich besserer Wärmekraftgewinn erreicht wird.

2. Die Möglichkeit für die Verwendung von im Querschnitt großer Wärmeaustauschleitungen gestattet es, daß große Wärmeaustauschflächen bereitgestellt werden können.

3. Die variablen Bauteile der Turboverdichtereinheit sind in einer derartigen Weise anzuordnen, daß die äußerste Ausnutzung des Druckgefäßraumes gewährleistet wird.

4. Durch die Anordnung der Turboverdichtereinheit und der Gasturbine in der Druckgefäßwand kann die gesamte Anlage selbst wesentlich kompakter

ausgeführt werden, was sich auch auf die Herstellungskosten günstig auswirkt.

5. Es wird ein leichter Zugang zur Turboverdichtereinheit und zur Gasturbine gewährleistet, was bei auszuführenden Reparaturarbeiten von großer Bedeutung ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Kernenergie-Wärmekraftanlage nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen senkrechten axialen Schnitt durch eine aus Gasturbine und Kernreaktor bestehende, zu einer Einheit zusammengefaßte Wärmekraftanlage, in schematischer Darstellung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Wärmeaustauscherelement aus Stahlblech, senkrecht zur Ebene des Bleches, für einen Rekuperativwärmeaustauscher nach Fig. 1,

Fig.3 eine den Zusammenbau von Blechen nach F i g. 2 veranschaulichende Teilansicht,

F i g. 4, 5 und 6 lediglich den Umriß darstellende Draufsichten auf mögliche Ausführungen von aus Gasturbine und Kernreaktor bestehenden, zu einer Einheit zusammengefaßten Kraftanlagen und

F i g. 5A ein der Ausführung nach F i g. 5 entsprechendes Kreislaufdiagramm.

Gemäß den Darstellungen in den Zeichnungen, insbesondere in F i g. 1 umschließt ein zylindrisches Druckgefäß V aus Beton einen Reaktorkern 1 mit nicht dargestellten senkrechten Kanälen, durch die senkrecht nach oben Helium-Kühlgas strömt. Im oberen Teil der zylindrischen Betonwand sind zwei einander diametral gegenüberliegende Durchbrüche 2, 3 vorgesehen, die weit genug sind, um einen Teil einer Turboverdichtereinheit aufzunehmen. So sind in dem Durchbruch 2, dessen äußeres Ende durch eine abnehmbare Deckplatte 2a verschlossen ist, ein Niederdruckverdichter 4, ein Hochdruckverdichter 5 und eine Gasturbine 6 angeordnet. Die Läufer dieser drei Strömungsmaschinen 4, 5, 6 sind alle zusammen mit einem elektrischen Anlaßmotor 7 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Der Durchbruch 3 bildet den Zugang zu einer Gasturbine 8, deren Läufer sich durch eine den Durchbruch normalerweise verschließende abnehmbare Verschlußplatte 9 herausnehmen läßt.

Das Kühlmittelgas für den Reaktor, das außerdem als Arbeitsmedium für die Turboverdichtereinheit dient, läuft in geschlossenem Kreislauf innerhalb der Grenzen des den Reaktorkern umschließenden Druckgefäßes. Um den Reaktorkern herum sind Wärmeaustauscher angeordnet, die zwangläufig mit dem Wärmenutzungskreislauf verbunden bzw. ihm zugeordnet sind. Diese Wärmeaustauscher sind ringförmig und bestehen aus einem Zwischenkühler 10, einem Vorkühler 12, die einen Sekundär-Wasserkreislauf besitzen, und einem Rekuperator 11.

Der Läufer der Turbine 8 ist mittels einer lösbaren Kupplung 13a an ein Ende einer Zwischenwelle 14 angeschlossen, deren anderes Ende mittels einer entsprechenden Kupplung 136 an einen Wechselstromgenerator 15 angeschlossen ist. Der Generator wird mit der gleichen Gasart gekühlt, wie sie als Reaktorkühlmittel verwendet wird, d. h. mit Heliumgas, wobei die gesamte Länge der Zwischenwelle 14 durch ein aus zwei in Verlängerung voneinander angeordneten Teilen 16a, 166 gebildetes Rohr 16 ummantelt ist, dessen entgegengesetzten Enden mit der Verschlußplatte 9 bzw. mit dem Generatorgehäuse mittels Bolzen verschraubt sind, während die aneinander angrenzenden Enden der Rohrstücke 16a, 166 ineinander verschiebbar und durch nachgiebige Bälge 17 miteinander verbunden sind.

Diese Ausführungsform gewährleistet, daß die Welle 14 ausgekuppelt und ausgebaut werden kann, damit sich der Turbinenläufer zu seiner Wartung und Instandhaltung herausnehmen läßt, wobei unter normalen Betriebsbedingungen aus der Gasturbine 8 und aus dem Wechselstromgenerator ausleckendes Heliumgas sich in dem Rohr 16 ansammeln kann, aus dem es über die Leitung 18 zu einer nicht dargestellten Reinigungs- und Rückgewinnungszone abgesaugt werden kann.

Das in dem Niederdruckverdichter 4 verdichtete Gas wird über die Wärmeaustauschleitung 10a dem Zwischenkühler 10 zugeführt, in welchem ein Wärmeaustausch zwischen dem Gas und über Wärmeaustausch-Zuführleitungen 19 herangeführtem Kühlwasser stattfindet. Die Wärmeaustausch-Leitung 106 führt das gekühlte Gas aus dem Zwischenkühler 10 dem Hochdruckverdichter 5 zu. Der Hochdruckverdichter gibt aus seinem Diffusor Druckgas in den freien Raum des Druckgefäßes ab, aus welchem das Gas in den Rekuperator 11 einströmen kann, in welchem zwischen dem Gas und den Abgasen aus der Gasturbine 8 ein Wärmeaustausch stattfindet. Aus dem Rekuperator strömt das Gas in den unteren Abschnitt des Kernreaktorkerns ein. Der Auslaß der Wärmeaustauschleitung lla des Rekuperators 11 ist ringförmig und lenkt das Gas radial nach innen in Richtung auf die Achse des Reaktorkerns in eine die Kühlkanäle des Reaktorkerns speisende Gasspeicherkammer 20a hinein.

Das durch die Kühlmittelkanäle im Reaktorkern strömende Gas wird bei seinem Wärmeaustausch mit Kernbrennstoff erhitzt und strömt bei seinem Austreten aus dem Reaktorkern in eine Heißgasspeicherkammer 206 ein. Die Heißgas-Speicherkammer 206 ist durch eine ringförmige Abschirmung 21 abgegrenzt, um zu verhindern, daß hochaktive Kernstrahlungen die Gasturbine 6 und 8 erreichen. Die der Turboverdichtereinheit zugehörige Gasturbine 6 ist eine Axialströmungsmaschine, bei welcher die Strömungsrichtung in bezug auf die senkrechte Achse des Druckgefäßes radial nach außen verläuft. Das Gas treibt die Gasturbine an, die ihrerseits die Läufer des Hochdruck- und des Niederdruckverdichters antreibt. Die Abgase aus der Gasturbine 6 strömen in eine die Heißgasspeicherkammer 206 ringförmig umgebende Wärmeaustauschleitung 22 ein.

In einem der Gasturbine 8 benachbarten Bereich der Wärmeaustauschleitung 22 ist ein Auslaß 23 vorgesehen, durch den das Heißgas in die Eintrittsdüsen der Gasturbine 8 einströmen kann. Nach der Expansion in der Gasturbine wird die Strömungsrichtung der Abgase durch die Wärmeaustauschleitung 24 umgekehrt, die das Gas nunmehr bei verhältnismäßig niedrigem Druck und niedriger Temperatur in eine ringförmige Wärmeaustauschleitung 25 hineinleitet, die zum Einlaß der Heizseite des Rekuperators 11 führt, in welchem das Gas seine restliche Nutzwärme an das in den Reaktorkern einströmende Kühlgas abgibt. Aus dem Rekuperator 11 strömen die Abgase aus der Gasturbine 8 über die Wärmeaustauschleitung 26 in den wassergekühlten Vorkühler 12 ein, von wo sie in gekühltem Zustand über die Wärmeaustauschleitungen 27 in eine ringförmige Wärmeaustauschleitung 28 hinein zum Einlaß des Niederdruckverdichters 4 strömen. Aus dem Niederdruckverdichter 4 wird das Gas über die Wärmeaustauschleitung 10a in dem Zwischenkühler 10 und dann

über die Wärmeaustauschleitung 10ό dem Hochdruckverdichter 5 zugeführt.

Nach seiner letzten Verdichterstufe strömt das Gas über die Diffusorleitung 30 in den Rekuperator 11 ein, in welchem zwischen dem Gas und den Abgasen aus der Gasturbine 6 ein rekuperativer Wärmeaustausch stattfindet.

Die typischen numerischen Kreislaufwerte eines 1250 MW(e)-Reaktorkerns mit einer Kernleistungsdichte von 8 MW/m³ sind in der Zeichnung (Fig. 1) angegeben, und zwar der jeweilige Druck in at und die jeweilige Temperatur in ⁰C.

Der Rekuperator 11 ist ein Gas/Gas-Wärmeaustauscher mit einer Form, die sich in den ringförmigen Raum zwischen der Reaktorkernbegrenzung und den beiden ein Sekundär-Wärmeaustauschmedium erfordernden Kühlern 10,12 einsetzen läßt. Da als Sekundärkühlmittel nur Wasser in Frage kommt, ist es wesentlich zu gewährleisten, daß die Gefahr eines Auslekkens von Wasser in den Gaskreislauf hinein auf ein Minimum herabgesetzt wird. Zu diesem Zweck haben die Kühler 10, 12 ihre Gasanschlüsse an ihrer Oberseite, ihre Wasseranschlüsse an ihrer Unterseite, wobei der Wasser enthaltende Teil des Kreislaufs durch eine Schranke 32 umgeben ist. Die Schranke 32 erstreckt sich um die Gasverteilerleitungen der beiden Kühler 10, 12 herum die Umfangswand des Rekuperators 11 hinab, die an ihrem unteren Ende durch einen Rand mit dem Boden des Druckgefäßes verbunden ist.

Der ringförmige Rekuperator 11 besteht zweckmäßigerweise aus eine Anzahl Segmente. Jedes Segment besteht wiederum aus einer Anzahl miteinander übereinstimmender, zueinander parallel angeordneter, in F i g. 2 im Querschnitt dargestellter Bleche 40, die auf beiden Seiten abwechselnd heraustretende kurze Rippen 41 aufweisen, die über die gesamte Länge des Bleches so verlaufen, daß beim Zusammensetzen der Bleche nebeneinander (F i g. 3) die Rippen 41 des einen Bleches zwischen den Rippen 4Γ des benachbarten Bleches so zu liegen kommen, daß die Spitzen (Außenkanten) der Rippen gegen die sich zwischen den Rippen erstreckenden Stegabschnitte 42 anliegen.

Auf diese Weise entsteht eine große Anzahl von Strömungskanälen 43 mit rechteckigem Querschnitt, die parallel zu den Rippen über die gesamte Länge des Blechs verlaufen, wobei jeder Strömungskanal auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten durch die Stegabschnitte 42 einander benachbarter Bleche und auf den beiden anderen einander gegenüberliegenden Seiten durch aus den jeweiligen Blechen herausstehende Rippen 41,41' abgegrenzt ist.

Die aneinander angrenzenden, in radialer Richtung verlaufenden Kanalreihen A" und F führen abwechselnd erhitztes Gas und Aufheizgas bei einem wesentlichen Druckunterschied, dem auf der Niederdruckseite gegen die Stegabschnitte des benachbarten Bleches anliegende Rippen standhalten. Dazu sind lediglich an jeder abwechselnden (übernächsten) Kantennaht in Längsrichtung verlaufende Verschlußschweißnähte 44 erforderlich.

Die Form des zusammengesetzten Wärmeaustauschers ist ringförmig, so daß folglich die Rippen, je näher sie der den Außendurchmesser des Ringes bestimmenden Außenkante 40a des Bleches 40 liegen, zunehmend länger werden.

Von den F i g. 4, 5 und 6 zeigt F i g. 4 die an Hand von F i g. 1 erörterte Ausführungsform in Draufsicht, bei welcher die Gasturbine 8 für den Anschluß des Wechselstromgenerators 15 in einem Durchbruch 3 des Druckgefäßes angeordnet ist, der dem die Verdichter und die Gasturbine 6 aufnehmenden Durchbruch 2 diametral gegenüberliegt.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform mit drei im gleichen Umfangsabstand voneinander getrennt angeordneten Durchbrüchen, bei welcher die Gasturbine in zwei Stufen 6a, 6b unterteilt ist, die durch Anschluß an die Verdichterstufen 4a, 5a bzw. 46, 5b ihren Antrieb erhalten. Wie in F i g. 5A, die den Kreislauf der Ausführungsform nach F i g. 5 veranschaulicht, dargestellt, sind die Wärmeaustauscher so geteilt, daß sie in dem Druckgefäß in Wirklichkeit zwei geschlossene Kreisläufe bilden. In Fig.5A sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1, wobei die Bezugszeichen für die zweite Hälfte des Kreislaufs mit einem Strich (') versehen sind.

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform mit sechs Druckgefäßdurchbrüchen, bei welcher zwei je ihren Wechselstromgenerator antreibende Einzelturbinen 8a, 86 vorgesehen sind, die je aus zwei die Verdichter antreibenden Gasturbinen im wesentlichen entsprechend F i g. 5A mit Arbeitsmedium gespeist werden. Es sind Sicherheitsvorkehrungen getroffen, die bei einem Durchgehen der Gasturbine, das von einem Lastausfall verursacht werden kann, in Tätigkeit treten. In einem solchen Falle werden in Auswirkung der Turbinendrehzahl arbeitende Mittel betätigt, die ein nicht dargestelltes Ventil öffnen, um die ringförmige Wärmeaustauschleitung 22 mit der ringförmigen Wärmeaustauschleitung 25 zu verbinden und somit die Gasturbine zu umgehen. Außerdem kann das Ventil einwirken, um über passende Öffnungen in der Wärmeaustauschleitung 25 aus den niedertemperaturiges Hochdruckgas enthaltenden angrenzenden Bereichen des Druckgefäßes, die mit dem Diffusor des Hochdruckverdichters 5 in Verbindung stehen, Kühlgas zuströmen zu lassen. Die konzentrische Anordnung der ringförmigen Wärmeaustauschleitung 22 und der ringförmigen Wärmeaustauschleitung 25 ermöglicht den bequemen Einbau einer solchen Ventileinrichtung in Strömungsrichtung vor der Gasturbine.

Nach dem Vorstehenden leuchtet ein, daß der Einbau eine Gasturbine in einen Reaktor durch die verbesserte Bauweise des Rekuperators 11 erleichtert wird. Diese Bauweise ermöglicht es, mit Hilfe eines Bauteils, das sich um den Reaktorkern herum anordnen läßt und aus nicht aufwendigen Einheiten, beispielsweise Stahlabschnitten, hergestellt sein kann, während es gleichzeitig hohen Druckunterschieden standhält, bei geringem Druckabfall eine große Wärmeübertragungsfläche zu erreichen.

Demzufolge weist die Kernenergie-Wärmekraftanlage nach der Erfindung einen Wärmeaustauscher aus einem Stapel Blechplatten auf, von denen zumindest einige auf beiden Seiten der Blechplatte herausstehenden Rippen aufweisen, wobei die Blechplatten so angeordnet sind, daß sich die Rippen einander benachbarter Bleche ineinanderschachteln und sie die einander benachbarten Bleche auf Distanz halten, so daß zwischen jedem Paar einander benachbarter Blechplatten zahlreiche Strömungsbahnen für Wärmeaustauschmedien abgegrenzt werden, und zwar in der Weise, daß das jeweilige Wärmeaustauschmedium auf der entgegengesetzten Seite jeder Blechplatte strömt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kernenergie-Wärmekraftanlage, bei der ein in einem Verdichter auf erhöhten Druck gebrachtes gasförmiges Arbeitsmedium über eine Einlaßkammer einem in einem aus Beton bestehenden zylindrischen Druckgefäß angeordneten Kernreaktor zugeführt wird und das den Kernreaktor über eine Auslaßkammer verlassende erhitzte Arbeitsmedium eine Gasturbine antreibt, wobei das die Gasturbine verlassende Arbeitsmedium in einem Rekuperator, der einem aus Kühlern, einem Sekundär-Wasserkreislauf und dem Rekuperator bestehenden, den Kernreaktor in dem Druckgefäß ringförmig umgebenden Wärmeaustauschsystem angehört, Wärme auf das in die Einlaßkammer des Kernreaktors einströmende Arbeitsmedium überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verdichter bildende Turboverdichtereinheit (4, 5, 6) und die Gasturbine (8) jeweils in entsprechenden Durchbrüchen (2, 3) im oberen Teil der zylindrischen Druckgefäßwand des Druckgefäßes (V) angeordnet sind, so daß sämtliche Wärmeaustauschleitungen (10a, 106, 19, 11a, 22, 24, 25, 26, 27 und 28) im Innern des Druckgefäßes (V) verlaufen.

2. Kernenergie-Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Turboverdichtereinheit (4, 5, 6) und der Gasturbine (8) zwei diametral gegenüberliegende Durchbrüche (2,3) vorgesehen sind.

3. Kernenergie-Wärmekraftanlage nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des Turboverdichters (4, 5, 6) und der Gasturbine (8) drei in der Gefäßwand im gleichen Umfangsabstand voneinander getrennt angeordnete Durchbrüche (2, 3) vorgesehen sind, wobei die aus zwei Stufen (4a, 5a, 6a, 4b, 5b, 6b) bestehende Turboverdichtereinheit (4,5,6) in jeweils zwei Durchbrüchen (2) angeordnet ist, während die Gasturbine (8) in dem verbleibenden Durchbruch (3) angeordnet ist.

4. Kernenergie-Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (V) sechs in der Gefäßwand im gleichen Umfangsabstand voneinander getrennt angeordnete Durchbrüche zur Aufnahme der aus zwei diametral gegenüberliegenden Einzel-Turbinen (8a, 8b) bestehenden Gasturbine (8) und der aus vier Stufen gebildeten Turboverdichtereinheit (4,5,6) aufweist.