DE1564655B2 - Kernkraftwerk mit CO tief 2-Kühlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit CCh-Kühlung zur Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe einer Gasturbine, wobei das CO2 vor der Beaufschlagung der Gasturbine in einem Verdichter komprimiert und anschließend in einem Regenerativwärmetauscher erhitzt wird.

Ein solches Kernkraftwerk ist z. B. in der französischen Patentschrift 1 408 858 beschrieben. Dort ist eine Entspannung des CCh-Gases in einer Niederdruckturbine vorgesehen, die als Hauptenergiequelle dient. Deswegen ist eine mehrstufige Verdichtung erforderlich, bei der insbesondere die Niederdruckverdichter kom

pliziert und voluminös ausfallen.

Die Erfindung sucht demgegenüber eine Ausbildun

für ein Kernkraftwerk der eingangs genannten Art, bt.

der erhebliche Einsparungen möglich sind. Außerder soll das Betriebsverhalten des Kernkraftwerkes verbes sert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß d;i CO2 ohne Niederdruckentspannung vom Reaktor (h in den Hochtemperaturteil des Regenerativwärmetau schers (W) gelangt und mit einem Druck von minde stens 40 ata in den anschließenden Verdichter (V) ein tritt. Vorzugsweise liegt der Eintrittsdruck zwischen 7> und 130 ata. Man erreicht dadurch, daß der gesamt Kühlkreislauf mit einem einstufigen Verdichter aus kommt. Dieser kann noch dazu einfacher aufgebau sein als die bekannten Verdichter. Vorzugsweise ist de Verdichter nämlich mit Radiallaufrädern ausgerüste Hier macht man sich zunutze, daß das als Kühlmitu verwendete CO2 bei den für die Erfindung kennzeich nenden hohen Drücken ähnliche Eigenschaften au! weist wie Wasser. Dies ermöglicht auch einen stabile ren Betrieb bei kleinen Gasmengen, d. h. bei Teillast, al bei den bekannten Kernkraftwerken.

Die Erfindung unterscheidet sich auch von dem i der Zeitschrift »Atomkernenergie« 1964, S. 231/232 an gegebenen Kernkraftwerk, bei der die Niederdrücken! spannung in der Turbine b erfolgt. In der gleichen Zeit schrift von 1961, S. 187 ist eine Niederdruckturbine vorgesehen, während in der Zeitschrift »The Moto Ship«, März 1957, die Niederdruckentspannung in de Niederdruckturbine LP-T erfolgt. Auch in der Zeit schrift »BWK«, Juni 1956, ist unter anderem ein Niederdruckturbine (/vorhanden.

Nach der französischen Patentschrift 1 205 566 mti, ebenfalls eine Niederdruckentspannung vorgesehe sein, da für die Verdichtung zwei Kompressoren in Rei he geschaltet sind.

Zur baulichen Vereinfachung, die die Störanfälligkei weiter verringert, können Verdichter und Gasturbin auf einer Welle mit nur zwei Lagern angeordnet seir die mit einem außerhalb eines Sicherheitsgebäudes an geordneten Generator verbunden ist. Eine derart ge schlossene Einheit läßt sich trotz ihres relativ hohe Gewichtes besser transportieren und montieren als di sonst üblichen getrennten Einheiten für Verdichter un^ Gasturbine.

Eine weitere Möglichkeit zu einer einfachen und ko stengünstigen Verwirklichung der Erfindung ergibt sie! dadurch, daß der Reaktor und der Regenerativwärme tauscher zusammen mit einem dem Verdichter vorge schalteten Kühler in integrierter Bauweise in einen Druckkessel, der vorzugsweise aus Spannbeton besteh untergebracht sind. Die außerhalb des Druckkessel vorgesehene Gasturbine und der Verdichter können in nerhalb eines Sicherheitsgebäudes untergebracht seit In diesem Fall werden für die Durchdringung de Druckkessels nur wenige Druckgasleitungen mit relatl· geringer Nennweite benötigt. Andererseits werden ii dem Sicherheitsgebäude alle radioaktiven Stoffe zu rückgehalten.

Die CCh-Leitungen können vorteilhaft auf ihrer In nenseite wärmeisoliert sein. Zusätzlich kann man eiru Kühlung an der Außenseite vornehmen.

Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfin dung zeichnet sich durch mehrere, vorzugsweise gleicl ausgebildete Kühlkreise mit Gasturbinen, Verdichten Regenerativwärmetauschern usw. aus, die getrennt zu und abschaltbar an den Reaktor angeschlossen sind.

An Hand der Fig. 1 und 2 sind an einem Anwendungsbeispiel vorliegender Erfindung die genannten Zusammenhänge sowie weitere Einzelheiten näher erläutert.

F i g. 1 zeigt dabei einen Längsschnitt durch das Kernkraftwerk mit einem schematisierten Aufbau der zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nötigen Bauelemente.

Die F i g. 2 zeigt eine Schaltung des Kernkraftwerkes, wobei zwei Gasturbinen 71 und 72 zur Anwendung gelangen. Es wird dabei nur die zur Turbine 71 gehörige Einrichtung besprochen, die völlig derjenigen der Turbine 72 gleicht. In analoger Weise könnten an diesen Kernreaktor auch mehrere Gasturbinen angeschlossen werden. Auf den speziellen Aufbau des eigentlichen Kernreaktors wird nicht näher eingegangen, da dieser für das hier angewandte System der Energieumsetzung nicht von besonderer Bedeutung ist. Es sei lediglich erwähnt, daß vorzugsweise schwerwassermoderierte Reaktoren oder schnelle Brüter als Warmequelle in Frage kommen, da es mit diesen Generatortypen in an sich bekannter Weise möglich ist, Kühlgastemperaturen in der Größenordnung von 500⁰C bei Drücken in der Größenordnung von 100 bis 150 Atmosphären zu erzielen.

In F i g. 1 ist das Reaktorsicherheitsgebäude (containment) mit C bezeichnet, der im Innern desselben angeordnete Druckkessel mit DK. Im Innern dieses Druckkessels befindet sich der Reaktor R, der Wärmetauscher W und der Kühler K. Letztere können aus mehreren Einzeleinheiten bestehen, entsprechend der Zahl der angeschlossenen Turbinen T, die sich innerhalb des Sicherheitsgebäudes C aber außerhalb des Druckkessels DK befinden. Mit der Turbine zusammengebaut ist der Verdichter V. Die Welle der Turbine durchdringt das Sicherheitsgebäude C und ist an den Generator G angekuppelt. Selbstverständlich kann auch umgekehrt die Kupplung zwischen Turbine und Generator im Innern des Sicherheitsbehälters C oder eine Zwischenwelle mit zwei Kupplungen vorgesehen werden. In jedem Fall ist aber an der Wellendurchführung durch den Sicherheitsbehälter eine|Dichtung vorzusehen, wie sie aus der Pumpen- und Gebläsetechnik her bekannt oder auch bei wasserstoffgekühlten elektrischen Generatoren üblich ist, beispielsweise als öldichtung mit schwimmendem Ring. In diesem speziellen Fall ist es sogar möglich, das Lagerschild des Generators G starr und dicht mit der Außenwand des Sicherheitsgebäudes C zu verbinden, so daß die im Lagerschild des Generators G bereits vorhandene Dichtung gleichzeitig auch als Dichtung für die Durchführung der Welle in der Wandung des Sicherheitsgebäudes dient. Beiden in Frage kommenden hohen Leistungen der Generatoren, die in der Größenordnung von einigen 100 Megawatt liegen, sind diese üblicherweise 2. B. mit einer Wasserstoffkühlung versehen. In der schematischen Darstellung der F i g. 1 umfaßt der Generator G auch die zugehörige Erregermaschine sowie den Ponymotor, der zum Anwerfen der Turbine benötigt wird. Wie bereits eingangs erwähnt, ist es dabei zweckmäßig, Erregermaschinen und Ponymotor zu einer geschlossenen Maschineneinheit zu vereinigen.

Im Innern des Sicherheitsbehälters C befinden sich selbstverständlich auch andere Bauelemente, wie z. B. das angedeutete Brennelementabklingbecken P sowie Krananlagen usw. Diese sind jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt, sie sind für die Beurteilung der vorliegenden Erfindung auch ohne Bedeutung.

In F i g. 2 ist nun der Kreislauf des gasförmigen Kühlmittels Kohlendioxyd zur Überführung der dem Reaktor R entnommenen Wärmeenergie in elektrische Energie in seinen wesentlichsten Elementen dargestellt. Der Kühlgasstrom aus dem Reaktor R teilt sich dabei in diesem Beispiel in zwei gleichartige Zweige auf, von denen jeder für sich allein betrachtet werden kann. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise sind in F i g. 2 auch die jeweiligen Druck- und Temperaturdaten des Kühlmittels eingetragen. Danach entströmt das aufgeheizte Kühlmittel dem Reaktor mit einer Temperatur von 490° C und einem Druck von 115 Atmosphären. Sein Volumen pro kg beträgt dabei 12,5 1. Es tritt dann in den Hochtemperaturteil des Regenerativwärmetauschers W ein und wird dort ohne vorherige Expansion auf etwa 85°C abgekühlt. Sein Druck beträgt danach etwa 112 ata, sein Volumen pro kg 4,1 1. Mit dieser erheblich vergrößerten Dichte wird das Kühlgas anschließend im Kühler K\ auf 40°C abgekühlt und hat anschließend noch einen Druck von etwa 110 ata. Sein Volumen pro kg beträgt nunmehr noch 1,5 1. Im anschließenden Verdichter V\, der beispielsweise mit der Turbine 7Ί zusammen auf einer Welle angeordnet ist, wird der Druck des Kühlmittels ohne Zwischenkühlung im Verdichter auf 305 Atmosphären erhöht, wobei auch die Temperatur auf etwa 73°C ansteigt. Das Volumen des Kühlmittels pro kg beträgt nunmehr nur noch 1,3 I. Mit dieser großen Dichte tritt nun das Kühlmittel in den Regenerativwärmetauscher Wi ein und wird dort durch das aus dem Reaktor austretende heiße Kühlmittel auf etwa 395°C aufgewärmt. Vor dem Eintritt des Kühlmittels in die Turbine 71 beträgt dann der Druck noch etwa 300 Atmosphären, das Volumen pro kg 4,2 I. In der Turbine 71 expandiert das Kühlmittel unter Arbeitsleistung auf etwa 120 ata und tritt mit einer Temperatur von etwa 295° C und einer Dichte von 8,5 1 pro kg wieder in den Reaktor ein. Durch diese Schaltung wird erreicht, daß das Kühlmittel mit einer sehr großen Dichte zum Verdichter Vi gelangt, so daß dessen Leistungsbedarf verhältnismäßig klein ist (etwa 40% der Generatorleistung). Auch räumlich ist die Einheit Turbine 71 und Verdichter Vi sehr klein, da beide zusammen im Falle einer Drehzahl von 3000 U/Min nur etwa 5 bis 10 Stufen bei einem Durchmesser von etwa nur 1,3 m aufweisen. Dieser Maschinensatz dürfte daher auch rein äußerlich kleiner sein als die bei gasgekühlten Kernkraftwerken mit.Dampfprozeß übliche Baugruppe

Gebläse-Ponymotor-Gebläseantriebsdampfturbine,
wobei darauf hingewiesen werden muß, daß es sich hier ja nicht nur um die Antriebsturbine für den Verdichter oder das Gebläse, sondern um die Leistungsturbine für den Generator G\ handelt. Dabei ist es zweckmäßig, diese Apparate mit Hochdruckwellendichtungen zu versehen, wie sie beispielsweise für Gebläse der Reaktortechnik angewandt und vorgeschlagen wurden, s. insbesondere Patentanmeldung S 100 140 Ic/27c.

Wie bereits eingangs erwähnt, sind Turbine 71 und Verdichter Vi außerhalb des Reaktordruckkessels DK angeordnet. Die Grenzlinie dieses Reaktordruckkessels ist in F i g. 2 durch die strichpunktierte Linie DK angedeutet. Daraus ist zu ersehen, daß jede Gasturbineneinheit nur insgesamt mit vier Rohrleitungen D an den Reaktordruckkessel DK angeschlossen ist. Wegen der hohen Dichte des Mediums sind diese Leitungen relativ klein, vor allem jene zum Verdichter, die praktisch quasi-flüssiges CCh-Gas führen. Im Falle eines Rohrbruches außerhalb des Reaktordruckgefäßes können die Ausflußmengen des Kühlmittels weiter durch den Ein-

bau von Rückschlagorganen oder Rohrbruchventilen im Innern des Druckkessels begrenzt werden; auch düsenartige Verengungen, in denen sich im Schadensfall Schallgeschwindigkeit ausbildet, sind zur Begrenzung des Kühlmittelaustritts geeignet.

Die Verbindungsleitungen sind an und für sich nur kurz. Wenn man die Rohre, was bei ihrer geringen Länge ohne besondere Schwierigkeiten möglich ist, auf ihrer Innenseite mit an sich bekannten Mitteln wärmeisoliert und unter Umständen auf ihrer Außenseite noch zusätzlich kühlt, dann kann auf Bögen und Bälge, die strömungstechnisch nicht gerade günstig wären, zur Kompensation der Wärmedehnung von vornherein verzichtet werden.

Für die Regelung der Gesamtanlage ist es zweckmäßig, mehr oder weniger Gasturbinen einzuschalten, wobei zum Anfahren bzw. für Zwischenlastbereiche eine Beipaßregelung über die Drossel Di oder eine Drosselung über Di in der Ansaug-Leitung des Verdichters Vi durchgeführt werden kann. Man kann die Leistung des Kraftwerkes auch durch Druckabsenkung im Reaktor verringern. In diesem Fall, oder bei einer ungewollten Druckabsenkung infolge eines Lecks, verringert sich die Dichte des quasi-flüssigen Kühlmittels im Verdichter Vi in der Regel schneller als in der Turbine. Deshalb muß der Verdichter bei gegebener Drehzahl dann einen wesentlich erhöhten Volumendurchsatz fördern. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, den Verdichter mit an sich bekannten Radiallaufrädern auszurüsten, weil sich diese Durchsatzänderungen besonders leicht anpassen. Laständerungen können mit einer solchen Anlage sehr schnell gefahren werden, da die Gasturbinen sehr klein sind und mit nur etwa 395°C Eintrittstemperatur betrieben werden, zumal der Reaktor, wenn es sich um einen schnellen Reaktor handelt, keine Beschränkungen erzwingt, da Vergiftungserscheinungen durch Xenon hier nicht zum Tragen kommen.

Der Kühler K\ kann mit Flußwasser betrieben werden oder direkt an einem Kühlturm angeschlossen sein. Es ist jedoch zweckmäßig, aus Sicherheits- und Korrosionsgründen einen Zwischenkreislauf mit entgastem Reinwasser zu betreiben, der, wie in F i g. 2 dargestellt, über einen außerhalb des Reaktorsicherheitsbehälters C liegenden Kühler Ki und eine Pumpe Pi geführt wird. Der Kühler Ki wird auf seiner Sekundärseite mit Flußwasser versorgt bzw. an einen Kühlturm angeschlossen. Die Eintrittstemperaturen des Zwischenkühlmittels in den Kühler K\ liegen in dem gewählten Beispiel dann bei 25°C und in den Kühler Ki bei 45°C. Das über die Pumpe Pi geförderte Kühlmittel hat dann eine Eintrittstemperatur von etwa 15°C und eine Austrittstemperatur von 30⁰C. Seine Menge ist verhältnismäßig gering, da im Kühler Ki nur auf etwa 40⁰C herabgekühlt werden muß. Zweckmäßigerweise werden diese wärmetauschenden Apparate nach dem Gegenstromprinzip beaufschlagt.

Bei zwei Turbineneinheiten an einem Reaktor ist es zweckmäßig, zwischen den Sekundärseiten der Wärmetauscher W, also z. B. W\ und Wi, eine Verbindungsleitung vorzusehen, in die ein regelbares Ventil Di eingesetzt ist. Damit wird es ermöglicht, eine vorübergehend stillgesetzte Turbineneinheit ohne Beanspruchung des Ponymotors wieder anzufahren. Zur Sicherstellung der Störmungsrichtung in jeder Betriebslage des Kernkraftwerks sind außerdem noch eine Anzahl Rückschlagklappen Si, Si, Si und 54 vorgesehen, die außerdem ähnlich wie die nicht dargestellten Rohrbruchventile und die durchflußbegrenzenden Düsen für die Verminderung der Kühlmittelverluste bei Rohrbrüchen sorgen. Bei mehreren Turbineneinheiten empfiehlt sich die Anordnung einer Anfahrringleitung mit je einem Ventil pro Turbineneinheit.

Diese Kraftwerkskonzeption zeichnet sich auf Grund ihrer Einfachheit durch eine besonders geringe Störanfälligkeit aus. Ihre Gestehungskosten sind daher verhältnismäßig niedrig. Auch wenn der Wirkungsgrad (von etwa 30% bei dem beschriebenen Beispiel) gegenüber vergleichbaren Gasturbinenanlagen „etwas niedriger ist, so ergibt sich dennoch letzten Endes ein wesentlich niedrigerer Kilowattstundenpreis für die erzeugte Energie, was letztlich ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit einer Kraftwerksanlage überhaupt ist.

Gegenüber dem in den Figuren dargestellten Beispiel ließe sich der Wirkungsgrad dadurch etwas steigern, daß das Kühlmittel vor dem Eintritt in den Regenerativwärmetauscher W\ über eine weitere kleine Gasturbine geleitet wird, die jedoch nur einen kleinen, auf maximal 30% des Reaktordrucks begrenzten Druckabfall aufweisen würde. Eine solche Zusatzturbine würde andererseits aber zu einer nicht unerheblichen Komplizierung der Gesamtanlage (zusätzliche Rohrleitungen, größerer Differenzdruck im Druckkessel) führen und damit einen Teil der Vorteile gegenüber Anlagen vom Stande der Technik, die mit einer starken Entspannung des Gases nach dem Austritt aus dem Reaktor arbeiten, weggeben. Der Vorteil der kleinen Dimensionen von Turbine, Wärmetauschern und Rohrleitungen bliebe jedoch teilweise erhalten. Die integrierte Bauweise der meisten Anlagenteile hat nicht nur den Vorteil der bereits eingangs erwähnten langsamen Druckentlastung nach einem Leck und der verhältnismäßig kleinen Rohrquerschnitte, sondern auch den Vorteil der Zulassung kleinerer Undichtigkeiten, da sich das Innere des Druckkessels auf Systemdruck befindet und außer dem Kühlgas Kohlendioxyd keine anderen gasförmigen Stoffe vorhanden sind. Die mit einer derartigen Anlage verbundenen Vorteile sind aber auch dann noch attraktiv, wenn aus irgendeinem Grund von einer integrierten Bauweise Abstand genommen werden muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Kernkraftwerk mit CCh-Kühlung zur Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe einer Gasturbine, wobei das CO2 vor der Beaufschlagung der Gasturbine in einem Verdichter komprimiert und anschließend in einem Regenerativwärmetauscher erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das CO2 ohne Niederdruckentspannung vom Reaktor (R) in den Hochtemperaturteil des Regenerativwärmetauschers (W) gelangt und mit einem Druck von mindestens 40 ata in den anschließenden Verdichter ftyeintritt.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsdruck zwischen 70 und 130 ata liegt.

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (V) mit Radiallaufrädern ausgerüstet ist.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Verdichter (V) und Gasturbine (T) auf einer Welle mit nur zwei Lagern angeordnet sind, die mit einem außerhalb eines Sicherheitsgebäudes (C) angeordneten Generator (G) verbunden ist.

5. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (R) und der Regenerativwärmetauscher (W) zusammen mit einem dem Verdichter (V) vorgeschalteten Kühler (K) in integrierter Bauweise in einem Druckkessel (DK), der vorzugsweise aus Spannbeton besteht, untergebracht sind.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gasturbine (T) und Verdichter (V) außerhalb des Druckkessels (DK), aber innerhalb eines Sicherheitsgebäudes (C) untergebracht sind.

7. Kernkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die CCh-Leitungen zwischen den innerhalb und außerhalb des Druckkessels (DK) angeordneten Bauteilen auf ihrer Innenseite wärmeisoliert sind.

8. Kernkraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen auf ihrer Außenseite gekühlt sind.

9. Kernkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mehrere, vorzugsweise gleich ausgebildete Kühlkreise (1, 2) mit Gasturbinen (T\, Ti), Verdichtern (V\, V2), Regenerativ wärmetauschern (W\, W2) usw., die getrennt zu- und abschaltbar an den Reaktor (7?^ angeschlossen sind.