DE1589077C - Verfahren und Vorrichtung zur direk ten Umwandlung von Kernenergie in mechani sehe Energie - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten · vorteilhaft ist — mit isothermer Arbeitsleistung in Umwandlung von Kernenergie in mechanische der Turbine, wodurch sich ein besonders guter Energie, bei dem ein Arbeitsmedium in einer Kern- Wirkungsgrad ergibt. Die Verwendung einer Turbine brennstoff enthaltenden Kernreaktionszone, die als Arbeitsmaschine für ein in einem Reaktor erinnerhalb einer mechanische Energie liefernden Ar- 5 hitztes Arbeitsmedium ist an sich bekannt (z. B. bribeitsmaschine angeordnet ist, erhitzt wird. Die Er- tische Patentschrift 931 930), jedoch ist bei allen befindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durch- kannten Anordnungen die Turbine in konventioneller führung des Verfahrens. . Weise außerhalb des Reaktors angeordnet. Im

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 127 005 und Gegensatz dazu ergeben sich bei der Erfindung sowie aus »Kernenergie« 1959, S. 705, sind Verfahren und io auch bei den eingangs genannten Verfahren,' von Anordnungen dieser Art bekannt, bei denen eine denen sie ausgeht, kürzeste Strömungswege und damit Arbeitsmaschine eine Ansammlung eines flüssigen minimale Energieverluste.

Kernbrennstoffs (Uranhexafluorid oder eine Uran- Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Versalzlösung) enthält. Der Kernbrennstoff erhitzt sich fahren das Arbeitsmedium gleichzeitig das zum Bedurch die in ihm stattfindenden Kernreaktionen und 15 trieb der Kernreaktionszone erforderliche Moderatorleistet bei' der dadurch verursachten Volumen- und/oder Kühlmedium. Auch bei den bekannten Anausdehnung oder Verdampfung mechanische Arbeit, Ordnungen ist das Arbeitsmedium, da es thermische er stellt also gleichzeitig das Arbeitsmedium der Energie abführt und. in Arbeit. umwandelt, gleich-Arbeitsmaschine dar. Bei diesen Anordnungen, bei zeitig Kühlmedium, das Moderatormaterial ist in denen zwangläufig der Kernbrennstoff auch Arbeits- ao diesen Fällen jedoch unabhängig vom Arbeitsmedium medium sein muß, ist man weder in der Wahl des . in den festen Wänden des Reaktors vorgesehen. ■
Kernbrennstoffs noch des Arbeitsmediums frei und Es ist bei vergleichbaren Verfahren bekannt, das

damit auch nicht in ■ der Wahl der bei gegebener Arbeitsmedium nach der Expansion wieder zu kom-Größe der Vorrichtung erzielbaren Leistung und der primieren und in einem geschlossenen Kreislauf Wahl der Betriebsbedingungen und des sich hieraus 35 wieder in die Kanäle zurückzuführen. Diese Maßergebenden Wirkungsgrades. Es kann,kein fester nähme wird vorteilhafterweise auch bei dem erKernbrennstoff verwendet werden, der eine pro ■ findungsgemäßen Verfahren angewendet. ^ Hierbei Volumeneinheit höhere thermische Leistung ergeben kann.— wie ebenfalls bekannt.— ein Teil der vom würde. Man kann andererseits kein gas- oder dampf- Arbeitsmedium geleisteten Arbeit für die Kompresförmiges Arbeitsmedium verwenden, sondern das 30 sion benutzt werden,- auch kann das Arbeitsmedium • Arbeitsmedium muß zumindest in der Reaktionszone nach der Expansion zwecks Temperaturherabsetzung flüssig vorliegen, damit die Kernreaktion stattfinden. durch einen Wärmeaustauscher geführt werden,
kann. Man ist dann für die mechanische Arbeits- ' Eine Vorrichtung;·zur-¹ Durchführung, des erleistung auf die thermische Volumenausdehnung der , findungsgemäßen Verfahrens, mit einer innerhalb Flüssigkeit oder .auf Verdampfungsvorgänge an- 35 einer Arbeitsmaschine angeordneten, Kernbrennstoff gewiesen. Beides ergibt einen schlechten Wirkungs- . enthaltenden Kernreaktionszone ist erfindungsgemäß grad der Energieumwandlung. Ein weiterer Nachteil gekennzeichnet durch eine Dampf- oder Gasturbine, der bekannten Anordnungen ist der impulsweise Be- insbesondere eine Radialturbine vom Doppeltrieb, der dadurch bedingt ist, daß die Ansammlung rotationstyp, deren .Leit- und/oder Treibelemente des flüssigen Kernbrennstoffs durch ihre Volumen- 40 mindestens teilweise den Kernbrennstoff enthalten zunähme periodisch, in den unterkritischen Zustand oder aus ihm bestehen. * '.-,·_ · · .

übergeht, so daß'man eine periodische Erhitzung und Vorzugsweise sind die Rotorhäiften der als'Radial-

keine optimalen isothermen Arbeitsbedingungen hat. turbine ausgebildeten Turbine gegeneinander axial Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver- . verschiebbar. Hierdurch läßt sich-in bequemer Weise fahren der eingangs genannten Art zu schaffen, wel- 45 eine Steuerung lind Regelung der Leistung der Vorches die Verwendung^l von feste'n Kernbrennstoffen' '·' richtung erzielen, da durch die gegenseitige Verbeliebiger Art und eines gas- oder dampfförmigen Schiebung der den Kernbrennstoff enthaltenden Leit-Arbeitsmediums beliebiger Beschaffenheit gestattet, oder. Treibelemente der gesamte vorhandene Kern- und bei dem die Energieumwandlung und" Arbeits-■'-'■■ brennstoff nach"iWahPin eine'mehr oder'weniger leistung im'kontinuierlichen Betrieb und mit besserem 50 kritische oder unterkritische Anordnung gebracht Wirkungsgrad erfolgt als bei den bekannten An- werden kann.

.Ordnungen.^ ... _.. .. . _. ■ _ Es Jst. nicht, erforderlich, daß sich die Kern-

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist er- . reaktionszone über die gesamte durchströmte Länge findungsgemäß dadurchV gekennzeichnet}: \daß ^aIs ,,, de'r: Turbine-erstreckt.: Bei·:einerf vorteilhaften, Aus-Arbeitsmaschine ₄eine von s. dem ^gasr.. oder, dampf- 55 führungsform der'.Erfindung kann deshalb hur ein förmigen Arbeitsmedium durchströmt© Turbine ver- Teil der Leit- und/oder, Jieibe_r\einente der Turbine, wendet wird, deren Leit- und/oder Treib'elemerite'iden insbesondere die der Einläßseii6¹näher gelegenen, den Kernbrennstoff enthalten-oder aus ihm bestehen. Kernbrennstoff erhalten oder aus ihm bestehen. Die

Das Verfahren unterscheidet sich somit von den dann verbleibenden Leit- oder Treibelemente können bekannten dadurch, daß man ein beliebiges gas- oder 60 aber ebenfalls für die Kernreaktionsvorgänge nutzbar dampfförmiges Arbeitsmedium verwenden kann, wel- gemacht werden, und zwar dadurch, daß sie, und ches kein spaltbares Material zu enthalten braucht, zwar insbesondere die der Auslaßseite näher gelegewährend der Kernbrennstoff in den Leit- oder Treib- nen Leit- oder Treibelemente, brütbares Material entelementen der Turbine in der vorteilhaften festen halten, welches durch die von dem Kernbrennstoff in Form vorhanden ist. Kernbrennstoff und Arbeits- 65 Gang gehaltenen Kernreaktionen allmählich selbst in medium sind deshalb beliebig und unabhängig von- Kernbrennstoff umgewandelt wird und darin seinereinander wählbar. Der Betrieb erfolgt nicht impuls- seits die Kernreaktion aufrechterhalten kann,
•'weise, sondern kontinuierlich und — was besonders Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

Zeichnungen beschrieben, welche in F i g. 1 und 2 seinerseits mittels einer Welle 14 mit einem elektri-

schematisch zwei verschiedene Vorrichtungen zur sehen Generator 15 mechanisch gekuppelt ist. Die

Umwandlung von Kernenergie in mechanische Turbine 11 und die Kompressoren 13 bilden durch

Energie und in F i g. 3 und 4, ebenfalls schematisch die Leitungen 16 und 17 zwei parallelgeschaltete

die Längs- und Querschnitte eines Reaktors zeigen, 5 Kreisläufe für das während des Betriebes des Reak-

wie er in den Ansprüchen gekennzeichnet ist. tors zirkulierende dampf- oder gasförmige Medium.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen dampf- oder gas- Diese Kreisläufe enthalten zweckmäßigerweise auch gefüllten Kernreaktor, welcher aus einer Dampf- einen Wärmeaustaucher Ϊ8. In einer Radialturbine oder Gasturbine besteht oder eine derartige Turbine erwähnter Art können sowohl die Schaufeln als auch umfaßt, welche mittels einer Welle 2 mechanisch an io die diese tragenden Kreis- und Scheibenelemente · einen Kompressor 3 gekuppelt ist, welcher seinerseits ganz oder teilweise, aus angereichertem Uran oder mittels einer Welle 4 mechanisch an einen elektrischen spaltbarem Reaktorbrennstoff bestehen. Alternativ Generator 5 gekuppelt ist. Die Turbine 1 und der kann eine innere, aus solchen Schaufeln und anderen Kompressor 3, welcher für die Kompression in einer Elementen bestehende Zone solchen Brennstoff ent- oder mehreren Stufen und mit eventueller Zwischen- 15 halten, während entsprechende Teile in einer kühlung ausgebildet sein kann, bilden zusammen mit äußeren Zone sogenanntes brütbares Material,.d. h. den Leitungen 6 und 7 einen geschlossenen Kreis- Uran 238 oder Thorium enthalten oder daraus belauf für das , den Betrieb des Reaktors benötigte stehen können. Auf entsprechende Weise können in Dampf- oder Gasmedium, das in einem Wärme- einer Axialturbine Rotor- und Leitschaufelelemente austauscher 8 von an sich bekannter Art vor dem ao in einer in der Nähe der Einlaßseite der Turbine beEintritt in den Kompressor 3 auf passende Tempera- findlichen. Zone aus spaltbarem Reaktorbrennstoff tür abgekühlt wird. In der Turbine 1 sind wenigstens aufgebaut sein oder solches enthalten, während entein Teil, der die. Dampf- oder Gaskanäle bildenden sprechende Teile einer in der Nähe der Auslaßseite Elemente, d. h. vorzugsweise Rotor- oder Leit- befindlichen Zone aus brütbarem Material aufschaufelelemente, ganz oder teilweise aus Reaktor- 25 gebaut sind oder solches Material enthalten. brennstoff aufgebaut, wodurch, wenn der Reaktor in Das für den Betrieb des Reaktors benötigte Me-Betrieb ist, durch Kernreaktion freigesetzte Energie dium kann vorteilhafterweise aus. schwerem Wasser dem Dämpf oder Gas zugeführt wird,, wobei eine in Dampf- oder Gasform bestehen. Dadurch wird mehr oder weniger vollständige direkt^ Umwandlung der verhältnismäßig niedrige Neutroneinfang- dieses der Kernenergie in mechanische Energie erzielt wird. 30 Mediums ausgenützt und die vom Neutroneinfang Die Energieumwandlung geschieht je nach den Um- herrührende Verschlechterung der Neutronenbilanz ständen, wie erwähnt, mehr oder weniger vollständig. verringert. .. -. ' ' ■: , ■
Es, kann deshalb notwendig sein, in einem Wärme- Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt nach der austauscher 8. mit zweckmäßigerweise regulierbarer Linie III_rIII von Fig. 4, welche ihrerseits einen Kapazität eine größere oder kleinere Menge thermi- 35 Querschnitt nach der LinieIV-IV von Fig. 3 ist. scher Energie_: aus dem System abzuleiten. Die von Gemäß diesen Figuren ist der Reaktor mit einer diesen Wärmeaustauscher erzielte thermische Energie Radialturbine vom Doppel-Rotationstyp" versehen, kann dabei z. B. für Beheizungszwecke, eventuell im ^% deren beide Rotorhälften 19, 20 von Wellen 21, 22 Zusammenhang mit einer Destillation, oder für Kraft- " getragen'sind, welche durch in der Reaktorhülle 12r leistung verwendet werden. ' 40 angeordnete Dichtungen 24, 25 laufen und in Lagern

Die aus der Turbine 1 entnommene mechanische 26, 17 gelagert sind, sowie für eine mechanische

Energie wird über die Wellen2 und 4 für den Be- Kupplung, beispielsweise mit je einem in den Fig. 3 ■

trieb teils des Kompressors 3 und teils des elektrischen und 4 nicht gezeigten Kompressor und elektrischen

Generators 5 benutzt. . Generator, ausgebildet sind, wie es für die Vorrich-

Zur Regulierung der Kapazität des Reaktors sowie 45 tungen 12, 13, 14 und 15 der Fig. 2 "angegeben ist.

um denselben beim Starten kritisch zu machen, muß Jede der Rotorhälften ist mit einer Anzahl kranz-

wenigstens ein Teil der Brennstoffelemente leicht in förmig angeordneter Schaufeln 28, 29 versehen,

ihre Lagen einführbar und aus denselben entfernbar weiche derartig ineinandergreifen, daß die Schaufeln

sein. Dies gilt in erster Linie für solche Brennstoff- in einer der Rotorhälften 19, 20 Leitflächen für die

elemente, die während des Betriebes nicht rotieren 5° andere Rotorhälfte ausmachen, und umgekehrt. Das

sollen, kann aber eventuell auch für die rotierbar an- Dampf- öder Gasmedium wird durch in den Wellen

geordneten Brennstoffelemente wünschenswert oder 21, 22 zentral angeordnete Zufuhrkanäle eingeleitet

notwendig sein. Es sollte in diesem Zusammenhang und strömt radial auswärts durch die von den-Schauerwähnt werden, daß der Reaktor außer den in die fein 28, 29 gebildeten Kanäle und wird durch eine

Turbine eingehenden Brennstoffelementen eventuell 55 im Umkreis der Hülle 23 befindlichen Auslaßöffnung

auch eine größere öder kleinere Anzahl von in ge- 30 abgeleitet. Diese sind ebenso wie der Zufuhrkanal bräuchlicher Weise angeordneten Brennstoffelemen- an die in den Fi g. 3 und 4 nicht gezeigten geschlosse-

ten enthalten kann. . ' nen Kreisläufe für das Dampf- oder^jasmedium an-

Um die Leistung des Reaktors leichter regulieren, geschlossen, in welche, wie aus F fg. 2 hervorgeht, bzw. ihn kritisch machen zu können, kann man eine 60 auch die Kompressoren 13 und der Wärme-Radialturbine vom Doppel-Rotationstyp verwenden,. austauscher 18 eingekuppelt sind. Die eine Rotorweiche im Prinzip von konventioneller Ausführung hälfte 19 mit dazu gehörender Welle 21 ist mittels ist, wobei jedoch beide Rotorhälften gegeneinander eines Rotors 31 und zwischen diesem und der Welle axial verschiebbar sind. In Fig.2, die schematisch angeordneter, die Bewegungen übertragender Vorein derartige Anordnung zeigt, bezeichnet 11 den 65 richtungen 32 derart axial verschiebbar, daß die Reaktor, welcher- als Radialturbine ausgeführt ist. Schaufelkränze 28, 29 der beiden Rotorhälften ganz Jede der Turbinenhälften ist mittels einer Welle 12 oder teilweise aus ihrem gegenseitigen Eingriff heraus mit einem Kompressor 13 mechanisch verbunden, der geführt werden können, wodurch eine Regulierung

der aus dem Reaktor entnommenen Leistung erzielt wird. Die Schaufeln und eventuell auch die übrigen Teile der Rötorhälften und die Hülle 23 bestehen zum größeren oder kleineren Teil aus Reaktorbrennstoff,

' der in an sich bekannter Weise,. geeigneterweise schalenförmig, -, von einem für die mechanische

. Festigkeit eventuell erforderlichen Material, z. B.

-Titan, Beryllium od. dgl. ,umschlossen ist. Es ist offenbar,. daß auch die Rotorhälfte 20 mit dazugehörender Welle 22 in für die Teile 19, 21 oben angegebener Weise axial verschiebbar sein kann.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I.¹ Verfahren zur direkten Umwandlung, von Kernenergie in mechanische Energie, bei dem ein Arbeitsmedium in einer Kernbrennstoff enthaltenden Kernreaktionszone, die innerhalb einer mechanische Energie.liefernden Arbeitsmaschine angeordnet ist, erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmaschine eine von . dem⁵" gas- oder dampfförmigen "Arbeitsmedium durchströmte Turbine verwendet wird, deren Leit- und/oder Treibelemente mindestens teilweise den Kernbrennstoff enthalten oder aus . ihm bestehen.

   . 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dampf- oder gasförmige ■"' "Arbeitsmedium das zum Betrieb der Kern-'" reaktionszone erforderliche Moderator- und/oder Kühlmedium ist.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium nach der Expansion komprimiert und in einem geschlossenen Kreislauf wieder in die Turbine zurückgeführt wird. . .

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der vom Arbeitsmedium an die Turbine abgegebenen Bewegungsenergie für die Kompression des Arbeitsmediums benutzt wird.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium nach seiner Expansion zwecks Temperaturiherabsetzung durch einen Wärmeaustauscher geführt wird.

   6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium schweres Wasser in Dampfform benutzt wird.

   7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer innerhalb einer Arbeitsmaschine angeordneten, Kernbrennstoff enthaltenden Kernreaktionszone, gekennzeichnet durch · eine Dampfoder Gasturbine (1, 11 bzw. 19, 20), deren Leit-

   ' und/oder Treibelemente (28, 29) mindestens teilweise den Kernbrennstoff der Kernreaktionszone enthalten oder aus ihm bestehen.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorhälften (19, 20) der als Radialturbine ausgebildeten Turbine gegen-

   ■ einander axial verschiebbar sind.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der Leit-

   ■ und/oder Treibelemente (28, 29) der Turbine, insbesondere die der Einlaßseite näher gelegenen, den Kernbrennstoff enthalten.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Leit- und/oder Treibelemente der "Turbine, insbesondere die der Auslaßseite näher gelegenen, brütbares Material enthalten oder aus ihm bestehen.

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