DE1601001B2

DE1601001B2 - Verfahren zum transport von durch einen kernreaktor freigesetzter waermeenergie

Info

Publication number: DE1601001B2
Application number: DE1967K0061481
Authority: DE
Inventors: Hans Wolfgang Dr.; Wolff Gerhard Dr.; 5170 Jülich Nürnberg
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1967-02-17
Filing date: 1967-02-17
Publication date: 1978-02-16
Also published as: DE1601001A1; GB1218928A; FR1572234A; US3558047A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verfahren, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist.

Da Wärmeenergie nicht unmittelbar gespeichert werden kann und da im allgemeinen auch durch radioaktive Strahlung — also x-, ß- oder y-Strahlen — sowie durch Neutroneneinwirkung erzeugte Energie nicht oder nur unter Anwendung besonderer Maßnahmen gespeichert werden kann, werden die zur Nutzung der aus diesen Energiequellen erzeugten Energien vorgesehenen Einrichtungen im allgemeinen in unmittelbarer Nachbarschaft des jeweiligen Verbrauchers angeordnet. Um die von einem Kernreaktor erzeugte Energie gleichwohl in größerer Entfernung von der Energiequelle liegenden Verbrauchern zuzuführen, hat man bisher im allgemeinen die Wärme über Wärmeaustauscher Stromerzeugern zugeführt und somit in den leicht fortleitbaren elektrischen Strom umgewandelt. Das hat den Nachteil, daß der Wirkungsgrad der gesamten Anlage trotz aller Bestrebungen, ihn zu optimalisieren, nicht sehr hoch ist.

Es sind zwar schon Verfahren bekannt, bei denen in Kernreaktoren erzeugte Wärmeenergie ohne Verlust des Trägermaterials transportiert wird. Bei diesen bekannten Verfahren wird jedoch lediglich Energie in Form von spezifischer Wärme transportiert. Das hat den Nachteil, daß besondere Maßnahmen zur Verhinderung von Energieverlusten vor oder während des Transports getroffen werden müssen.

Aus der DE-AS 10 78 147 ist es ferner bekannt, zur Übertragung von in industriellen Anlagen, beispielsweise einem Kernreaktor, erzeugter Wärme einen im geschlossenen Kreislauf zwischen Erhitzer und Wärmetauscher geführten Wärmeträger vorzusehen. Als Wärmeträger wird dabei ein Stoff verwendet, der eine chemisch umkehrbare Reaktion in homogener Phase so I ermöglicht, daß an den heißen Austauschflächen eine endotherme und an den kalten Austauschflächen eine exotherme Reaktion eintritt. Als Wärmeträger wird bei diesem bekannten Verfahren Phosphorpentachlorid (PCI5) verwendet, das dabei in Phosphortrichlorid (PCI3) und Chlor (Cl₂) zerlegt wird. Bei diesem bekannten Verfahren soll die bei der exothermen Reaktion frei werdende Wärme zur Verbesserung der durch die spezifische Wärme des Stoffes zu übertragenden Wärme dienen. Dieses Verfahren ist jedoch nicht zur Wärmeübertragung über weite Strecken geeignet, weil der Siedepunkt von PCl₃ bei 75,9° C liegt, so daß ein für den Transport über lange Strecken nicht in Kauf zu nehmender Aufwand zur Isolierung der für den Transport vorgesehenen Rohrleitung erforderlich wäre.

Bei der Verwendung von Kernreaktoren als Wärmeerzeugern ist diese bekannte Verfahren auch deshalb ungeeignet, weil die der Wärmeübertragung dienenden Stoffe, nämlich PCl₅, PCl₃ und Cl₂ durch Neutronen mindestens tausendmal stärker aktiviert werden als beispielsweise Kohlenwasserstoffe, so daß es erforder- ( Hch ist, zusätzliche Maßnahmen zur Abschirmung zu ergreifen.

Aus der US-PS 30 75 361 und der GB-PS 10 25 551 ist es bekannt, die Bindungsenergie von Metallhydriden zur

so Wärmeabgabe oder zur Kühlung von Einrichtungen oder Anlagen, insbesondere zur Kühlung von Kernreaktoren, auszunutzen. Dabei werden die Metallhydride unter Wärmezufuhr in ein metallisches Reaktionsprodukt und in Wasserstoff zersetzt und diese Reaktionsprodukte getrennt voneinander einem sie unter Wärmeabgabe wieder zu Metallhydriden vereinigenden Reaktionsgefäß zugeführt, worauf das Metallhydrid unter erneuter Wärmezufuhr in die vorbezeichneten Reaktionsprodukte zerlegt wird. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für den Wärmetransport über große Entfernungen, weil der Transport des flüssigen metallischen Reaktionsproduktes einen erheblichen apparativen Aufwand erfordert, weil es notwendig ist, dafür Sorge zu tragen, daß die Temperatur des zu transportierenden flüssigen Metalls nicht unter den Schmelzpunkt abfällt. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß es nicht möglich ist, die Reaktionsprodukte des Metallhydrids

nach seiner Zerlegung als Gemisch zu transportieren oder zu speichern, weil eine Rückbildung der in diesem Falle miteinander in Beührung stehenden Bestandteile zu Metallhydrid nicht verhindert werden kann, so daß das zum Transport erforderliche Leitungssystem auch aus diesem Grunde für die Prxis zu aufwendig ist. Eine Speicherung von Wärme ist allenfalls kurzfristig möglich, weil infolge der auf die Dauer unvermeidlichen Wärmeverluste an die Umgebung die Temperatur der metallischen Reaktionsprodukte der Hydride bis unter ihren Schmelzpunkt absinken würde, der selbst bei der Verwendung von Calciumhydriden immerhin noch bei 63,5° C und bei den übrigen Metallhydriden weitaus höher liegt

Aus der deutschen Auslegeschrift 10 33 344 ist auch schon ein Verfahren zur Übertragung von Wärme bekanntgeworden, bei dem als gasförmiger Wärmeträger ein N2O4—NCVGemisch benutzt wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird jedoch in erster Linie die spezifische Wärme dieses Gasgemisches zur Wärmeübertragung genutzt. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung wird außerdem die bei der Dinoziation von N2O4 und NO2 aufgenommene Energie herangezogen. Zur Übertragung von Wärme über weite Strecken ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet, weil die Rekombination der Dissoziationsprodukte nur bei höheren Temperaturen unterbleibt

Aufgabe der Erfindung ist es von einem Kernreaktor gelieferte Wärmeenergie in eine zeitlich unbegrenzt speicherfähige Form derart umzuwandeln, daß diese Wärme einem Verbraucher über weite Strecken zugeführt werden kann, ohne daß während des Transports nennenswerte Verluste entstehen. Außerdem soll ermöglicht werden, daß von einer zentralen Stelle aus mehrere Wärmeverbraucher versorgt werden.

Diese Aufgabe wird unter Anwendung eines Verfahrens der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil 1 des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß im Vergleich zur Übertragung von Energie in Form von spezifischer Wärme wirkungsvolleren Speicherung und praktisch verlustfreie Übertragung der chemischen Bindungsenergie möglich ist Darüber hinaus kann ein geschlossener Kreislauf über weite Strecken realisiert werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich daher gegenüber allen anderen zum Stande der Technik gehörenden Verfahren zur Wärmeübertragung dadurch aus, daß keine zusätzlichen und somit kostenverursachenden Maßnahmen zur Verhinderung von Energieverlusten während des Transports erforderlich sind. Außerdem entfällt das Problem der Umweltbelastung durch Abfallstoffe. Ein ganz besonders großer Vorzug besteht schließlich darin, daß das Verfahren gemäß der Erfindung der Kerntechnik selbst über weite Strecken sehr wirtschaftliche Transportmöglichkeiten von im Kernreaktor erzeugter Energie mittels einer einzigen Rohrleitung eröffnet Es ist möglich den Kernreaktor ohne Zwischenschaltung eines Kühlmittelkreislaufs und Wärmetauschers zur Zerlegung des bei Wärmezuführung sich zersetzenden Stoffes zu benutzen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß zum Transport dem Gemisch die Rekombination hemmende Stoffe zugemischt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, daß die Stabilität der Mischung der nach der Zerlegung entstandenen Bestandteile auch über längere Zeit gewährleistet ist. Die Zugabe solcher Stoffe kann nach Austritt aus dem Reaktionsbehälter oder an einer beliebigen Stelle auf dem Transportweg zum Verbraueher erfolgen.

Bei Verwendung von Äthan ist es vorteilhaft, das Verfahren in der Weise durchzuführen, daß Äthan (C2H6) bei 900⁰C und dem Druck einer Atmosphäre in Äthylen (C₂H₄) und Wasserstoff (H₂) zerlegt wird, worauf Gas Äthylen-Wasserstoff-Gemisch in an sich bekannter Weise mittels eines Kühlers auf eine Temperatur unterhalb 400⁰C abgekühlt wird.

Die Zersetzung erfolgt also nach der Gleichung:

C₂H₆?=* C₂H₄+ H₂

Für diese Variante des Verfahrens ist die Zuführung einer Wärmemenge von 37 kcal je Mol Äthan erforderlich. Sehr vorteilhaft ist es, hierbei einen Katalysator zu verwenden, der aus einer Mischung von 3 Mol Zinkoxid, 2 Mol Chromoxid und 1 Mol Uranoxid gebildet ist. Statt dessen ist es ohne weiteres möglich, auch an sich bekannte Katalysatoren aus Edelmetallen oder Nickel zu verwenden. Im Anschluß daran wird das gebildete Äthylen-Wasserstoff-Gemisch nach dem Austritt aus dem Reaktionsbehälter durch einen an sich bekannten Kühler geleitet und mit großer Geschwindigkeit auf eine Temperatur abgekühlt, die unterhalb 400⁰C liegt.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Äthylen-Wasserstoff-Gemisch bis auf eine Temperatur von 25° C abzukühlen. Dabei ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die frei werdende Abwärme beliebig ausnutzbar ist.

Es zeigte sich, daß das bei der Zersetzung entstehende Äthylen-Wasserstoff-Gemisch bei Temperaturen unterhalb 400° C stabil war und nicht rekombinierte, ohne daß es erforderlich war, Inhibitoren zu benutzen. Daher ist das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sich bildende Äthylen-Wasserstoff-Gemisch ohne vorherige Trennung beider Stoffe zum Verbraueher über eine Rohrleitung transportierbar. Statt der Rohrleitung ist selbstverständlich jedes andere an sich bekannte Transportmittel verwendbar.

Es kann zweckmäßig sein, nach der Zersetzung dem Äthylen-Wasserstoff-Gemisch als die Rekombination hemmende Stoffe Stickstoff oder Edelgase zuzumischen. Die Rekombination des Äthylen-Wasserstoff-Gemisches zu Äthan wurde in Gegenwart eines Katalysators gleicher Zusammensetzung durchgeführt wie bei der Zersetzung. Die Rekombination erfolgt bei Temperaturen oberhalb 400⁰C. Bei der Rekombination wird eine Bildungswärme von mindestens 34 kcal/Mol gebildetem Äthan frei.

Das dem Verbraucher entstandene Äthan wird sodann in den Kernreaktor oder einem von ihm beheizten Zersetzungsbehälter zurücktransportiert und dort einer erneuten Zerlegung in Äthylen und Wasserstoff unterworfen. Daraus ergibt sich der große Vorzug, daß das System Äthan-Äthylen-Wasserstoff auch beim Transport über weite Strecken praktisch verlustfrei erhalten bleibt und nur als Träger der Energie von der Energiequelle zum Verbraucher dient. Die an den Verbraucher abgegebene Wärmemenge kann ohne weiteres sowohl zum Betrieb stationärer als auch beweglicher Wärmeverbraucher ausgenutzt werden.

Eine andere Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß Propan (C₃H₈) bei 900⁰C und unter dem Druck von einer Atmosphäre in

Propylen (CsH₆) und Wasserstoff (H2) zerlegt wird, worauf das Propylen-Wasserstoff-Gemisch mit großer Geschwindigkeit vor dem Transport mittels eines Kühlers auf eine Temperatur unterhalb 400⁰C abgekühlt wird. Die Zerlegung des Propans erfolgt also nach der Gleichung:

Der hohe Wirkungsgrad bei der Verwendung von Propan als zu zersetzendem Stoff ergibt sich daraus, daß zur Zersetzung eine Wärmemenge von

W^p(9oo°c)=35 kcal/Mol

erforderlich ist und daß bei der Rekombination die Wärmemenge

Wp(4oo°c)=30,78 kcal/Mol
frei wird.

1. Ausführungsbeispiel

Äthan wurde bei einer Temperatur von 900⁰C und einem Druck von einer Atmosphäre in Gegenwart eines Katalysators aus 3 Mol Zinkoxid, 2 Mol Chromoxid und 1 Mol Uranoxid zerlegt. Dabei wurden 93% des Äthans in Äthylen und Wasserstoff zerlegt. Die bei der

Zerlegung gebildeten Reaktionsprodukte wurden mit hoher Geschwindigkeit bis unterhalb 400⁰C abgekühlt und im Gemisch zum Verbraucher geleitet. Die Rekombination erfolgte in Gegenwart des vorbezeichneten Katalysators bei etwa 400⁰C. Dabei rekombinierten mehr als 98,4% der gebildeten Reaktionsprodukte pro Mol gebildetem Äthan wurde im Mittel eine Bildungswärme von 29 kcal erhalten.

2. Ausführungsbeispiel

Propan wurde bei einer Temperatur von 900° C und dem Druck von einer Atmosphäre in Propylen und Wasserstoff zerlegt Dabei wurden 98,9% Propan zerlegt. Nach Abkühlung unter 400° C und nach dem Transport zum Verbraucher wurden 93% der gebildeten Reaktionsprodukte rekombiniert. Pro Mol gebildeten Propan wurde im Mittel eine Wärmemenge von 25 kcal erhalten.

Eine hohe Ausbeute bei der Rekombination von Äthylen und Wasserstoff zu Äthan oder von Propylen und Wasserstoff zu Propan ist gleichfalls erzielbar. Wenn man die Rekombination bei höherer Temperatur vornimmt und einen entsprechend höheren Druck anwendet, beispielsweise 60 atm bei 900⁰C.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Transport von durch einen Kernreaktor freigesetzter Wärmeenergie unter Umwandlung der Wärmeenergie in latente chemische Bindungsenergie (Enthalpie), bei dem die Wärme einem unter Zuführung von Wärme in chemisch umkehrbarer Reaktion in seine Reaktionsprodukte zerlegbaren und unter Abgabe von Wärme aus diesen Reaktionsprodukten rekombinierbaren Stoff unter Zerlegung in seine Reaktionsprodukte am Ort des Kernreaktors zugeführt wird, und nach dem Transport der Reaktionsprodukte unter in Gegenwart eines Katalysators erfolgender Rekombination der Reaktionsprodukte dem Energieverbraucher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Äthan oder Propan zerlegt wird oder ein anderer chemischer Stoff, dessen Reaktionsprodukte beim Transport über weite Strecken in flüssigem oder gasförmigen Zustand vorliegen, ohne daß zusätzliche Maßnahmen zur Verhinderung von Energieverlusten erforderlich sind, und daß die Reaktionsprodukte in einer Mischung nach Speicherung oder unmittelbar über weite Strecken zum Verbraucher transportiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport dem Gemisch die Rekombination hemmende Stoffe zugemischt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Äthan (C₂He) bei 900⁰C und dem Druck einer Atmosphäre in Äthylen (C2H4) und Wasserstoff (H2) zerlegt wird, worauf das Äthylen-Wasserstoff-Gemisch in an sich bekannter Weise vor dem Transport mittels eines Kühlers auf eine Temperatur von unterhalb 400⁰C abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Äthylen und Wasserstoff bis auf eine Temperatur von 25° C abgekühlt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Zerlegung dem Äthylen-Wasserstoff-Gemisch die Rekombination hemmende Stoffe Stickstoff oder Edelgas zugemischt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Propan (C₃H₈) bei 900° C und unter dem Druck einer Atmosphäre in Propylen (C3H6) und Wasserstoff (H₂) zerlegt wird, worauf das Propylen-Wasserstoff-Gemisch mit großer Geschwindigkeit vor dem Transport mittels eines Kühlers auf eine Temperatur unterhalb 400⁰C abgekühlt wird.