DE1601001B2 - Verfahren zum transport von durch einen kernreaktor freigesetzter waermeenergie - Google Patents
Verfahren zum transport von durch einen kernreaktor freigesetzter waermeenergieInfo
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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.
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 (6)
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.
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