DE1614620C3 - Kernkraftwerk mit CO tief 2 - Kühlung - Google Patents
Kernkraftwerk mit CO tief 2 - KühlungInfo
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Description
Im Hauptpatent 15 64 655 geht es um ein Kernkraftwerk
mit CCb-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. Zur Verbesserung des Betnebsvcrhaltcns bei gleichzeitiger Ermöulichunü von
Einsparungen ist vorgesehen, daß das CO2 ohne Niederdruckentspannung vom Reaktor in den Hochtemperaturteil
des Regenerativwärmetauschers gelangt und mit einem Druck von mindestens 40 ata in
den anschließenden Verdichter eintritt. Man braucht dann keine mehrstufige Verdichtung wie bei dem Kernkraftwerk
nach der französischen Patentschrift 14 08 858, wo die Niederdruckturbine nicht nur den Generator
treibt, sondern auch einen ersten Kompressor.
der vom Niederdruckgas über den Regenerativwärmetauscher gespeist wird.
Im Kernkraftwerk nach dem Hauptpatent ist die Gasturbine im direkten Kreislauf vor der Kühlmitteleintrittsseite
des Reaktors angeordnet. Der im Vcrdichter erzeugte hohe Turbineneintrittsdruek von beispielsweise
300 ata belastet dabei nur die Rohre des Wärmetauschers, jedoch nicht den Rcaktordruckbchälter.
Die Grädigkeit, d.h. die Temperaturdifferenz, des Regenerativwärmetauschers
ist dabei am heißen Ende des Wärmetauschers verhältnismäßig groß, z.B. 95°C —
am kalten Ende dagegen nur 12°C — so daß das Arbeitsmittel
mit einer niedrigeren Temperatur in die Turbine eintritt, gegenüber dem Fall einer etwa konstanten
Grädigkeit über die gesamte Wärmetauscherfläche. Diese unterschiedliche Grädigkeit ist eine Folge
der im unteren Temperaturbereich stark vergrößerten spezifischen Wärme des in den Rohren unter hohem
Druck stehenden COs-Gascs. Durch diese Erscheinung wird also der Wirkungsgrad der Turbine etwas verschlechten.
Es stellte sich daher die Aufgabe, die miniere Grüdigkeit
des Wärmetauschers zu verkleinern und damit auch den Wirkungsgrad der Turbine anzuheben. Dies
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Anhebung
der Gasturbineneintrittstempcratur und damit des Gesamtwirkungsgrades des Kernkraftwerkes zusätzliche
Wärme von dem aus der Gasturbine austretenden Gas an das im Regcnerativwärmetauseher aufgeheizte
Hochdruckgas zugeführt wird.
Die Erfindung ist nicht mit einer aus der französischen Zusatzpatentschrift 87 925 bekannten Anordnung
zu vergleichen, die sich auf das obengenannte Patent 14 08 858 bezieht, denn abgesehen von der Nicdcrdruckentspannimg,
die bei Kernkraftwerken nach der Erfindung nicht vorliegen soll, fehlt gerade die Übergabe
zusätzlicher Wärme von dem aus der Gasturbine ; austretenden Gas an das im Regenerativwärmetauscher
aufgeheizte Gas. Beim Bekannten ist lediglich ein zusätzlicher Moderatorkühler vorhanden, den das im j
Regenerativwärmetauscher abgekühlte Gas nach sei- j ner Verdichtung durchläuft, bevor es im Rcgenerativwärmctauscher
zur Vorbereitung der Hochdruck-Entspannung aufgeheizt wird. Die Gastemperaturen im
Moderatorkühler sollen von 85 auf 1000C erhöht werden.
Die damit übertragenen Wärmemengen sind entsprechend klein und nicht zur Lösung der der Erfindung
zugrunde liegenden Aufgabe ausreichend, zumal das Temperaturniveau erheblich unter den Durchschnittswerten
des Regenerativwärmetauschers liegt.
Die den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöhende Abwärmerückführung kann bei grundsätzlicher Beibehaltung
des CCh-Kreislaufes des Hauptpatentes auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Fünf Varianten
sind in den F i g. 1 bis 5 dargestellt, eine besonders zweckmäßige räumliche Zuordnung zwischen Wärmetauschern
und Reaktor in einem gemeinsamen Druckgefäß zeigt die F i g. 6.
Das Grundprinzip der Vergleichmäßigung der Grä-
digkeit besteht also darin, daß dem Wärmetauscher auf einem mittleren Temperaturniveau zusätzliche Wärme
aus dem Abgas der Turbine zugeführt wird, bevor dieses dem Reaktor zuströmt. Dadurch wird bei entsprechender
Dimensionierung der Wärmetauscher das Temperaturniveau der Turbine kräftig angehoben,
während die Reaktoreintrittstemperatur etwa gleichbleibt. In den in den Figuren dargestellten Sehaitungsbeispielen
wurden dieselben Bezeichnungen wie im Hauptpatent verwendet, auf eine erneute grundsätzliehe
Beschreibung des CCh-Kreislaufes kann daher verzichtet
werden.
Im Beispiel gemäß F i g. 1 ist der Regencrativwärmetauschcr
VV1 in zwei Abschnitte a und b unterteilt, derart,
daß zwischen beiden das aus dem Reaktor kornmende heiße Niederdruckgas in einem besonderen
Wärmetauscher VV3 vom Abgas der Turbine 1 aufgeheizt wird und dann erst durch den /weiten Teil b des
Wärmetauschers WX strömt.
Gemäß F i g. 2 ist die Hochdruckseite des Regcnerativwärmetauschers
Wl unterteilt, derart, daß das Hochdruckgas ein oder mehrere Male aus dem Wärmetauscher
IVl herausgeführt und in einem vom Abgas der Turbine 7Ί beheizten Wärmetauscher IV 3 zusätzlich
aufgeheizt wird. Dadurch wird also ebenfalls der Temperaturunterschied bzw. die Grädigkeit des
Wärmetauschers WX im Mittel verkleinert und clamii
auch die Turbineneintrittstemperatur erhöht.
Im Beispiel nach F i g. 3 bilden die in den vorhergehenden
Beispielen getrennten Wärmetauscher WX und Wi eine Baueinheit. Das aus der Turbine TX kommende
Abgas strömt mit einer Temperatur von etwa 330 C und einem Druck von 121 ata einer zusätzlichen Wärmctauschcrfläche
im Wärmetauscher IVl zu und beheizt damit über das in gleicher Richtung strömende
Niederdruckgas das durch die normale Rohrheizfläche in Gegenrichtung strömende Hochdruckgas. Die in dieser
und den nächsten Figuren eingetragenen Betriebswerte des Arbeitsgases gelten sinngemäß auch für die
Beispiele von F i g. 1 und F i g. 2.
Die zusätzliche Aufwärmung des der Turbine zuströmenden Hochdruekgases kann auch dadurch bewerkstelligt
werden, daß gemäß F i g. 4 aus der Hochdruckrohrheizfläche des Wärmetauschers WX ein Teilstrom
des Hochdruekgases von etwa 50% abgezweigt und in einem Wärmetauscher Wi, der vom Turbinenabgas
beaufschlagt ist, von etwa 260 auf 320°C aufgeheizt und anschließend wieder der Hochdruckrohrheizfläche zugeführt
wird. Die Abzweigung der gewünschten Menge des Hochdruekgases kann dabei in an sich bekannter
Weise durch einstellbare Drosseln gesteuert werden.
F i g. 5 zeigt eine weitere Variante zur Verwertung der Abgaswärme der Turbine TX. Hier wird das Abgas
bei einem Druck von etwa 113 ata und eine Temperatur
von 3600C dem vom Reaktor R kommenden Primärgasstrom
an einem Punkt zugemischt, wo dieses etwa die gleiche Temperatur hat, nach einer gemeinsamen
Abkühlung auf etwa 2700C wieder entnommen
und über ein oder mehrere parallelgeschaltete Umwälzgebläse Vi mit einem auf 120 ata erhöhten Druck
dem Reaktor zugeführt. Der Regenerativwärmetauscher VVl ist in diesem Beispiel in drei Teile u, b und <r
unterteilt, die äußerlich selbstverständlich eine Baueinheit bilden können. Die Armatur D 6 ist normalerweise
geöffnet. Beim Ausfall der Turbine TX und des Veriichters
VX kann die Nach- bzw. Notkühlung des Reaktors dadurch erfolglen, daß die Armatur D6 geschlossen
wird und der bzw. die Umwälzverdichtcr Vi unabhängig weiter angetrieben werden. Dabei öffnet
sich die Rückschlagarmatur 55 selbsttätig.
Außer diesen genannten Beispielen sind natürlich noch andere Möglichkeiten zur Rückführung der Turbinenabgaswärme
denkbar.
Wie bereits aus der Fi g.'l des Hauptpatentes zu ersehen,
lassen sich Wärmetauscher und Kühler zusammen mit dem eigentlichen Reaktor in einem gemeinsamen
Druckgefäß unterbringen. Die F i g. 6 zeigt als Beispiel einen Längsschnitt durch einen derartigen Aufbau,
bei dem als Kernreaktor R ein schneller Brüter vorgesehen ist. Der Druckbehälter DK ist in bekannter Weise
aus vorgefertigten Spannbetonteilen hergestellt. Die übrigen Bauelemente der Kernreaktoranlage sind mit
ihren normalen Schaltzeichen außerhalb dieses Längsschnittes zum besseren Verständnis der Strömungsführung
des Kühlgases dargestellt. Turbinen und Verdichter befinden sich also außerhalb des Druckgefäßes, jedoch
noch innerhalb des Sicherheitsbehälters, nicht jedoch
die Generatoren und ein eventueller Kühlwasserkreislauf. Das von oben aus dem Reaktor kommende
Kühlgas hat. wie in den Beispielen dargelegt, einen Druck von etwa 110 ata und eine Temperatur von
490'C. Es strömt zunächst in der Bchältcrmitie nach unten über einen Teil der Wärmetauscherrohre des Regcnerativwärmetauschcrs
WX. Durch Leitbleche geführt steigt das Niederdruckgas sodann in einer Ringzone nach oben an weiteren Rohrbündeln des Wärmetauschers
WX vorbei, zwischen denen Rohrbündel Wi
für die Abwärmerückführung (Turbinenaustrittsgas 120 ata) angeordnet sind. In der äußersten Ringzone
strömt alsdann das Gas wieder nach unten und wird dabei durch die wasserdurchströmten Rohrbündel des
Kühlers K f auf etwa 400C zurückgckühlt. Durch diese
spezielle Führung des Kühlgascs wird es möglich, die
bei Reaktorbetondruckbehältern übliche aufwendige Innenisolierung in weiten Bereichen wegzulassen, wobei
die Wasserkühlung der inneren Dichthaut des Druckgefäßes DK gleichzeitig einen Teil des Kühlsystem*
K X bildet. Die Rohrleitungen führen vorzugsweise durch den unteren verschiebbaren Konuspfropfen
des Druckbehälters, da sich dieser zu diesem Zweck besonders eignet. Die Rohrbündel der einzelnen Wärmetauscher
sind dabei selbstverständlich in an sich bekannter Weise zu Gruppen zusammengefaßt, die durch
Sammler und Ausglcichsräume miteinander in Verbindung stehen. Diese Einzelheiten, die an sich zum Stande
der Technik gehören, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht näher dargestellt. Es sei in diesem
Zusammenhang erwähnt, daß die Wärmetauscher beispielsweise als Wendel-Rohrbündel mit gleichem Steigungswinkel
in jeder Lage ausgeführt werden können. Werden aus Sicherheitsgründen mehrere parallelgcschaltete
Verdichter angewendet, so kann man jedem Verdichter im Inneren des Druckgefäßes einen Sammler
zuordnen und die einzelnen Rohrschlangen so gleichmäßig verteilt an die Sammler anschließen, daß
beim Ausfall einzelner Verdichter keine Strähnen heißen oder kalten Gases auf der Niederdruckseite des
Wärmetauschers entstehen können. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges kann es dabei zweckmäßig sein,
die innere und/oder äußere Oberfläche der Rohre mit an sich bekannten Rippen in Kreis- oder Wendelform
od. dgl. zu versehen.
Abschließend sei erwähnt, daß bei dieser vorgeschlagenen Kernreaktoranlagc ähnlich wie nach dem
Hauptpatent eine Aufspaltung des Kühlgasstromes aus dem Kernreaktor in zwei oder mehrere parallel an-
geordnete Kreisläufe möglich ist, was insbesondere auch für die Durchführung eines Teillastbetriebes Vorteile
bietet. Hinsichtlich der Notkühlung einer derartigen Anlage können auch jene Gesichtspunkte Berücksichtigung
finden, die in der deutschen Offenlcgungsschrift 16 01 656 niedergelegt sind.
Sollte es sich ergeben, daß im Reaktor Kühlmittel anfällt, dessen Temperatur niedriger als die Rcaktorausirittstempcraiur
ist, dann kann selbstverständlich auch dessen Wärincinhalt zur Verbesserung des gesamten
Wirkungsgrades des regenerativen Wärmeaustauschers auf das entsprechende Tcmperaiurnivcau zugeführt
werden. Solche Wärmemengen können beispielsweise freiwcrdcn im Moderator eines sehwerwasscrmodcricncn
CCh-gekühltcn Reaktors oder im radialen
Brutmantel eines CO2-gekühltcn Schncllhrutreaktors.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Kernkraftwerk mit CO2-Kühlung zur Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe einer Gasturbine,
wobei das COi vor der Beaufschlagung der Gasturbine in einem Verdichter komprimiert und
anschließend in einem Regenerativwärmetauschcr erhitzt wird und wobei das CO2 ohne Niederdruckentspannung
vom Reaktor in den Hochtemperaturteil des Regenerativwärmetauschers gelangt und mit einem Druck von mindestens 40 ata in den Anschließenden
Verdichter eintritt, nach Patent 15 64 655, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Anhebung der Gasturbineneiniriitstcmperatur
und damit des Gesamtwirkungsgrades des Kernkraftwerks zusätzliche Wärme von dem aus der
Gasturbine (Ti) austretenden Gas an das im Regeneralivwärmelauscher (W) aufgeheizte Hocjidruckgas
zugeführt wird.
2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Turbinenaustriusgas beheizter
zusätzlicher Wärmetauscher (W3) vorgesehen ist, der vom in einem ersten Abschnitt des Regenerativwärmetauschers
(Wl;)) teilweise abgekühlten Niederdruckgas durchströmt wird (F i g. 1).
3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Turbincnausiriusgas beheizter
zusätzlicher Wärmetauscher (W3) vorgesehen ist. der von einem Teilstrom des Hochdruckgases
aus dem Regenerativwärmetauscher (W I) oder dem vollen Strom desselben aus verschiedenen
Temperaiurstufcn des Regenerativ Wärmetauschers
(IV 1) durchströmt wird (F i g. 4. F i g. 2).
4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet,
daß das Turbincnaustriusgas den Regencraiivwännetauscher
(IVl) zur Nachheizung des aus dem Reaktor kommenden Kühlgases innerhalb
einer an entsprechender Stelle angeordneten zusätzlichen WärmetauseherHäehe durchströmt
(F i g. 3).
5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 und 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenaustrittsgas dem
aus dem Reaktor (R) kommenden Niederdruckgas in einer mittleren Stufe [W \b) des Regenerativwärmetauschers
zugemischt und nach dem Durchlaufen derselben mit Hilfe eines zusätzlichen Verdichters
(V3) wieder abgezogen und dem Kühlgaseintritt des Reaktors (R) zugeführt wird (F i g. 5).
6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß Kernreaktor (R) und Wärmetauscher
(W) sowie Kühler (K) in einem aus Spannbeton bestehenden gemeinsamen Druckbehälter
(DK) untergebracht sind, wobei die verschiedenen Wärmetauscher (Wl, W3) koaxial derart angeordnet
sind, daß der Kühler [K 1) in der äußersten Zone liegt (F i g. 6).
Priority Applications (4)
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Publications (1)
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