DE1764355B2

DE1764355B2 - Atomkraftanlage fuer ein gasfoermiges arbeitsmedium

Info

Publication number: DE1764355B2
Application number: DE19681764355
Authority: DE
Inventors: Ulrich Winterthur Zimmermann (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1968-05-22
Publication date: 1973-02-22
Also published as: DE1764355C3; DE1764355A1; NL6809196A; FR2008720A1; JPS5111277B1; US3748228A; GB1193609A; CH492279A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Atomkraftanlage mit einem Atomkernreaktor zur Erhitzung eines zum Betreiben der Kraftanlage dienenden Arbeitsgases, welches im Arbeitskreislauf von einer innerhalb eines Druckbehälters befindlichen, offenen Anfangsstelle zu einer ebenso innerhalb des Druckbehälters befindlichen offenen Endstelle und von da offen durch den Raum des Druckbehälters wieder zur Anfangsstelle zurückströmt.

Atomkraftanlagen der beschriebenen Gattung sind durch die französische Patentschrift 1 235 225 und die britische Patentschrift 966409 bekanntgeworden. In beiden Fällen handelt es sich um Atomreaktoren, deren Kühlgas im Innern des sie umschließenden Druckbehälters Dampferzeugern zugeführt wird, wobei das Kühlgas auf einem Teil des Kreislaufs nicht durch Leitungen strömt, sondern offen durch der Raum des Druckbehälters von einer Endstelle zu einer Anfangsstelle zurückströmt. T)as Kühlgas weist deshalb innerhalb des Kreislaufs nur _cj_n Druckgefälle auf, das zur Überwindui g des iitrömungswiderstandes nicht aber zur Leistung mechanischer Arbeit dient. Die Nutzleistung wird erst durch den Dampf in einer außerhalb des Druckbehälters angeordneten Dampfkraftmaschinenanlage erzeugt. Die Entwicklung der Kernreiktoren hat indessen dazu geführt, das Kühlmittel des Reaktors selber a's Antriebsmittel der Kraftmaschinenanlage zu verwen-

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den. Das Kühlgas ist deshalb als Leistungsträger im der nur die Anlage 5.2 in der Zeichnung vollständig Kreislauf durch den Reaktor und die Kraftmaschine dargestellt ist). Jede der Teilanlagen weist einen zu führen und unterliegt auf diesem Weg wesentli- Niederdruckverdichter 6.1 bzw. 6.2, einen Hochchen Druckveränderungen, die entsprechende VoIu- druckverdichter 7.1 bzw. 7.2 und eine Gasturbine 8.1 menveränderungen zur Folge haben. Außerdem wird bzw. 8.2 auf. Die drei Maschineneinheiten jeder der es sicherheitshalber notwendig, auch die Kraftma- beiden Teilanlagen besitzen eine gemeinsame Welle, schinenanlage innerhalb des Reaktorbehälters an- ⁵ die gasdicht und strahlungssicher durch die Wand zuordnen, um einen Austritt verseuchten Gases in die des Betonbehälters nach außen geführt ist und dort Atmosphäre zu verhüten. Dabei entsteht in erster Li- die mechanische Leistung auf einen elektrischen nie ein Problem hinsichtlich der Führung der Leitun- Stromerzeuger 9.1 bzw. 9.2 überträgt,
gen, die weit mehr Platz als die eigentliche Kraftma- An Wärmeaustauschern sind innerhalb des Beschinenanlage einnehmen. ¹⁰ tonbehälters untergebracht je ein Zwischenkühler

Aufgabe der Erfindung ist es, die Leitungen so 10.1 bzw. 10.2 zur Kühlung des Arbeitsgases zwi-

anzuordnen, daß der im Behälter zur Verfugung ste- sehen Niederdruck- und Hochdruckverdichter, ferner

hende Raum vollständig ausgenützt wird. eine Anzahl von Rekuperatoren 11, die beiden Teil-

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten anlagen gemeinsam dienen, und die Rückkühler 12, Atomkraftanlage dadurch gelöst, daß erfindungsge- ¹S die ebenso gemeinsam für beide Teilanlagen bemäß der Atomkernreaktor in einem ersten druckfest stimmt sind. Je ein Kanal 14.1 b7 . 14.2 von rohrfür den höchsten Reaktordruck ausgebildeten Teil- förmiger Gestalt verbindet die Niederdruckverdichter raum des Druckbehälters untergebracht ist, daß fer- 6.1 bzw. 6.2 mit den Zwischenkühlern 10.1 bzw. ner die Arbeitsgas führenden Maschinen dei Kraft- 10.2. Die Kanäle 15.1 bzw. 15.2 führen das Gas aus anlage in einem vom ersten Teilraum druckfest ge- ^ao den Zwischenkühlern in die Hochdruckverdichter 7.1 trennten zweiten Teilraum des Druckbehälters an- bzw. Ί.Ζ weiter. Dieses Kanalsystem 16 vereinigt das geordnet sind und de.ß schließlich die Anfangsstelle Arbeitsmittel der beiden Maschinenhälften und führt des Kreislaufes des Arbeitsgases in Strömungsrich- es in gleichmäßiger Verteilung in die Batterie der Retung vor dem Verdichter und die Endstelle hinter der kuperatoren 11. Der Abgang aus den Rekuperatoren Gasturbine im zweiten Teilraum angeordnet sind. ²5 erfolgt wiederum gemeinsam durch ein Kanalsystem

Eine solche Ausführung hat zur Wirkung, daß die 17, welches zum Reaktor 3 führt. Die Kanäle 18.1

Führung der Gase beim niedrigsten Druck und des- und 18.2 führen das Arbeitsgas dann wieder getrennt

halb beim höchsten Volumen keine Rohrleitung je einer der Turbinen 8.1 bzw. 8.2 zu. Nach Austritt

mehr erfordert. Eine solche würde schon wegen des aus den Turbinen durch die Kanäle 19.1 und 19.2

notwendigen Rohrdurchmessers in der Führung um- 3° verteilt eine Kammer 20 das Gas auf die einzelnen

ständlich und würde damit auch die Führung der Rekuperatoren 11. Aus den Rekuperatoren gelangt

Leitungen kleineren Durchmessers für die Gase hö- das Gas in den unter dem Zwischenboden 26 befind-

hern Drucks erschweren. Damit kann der Behälter liehen Teil des Raums 4 und schließlich durch die

und seine Wandstärke entsprechend verkleinert wer- Rückkühler 12 in den über dem Zwischenboden 26

den. 35 gelegenen Teil des Raums 4.

In der deutschen Auslegeschrift 1 614 610 ist eine Man sieht, daß auf diese Art ein Arbeitsweg für

Atomkraftanlage vorgeschlagen, bei welcher die das Arbeitsgas entsteht, der an der Eintrittsstelle

Kraftanlage in einem Teilraum des Reaktorbehälters 13.1 bzw. 13.2 der Niederdruckverdichter 6.1 bzw.

untergebracht ist. Bei dieser Anlage ist allerdings das 6.2 seinen Anfang nimmt und an der Austrittsstelle

Gas vollständig geschlossen in Rohrleitungen ge- 4° 21 der Rückkühler 12 endet. Von der Austrittsstelle

führt, so daß besonders bei größern Druckverhältnis- 21 bis zur Eintrittsstelle 13 durchquert das Arbeits-

sen etwa 1 :20 oder 1:40 ganz unförmige Rohrlei- mittel etwa mit der niedrigsten Kreislauftemperatur

tungen für die entspannten Gase entstehen müßten, und dem niedrigsten Kreislaufdruck den die Kraftan-

die gemäß Erfindung du^rch die offene Führung er- lage 5.1, 5.2 umgebenden Raum. Seine Geschwindig-

spart bleiben. 45 keit wird hierbei auf einen Bruchteil vermindert, so

Je ein Av.sführungsbeispiel des Erfindungsgegen- daß trotz des großen Volumens bei diesem Gaszustands ist in den F i g. 1 und 2 und in den F i g. 3 bis stand kein nennenswerter Druckabfall infolge Strö-6 schematisch dargestellt. Fig.7 veranschaulicht rr.un^swiderstand entstehen kann. Außerdem können vereinfacht den Verlauf des Kreislaufprozesses in so . uch Kanalanordnungen mit sehr großem Leieinem T,S-Diagramm. 5° tungsquerschnitt, welche baulich nur schwer unterzu-

Die Atomkraftanlage nach den F i g. 1 und 2 be- bringen wären, erspart werden.

sitzt als Umhüllung einen druckfesten und gasdichten Der Betonbehälter 1 weist im Innern an allen Behälter 1 aus armiertem Beton. Die Teilräume 2 Stellen einen Dri-k auf, der über dem Atomsphären- und 4 brauchen gegeneinander nicht absolut abge- druck liegt und mindestens dem niedrigsten Kreisdichtet zu sein, da der Behälter 1 die Anlagn als Ge- 55 laufdruck entspricht. Die beiden Teile des Raumes 4 Samtes streng gasdicht umschließt. Im Teilraum 2 ist sind miteinander durch die Rückkühler verbunden, der Atomreaktor 3 untergebracht, während die Kraft- die aber nur einen unbedeutenden durch den Ströanlage5 sich im Teilraum 4 befindet. Die Trennwand mungswiderstand des Gases in den Rückkühlern bezwischen den Teilräumen 2 und 4 muß mindestens stimmten Druckunterschied aufweisen, der nicht einden Unterschied der beiden Raumdrücke tragen. ^6o mal genügte, den Zwischenboden mit der Maschinen-Gleichwohl kann sie auch für höhere Differenz- anlage lj tragen. Der Boden 26 ist deshalb einfach drücke ausgelegt werden, wenn der Druckunterschied nach Maßgabe des Gewichts der zu tragenden AnIahöhere Werte z.B. im FrII einer Havarie annehmen geteile zu bemessen,
könnte. Der Zugang 24 zum Innenraum des Behälters 1

Die Kraftanlage 5.1, 5.2 besteht aus zwei glei- ⁶5 ist während des Betriebs dicht geschlossen zu halten,

chen, symmetrisch angeordneten Teilanlagen (von so daß allfällig verseuchtes Gas aus dem Innern nicht

ausströmen kann, auch dann nicht, wenn infolge einer allfälligen Havarie der gesamte Gasinhalt sich bis zum vollständigen Druckausgleich auf die beiden Teilräume2 und 4 verteilen würde. In diesem Fall müßte der Druck im Teilraum 4 beträchtlich ansteigen, während er im Teilraum 2 voraussichtlich absinken würde. Ein- und Auszuführen in und aus dem Betonbehälter ist ferner das Kühlwasser für die Zwischenkühler 10 und die Rückkühler 12. Leitungen 30 für die Zwischenkühler 10 und Leitungen 31 für die Rückkühler 12 sind hierzu zusammengefaßt, um sie durch eine einzige Dichtungsvorrichtung 32 durch die Behälterwand führen zu können.

Beim Entwurf dieses ersten Ausfiihrungsbeispieles war die Aufgabe gestellt, das Leitungswerk auf ein absolutes Minimum zu bringen, um im Sinne der allgemeinen Aufgabenstellung mit kleinstem Maschinenraum und so mit kleinstem Druckgefäßvolumen auszukommen. Durch die Anordnung eines Zwischenbodens im Raum 4 gelingt dies überraschend gut. Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispielcs ist die geometrisch überaus einfache Maschinenraumform, die zu einem leicht berechenbaren und wirtschaftlich günstig zu bauenden Druckgefäß führt. Die einfache Maschinenraumform bringt auch wesentliche Vorteile im Hinblick auf das Anbringen einer nötigenfalls erforderlichen Blechauskleidung des Raumes.

Die in den F^; g. 3 bis 6 gezeigte zweite Anlage unterscheidet sich gegenüber der ersten im wesentlichen dadurch, daß die Wärmeaustauscher rund um den Reaktor herum in einzelnen alveolenähnlichen Ausnehmungen der Behälterwand untergebracht sind. Wiederum beginnt der Arbeitsweg an einer Anfangsstcllc 13.1 bzw. 13.2, durchquert die Niederdruckverdichter 6.1 und 6.2 (von denen nur der zweite in der Zeichnung zu sehen ist), führt durch das Kanalsystem 14 in die Zwischenkühler 10.1 bzw. 10.2, aus diesen zurück durch das Kanalsystem 15 in die Hochdruckverdichter 7.1 bzw. 7.2, dann durch ein Kanalsystem 16, welches das Gas auf die einzelnen Rekuperatoren 11 verteilt. Aus den Rekuperatoren führt der Arbeitsweg weiter durch einzelne Leitungen 51 in den Teilraum 2 des Atomreaktors, durch die Leitungen 18.1 und 18.2 in die Turbinen 8.1 und 8.2 und durch Kanäle 19.1 und 19.2 in die Verteilkammer 20. Aus dieser führt der Arbeitsweg weiter durch einzelne Leitungen 53 zu den Rekuperatoren 11, weiter in die Rückkühler 12 und von hier durch die Ringkanäle 54 an die Endstelle 21. Beim niedrigsten Druck und etwa bei niedrigster Temperatur durchquert das Gas den die Maschinen der Kraftanlage umgebenden Raum und gelangt schließlich wieder an die Anfangsstelle 13, wodurch sein Arbeitskreislauf in sich geschlossen wird.

Bei Entwurf dieses Ausführungsbeispieles wurde bezweckt, die Wärmeübertrager leicht ausbaubar anzuordnen und, im Rahmen der eingangs gestellten Aufgabe, mit einer minimalen Arbeitsmittelmenge Z auszukommen. Um noch bei relativ hohem Grundwasserspiegel den Reaktor untergrund ausführen zu können, wurde überdies eine möglichst geringe Bauhöhe verlangt. Die Anwendung der Lehre der deutschen Patcntanmedlung S III 966 VIII/21 g vom

ίο 22.9. 67 führt zu einer räumlich überraschend einfachen Lösung, die trotz der relativ starken Zerklüftung des Betonkörpers mit einer relativ einfachen Bauforni, die sich leicht auskleiden läßt, auskommt. Im T,S-Diagramm stellt sich der Kreislauf praktisch wie der eines geschlossenen Gasturbinenprozesses dar. Am Punkt 60 (Fig. 7), der der Anfangs- 13 und der Endstelle 21 entspricht, besitzt das Arbeitsmittel die niedrigste Temperatur und den niedrigsten Druck. Es strömt in diesem Zustand in den Nicderdruckverdichter6 ein. Im Zwischenkühler 10 wird es sodann von Zustand 61 auf Zustand 62 gekühlt, um dann durch den Hochdruckverdichter? auf den Zustand 63 mit dem höchsten Kreislaufdruck gebracht zu werden. Es durchströmt anschließend bis zum Zustand 64 die Rekuperatoren 11 und wird schließlich im Reaktor 3 auf den Zustand höchster Temperatur am Punkt 65 weitergeführt. Durch Entspannung in der Turbine 8 wird das Arbeitsmitte! wieder auf niedrigeren Druck und niedrigere Temperatur (Zustand

66) gebracht. Bis zum Zustand 67 wird dem Arbeitsgas in den Rekuperatoren 11 Wärme entzogen (Zustand 67), worauf die Nachkühlung auf den Zustand 60 in den Rückkühlern 12 stattfindet. Die dem Arbeitsgas zwischen den Zuständen 66 und 67 entzogene Wärme wird ihm in den Rekuperatoren zwischen den Zuständen 63 und 64 wieder zugeführt.

In beiden Maschinenanlagen befindet sich das Arbeitsmittel beim Zustand 60 in dem die Maschinen 6, 7, 8 umgebenden Teil des Raumes 4 und strömt durch diesen vom Endpunkt 21 des Arbeitsweges zum Anfangspunkt 13 zurück, um den Arbeits' r 'islauf in sich zu schließen.

In der Anlage nach Fig. 1 und 2 strömt das Arbeitsmittel auch beim Zustand 67 zwischen den Rekuperatoren 11 und den Rückkühlern 12 frei in dem unter dem Boden 26 gelegenen Teil des Raumes 4. Hier wirkt sich die Führung durch den offenen Raum besonders günstig aus, weil liier infolge erhöhter Temperatur das spezifische Volumen sehr groß ist.

In beiden Anlagen durchströmt das Arbeitsmittel mit dem niedrigsten Druck und etwa niedrigster Temperatur entsprechend dem Zustand 60 den die Kraftanlage umgebenden Raum 4, um von der Endstelle 21 des Arbeitsweges wieder an die Anfangs-

stelle 13 zu gelangen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Atomkraftanlage mit einem Atomkernreaktor zur Erhitzung eines zum Betreiben der Kraftanlage dienenden Arbeitsgases, welches im Arbeitskreislauf von einer innerhalb eines Druckbehälters befindlichen, offenen Anfangsstelle zu einer ebenso innerhalb dw~ Druckbehälters befindlichen offenen Endstelle und von da offen durch den Raum des Druckbehälters wieder zur Anfangsstelle zurückströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Atomkernreaktor

(3) in einem ersten druckfest für den höchsten Reaktordruck ausgebildeten Teilraum (2) des Druckbehälters (1) untergebracht ist, daß ferner die Arbeitsgas fahrenden Maschinen (6, 7, 8) der Kraftanlage (5) in einem vom ersten Teilraum druckfest getrennten zweiten Teilraum (4) des Druckbehälters angeordnet sind und daß schließlich die Anfangsstelle (13) des Kreislaufes des Arbeitsgases in Strömungsrichtung vor dem Verdichter (6) und die Endstelle (21) hinter der Gasturbine (8) im zweiten Teilraum angeordnet sind.

2. Atomkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Kraftanlage bestimmte zweite Teilraum (4) durch einen Zwischenboden (26) in zwei Raumtei.e (4.1 und 4.2) getrennt ist.

3. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Raumteil (4.1) Maschinen (8.1, 8.2, 6.1, 6.2, 7.1, 7.2) der Kraftanlage und der zweite Raumteil (4.2) mindestens einen Teil der Wärmeübertrager enthält.

4. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkühler (12) an der Endstelle des Arbeitsweges im Zwischenboden (26) angeordnet sind.

5. Atomkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkühler (12) der Kraftanlage so angeordnet und so ausgebildet sind, daß sie das zu kühlende Arbeitsgas aus dem Rekuperatoren enthaltenden Raumteil (4.2) zugeführt erhalten und daß das gekühlte Gas in den die Maschinenanlage enthaltenden Raumteil (4 1) ausströmt und in diesem zum Eintritt (13.Ϊ und 13.2) des Niederdruckverdichters (6.1 bzw. 6.2) weiterströmt.

6. Atomkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu Beginn des Arbeitsweges (13) angeordnete Niederdruckverdichter (6) Arbeitsgas aus dem ihn umgebenden Raum

(4) durch mindestens einen offenen Zufuhrstutzen (i3.1 bzw. 13.2) entnimmt.

7. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekuperatoren (11) so angeordnet und ausgebildet sind, daß das auf ihrer Niederdruckseite gekühlte Gas in den zweiten Raumteil (4.2) ausströmt und in diesem zum Eintritt in die Rückkühler (12) weiterströmt.

8. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschinenanlage durch den Zwischenboden (26) getragen ist.

9. Atomkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkühler (12) durch den Zwischenboden (26) getragen sind und mit ihren Einlaßende in den Raum (4.2) unter dem

Boden und mit dem Auslaßende in den Raum (4.1) über dem Zwischenboden ragen.

K). Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenboden (26) einen Verteilkasten (20) für die Rekuperatoren (11) trägt

11. Atomkraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Verteilkasten (20) die Rekuperatoren aufgehängt sind.

12. Atomkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler 'vlO.1, 10.2) im Raumteil (4.1) untergebracht ist und einerseits mit dem Niederdruckverdichter (6.1, 6.2) und andererseits mit dem Hochdruckverdichter (7.1, 7.2) durch Rohrleitungen (14.1, 14.2 bzw. 15.1,15.2) verbunden ist.

13. Atomkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Wärmeübertrager (10, 11, 12) in Nebenräumen de Behälterwand untergebracht ist (F i g. 3 bis 6).

14. Atomkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Rekuperatoren (11) in Nebenräumen (55) der Wand des Behälters (1) untergebracht ist.

15. Atomkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Rückküh er (12) in Nebenräumen (55) der Wand des Behälters (1) untergebracht ist.

16. Atomkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkühler (10.1 und 10.2) in Nebenräumen (56) der Wand des Behälters (1) untergebracht sind und mit dem Hochdruckverdichter durch Rohrleitungen (14, 15) zur Zu- und Abführung des Arbeitsgases verbunden sind.