DE1947679A1 - Power plant with a nuclear reactor and MHD system for generating energy - Google Patents
Power plant with a nuclear reactor and MHD system for generating energyInfo
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Description
Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Main, (Eheodor-Stern-Kai 1Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt / Main, (Eheodor-Stern-Kai 1
Kraftwerk mit einem Kernreaktor und MHD-System zur Energieerzeugung Power plant with a nuclear reactor and MHD system for generating energy
Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk mit einem Kernreaktor und einem mit Alkalimetall als Arbeitsmittel arbeitenden MHD-System zur Energieerzeugung.The invention relates to a power plant with a nuclear reactor and an MHD system for energy generation that uses alkali metal as a working medium.
Zur wirtschaftlichen Nutzbarmachung der bei Kernreaktionen frei werdenden Energie 1st es bisher bekannt, den Reaktor durch Kühlmittel zu kühlen und die thermische Energie in nachgeschalteten Dampfkraftwerken in elektrische Energie umzuwandeln. Diese Dampfkraftwerke bestehen aus großen, mehrgehäusigen Dampfturbinen, die einen Generator antreiben. Weitere Aggregate dieser konventionellen Kraftwerke sind Kondensator und Vorwärmer. Alle diese Bauteile sind wegen ihrer baulichen Abmessungen und ihrer Betriebseigenschaften zur Energieerzeugung auf extraterrestrischen Flugkörpern und «Stationen nicht geeignet.For the economic utilization of the energy released during nuclear reactions, it has been known so far to use the reactor to cool by coolant and the thermal energy in downstream steam power plants into electrical energy to convert. These steam power plants consist of large, multi-casing steam turbines that drive a generator. Other units in these conventional power plants are condensers and preheaters. All of these components are due their structural dimensions and their operational properties for generating energy on extraterrestrial missiles and «Stations not suitable.
1 0 ') H 1 '] I η q 5 91 0 ') H 1 '] I η q 5 9
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Für solche Zwecke sind MHD-Systeme bekannt geworden, bei denen als Arbeltsmittel Alkallmetalle verwendet werden. Bas Arbeltsmittel, das als flüssige Phase vorliegt, nimmt die Wärme aus einem als Wärmequelle dienenden Reaktor auf und verdampft dabei teilweise. Die Enthalpie der Gasphase wird in kinetische Energie umgewandelt und dient zur Beschleunigung der flüssigen Phase, der die Energie in einem Hagnetfeld unmittelbar in Form elektrischer Energie entzogen wird.For such purposes, MHD systems have become known at which use alkali metals as agents. Bas Arbeltsmittel, which is present as a liquid phase, takes the Heat from a reactor serving as a heat source and partially evaporates in the process. The enthalpy of the gas phase is converted into kinetic energy and used to accelerate the liquid phase, which is the energy in a magnetic field is withdrawn directly in the form of electrical energy.
Der Verlauf eines solchen MHD-Arbeitsprozesses ist in Fig. der Zeichnung, und zwar im oberen Teil derselben, anhand eines Temperatur-Entropie-Diagramms dargestellt. Die Zustandsanderungen finden dabei in unmittelbarer Nähe der Sattdampflinie χ ■ 0 zum Teil im Flüssigkeitsgebiet und zum Teil im Naßdampfgebiet statt.The course of such an MHD work process is shown in Fig. the drawing, in the upper part of the same, shown using a temperature-entropy diagram. The state changes can be found in the immediate vicinity of the Saturated steam line χ ■ 0 takes place partly in the liquid area and partly in the wet steam area.
Ausgehend vom Punkt d, welcher den Austritt des Flüssigmetalls aus einem Atomreaktor kennzeichnet, wird das heiße Metall in einer Düse längs den Linien d-e und e-f entspannt, wobei es im zweiten Teil durch bereits abgekühltes, energiearmes Flüssigmetall gekühlt wird. Anschließend erfolgt längs der Linie f-b unter Kühlung die Kondensation der Zweiphasenströmung durch einen bereits abgekühlten Tel!strom des Arbeitsmittels. Dabei nimmt auch der Druck des Arbeitsmittels laufend ab, seine kinetische Energie wird entsprechend erhöht und im Punkt b erfolgt dann die Auskopplung der Energie im eigentlichen MHD-Generator, an dessen Elektroden die Nut»spannung abgenommen werden kann. Danach wird längs der Linie b-a das ArbeitsmittelStarting from point d, which marks the exit of the liquid metal from an atomic reactor, the hot one becomes Metal relaxes in a nozzle along the lines d-e and e-f, with it in the second part through already cooled, low-energy Liquid metal is cooled. The condensation of the then takes place along the line f-b with cooling Two-phase flow through an already cooled tel! Flow of the working medium. The pressure also decreases of the working medium continuously from, its kinetic energy is increased accordingly and in point b then takes place Decoupling of the energy in the actual MHD generator, from whose electrodes the slot voltage is tapped can. After that, the working equipment becomes along the line b-a
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durch ein Kühlmittel weiter abgekühlt, um mit einem später abzuzweigenden !Teil des relativ kalten Arbeitsmittels die Zweiphasenströmung kondensieren zu können. Vorher kann noch in einem Diffusor Druckenergie zurückgewonnen werden.further cooled by a coolant in order to use a part of the relatively cold working medium to be branched off later To be able to condense two-phase flow. Before this, pressure energy can be recovered in a diffuser.
Längs der Linie a-c, die als Isobare fast identisch mit der linken Grenzkurve (x « 0) ist, erfolgt eine Regenerativvorwärmung des flüssigen Arbeitsmittels durch die oben schon beschriebenen Vorgänge, ehe es schließlich im Zustand entsprechend Punkt c wieder in den Reaktor eintritt und dort weiter bis Punkt d erwärmt wird.Regenerative preheating takes place along line a-c, which as an isobar is almost identical to the left limit curve (x «0) of the liquid working medium through the processes already described above, before it is finally in the state re-enters the reactor according to point c and continues to be heated there until point d.
Von einem solchen MHD-System geht die Erfindung aus. Sie hat sich zur Aufgabe gestellt, eine vom Einsatzort unabhängige, wirtschaftliche Energieerzeugungsanlage auch für terrestrische Zwecke zu schaffen, deren Leistungsgröße in einfacher Weise verändert werden kann und die eine hohe Verfügbarkeit aufweist.The invention is based on such an MHD system. she has set itself the task of an economical energy generation system, independent of the place of use, also for terrestrial To create purposes whose performance level can be changed in a simple manner and which have a high level of availability having.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch den Aufbau des Kraftwerkes aus elektrisch parallel geschalteten Bausteinen, die Spaltstoffelemente des Reaktors und die Aggregate des MHD-Systems enthalten, wobei jeder Baustein einen geschlossenen Kreislauf darstellt, und durch Verwendung von Kühlluft zur Abführung der Prozeßrestwärme.This object is achieved according to the invention by building the power plant from electrically connected in parallel Building blocks that contain the fissile material elements of the reactor and the aggregates of the MHD system, each building block represents a closed circuit, and through the use of cooling air to dissipate the process residual heat.
Dabei kann vorteilhaft den Bausteinen eine Meerwasser-Entsalzungsanlage zur Verwertung der in der Kühlluft abge-A seawater desalination plant can advantageously be added to the building blocks to utilize the waste in the cooling air
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führten Wärme nachgeschaltet sein.led heat to be connected downstream.
Zweckmäßig ist es, wenn ein wabenförmiges Traggitter zur Halterung der Bausteine vorgesehen ist.It is useful if a honeycomb support grid for Bracket of the blocks is provided.
In weiterer zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zur Förderung der Kühlluft ein aus einem Verdichter und einer die Abwärme verwertenden Gasturbine bestehendes Triebwerk vorgesehen ist.In a further expedient embodiment of the invention, it is proposed that that to promote the cooling air from a compressor and a gas turbine utilizing the waste heat existing engine is provided.
Vorteilhafterweise ist dabei jedem Baustein ein Triebwerk zugeordnet.An engine is advantageously assigned to each module.
Die Steuerung der Bausteine geschieht elektronisch, als Steuerelemente erweisen sich die Bauelemente der Leistungselektronik als besonders geeignet. The components are controlled electronically; the power electronics components are particularly suitable as control elements.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Fig. 1 ein Schaltschema des MHD-Prozesses, Fig. 2 einen Baustein im Längsschnitt, fig. 3 einen Querschnitt durch ein Bündel von Bausteinen,1 shows a circuit diagram of the MHD process, FIG. 2 shows a module in longitudinal section, fig. 3 shows a cross section through a bundle of building blocks,
Fig. 4 einen MHD-Arbeitsprozeß und einen Triebwerks-Kreisprozeß im Temperatur(T)-Entropie(S)-Diagramm. 4 shows an MHD working process and an engine cycle in the temperature (T) entropy (S) diagram.
In Fig. 1 stellen 1 einen Reaktor, 2 eine Zweiphasendüse mit Zerstäubungsteil, 3 einen Hohlstrahlkondensator, 4 einen induktiven MHD-Wandler und 5 einen Kühler dar. Im Kühler 5 wird das im ausgezogenen Kreislauf in PfeilrichtungIn FIG. 1, 1 represents a reactor, 2 a two-phase nozzle with an atomizing part, 3 a hollow jet condenser, 4 an inductive MHD converter and 5 a cooler. Im This is the cooler 5 in the extended circuit in the direction of the arrow
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umlaufende flüssige Alkalimetall, beispielsweise Kalium, durch Luft gekühlt, die von einem Verdichter 7 gefördert wird und in einer Gasturbine 6 »um Antrieb des Verdichters ihre Enthalpie abgibt. Gasturbine 6 und Verdichter 7 sind zu einem Triebwerk 11, wie es aus der Luftfahrt bekannt ist, zusammengefaßt. Der Luftkreislauf ist gestrichelt dargestellt. circulating liquid alkali metal, for example potassium, cooled by air conveyed by a compressor 7 and emits its enthalpy in a gas turbine 6 »to drive the compressor. Gas turbine 6 and compressor 7 are combined to form an engine 11, as is known from aviation. The air circuit is shown in dashed lines.
Der sich ergebende MHD-Kreisprozeß ist bereits anhand Fig.4 erläutert worden. Der Triebwerksprozeß mit Luft stellt sich anhand des T,S-Diagramms (s. Fig. 4, unterer Teil) folgendermaßen dar:The resulting MHD cycle is already illustrated in FIG has been explained. The engine process with air is as follows on the basis of the T, S diagram (see Fig. 4, lower part) dar:
1. Verdichtung der Luft im Kompressor von h-i,1. Compression of the air in the compressor from h-i,
2. Kühlung des Arbeitsmittels und Erwärmung der Luft von i-k,2. Cooling of the working medium and heating of the air from i-k,
3. Entspannung der Luft in der Turbine von k-1 und3. Relaxation of the air in the turbine of k-1 and
4. Rückkühlung der Luft von 1-h.4. Recooling of the air for 1 hour.
Anstelle der Bückkühlung kann die Luft bei 1 auch ins freie gelassen und bei h Frischluft angesaugt werden.Instead of cooling, the air can also be let out at 1 and fresh air can be sucked in at h.
Gemäß Fig. 2 enthält ein Baustein 9 im wesentlichen die in Fig. 1 dargestellten Aggregate in Hintereinanderschaltung. Der Reaktor des Kraftwerks ist dabei in eine Reihe von den Bausteinen zugeordneten Spaltstoffelementen 1* unterteilt. Der Baustein 9 setzt sich aus Spaltstoffelement 1', Zweiphasendüse 2, Hohlstrahlkondensator 3> induktivem MHD-Vandler 4, dem Luftkühler 5 und dem Triebwerk 11 zusammen und bildet eine bauliche Einheit. Zwischen dem MHD-VandlerAccording to FIG. 2, a module 9 essentially contains the units shown in FIG. 1 connected in series. The reactor of the power plant is subdivided into a number of fissile material elements 1 * assigned to the building blocks. The building block 9 is made up of a fuel element 1 ', a two-phase nozzle 2, hollow jet capacitor 3> inductive MHD converter 4, the air cooler 5 and the engine 11 together and forms a structural unit. Between the MHD Vandler
1 0 0 H 1 Ί / η q 5 91 0 0 H 1 Ί / η q 5 9
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und dem Luftkühler 5 ist noch ein Element 8 eingeschaltet, das einen Diffusor und Kondensatoren zur Selbsterregung enthält. Hit 14 und 15 sind Abschirmwände und mit 13 ein elektrischer Anschluß des Bausteins zur Leistungsentnahme sowie für Steuer- und Meßleitungen bezeichnet. Der Kühllufteintritt erfolgt durch ein führungsrohr 12. Durch Auslaßöffnungen 16 gelangt die Kühlluft wieder ins Freie. Pfeile 17 kennzeichnen den Weg der Kühlluft.and an element 8 is switched on to the air cooler 5, which contains a diffuser and capacitors for self-excitation. Hit 14 and 15 are shielding walls and with 13 an electrical connection of the module for power extraction as well as for control and measuring lines. The cooling air is entered through a guide tube 12. The cooling air returns to the outside through outlet openings 16. Arrows 17 indicate the path of the cooling air.
Pig. 3 zeigt schließlich einen Querschnitt durch ein Bündel von Bausteinen 9» die von einem wabenförmigen Gitter 10 gehalten werden.Pig. Finally, FIG. 3 shows a cross section through a bundle of building blocks 9 »those of a honeycomb grid 10 being held.
Die einzelnen Aggregate der Bausteine sind hinsichtlich ihrer Wirkungsweise und ihres Anteils am Gesamtprozeß an sich bekannt. Die Erfindung liegt daher in dem Aufbau des Kraftwerkes aus solchen Bausteinen, die elektrisch parallel geschaltet und von einer elektronischen Rechenmaschine überwacht und dem Leistungsbedarf angepaßt optimal gesteuert werden.The individual units of the building blocks are different in terms of their mode of action and their share in the overall process known per se. The invention therefore resides in the structure of the power plant from such building blocks that are electrically connected in parallel and monitored by an electronic calculating machine and optimally adapted to the power requirement being controlled.
Durch die Verwendung von Luft als Kühlmittel bei der Abführung der Prozeßwärme wird eine weitgehende Unabhängigkeit des Kraftwerkstandortes erreicht. Um einen besseren Wärmeübergang und dadurch kleinere Kühlflächen zu gewährleisten, ist das aus Gasturbine und Verdichter bestehende Triebwerk vorgesehen, das Luft mit höherem Druck liefert und das die Verdichterantriebsleistung selbst in der Gas-The use of air as a coolant to dissipate the process heat means that the location of the power plant is largely independent. To a better one Ensuring heat transfer and thus smaller cooling surfaces is the task of gas turbine and compressor Engine provided that delivers air at higher pressure and that the compressor drive power even in the gas
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turbine aus der Abwärme des MHD-Frozesses erzeugt.turbine generated from the waste heat from the MHD process.
Damit die Bausteine auch hinsichtlich ihrer Kühlung entkoppelt sind, ist jedem Baustein ein Triebwerk zugeordnet, dessen Leistung sich dem speziellen Kühlbedarf anpaßt. Der parallele Betrieb mehrerer Bausteine in eines Kraftwerk bedingt jedoch eine Kopplung über den Neutronenfluß im Reaktor und über das elektrische Netz. Der Betriebszustand der Bausteine - "Kühlbetrieb", bei dem der MHD-Vandler unter Energieaufnahme aus dem Netz das Arbeitsmittel im Baustein umwälzt, oder "Leistungsbetrieb", bei dem im MHD-Vandler Energie an das Netz abgegeben wird - kann durch Neutronenflußerhöhung bzw. -absenkung im Spaltstoffelement gesteuert werden. Die natürliche Flußabsenkung in den Bandzonen des aus den Spaltstoffelementen der Bausteine bestehenden Gesamtreaktors bewirkt beispielsweise, daß die äußeren Bausteine ausschließlich im "Kühlbetrieb" gefahren werden.So that the modules are also decoupled with regard to their cooling an engine is assigned to each module, the output of which adapts to the specific cooling requirement. However, the parallel operation of several modules in a power plant requires coupling via the neutron flux in the reactor and via the electrical network. The operating status of the blocks - "cooling mode", in which the MHD Vandler while the work medium circulates in the module while absorbing energy from the network, or "power operation", in which the MHD-Vandler energy is transferred to the network - can be achieved by increasing or decreasing the neutron flux in the fission element being controlled. The natural lowering of the river in the band zones of the fissile material elements of the building blocks existing overall reactor causes, for example, that the outer modules are operated exclusively in "cooling mode" will.
Die Leistung des Kraftwerkes, d.h. die Anzahl der im "Leistungsbetrieb" befindlichen Bausteine, kann folglich in einfacher Weise über die Höhe des Neutronenflusses eingestellt werden. Das Begelverhalten eines solchen Kraftwerks ist dabei besonders günstig, weil im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken weder träge Kassen (Läufer) noch gespeicherte Energie (Dampfvolumen) berücksichtigt zu werden brauchen. So kann die Leistung des Kraftwerks auch großen Schwankungen des Leistungsbedarfs sehr schnellThe output of the power plant, i.e. the number of modules in "power operation", can consequently can be adjusted in a simple manner via the level of the neutron flux. The begging behavior of such Power plant is particularly cheap because, compared to conventional power plants, neither sluggish coffers (runners) stored energy (steam volume) is taken into account need to become. So the output of the power plant can also fluctuate large fluctuations in the power requirement very quickly
angePaßt werden.
6 109813/ΠΡ.59be adjusted.
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Sämtliche Bausteine werden von einer elektronischen Rechenmaschine überwacht und im Hinblick auf die geforderte, an das Nets abzugebende Leistung, gesteuert.All the building blocks are made by an electronic calculating machine monitored and controlled with regard to the required performance to be delivered to the Nets.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß bei einem Schaden das Kraftwerk nicht außer Betrieb gesetzt xu werden braucht, sondern allein der oder die betroffenen Bausteine schnell und einfach ausgewechselt werden können. Die Bausteine können serienmäßig hergestellt und geprüft und zum schnellen Einsatz auf Lager gehalten werden. Dadurch reduziert sich eine eventuell notwendige Reparaturzeit auf ein Minimum, die Verfügbarkeit des Kraftwerks ist also sehr hoch. Gegenüber dem konventionellen Kraftwerksbau wird sowohl die Fertigung als auch die Prüfung wesentlich vereinfacht. Kraftwerke unterschiedlicher Leistung differieren nur noch durch die Anzahl der Bausteine, die von dem Vabengitter 10 gehalten eine kompakte Anlage mit geringen Bauabmessungen bilden.Further advantages of the invention are that the power plant is not put out of operation in the event of damage xu are needed, but only the affected module or modules can be replaced quickly and easily. The building blocks can be mass-produced and tested and kept in stock for quick use. Through this any necessary repair time is reduced to a minimum, the availability of the power plant so is very high. Compared to conventional power plant construction, both the production and the testing much simplified. Power plants of different capacities only differ in the number of modules, which are held by the Vabengitter 10 form a compact system with small overall dimensions.
8 Seiten Beschreibung8 pages description
6 Patentansprüche6 claims
2 Blatt Zeichnungen mit 4- Figuren2 sheets of drawings with 4 figures
109813/0959109813/0959
Claims (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2405134A1 (en) * | 1974-01-30 | 1975-08-07 | Reinhart Dr Ing Radebold | PROCESS FOR STORAGE OF EXERGY IN THE FORM OF FREE ENTHALPY OF CHEMICAL COMPOUNDS AND ARRANGEMENT FOR CARRYING OUT THE PROCEDURE |
-
1969
- 1969-09-16 DE DE19691947679 patent/DE1947679A1/en active Pending
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1970
- 1970-09-04 GB GB4252470A patent/GB1253650A/en not_active Expired
- 1970-09-16 FR FR7033609A patent/FR2062214A5/fr not_active Expired
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2405134A1 (en) * | 1974-01-30 | 1975-08-07 | Reinhart Dr Ing Radebold | PROCESS FOR STORAGE OF EXERGY IN THE FORM OF FREE ENTHALPY OF CHEMICAL COMPOUNDS AND ARRANGEMENT FOR CARRYING OUT THE PROCEDURE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2062214A5 (en) | 1971-06-25 |
| SU375869A3 (en) | 1973-03-23 |
| GB1253650A (en) | 1971-11-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OHN | Withdrawal |