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BETRIEBSPROZESS FÜR ATOMICRAFTWERKE Der wirtschaftliche Betrieb der
Atomkraftwerke beruht auf der gleichzeitigen optimalen Lösung mehrerer technischer
Probleme. Hierher gehören die Probleme der Herstellung des überhitzten Dampfes,
des möglichst hohen Abbrands der Spaltstoffe in den Brennelementen - der sogenannten
Brennelementen-Charge - und der Lagerung der abgebrannten Brennelementen.
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Der überhitzte Dampf in den Atomkraftwerken kann - laut der Literatur
- auf mehrere Arten hergestellt werden; wlrd der sogenannte äussere fosile Überhitzer
eingebaut,
so besteht die Energiebasis - neben dem nuklearen Spaltstoff
- auch aus fossilen Brennstoffen /Kohle,Öl, Gas, usw./; wird dagegen der sogenannte
innere Überhitzer verwendet, z.B. beim Siedewasserreaktor, so kann die Energiebasis
ausschliesslich aus nuklearem Spaltstoff bestehen. Im Falle des Atomkraftwerks ist
die Möglichkeit der Anlegung unabhängig von der Lagerstätte der fossilen Heizstoffe
von grosser Bedeutung; deshalb. lohnt es sich alle technologische Anstrengungen
zur Vermeidung der Anwendung fossiler Heizstoffe unterzunehmen. Im Falle der Verwendung
eines inneren überhitzers werden die nuklearen Ein«eschaften des Kernreaktors im
allgemeinen verschlechtert, d.h. von derselben Brennelementen-Charge wird weniger
Spalt stoff abgebrannt. Deshalb wäre eine Methode zur Herstellung des überhitzten
Dampfes in den Kernreaktoren ohne fossilen Heizstoffen und mit der Aufrechterhaltung
guter nuklearer Eigenschaften sehr vorteilhaft.
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Der Abbrand der Spaltstoffe in den Brennelementen-Charge kann verbessert,
d.h. das sogenannte Abbrandwert erhöht werden, wenn neben einem aus nuklearer Hinsicht
schlechteren, wassergekühlten, eventuell Siedewasserreaktor auch ein schwerwassergekühlter
Kernreaktor mit besseren nuklearen Eigenschaften, der die im ersten Reaktor teilweise
abgebrannten Brennelementen-Charge /BrennelementeS nuklear weiterbrennen kann, ins
Atomkraftwerk eingebaut wird. Da aber die kalorische Eigenschaften eines schwerwassergekühlten
Kernreaktors nur unwesentlich von denen eines entsprechenden wassergekühlten Reaktors
abweichen, bedeutet diese Methode hinsichtlich der Herstellung des überhitzten Dampfes
keinen Vorteil. Deshalb wird der schwerwassergekühlte Kernreaktor gewöhnlich neben
dem wassergekühltem Reaktor in einer sogenannten Tandem-Compound Schaltung eingebaut,
wobei der schwerwassergekühlte Kernreaktor die teilweise abgebrannten Brennelemente
vom wassergekühlten Kernreaktor erhält und der Dampf
parallel in
beiden Reaktoren produziert wird, d.h., dassel be Dampf/Wasser-Arbeitsmittel nicht
durch die in den beiden Kernreaktoren produzierten Wärmeenergien nacheinander erhitzt
wird.
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Aus der Literatur ist es ferner bekannt, dass die kalorischen und
nuklearen Eigenschaften der mit sogenannten organischen Mitteln /z.B. Diphenyl,
Terphenyle/ gekühlten Kernreaktors ebenfalls gut sind und so können diese zur Herstellung
des überhitzten Dampf es im gegebenen Fall auch in Betracht gezogen werden; doch
treten bei der Verwendung organischer Mittel zahlreiche chemische Probleme auf and
ausserdem bleiben die kalorischen Leistungsdichtwerte weit unter den mit wasser-
oder schwerwassergekühlten Kernreaktoren erreichbaren Werte.
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Die Erfindung wünscht den möglichst wirtschaftlichen Betrieb der
Atomkraftwerke durch die gleichzeitige Lösung der möglichen Erhöhung des Abbrandwertes
und der Herstellung des überhitzten Dampfes zu sichern. Der Grundgedanke der Erfindung
ist die Erkennung, dass wenn die Brennelemente nach dem Abbrand im wassergekühlten
Reaktor, zur Erhöhung des Abbrandwertes im organischen Reaktor weitergebrannt werden,
so besteht die Möglichkeit, dass dasselbe Dampf/Wasser-Arbeitsmittel durch die aus
den beiden Arten von Kernreaktoren /beiden Kernreaktorsystemen/ gewinnbare Wärmeenergie
erhitzt und überhitzt wird. Bei einer auf diese Art durchgeführte Betriebsweise
werden die nuklearen und kalorischen Eigenschaften des wassergekühlten und des organisch
gekühlten Reaktors vorteilhaft vereinigt: sogar die in den organisch gekühlten Kernreaktoren
erreichbaren niedrigeren Leistungsdichten können zur Erhöhung des Abbrandwertes,
die bloss mit Hilfe des wassergekühlten Kernreaktors aus nuklearen Gründen nicht
erreicht werden kann, verwendet werden. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft im
Falle, wenn die abgebrannten Brennelemente bloss totes Kapital darstellen
und
ihre Lagerung Sorgen bereiten würde: die nuklearen Eigenschaften der organisch gekühlten
Kernreaktors, wenn diese zur Lagerung der abgebrannten Brennelemente eingerichtet
sind, werden nonh verbessert.
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Durch die Erfindung werden also die Probleme der Herstellung des
überhitzten Dampfes, der höhere Abbrand der Brennelemente und möglicherweise die
vorübergehende Lagerung derselben gleichzeitig gelöst. Neues dabei ist, dass durch
die Erfindung nicht bloss die Umladung der Brennlemente vom wassergekühlten Kernreaktorsystem
ins organisch gekühlte Kernreaktorsystem, sondern auch die Serienschaltung der Wasser/Dampf-Arbeitsmittels,
d.h. die Erhitzung desselben zuerst durch die im wassergekühlten und danach durch
die im organisch gekühlten Kernreaktoren produzierten Wärme vorgesehen wird. Auch
die Methode der Verwendung der im organisch gekühlten Kernreaktor produzierbaren
Hochtemperatur-Wärmeenergie zur Oberhitzung und eventuell zur Zwischenüberhitzung
des Wasser/Dampf-Arbeitsmittels könnte als zweckmässig erscheinen.
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Die Erfindung bezieht sich also auf ein Betriebsprozess für Atomkraftwerke,
wonach die den nuklearen Spaltstoff enthaltenden Brennelemente in ein wassergekühites
Kernreaktorsystem, wo sie während des Betriebs desselben Systems nuklear abgebrannt
werden, eingeladen, dann teils oder im ganzen, -oder mit einem weiteren Ersatz,
unmittelbar, oder mit der Einschaltung anderer Operationen ins organisch gekühlte
Kernreaktorsystem umgeladen werden, wobei mit Hilfe der während des Betriebs des
wassergekühlten Kernreaktors entstandene Wärme auch das Dampf/Wasser--Arbeitsmittel
erhitzt wird, das dann mit Hilfe der im organisch gekühlten Kernreaktorsystem entstandenen
Wärme weitererhitzt wird. Es ist zweckmässig das Dampf/Wasser--Arbeitsmittel während
der Weitererhitzung überzuhitzen und das organisch gekühlte Kernreaktorsystem auch
zur Lagerung der zur betriebsmässigen Verwendung nicht mehr geeigneten
Brennelemente
zu werwenden.
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In der Abbildung wird das vereinfachte Schema des im Sinne der Erfindung
organisierten Betriebs eines Atomkraftwerk dargestellt.
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Das Kühlwasser des Kernreaktors 1 wird über die Pumpe 6 über dem
Kernreaktor 1 und dem Wärmeaustauscher 3 zirkuliert. Ahnlicherweise wird das organische
Kühlmittel des Kernreaktors 2 über die Pumpe 8 über dem Kernreaktor 2 und den Wärmeaustauschern
4 und 5 ibrkuliert. Das durch die Leitung 9 ankommende Arbeitsmittel wird durch
die Speisepumpe 7 in den Wärmeaustauscher 3 gedrückt, wo es erhitzt und verdampft,
danach in den Wärmeaustauscher 4 geleitet, überhitzt und durch die Litung 10 zur
Verwendung, z.B. in den Turbinen, zurückgeleitet wird. Das durch die Leitung 12
ankommende Mittel wird durch die Pumpe 13 in den Wärmeaustauscher 5 gedrückt, wo
es Wärme aufnimmt und durch die Leitung 11 zur Verwendung abgeführt wird. Ist der
W§rmeaustauscher 5 eine Neuerhitzer-Einrichtung, so kann die Pumpe 13 entfallen
und der Dampfverkehr von, bzw. zu den Turbinen wird durch die Leitung 11 und 12
gesichert. Dabei werden die im Wassergekühlten Kernreaktor 1 abgebrannten Brennelemente
in den organisch gekühlten Kernreaktor hinübergeladen.
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Durch die Anwendung dieses Betriebsprozesses werden die folgenden
Vorteile gesichert: 1/ In frUhet verwendeten schwerwassergekühlten Kernreaktor #nnte
keinüberhitzten Dampf hergestellt werden und dabei war der Bau eines ebensolchen
Hochdruckbehälters, wie für an wassergekühlte Reaktorsystem, benötigt. Durch die
verwEndung des organisch gekühlten Reaktorsystems werden die Vorteile desselben:
der die Anwendung eines BetonbehgSters ermöglichende Niederdruck und die zur Oberhitzung
geeignete höhere Temperatur gesichert.
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2/ Auch weitere Vorteile werden durch die Verwendung des organisch
gekühlten Kernreaktors in der angegebenen Betriebsart erreicht. Dieses Kernreaktorsystem
kann - laut unseren Berechnungen - an einer 10maul niedrigeren Leistung, als das
wassergekühlte Kernreaktorsystem, betrieben werden; in diesem Fall kann die Wärmeleistung
kalorisch gut behandelt werden, die Ansprüche der Überhitzung und. der Zwischenüberhitzung
werden erfüllt, ausserdem ein Teil des zur lO$igen Erhöhung des Abbrandwertes notwendige
Reaktivitätsüberflusses, da die Kernreaktoren negative Leistungskoeffiziente haben,
durch die verminderte Leistung gesichert wird. Der andere Teil des notwendigen Reaktivitätsüberflusses
wird durch die nuklearen Eigenschaften des organisch gekühlten Kernreaktorsystems
selbst gegeben.
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3/ Wird zur Aufnahme des organisch gekühlten Kernreaktorsystems ein
Betonbehälter von befriedigenden Abmessungen verwendet, so wird auch die Funktion
der Lagerung der verbrauchten Brennelementen durch dasselbe Kernreaktorsystem erfüllt
und der erreichbare Abbrandswert durch seine nukleare Eigenschaften weiter verbessert.
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4/ Beträchtliche wissenschaftliche Vorteile werden durch die gleichzeitige
Lösung der Überhitsung und der Erhöhung des Abbrandwertes laut der Erfindung ermöglicht.
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Die wirtschaftliche Vorteile sind besonders betråchtlich, wenn die
Unkosten der Brennelexentenlagerung ebenfalls entfallen.
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5/ Die Einrichtung kann zweZkmAs8ig in Druckwasser-Atomkraftwerken
verwendet werden. Im Falle dieser Verwendung a/ entfallen /für eine gewisse Zeit/'die
Lagerungskosten; b/ die mit gesättigtem Dampf betriebene Dampfturbinen
können
eventuell durch billigere, mit überhitztem Dampf arbeitende Turbinen ersetzt werden;
c/ der notwendige vorgespannte Stahlbetonbehälter kann billiger hergestellt werden.
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Die Konzeption des Patents ist wie folgt: 1/ Die Elemente der Einrichtung
sind bekannt /Reaktor, Ü-berhitzer, Brennelementenspeicher, usw. / 2/ Die Elemente
des Verfahrens sind ebenfalls bekannt /Speicherung, Überhitzung, die Verwendung
eines organischen Mittels als Moderator, usw./ Die Frage ist, welche einzelnen Prozesse
mit welchen weiteren Auswirkungen zusammen, gleichzeitig, ineinanderfliessend -
und nicht in Reihe gekoppelt - auftreten.
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Durch die Erfindung wird die Speicherung mit dem weiteren Abbrand
vereinigt, mit der zusätzlichen Eigensehaft, dass der organische Reaktor auf derselben
Temperatur mit einem niedrigeren Druck betrieben wird. Gleichzeitig kommt auch ein
negativer tiktor zum Erscheinen, nämlich dass im organischen Reaktor die Brennelemente
verunreinigt werden.
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Dieser negative Faktor verliert aber seine Bedeutung, da im organischen
Reaktor die schon abgebrannten Brennelemente weitergebrannt werden, wodurch die
Bedeutung der Verunreinigung vermindert wird. Die Abmessungen des Reaktors können
wegen dem niedrigen Druck, mit der weiteren Übertragung der vereinigten Charakteristiken
leichter vergrössert werden; eine grosse Anzahl der Brennelemente können gespeichert
werden; die Energiedichte wird vermindert, die Temperaturgradient ebenfalls, wodurch
auch die Verunreinigung vermindertwird. Durch dasselbe Verfahren wird auch der Vorteil
erreicht, dass die verbrauchten Brennelemente infolge der verminderten Energiedichte
einer niedrigeren Belastung ausgesetzt werden. Gleichzeitig wird durch die Verwendung
des organischen Reaktors der Betrieb auf einem relativ niedrigeren Druck ermöglicht,
so dass das Reaktorgefäss aus Beton, also billiger ausgeführt werden kann.
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Durch diese Zusammenstellung - mit den innerhalb
einer
Einrichtung vereinigten Prozessen - wird die Herstellung von dberhitztem Dampf ermöglicht,
so dass in der Dampfturbine keine Nässeabscheider eingebaut werden müssen.
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Durch dasselbe Verfahren mit dem weiteren Abbrand der Brennelemente
wird nicht bloss Energie gewonnen, sondern auch der Wirkungsgrad wird verbessert,
die Dampfturbine wird vereinfacht und verbilligt und durch die Vereinigung der Prozesse
wird die Einstellung der natürlichen Zirkulation-/Abmessungen, Zone und Überhitzer/
im organischen Behälter ermöglicht.
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Die durch das Verfahren erreichte Ergebnisse sind wie folgt: eine
Leistungserhöhung von cca 10%; der weitere Abbrand der verbrauchten und stark beanpsruchten
Brennelemente, d.h. die Erhöhung der Energieabgabe; die Vereinfachung der Dampfturbine;
die Verwendung eines Betongefässes; infolge der Überhitzung die Erhöhung des Wirkungsgrads
der Einrichtung aus Kosten eines Betongefässes, der daraufmontierten Regeleinrichtung,
der eingebauten Überhitzer und Reinigflngseinrichtung. Die hier aufgezählten Vorteile
sind keine geschützten Punkte des Patents, wohl aber Kalkulationsfaktoren bei der
das Verfahren realisierenden Einrichtung.
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Der Nutzen des durch das Patent "Betriebsverfahren für Atomkraftswerke"
geschützten Verfahrens in den Atomkraftwerken Die gegenwärtige Lage in den Atomkiraftwerken
mit Druckreaktoren oder Siedwasserreaktoren Mit den Reaktoren wird gesättigter Dampf
mit niedrigen Parametern erzeugt. Es wäre vorteilhaft auch eine kleinere Erhöhung
der Parameter zu erreichen und überhitzten Dampf anstatt des gesättigten Dampfes
zur Erhöhung des Wirkungsgrads herzustellen; das ist aber heute noch kostspielig.
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In den Kraftwerken gibt es teurere, auch Dampfabscheider verwendende,
mit gesättigtem Dampf arbeitende, grossdimensionierte Trubinen. Es wäre vorteilhaft
billigere, mit überhitztem, oder sogar mit zwischenüberhitztem Dampf arbeitende
Turbinen von einer längeren Lebensdauer verwenden zu können.
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Die Reaktivität wird durch das in den Brennelementen erzeugte Xenon
und andere Giftstoffe stark niedergesetzt. Es wäre vorteilhaft die Brennelemente
gegen Ende der Betriebszeit mit einer niedrigeren Leistung zu betrieben, wodurch
das Vergiftungsniveau abgedrückt, anderseits die mechanischen und thermischen Belastungen
erst dann vermindert würden, wenn die Brennelemente,schon minderwertig sind. Dadurch
könnte der Abbrandwert erhöht werden.
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Nach dem Abbrand müssen die Brennelemente mit einem kostspieligen
Aufwand unter Druck gespeichert werden. Es wäre vorteilhaft, wenn auf irgendeiner
Art und Weise diese grösstenteils abgebrannten Brennelemente verwertet werden könnten.
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Die Lage in den Atomkraftwerken mit organischen Reaktoren.
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Es gibt nur ein Atomkraftwerk von diesem Typ. Warum? Der organisch
gekühlte Reaktor i8 teuer. Warum?
Im organischen Reaktor wird die
Oberfläche der Brennelemente verbraucht. Wird der Reaktor mit befriedigend guten
kalorischen Parametern betrieben, so geht das Anbrennen > Fouling während eines
Bruchteils der vorgesehenen Betriebszeit vor sich. Es wäre vorteilhaft, wenn die
Brennelemente bloss für eine kürzere Zeit ins organische Atomkraftwerk hineingelegt
werden müssten.
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Die Reinigung des organischen Kühlmittels kommt vielleicht auch so
zu teuer. Es wäre vorteilhaft, wenn der organische Kernreaktor mit einem Carnot-Wirkungsgrad
von 100 % arbeiten könnte, sozusagen im Aufsatz des Kraftwerks wobei - laut unseren
Berechnungen - der Mehrstrom bloss mit 0,6 Mill/kWh Reinigungsmehrkosten belastet
wäre.
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Es wäre natürlich vorteilhaft, wenn die Brennelemente billiger, oder
sogar kostenlos zur Verfügung des organischen Atomkraftwerks stehen würde.
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Bei all dem könnten die Vorteile des organischen Kernreaktors: der
niedrige Druck, die höhere Temperatur, die Verwendbarkeit des billigeren Betonbehälters
auch bestehen bleiben.
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Und es wäre auch vorteilhaft, wenn die thermische Leistung des organischen
Atomkraftwerks nicht zu hoch wäre, da über 100 thermische MW noch keine grossbetriebliche
ERfahrungen zur Verfügung stehen.
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All dies kann mit der Verwendung des Patents "Betriebsverfahren für
Atomkraftwerket' mit äusserst einfachen Mitteln erreicht werden. Es ist beinahe
unglaubbar, dass einige einfache Verfahren, in entsprechende Wechselwirkungen miteinander
gebracht, so vielfältigen Nutzen mit sich bringen können. Es ist leicht zu sagen,
dass überhitzen wir den gesättigten Dampf des Wasserreaktors durch einen organischen
Reaktor und betreiben wir diesen organischen Reaktor mit den verbrauchten Brennelementen
des Wasserrektors, mit einer Leistung von cca 10%; aber die vielen Wirkungen, wodurch
diese Konzeption ermöglicht und
sinnvoll wird, sind kompliziert.
Die dadurch erreibaren Ergeairisse im Vergleich mit dem originell mit einem Wasserreaktor
arbeitenden Atomkraftwerk sind: - Eine Verbesserung von cca 5-108 des Abbrandwertes.
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- Eine Verbesserung von cca 15-30% des Leistungsniveaus.
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- Eine reiative Verbesserung von cca 8-15% des Wirkungsgrads des
Kraftwerks.
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- Die Kosten der Brennelementenspeicherung werden niedriger.
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- Die Turbinen werden billiger und betriebssicherer.
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- Die thermische Verunreinigung der Umgebung wird nicht erhöht.
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Und all dies durch die geeignete Verwendung eines in einem billiger
aufgebautEn Betonbehälter untergebrachten, mit organischen Kühlmitteln gekühlten
Kernreaktors.