DE2323743A1 - Kernenergieanlage - Google Patents

Description

Patentanw&ft·

ΟΙρϊ.-ίη-> Π. η-ΕΤΖ Dlpl-'n . :«'. ί ■--'·"*"* "--^

Dr.-lr..-. t:. Π- ..- « ZJr. München 22, Sloirwdorfetr. 10

530-20.692P 10. 5· 1973

1. Evgenij IvanoviÄ GriSanin, Moskau (UdSSR)

2. Vladimir Grigor'evift Iljunin, Obninak Kaluftskoj oblasti (UdSSR)

3* Igor* Alekseevid Kuznecov, Obninsk skoj oblasti (UdSSR)

k. Viktor Michajlovift Murogov, Obninsk Kalufcskoj oblasti (UdSSR)

5. Anatolij Nikolaevift Smelev, Moskau (UdSSR)

Kernenergieanlage

Die Erfindung betrifft die Kerntechnik, insbesondere eine Kernenergieanlage, die in Atom- oder Kernkraftwerken eingesetzt wird.

Es sind Kernenergieanlagen bekannt, die eine Dampfkrafteinheit und mindestens zwei Kernreaktoren enthalten, deren einer mit Wasser unter hohem Druck gekühlt wird und eine niedrige Austrittstemperatur des Kühlmittels besitzt

303348/0494

53O-(P. h8 858/1)-Hd-r <8)

und deren anderer mit einem eine hohe Austrittstemperatur aufweisenden Wasserdampf gekühlt wird, wobei die Reaktoren Kühlkreisläufe aufweisen, die miteinander über einen Wärmeaustauscher zur darauffolgenden Wärmeübertragung von den Reaktoren zum Arbeitsmittel der Dampfkrafteinheit - zum Wasserdampf - gekoppelt sind (s. beispielsweise die SU-Zeitschrift "Wärmeenergetik", Moskau, 1963, N. 5, S. 35).

Bei den genannten bekannten Kernenergieanlagen kommen thermische Reaktoren zur Anwendung, wobei als Kühlmittel Wasser und Wasserdampf eingesetzt werden, was die Möglichkeit eines Brütens ausschließt und die Parameter des Arbeitsmittels der Turbine beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der genannten Nachteile eine Kernenergieanlage zu schaffen, bei der Reaktoren verwendet werden, die eine Vereinigung von hohen Burtraten mit hohen Parametern des Arbeitsmittels ermöglichen»

Diese Aufgabe wird bei einer Kernenergieanlage mit einer Dampfkrafteinheit und mindestens zwei Kernreaktoren, deren einer eine niedrige Austrittstemperatür des Kühlmittels und deren anderer eine hohe Austrittstemperatur des Kühlmittels aufweist und deren Kühlkreisläufe miteinander über einen Wärmeaustauscher zur darauffolgenden Wärmeübertragung von den Reaktoren zum Arbeitsmittel der Dampfkrafteinheit gekoppelt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reaktor mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels ein eine Spalt- und eine Brutzone enthaltender schneller Reaktor ist_o

309848/0494

Zur Ermöglichung einer weiten Variierung der Parameter jedes Reaktors sowie zur Ermöglichung der Benutzung verschiedener Kühlmittel zur Kühlung der Reaktoren ist es zweckmäßig, daß der Kühlkreislauf jedes Reaktors mit einem Wärmeaustauscher versehen ist, deren jeder in den Kreislauf des Arbeitsmittels der Dampfkrafteinheit serienmäßig eingeschaltet ist.

Es ist vorteilhaft, daß das Kühlmittel flüssiges Natrium oder flüssiges Lithium ist.

Zur Erhöhung der Brutraten ist es möglich, im Reaktor mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels einen metallischen Brennstoff und im Reaktor mit hoher Austrittstemperatur einen keramischen Brennstoff zu verwenden.

Zur Erniedrigung der mittleren Temperatur des Kühlmittels ist es auch von Nutzen, mindestens einen der Reaktoren in nicht weniger als zwei Unterzonen mit verschiedenen Austrittstemperaturen des Kühlmittels zu unterteilen, deren jede einem unabhängigen Kühlkreislauf angehört und mit einem in den Kreislauf des Arbeitsmittels der Dampfkrafteinheit serienmäßig eingeschalteten Wärmeaustauscher versehen ist.

Darüber hinaus ist es in einem Reaktor mit mehreren Unterzonen, die unabhängige Kreisläufe des Kühlmittels besitzen, am zweckmäßigsten, in den Unterzonen mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels einen metallischen Brennstoff und in den übrigen Unterzonen einen keramischen Brennstoff einzusetzen.

309848/0494

Wenn als Reaktor mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels ein schneller Reaktor verwendet wird, wird vorzugsweise zur Vergrößerung der Leistungsdichte des Kernbrennstoffes sowie zur Erhöhung der Temperatur des Arbeitsmittels der Reaktor mit hoher Austrittstemperatur des Kühlmittels in Form eines gasgekühiten thermischen Reaktors ausgeführt.

Zur Erhöhung der technisch-ökonomischen Eigenschaften einer Kernenergieanlage ist es nützlich, den schnellen Reaktor als einen gasgekühlten Reaktor auszuführen und als gasgekühlten thermischen Reaktor einen Gasgraphitreaktor zu verwenden.

Zur Ermöglichung einer komplexen Ausnutzung der Bodenschätze Uran und Thorium in einem gemischten Uran-Plutonium-Thorium-Zyklus ist es am zweckmäßigsten, in der Spaltzone des schnellen Reaktors einen plutonium- und uranhaltigen Brennstoff als Material der Brutzone Uran oder Thorium und in der Spaltzone des gasgekühlten Reaktors einen uran- und thoriumhaltigen Brennstoff zu verwenden»

Zur weiteren Erhöhung der Brutraten des Brennstoffes ist es vorteilhaft, Plutonium und Uran in Form einer Metallegierung zu benutzen.

Es ist auch nützlich, als Kühlmittel in den Reaktoren Helium oder Kohlendioxyd einzusetzen.

Zur Erhöhung der Sicherheit der Anlage unter gleichzeitiger Temperatürsteigerung beim Arbeitsmittel ist es

309848/0494

zweckmäßig, im gasgekühlten schnellen Reaktor als Kühlmittel Kohlendioxyd und im gasgekühlten thermischen Reaktor als Kühlmittel Helium einzusetzen.

Infolge eines großen Unterschiedes in den Leistungsdichten eines thermischen Gasgraphitreaktors bzw. eines gasgekühlten schnellen Reaktors ist es zweckmäßig, daß sich das Kühlmittel im Gasgraphitreaktor unter einem um nicht mehr als das 2Ofaehe kleineren Druck gegenüber dem Kühlmittel im gasgekühlten Schnellreaktor befindet.

Zur Vereinfachung der Konstruktion der Kernenergieanlage ist es möglich, die Kühlkreisläufe sämtlicher Reaktoren zu einem gemeinsamen Kreislauf zu vereinigen.

Zwecks Ermöglichung einer Änderung der Verhältnisse der Reaktorleistungen in der Kernenergieanlage wird zweck-Bäßigerweise mindestens der Ausgang eines Reaktors mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels an einen ihm entsprechenden Wärmeaustauscher angeschlossen.

Bei einer Kernenergieanlage, wo das Kühlmittel gleichzeitig als Arbeitsmittel verwendet wird, werden zweckmäßig alle Reaktoren in den Kreislauf des Arbeitsmittels serienmäßig eingeschaltet.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Sicherheit der Anlage ist es auch von Nutzen, als Arbeitsmittel Kohlendioxyd zu benutzen.

Zweckmfißigerweise wird bei der Kernenergieanlage in den Kreislauf mindestens zwischen zwei Reaktoren eine Gas-

309848/0494

turbine zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Druckverhältnisses des Kühlmittels in den Reaktoren eingeschaltet.

Zur Erhöhung der Sicherheit der Kernenergieanlage werden technologiegerecht die Reaktoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht«

Die erfindungsgemäße Kernenergieanlage gestattet es, gleichzeitig einen hohen Brutfaktor, der für die besten schnellen Reaktoren kennzeichnend ist, sowie hohe Parameter des Arbeitsmittels, die für die Hochtemperatur-Gasgraphitreaktoren kennzeichnend sind, zu erhalten.

Infolgedessen ist die Kernenergieanlage mit mehreren Reaktoren gleichzeitig durch hohe Brutraten für den Kernbrennstoff und niedrige Investitionsaufwendungen ausgezeichnet.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie beiliegender Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen?

Figo 1 das Schema einer Kernenergieanlage mit zwei Reaktoren, bei der als Reaktor mit niedriger Austrittstemperatür des Kühlmittels ein schneller Reaktor eingesetzt wird, gemäß der Erfindung;

Fig_o 2 das Schema einer Kernenergieanlage mit unabhängigen Kühlkreisläufen für jeden Reaktor, gemäß der Erfindung;

309 848/049

Fig. 3 das Schema einer Kernenergieanlage mit zwei Reaktoren, deren einer in die unabhängigen Kühlkreisläufe des Kühlmittels eingeschaltete Unterzonen aufweist, gemäß der Erfindung;

Fig. k das Schema einer Kernenergieanlage mit Reaktoren und Wärmeaustauschern, die in den gemeinsamen Kreislauf eingeschaltet sind, gemäß der Erfindung;

Flg. 5 das Schema einer Kernenergieanlage, bei der der Ausgang des Reaktors mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels mit einem ihm entsprechenden Wärmeaustauscher unmittelbar verbunden ist, gemäß der Erfindung;

Fig. 6 das Schema einer Kernenergieanlage, bei der das Kühlmittel als Arbeitsmittel verwendet wird, gemäß der Erfindung;

Fig. 7 das Schema einer Kernenergieanlage mit Kohlendioxyd als Arbeitsmittel, gemäß der Erfindung;

Fig. 8 das Schema einer Kernenergieanlage mit einer zwischen den Reaktoren geschalteten Gasturbine, gemäß der Erfindung; und

Fig. 9 das konstruktive Schema einer Kernenergieanlage, bei der die' Reaktoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, gemäß der Erfindung«

309848/0494

Die in Fig. 1 dargestellte Kernenergieanlage enthält einen schnellen Reaktor 1 mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels, der seine Leistung an einen thermischen Reaktor 2 mit hoher Austrittstemperatur des Kühlmittels über einen Wärmeaustauscher 3 mit Hilfe von Kühlkreisläufen 4 und 5 abgibt. Der Wärmeaustauscher 3 ist seinerseits mit einer Dampfkrafteinheit 6 der Kernenergieanlage verbunden.

Als Reaktor 1 mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels wird ein von einem flüssigen Metall-Natrium gekühlter schneller Reaktor benutzt. Als derartiges Kühlmittel aus flüssigem Metall kann auch Lithium verwendet werden. Als Brennstoff für den schnellen Reaktor kann ein metallischer Brennstoff dienen.

Als der Reaktor 2 mit hoher Austrittstemperatür des Kühlmittels kann sowohl ein schneller Reaktor als auch ein dampfgekühlter thermischer Reaktor, bei dem ein keramischer Brennstoff zur Anwendung gelangt, benutzt werden.

Die in Figo 2 schematisch dargestellte Kernenergieanlage enthält einen schnellen Reaktor 1 und einen thermischen Reaktor 2, die über selbständige Kühlkreisläufe 4 und 5 mit Wärmeaustauschern 3 und 7 verbunden sind, die ihrerseits mit einer Dampfkrafteinheit 6 mit Hilfe eines Kreislaufes 8 für das Arbeitsmittel gekoppelt sind.

Als der schnelle Reaktor 1 wird ein Reaktor benutzt, der im unabhängigen Kühlkreislauf h durch Natrium gekühlt wird, und als der thermische Reaktor 2 ein Reaktor, der im unabhängigen Kühlkreislauf 5 durch Gas oder Wasserdampf gekühlt wird.

309848/0494

Es kann als der Reaktor 2 auch ein sowohl natriumals auch gasgekühlter schneller Reaktor eingesetzt werden. Als Gas-Kühlmittel kann auch Kohlendioxyd oder Helium verwendet werden.

Falls die beiden Reaktoren 1 und 2 schnelle Reaktoren sind, ist der Reaktor 1 mit metallischem Brennstoff, d. h. mit uran- und plutoniumhaltiger Legierung und der Reaktor 2 mit keramischem Brennstoff beladen.

Die in Figo 3 schematisch dargestellte Kernenergieanlage unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Schema dadurch, daß der schnelle Reaktor 1 in eine Unterzone 9 mit niedrigerer Austrittstemperatur des Kühlmittels und eine Unterzone 10 mit höherer Austrittstemperatur des Kühlmittels unterteilt ist, die über unabhängige Kreisläufe 11 und 12 mit Wärmeaustauschern 13 bzw. 14 verbunden sind. Die Unterzone 9 ist mit metallischem und die Unterzone 10 mit keramischem Brennstoff beladen. Als Kühlmittel wird flüssiges Natrium benutzte

Zur Steigerung der Höchsttemperatur des Kühlmittels wird als der Reaktor 2 ein thermischer Gasgraphitreaktor verwendet, der es erlaubt, die Temperatur des Kühlmittels beim Austritt aus dem Reaktor bis auf 1000 C zu erhöhen.

Der größte Brutfaktor und die höchsten Parameter beim Austritt aus dem Reaktor können erreicht werden, wenn als der Reaktor 2 ein thermischer Gasgraphitreaktor und als der Reaktor 1 ein gasgekühlter schneller Reaktor verwendet wird ο

309848/0494

Zur Ermöglichung einer komplexen Ausnutzung der Bodenschätze uran und Thorium ist es notwendig, die Spaltzone des schnellen Reaktors 1 mit Plutoniumbrennstoff in einem Gemisch mit Uran und die Brutzone mit einem Brennstoff aus Uran oder Thorium zu beladen. Als spaltbares Isotop in der Spaltzone des schnellen Reaktors 1 wird Uran 235 benutzt. Es wird in dieser Zone auch dessen Isotop Uran 233 verwendet» Zweckmäßigerweise wird der thermische Gasgraphitreaktor 2 mit einem Brennstoff in Form einer Mischung von Uran und Thorium beladen.

Als Brennstoff des schnellen Reaktors T wird vorzugsweise der metallische Plutoniumbrennstoff und als Brennstoff des Gasgraphitreaktors 2 ein Hochtemperaturbrennstoff auf der Basis von Uran und Thorium in einer Graphitmatrize verwendet.,

Als Gaskühlmittel sind Helium, das es ermöglicht, beim Austritt eine Temperatur von über 1000 C zu erhalten, und Kohlendioxyd, dessen Verwendung die Sicherheit der Anlage erhöht, am effektivsten»

Zur Gewährleistung von günstigsten Bedingungen für die Wärmeableitung von jedem Reaktor zum gemeinsamen Arbeitsmittel - Wasserdampf - werden in den Reaktoren verschiedene Kühlmittel eingesetzte

Die Anwendung von Helium als Kühlmittel im thermischen Gasgraphitreaktor 2 und von Kohlendioxyd im gasgekühlten schnellen Reaktor 1 läßt gleichzeitig eine hohe Austrittstemperatur des Kühlmittels und die besten Werte im Brüten und der Sicherheit des schnellen Reaktors T erreichen ο

30&848/Ö494

Hierbei wird der Druck des Kühlmittels im thermischen Gasgraphitreaktor 2 nicht mehr als 20mal kleiner als der Druck im gasgekühlten schnellen Reaktor 1 gewählt, weil dessen Leistungsdichte um zwei Größenordnungen höher ist.

Die in Fig. k schematisch dargestellte Kernenergieanlage unterscheidet sich vom Schema nach Fig. 2 dadurch, daß die Reaktoren 1 und 2 in einen gemeinsamen Kreislauf 15 zusammen mit einem gemeinsamen Wärmeaustauscher 16 nacheinander in Flußrichtung des Kühlmittels eingeschaltet sind.

Die in Figo 5 schematisch dargestellte Kernenergieanlage unterscheidet sich von der in Fig. k dargestellten dadurch, daß sie eine Rohrleitung 17 enthält, die den Ausgang des schnellen Reaktors 1 mit einem ihm entsprechenden, parallel zu einem Wärmeaustauscher 14 geschalteten Wärmeaustauscher 13 zur besseren Anpassung der Leistungen der Reaktoren 1 und 2 verbindet. Die Wärmeaustauscher 7, 13 und 14 können in Form eines gemeinsamen (nicht gezeigten) Wärmeaustauschers ausgeführt sein; in diesem Fall muß die Rohrleitung 17 mit dem Niedertemperatur-Teil dieses Wärmeaustauschers gekoppelt sein.

Die in Fig. 6 schematisch dargestellte Kernenergieanlage enthält im Unterschied zum Schema nach Fig. k eine Gasturbine 18 und einen Regenerator 19» die in den Kreislauf 15 in Reihe mit den Reaktoren 1 und 2 eingeschaltet sind, sowie einen Kühler 20, Verdichter 21 und 22 und einen Zwischenkühler 23» die an den Regenerator 19 angeschlossen sind.

309848/0494

Die in Fig. 7 schematisch dargestellte Kernenergieanlage enthält im Unterschied zum Schema nach Fig. k eine Gasturbine 18 und einen Regenerator 19» die in den gemeinsamen Kreislauf 15 in Reihe mit den Reaktoren 1 und 2 eingeschaltet sind, sowie einen Kondensator 2.h und eine Pumpe 25, die an den Regenerator 19 angeschlossen sind.

Die in Fig. 8 schematisch dargestellte Kernenergieanlage enthält im Unterschied zum Schema nach Fig. 7 eine zwischen den Reaktoren 1 und 2 geschaltete zusätzliche Turbine 26.

Die Kernenergieanlage, deren Konstruktionsschema in Fig. 9 angeführt ist, enthält einen innerhalb eines Hohlraumes 27 des thermischen Reaktors 2 untergebrachten gasgekühlten Schnellreaktor 1, einen Niedertemperatur-Wärmeaustauscher 3 und einen Hochtemperatur-Wärmeaustauscher 7, Gasgebläse 28_s einen als Sammler des aus dem Reaktor 1 austretenden Kühlmittels und Verteilungssammler des Reaktors 2 dienenden Kasten 29c Die aufgezählte Ausrüstung ist in einem gemeinsamen Gehäuse 30 untergebracht«

Wenn beim schnellen Reaktor 1 der Druck des Kühlmittels höher als der Druck des Kühlmittels im thermischen Reaktor 2 liegt, so weist der schnelle Reaktor 1 ein eigenes für einen hohen Druck ausgelegtes Gehäuse (nicht gezeigt) auf, und es wird innerhalb des Gehäuses 3O des Reaktors 2 untergebracht, wobei das Gehäuse 30 als eine Schutzhülle (im Havariefall) für den schnellen Reaktor 1 auftritto

Die in Fig. 1 dargestellte Kernenergieanlage arbeitet wie folgts

309848/0494

Das im Kühlkreislauf 4 umlaufende Kühlmittel des schnellen Reaktors 1 - flüssiges Natrium - Bit einer Eintrittstemperatur von 250 bis 300 °C und mit einer Austrittstemperatur von 350 bis 500 °C überträgt die Wärme vom Reaktor 1 über den Wärmeaustauscher 3 in den Kühlkreislauf 5 des Reaktors 2, dessen Kühlmittel ebenfalls als Arbeitsmittel der Dampfkrafteinheit 6 der Kernenergieanlage auftritt.

Die in Fig. 2 dargestellte Kernenergieanlage arbeitet wie folgt;

Der schnelle Reaktor 1 wird von einem im Kühlkreislauf h umlaufenden und die Wärme vom Reaktor 1 zum Wärmeaustauscher 3 übertragenden Kühlmittel gekühlt, wobei im Wärmeaustauscher 3 das Arbeitsmittel der Dampfkrafteinheit 6 erhitzt und verdampft wird.

Der Reaktor 2 wird von einem Kühlmittel gekühlt, das im Kühlkreislauf 5 umläuft und die Wärme des Reaktors 2 zum Wärmeaustauscher 7 überträgt, wo sie zur Überhitzung und Zwischenüberhitzung des Arbeitsmittels der Dampfkrafteinheit 6 benutzt wird.

Die in Fig. 3 dargestellte Kernenergieanlage arbeitet wie folgt:

Die Unterzone 9 des schnellen Reaktors 1 wird von einem Kühlmittel gekühlt, das im Kühlkreislauf 11 umläuft und die Wärme der Unterzone 9 zum Wärmeaustauscher 13 überträgt, wo sie zum Vorwärmen des im Kühlkreislauf 8 umlaufenden Arbeitsmittels verwendet wird. Die Unterzone 10

309848/0494

wird von einem Kühlmittel gekühlt, das im Kühlkreislauf 12 umläuft und die Wärme der Unterzone 10 zum Wärmeaustauscher 14 überträgt, wo sie sowohl zum teilweisen als auch zum völligen Verdampfen des im Kühlkreislauf 8 umlaufenden Arbeitsmittels ausgenutzt wird. Der Reaktor 2 wird von einem Kühlmittel gekühlt, das im Kühlkreislauf 5 umläuft und die Wärme des Reaktors 2 zum Wärmeaustauscher 7 überträgt, wo sie zur Überhitzung und Zwischenüberhitzung des im Kühlkreislauf 8 umlaufenden Arbeitsmittels benutzt wird.

Die in Fig. k dargestellte Kernenergieanlage arbeitet wie folgt?

Das Gas-Kühlmittel mit einer Temperatur von 250 bis 300 C und unter einem Druck von 100 bis 300 ata gelangt in den schnellen Reaktor 1, wird darin bis auf 400 bis 500 C erwärmt und in den Reaktor 2 geschickt, aus dem es mit einer Temperatur von 600 bis 800 C in den Wärmeaustauscher 16 gelangt, wo die Wärme der beiden Reaktoren 1 und 2 an das im Kühlkreislauf 8 umlaufende Arbeitsmittel abgegeben wird.

Dieses Schema ist konstruktionsmäßig am einfachsten, es ist aber schwer, bei diesem das notwendige Verhältnis der Leistung zur Durchflußmenge des Kühlmittels in den Reaktoren 1 und 2 zu sichern.

Die in Fig» 5 dargestellte Kernenergieanlage arbeitet wie folgts

Das für die Reaktoren 1 und 2 gemeinsame Gas-Kühl-

3Q9848/049 4

mittel gelangt bei einem Druck von 70 bis 150 ata in den schnellen Reaktor 1 mit einer Temperatur von 250 bis 300 ι wo es auf eine Temperatur von 400 bis 500 °C erhitzt wird.

Ferner gelangt das Kühlmittel zum Teil in den Reaktor 2, wo es auf eine Temperatur von beispielsweise 700 bis 1000 °C erwärmt und dann in den Wärmeaustauscher 7 geschickt wird, wo das Kühlmittel auf eine Temperatur von caο 400 bis 600 C abgekühlt wird, wobei es die Wärme zur Überhitzung und Zwischenüberhitzung des im Kühlkreislauf 8 umlaufenden Arbeitsmittels abgibt. Xm weiteren gelangt derselbe Teil des Kühlmittels in den Wärmeaustauscher ik_t in dem er die Wärme zum Verdampfen und Vorwärmen des den Wärmeaustauscher 14 durchlaufenden Teils des Arbeitsmittels abgibt. Hierbei wird das Kühlmittel auf eine Temperatur von 250 bis 300 °C abgekühlt und in den Reaktor 1 geschickte Der andere Teil des aus dem Reaktor 1 austretenden Kühlmittels gelangt über die Rohrleitung 17 unmittelbar in den Wärmeaustauscher 13 und wird darin auf eine Temperatur von 250 bis 3°0 C gekühlt und wieder in den Reaktor 1 geleitet. Im Wärmeaustauscher 13 wird auch der andere Teil des den Wärmeaustauscher 13 durchlaufenden Arbeitsmittels verdampft und vorgewärmt. Die Auswahl der hydraulischen Eigenschaften der Reaktoren 1 und 2, des Kühlkreislaufes k und der Wärmeaustauscher 7» 13 und 14-kann praktisch ein beliebiges notwendiges Verhältnis der Durchflußmengen des Kühlmittels in den Reaktoren 1 und 2 und dadurch das günstigste Verhältnis für die Leistungen und Parameter des Kühlmittels in den Reaktoren 1 und 2 sicherstellen.

Die in Fig. 6 dargestellte Kernenergieanlage arbeitet wie folgts

309848/0494

- ιβ -

Das Gas-Kühlmittel mit einer Temperatur von 200 bis 300 C gelangt in den schnellen Reaktor 1 und dann mit einer Temperatur von 350 bis 450 C in den thermischen Reaktor 2, wo es auf 600 bis 800 °C erwärmt wird. Das Heißgas gelangt in die Gasturbine 18, wo es sich bis zum vorgegebenen Druck ausdehnt. Aus der Turbine 18 wird das Gas in den Regenerator 19 geleitet _t wo es auf eine Temperatur von ungefähr 50 bis 100 C gekühlt und dann in den Kühler 20 geschickt wird, wo das Gas auf eine Temperatur von ca. 30 C wieder gekühlt wird. Das Kaltgas wird in die Verdichter 21 und 22 mit einer Zwischenkühlung im Kühler 23 geleitet. Die Stufenzahl der Kühlung kann auch mehr als zwei betragen. Das Gas gelangt unter hohem Druck aus dem Verdichter 22 in den Regenerator 19» iⁿ dem es auf eine Temperatur von 200 bis 300 C erhitzt und in den schnellen Reaktor 1 geschickt wird.

Jedoch gelingt es aufgrund der Begrenzung des Wertes der Erhitzung nicht₈ die Möglichkeit des Reaktors 2 im Falle der Anwendung von Helium als Arbeitsmittel auszunutzen. Selbst bei einer Austrittstemperatur von über 1000 C beträgt der Netto-Wirkungsgrad des Zyklus ledi lich 30 io bei einer zulässigen Austrittstemperatur von 560 °C im schnellen Reaktor 1 und beim Verhältnis der stungen der Reaktoren 1 und 2 von 50 %/50 #.

Zur Vergrößerung der gesamten Erhitzung in den beiden Reaktoren 1 und 2 sieht man sich gezwungen, für Helium den Expansionsgrad in der Turbine 18 zu erhöhen sowie eine mehrstufige Verdichtung mit einer.Zwischenkühlung anzuwenden.

309848/04

Effektiver ist die Anwendung von Gas-Kühlmitteln, die es gestatten, einen Kondensationszyklus zu verwirklichen. Als ein derartiges Kühlmittel kommt Kohlendioxyd in Frage. Für solche Zyklen sind ein großer Expansionsgrad in der Turbine 18 und eine große Erhitzung des Kühlmittels vorteilhaft, die (außer dem großen Expansionsgrad in der Turbine 18) durch einen großen Unterschied im Wert der Wärmekapazität des Arbeitsmittels im Regenerator 19 bedingt ist.

Darüber hinaus gestattet die Verdichtung von Kohlendioxyd in flüssiger Phase, einen recht hohen Wirkungsgrad bei einer Austrittstemperatur im schnellen Reaktor zu erhalten, die 1
Helium liegt.

haiten„ die um 100 bis 150 C niedriger gegenüber der von

Die in Fig. 7 dargestellte Kernenergieanlage mit Kohlendioxyd als Arbeits- und zugleich Kühlmittel arbeitet wie folgts

Das Kühlmittel mit einer Temperatur von 250 bis 350 °C und unter einem Druck von 100 bis 200 ata gelangt auf den Eingang des schnellen Reaktors 1₉ wird auf eine Temperatur von 370 bis 470 C erhitzt und gelangt dann in den thermischen Reaktor 2, wo es auf eine Temperatur von 600 bis 7OO C erwärmt wird. Bei dieser Temperatur kommt das Gas in die Turbine 18. Das Abgas mit einem dem Sättigungsdruck (für Kohlendioxyd 65 ata) nahen Druck gelangt nach der Turbine 18 in den Regenerator 19» wo es auf eine Temperatur von 60 bis 75 C gekühlt wird, wobei die Wärme an Hochdruck-Kohlendioxyd abgegeben wird. Aus dem Regenerator 19 wird das Gas in den Kondensator 2k geleitet, wo es kon-

309 8 48/04

densiert und mit Hilfe der Pumpe 25 unter einem Druck von 110 bis 210 ata wieder in den Regenerator 19 gegeben wird. Im Regenerator 19 wird das Gas unter hohem Druck auf eine Temperatur von 250
Reaktor 1 geleitet.

Temperatur von 250 bis 350 C erhitzt und in den schnellen

Bei diesem Schema ist es notwendig, den Druck des Kühlmittels in den Reaktoren 1 und 2 auf einem Mittelwert zwischen dem für die thermischen Reaktoren technisch begründeten (40 bis 6o ata) und dem für die schnellen Reaktoren besser geeigneten Druck (1OO bis 300 ata) zu wählen.

Die in Fig. 8 dargestellte Kernenergieanlage, die es ermöglicht, das erforderliche Druckverhältnis in den Reaktoren zu sichern, arbeitet folgendermaßens

Das Gas gelangt unter einem Druck von 150 bis 400 ata mit einer Temperatur von 250 bis 350 C in den schnellen Reaktor 1, wird darin auf 400 bis 500 °C erhitzt und dann in die Turbine 26 geleitet, wo es sich bis zu einem Druck von 100 bis 150 ata ausdehnt, und kommt in den thermischen Reaktor 2, Darin wird das Gas auf 600 bis 800 °C erwärmt und in die Turbine 18 geleitet₉ wo es sich bis zu einem Druck von 65 ata ausdehnt.

Ferner wird das Gas im Regenerator 19 abgekühlt, im Kondensator 2k kondensiert und dann mit der Pumpe 25 in den Regenerator 19 rückgepumpt, wo es auf eine Temperatur von 250 bis 350 C erhitzt wird, und in den schnellen Reaktor 1 geleitet. Falls Kohlendioxyd zur Anwendung kommt, ist es vorteilhafterj ein Schema mit zweistufiger Ver-

309848/0494

dichtung zuerst in einer Gas- und dann in einer Flüssigkeitsphase zu benutzen. Ein derartiges Schema gestattet es, im thermischen Reaktor 2 einen niedrigeren Druck (unterhalb vom Sättigungsdruck, d. h. unterhalb von 60 ata) zu erzielen, was technisch begründeter ist, und zur selben Zeit einen annehmbaren Druck für den schnellen Reaktor 1 (oberhalb von 100 ata) zu erhalten.

Die Kernenergieanlage, deren Konstruktionsschema in Fig. 9 dargestellt ist, arbeitet wie folgtί

Helium gelangt unter einem Druck von 70 bis 100 ata und mit einer Temperatur von 300 C, indem es sich von oben nach unten bewegt, in den im Hohlraum 27 d<3s Zentralteiles des thermischen Reaktors 2 liegenden schnellen Reaktor 1. Aus dem Reaktor 1 gelangt das Kühlmittel mit einer Temperatur von 450 bis 500 C in den Kasten 29, der zugleich die Funktionen eines Sammlers für das aus dem Reaktor 1 ausströmende Gas und eines Verteilungssammlers am Eingang in den Reaktor 2 ausführt.

Aus dem Reaktor 1 gelangt das Gas zum Teil in den Reaktor 2, in dem es auf eine Temperatur von 600 bis 800 C erhitzt und aus dem es in den Wärmeaustauscher 7 geschickt wird, wo das Gas auf eine Temperatur von ungefähr 300 C abgekühlt wird. Hierbei wird seine Wärme zum Vorwärmen und Verdampfen eines Teiles des Arbeitsmittels und zur Überhitzung und Zwischenüberhitzung des gesamten Arbeitsmittels benutzt«, Der übrige Teil des Gases aus dem schnellen Reaktor 1 gelangt unmittelbar aus dem Kasten 29 in den Wärmeaustauscher 3» in dem er ebenfalls auf eine Temperatur von ungefähr 300 °C gekühlt und dessen Wärme lediglich

309848/0494

zum Vorwärmen und Verdampfen des- anderen Teiles des Arbeitsmittels benutzt wird. Das Kaltgas aus den Wärmeaustauschern 3 und 7 wird mittels des Gasgebläses 28 abgepumpt und in den Reaktor 1 geleitet.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kernenergieanlage gegenüber den ähnlichen bekannten Kernenergieanlagen von Atomkraftwerken besteht darin, daß sie unter Anwendung der modernen Konstruktion der Brennstoffelemente und Beherrschung der Produktions- und Verarbeitungstechnik für den Kernbrennstoff (die Verarbeitungszeit beträgt ein halbes Jahr) einen hohen (i,5) Brutfaktor und eine hohe (0,7 MW/kg Plutonium im Zyklus) Leistungsdichte aufweist und durch eine Verdoppelungszeit unterhalb von 7 Jahren ausgezeichnet wird. Zugleich sichert sie einen hohen Wirkungsgrad und kleine Abmessungen der Wärmeaustauschausrüstung und als Folge davon niedrige Investitionsaufwendungen. Infolgedessen sind die Kosten der durch ein Atomkraftwerk mit der erfindungsgemäßen Kernenergieanlage erzeugten Elektroenergie gegenüber den Elektroenergiekosten bei den bekannten Atomkraftwerken am niedrigsten.

3098 4 8/0494

Claims (1)

1. Patentansprüche

   I 1 J Kernenergieanlage mit einer Dampfkrafteinheit und mindestens zwei Kernreaktoren, deren einer eine niedrige Austrittstemperatur des Kühlmittels und deren anderer eine hohe Austrittstemperatür des Kühlmittels aufweist und deren Kühlkreisläufe miteinander über einen Wärmeaustauscher zur darauffolgenden Wärmeübertragung von den Reaktoren zum Arbeitsmittel der Dampfkrafteinheit gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet , daß der Reaktor mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels ein eine Spalt- und eine Brutzone enthaltender chneller Reaktor (i) ist.

   2. Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf (4; 5) jedes Reaktors (i; 2) mit einem Wärmeaustauscher (3; 7) versehen ist, deren jeder in den Kreislauf (8) des Arbeitsmittels der Dampfkrafteinheit (6) serienmäßig eingeschaltet ist.

   3· Kernenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel flüssiges Natrium oder flüssiges Lithium ist.

   k. Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktor (1) mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels ein metallischer Brennstoff und im Reaktor (2) mit hoher Austrittstemperatur des Kühlmittels ein keramischer Brennstoff vorgesehen ist.

   309348/0494

   5· Kernenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet» daß mindestens einer der Reaktoren (l) in mindestens zwei Unterzonen (9, 1O) mit verschiedenen Austritts tempera türen des Kühlmittels unterteilt ist, deren jede zu einem unabhängigen Kühlkreislauf (11, 12) gehört und mit einem in den Kreislauf (8) des Arbeitsmittels der Dampfkrafteinheit (6) serienmäßig eingeschalteten Wärmeaustauscher (l3* 1*0 versehen ist.

   6» Kernenergieanlage nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß in der Unterzone (9) mit der niedrigsten Austrittstemperatur des Kühlmittels ein metallischer Brennstoff und in den übrigen Unterzonen ein keramischer Brennstoff vorgesehen ist.

   7- Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (2} mit hoher Austrittstemperatur des Kühlmittels ein gasgekühlter thermischer Reaktor ist«

   8. Kernenergieanlage nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet» daß der schnelle Reaktor (i) ein gasgekühlter Reaktor und der gasgekühlte thermische Reaktor (2) ein Gasg.raphitreaktor ist.

   9· Kernenergieanlage nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß in der Spaltzone des schnellen Reaktors (1) ein plutonium- und uranhaltiger Brennstoff» in der Brutzone des schnellen Reaktors (i) Uran oder Thorium und in der Spaltzone des gasgekühlten Reaktors (2) ein uran- und thoriumhaltiger Brennstoff vorgesehen ist.

   309848/0494

   10. Kernenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Plutonium und Uran als Metallegierung vorliegen.

   11. Kernenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Reaktoren (i, 2) das Kühlmittel Helium oder Kohlendioxyd ist.

   12. Kernenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim gasgekühlten schnellen Reaktor (i) das Kühlmittel Kohlendioxyd und beim gasgekühlten thermischen Reaktor (2) das Kühlmittel Helium ist.

   13· Kernenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Gasgraphitreaktor (2) das Kühlmittel unter einem um das 20fache kleineren Druck als das Kühlmittel im gasgekühlten schnellen Reaktor (1) befindet.

   ik. Kernenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkreisläufe sämtlicher Reaktoren (1, 2) zu einem gemeinsamen Kreislauf vereinigt sind«,

   15· Kernenergieanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang von mindestens einem Reaktor (1) mit niedriger Austrittstemperatur des Kühlmittels mit einem ihm entsprechenden Wärmeaustauscher (13) gekoppelt ist.

   16. Kernenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Reaktoren (1, 2) in den Kreislauf

   3 0 9 8 4 8/0494

   - 2k -

   des als Kühlmittel verwendeten Arbeitsmittels serienmäßig geschaltet sind.

   17· Kernenergieanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel Kohlendioxyd ist.

   18. Kernenergieanlage nach Anspruch 13 und i6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zwei der Reaktoren (i, 2) eine Gasturbine (26) zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Druckverhältnisses des Kühlmittels in den Reaktoren (1, 2) geschaltet ist.

   19· Kernenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Reaktoren (1, 2) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) untergebracht sind.

   309848/0494