DE2656974A1

DE2656974A1 - Verfahren zum ueberhitzen des dampfes von leichtwasserkernreaktoren

Info

Publication number: DE2656974A1
Application number: DE19762656974
Authority: DE
Inventors: Dale Henry Brown; Himanshu Bachubhai Vakil
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-12-16
Publication date: 1977-06-23
Also published as: FR2335915A1; JPS5284394A; US4031706A

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler ^ό00° Frankfurt/Main ι 15.12.1976

Kaiserstrasse 41 Schu/Vo/Rg

PATENTANWALT Te.efon (0611, 235555

^f 3 * Telex: 04-16759 mapat d

Postscheclc-Konfo: 282420-602 Frankfurt/M.

Bankkonto: 225/0389

Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

4O74-RD-7953

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Verfahren zum Überhitzen des Dampfes von Leichtwasserkernreaktoren

Leichtwasserkernreaktoren (LWR) erzeugen in typischer

Weise Dampf bei etwa 7o kp/cm (1ooo psi) mit geringer oder fehlender Überhitzung. Beim Expandieren dieses Dampfes in einer Dampfturbine kondensiert ein beträchtlicher Teil der Strömung, was mit einem entsprechenden Leistungsverlust verbunden ist. Ferner müssen sogenannte 'Nuklear' Turbinenausbildungen angewendet werden, die Mittel zum Abziehen dieser Feuchtigkeit aus dem Dampfstrompfad aufweisen, um die wirksame Turbinenleistungsfähigkeit wiederherzustellen. Diese Notwendigkeit zum Entfernen der Feuchtigkeit bzw. des Wassergehalts erschwert die Turbinengestaltung und führt zu einer kostspieligeren Anlage. Wenn Wiedererhitzer bzw. Nacherhitzer (reheaters) und Kreuzungsfeuchtigkeitsabscheider (cross-over moisture Separators) angewendet werden, um den Feuchtigkeits- bzw. Wassergehalt des DampfStroms zu vermindern, werden Nachteile in Form von Druckverlusten in das System eingeführt.

Es wurden Versuche unternommen, um die Leistungsfähigkeit von LWR Energieerzeugungsanlagen zu verbessern, indem eine Verbrennung von Brennstoffen auf Fossilbasis angewendet wird, um die Dampfabgabe bzw. den Dampfausstoß zu überhitzen. Dieser überhitzte Dampf wird dann in eine herkömmliche Dampfturbinengenerator-

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anlage eingeführt. Der Hauptnachteil dieser einfachen Lösung besteht jedoch darin, daß in einem solchen überhitzer die Kombination extrem hoher Verbrennungstemperaturen und niedriger Wärmeübertragungskoeffizienten vorliegt. Diese Kombination führt zu der stets vorhandenen Gefahr vergrößerter Reaktorausfallzeiten infolge einer Überhitzung der Ronre des Überhitzers und dementsprechenden Ausfällen von Überhitzern mit einer Verbrennung auf Fossilstoffbasis.

Es besteht ein sehr bestimmter Bedarf für Mittel zum Überhitzen des Dampfes von Leichtwasserkernreaktoren ohne Gefahr einer überhitzung der Rohre des Überhitzers. Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Lösung für dieses Problem.

Die Begriffe 'Überhitzen' oder 'Nacherhitzen bzw. Wiedererhitzen¹ werden so definiert, daß hierbei die Temperatur des Dampfes beträchtlich über dessen Sättigungstemperatur gesteigert wird. Der in einem Leichtwasserreaktor erzeugte Dampf hat eine Temperatur von etwa 288° C (55o° F). Es ist bevorzugt, daß diese Temperatur auf etwa 538 - 593° C (1ooo - 11oo° F) erhöht wird, um hierdurch den Wirkungsgrad einer Energieerzeugung durch Leichtwasserreaktoren beträchtlich zu verbessern. Im Fall einer Nach- bzw. Wiedererhitzung kann der Dampfproduktstrom von einem Leichtwasserreaktor durch sich drehende Anlageteile geleitet worden sein, bevor der Nach- bzw. Wiedererhitzungsschritt durchgeführt wird, um die Temperatur des Dampfes beträchtlich über dessen Sättigungstemperatur anzuheben.

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine exotherme chemische Reaktion angewendet, um die Wärme bzw. Hitze für einen Überhitzer oder Nach- bzw. Wiedererhitzer für Dampf von einem Leichtwasserreaktor zu bilden. Da die maximal erreichbare Temperatur für die chemische Reaktion durch thermodynamische Erwägungen begrenzt ist, wird die Gefahr einer Überhitzung der Rohre des Überhitzers oder Nach- bzw. Wiedererhitzers vermieden. Gleichzeitig kann leicht eine entsprechende exotherme chemische Reaktion ausgewählt werden, um für die Erhitzungsfunktion Temperaturen zu bilden, die bedeutend größer als 288° C (55o° F) sind und in einen Bereich von mehr als 648° C (12oo F) fallen. Beispielhafte exotherme Reaktionen sind eine Methanbildung (methanation), eine

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Oxidation von Schwefeldioxid und eine Hydrierung bzw. Wasserstoffanlagerung (hydrogenation). Die Methanbildung ist die bevorzugte Reaktion, da sie benutzt werden kann, um Temperaturen im Bereich von 593 - 758° C (11oo - 14oo° F) zu bilden. Produktgase in diesem Temperaturbereich erzeugende katalytische Methanbildner (methanators) sind in der Literatur als bei dem heutigen Stande der Technik erhältlich beschrieben worden.

Die als neu angesehenen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden insbesondere in den Ansprüchen erläutert. Die Erfindung selbst, wie deren Gestaltung sowie Betriebsweise, und ihre Ziele sowie Vorteile sind jedoch am besten aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung verständlich. Die Zeichnung beinhaltet eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, bei der eine exotherme chemische Reaktion beim Überhitzen und Nacherhitzen bzw. Wiedererhitzen des Dampfes von einem Kernreaktor angewendet wird (das heißt eines Siedewasserreaktors oder eines Druckwasserreaktors).

Im Leichtwasserreaktor 1o wird Dampf erzeugt und bei etwa 288 C (55o° F) abgelassen. Das Auftreten von Materialproblemen verhindert ein Erreichen höherer Dampftemperaturen. Reaktionsmittel treten bei der Temperatur T in den chemischen Reaktor 11 ein, der ein Katalysatorsystem 12 enthält. Bei fortschreitender chemischer Reaktion verlassen die gasförmigen Reaktionsmittel den chemischen Reaktor 11 bei einer höheren Temperatur (T₂)/ vorzugsweise bei etwa 593 - 758° C (11oo - 14oo° F). Sie gelangen in den Überhitzer 13, wo die gasförmigen Produkte durch überhitζerrohre 14 strömen, die von dem gesättigten Dampf des Reaktors 1o umgeben sind.

Natürlich können Abwandlungen dieses Überhitzungsaufbaues angewendet werden. Beispielsweise können der chemische Reaktor und der Überhitzer in einem gemeinsamen Behältnis untergebracht sein, wobei das Katalysatorsystem die den Dampf überhitzenden Rohre umgibt.

Als Ergebnis dieses Überhitzungsvorgangs wird der Dampf überhitzt, vorzugsweise bis zu einem Bereich von 538 - 593° C (1ooo - 11oo F). Bei dieser Temperatur eignet sich der Dampf für eine Verwendung in einer herkömmlichen Hochdruckdampfturbine 16,

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die mit einer Niederdruckdampfturbine 17 einer Dampfturbinengeneratoranlage mechanisch gekoppelt ist. Ein bedeutender Vorteil wird jedoch auch bei einer Überhitzung auf etwa 344 C (65o F) erreicht. So führt bei einer 3ooo Megawatt (MW) Wärmeanlage ein überhitzen auf diese Temperatur zu einer überhitzungsleistung von

etwa 25o MW., .
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Als Ergebnis der Wärmeabgabe im Überhitzer 13 haben die gasförmigen Reaktionsmittel eine niedrigere Temperatur (T₃) erreicht, und sie sind zum Durchführen einer nachfolgenden exothermen chemischen Reaktion in einem ein Katalysatorbett 19 enthaltenden Reaktor 18 geeignet. Somit verlassen die gasförmigen Reaktionsmittel den Überhitzer 13 und treten für eine Wiederholung der exothermen chemischen Reaktion im Reaktor 11 in den Reaktor ein. Hierdurch werden erneut die Temperaturen der gasförmigen Produkte bis zu einem Bereich angehoben, bei dem die gasförmigen Reaktionsprodukte (bei T.) während des Durchströmens des Nacherhitzers bzw. Wiedererhitzers 21 die über die Leitung 22 eintretende Ausströmung von der Hochdruckdampfturbine 16 überhitzen können. Der nacherhitzte Dampf wird dann zum Erzeugen weiterer Leistung vom Wiedererhitzer 21 über die Leitung 23 zur Niederdruckdampfturbine 17 der Dampfturbinengeneratoranlage geleitet.

Der oben beschriebene Aufbau ist beispielhaft, und der Dampfproduktstrom vom Reaktor 1o könnte durch eine 'nukleare¹ Hochdruckdampfturbine (oder durch andere sich drehende Anlageteile) geleitet und dann zum Nach- bzw. Wiedererhitzer 21 geführt werden, um die Wiedererhitzung entsprechend der vorliegenden Erfindung durchzuführen.

Die kombinierte mechanische Energieabgabe von der Hochdruckdampfturbine 16 und der Niederdruckdampfturbine 17 der Dampfturbinen-Generator-Anlage ist beträchtlich größer, als es im Fall ohne Überhitzung möglich wäre. Beispielsweise vergrößert die Hinzufügung von 127o MW, hochgradiger Hitze zur Dampfabgabe von einem I000 MW Leichtwasserreaktor (33 % Wirkungsgrad) die Gesamtabgabe auf I660 MW . Wenn der Wärmebetrag von 263o Kcal (1o 35o BTÜ) pro Kilowattstunde dem ersten I000 MW dieses Erzeugungsvorgangsjzugeschrieben wird, werden die weiteren 660 MW bei einem zusätzlichen Wärmebetrag von I660 Kcal (656o BTU) pro Kilowatt-

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stunde realisiert/ woraus sich ein Wirkungsgrad von 52 % ergibt.

Der die Niederdruckdainpf turbine 17 verlassende Dampf gelangt in einen Kondensator 24, aus dem er als Speisewasser für den Leichtwasserfeaktor mittels der Pumpe 26 abgepumpt wird.

Nachfolgend werden beispielhafte exotherme chemische Reaktionen angegeben:

1 . Methanbildung CO + 3H₂ ^-»· CH₄ + H₃O

2CO + 2H₂ -ς-* CO₂ + CH₄

2. Oxidation/Reduktion SO₂ + 1/2 O₂ »■ SO₃

3. Hydrierung (hydrogenation) CgHg + 3H₂^=^ ^C6^H12

C₇H₈ + 3H₂ü=^ ^C7^Hi4

Die im Reaktor 11 durchgeführte Reaktion kann durch katalytische Umsetzung von Mischungen aus Kohlenstoffoxiden zu Methan erfolgen, und zwar unter Verwendung von Nickel-Methanbildungskatalysatoren, wie sie in White, G.A. und weitere, FUEL 5, 168. ACS National Meeting, Atlantic City, New Jersey, September 9-13, 1974, beschrieben sind.

Wenn es erwünscht ist, können die gasförmigen Bestandteile für die Methanbildungsreaktion an dem Ausgabeende eines geschlossenen chemischen Kreislaufsystems für eine Energieübertragung, -speicherung und -verteilung erhalten werden, wie es in der deutschen Patentanmeldung P 25 28 660.6 und der vorstehend genannten Veröffentlichung beschrieben ist.

Geschlossene chemische Kreislaufsysteme auf der Basis von Wasserstoff und Kohlenmonoxid (HYCO) ermöglichen eine übertragung hochgradiger thermischer Energie von einer Hochtemperaturquelle (beispielsweise einem Hochtemperatur-Gasreaktor, einer Fossilstoff anlage an einer Bergwerks- bzw. Grubenöffnung (mine-mouth fossil plant) oder einem Solarfokussierungsofen mit einer Temperatur von ^ 676,85° C ( 95o° κ)mittels einer Rohrleitung über Distanzen von I00 - 3oo Meilen bzw. 161 - 483 km in wirkungsvoller und wirtschaftlicher Weise. An der Abgabestelle können Temperaturen im Bereich von 526,85 - 776,85° C (800 - 1o5o° K bzw. ungefähr I000 143o° F) erreicht werden. Die maximale Temperatur in diesem System kann nicht sehr viel über 826 ° C (11oo° K) ansteigen, da sich die Reaktion in dem HYCO System bei höheren Temperaturen umkehrt, was dazu führt, daß große Wärmemengen absorbiert und die Temperatur vermindert werden. Dieser Temperaturbereich von 526—

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776 C (800 - 1o5o K) ist passend zum Liefern der notwendigen hochgradigen Wärme zum Verbessern der Leistungsfähigkeit des Leichtwasserreaktors.

Ein Aufbau würde unter Anwendung der HYCO-Übertragung Energie von einer einzigen Hochtemperaturquelle zu verschiedenen Siedewasser-/Druckwasserreaktoren in einem Bereich von I00 - 3oo Meilen bzw. 161 - 483 km transportieren. Die einem solchen Pipelinesystem eigene Speicherungskapazitat ermöglicht eine Steigerung der Leichtwasserreaktorabgabe entweder auf einer Grund- oder einer Spitzenlastbetriebsbasis.

Nach der vorliegenden Erfindung kann ein Leichtwasserreaktor wirkungsvoller eingesetzt werden, wobei sich eine Gesamtsteigerung bezüglich der Leistungsfähigkeit einer Erzeugung elektrischer Energie ergibt.

Die Anwendung des geschlossenen chemischen Kreislaufsystems (closed loop chemical system) mit seiner Befähigung zum Modulieren bzw. Abstimmen des Pipelinedrucks führt zu einem eingebauten Spitzenlast- und Speicherungsvermögen.

Entsprechend einer der wesentlichsten Erwägungen wird bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung sichergestellt, daß die maximale Temperatur in den Überhitzern nicht die maximale adiabatische Reaktionstemperatur überschreiten kann, die eine feste vorbestimmte Temperatur ist ._ 8oo° C). Somit unterliegen die Überhitzerrohre bzw. -rohrschlangen keiner überhitzungsgefahr, und es ergibt sich eine größere Zuverlässigkeit bezüglich des Gesamtsystems für die Energieerzeugung.

Es ist festzustellen, daß die vorliegende Erfindung Ausführungen umfaßt, bei denen die Wärme von der exothermen chemischen Reaktion durch irgendein Wärmetransportmittel an den Nuklearproduktstrom abgegeben wird, beispielsweise über eine zwischenliegende Wärmeübertragungsschleife.

Die beste vorliegend beschriebene Betriebsart beruht auf der Verwendung der exothermen Methanbildungsreaktion zum überhitzen des von einem Leichtwasserreaktor erzeugten Druckdampfes auf eine Temperatur von zumindest 344° C (65o F).

- Ansprüche -

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Claims

Ansprüche

1,^: Verfahren zum Erhitzen des unter Druck gesetzten Dampfproduktstroms, der durch in einem Leichtwasserkernreaktor erzeugte Wärme produziert wurde, wobei der Dampfproduktstrom in Wärmeaustauschbeziehung mit einer Hochtemperaturquelle gebracht und seine Temperatur auf zumindest etwa 344 C (65o F) gesteigert wird, wonach der überhitzte Dampf zum Betreiben einer Dampfturbinen-Generator-Anlage benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für das Erzeugen der für den Erhitzungsschritt benutzten Wärme eine exotherme chemische Reaktion angewendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß als chemische Reaktion eine Methanbildung, eine Oxidation-Reduktion Reaktion oder eine Hydrierung bzw. Wasserstoffanlagerung benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Methanbildungsreaktion im Bereich von etwa 593° C bis etwa 758° C (11oo° F bis etwa 14oo° F) liegt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die exotherme chemische Reaktion am Auslaßende eines geschlossenen chemischen Kreislaufsystems (closed loop chemical system) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der überhitzte Dampf einer Hochdruckdampfturbine zugeführt, dann mit Wärme von einer zusätzlichen exothermen chemischen Reaktion nacherhitzt bzw. wiedererhitzt und schließlich einer Niederdruckdampfturbine zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als anfängliche chemische Reaktion eine Methanbildung benutzt wird und daß die abgekühlten Produkte der anfänglichen Reaktion zum Bilden der zusätzlichen chemischen Reaktion dann zur Reaktion gebracht werden.

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7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte überhitzte Dampf eine Temperatur im Bereich von etwa 538 - 593° C (1ooo - 11oo° F) hat.

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