DE2902141A1

DE2902141A1 - Einrichtung zum entnehmen von energie aus dem gasfoermigen kuehlmittel eines atomreaktors

Info

Publication number: DE2902141A1
Application number: DE19792902141
Authority: DE
Inventors: Bill L Pierce
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-01-19
Filing date: 1979-01-19
Publication date: 1979-07-26
Also published as: JPS54109596A; GB2014352B; GB2014352A; US4257846A

Description

Einrichtung zum Entnehmen von Energie aus dem gasförmigen Kühlmittel eines Atomreaktors

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entnehmen von Energie aus dem gasförmigen Kühlmittel eines Atomreaktors mit einem Primär Stromkreis, in welchem das gasförmige Kühlmittel über eine Primärturbine, einen primären Wärmeaustauscher und: einen Primärkompressor geführt wird, und einem Sekundärkreis mit einem Sekundärkompressor, über welchen in Arbeitsmedium fließt.

Sieherheitsüberlegungen in Verbindung mit der Verwendung von gasgekühlten Hochtemperaturatomreaktoren schreiben üblicherweise vor, daß das System zur Leistungsumwandlung entweder innerhalb einer dichten Sicherheitsabschirmung angeordnet sein muß bzw. außerhalb dieses Druckbehälters oder der Abschirmung angeordnet sein kann, wenn der Wärmeaustauscher zur Übertragung der Wärmeenergie vom Reaktor auf ein sekundäres System zur Leistungsumwandlung innerhalb des Druckbehälters i bzw.

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bzw. der Abschirmung sich befindet. Dies ist insbesondere für mobile Atomreaktoren der Fall, wie diese für in See gehende Schiffe und für zukünftige Land- und Lufttransportsysteme vorgesehen sind.

Die Anordnung des Systems zur Leistungsumwandlung, welches typischerweise eine Turbine und einen Kompressor umfaßt, innerhalb des Druckbehälters bzw. der Abschirmung erfordert unerwünscht große Abmessungen für die Abschirmung bzw. den Druckbehälter, was gleichzeitig mit hohem Gewicht und hohen Kosten verbunden ist, die über das hinausgehen, was für das primäre Reaktorsystem, allein erforderlich ist. Die Leistung muß dann durch den Behälter bzw. die Abschirmung hindurchgeführt werden, z. B. in Form einer mechanischen Welle, die in einer abgedichteten Durchführung geführt ist, oder indem ein elektrischer Generator innerhalb des Druckbehälters bzw. der Abschirmung vorgesehen wird und die elektrischen Leitungen durch abgedichtete Durchführungen nach außen führen. Derartige Durchführungen, insbesondere wenn große Energiemengen zu übertragen sind, stellen sehr hohe Anforderungen an die Konstruktion und sind dementsprechend teuer.

Bei Systemen, die einen Wärmeaustauscher als Barriere zwischen dem . primären gasförmigen Kühlmittel und dem sekundären Arbeitsmedium haben, muß im Interesse einer wirtschaftlichen Energieumwandlung der Wärmeaustauscher bei Temperaturen arbeiten, die in der Nähe der Kühlgastemperaturen am Ausgang des Reaktors liegen. Die dabei auftretenden sehr hohen Temperaturen mit ihren Auswirkungen für das Material des Wärmeaustauschers, die Konstruktion und die Herstellung bringen es mit sich, daß bei vielen Anwendungsfällen keine der beiden erwähnten Anordnungen wünschenswert sind. Zum Beispiel für Kraftwerke

mit

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mit mobilem Einsatz ist es notwendig, die Reaktorenergie auf thermische Maschinen zu überführen, die in einer Entfernung vom Reaktor positioniert sind und daher dazu tendieren, Wärmeaustauscher zu benutzen. Aufgrund der thermischen Schwierigkeiten sind solche Anordnungen äußerst kompliziert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Entnehmen von Energie aus dem gasförmigen Kühlmittel eines Hochtemperaturreaktors zu schaffen, mit denen die Schwierigkeiten aufgrund der hohen Temperaturen im Primärkreis vermieden werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs erwähnten Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Primärturbine mit dem Primär- und Sekundärkompressor zu deren Antrieb verbunden ist, und daß der Sekundärkreis eine Sekundärturbine umfaßt und das Arbeitsmedium über den primären Wärmeaustauscher führt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Mit einer gemäß der Erfindung vorgesehenen Anordnung läßt sich die Temperaturbelastung der für den Energietransfer vorgesehenen Teile und insbesondere für den Wärmeaustauscher wesentlich verringern und eine Energiegewinnung mit verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad erzielen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnungs. Es zeigen:

Fig. 1

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Fig. 1 in einer schematischen Schnittdarstellung einen gasgegekühlten Hochtemperaturatomreaktor gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem die Temperatur über der Entropie für das System gemäß Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 eine weitere schematische Schnittdarstellung durch einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm, in welchem die Temperatur über der Entropie dargestellt ist.

In Fig. 1 ist ein gasgekühlter Hochtemperaturatomreaktor 10 dargestellt, wobei man unter derartigen Reaktoren solche versteht, bei denen das Kühlmittel eine Temperatur über 760 C hat. Ein Reaktor dieser Art kann sehr unterschiedlich aufgebaut sein und enthält einen Nuklearkern 12, in welchem Energie erzeugt und an das gasförmige Kühlmittel abgegeben wird, das durch den Nuklearkern 12 und einen Kessel 14 im Innern des Kernbereiches zirkuliert. Man kann für solche gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren viele Gase als Kühlmittel verwenden, jedoch finden vorzugsweise Edelgase und im speziellen Helium Verwendung. Der im Nuklearbereich angebrachte Kessel 14 ist mit einem Strahlungsschild 16 umgeben, der als Barriere für Neutronen und Gammastrahlen dient.

Der Primärkreis 18 des Reaktors enthält eine Primärturbine 20 und einen Primärkompressor 22 sowie ferner Einrichtungen zum Wärmeaustausch mit dem Sekundärkreis 24 in Form eines Wärmeaustauschers 26. Primärleitungen 28 verbinden die einzelnen Komponenten in der Weise, daß ein sogenannter

B rayton' scher

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Brayton' scher Kreislauf entsteht. Für die Anlage werden Temperatur und Druckwerte gemäß der Erfindung vorgesehen, wie sie in Fig. 1 angegeben und in dem Diagramm gemäß Fig. 2 Berücksichtigung finden. Im Sekundärkreis 24 ist ein Arbeitsmedium vorgesehen, wobei das gleiche oder auch ein anderes gasförmiges Kühlmittel wie im Primärkreis Verwendung finden kann. Dieses Kühlmittel fließt über den Wärmeaustauscher 26 und wird in diesem mit Wärmeenergie aus dem Primärkreis beladen. Der Sekundärkreis, der ebenfalls als Brayton' scher Kreislauf aufgebaut ist, enthält * Expansionseinrichtungen in Form einer Leistungsturbine 30 sowie Kühleinrichtungen in Form eines sekundären Vorkühlers 32, einen Sekundärkompressor 34, welche über Leitungen 36 miteinander verbunden sind.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 erläuterten Beispiel befindet sich das Helium im Reaktor auf einer Temperatur von etwa 1255 Kalvin (1800 Fahrenheit) und einem Druck von etwa 102 bar (1489 psia). Bei einem herkömmlichen Aufbau unter Verwendung eines Wärmeaustauschers, um Energie in eine Leistungsstufe zu überführen, wird Helium mit dieser hohen Temperatur und diesem hohen Druck dem Wärmeaustauscher der beiden Kreisläufe zugeführt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wird das kühlende Gas zunächst über die Primärturbine 20 geleitet, welche nicht nur den Primär kompressor 22, sondern auch den Sekundärkompressor 34 antreibt. Das Kühlmittel verläßt dementsprechend die Primärturbine 20 auf einem niedrigeren Energieniveau, und zwar mit einem Druck von etwa 34 bar (496 psia) und einer Temperatur von 850TCalvin (1072 Fahrenheit). Durch diesen geringeren Druck und die geringere Temperatur lassen sich konstruktive Schwierigkeiten bezüglich des Wärmeaustauschers 26 wesentlich reduzieren und gleichzeitig einen guten System wirkungsgrad von etwa 0, 36 für

das

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das erläuterte System erzielen. Die von der Primärturbine 20 zur Verfügung gestellte Leistung kann in mehrfacher Weise genutzt werden, so z. B. zur Erzeugung von elektrischem Strom, um einen Kompressor anzutreiben, obwohl ein achsengleicher Direktantrieb des Kompressors über die Turbinenwelle zu bevorzugen ist. Der Antrieb des Sekundärkompressors 34 mit Hilfe der Primärturbine 20 vergrößert den Verhältnisanteil des Druckabfalls im Primärkreis 18 durch die Turbine 20 und verringert infolgedessen die Spitzentemperatur des Kühlmittels, mit welcher dieses in den Wärmeaustauscher 26 fließt. Das primäre Kühlmittel, welches vom Wärmeaustauscher 26 abgegeben wird, erfährt eine Komprimierung im Primärkompressor 22 um einen Betrag, der etwa gleich dem Druckverlust im Primärkreis 18 einschließlich dem Druckabfall in der Primärturbine 20 ist, so daß das Kühlmittel gemäß Fig. 1 mit einer Temperatur von etwa 736 Kalvin (866 Fahrenheit) und einem Druc von etwa 105 .bar (1524 psia) zurück zum Reaktorkern 12 fließt.

Bei der erläuterten Anordnung kann die Leistungsturbine 30 außerhalb, wo immer es für die spezielle Anwendung wünschenswert, angeordnet sein. Diese Leistungsturbine kann z. B. als mechanischer Antrieb für einen Generator 38 zur Erzeugung von elektrischem Strom dienen.

Aus Fig. 1 geht ferner hervor, daß die beschriebene Anordnung mit bestimmten Teilen innerhalb einer Behälterkonstruktion 40 entsprechender Größe untergebracht ist, so daß nur Leitungen 36' benötigt werden, um die Arbeitsflüssigkeit mit verhältnismäßig niederem Druck und verhältnismäßig niederer Temperatur durch die Wand der Behälterkonstruktion 40 zu führen. Diese Leitungen 36' können daher auch einen kleineren Durchmesser haben und ferner können abgedichtete Durchführungen 42 einfacher und zuverlässiger

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lässiger ausgeführt werden.

In Fig. 3 und in Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt bzw. erläutert,, die für eine spezielle gegebene Anwendungsart wünschensert sein kann. In den Primärkreis wurde ein Vorkühler 44 eingeschaltet, derart, daß das gasförmige Kühlmittel vom Wärmeaustauscher 26 über den Vorkühler 44 fließt, bevor es in den Primärkompressor 22 eingeleitet wird. Mit dieser Anordnung wird der vom Primärkompressor 22 benötigte Energiebedarf verringert, so daß von der Leistung, welche die Primärturbine 20 abgibt, mehr für die Kompression des Arbeitsmediums im Sekundärkreis zur Verfügung steht. Ferner wird die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien, welche in den Wärmeaustauscher fließen, wesentlich verringert. Als Ergebnis läßt sich ein wesentlich höherer Wirkungsgrad insgesamt feststellen, jedoch wird hierfür ein zusätzlicher Vorkühler 44 innerhalb der Behälterkonstruktion 40 erforderlich. Im Hinblick auf diesen Vorkühler 44 sind weitere Durchführungen 46 in der Wand der Behälterkonstruktion 40 notwendig. Der Ge samt wirkungsgrad des Systems liegt etwa bei O₃ 39.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß sich aus der beschriebenen Anordnung für ein Atomkraftwerk mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor wesentliche Vorteile ergeben. Durch die Reduzierung der extremen Temperaturbedingungen, welche auf die Wärmeaustauscher zwischen den beiden Kreisen einwirken, werden die Anforderungen an viele der verwendeten Materialien und die Konstruktion verringert, was gleichzeitig auch eine Kostenreduzierung darstellt. Die Anordnung des Sekundärkompressors innerhalb der Behälterkonstruktion 40 und die Anordnung der übrigen Teile des

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Sekundärkreises außerhalb dieser Behälterkonstruktion ermöglicht eine Verringerung seiner Größe, wobei sich auch geringere und weniger strenge Anforderungen an die Konstruktion der Durchführungen ergeben. Die Verwendung von zwei Brayton' sehen Wärme kreisen in den beschriebenen Relationen bezüglich des Wärmeaustausches stellt die wirtschaftlichste Weise der Benutzung von gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren dar.

Im Hinblick auf die Wirkungsweise der Erfindung wird ausdrücklich Bezug genommen auf die in den Fig. 1 und 3 in Verbindung mit dem Primärkreis und dem Sekundärkreis jeweils angegebenen Temperaturen und Drücken, welche in den Darstellungen gemäß Fig. 2 und 4 ihren Niederschlag finden.

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Claims

Patentansprüche

_y\J Einrichtung zum Entnehmen von Energie aus dem gasförmigen Kühlmittel eines Atomreaktors mit einem Primärstromkreis., in welchem das gasförmige Kühlmittel über eine Primärturbine, einen primärenWärmeaustauscher und einen Primärkompressor geführt wird, und einem Sekundärkreis mit einem Sekundärkompressor, über welchen ein Arbeitsmedium fließt, dadurch gekennzeichnet, -

-daß die Primärturbine (20) mit dem Primär- und Sekundärkompressor (22; 34) zu deren Antrieb verbunden ist,

- und daß der Sekundärkreis (24) eine Sekundärturbine (30) umfaßt und das Arbeitsmedium über den primären Wärmeaustauscher (26) führt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine abgedichtete Behälterkonstruktion (40) vorhanden ist, in welcher der Reaktor (10), der Primärkreis (18) und der Sekundärkompressor (34) angeordnet sind, und daß die Sekundärturbine (Leistungsturbine 30) und ein Vor kühler (32) außerhalb der Behälterkonstruktion (40) angeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Hilfskühler (44) zum Abkühlen des gasförmigen Kühl-

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mittels im Primärkreis dem primären Wärmeaustauscher (26) nachgeschaltet ist.

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