DE2918597A1 - Verfahren und einrichtung zur verwertung von in nuklear betriebenen hochtemperaturreaktoren erzeugter waerme - Google Patents

Description

Anm.: Gutehoffnungshütte Sterkrade Aktiengesellschaft 4200 Oberhausen-Sterkrade

Verfahren und Einrichtung zur Verwertung von in nuklear betriebenen Hochtemperaturreaktoren erzeugter Wärme

Vertreter: Patentanwälte

Dipl.-Ing. S. Schulze Horn M, Sc. Dr. H. Hoffmeister Goldstraße 36 44 Münster

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von in nuklear betriebenen Hochtemperatur-Reaktoren erzeugter Wärme unter Verwendung einer im geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbine, mit einem gasförmigen Fluid, das seinen Aggregatzustand nicht ändert, und dem in verdichtetem Zustand die Reaktorwärme zugeführt wird, und das anschließend in der Turbine unter Expansion seine latente Energie teilweise abgibt, anschließend wenigstens einen Rekuperator auf dessen Niederdruckseite durchströmt, verdichtet wird, den Rekuperator auf der Hochdruckseite durchläuft und nach Beendigung des Kreislaufes erneut Reaktorwärme aufnimmt. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, die von nuklear betriebenen Reaktoren erzeugte Wärme in einer im geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbine zu verwerten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Durchführung dieses an sich richtigen Grundgedankens bei Hochtemperatur-Reaktoren auf einige Schwierigkeiten stößt. Es ist deshalb das Konzept des Einsatzes eines Hochtemperaturreaktors auf der einen Seite und der im geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbine auf der anderen Seite

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in verschiedenen Punkten neu zu durchdenken, um zu einem besseren Ansatzpunkt der tatsächlichen Durchführbarkeit eines Verfahrens, wie eingangs genannt, zu kommen.

Hochtemperaturreaktoren (HTR) bieten neben der Möglichkeit, Prozeßwärme auf hohem Temperaturniveau zu liefern, auch bei der Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe eines geschlossenen Gasturbinenkreislaufs einige bedeutsame Vorteile:

- Die hohe Reaktoraustrittstemperatur führt zu guten Prozeßwirkungsgraden und einer Verringerung der Abwärme. Die Abwärmeumweltbelastung ist wesentlich geringer als etwa bei Leichtwasserreaktoren .

- Die HTR-Grundkonzeption verfügt über sicherheitstechnische Vorzüge, nämlich große Wärmekapazität des Reaktorcores, hohe Temperaturbeständigkeit und hohes Rückhaltevermögen der Brennelemente, stark negativer Temperaturkoeffizient der Reaktivität, ein evtl. zu unterstellender Bruchstörfall führt zur Druckentlastung, nicht

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aber zum völligen Kühlmittelverlust. Dementsprechend sind die Anforderungen an die Startgeschwindigkeit der Nachwärmeabfuhrsysteme im Vergleich zu anderen Reaktor-Baukonzeptionen nur gering.

Mit den HTR-Reaktoren können die Kernbrennstoffvorräte durch Umwandlung von Thorium in spaltbares Uran 233 gestreckt und die Versorgungssicherheit erhöht werden. Daneben besitzt der HTR eine besonders günstige Neutronenökonomie und erreicht damit eine gute Brennstoffausnutzung. Der erforderliche Natururan-Bedarf des HTR im offenen Brennstoffkreislauf ist rund 1/3 und im geschlossenen Brennstoffkreislauf nahezu 2/3 niedriger als beim entsprechenden Druckwasserreaktor (vgl. G. KoIb; Studie über die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung mit Hochtemperaturreaktoren; KFA Jülich, Druckschrift Jül-1527, August 1978). Langfristig ist durch hochkonvertierende HTR-Systeme eine weitere Absenkung möglich.

Der nachgeschaltete, geschlossene Gasturbinen-Kreislauf ermöglicht durch Anwendung der Füh-

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lungsregelung (Druckpegelregelung) besonders günstige Teillastwirkungsgrade, die kaum vom Volllastwirkungsgrad abweichen.

Die geschlossene Gasturbine in Verbindung mit dem HTR besitzt ein besonders großes Potential für eine künftige Weiterentwicklung. Steigerungen der Reaktoraustritts- und damit Turbinen eintrittstemperatur können den Anlagenwirkungsgrad weiter verbessern. Durch Erhöhung des Druckniveaus im Gasturbinen-Kreislauf kann die Einheitenleistung erhöht bzw. die Anlage kompakter gebaut werden.

Die im Vorkühler und Zwischenkühler abzuführende Wärme fällt auf verhältnismäßig hohem Temperaturniveau an. So erhält man ehe größere Temperaturspreizung zwischen dem Kreislauffluid und dem Kühlmittel. Kleinere Kühlerabmessungen und eine Entschärfung der Standortproblematik durch die wirtschaftliche Verwendung von Trockenkühltürmen werden dadurch möglich.

Bei einer Kraft-Wärme-Kopplung kann der größte Teil der Abwärme für die Fernwärmeversorgung

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genutzt werden, ohne daß die Erzeugung elektrischer Energie davon beeinflußt wird.

Trotz dieser anerkannten Vorzüge des HTR mit nachgeschaltetem, geschlossenen Gasturbinen-Kreislauf konnte dieser Anlagentyp bisher nicht eingeführt werden. Die wichtigsten Gründe für die bisherige Ablehnung können wie folgt definiert werden:

- Die hohen Kosten der integrierten Bauweise und damit die unbefriedigende Wirtschaftlichkeit gegenüber konkurrierenden Konzepten durch

a) den großen und damit besonders kostenintensiven Spannbetonbehälter,

b) die hohen sicherheitstechnischen Forderungen an die Komponenten im kontaminierten Kreislauf,

c) die fehlende Freizügigkeit bei der Gestaltung der Apparate und Rohrleitungen erlaubte es bisher nicht, alle Mittel zur Wirkungsgraderhöhung auszuschöpfen.

- Die Probleme bei der Montage, Inspektion, Wartung und Reparierbarkeit durch fehlende, geometrische und radiologische Zugänglichkeit.

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Es stellt sich damit die Aufgabe, das Konzept des geschlossenen Gasturbinenkreislaufes mit einem nuklear betriebenen HTR dahingehend abzuwandeln, daß es im Hinblick auf die Kosten der Gesamtreaktoranlage zumindest übereinstimmend ist mit dem THTR (Thorium-Hochtemperatur-Reaktor mit primärem Helium und sekundärem Dampfkreislauf) , daß hohe sicherheitstechnische Forderungen erfüllt werden und daß die stärker wartungsbedürftigen Komponenten, d. h. die Teile des Gasturbinenkreislaufes, zugänglich bleiben, insbesondere nicht in die Wandung des Spannbetonbehälters, der den eigentlichen Reaktor umgibt, eingebaut werden müssen. Es soll bei der Konstruktion dieser Teile eine weitgehende Freizügigkeit herrschen, die nicht nur im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauweise konstruiert werden sollen.

Diese Aufgaben werden bei einer Einrichtung zur Verwertung von im nuklear betriebenen Hochtemperaturreaktoren erzeugter Wärme gelöst, die nach einem Verfahren eingangs genannter Art arbeitet, also bei einem Verfahren, bei der eine im geschlossenen Kreislauf betriebene Gasturbine die Prozeßwärme verwertet, wobei folgende Einzelmerkmale gegeben

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a) Der geschlossene Kreislauf mit der Gasturbine bildet einen Sekundärkreis einer Zweikreisanlage, dem über einen Gas-Gas-Wärmeaustauscher die Prozeßwärme des HTR über einen geschlossenen Primärkreislauf zugeführt wird,

b) die Eintrittstemperatur des Primär-Kreislaufgases in den Reaktor liegt zwischen 520 und 680 Kelvin, die Austrittstemperatur zwischen 1.020° und 1.220° K.

c) Das Turbinendruckverhältnis π liegt je nach Kreislauffluid zwischen 12 und 4.

d) Das Verdichten des Kreislauffluids zwischen Niederdruck- und Hochdruckseite erfolgt mit wenigstens zwei Zwischenkühlungen.

Bei Verwendung dieses Verfahrens können sämtliche Komponenten des Gasturbinenkreislaufes mit Ausnahme des primär-sekundärseitigen Wärmeaustauschers in

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konventioneller Bauweise frei aufgestellt werden. Nur die wenigen Komponenten des Primärkreises sind vom Spannbetonbehälter umschlossen.

Ein Vergleich des HHT-Einkreis und HHT-Gas-Gas-Zweikreis-Konzeptes mit nachgeschalteter Gasturbine im geschlossenen Kreislauf zeigt, daß bei der Zweikreisanlage neben den auch bei der Einkreisanlage vorhandenen Komponenten zusätzlich Umwälzgebläse im Primärkreislauf und Wärmeaustauscher vorgesehen werden müssen. Für Leistungsbilanzen und Wirkungsgradbetrachtungen ist zu beachten, daß gegenüber der Einkreisanlage zusätzlich die Antriebsleistung der Gebläse aufgebracht werden muß. Der primärseitige Aufbau einschließlich des Wärmeaustauschers ist identisch mit dem der nuklearen Prozeßwärmeanlagen. Bereits im sogenannten PNP-Projekt (Prototypanlage Nukleare Prozeßwärme) entwickelte Wärmeaustauscher können deshalb auch in der HHT-Zweikreisanlage eingesetzt werden.

Gegenüber der Einkreisanlage bietet sich bei der Zweikreisanlage noch folgende gewichtige Vortale:

- Die gleiche Primärkreislaufgestaltung wie beim

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PNP-Projekt und die durch besondere Auslegung des Gasturbinenkreislaufes mögliche niedrige Reaktoreneintrittstemperatur ermöglichen ein gemeinsames Reaktorkonzept mit bereits entwickelten oder in Entwicklung begriffenen Komponenten des PNP-Projektes. Dabei ist die niedrige Reaktoreintrittstemperatur besonders vorteilhaft für die Liner-Isolierung. die Abschaltstäbe und den thermischen^ Schild. Die Zweikreisanlage erlaubt eine Ausschöpfung des Hochtemperaturpotentials des HTR. Die teuerste Einzelkomponente der ganzen Anlage, der Spannbetonbehälter, wird erheblich kleiner und damit kostengünstiger, da der Behälter weniger Komponenten aufnehmen muß. Damit verbunden ist eine Kostenreduzierung für das Reaktorschutzgebäude und an Personalkosten für Überwachungsund Wartungsarbeiten. Die hohen Forderungen des Genehmigungsverfahrens mit strengen Sicherheitsauflagen bleiben auf wenige Primärkreislaufkomponenten beschränkt. Außerdem entschärft die Zweikreisanlage die unter pessimistischen Annahmen denkbaren Störfallsituationen:

a) der Störfall Schaufelhavarie an einem Verdichter oder an einer Turbine mit den damit

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verbundenen schnellen Druckausgleichsvorgängen führt nicht wie bei der Einkreisanlage zu den großen Belastungen für die Isolierungen und Reaktoreinbauten.

b) Ein Öleinbruch des in den Gleitlagern vorhandenen Schmieröls in den Gasturbinenkreislauf kann nicht dem Reaktor und der Isolation schaden.

Das Turbinendruckverhältnis π wird gewählt entsprechend der Zusammensetzung des Kreislauffluids des Sekundärkreises und entsprechend den Reaktorwerten. Bei reinem Helium als Beispiel für ein gängiges Fluid ist π_τ niedrig anzusetzen, etwa n_T = 4; bei N₂ 10 ... 12, bei CO₂ liegen die erforderlichen Druckverhältnisse theoretisch noch höher.

Das Verfahren gemäß vorliegender Anmeldung ermöglicht die freie Wahl des Sekundärkreislauffluids und damit eine Kostenoptimierung der Anlagenkomponenten. Während das Kreislaufgas des Primärkreises vorzugsweise Helium ist, kann das Kreislaufgas des SeJcundärkreislaufes ein Gasgemisch sein. Vor-

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teilhafterweise wird folgende Zusammensetzung gewählt:

48 bis 52 Vol. % He
48 bis 52 % N₂

und ein geringer Sauerstoffgehalt (ca. 0,5 Vol. %) zur Verhinderung der Nitrierung. Da das Kostenminimum relativ flach ist, können auch andere Zusammen-Setzungen gewählt werden.

Eine Einrichtung zur Prozeßwärmeverwertung nuklear betriebener HT-Reaktoren zur Durchführung des eingangs genannten Verfahrens besitzt insbesondere folgende Merkmale:

a) Die Einrichtung ist eine Zweikreisanlage, bei der sich die Teile des Primärkreislaufes mit einem Gas als Kreislauffluid und ein Gas-Gas-Wärmeaustauscher innerhalb des Reaktor-Druckbehälters befinden,

b) bei der die Teile des Sekundärkreislaufes, d. h. die Einzelkomponenten der im geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbine, mit

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Ausnahme des primär-sekundärseitigen Wärmeaustauschers außerhalb des Druckbehälters angeordnet sind,

c) bei der der Sekundärkreislauf wenigstens zwei Zwischenkühler und wenigstens drei Verdichterstufen in der zwischen Ausgang der Niederdruckseite und Eingang der Hochdruckseite des Rekuperators aufweist.

Hiermit wird erreicht, daß die außerhalb des Spannbetonbehälters aufgestellten Turbomaschinen nicht im kontaminierten Kreislauf arbeiten und jederzeit frei zugänglich sind, so daß Montage, Inspektion, Wartung und Reparierbarkeit stark vereinfacht werden. Auch eine Verkürzung der Bauzeit ist zu erwarten. Eine vollständige Neuentwicklung des Turbosatzes insbesondere auf eine kompakte Kavernen-Bauweise hin, ist nicht erforderlich, da auf die Konstruktion und die Betriebserfahrungen der bisher gebauten geschlossenen Gasturbinenanlage, vgl. Bau der Helium-Turbine Oberhausen, zurückgegriffen werden kann.

Zur Erläuterung des erfinderischen Verfahrens und der entsprechenden Einrichtung werden Ausführungs-

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beispiele, letztere anhand der beigefügten Figuren und Diagramme, beschrieben. Die Figuren zeigen:

Figur 1 Kreislaufschema einer HHT-Zweikreisanlage, die nach dem Verfahren gemäß Erfindung arbeitet,

Figur 2 Diagramme, bei denen die Eintrittstemperatur in den primär/sekundärseitigen Wärmeaustauscher und der elektrische Nettowirkungsgrad bei einem He-N₂-Gemisch als Kreislauffluid in Abhängigkeit vom Turbinendruckverhältnis π dargestellt sind,

Figur 3 in weniger schematisierter Darstellung das Reaktorschutzgebäude mit dem Reaktordruckbehälter und dem nachgeschalteten Turbinenkreislauf.

Das Verfahren zur Verwertung der erzeugten Wärme nuklear betriebener Hochtemperatur-Reaktoren geschieht unter Verwendung einer im geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbine. Dabei gliedert sich der gesamte Kreislauf in einen Primärkreislauf und einen Sekundärkreis auf.

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Im Primärkreislauf ist ein Hochtemperatur-Reaktor an sich bekannter Bauart in einen Spannbetonbehälter 2 unter Beachtung der üblichen Sicherheitskriterien eingebaut. Bei dem HTR 1 handelt es sich beispielsweise um einen Kugelhaufenreaktor ähnlich dem THTR in Hamm-Uentrop.

Mit einem Gebläse 3 wird über die Leitungen 4 und 5,. ein Heliumstrom im geschlossenen Kreislauf durch den Reaktor 1 und einen primär/sekundärseitigen Wärmeaustauscher 6 gefördert. Über eine Leitung 7, die aus dem Spannbetonbehälter 2 hinein und hinaus führt, wird das verdichtete Kreislauffluid des Sekundärkreises in den Wärmeaustauscher 6 hinein- und hinausgeführt.

Der Wärmeaustauscher 6 ist demnach ein Gas-Gas-Wärmetauscher. Wesentlich ist die Auswahl der Gase, die in den beiden Kreisläufen verwendet werden. Während es sich bei dem Primärkreislauf als unumgänglich erwiesen hat, Helium als Kreislauffluid zu verwenden, können Kostengesichtspunkte, die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte bei der Wahl des Kreislaufmediums für den Sekundärkreis berücksichtigt werden.

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Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, eine Mischung von Helium (He) und Stickstoff (N ) mit einem geringen Sauerstoffanteil zu verwenden, wobei die optimale Mischung sich mit hälftigen Volumenanteilen von He und N₂ sowie 0,5 % Sauerstoff (O-) ergibt; der Sauerstoffanteil dient zur Verhinderung der Nitrierung von Metalloberflächen. Von diesen Werten kann aber ohne weiteres im Rahmen der eingangs genannten Grenzen abgewichen werden.

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Im gezeichneten Beispiel der Figur 1 ist die Eintrittstemperatur des Reaktors mit 623° Kelvin und die Austrittstemperatur mit 1.173 Kelvin angegeben. Von diesen Temperaturen kann je nach Betriebsbedingungen nach oben und unten abgewichen werden, wobei auf die Einzelheiten weiter unten noch eingegangen werden wird. Die Eintrittstemperatur des Kreislaufgases (sekundärseitig) in den Wärmeaustauscher 6 liegt etwa 60° geringer als die Eintrittstemperatur in den Reaktor, da durch das Gebläse 3 die Gastemperatur nochmals erhöht wird.

Die im Reaktor 1 und Gebläse 3 dem Gas des Primärkreislaufes zugeführte Leistung wird im Wärmeaustauscher 6 an das verdichtete Kreislauffluid des Sekundärkreises übertragen. Es besitzt im vorliegenden Beispiel etwa eine Temperatur von 1.123° Kelvin und einen Druck von 40 bar. Das Kreislauffluid des Sekundärkreises - wie auch des Primärkreises - ändern im gesamten Kreislauf ihren Aggregatzustand nicht, sie bleiben also ständig im gasförmigen Zustand. Nach Durchlauf des Wärmeaustauschers gelangt das komprimierte Gas zu der Turbine 8, in der es unter Expansion seine latente Energie teilweise abgibt und dabei die Nutzleistung zum Antrieb eines Generators 9 und zum Antrieb der Verdichter abgibt.

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Anschließend gelangt das ND-Gas bei einer Temperatur von etwa 594 K und einem Druck von 4,3 bar über die Leitung 10 zum Rekuperator 12, der eine Niederdruck- und eine Hochdruckseite aufweist. Zunächst wird die Niederdruckseite durchströmt und dabei die nutzbare Wärmeenergie auf das die Hochdruckseite durchströmende, komprimierte Gas übertragen. Nach dem Rekuperator 12 wird zunächst der Vorkühler 13 durchströmt, an dessen Ausgangsseite die Gastemperatur etwa 293° K beträgt. Es folgen der Niederdruck-Verdichter 14, ein erster Zwischenkühler 15 _r ein Mitteldruck-Verdichter 16, ein zweiter Zwischenkühler 17 und ein Hochdruck-Verdichter 18. Anschließend wird die Hochdruckseite des Rekuperators 12 durchlaufen. Danach ist der Kreislauf beendet, und das Gas durchläuft erneut den Wärmeaustauscher 6, um dort in verdichtetem Zustand Prozeßwärme aufzunehmen. Die Verdichter 14, 16 und 18 werden durch die Hauptwelle der Turbine 8 angetrieben, u. U. bei kleineren Leistungen unter Zwischenschaltung an sich bekannter Getriebe.

Bei der Rückkühlung auf die Verdichtereintrittstemperatur im Vorkühler 13 und in den Zwischenkühlern 15 und 17 wird die bei diesem Kreisprozeß an die Umgebung ab-

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zuführende Wärmemenge entzogen. Nach der Druckerhöhung im Niederdruck-, Mitteldruck- und Hochdruck-Verdichter durchläuft das Kreislauffluid die Hochdruckseite des Rekuperators und nimmt die nach der Turbine noch nutzbare Wärme auf. Erst danach gelangt das Fluid wieder zurück in den Wärmeaustauscher 6. Der Gesamte Gasturbinenkreislauf mit Ausnahme des Wärmeaustauschers 6 kann in konventioneller Bauweise frei außerhalb des Spannbetonbehälters frei aufgestellt werden. Nur die wenigen Komponenten des Primärkreises sind vom Spannbetonbehälter 2 umschlossen.

Bei der dargestellten Zweikreisanlage ist eine Kostenoptimierung durch die Wahl des Kreislaufmediums bzw. durch die Wahl von geeigneten Gasgemischen im sekundären Kreislauf möglich. Bei Verwendung von reinem Helium werden die Abmessungen der wärmeaustauschenden Apparate reduziert und damit kostengünstiger, während die Abmessungen der Turbomaschinen und damit ihre Baukosten bei Verwendung von Gasen mit hohem Molekulargewicht, etwa von N₃, sinken. Das Kostenminimum für einen Gasturbinenkreislauf ohne Erhitzer liegt bei He-N -Gemischen bei einemVoL-Anteil von ca. 50 % He und entsprechend einem Massenanteil von 12,5 %. Dieses Gasgemisch ist auch für den Sekundärkreislauf

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geeignet.

Insbesondere soll erreicht werden, daß die Reaktoreintritts temperatur bei etwa 600 - 650 K liegt. Mit einer Erniedrigung werden Liner-Isolierung, thermischer Schild und Abschaltstäbe einfacher und die Leistung für das Primärkreisgebläse geringer. Auch die im Rekuperator zu übertragende Wärmeleistung und damij: dessen Baugröße und Baukosten sinken mit steigendem Druckverhältnis.

Die Diagramme der Figur 2 zeigen allerdings, daß das Druckverhältnis beträchtlich über den Wert des von der Art des Kreislauffluids abhängigen, optimalen Druckverhältnisses, das hierbei bei etwa π = 3 liegt, hinaus gesteigert werden muß. Die dadurch bewirkte Verminderung des Wirkungsgrades"^ kann durch eine Erhöhung der Zahl der Zwischenkühlungen größtenteils kompensiert werden, wie aus dem unteren Teil der Figur 2 hervorgeht. Arbeitet man beispielsweise bei einer Reaktoreintrittstemperatur T_R = 623° K, was einer sekundärseitigen Wärmeaustauschereintrittstemperatur T^- =564 K entspricht, so muß das Turbinendruckverhältnis π™ etwa bei 9,3 liegen. Würde

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man bei diesem Druckverhältnis nur eine Zwischenkühlung vorsehen, dann ergäbe sich ein elektrischer
Wirkungsgrad von nur 36,2 % (durchgezogene Linie
des unteren Diagramms). Eine Erhöhung der Zahl der
Zwischenkühlungen führt bei den hier notwendigen
großen Prozeßdruckverhältnissen zu erheblichen Wirkungsgradverbesserungen: bei zwei Zwischenkühlungen
liegt der Wirkungsgrad im gleichen Beispiel bei 40 %,
bei drei Zwischenkühlungen bei etwa 41,8 %.

Beispiel für eine Kreislaufauslegung

Bei einer abzugebenden Nutzleistung von 678 MW ergeben sich folgende Daten

Nettoleistung (Hammelschiene) 678,0 MW

Eigenbedarf 12,0 MW

PumpenIeistung (gesamter Kreislauf) 0,3 MW

Primärkreisgebläse 28,3 MW

Generatorklemmen (Brutto) 718,6 MW

Generatorverluste 13,2 MW

Kupplung 731,8 MW

Mechanische Verluste 4,4 MW

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Innere Leistung 7 36,2 MW Reaktor 1689,2 MW primär/sekundärseitiger Wärmeaustauscher 1717,5 MW Wärmeverluste 10,0 MW an den Sekundärkreis übertragen 1707,5 MW Rekuperator 515,3 MW Turbine 1612,9 MW Verdichter (gesamt) 87 6,7 MW Abwärme (gesamt) 971,3 MW

Nettowirkungsgrad 40,1 %

Durchsatz (im ND-Verdichter) 1926,8 kg/s.

In der Figur 3 ist ein Vertikalschnitt durch eine
Gesamtanlage dargestellt. In einem Maschinenhaus
20 ist ein einwelliger Turbosatz 21 mit acht Rekuperatoreinheiten 12, vier Vorkühlern 13, vier Zwischenkühlern 15, für die Rückkühlung zwischen Niederdruck- und Mitteldruck-Verdichter 16, 18 und vier
Zwischenkühler 17 für die Rückkühlung zwischen
Mitteldruck- und Hochdruck-Verdichter aufgestellt.

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Ein Reaktorschutzgebäude 22 umschließt den Spannbetonbehälter 2 für den Hochtemperaturreaktor 1. Alle Komponenten des Primärkreises sind in separaten Kavernen 23 untergebracht. Neben der zentralen Kaverne sind sechs Kavernen 23 zur Aufnahme der primär/sekundärseitigen Wärmeaustauscher und vier Kavernen für die Nachwärmeabfuhrsysteme vorgesehen. Sechs Heißgas- und sechs Kaltgasleitungen 4 bzw. 5 verbinden die Wärmeaustauscher mit den im Maschinenhaus aufgestellten Apparaten und dem Turbosatz.

Einsatzbeispiel 2:

Einsatz eines Kugelhaufenreaktors von 500 MW in einer HHT-Gas-Gas-Zweikreisanlage

Das für die verschiedenen Konzepte der Kohlevergasung geplante Wärmeerzeugungssystem, ein Kugelhaufenreaktor von 500 MW, ist auch für eine HHT-Gas-Gas-Zweikreisanlage einsetzbar. Zur Erhöhung der Zeitstandfestigkeit des Wärmeaustauschers kann die Reaktoraustrittstemperatur von 950° C (= 1223° K) auf 900° C (1173° K) abgesenkt werden. Der dabei auftretende Wirkungsgradverlust wird durch die Erhöhung der Zahl der

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Zwischenkühler auf 3 aufgefangen. Eine solche Anlage
hat beispielsweise folgende Auslegungsdaten:

Leistungen;

Netto (Sammelschiene) 209,7 MW

Eigenbedarf 3,7 MW

PumpenIeistung 0,1 MW

Primärkreisgebläse 8,4 MW

Generatorklemmen (Brutto) 221,9 MW

Generatorverluste 4,1 MW

Kupplung 226,0 MW

mechanische Verluste 1,3 MW

Innere Leistung 227,3 MW

Reaktor 500,0 MW

primär/sekundärseitiger Wärmeaustauscher 508,3 MW

Wärmeverluste 3,0 MW

an den Sekundärkreis übertragen 505,4 MW

Rekuperator 176,2 MW

Turbine ' 477,9 MW

Verdichter (gesamt) 250,6 MW

Abwärme (gesamt) 278,1 MW

Nettowirkungsgrad 41,9 %

Durchsatz (im ND-Verdichter) 570,3 kg/s.

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Claims (4)

1. Patentansprüche :

   ( 1-jVerfahren zur Verwertung von in nuklear betriebenen Hochtemperatur-Reaktoren erzeugter Wärme unter Verwendung einer im geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbine, mit einem gasförmigen Fluid, das seinen Aggregatzustand nicht ändert, und dem im verdichteten Zustand die Reaktorwärme zugeführt wird und das anschließend in der Turbine unter Expansion seine latente Energie teilweise abgibt, anschließend wenigstens einen Rekuperator auf dessen Niederdruckseite durchströmt, dann verdichtet wird, den Rekuperator auf der Hochdruckseite durchläuft und nach Beendigung des Kreislaufes erneut Reaktor wärme aufnimmt,.

   gekennzeichnet durch Kombination folgender Einzelmerkmale :

   a) der geschlossene Kreislauf mit der Gasturbine bildet einen Sekundärkreis einer Zweikreisanlage, dem über einen Gas-Gas-Wärmeaustauscher die Reaktorwärme des HTR über einen geschlossenen Primärkreislauf zugeführt wird,

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   b) die Eintrittstemperatur des Primär-Kreislaufgases in dem Reaktor liegt zwischen 520 und 680 K, die Austrittstemperatur zwischen 1020 und 1220° K,

   c) das Turbinendruckverhältnis π liegt je nach Kreislauffluid zwischen 12 und 4,

   d) das Verdichten des Kreislauffluids zwischen Niederdruck- und Hochdruckseitc erfolgt mit wenigstens zwei Zwischenkühlungen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislaufgas des Primärkreises Helium ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislaufgas des Sekundärkreises ein reines inertes Gas oder ein Gemisch aus inerten Gasen ist.
4. 4. Einrichtung zur Reaktorwärmeverwertung nuklear betriebener HT-Reaktoren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnetdurch folgende Merkmale:

   a) die Einrichtung ist eine Zweikreisanlage, bei der die Teile des Primärkreises mit Helium als

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   Kreislaufmedium und einem Gas-Gas-Wärmeaustauscher (6) sich innerhalb des Reaktor-Spannbehälters (2) befinden,

   b) und bei der die Teile des Sekundärkreislaufes, d. h. die Einzelkomponenten der im geschlossenen Kreislauf betriebenen Gasturbine (8), mit Ausnahme des primär/sekundärseitigen Wärmeaustauschers (6) außerhalb des Spannbetonbehälters (2) angeordnet sind,

   c) der Sekundärkreislauf weist wenigstens zwei Zwischenkühler (15, 17) und wenigstens drei Verdichterstufen (14, 16, 18) zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite auf.

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