CH479935A - Kernkraftwerk mit CO2-Kühlung - Google Patents

Description

  Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 462 336    Kernkraftwerk mit     CO2-Kühlung       Das Hauptpatent 462 336 bezieht sich auf ein  Kernkraftwerk mit     COZ    Kühlung zur Erzeugung von.  elektrischer Energie mit Hilfe von Gasturbinen, wobei  wenigstens.

   eine mit einem Verdichter gekoppelte  Gasturbine vor der     Kühlgaseintrittsseite    des Reaktors  vorgesehen, auf dem Weg des Kühlgases zwischen Ver  dichter und Gasturbine ein     Regenerativwärmetauscher     eingeschaltet ist, der primärseitig von aus dem Reaktor  austretendem     Kühlmittel    direkt     ode    nach nur     verhält-          nismässig        geringem    Druckabfall     beaufschlagt    ist und  dieses Kühlmittel anschliessend einen Kühler durch  läuft sowie vor seinem Eintritt in den Verdichter einen  Druck von mindestens 40     ata,    vorzugsweise 70 bis  130     ata,

      besitzt. Die Gasturbine wird also im direkten  Kreislauf vor der     Kühlmitteleintrittsseite    des Reaktors  angeordnet. Der im Verdichter erzeugte hohe     Turbi-          neneintrittsdruck    von beispielsweise 300     ata    belastet  dabei nur die Rohre des Wärmetauschers, jedoch nicht       den        Reaktordruckbehälter.    Die     Grädigkeit    (d. h. die  Temperaturdifferenz) des     Regenerativwärmetauschers     ist dabei am     heissen    Ende des Wärmetauschers     ver-          hältnismässig    gross, z.

   B. 95  C - am kalten Ende  dagegen nur 12  C - so dass das Arbeitsmittel mit  einer niedrigeren Temperatur in die Turbine eintritt,  gegenüber dem Fall einer etwa konstanten     Grädigkeit     über die gesamte     Wärmetauscherfläche.    Diese unter  schiedliche     Grädigkeit    ist eine Folge der im unteren  Temperaturbereich stark vergrösserten spezifischen  Wärme des in den Rohren unter hohem Druck stehen  den C02 Gases. Durch diese Erscheinung wird also  der Wirkungsgrad der Turbine etwas verschlechtert.  



  Es stellte sich daher die Aufgabe, die mittlere     Grä-          digkeit    des Wärmetauschers zu verkleinern und damit  auch den Wirkungsgrad der Turbine anzuheben. Dies  wird     erfindungsgemäss    dadurch erreicht, dass zur An  hebung der     Turbineneintrittstemperatur    und damit des  Gesamtwirkungsgrades. die     Zuführung    zusätzlicher       Wärme    von dem aus der     Turbine    austretenden Gas an  das im     Regenerativwärmetauscher    aufgeheizte Hoch  druckgas vorgesehen ist.

   Diese den Gesamtwirkungs-    grad der Anlage erhöhende     Abwärmerückführung    kann  bei grundsätzlicher Beibehaltung des     C02-Kreislaufes     des Hauptpatentes auf verschiedene Weise durchgeführt  werden. Fünf Varianten sind in den     Fig.    1 bis 5 darge  stellt, eine besonders zweckmässige räumliche Zuord  nung zwischen     Wäremtauschern    und Reaktor     in    einem  gemeinsamen Druckgefäss zeigt die     Fig.    6.  



  Das Grundprinzip der     Vergleichmässigung    der     Grä-          digkeit    besteht also darin, dass dem Wärmetauscher  auf einem mittleren Temperaturniveau zusätzliche  Wärme aus dem Abgas der Turbine zugeführt wird,  bevor dieses dem Reaktor zuströmt. Dadurch wird bei       entsprechender    Dimensionierung der Wärmetauscher  das Temperaturniveau der Turbine kräftig angehoben,  während die     Reaktoreintrittstemperatur    etwa gleich  bleibt. In den in den Figuren dargestellten Schaltungs  beispielen wurden dieselben Bezeichnungen wie im  Hauptpatent verwendet, auf eine erneute grundsätz  liche Beschreibung des     CO,-Kreislaufes    kann daher  verzichtet werden.  



  Im Beispiel gemäss     Fig.    1 ist der     Regenerativwär-          metauscher    W1 in zwei Abschnitte a und b unterteilt,  derart, dass zwischen beiden das aus dem Reaktor  kommende     heisse        Niederdruckgas    in einem besonderen       Wärmetauscher    W3 vom Abgas der Turbine 1 aufge  heizt und dann erst durch den zweiten Teil b des Wär  metauschers W1 strömt.  



       Gemäss        Fig.2    ist die Hochdruckseite des     Regene-          rativwärmetauschers        W1    derart unterteilt, dass das  Hochdruckgas ein oder mehrere Male aus dem Wär  metauscher     W1    herausgeführt und in einem vom Ab  gas der Turbine     T1    beheizten Wärmetauscher W3 zu  sätzlich aufgeheizt wird. Dadurch wird also     ebenfalls     der Temperaturunterschied bzw. die     Grädigkeit    des  Wärmetauschers W1 im Mittel verkleinert und damit  auch die     Turbineneintrittstemperatur    erhöht.  



  Im Beispiel nach     Fig.    3 bilden die in den vorherge  henden Beispielen getrennten Wärmetauscher     W1    und  W3 eine Baueinheit. Das aus der Turbine     T1    kom  mende Abgas strömt mit einem Zustand von     etwa         350\ C und 121     ata    einer zusätzlichen Wärmetauscher  fläche im Wärmetauscher     W1    zu und beheizt damit  über das in gleicher Richtung strömende Niederdruck  gas das durch die normale Rohrheizfläche in Gegen  richtung strömende Hochdruckgas. Die in dieser und  den nächsten Figuren eingetragenen Betriebswerte des  Arbeitsgases gelten sinngemäss auch für die Beispiele  von     Fig.    1 und     Fig.    2.  



  Die zusätzliche Aufwärmung des der Turbine zu  strömenden Hochdruckgases kann auch dadurch  bewerkstelligt werden, dass gemäss     Fig.    4 aus der Hoch  druckrohrheizfläche des Wärmetauschers     W1    ein     Teil-          strom        des        Hochdruckgases        von        etwa        50        %        abgezweigt     und in einem Wärmetauscher W3, der vom Turbinen  abgas     beaufschlagt    ist,

   von etwa 260 auf 320  C aufge  heizt und anschliessend wieder der     Hochdruckrohrheiz-          fläche        zugeführt    wird. Die Abzweigung der gewünsch  ten Menge des Hochdruckgases kann dabei in an sich  bekannter Weise durch einstellbare Drosseln usw. ge  steuert werden.  



       Fig.    5 zeigt eine weitere Variante zur Verwertung  der Abgaswärme der Turbine     T1.    Hier wird das Abgas  bei einem Druck von etwa 113     ata    und 360  C dem  vom Reaktor R kommenden     Primärgasstrom    an einem  Punkt zugemischt, wo dieses etwa die gleiche Tempera  tur hat, nach einer gemeinsamen Abkühlung auf etwa  270  C wieder entnommen und über ein (oder mehrere  parallelgeschaltete)     Umwälzgebläse    V3 mit einem auf  120     ata    erhöhten Druck dem Reaktor zugeführt.

   Der       Regenerativwärmetauscher        W1    ist in diesem Beispiel in  drei Teile a, b und c unterteilt, die äusserlich selbstver  ständlich eine Baueinheit bilden können. Die Armatur  D6 ist normalerweise geöffnet. Beim Ausfall der Tur  bine     T1    und des Verdichters     V1    kann die Nach- bzw.  Notkühlung des Reaktors dadurch erfolgen, dass die  Armatur D6 geschlossen wird und der bzw. die     Um-          wälzverdichter    V3 unabhängig weiter angetrieben wer  den. Dabei öffnet sich die     Rückschlagarmatur    S5  selbsttätig.  



  Ausser diesen genannten Beispielen sind natürlich  noch andere Möglichkeiten zur Rückführung der     Tur-          binenabgaswärme    denkbar.  



  Wie bereits aus der     Fig.    1 des Hauptpatentes zu er  sehen, lassen sich Wärmetauscher und Kühler zusam  men mit dem eigentlichen Reaktor in einem gemeinsa  men     Druckgefäss    unterbringen. Die     Fig.    6, zeigt     als    Bei  spiel einen Längsschnitt durch einen derartigen Auf  bau, bei dem als Kernreaktor R ein schneller Brüter  vorgesehen ist. Der Druckbehälter DK ist aus vorgefer  tigten Spannbetonteilen hergestellt, wie er schon in der  Literatur beschrieben worden ist. Die übrigen Bauele  mente der     Kernreaktoranlage    sind mit ihren normalen  Schaltzeichen ausserhalb dieses Längsschnittes zum  besseren Verständnis der Strömungsführung des Kühl  gases dargestellt.

   Turbinen und Verdichter befinden  sich also ausserhalb des Druckgefässes, jedoch noch in  nerhalb des Sicherheitsbehälters, nicht jedoch die Ge  neratoren und ein     evtl.    Kühlwasserkreislauf. Das von  oben aus dem Reaktor kommende Kühlgas hat, wie in  den Beispielen dargelegt, einen Druck von etwa  <B>110</B>     ata    und eine Temperatur von 490  C.

   Es strömt  zunächst in der Behältermitte nach unten über einen  Teil der     Wärmetauscherrohre    des     Regenerativwärme-          tauschers        Wl.    Durch     Leitbleche    geführt steigt das     Nie-          derdruck-gas    sodann in einer Ringzone nach oben an  weiteren Rohrbündeln des Wärmetauschers     W1    vorbei,  zwischen denen Rohrbündel W3 für die Abwärmerück-         führung        (Turbinenaustrittsgas    120     ata)    angeordnet  sind.

   In der äussersten Ringzone strömt alsdann das  Gas wieder nach unten und wird dabei durch die was  serdurchströmten Rohrbündel des Kühlers     K1    auf  ca. 40  C zurückgekühlt. Durch diese spezielle Füh  rung des Kühlgases wird es möglich, die bei Reaktor  betondruckbehältern übliche aufwendige Innenisolie  rung in weiten Bereichen wegzulassen, wobei die Was  serkühlung der inneren Dichthaut des Druckgefässes  DK gleichzeitig einen Teil des Kühlsystems     K1        bildet.     Die Rohrleitungen führen vorzugsweise durch den un  teren verschiebbaren     Konuspfropfen    des Druckbehäl  ters, da sich dieser zu diesem Zweck besonders eignet.

    Die Rohrbündel der einzelnen Wärmetauscher sind  dabei selbstverständlich in an sich bekannter Weise zu       Gruppen    zusammengefasst, die durch Sammler und  Ausgleichsräume miteinander in Verbindung stehen.  Diese Einzelheiten, die an sich zum Stande der Tech  nik gehören, sind aus Gründen der     übersichtlichkeit     hier nicht näher dargestellt. Es sei in diesem Zusam  menhang erwähnt, dass die Wärmetauscher beispiels  weise als     Wendel-Rohrbündel    mit gleichem Steigungs  winkel in jeder Lage ausgeführt werden können.

   Wer  den aus     Sicherheitsgründen    mehrere parallelgeschaltete  Verdichter angewendet, so kann man jedem Verdichter  im Inneren des Druckgefässes einen Sammler zuordnen  und die einzelnen Rohrschlangen so gleichmässig ver  teilt an die Sammler anschliessen, dass beim Ausfall  einzelner Verdichter keine Strähnen heissen oder kal  ten Gases auf der Niederdruckseite des Wärmetau  schers entstehen können. Zur Verbesserung des Wär  meüberganges kann es dabei zweckmässig sein, die in  nere und/oder äussere Oberfläche der Rohre mit an  sich bekannten Rippen in Kreis- oder Wendelform  o. dgl. zu versehen.  



  Abschliessend sei erwähnt, dass bei dieser vorge  schlagenen     Kernreaktoranlage    ähnlich wie nach dem  Hauptpatent eine Aufspaltung des     Kühlgasstromes    aus  dem Kernreaktor in zwei oder mehrere parallel ange  ordnete Kreisläufe möglich ist, was insbesondere auch  für die Durchführung eines     Teillastbetriebes    Vorteile  bietet. Hinsichtlich der Notkühlung einer derartigen  Anlage können auch jene Gesichtspunkte Berücksichti  gung finden, die     in    der Patentschrift 477 625 niederge  legt sind.  



  Sollte es sich ergeben, dass im Reaktor Kühlmittel  anfällt, dessen Temperatur niedriger als die Reaktor  austrittstemperatur ist, dann kann selbstverständlich  auch dessen Wärmeinhalt zur Verbesserung des gesam  ten Wirkungsgrades des regenerativen     Wärmeaustau-          schers    auf das entsprechende Temperaturniveau zuge  führt werden. Solche Wärmemengen können beispiels  weise     freiwerden    im Moderator eines     schwerwassermo-          derierten    C02 gekühlten Reaktors oder im radialen  Brutmantel eines     C02    gekühlten     Schnellbrutreaktors.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Kernkraftwerk mit C02 Kühlung zur Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe von Gasturbinen nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anhebung der Turbinenein- trittstemperatur und damit des Gesamtwirkungsgrades die Zuführung zusätzlicher Wärme von dem aus der Turbine austretenden Gas an das im Regenerativwär- metauscher aufgeheizte Hochdruckgas vorgesehen ist. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Kernkraftwerk nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Turbinenaustrittsgas be heizter zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen ist, der von in einem ersten Abschnitt des Regenerativwärme- tauschers teilweise abgekühlten Niederdruckkühlmittel zur Nachheizung desselben durchströmt wird. 2.

   Kernkraftwerk nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Turbinenaustrittsgas be heizter zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen ist, der von einem Teilstrom des Hochdruckgases aus dem Regenerativwärmetauscher bzw. dem vollen Strom des selben aus verschiedenen Temperaturstufen des Rege- nerativwärmetauschers durchströmt wird. 3.

   Kernkraftwerk nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Turbinenaustritt kom mende Niederdruckgas den Regenerativwärmetauscher zur Nachheizung des aus dem Reaktor kommenden Kühlgases innerhalb einer an entsprechender Stelle an geordneten zusätzlichen Wärmetauscherfläche durch strömt. 4.

   Kernkraftwerk nach Patentanspruch und Unter anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Turbinenaustritt kommende Niederdruckgas dem aus dem Reaktor kommenden Niederdruckgas in einer mittleren Stufe des Regenerativwärmetauschers zuge mischt und nach dem Durchlaufen derselben mit Hilfe eines zusätzlichen Verdichters wieder abgezogen und dem Kühlgaseintritt des Reaktors zugeführt wird. 5.

   Kernkraftwerk nach Patentanspruch und Unter anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kernreaktor und Wärmetauscher sowie Kühler in einem gemeinsa men Druckbehälter, vorzugsweise aus Spannbeton, un tergebracht sind, wobei die verschiedenen Wärmetau scher derart koaxial angeordnet sind, dass der Kühler in die äusserste Zone zu liegen kommt.