CH369220A - Verfahren zum Abführen der im Innern eines Kernreaktors freiwerdenden Wärme - Google Patents

Description

  Zusatzpatent zum Hauptpatent     Nr.   <B>366336</B>    Verfahren zum Abführen der im Innern eines Kernreaktors freiwerdenden Wärme    Das Hauptpatent     Nr.   <B>366336</B> betrifft ein Verfah  ren zum Abführen der durch Kernreaktionen im  Innern eines Atomkernreaktors     frvi    werdenden  Wärme mit Hilfe eines     verdampfbaren        ArbeItsmittels,     wobei das     Arbeitsmittelin    flüssigem Zustand auf den  höheren Druck gebracht und anschliessend verdampft  wird,

       dass    ferner das Arbeitsmittel in einer     Mehrzahl-          von        aufeinanderfolgenden        Durchgängenin        dampfför-          migem    Zustand durch jeweils einen oder mehrere       Kühlkanäle    des Reaktors geleitet und hierbei er  hitzt wird und     dass,    schliesslich während     undloder    nach  mindestens einem     Teill    der Durchgänge das Arbeits  mittel zurückgekühlt wird.  



  Weiterhin betrifft das Hauptpatent eine Reaktor  anlage zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem  Verdampfer zur     Verdarapfung    flüssigen     Arheitsmit-          tels,    aus welchem der erzeugte     Arbeitsmitteldarapf     in     aufeinanderfolgenden    Durchgängen durch jeweils  einen oder mehrere     Kühlkanält    des Reaktors strömt,  sowie durch Mittel zum Rückkühlen des erhitzten       Arbeitsmitteldampfes    während     undloder    nach     nünde-          stens    einem Teil der Durchgänge des Arbeitsmittels  durch den oder die     KühlIkanffle,

      sowie durch wenig  stens eine Pumpe zur     Druckspelsung    des     Verdamp-          fürs    mit flüssigem Arbeitsmittel. Bei einer solchen  Anlage wird angestrebt, einen möglichst grossen Teil'  der bei der Rückkühlung des Arbeitsmittels verfüg  baren Wärme im Verdampfer zur kontinuierlichen  Herstellung von     Sattdampf    auszunützen. Es ist daher  für den     Wi#rkungsgrad    der ganzen Anlage von wesent  licher Bedeutung,     dass    dieser Wärmeaustausch in  thermodynamischer Hinsicht möglichst vorteilhaft  ausgeführt wird.  



  Bei der Reaktoranlage gemäss der vorliegenden  zusätzlichen Erfindung worden statt nur eines Ver  dampfers, deren zwei oder mehrere verwendet, wobei  die einzelnen Verdampfer auf verschiedenen Druck-         niveaus    arbeiten und ferner Mittel     vorgeschen    sind,  welche die von den Verdampfern gelieferten Dampf  mengen auf ein gemeinsames Druckniveau bringen.  



  Da der zuerst vom überhitzten Dampf durch  strömte Verdampfer zufolge des höheren Druckes       m        it        ,i        eine        r        höheren        Sattdampftemperatur        arbeitet,        ist     die in ihm ausgetauschte Wärme auf einem höheren  Temperaturniveau verfügbar, so     dass    zwischen ihm  und dem zweiten (oder allgemein einem folgenden)  Verdampfer ein Energie liefernder thermodynami  scher     Prozess    ausgeführt werden kann. Diese Energie  kann in an sich beliebiger Weise verwendet werden.

    Beispielsweise könnte damit ein Kompressor ange  trieben werden, der dazu dient, den Druck des vom  zweiten Verdampfer gelieferten Dampfes     zu,erhöhen,     -und zwar auf einem zwischen dem     Druckniveau    des  ersten und des zweiten     Verdampfersfiegenden    Wert.  Infolge der tieferen Sekundärtemperatur kann damit  die     überhitzungswärme    des Dampfes bis zu einer  tieferen Temperatur ausgenützt werden. Somit steht  vor dem ersten Durchgang durch den Reaktor eine  grössere Dampfmenge zur Verfügung,<B>die</B> notwendige       Anzah#l    Umläufe und damit der totale     DruckabfaN     werden kleiner, der Anlagewirkungsgrad höher und  die Leitungsführung ausserhalb des Reaktorkernes  einfacher.

    



  Die Erfindung wird anhand der Zeichnung nach  folgend beispielsweise erläutert. Dabei zeigen:       Fig.   <B>1</B> eine Anlage, bei der der     Drackausgleich     durch eine     Turbinen-Kompressorgruppe    erfolgt.  



       Fig.    2 einen zum Druckausgleich dienenden     Strahl-          kompressor,          Fig.   <B>3</B> eine     Variant--,    bei der in einem Teil der  Umläufe     die    Rückkühlung nur in einem der beiden  Verdampfer vorgenommen wird,       Fig.    4 ein Anlageschema, bei dem von einer     Steft    e  des     Kreislaufes    eine     Teihnenge,    des     Arbeitsmittels         über einen Kompressor in den Eingang zurückgeführt  wird.  



  Die, in     Fig.   <B>1</B> gezeigte, Anlage enthält den  schematisch dargestellten Reaktor<B>1,</B> der in meh  reren Durchgängen von dem aus den Verdampfern 2  und<B>3</B> stammenden Dampf durchströmt wird. Die bei  den Verdampfer werden aus einem     Spcisewassergefäss     4 über eine Pumpe<B>5</B> und einen     Vorwärmer   <B>6</B> mit  Speisewasser versorgt, wobei eine Pumpe<B>7</B> dafür  sorgt,     dass    eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen  den beiden Verdampfern aufrechterhalten wird. Die  Pumpe kann dabei durch einen auf die Druckdiffe  renz zwischen den beiden Verdampfern ansprechen  den     Druckfühler   <B>8</B> gesteuert werden.

   Der aus dem  Verdampfer 2 stammende Dampf gelangt über die  Leitung<B>9</B> in den Kompressor<B>10</B> und von diesem  zur gemeinsamen Leitung<B>11,</B> in welche auch der  Dampf aus dem Verdampfer<B>3</B> über Leitung 12 und  Turbine<B>13</B> eingespeist wird. Kompressor und Tur  bine sitzen vorzugsweise auf einer gemeinsamen  Welle, mit der zum Ausgleich allfälliger Leistungs  differenzen auch ein     Motor-Generator    14 gekuppelt  ist. Von der gemeinsamen Leitung<B>11</B> strömt der  Dampf     in,einem    ersten Durchgang durch den Reaktor  <B>1,</B> wird überhitzt, hierauf in den beiden Verdamp  fern rückgekühlt und gelangt über die Leitung<B>15</B>  erneut in den Reaktor, wo er in einem zweiten Durch  gang wiederum überhitzt und nachfolgend in den  Verdampfern rückgekühlt wird.

   Nach einer Mehrzahl  von Durchgängen wird der überhitzte Dampf als  Frischdampf der Nutzturbine<B>16</B> zugeführt, an deren       Ausgano,    sich in üblicher Weise ein Kondensator<B>17</B>  anschliesst, von dem das Kondensat über -eine     Kon-          densatpumpe   <B>18</B> und einen     Vorwärmer   <B>19</B> in den       Speisewassexbehälter    4 zurückgeführt wird.  



  Der aus dem Verdampfer<B>3</B> stammende     Sattdampf     wird in der Turbine<B>13</B> unter Arbeitsleistung ent  spannt und gelangt als     Nassdampf    zur Vereinigungs  stelle mit dem aus dem Verdampfer 2 kommenden  und im Kompressor<B>10</B> verdichteten und dabei über  hitzten Dampf. In der Praxis liegen     die    Verhältnisse  so,     dass    die Mischung des     Nassdampfes    mit dem  überhitzten Dampf wieder praktisch gesättigten  Dampf beim gemeinsamen Druckniveau     p",    liefert.

    Würde man nur einen einzigen Verdampfer verwen  den, der beim Druck<B>p.</B> arbeitet, dann wäre die ent  sprechende     Sattdampftemperatur    höher als     diejemige     im Verdampfer 2. Man kann also dank dem zweiten  Verdampfer den im Reaktor<B>1</B> überhitzten Dampf  tiefer     herabkühlen,    das heisst ihm mehr Wärme pro  Umlauf entziehen.  



  Dieser Umstand erlaubt für jeden Durchgang des  Kühlmittels, durch den Reaktor eine grössere Anzahl  von     Kühlkanälen    parallel zu schalten. Dadurch     lässt     sich die im Reaktor total produzierte Wärme mit  weniger Umläufen abführen.  



  Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel, bei  dem der Verdampfer<B>3</B> bei<B>80</B>     at    und     2931>C        Satt-          dampftemperatur    und der Verdampfer 2 bei<B>50</B>     at     und     26211   <B>C</B>     Sattdampftemperatur    arbeitet, wird in die    Leitung<B>11</B> ein Dampf von<B>60</B>     at    und<B>2750 C</B> einge  speist. Wäre nur ein Verdampfer vorhanden, so     müsste     dieser, um gleiche Verhältnisse zu erreichen, bei<B>60</B>     at     und einer     Sattdampftemperatur    von<B>275v C</B> arbeiten.

    Dank der Verwendung     zwe#ier    Verdampfer kann  also bei der Rückkühlung eine um<B>130</B> höhere Tem  peraturdifferenz ausgenützt werden. Damit     lässt    sich  <B>-</B> wie die Berechnungen zeigen<B>-</B> für einen bestimmten  Reaktor die Zahl der Umläufe um etwa 20% redu  zieren und entsprechend verringert sich der gesamte  Druckabfall, so     dass    der Dampf mit höherem Druck  am Turbineneintritt zur Verfügung steht.  



  Um die     Wärmernenge,    welche dem Reaktor durch  den Wärmeträger bei jedem Durchgang entnommen  wird, möglichst gross zu machen, wird man bestrebt  sein, den Dampf bei jedem Umlauf so weit     zurück-          zukühlen,        dass    er beim Eintritt in den Reaktor jeweils  wieder     Sattdampftemperatur    aufweist. Dies     lässt    sich  durch     Rückkühlung    in den Verdampfern allein schon  deshalb nicht erreichen, weil infolge der Strömungs  widerstände der Druck nach mehreren Umläufen we  sentlich unter denjenigen Wert gefallen ist, der beim  erstmaligen Eintritt des Dampfes in den Reaktor vor  handen war.

   Damit liegt auch     diie        Sattdampftempera-          tur    nach mehreren Umläufen tiefer als diejenige im  Verdampfer 2. Es wird daher erforderlich sein, wei  tere     Rückkühlungsmöglichkeiten    auszunützen, indem  beispielsweise     d!ie        Speisewasservorwärmung    in den  Kreislauf einbezogen wird oder an einer oder meh  reren Stellen flüssiges Arbeitsmittel, im     vorliegen-den     Fall also Wasser, eingespritzt wird. Im Hauptpatent  sind verschiedene     Rückkühlungsarten    sowie auch  zahlreiche Varianten zur Regelung der Rückkühlung  in Funktion von Temperatur und     Durchflussmenge    er  läutert.

   Weiterhin wurden dort Beispiele für die       Ausnützung    der     Moderatorwärme    angegeben. Es ist  für den Fachmann klar,     dass    alle dort erwähnten  Massnahmen in zweckentsprechender Weise auch bei  der vorliegenden Anlage angewendet werden können,  so     dass    hier auf die Ausführung weiterer Einzel  heiten verzichtet werden kann.  



  An Stelle des in     Fig.   <B>1</B> gezeigten     Tu!rbinen-Kom-          pressor-Aggregates   <B>25</B> könnte zum Druckausgleich  zwischen den beiden Verdampfern auch der in     Fig.    2  .schematisch dargestellte     Strahlkompressor    verwendet  werden. Bei diesem wäre die Leitung 41 an den Ver  dampfer mit niedrigerem und die Leitung 40 an den  Verdampfer mit höherem Druckniveau anzuschliessen.  Im     Diffusor    der dargestellten Einrichtung würde so  dann ein Druck auftreten, der oberhalb des Druck  niveaus des Verdampfers 2 liegt.

   Vom Austrittsstut  zen 42 wird der Dampf sodann über die Leitung  <B>11</B>     (Fig.   <B>1)</B> dem ersten Durchgang des Reaktors zu  geführt.  



  In     Fig.   <B>3</B> ist eine weitere Ausführungsform dar  gestellt, die besonders dann von Vorteil ist, wenn  der Dampf bei den verschiedenen Durchgängen durch  den Reaktor mit verschieden hoher     überhitzungs-          temperatur    austritt.<B>Je</B> nach der überhitzungstem-           peratur    wird hier der Dampf nach den einzelnen  Durchgängen nur     durcheinen    oder auch beide     Ver:-          dampfer    geführt. Man hat es hier     somitin    der Hand,  die bei den einzelnen Durchgängen aufgenommenen  verschieden grossen Wärmemengen durch Rückküh  lung des Arbeitsmittels in nur einem oder beiden  Verdampfern abzuführen.

   Eine weitere Regelung. der  Rückkühlung in     den,einzelnen    Umläufen kann natür  lich auch in diesem     Fal!le        daTcli    Einspritzen von     flüs-          sigern    Arbeitsmittel erfolgen, wobei die     Einspätz-          menge    in Abhängigkeit von der jeweiligen Temperatur  des Arbeitsmittels gesteuert werden kann.  



  In der dargestellten Anlage sind die beiden Ver  dampfer 2 und<B>3</B>     als.ein    zusammenhängendes Gefäss  ausgebildet, das in zwei durch eine gewölbte Zwi  schenwand<B>26</B> getrennte Räume unterteilt ist. In die  sen die Verdampfer 2 und<B>3</B> bildenden Räumen sind  hinter den Eintrittsstellen des flüssigen Arbeitsmittels  partielle Wände<B>27</B> und,<B>28</B> angeordnet, die von den  durch die Verdampfer geführten Leitungen für im  Reaktor überhitztes Arbeitsmittel durchsetzt werden.

    Durch diese Wände wird bewirkt,     dass    das in die  Verdampfer 2     bzw.   <B>3</B> eintretende flüssige Arbeits  mittel, dessen Temperatur noch unterhalb der     Satt-          dampftemperatur    im betreffenden Verdampfer liegt,  zunächst in     Wärineaustausch    mit dem in den Leitun  gen strömenden Dampf tritt. Somit kann eine wei  tere Rückkühlung des     dampfförmigen    Arbeitsmittels  erreicht werden, als dieses der Fall wäre, wenn das  flüssige Arbeitsmittel direkt in die Verdampfer ohne  Anordnung von Zwischenwänden<B>27</B> und<B>28</B> gefördert  würde. Ausserdem kann eine grössere Flüssigkeits  menge im Verdampfer<B>3</B> verdampft werden.  



  In     Fig.    4 ist eine, Anlage dargestellt, welche der  in     Fig.   <B>1</B> gezeigten ähnlich ist und     in    der gleiche  Teile wieder mit gleichen Bezugszeichen versehen  sind. Bei dieser Anlage wird der im Verdampfer<B>3</B>  erzeugte Dampf in der Turbine<B>13</B> unter Arbeits  leistung direkt auf das Druckniveau. des     Verdainpfers     2 entspannt. Die von der Turbine<B>13</B> gelieferte  Energie kann durch den<B>-</B> gestrichelt gezeichneten<B>-</B>  elektrischen Generator 20 direkt in Nutzenergie um  gewandelt werden. Vorzugsweise wird, jedoch durch  die Turbine<B>13</B> ein Kompressor<B>10</B> angetrieben.

   Durch  diesen Kompressor wird von einer Stelle<B>181</B> des  Kreislaufes Dampf entnommen, auf das Druckniveau  des     Verdampfens    2 gebracht und zusammen mit den  von den beiden Verdampfern kommenden Dampf  strömen dem Reaktor zugeführt. Die Dampfentnahme  erfolgt an einer Stelle, an welcher das     Arbeitsmitteill     bereits mehrere Umläufe durchlaufen hat, so     dass    sein  Druckniveau zufolge der Strömungswiderstände be  reits wesentlich gesunken ist. Die an der Stelle<B>18'</B>  entnommen-- Dampfmenge kann durch ein Verteiler  ventil geregelt werden.

   Die zurückgeführte Teilmenge,  wird vorzugsweise so gewählt,     dass    die für den Be  trieb des Kompressors<B>10</B> erforderliche Leistung ge  rade durch die Turbine<B>13</B> aufgebracht werden kann.  Es kann jedoch     wieln        Fig.   <B>1</B> zur Aufnahme allfälliger  Leistungsdifferenzen     wiederein        Motor-Gencrator    mit    der<B>-</B>     Turbinen-Kompressorgruppe    gekuppelt sein.  Durch     die    beschriebene     Dampf-Rückführung    wird die  am     Anfangdes,        Kreislaufes    vorhandene totale Dampf  menge erhöht.

   Es können somit bei den diese grö  ssere Dampfmenge führenden Reaktordurchgängen  ,eine grössere Anzahl von     Kühlkanälen    für jeden  Durchgang parallel geschaltet werden, wodurch wie  der die gesamte Anzahl von Umläufen verringert wird.  In     Fig.    4 sind weitere     Riickkühllmög#)khkeiten    für  das Arbeitsmittel durch     Einspritzstelllen    21 sowie eine       Speisewasservorwärmung    im     Wärmeaustauscher    22  angedeutet. Weiterhin kann der Nutzturbine<B>16</B>     An-          zapfdampf    zur Kondensat- und     Speisewasser-Vor-          wärmung    entnommen werden.

   Bei einer weiteren  Variante wäre es auch, möglich, statt des Aggregates  <B>25</B> in     Fig.   <B>1</B> einen durch Fremdenergie gespeisten  Kompressor zu verwenden, der den Dampf aus, dem  Verdampfer mit niedrigerem     Dsuckm.*veau    auf das  Druckniveau des anderen Verdampfers komprimiert.  



  Neben den oben beschriebenen     Ausführungs-          formensind    natürlich alle anderen Anlagen mit meh  reren     Verdampfem    als in den Rahmen, der     Era-          dung    fallend zu. betrachten, wenn irgendwelche Mittel  vorgesehen sind, welche geeignet sind, die Dampf  ströme auf -ein gemeinsames Druckniveau zu bringen.

Claims (1)

1. <B>PATENTANSPRUCH</B> Reaktoranlagenach Patentanspruch II des Haupt patentes, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dampf erzeugung mindestens zwei auf verschiedenen Druck niveaus arbeitende Verdampfer vorgesehen, sindund weiter Mittel vorgesehen sind, welche die von den Verdampfern gelieferten Dampfmengen auf ein ge meinsames Druckniveau, bringen.

   - U-NTERANSPRÜCHE <B>1.</B> Reaktoranlage nach Patentanspruch, gekenn zeichnet durcheine Turbinen-Kompressorgruppe, wo bei der von einem Teil, der Verdampfer gelieferte Dampf in der Turbine auf das gemeinsame, Druck niveau expandiert wird und der von einem anderen Teil der Verdampfer gelieferte Dampf ün Korn- pressor auf das gemeinsame Druckniveau komprimiert wird. 2. Reaktoranlage nach Unteranspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass Turbine und Kompressor auf einer,gemeinsamen. Welle angeordnet sind.

   <B>3.</B> Reaktorahlage nach Unteranspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass mit der Turbinen-Kompressor- gruppe ein Motor-Generator gekuppelt ist, der A- fällige positive oder negative LeisWngsdifferenzen zwischen Turbine und Kompressor ausgleicht. 4. Reaktoranlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Verdampfern stam menden Dampfmengen durch mindestens einen Strahl- kompressoir auf gleiches Druckniveau gebracht wer den.

   <B>5.</B> Reaktoranlage nach Patentansprach, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem Verdampfer mit höherem Druckniveau stammende Dampf in einer Dampfturbme direkt bis auf das Druckniveau eines mit niedrigerem Druck arbeitenden Verdampfers ent spannt wird.

   <B>6.</B> Rüaktoranlage nach Unteranspruch<B>5,</B> dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbinee einen Kom pressor antreibt, durch den Dampf aus einer hinter dem ersten Durchgang durch den Reaktor hi egenden Stelle auf das Druckniveau vor dem ersten Durch gang gebracht wird. <B>7.</B> Reaktoranlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Teil der Umläufe der Wärmeträger zur Rückkühlung durch all-- Verdampfer hindurchgeführt wird.

   <B>8.</B> Reaktoranlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten ungleicher über- hitzungstemperaturen bei den einzelnen Durchgängen des Wärineträgers durch den Reaktor die Rück kühlung bei einem Teil der Umlaufe nur in einem oder in einem Teil der Verdampfer erfolgt.