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.