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Atomkraftanlage Die Erfindung betrifft eine Atomkraftanlage mit Kernreaktor
und mit aus mehreren Druckstufen b@estehender, durch gespannte Flude angetriebener
Kraftmaschine, ferner mit Wärmeaustauschern, die durch ein primäres, durch den Reaktor
und über die Wärm:eaustauscher zirkulierendes Kühlflu4d beheizt werden und einen
dampferzeugenden Teil, der unter Druck stehenden Dampf für die Kraftmaschine liefert,
sowie einen diesen Dampf überhitzendem. Teil enthalten.
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Atomkraftanlagen dieser Gattung sind bekannt, und zwar enthalten sie
einen Kernreaktor, in dem flüssiges Blei mittels .einer Flügelpumpe umgewälzt wird.
In der Ströanungsbahn des flüssigen Metalls sind mehrere Wärmeaustauscher vorgesehen,
nämlich ein Dampferzeuger, ein Dampfüberhitzer und ein Dampf-Zwische nüberhitzer.
Das flüssige Metall gelangt nicht in Leitungen außerhalb der Reaktorhülle, und der
einzige flüssigkeitsbeheizte Überhitzer ist der Zwischenüberhitzer, der vom flüssigen
Blei beheizt wird. Dieser Überh.itzer ist unmittelbar am Reaktor innerhalb der Reaktorhülle
angeordnet.
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Es ist allgemein bei den bekannten Atomkraftanlagen schwierig, das
zum Antrieb der Kraftmaschine herangeführte gespannte Flud genügend stark zu überhitzen.,
damit es bei seiner Expansion in der Kraftmaschine ganz oder im wesentlichen trocken
bleibt. Das Problem könnte gemeistert werden, wenn das gespannte Flud zwischen den
einzelnen Druckstufen der Kraftmaschine, insbesondere vor der Niederdruckstufe,
zwischenüberhitzt würde, jedoch ist eine derartige Maßnahme in jenen Kraftwerken
schwierig, die mit Dampf als gespanntem Flud und mit Dampfturbinen als Kraftmaschinen
arbeiten, und zwar einesteils, weil aus biologischen Sicherheitsgründen die Dampfturbinen
in ziemlicher Entfernung vom Wärmeaustauscher und daher oft in einem getrennten
Gebäude angeordnet werden müssen, und anderenteils, weil die Dampferzeugungseinrichtungen
wegen der niedrigen zur Verfügung stehenden Temperaturen meistens mit kleinen Dampfdrücken
arbeiten müssen, was große Dampfmengen und sehr große Dampfhauptleitungen bedingt.
Aus diesen Gründen wird bei der erwähnten bekannten Atomkraftanlage auf eine Zwischenüberhitzung
des Fludes zwischen den Druckstufen der Kraftmaschine verzichtet.
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Bei Kraftwerken mit Wärmeaustauschern, die von dem heißen Kühlmittel
des Kernreaktors selbst gespeist werden, ergibt sich noch die Schwierigkeit, daß
das heiße Kühlmittel aus biologischen Gründen möglichst nicht in die Nähe der Kraftmaschine
kommen darf, und daß mit steigender Entfernung zwischen Kraftmaschine und Wärmeaustauscher
ebenfalls größere Leitungen zur Speisung des vom Kühlmittel erliitzten Wärmeaustauschers
erforderlich werden. So ist auch eine Atomkraftanlage der eingangs erwähnten Gattung
bekannt, die einen Kernreaktor aufweist, durch den flüssiges Natrium als Primär-Kühlmittel
fließt. Dieses Primär-Kühlmittel gibt Wärme an anderes flüssiges Natrium ab, das
als Sekundär-Kühlmittel wirkt. Dieses wiederum wird dazu verwendet, Dampf zu erzeugen
und den zwischen den Stufen der Dampfturbine strömenden Dampf zu überhitzen. Das
als Sekundär-Kühlmittel dienende flüssige Metall wird dabei bis dicht an die Turbine
herangeführt und dort zur Erzeugung des dritten Kühlmittels verwendet. Bei dieser
zweiten bekannten Anlage werden also drei Kreisläufe von Kühlmitteln benutzt, jedoch
können die bekannten Maßnahmen nicht als vorteilhafte Lösungen angesehen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde; eine Atomkraftanlage zu
schaffen, bei der die biologische Sicherheit gewahrt bleibt und eine ausreichende
Zwischenüberhitzung des Abdampfes zwischen den Druckstufen der Kraftmaschine ohne
die Notwendigkeit großer Dampfhauptleitungen und zusätzlicher Kühlmittelkreisläufe
erreicht werden kann. Die Lösung gesahieht nach der Erfindung dadurch, daß der die
Dampferzeugung übernehmende Teil der Wärmeaustauscher einen der Dampferzeugung bei
niedrigerem Druck dienenden ersten Erhitzer und einen der Dampferzeugung bei höherem
Druck dienenden zweiten Erhitzer aufweist, während in einem an sich bekannten, nahe
der Kraftmaschine und entfernt vom Reaktor angeordneten flüssigkeitsbeheiztenZwischenüberhitzer,
der
in an sich bekannter Weise den von einer Druckstufe der Kraftmaschine zu einer niedrigeren
Druckstufe der Kraftmaschine strömenden Dampf zwischenüberhitzt, die Zwischenüberhitzung
zuerst durch Flüssigkeit, die bei dem niedrigeren Druck des ersten Erhitzers erhitzt
worden ist; und dann durch Flüssigkeit, die bei dem höheren Druck des zweiten Erhitzers
erhitzt worden ist, erfolgt.
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Da die spezifische Wärme von Dampf geringer ist als die von Flüssigkeit,
und da Flüssigkeit dichter ist als Dampf, ist der Durchfluß von Flüssigkeit durch
die Leitungen, die zu den Zwiscbenüberhitzern führen, sowohl mengen- als auch volumenmäßig
viel geringer, als er für Dampf erforderlich wäre, wenn der zwischenzuüberhitzende
Dampf zum Wärmeaustauscher des Reaktors geleitet würde. Die Ausbildung nach der
Erfindung bringt somit eine wesentliche Einsparung von Anlagekosten, da kleinere
Hauptleitungen ausreichen und beim Betrieb der Leistungsbedarf der Pumpen gering
ist gegenüber dem Energieverlust, der bei Rückführung des Dampfes zum Zweck seiner
Zwischenüberhitzung infolge Reibung auftreten würde. Es wurde festgestellt, daß
es im Fall eines Erhitzers, der mit niedrigen Temperaturen zur Erwärmung von N iederdruckdampf
arbeitet, möglich ist, den N iederdruckteil der Dampferzeugungseinrichtung mit höherem
Druck arbeiten zu lassen, ohne daß dabei die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang
des Wärmeaustauschers des Reaktors ansteigt. Der höhere Druck ergibt in Verbindung
mit der Zwischenüberhitzung einen um etwa 5 % höheren thermischen Wirkungsgrad im
Wärmekreislauf. Daneben ergibt sich der Vorteil, daß bei Verwendung eines höheren
Druckes im Niederdruckteil eine kleinere und damit billigere Niederdruclcdampf-Hauptleitung
genügt. Schließlich wurde ermittelt, daß sich durch eine Zwischenüberhitzung des
von der Mitteldruckstufe zur Niederdruckstufe strömenden Dampfes mit Flüssigkeit
aus dem Hochdruckerhitzer, zusätzlich zum größeren Wirkungsgrad durch die Zwischenüberhitzung
mit Flüssigkeit aus dem Erhitzer der Niederdruckstufe, eine Erhöhung des thermodvnamischen
Wirkungsgrades um noch etwa 1 bis 2 °/o erreichen läßt. Es hat sich dabei auch als
möglich erwiesen, bei der :\Tiederdruclc-Turb#inenstufe mit einem Sättigungsgrad
von 0,9 bis 0,95 des von dieser Turhinenstufe zum Kondensator abgeleiteten Dampfes
zu arbeiten.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend.--ii
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, welches in der Zeichnung wiedergegeben
ist. Die Abbildung zeigt das Schema eines Kraftwerkes mit einer Dampfturbine und
einem ihr zugeordneten Kernreaktor, der als Wärmequelle für die Dampferzeugung dient.
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Der gasgefühlte, vorzugsweise graphitgebrernste und mit natürlichem
Uran betriebene Kernreaktor l enthält eine Reaktionskammer2, die mit einem benachharten
stehenden zylindrischen Druckgefäß 3 verbunden ist. Eine Ausgangsleitung 5 verbindet
den oberen Teil der Reaktionskammer 2 mit dem Kopf des Druckgefäßes.3. Eine Eingangsleitung
7 verbindet den Fuß des Druckgefäßes 3 über ein Gebläse 9 mit dem unteren Teil der
Reaktionskammer. Die Leitungen 5 und 7 sind so kurz wie möglich, um den Leistungsbedarf
des Gebläses 9 klein zu halten.
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Im Druckgefäß 3 befinden sich die Heizflächen einer aus Rohren bestehenden
Dampferzeugungseinrichtung mit einem Niederdrucktei111 und einem Hochdruckteil 13.
Der N iederdruckteil 11 enthält einen Dampf-und Wasserbehälter 15, einen zur Dampf°rzeugung
dienenden Wärmneaustauscher 17, den ersten Erhitzer, dessen oberes Ende mit dem
Dampfraum und dessen unteres Ende mit dem Wasserraum des Behälters 15 verbunden
ist, einen Vorwärmer 19, dessen unteres Ende in eine Speisewasserleitung 21 mündet
und dessen- oberes Ende mit dem Wasserraum des Behälters 15 verbunden ist. Der Hochdruckteil
13 enthält einen Dampf- und Wasserbehälter27, einen zur Dampferzeugung dienenden
Wärmeaustauscher29, den zweiten Erhitzer, dessen oberes Ende mit dem Dampfraum und
dessen unteres Ende mit dem Wasserraum des Behälters 27 verbunden ist, einen Vorwärmer
31, dessen unteres Ende über eine zum Hochdruckteil gehörende Speisewasserpumpe
33 mit dem Wasserraum des Behälters 15 verbunden ist und dessen oberes Ende mit
dem Wasserraum des Behälters 27 in Verbindung steht, und einen. Überhitzer 35, .dessen
unteres Ende mit dem Dampfraum des Behältrs 27 verbunden ist und dessen oberes Ende
in eine Hochdruckdampf-Hauptleitung 37 mündet.
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Der von der Dampferzeugungseinrichtung gelieferte Dampf dient als
Antriebsmittel für eine aus einem Turbinensatz 41 mit Hochdruckstufe 41H, Mitteldruckstufe4lL
und I#Tiederdruckstufe411'L bestehende Kraftmaschine, wobei die Rotoren der drei
Stufen in üblicher Weise mit einer gemeinsamen Kraftabgabewelle43 verbunden sind.
Die Hochdruckdampf-Hauptleitung 37 ist an den Einlaß der Hochdruckstufe 41 H angeschlossen,
die Niederdruckdampf-Hauptleitung 25 an den Einlaß der Mitteldruckstufe 41 L. Eine
Leitung 45 verbindet den Auslaß der Hochdruckstufe mit dem Einlaß der Mitteldruckstufe.
Der Auslaß der Mitteldruckstufe4lL ist über den einen Kreis zweier indirekt arbeitender
röhrenförmiger Wärmeaustauscher 47 und 83 (Zwischenüberhitzer) mit dem Einlaß der
Niederdruckstufe 411'L verbunden. Vom Auslaß der Niederdruckstufe 41hL führt eine
Leitung 49 zu einem Dampfkondensator 51.
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Zur Entnahme von Dampf aus der Niederdruckstufe dienen zwei Dampfablaßleitungen
53 und 55, die mit vorgenannter Stufe verbunden sind. Leitung 53 leitet den Dampf
zu einem indirekt arbeitenden Speisewasservorwärmer 57. Leitung 55 führt zu einem
zweiten indirekt arbeitenden Speisewasservorwärmer 59. Der im Vorwärmer 57 gekühlte
abgezapfte Dampf strömt durch eine Leitung 61 in den Vorwärmer 59. wo ihm weitere
Wärme -entzogen wird. Der gesamte abgezogene Dampf strömt vom Vorwärrner59 durch
eine Leitung 63 zum Dampfkondensator 51. Das Kondensat aus dem Kondensator 51 wird
von einer Pumpe 65 durch die Speisewasservorwärmer 59 und 57 hindurch in
die Speis.ewasserfeitung21 gedrückt.
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Das obere Ende des Vorwärmers 19 des Niederdruckteils 11 ist über
eine Leitung 66 mit dem zweiten Kreis des Zwischenüberhitzers47 verbunden. Eine
Pumpe 67 sorgt für die Ansaugung des über die Leitung 66 in den Zwischenüberhitzer47
gelangten Wassers und drückt es durch die Leitung 69 in die Speisewasserleitung
21. Das obere Ende des Vorwärmers 31 des Hochdruckteils 13 ist über eine Leitung
81 mit dem zweiten Kreis -des Wärmeaustauschers 83 verbunden. Eine Pumpe 85 saugt
das Wasser an und drückt es wieder in den Vorwärmer 31.
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Das durch die Leitung 21 fließende Speisewasser wird im Vorwärmer
19 des Niederdruckteils 11 erwärmt und teilweise in den Behälter 15 geleitet. Heißwasser
aus dem Behälter 15 strömt durch den zur Dampferzeugung dienenden Wärmea.ustauscher
17 und kehrt als Dampf-Wasser-Gemisch in den Behälter 15 zurück, wo Dampf und Wasser
geschieden werden.
Der Dampf aus dem Behälter 15 strömt in die Niederdruckdampf-Hauptleitung
25.
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Der Hochdruckteil 13 ,der Dampferzeugungseinrichtung wird von der
Pumpe 33 mit heißem Speisewasser aus dem Wasserraum des Behälters 15 des Niederdruckteils
11 versorgt. Dieses Speisewasser wird im Vorwärmer31 vom Kühlmittel erwärmt, fließt
in den Behälter 27, strömt von dort durch den zur Dampferzeugung dienenden Wärmeaustauscher29
und kehrt als Dampf-Wasser-Gemisch in den Behälter27 zurück, wo Dampf und Wasser
geschieden werden. Der Dampf aus dem Behälter27 passiert den Überhitzer35 und strömt
in die Hochdruckdampf-Hauptleitung 37.
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Die Pumpe 67 zieht Wasser vom Ausla.ß des Niederdruckvorwärmers 19
durch die Leitung 66 in den zweiten Kreis des Zwischenüberhitzers 47 und drückt
es durch die Leitung 69 in die Speisewasserleitu,ng21. Die Pumpe85 fördert sinngemäß
Wasser aus dem Vorwärmer 31 des Hochdruckteils 13.
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Die Hochdruckstufe 41H der Turbine erhält ihren Heißdampf vom Hochdrucktei113
der Dampfierzeugungseinrichtung durch die Dampfhauptleitung 37 und entläßt den Dampf
durch die Leitung 45 in die Mitteldruckstufe41 L. Die Expansion in der Hochdruckstufe
ist.so bemessen, daß der Abdampf einen ;etwas niedrigeren Druck hat als der Dampf
in der Mitteldruckdampf-Hauptleitung 25, so daß die Niederdruckstufe ebenfalls,
überhitzten Dampf erhält, und zwar aus dem Niederdrucktei111 der Dampferzeugungseinrichtung.
Der aus der Mitteldruckstufe 41 L entlassene Dampf passiert die beiden ersten Kreise
der Zwischenüberhitzer 47 und 83, nimmt dort Wärme aus dem von den Pumpen 67 und
85 umgewälzten Heißwasser auf und strömt in die Niederdruckstufe41L'L, von wo er,
mit Ausnahme des durch die Leitungen 53 und 55 abgezapften Teiles, in den Kondensator
51 gelangt. Das im Kondens.ator51 gebildete Kondensat wird von der Pumpe 65 durch
die beiden Speisewasservorwärmer 59 und 57 hindurch in die Speisewasserleitung 21
gedrückt.
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Das Kühlmittel aus dem Kernreaktor l gibt seine Wärme bei verhältnismäßig
geringer Temperatur an das Wasser im Vorwärmer 19 ab, und ein Teil dieser Wärme
wird zum Zwischenüberhitzen des in die Niederdruckstufe der Dampfturbine einströmenden
Dampfes verwendet. Auf diese Art wird die erwünschte Dampferhitzung ohne wesentliche
Wärmereduzierung bewerkstelligt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel mündet die Leitung69 in die Speisewasserleitung
21. Wenn jedoch das in der Leitung 69 fließende Wasser wesentlich heißer ist als
das Wasser in der Leitung 2.1, so, ist es vom thermodynamischen Gesichtspunkt aus
zweckvoller, die Leitung 69 nicht an die Leitung 21, sondern unmittelbar an einen
Zwischenpunkt im Vorwärmer 19 anzuschließen. Wärmeverluste des Wassers in der Leitung
69 werden auf diese Weise vermieden oder vermindert, während das aus dem Druckgefäß
3 durch die Leitung 7 zurückfließende Kühlmittel in seinem letzten Abschnitt mit
dem kühlsten zur Verfügung stehenden Wasser, nämlich mit dem Wasser aus der Leitung
21, gekühlt wird. Es liegt auf der Hand, daß das Gebläse 9 um so weniger Leistung
benötigt, je kälter das Kühlmittel beim Verlassen des Druckgefäßes 3 ist.
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Der Erfindungsgegenstand beschränkt sich nicht auf Atomkraftwerke
mit gasgekühlten Reaktoren und nicht auf die Erwärmung von Niederdruckdampf vor
seinem Eintritt in eine Niederdruckturbine, obwohl er insbesondere für derartige
Kraftwerke mit derartigen Turbinen geeignet ist. Bei natrium- und wassergekühlten
Reaktoren beispielsweise macht die Erfindung eine Zwischenüberhitzung möglich, ohne
dazu stark radioaktive Substanzen verwenden oder Dampf über große Strecken befördern
zu müssen. Bei flüssigen Metallen, beispielsweise Natrium, bedarf es keiner kostspieligen
Heizeinrichtungen, um das Erstarren des flüssigen Metalls in seinen Zufuhrleitungen
zwischen Druckgefäß und Kraftmaschine zu verhindern.