DE1156903B - Kraftmaschinenanlage - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

B 54361 Vmc/21g

ANMELDETAG: 8. AUGUST 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 7. NOVEMBER 1963

Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschinenanlage bestehend aus einem Kernreaktor, einem geschlossenen primären Kühlkreislauf mit einem unter Druck stehenden Kühlmittel, welches eine Turbine beaufschlagt, und mit einer Pumpe bzw. einem Verdichter, die bzw. der mit der Turbine eine gemeinsame Welle hat, sowie mit einem Druckbehälter, der die genannten Bauteile umschließt. Es sind bereits Kernreaktoren in der sogenannten Einbehälterbauweise bekannt, bei denen der Reaktorkern und der Wärmetauscher zwischen dem Primär- und Sekundärkreislauf in einem gemeinsamen Druckbehälter untergebracht sind. Durch die Vermeidung besonderer Verbindungselemente hat diese Bauweise besondere Vorteile bei Reaktorsystemen mit aktivem Primärkühlkreislauf, der z. B. bei Hochtemperaturreaktoren oder organisch moderierten Reaktoren vorhanden ist.

Es ist auch eine Kernreaktoranlage mit Gaskühlung bekannt, bei der neben dem eigentlichen Reaktorkern eine aus direkt vom Kühlgas beaufschlagten Gasturbine und einem Kompressor bestehende Kraftmaschine in dem gemeinsamen druckdicht geschlossenen Behälter untergebracht sind und die Turbine und der Kompressor eine gemeinsame Welle haben. Die Nebeneinanderanordnung von Reaktorkern und Maschinensatz sowie des erforderlichen Wärmetauschers für die Rückkühlung des als Kühlgas verwendeten Arbeitsmittels machen umfangreiche Behälter erforderlich, wodurch die Anlage für Fahrzeuge nicht verwendbar ist. Außerdem sind die Wellenlager hohen Beanspruchungen ausgesetzt und machen häufige Überwachungen notwendig.

Es sind ferner nukleare Strahlantriebe bekannt, bei denen die angesaugte Luft durch einen Turbokompressor verdichtet wird und dann in einem Kernreaktor erhitzt und danach über eine Gasturbine in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Bei diesem bekannten Triebwerk sind der Kompressor und die Turbine auf einer gemeinsamen durch den Reaktorkern führenden Welle und an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Reaktorkerns angeordnet. Bei diesem Triebwerk ist im Falle einer Aktivierung des Kühlmittels eine radioaktive Verseuchung der Umwelt unvermeidbar.

Die Erfindung bezweckt, die genannten Schwierigkeiten durch eine besondere Anordnung aller Teile zu überwinden und einen kompakten Aufbau der Kraftanlage zu ermöglichen. Dabei wird davon ausgegangen, daß die üblicherweise zu verwendenden Wärmekraftmaschinen Turbinen sind, die eine sehr große Lebensdauer haben und von den Lagern abgesehen keine Wartung benötigen; das gleiche gilt für Kraftmaschinenanlage

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 1

Helmut Braun, Rülzheim, und Dipl.-Ing. Andreas Setzwein,

Ludwigshafen/Rhein, sind als Erfinder genannt worden

eine zugehörige Pumpe zur Zuführung des kalten Arbeitsmediums zur vom Reaktor beheizten Stelle des Kühlmittelkreislaufes. Außerdem wurde festgestellt, daß hinsichtlich der radioaktiven Verseuchung der einzelnen Bauelemente und des entsprechenden Aufwandes zur Abschirmung bei Reparaturarbeiten od. dgl. kein großer Unterschied darin besteht, ob bei abgeschaltetem Reaktor im einen Teil ein radioaktiver Kreislauf und im anderen Fall der Reaktorkern geöffnet wird. Auf Grund dieser Überlegungen wurden erfindungsgemäß die Turbine und die Pumpe bzw. der Verdichter an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Reaktorkerns angeordnet, deren gemeinsame durch den Reaktorkern führende Welle als Hohlwelle ausgebildet, durch die ein Teil des umlaufenden Kühlmittels zum Zwecke der Lagerung der Welle strömt, und in dem durch die Reaktorkernoberfläche und die Druckbehälterwand gebildeten ringförmigen Zwischenraum von einem Sekundärkühlmittel durchströmte Wärmeaustauscherelemente angeordnet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert.

Durch den Reaktorkern 1 ist die Antriebswelle 5 hindurchgeführt. Über die Welle 5 sind die Gasturbine 2 und der Kompressor 4 mechanisch gekoppelt. Der für die Rückkühlung des Arbeitsgases erforderliche Zwischenkühler 3 ist in dem von der Reaktorkernoberfläche und der Druckbehälterwand gebildeten Zwischenraum untergebracht. Eine Lagerung der Welle 5 in der Mitte und nicht an deren Enden ist deshalb erforderlich, da sonst bei Anordnung der Lagerung an den äußeren Enden des Aggregates sich eine zu lange Welle ergeben würde und

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damit die Drehzahl des Aggregates im Hinblick auf die Eigenschwingungszahl sehr niedrig liegen müßte. Man wird daher zweckmäßig innere Lager für die Welle 5 vorsehen und auf der einen Seite die Kraftmaschine und auf der anderen Seite den Gasverdichter bzw. die Speisepumpe fliegend auf der Welle 5 anordnen. Noch besser werden bei einer Gasturbine diese Lager durch ein Gaslager 6 ersetzt, das direkt im Reaktorkern 1 angeordnet ist.

Bei Gaslagern ergibt sich wiederum bei größeren Baueinheiten die Schwierigkeit, daß entsprechend dem großen Gewicht dieser Baueinheiten die Auflagefläche für das Gaslager sehr groß sein muß, d. h., die Baulänge dieses Lagers entsprechend groß wird. Im vorliegenden Fall steht jedoch die gesamte Kernlänge des Reaktors für die Unterbringung des Gaslagers zur Verfügung. Der Läufer der Turbine 2 und der Läufer des Kompressors 4 werden fliegend auf der Welle 5 angeordnet. Der Ein- und Ausbau der rotierenden Teile kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß die beiden Behälterenden von dem Mittelteil 8 des Behälters 7 abgenommen werden können. Für den Ausgleich des axialen Schubes ist noch ein gasbeaufschlagtes Spurlager 9 vorzusehen, das zweckmäßig in der kalten Zone beim Austritt aus dem Kompressor 4 angeordnet wird. Die Beaufschlagung der beiden Gaslager 9 kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß ein Teilstrom des Druckgases beim Ausgang des Kompressors 4 in einen Hohlraum 10 in der Antriebswelle 5 geleitet wird und von hier aus durch Abströmkanäle 11 in den Lagerraum gelangt. Dadurch wird erreicht, daß die gesamte Welle 5 mit den aufgesetzten Läufern freischwebend im Lagerraum läuft. Beim Anfahren des Aggregates wird der Drehteil des Aggregates durch von außen aus einem Vorratsbehälter 12 zugeführtes Druckgas gehoben und kann angefahren werden.

Die vom Kernreaktor abgegebene Leistung ist aus dem Druckbehälter herauszuführen. Man kann hierfür zunächst einmal einen elektrischen Generator mit in den Druckbehälter einbauen und die Energie in der Form des elektrischen Stromes herausführen; meistens wird man jedoch die erzeugte mechanische Energie herausführen wollen. Hierfür wird man entweder die Welle durch die Wandung des Druckbehälters gasdicht hindurchführen oder den Abtrieb über eine magnetische Mitnehmerkupplung bekannter Bauart führen, deren Kupplungsteile zu beiden Seiten der geschlossenen Druckbehälterwand liegen. Im letztgenannten Fall wird man vorzugsweise die Mitnehmerkupplung als regelbare elektromagnetische Schlupfkupplung ausbilden, die zu einer Begrenzung des übertragbaren Drehmomentes dient, wie es z. B.

zum Schutz vor Überlastung der Einrichtung üblich ist.

Weiterhin ist es grundsätzlich zur weiteren Platzersparnis möglich, die Kraftmaschine im Reaktorkern selbst anzuordnen. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise den Brennstoff des Kernreaktors derart auf dem drehbaren Teil der Kraftmaschine anordnen und diese derart ausbilden, daß das am Brennstoff erhitzte Kühlmittel die Kraftmaschine durch Rückstoß treibt.

Der äußerst einfache Aufbau des gesamten Primärkreislaufes und der gedrängten Bauweise, die sich hieraus ergibt, sowie die Vermeidung von verschleißbaren Drehteilen (Lagerungen) macht die beschriebene Anordnung speziell für solche Anordnungen, bei denen es auf einfache, gedrängte Bauweise und einem direkten Antrieb ankommt, wie z. B. bei Schiffsantrieben, besonders geeignet.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kraftmaschinenanlage, bestehend aus einem Kernreaktor, einem geschlossenen primären Kühlkreislauf mit einem unter Druck stehenden Kühlmittel, welches eine Turbine beaufschlagt, und mit einer Pumpe bzw. einem Verdichter, die bzw. der mit der Turbine eine gemeinsame Welle hat, sowie mit einem Druckbehälter, der die genannten Bauteile umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine und die Pumpe bzw. der Verdichter an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Reaktorkerns angeordnet sind, daß deren gemeinsame durch den Reaktorkern führende Welle als Hohlwelle ausgebildet ist, durch die ein Teil des umlaufenden Kühlmittels zum Zwecke der Lagerung der Welle strömt, und daß in dem durch die Reaktorkernoberfläche und die Druckbehälterwand gebildeten ringförmigen Zwischenraum von einem Sekundärkühlmittel durchströmte Wärmeaustauscherelemente angeordnet sind.

2. Kraftmaschinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle durch die Wandung des Druckbehälters gasdicht hindurchgeführt ist.

3. Kraftmaschinenanlage nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Generator mit in den Druckbehälter eingebaut ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1185473; »Journal of Nuclear Energy«, Vol. 5, 1957, S. 129; A. W. Kramer, »Boiling Water Reactors«, L Auflage, 1958, S. 201, 202 und 208.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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