DE1601665A1

DE1601665A1 - Kernenergieanlage

Info

Publication number: DE1601665A1
Application number: DE19681601665
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Chermanne; Jean-Paul Van Dievoet; Emile Fossoul
Original assignee: BELGE POUR L IND NUCLEAIRE NUC
Current assignee: BELGE POUR L IND NUCLEAIRE NUC
Priority date: 1967-03-06
Filing date: 1968-02-29
Publication date: 1971-01-07
Also published as: BE710246A; CH480711A; NL6802529A; SE328064B; GB1151683A; ES351292A1; AT278185B; FR1559146A

Description

Dipl.-Ing.

Rudolf Busselmeier Patentanwalt Augsburg, den 9. Februar I968

Augsburg · Rehlingenetraße β poiudieddconto! Manchen Nr. 7*53» Priorität: Großbritannien

. 6. März 1967

5085/3^ Gp/Em _Nr. 10.471/67

Bu

Pat entanmeldung

Societe Beige pour !'Industrie NucleaLye S.A.

'-•BELGONüCLE AIRE".
35» Rue des Colonies, Brüssel 1, Belgien

Kernenergieanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernenergieanlage,, welche einen schnellen Reaktor umfaßt, der durch ein primäres, aus einem Alkalimetal bestehendes Kühlmittel gekühlt ist, und die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Anlagen mit natriumgekühlten schnellen Reaktoren.

In der folgenden Beschreibung wird der Ausdruck Natrium auch für eutektische Natriumlegierungen (wie z.B. NaK) verwendet werden.

Da die Leistungsdichte im Kern (Core) eines schnellen Reaktors sehr hoch ist, kann die Kühlung .nur durch ein Gas oder einen Dampf bei sehr hohem Druck, und zwar mit allen bei einem Leckwerden sich ergebenden augenscheinlichen (bekannten) Gefahren, oder durch ein flüssiges Metall bei vermindertem (mäßigem) Druck bewirkt werden. Im allgemeinen hat man bei schnellen Reaktoren flüssige Metalle und insbesondere Natrium oder die Eutektika- von Natrium

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wegen der relativ niedrigen Schmelzpunkte der Alkalimetalle und wegen ihrer vorzüglichen Eignung für den Wärmeübergang bzw. -transport.verwendet. In einem natriumgekühlten schnellen Reaktor ist das primäre Natrium (das Natrium im Primärkreis des Kühlsystems) radioaktiv und darf niemals in direktem Wärmeaustausch-Kontakt mit dem Wasserdampf-Kreislauf stehen« der im allgemeinen die Hauptturbine speist. Der Wärmeaustausch zwischen dem primären Natrium und dem Dampfkreislauf geschieht im allgemeinen durch Zwischenschalten eines Zwischenkreislaufes.

In^r einem Natrium/Wasserdampf-Wärmetaμβcher besteht im Falle eines Rohrleckens oder eines Rohrbruchs immer die Gefahr einer Dampf-Natrium-Reaktion. Die Folgen eines solchen Unfalls sind noch wesentlich ernster, wenn das Natrium radioaktiv ist. Darüberhinaus läßt sich, da der Druck im Wasserdampfkreislauf wesentlich höherist als derjenige im Natrium- Primärkreislauf,, die Möglichkeit des Eintretens einer Wassermenge in den Kern (Core) des Reaktors nicht ausschließen'.

Die Folge davon ist, daß im allgemeinen zwischen dem Kreislauf mit primärem radioaktivem Natrium und dem Wasserdampfkreislauf ein Zwischenkreislauf für den Wärmeübergang vorgesehen ist, der nichtaktiviertes Natrium enthält.

Ein Wegfallen oder Weglassen diese« Zwischen« kreislaufee kann so lange nicht in Betrecht gesogen

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werden, wie eine Möglichkeit einer gefährlichen Reaktion zwischen dem primären radioaktiven Kühlmittel und dem die Turbine antreibenden Strömungsmittel besteht.

Aber dieser oben genannte Natrium-Zwischenkreislauf schließt im Falle eines Unfalls die Natriura-Wasser-Reaktion nicht aus; diese wird

lediglich in ihren verheerenden Auswirkungen abgeschwächt, da das Natrium nicht mehr radioaktiv ist und da das Wasser im Falle einer Natrium-Wasser-Reaktion nicht in den Kern (Core) eindringt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, dieses mit drei Kreisläufen arbeitende System zu vereinfachen und dabei die Gefahr einer Wasser-Natrium-Reaktion auszuschließen und eine wirtschaftliche und mit einem guten Wirkungsgrad ausgestattete Kernkraftanlage mit einem schnellen Reaktor zu schaffen.

Die Erfindung schlägt vor, die Zwischen- und

Turbinenkreisläufe· durch einen CO₀-Kreislauf zu

- in *

ersetzen,/den eine Gasturbine eingeschaltet ist.

Die außer dem Primärkreislauf bisher vorhandenen zwei Kreisläufe— Natrium-Zwischenkreislauf und Wasserdampfkreislauf werden also erfindungsgemäß ersetzt durch nur einen, und zwar einen C0₂-Kreislauf mit Gasturbine oder dgl., welch letztere die jetzt entfallende Dampfturbine ersetzt.

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Die Erfindung besteht somit auch aus einem Verfahren zum Erzeugen von Energie, welches vom Ablauf einer Kettenreaktion mit schnellen Neutronen im Kern eines Kernreaktors ausgeht und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kern von einem flüssigen Alkalimetall zum Abführen der dort infolge einer Kettenreaktion mit schnellen Neutronen erzeugten Wärme durchströmt wird, daß alsdann das auf diese Weise erhitzte flüssige Metall durch ein Wärmetauscher-System hindurchtritt, daß das Wärmetauscher-System zum Abführen der Wärme des flüssigen Metalls von gasförmigemC0„ durchströmt wird, daß schließlich das auf diese Weise erhitzte CO₀ in einer'an eine Verbrauchervorrichtung angekuppelten Gasturbine entspannt wird, und daß das CO₂ in einem geschlossenem Kreislauf in das Wärmetauscher-System zurückgeführt wird.

Die Erfindung besteht ferner aus einer Kernenergieanlage mit einem natriumgekühlten schnellen Reaktor, bei dem erfindungsgemäß die dem Kern durch das Natrium entzogene Wärme in einem Wärmetauscher von Kohlendioxid (CO₂) aufgenommen wird, welches in einem geschlossenen Kreislauf, in den eine Gasturbine eingeschaltet ist, zirkuliert.

Selbstverständlich muß das C0_ nicht rein sein, sondern kann Zusätze enthalten, weiche dazu bestimmt sind, die Korrosion zu reduzieren oder den Wärmeübergang zu verbessern, wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder Graphit.

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Nach der neueren Technologie der schnellen Reaktoren ist die maximale Temperatur des primären Kühlmittels auf etwa 500° C begrenzt, wodurch die maximale Temperatur des sekundären Kühlmittels etwa auf 550 C begrenzt ist. Diese Temperatur ist niedriger als diejenige, die man allgemein als für eine Gasturbinenanlage mit gutem Wirkungsgrad geeignet betrachtet.

Jedoch, bei diesen Temperaturen und für hohe Drücke, z.B. in der Größenordnung von 100 bis 300 ata, verhält sich das CO₂ nicht wie ein ideales Gas und es kann gezeigt werden, daß es möglich ist, Wirkungsgrade von der Größe von 35% und mehr zu erreichen, wenn das Gas nach dessen Entspannen in der Turbine wieder verdichtet und in einem Rekuperativ-Warmetauscher mittels des der Turbine entströmenden Gases wieder erhitzt wird; das C0_o kann dann in einer Hilfsturbine entspannt werden, beispielsweise in einer Turbine, welche den Hochdruckverdichter antreibt.

Der Wirkungsgrad kann weiter verbessert werden, wenn ein Teil, des Gases, bevor er vollständig auf seinen maximalen Druck gebracht wird, auf. seinen Sättigungspunkt oder bis in die Nähe seines Sättigungspunktes rückgekühlt wird und wenn der andere Teile ohne Rückkühlung verdichtet wird und wenn das rückgekühlte Gas schließlich die ganze Sekundäreeite des Rekuperativ-Wärmetauschers durchläuft, während das nicht rückgekühlte Gas nur den Hochtemperaturteil, der Sekundärseite dieses Wärme-009882/0464 ORfGfNAL INSPECTED " ⁶ "

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tauschers durchläuft. Die Vorteile dieser Verbesserung zeigen sich insbesondere bei sehr hohem Druck, wobei Wirkungsgrade in der Größenordnung von kO% erreichbar sind.

Bei sehr hohem Druck kann es vorteilhaft sein, eine Hauptturbine mit mehreren Stufen mit einer Zwischenerhitzung zwischen jden Stufen zu verwenden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, auf welcher Ausführungsbeispiele von er findung s gemäß en Kernkraf twerkianlagen * dargestellt sind. Auf der Zeichnung zeigen:

F,ig. 1 ein Diagramm mit einem einfachen Kreislauf bei einer Anlage mit einer einstufigen Gasturbine,

Fig. 2 ein Kreislaufdiagramm einer Anlage mit einer zweistufigen Gasturbine mit Zwischenerhitzung.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage zeigt einen schnellen Reaktor mit einem Kern 1, welcher mit flüssigem Natrium gekühlt ist, wobei die Kühlflüssigkeit in einem Primärkreislauf 2 mit Hilfe einer Pumpe k zirkuliert. Der Primärkreislauf 2

umfaßt einen Wärmetauscher 3 in welchem das Natriun/ dem Kern entzogene Wärme an das gasförmige CO₂

O abgibt, welches in einem Sekundärkreislauf 5 zirco

kuliert. Das erhitzte C0_ gibt seine Energie in

^Λ

. einer Gasturbine 6 ab, welche einen elektrischen

£* Generator 9 antreibt. Der Kreislauf 5 umfaßt auch

**· einen Wärmetauscher 7 und einen Verdichter 8, der an den C0₂-Kreislauf angepaßt ist. _ _

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In Fig. 1 sind Beispiele von Temperaturwerten (in Grad-Celsius) und Druckwerten (in absoluten Atmosphären) in verschiedenen Punkten eingetragen. Die niedrigste Temperatur im C0₂-Kreislauf beträgt 30° C; diese Temperatur wird im Wärmetauscher 7 auf 300° C angehoben, bevor das C0„ in den Wärmetauscher 3 zurückströmt. Der Wärmetauscher 7 ist ein Rekuperator, der die Wärme des der Turbine 6 entströmenden Gases an das CO₂ am Ausgang des Verdichters 8 abgibt, bevor es zum Wärmetauscher 3 gelangt.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage hat bei

deren Betrieb bei den gezeigten Temperaturen und

Drücken einen thermodynamischen Wirkungsgrad von

etwa 37,6% und einen effektiven Wirkungsgrad (Nettowirkungsgrad) von etwa 35»θJi.

Die maximale Temperatur des CO₂ ist durch die nach oben begrenzte maximale Temperatur des Primärkühlmittels am Ausgang des Reaktors, welche in der Praxis otwa 580° C beträgt, auf etwa 550° C begrenzt. Nichtsdestoweniger kann man wesentlich höher« Wirkungsgrade erzielen, indem man mit höheren Drücken im C0_-Gas arbeitet, derart, daß die effektiven Eigenschaften des CO₂ noch mehr von denen eines idealen Gases entfernt sind.

Die Fig. 2 zeigt die Möglichkeit eines CO₀-Kreislaufes bei sehr hohem Druck, der eine zweistufige Gasturbhe mit Zwischenerhitzung zwischen den Stufen und Aufteilung mit partieller Kondensation des C0_o umfaßt. In Fig. 2 sind Temperatur-

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und Druckwerte eingetragen. Im besonderen liegt der maximale Druck des CO₂ bei 2^0 ata.

Das erhitzte CO₂ entspannt sich nach dem Ausτ tritt aus dem Wärmetauscher Ja in einer ersten Turbinenstufe 6a. Es wird danach in einem Abschnitt 3b des Wärmetauschers 3 zwischenerhitzt und erneut in der zweiten Turbinenstufe 6b entspannt. Diese Turbinenstufen bilden die Hauptturbine, welche den elektrischen Generator 9 und einen zweistufigen Niederdruckverdichter 13 antreibt.

Der Wärmetauscher 7 besteht aus einem Rekuperativ-Wärmetauscher 10 und aus Zwischenkühlern H und 12; die Verdichtereinheit 8 besteht aus einem zweistufigen Niederdruckverdichter 13 und einem zweistufigen Hochdruckverdichter lk_% wobei letzterer mittels einer Hilfsgasturbine 15 angetrieben ist. Das C0_ niederen Drucks, welches aus der Turbinenstufe 6b ausströmt, wird auf der Primärseite 18 des Wäremtaüschers 10 rückgekühlt und gibt die Wärme an das verdichtete CO₂ ab, und wird dann im Niederdruckverdichter 13 komprimiert. Das aus dem Verdichter 13 austretende C0„ wird in zwei Teilströme in den Leitungsverzweigungen 16 und 17 aufgeteilt. Der kältere Teilstrom, welcher den Zwischenkühler 12 in der Leitungsverzweigung 16 durchlaufen hat, wird im Hochdruckverdichter Ik verdichtet und durchläuft danach die gesamte Sekundärseite Wärmetauschers 10; der andere Teilstrom in der Leitungsverzweigung 17 wird im Hochdruckverdichter lh verdichtet und durchläuft nur den Hochtemperaturteil 20 der Sekundärseite des Wärmetauschers 10.

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Das COp-Gas durchströmt den Zwischenkühler 12 bei einem Druck von etwa 70 ata und erreicht folglich seinen Sättigungspunkt und schlägt sich nieder Man kann damit rechnen, daß die in Fig.2 dargestellte Anlage einen thermodynamischen Wirkμngsgrad von etwa k$% und einen effektiven Wirkungsgrad von etiira besitzt.

Daraus geht hervor, daß die Verwendung von CO₂ als Sekundärkühlmittel und als Antriebsmittel der Turbine den aus flüssigem Metall bestehenden Zwischenkreislauf des Reaktors vollständig eliminiert und dabei den konventionellen Wasserdampf-Kreislauf unter 'Verwendung einer sehr viel kompakteren Anordnung durch einen anderen ersetzt.

Ein anderer Vorteil des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß damit die Gefahr einer Natrium-Wasser-Reaktion vermieden

und folglich die Stillstandzeiten ganz erheblich vermindert werden, welche sonst zum Entfernen allen kaustischen Sodas (Ätznatron), welches durch eine Natrium-Wasser-Reaktion entstanden und über die gesamte Anlage verbreitet sein könnte, und zum Aufdecken aller Oberflächen, die dadurch korrodiert sein könnten, erforderlich sind*

Außerdem ist die chemische Reaktion von CO« ^ mit dem Natrium, obwohl sie exotherm ist, nicht gefährlich, weil sie keine Gasmoleküle freimacht, und jedes Leck ist leicht zu finden«

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Gr/Em - 10 - 9»

Die Gasturbine im geschlossenen CO^-Kreislauf liefert trotz relativ niedriger maximaler Temperaturen, wie sie der neueren Technik bei schnellen Reaktoren auferlegt sind, sehr beachtliche Wirkungsgrade.

Von -den weiteren Vorteilen ist noch die Kompaktheit der Anordnung "(insbesondere der Turbine) im Vergleich mit den entsprechenden Maschinen für Dampf- oder Heliumbetrieb zu erwähnen. Diese Kompaktheit führt zu einer Verkleinerung der Dimensionen der notwendigen Bauten sowie zu erheblich wirtschaftlicheren Investitionen.

ORlGSNAt INSPECTED 009882/0464

• Patentansprüche -

Claims

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Bu

1. Kernenergieanlage mit einem natriumgekühlten schnellen Reaktor, mit einem primären Kühlkreislauf zum Abführen der Wärme aus dem Kern und mit Wärmetauscher-System zum übertragen der Wärme auf Strömungsmittel, welche diese Wärme einer Energie-Umwandlung zuführen, dadurch gekennzeichnet , daß der Priraärlcreislauf (2) in an sich b'ekannter Weise ein Xatrium-Kreislauf ist, und daß ein mit dem Primärkreislauf über das Wärmetauscher-System (3) gekoppelter, im wesentlichen CO₂ enthaltender Sekundärkreislauf (5) vorgesehen ist, der ohne Nach- oder Zwischenschaltung eines weiteren Kreislaufs seine Energie unmittelbar in eine, in den Sekundär-Kreislauf (5) eingeschaltete Energieumwandlungseinrichtung, beispielsweise in eine Gasturbine (6,6a,6b) abgibt.

2. Verfahren zum Erzeugen von Energie mit einer Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern (l) von einem flüssigen Alkalimetall zum Abführen der dort infolge einer Kettenreaktion mit schnellen Neutronen erzeugten Wärme durchströmt wird, daß alsdann das auf diese Weise erhitzte flüssige Metall durch ein Wärmetauscher-System (3) hindurchtritt, daß das Wärmetau» scher-System zjuin Abführen der Wäi»(ne des flüssigen Metalls von gasförmigem C0_ durchströmt wird, da^ä schließlich das auf diese Weise erhitzte CO₀ in einer an eine VerbrÄUchervorrichtung (9) angekuppelten Gas-

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turbine .(6,6a, 6b) entspannt wird, und daß das CO₀ in einem geschlossenem Kreislauf in das Wärmetauscher-System (3) zurückgeführt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Alkalimetall Natrium ist.

k. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und/oder 3, dadurch gekennz e ichnet _t daß das CO₂ nach der Entspannung auf mindestens 100 ata verdichtet wird.

5." Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis k_% dadurch gekennzeichnet , daß das entspannte CO₂ zunächst verdichtet wird und danach durch einen Rekuperativ-Wärmetauscher (7_t10) geschickt wird, um die Wärme mit dem von der Turbine (6,6b) kommenden entspannten CO„ auszutauschen.

6. Verfahren nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des C0„, bevor dieser vollständig verdichtet wird, bis oder nahezu bis zum Erreichen seines Sättigungspunktes rückgekühlt wird, und daß der Teilstrom nach dem Verdichten die gesamte Sekundärseite des Rekuperativ-Wärmetauschers (10) durchläuft, und daß der andere Teilstrom des C0„ nach der Verdichtung nur einen Hochtemperaturteil der Sekundärseite des Rekuperativ-Wärmetauschers (10) durchläuft.

7. Kernenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Sekundärkreislauf (5)f der im Wärmetauscher (3) die dem Core durch das Natrium entzogene Wärme aufnimmt, »in geschlossener,

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Fletojraiar Λ 2.6

eine Gasturbine enthaltender Kreislauf ist.

8. Kernenergieanlage nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß der Sekundärkreislauf (5)eine Vorrichtung (8) zum Verdichten des C0„ nach seiner Entspannung in der Turbine (6,6b) und einen Rekuperativ-Wärmetauscher (7,10) umfaßt, wobei der Rekuperativ-Wärmetauscher vom entspannten CO« und vom verdichteten CO₂ durchströmt wird, derart, daß ein Wärmeübergang vom ersteren auf das zweite stattfindet.

9. Kernenergieanlage -nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß Leitungsverzweigungen (l6,17) zum Aufteilen des, die Primärseite (18) des Rekuperativ-Warmetauschers (7,10) verlassenden, entspannten COg-Gases in zwei Teilstromkreise vorgesehen sind, wobei die Leitungsverzweigung (l6) hintereinander eine Vorrichtung (12) zum Rückkühlen des CO₂ bis oder nahe bis zum Erreichen des Sättigungspunktes, eine Vorrichtung (l4) zum Hochdruckverdichten und die gesamte Sekundärseite (19,20) des

Rekuperativ-Wärmetauschers (ΙΟ) umfaßt, und wobei » ·

die Leitungsverzweigung (17) eine Vorrichtung (14) zum Hochdruckverdichten und einen Hochtemperaturteil (20) der Sekundärseite des Rekuperativ-Wärmetauschers (10) umfaßt.

1Θ. Kernenergieanlage nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß im.CO₂-KrOiSIaUf zwischen der Primärseite*des Rekuperativ-Wärmetauschers (10) und dem Trennungepunkt der Leitungsverzweigun-

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Gr/Em - Ik - 9.

gen (l6 und 17) ein in Reihe geschalteter Niederdruckverdichter (13) vorgesehen ist.

11. Kernenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsturbine (15) zum Verdichten des im Rekuperativ-Wärmetauscher (IO) erhitzten, verdichteten C0„-Gases vorgesehen ist.

12. Kernenergieanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptgasturbine (6,6a,6b) eine mehrstufige Turbine ist, wobei ein Teil der Primärseite (l8) des Rekuperativ-Wärmetauschers (10) als Zwischenerhitzung für das CO₀ zwischen den Stufen vorgesehen ist.

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