DE1614620B2 - Kernkraftwerk mit co tief 2 - kuehlung - Google Patents

Description

Im Hauptpatent 15 64 655 geht es um ein Kernkraftwerk mit CO2-Kühlung zur Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe einer Gasturbine, wobei das CO2 vor der Beaufschlagung der Gasturbine in einem Verdichter komprimiert und anschließend in einem Regenerativwärmetauscher erhitzt wird. Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens bei gleichzeitiger Ermöglichung von Einsparungen ist vorgesehen, daß das CO2 ohne Niederdruckentspannung vom Reaktor in den Hochtemperaturteil des Regenerativwärmetauschers gelangt und mit einem Druck von mindestens 40 ata in den anschließenden Verdichter eintritt. Man braucht dann keine mehrstufige Verdichtung wie bei dem Kernkraftwerk nach der französischen Patentschrift 14 08 858, wo die Niederdruckturbine nicht nur den Generator treibt, sondern auch einen ersten Kompressor, der vom Niederdruckgas über den Regenerativwärmelauscher gespeist wird.

Im Kernkraftwerk nach dem Hauptpatent ist die Gasturbine im direkten Kreislauf vor der Kühlmitteleintrittsseite des Reaktors angeordnet. Der im Vcrdichter erzeugte hohe Turbineneintrittsdruck 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 verhältnismäßig 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 kon- i stanten Grädigkeit über die gesamte Wärmetauschcrfläche. Diese unterschiedliche Grädigkeit ist eine Folge der im unteren Temperaturbereich stark vergrößerten spezifischen Wärme des in den Rohren unter hohem Druck stehenden CO2-Gases. Durch diese Erscheinung wird also der Wirkungsgrad der Turbine etwas vcrschlechten.

Es stellte sich daher die Aufgabe, die mittlere Grädigkeit des Wärmetauschers zu verkleinern und damit auch den Wirkungsgrad der Turbine anzuheben. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Anliebung der Gaslurbineneintrittstemperatur und damit des Gesamtwirkungsgrades des Kernkraftwerkes zusätzliche Wärme von dem aus der Gasturbine austretenden Gas an das im Regenerativwärmetauscher aufgeheizte Hochdruckgas zugeführt wird.

Die Erfindung ist nicht mit einer aus der französischen Zusatzpatentschrift 87 925 bekannten Anordnung zu vergleichen, die sich auf das obengenannte Patent 14 08 858 bezieht, denn abgesehen von der Niederdruckentspannung, die bei Kernkraftwerken nach der Erfindung nicht vorliegen soll, fehlt gerade die Übergabe zusätzlicher Wärme von dem aus der Gasturbine austretenden Gas an das im Regenerativwärmetauscher aufgeheizte Gas. Beim Bekannten ist lediglich ein zusätzlicher Moderatorkühler vorhanden, den das im Regenerativwärmetauscher abgekühlte Gas nach seiner Verdichtung durchläuft, bevor es im Regenerativwärmetauscher zur Vorbereitung der Hochdruck-Entspannung aufgeheizt wird. Die Gastemperaturen im Moderatorkühler sollen von 85 auf 100⁰C erhöht werden. Die damit übertragenen Wärmemengen sind entsprechend klein und nicht zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ausreichend, zumal das Temperaturniveau erheblich unter den Durchschnittswerten des Regenerativwärmetauschers liegt.

Die den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöhende Abwärmerückführung kann bei grundsätzlicher Beibehaltung des CO2-Kreislaufes des Hauptpatentes auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Fünf Varianten sind in den F i g. 1 bis 5 dargestellt, eine besonders zweckmäßige räumliche Zuordnung zwischen Wärmetauschern und Reaktor in einem gemeinsamen Druckgefäß zeigt die F i g. 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 gleichbleibt. In den in den Figuren dargestellten Schaltungsbeispielen wurden dieselben Bezeichnungen wie im Hauptpatent verwendet, auf eine erneute grundsätzliehe Beschreibung des CCh-Kreislaufes kann daher verzichtet werden.

Im Beispiel gemäß F i g. 1 ist der Regenerativwärmetauscher Wi in zwei Abschnitte a und b unterteilt, derart, daß zwischen beiden das aus dem Reaktor kornmende heiße Niederdruckgas in einem besonderen Wärmetauscher W3 vom Abgas der Turbine 1 aufgeheizt wird und dann erst durch den zweiten Teil b des Wärmetauschers Wi strömt.

Gemäß F i g. 2 ist die Hochdruckseite des Regenerativwärmetauschers Wi unterteilt, derart, daß das Hochdruckgas ein oder mehrere Male aus dem Wärmetauscher WX herausgeführt und in einem vom Abgas der Turbine Ti beheizten Wärmetauscher W3 zusätzlich aufgeheizt wird. Dadurch wird also ebenfalls der Temperaturunterschied bzw. die Grädigkeit des Wärmetauschers Wi im Mittel verkleinert und damit auch die Turbineneintrittstemperatur erhöht.

Im Beispiel nach F i g. 3 bilden die in den vorhergehenden Beispielen getrennten Wärmetauscher Wi und Wi eine Baueinheit. Das aus der Turbine Ti kommende Abgas strömt mit einer Temperatur von etwa 350⁰C und einem Druck von 121 ata einer zusätzlichen Wärmetauscherfläche im Wärmetauscher IVl zu und beheizt damit über das in gleicher Richtung strömende Niederdruckgas das durch die normale Rohrheizfläche in Gegenrichtung strömende Hochdruckgas. Die in dieser und den nächsten Figuren eingetragenen Betriebswerte des Arbeitsgases gelten sinngemäß auch für die Beispiele von F i g. 1 und F i g. 2.

Die zusätzliche Aufwärmung des der Turbine zuströmenden Hochdruckgases kann auch dadurch bewerkstelligt werden, daß gemäß F i g. 4 aus der Hochdruckrohrheizfläche des Wärmetauschers Wi ein Teilstrom des Hochdruckgases von etwa 50% abgezweigt und in einem Wärmetauscher W3, der vom Turbinenabgas beaufschlagt ist, von etwa 260 auf 32O⁰C aufgeheizt und anschließend wieder der Hochdruckrohrheizfläche zugeführt wird. Die Abzweigung der gewünschten Menge des Hochdruckgases kann dabei in an sich bekannter Weise durch einstellbare Drosseln gesteuert werden.

F i g. 5 zeigt eine weitere Variante zur Verwertung der Abgaswärme der Turbine Ti. Hier wird das Abgas bei einem Druck von etwa 113 ata und eine Temperatur von 360⁰C dem vom Reaktor R kommenden Primärgasstrom an einem Punkt zugemischt, wo dieses etwa die gleiche Temperatur hat, nach einer gemeinsamen Abkühlung auf etwa 270⁰C wieder entnommen und über ein oder mehrere parallelgeschaltete Umwälzgebläse V 3 mit einem auf 120 ata erhöhten Druck dem Reaktor zugeführt. Der Regenerativwärmetauscher Wi ist in diesem Beispiel in drei Teile a, b und c unterteilt, die äußerlich selbstverständlich eine Baueinheit bilden können. Die Armatur D 6 ist normalerweise geöffnet. Beim Ausfall der Turbine Ti und des Verdichters Vi kann die Nach- bzw. Notkühlung des Reaktors dadurch erfolglen, daß die Armatur D6 geschlossen wird und der bzw. die Umwälzverdichter V3 unabhängig weiter angetrieben werden. Dabei öffnet sich die Rückschlagarmatur S 5 selbsttätig.

Außer diesen genannten Beispielen sind natürlich noch andere Möglichkeiten zur Rückführung der Turbinenabgaswärme denkbar.

Wie bereits aus der F i g. 1 des Hauptpatentes zu ersehen, lassen sich Wärmetauscher und Kühler zusammen mit dem eigentlichen Reaktor in einem gemeinsamen Druckgefäß unterbringen. Die F i g. 6 zeigt als Beispiel einen Längsschnitt durch einen derartigen Aufbau, bei dem als Kernreaktor R ein schneller Brüter vorgesehen ist. Der Druckbehälter DK ist in bekannter Weise aus vorgefertigten Spannbetonteilen hergestellt. Die übrigen Bauelemente der Kernreaktoranlage sind mit ihren normalen Schaltzeichen außerhalb dieses Längsschnittes zum besseren Verständnis der Strömungsführung des Kühlgases dargestellt. Turbinen und Verdichter befinden sich also außerhalb des Druckgefäßes, jedoch noch innerhalb des Sicherheitsbehälters, nicht jedoch die Generatoren und ein eventueller Kühlwasserkreislauf. Das von oben aus dem Reaktor kommende Kühlgas hat, wie in den Beispielen dargelegt, einen Druck von etwa 110 ata und eine Temperatur von 490⁰C. Es strömt zunächst in der Behältermitte nach unten über einen Teil der Wärmetauscherrohre des Regenerativwärmetauschers Wi. Durch Leitbleche geführt steigt das Niederdruckgas sodann in einer Ringzone nach oben an weiteren Rohrbündeln des Wärmetauschers Wi vorbei, zwischen denen Rohrbündel W3 für die Abwärmerückführung (Turbinenaustrittsgas 120 ata) angeordnet sind. In der äußersten Ringzone strömt alsdann das Gas wieder nach unten und wird dabei durch die wasserdurchströmten Rohrbündel des Kühlers K 1 auf etwa 40⁰C zurückgekühlt. Durch diese spezielle Führung des Kühlgascs wird es möglich, die bei Reaktorbetondruckbehältern übliche aufwendige Innenisolierung in weiten Bereichen wegzulassen, wobei die Wasserkühlung der inneren Dichthaut des Druckgefäßes DK gleichzeitig einen Teil des Kühisystems K 1 bildet. Die Rohrleitungen führen vorzugsweise durch den unteren verschiebbaren Konuspfropfen des Druckbehälters, 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 Technik gehören, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht näher dargestellt. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß die Wärmetauscher beispielsweise als Wendel-Rohrbündel mit gleichem Steigungswinkel in jeder Lage ausgeführt werden können. Werden aus Sicherheitsgründen mehrere parallelgeschaltete Verdichter angewendet, so kann man jedem Verdichter im Inneren des Druckgefäßes einen Sammler zuordnen und die einzelnen Rohrschlangen so gleichmäßig verteilt an die Sammler anschließen, daß beim Ausfall einzelner Verdichter keine Strähnen heißen oder kalten Gases auf der Niederdruckseite des Wärmetauschers entstehen können. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges kann es dabei zweckmäßig sein, die innere und/oder äußere Oberfläche der Rohre mit an sich bekannten Rippen in Kreis- oder Wendelform od. dgl. zu versehen.

Abschließend sei erwähnt, daß bei dieser vorgeschlagenen Kernreaktoranlage ähnlich wie nach dem Hauptpatent eine Aufspaltung des Kühlgasstromes aus dem Kernreaktor in zwei oder mehrere parallel an-

geordnete Kreisläufe möglich ist, was insbesondere auch für die Durchführung eines Teillastbetriebes Vorteile bietet. Hinsichtlich der Notkühlung einer derartigen Anlage können auch jene Gesichtspunkte Berücksichtigung finden, die in der deutschen Offenlegungsschrift 16 01 656 niedergelegt sind.

Sollte es sich ergeben, daß im Reaktor Kühlmittel anfallt, dessen Temperatur niedriger als die Reaktoraustrittstemperatur ist, dann kann selbstverständlich auch dessen Wärmeinhalt zur Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades des regenerativen Wärmeaustauschers auf das entsprechende Temperaturniveau zugeführt werden. Solche Wärmemengen können beispielsweise freiwerden im Moderator eines schwerwassermoderierten CO2-gekühlten Reaktors oder im radialen Brutmantel eines CCh-gekühlten Schnellbrutreaktors.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernkraftwerk mit CCh-Kühlung zur Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe einer Gasturbine, wobei das CO2 vor der Beaufschlagung der Gasturbine in einem Verdichter komprimiert und anschließend in einem Regenerativwärmetauscher erhitzt wird und wobei das CO2 ohne Niederdruckentspannung vom Reaktor in den Hochtemperaturteil des Regenerativwärmetauschers gelangt und mit einem Druck von mindestens 40 ata in den Anschließenden Verdichter eintritt, nach Patent 15 64 655, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anhebung der Gasturbineneintrittstemperatur und damit des Gesamtwirkungsgrades des Kernkraftwerks zusätzliche Wärme von dem aus der Gasturbine (Tl) austretenden Gas an das im Regenerativwärmetauscher (W) aufgeheizte Hocjidruckgas zugeführt wird.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Turbinenaustrittsgas beheizter zusätzlicher Wärmetauscher (W3) vorgesehen ist, der vom in einem ersten Abschnitt des Regenerativwärmetauschers (IVl,i) teilweise abgekühlten Niederdruckgas durchströmt wird (F i g. 1).

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Turbinenaustriusgas beheizter zusätzlicher Wärmetauscher (W3) vorgesehen ist, der von einem Teilstrom des Hochdruckgases aus dem Regenerativwärmetauscher (VVI) oder dem vollen Strom desselben aus verschiedenen Temperaturstufen des Regenerati ν wärme tauschers ( W1) durchströmt wird (F i g. 4, F i g. 2).

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenaustrittsgas den Regenerativwärmetauscher (WI) zur Nachheizung des aus dem Reaktor kommenden Kühlgases innerhalb einer an entsprechender Stelle angeordneten zusätzlichen Wärmetauscherfläche durchströmt (F i g. 3).

5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenaustrittsgas dem aus dem Reaktor (R) kommenden Niederdruckgas in einer mittleren Stufe (Wife) des Regenerativwärmetauschers zugemischt und nach dem Durchlaufen derselben mit Hilfe eines zusätzlichen Verdichters (V3) wieder abgezogen und dem Kühlgaseintritt des Reaktors (7?^zugeführt wird (F i g. 5).

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kernreaktor (R) und Wärmetauscher (W) sowie Kühler (K) in einem aus Spannbeton bestehenden gemeinsamen Druckbehälter (DK) untergebracht sind, wobei die verschiedenen Wärmetauscher (Wl, W3) koaxial derart angeordnet sind, daß der Kühler (K 1) in der äußersten Zone liegt (F i g. 6).