DE1764355A1

DE1764355A1 - Atomkraftanlage fuer ein gasfoermiges Arbeitsmedium

Info

Publication number: DE1764355A1
Application number: DE19681764355
Authority: DE
Inventors: Ulrich Zimmermann
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1968-05-22
Publication date: 1972-04-20
Also published as: US3748228A; CH492279A; FR2008720A1; JPS5111277B1; DE1764355C3; GB1193609A; DE1764355B2; NL6809196A

Description

. H. MARSCH

4 DÜSSELDORF
EMANNttK· 31, T. 67Ώ

P.4223 Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft» Winterthur/Schweiz

Atomkraftanlage für ein gasförmiges Arbeitsmedium

Die Erfindung bezieht sich auf eine Atomkraftanlage mit einem Atomreaktor zur Erhitzung eines zum Betrieb der Kraftanlage dienenden Arbeitsgases.

Behördliche Bestimmungen zahlreicher Staaten enthalten Sicherheitsvorschriften über die Führung von Arbeitsmedien und die Ausbildung und die Unterbringung von Maschinen in Atomkraftanlagen, die den Zweck verfolgen, im Falle einer Havarie der Anlage das Entweichen verseuchter Arbeitsmedien zu verhindern. Wird ein dampfförmiges Arbeitsmedium verwendet, lässt sich diesen Vorschriften mit einfachen Vorkehrungen genügen. Es hat sich eine Bauweise ausgebildet, bei welcher der Dampferzeuger in den druckfesten Behälter des Reaktors eingebaut ist und die vom Reaktor erzeugte Wärme mit Hilfe eines umgewälzten Wärmeträgergases aus dem Reaktor zu den Heisflächen des Dampferzeugers geleitet wird. Weder das Wasser noch der Dampf können mit einem verseuchten Medium in Berührung kommen, so dass die ganze Dampfkraftanlage ausserhalb des

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Reaktorbehälters aufgestellt werden darf. —- Anders liegen die Verhältnisse bei Atomkraftanlagen die mit gasförmigen Arbeitsmedien betrieben werden. Die für den thermischen Arbeitsprozess zur Verwendung stehenden Gase besitzen eine niedrigere spezifische Wärme und haben kleinere Wärmeübergangszahlen als verdampfbare Arbeitsmedien. Die für solche Anlagen notwendigen Volumen an Arbeitsgasen werden infolgedessen so gross, dass bisher nur Lösungen entworfen wurden, bei denen ein Reaktor in einem hermetisch abschliessbaren Maschinenhaus untergebracht war, in der Meinung, dass bei Eintritt einer Havarie nach Flucht des Betriebspersonals weitere Gefahren durch Abschliessen des ganzen Maschinenhauses begegnet werden könne. Eine solche Vorkehrung kann aber trotz ihrer Aufwendigkeit nicht voll befriedigen, weil sie. nicht ) gleich beim Eintritt einer Havarie schon voll wirksam ist.

Zur Abhilfe der geschilderten Nachteile schlägt die Erfindung vor, sowohl den Atomreaktor als auch die Arbeitsgas führenden Maschinen der Kraftanlage und die Arbeitsgas führenden Wärmeübertrager in einem druckfesten Betonbehälter unterzubringen und diese Anlageteile zur Führung des Arbeitsgases von einer Anfangsstelle eines thermischen Arbeitsweges zu dessen Endstelle mindestens zum Teil durch Kanäle von

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rohrförmiger Gestalt aufeinanderfolgend miteinander zu verbinden und ferner die Anfangsstelle und die Endstelle des Arbeitsweges in dem die Maschinen der Kraftanlage umgebenden Raum des Betonbehälters anzuordnen, so dass das Arbeitsgas von der Endstelle durch den die Maschinen enthaltenden Raum an die Anfangsstelle zurückgelangt und der Arbeitskreislauf damit in sich geschlossen ist.

Dadurch, dass der Reaktor, die Kraftanlage und die Wärmeaustauscher, welche Arbeitsgas führen und die zur Bildung einer Führung des Kreislaufs notwendigen Kanäle und Raumteile im druckfesten Betonbehälter untergebracht sind, ist nur die erzeugte mechanische oder elektrische Leistung und das nicht mit verseuchtem Gas in Berührung gekommene Kühlwasser aus dem Betonbehälter herauszuführen.

Der Raum ausserhalb des Betonbehälters ist damit praktisch vollständig vor verseuchtem Gas geschützt, und weiter ist der Innenraum des Reaktorbehälters praktisch vollständig ausgenützt. Durch Verkürzung der Leitungswege und die Vergrösserung der Strömungsquerschnitte irn Bereich der grossen spezifischen Volumina des Arbeitsgases werden die Verluste

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infolge Strömungswiderständen wesentlich eingeschränkt. Zusammengenommen folgt aus dem Erfindungsvorschlag eine Vereinfachung der Anlage, damit eine erhöhte Sicherheit und gleichzeitig eine erhebliche Raumersparnis und eine Vermin derung der Verlustleistung.

Je ein AusfUhrungsbeispiel des Erfindungsgegen- ^ stands ist in den Fig. 1 und 2 und in den Fig. 3 bis 6 schematisch dargestellt. Fig. 7 veranschaulicht vereinfacht den Verlauf des Kreislaufprozesses in einem T^-Diagramm.

Die Atomkraftanlage nach den Fig. 1 und 2 besitzt als Umhüllung einen druckfesten und gasdichten Behälter 1 aus armiertem Beton. Die Teilräume 2 und 4 brauchen gegeneinander nicht absolut abgedichtet zu sein, da der Behälter die Anlage als Gesamtes streng gasdicht umschliesst. Im Teilraum 2 ist der Atomreaktor 3 untergebracht, während die Kraftanlage 5 sich in Teilraum 4 befindet. Die Trennwand zwischen den Teilräumen 2 und 4 muss mindestens den Unterschied der beiden Raumdrücke tragen. Gleichwohl kann sie auch für höhere Differenzdrücke ausgelegt v/erden, wenn

der Druckunterschied höhere './orte z.B. im Fall einor Havarie annehmen kennte.

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Die Kraftanlage 5.1, 5.2 besteht aus zwei gleichen, symmetrisch angeordneten Teilanlagen (von der nur die Anlage 5.2 in der Zeichnung vollständig dargestellt ist). Jede der Teilanlagen weist einen Niederdruckverdichter (6.1 bzw.) 6.2, einen Hochdruckverdichter (7,1 bzw.) 7.2 und eine Gasturbine 8.1 bzw. 8.2 auf. Die drei Maschineneinheiten jeder der beiden Teilanlagen besitzen eine gemeinsame Welle, die gasdicht und strahlungssicher durch die Wand des Betonbehälters nach aussen geführt ist und dort die mechanische Leistung auf einen elektrischen Stromerzeuger'9.1 bzw. 9.2 überträgt.

An Wärmeaustauschern sind innerhalb des Betonbehälters untergebracht je ein Zwischenkühler 10.1 bzw. 10.2 zur Kühlung des Arbeitsgases zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter, ferner eine Anzahl von Rekuperatoren 11, die beiden Teilanlagen gemeinsam dienen und die Rückkühler 12, die ebenso gemeinsam für beide Teilanlagen bestimmt sind. Je ein Kanal 14.1 bzw. 14.2 von rohrförmiger Gestalt verbindet die Niederdruckverdichter(6.1 bzw.) 6.2 mit den Zwischenkühlern

10.1 bzw. 10.2. Die Kanäle 15.1 bzw. 15.2 führen das Gas aus den Zwischenkühlernin die Hochdruckverdichter(7.1 bzw.) 7.2 · weiter. Dieses Kanalsystem 16 vereinigt das Arbeitsmittel der

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beiden Maschinenhälften und führt es In gleichmässiger Verteilung in die Batterie der Rekuperatoren 11. Der Abgang aus den Rekuperatoren erfolgt wiederum gemeinsam durch ein Kanalsystem 17, welches zürn Reaktor 3 führt. Die Kanäle 18.1 und 18.2 führen, das Arbeitsgas dann wieder getrennt je einer der Turbinen 8.1 bzw. 8.2 zu. if ach Austritt aus den !Turbinen durch die Kanäle 19*1 und 19.2 verteilt eine Kammer 20 das Gas auf die einzelnen Rekuperatoren 11. AUs den Rekuperatoren gelangt das Gad in den unter dem Zwischenboden 26 befindlichen Teil des Raums 4 und schliesslich durch die Rückkühler 12 in den über dem Zwischenböden 26 gelegenen Teil des Raums 4.

Man sieht, dass auf diese Art ein Arbeitsweg für das Arbeitsgas entsteht, der an der Eintrittsstelle 13.1 bzw. 13.2 der Niederdruckverdichter 6.1 bzw. 6.2 seinen Anfang nimmt und an der Austrittsstelle 21 der Rückkühler 12 endet.

Von der Austrittsstelle 21 bis zur Eintrittsstelle 13 dureh-

etwa,

quert das Arbeitsmittel^mIt der niedrigsten Kreislauftemperatur und dem niedrigsten Kreislaufdruck den die Kraftanlage 5.1, 5.2 umgebenden Raum. Seine Geschwindigkeit wird hierbei auf einen Bruchteil vermindert, so dass trotz des grossen Volumens bei diesen Gaszustand kein nennenswerter Druckabfall

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infolge Strömungswiderstand entstehen kann. Ausserdem können so auch Kanalanordnungen mit sehr grossem Leitungsquerschnitt, welche baulich nur schwer unterzubringen wären, erspart werden.

Der Betonbehälter 1 weist im Innern an allen Stellen einen Druck auf, der über dem Atmosphärendruck liegt und mindestens dem niedrigsten Kreislaufdruck entspricht. Die beiden Teile des Raumes 4 sind miteinander durch die Rück- λ kühler verbunden, die aber nur einen unbedeutenden durch den Strömungwiderstand des Gases in den Rückkühlern bestimmten Druckunterschied aufweisen, der nicht einmal genügte, den Zwischenboden mit der Maschinenanlage zu tragen. Der Boden ist deshalb einfach nach Massgabe des Gewichts der zu tragenden Anlageteile zu bemessen.

Der Zugang 24 zum Innenraum des Behälters 1 ist λ

während des Betriebs dicht geschlossen zu halten, so dass allfällig verseuchtes Gas aus dem Innern nicht ausströmen kann, auch dann nicht, wenn infolge einer allfälligen Havarie der gesamte Gasinhalt sich bis zum vollständigen Druckausgleich auf die beiden Teilräume 2 und 4 verteilen würde. In diesom Fall müsste der Druck im Toilrau:a 4 beträchtlich ansteigen, während er im Toi] raum 2 ν or nnsrA rl ι ti j eh absinken

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würde. Ein- und Auszuführen in und aus dem Betonbehälter ist ferner das Kühlwasser für die Zwischenkühler 10 und die Rückkühler 12. Leitungen 30 für die Zwischenkühler 10 und Leitungen 31 für die Rückkühler 12 sind hierzu zusammengefasst, um sie durch eine einzige Dichtungsvorrichtung durch die Behälterwand führen zu können.

Beim Entwurf dieses ersten Ausführungsbeispieles war die Aufgabe gestellt, das Leitungswerk auf ein absolutes Minimum zu bringen, um im Sinne der allgemeinen Aufgabenstellung mit kleinstem Maschinenraum und so mit kleinstem Druckgefässvolumen auszukommen. Durch die Anordnung eines Zwischenbodens im Raum 4 gelingt dies überraschend gut. Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispieles ist die geometrisch Überaus einfache Maschinenraumform, die zu einem leicht berechenbaren und wirtschaftlich günstig zu bauenden Druckgefäss führt. Die einfache Maschinenraumform bringt auch wesentliche Vorteile im Hinblick auf das Anbringen einer nötigenfalls erforderlichen Blochauskleidung des Raumes.

Die in den Fig. 3 bis 6 gezeigte zweite Anlage unterscheidet sich gegenüber der ernt.cn im wesentlichen dadurch, dass die Wärmeau.τ tauscher rund ui:i den Reaktor herur. in

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einzelnen alveolenähnlichen Ausnehmungen der Behälterwand untergebracht sind. Wiederum beginnt der Arbeitsweg an einer Anfangsstelle (13.1 bzw.) 13.2, durchquert die Niederdruckverdichter (6.1 und) 6.2 (von denen nur der zweite in der Zeichnung zu sehen ist), führt durch das Kanalsystem 14 in die Zwischenkühler 10.1 bzw. 10.2, aus diesen zurück durch das Kanalsystem 15 in die Hochdruckverdichter (7.1 bzw.) 7.2, dann durch ein Kanalsystem 16, welches das Gas auf die einzel- ' nen Rekuperatoren 11 verteilt. Aus den Rekuperatoren führt der Arbeitsweg weiter durch einzelne Leitungen 51 in den Teilraum 2 des Atomreaktors, durch die Leitungen (18.1 und) 18.2 in die Turbinen (8.1 und) 8.2 und durch Kanäle (19.1 und) 19.2 in die Verteilkammer 20. Aus dieser führt der Arbeitsweg weiter durch einzelne Leitungen 53 zu den Rekuperatoren 11, weiter in die Rückkühler 12 und von hier durch die Ringkanäle a 54 an die Endstelle 21. Beim niedrigsten Druck und etwa bei niedrigster Temperatur durchquert das Gas den die Maschinen der Kraftanlage umgebenden Raum und gelangt schliesslich wieder an die Anfangsstelle 13, wodurch sein Arbeitskreislauf in sich geschlossen wird.

Beim Entwurf dieses Ausführungsbeispieles wurde bezweckt, die Wärmeübertrager leicht ausbaubar anzuordnen und,

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im Rahmen der eingangs gestellten Aufgabe, mit einer minimalen Arbeitsmittelmenge auszukommen. Um noch bei relativ hohem Grundwasserspiegel den Reaktor untergrund ausführen zu können, wurde Überdies eine möglichst geringe Bauhöhe verlangt. Die Anwendung der Lehre der s Patentanmeldung vom 97 führt zu einer räumlich überraschend einfachen Lösung, die trotz der relativ starken Zerklüftung des ™ Betonkörpers mit einer relativ einfachen Bauform, die sich leicht auskleiden lässt, auskommt.

Im T,S-Diagramm stellt sich der Kreislauf praktisch wie der eines geschlossenen Gasturbinenprozesses dar. Am Punkt 60 (Fig. 7), der der Anfangs- (13) und der Endstelle (21) entspricht, besitzt das Arbeitsmittel die niedrigste Temperatur und den niedrigsten Druck. Ss strömt In diesem Zu- W stand in den Niederdruckverdichter (6) ein. Im Zwischenkühler (10) wird es sodann von Zustand 61 auf Zustand 62 gekühlt, um dann durch den Hochdruckverdichter (7) auf den Zustand 63 mit dem höchsten Kreislaufdruck gebracht zu werden. Es durchströmt anschliessend bis zum Zustand 64 die Rekuperatoren (11) und wird schliesslich im Reaktor (3) auf den Zustand höchster ■ Temperatur am Punkt 65 weitergeführt. Durch Entspannung in der Turbine (8) wird das Arbeitsmittel wieder auf niedrigeren Druck

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und niedrigere Temperatur (Zustand 66) gebracht. Bis zum Zustand 67 wird dem Arbeitsgas in den Rekuperatoren (11) Wärme entzogen (Zustand 67), worauf die Nachkühlung auf den Zustand 60 in den Rückkühlern (12) stattfindet. Die dem Arbeitsgas zwischen den Zuständen 66 und 67 entzogene Wärme wird ihm in den Rekuperatoren zwischen den Zuständen 63 und 64 wieder zugeführt.

In beiden Maschinenanlagen befindet sich das Ar- :™ beitsmittel beim Zustand 60 in dem die Maschinen 6,7,8 umgebenden Teil des Raumes 4 und strömt durch diesen vom Endpunkt 21 des Arbeitsweges zum Anfangspunkt 13 zurück, um den Arbeitskreislauf in sich zu schliessen.

In der Anlage nach Fig. 1 und 2 strömt das Arbeitsmittel auch beim Zustand 67 zwischen den Rekuperatoren 11 und den Rückkühlern 12 frei in dem unter dem Boden 26 gelegenen I Teil des Raumes 4. Hier wirkt sich die Fuhrung durch den offenen Raum besonders günstig aus, weil hier infolge erhöhter Temperatur das spezifische Volumen sehr gross ist.

In beiden Anlagen durchströmt das Arbeitsmittel mit dem niedrigsten Druck und etwa niedrigster Temperatur entsprechend dorn Zustand CO den dio Y.vni'\ aiii,'.;/? uni^obonrlr-n Raum 4, um von der End π I η Hn 2] do:; /.rbuj 1 :"<■;·■:, '..">].->!· mj die />ιΓ·>η--·;-

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Claims

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Patentansprüche

Ί.) Atomkraftanlage mit einem Atomreaktor zur Erhitzung eines zum Betrieb der Kraftanlage dienenden Arbeitsgases, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Atomreaktor (3) als auch die Arbeitsgas führenden Maschinen (6,7,8) der Kraftanlage (5) und die Arbeitsgas führenden WärraeUbertrager (10,11,12) in einem durckfesten Betonbehälter (1) untergebracht sind und dass diese Anlageteile (6 bis 8 und 10 bis 12) zur Führung des Arbeitsgases von einer Anfangsstelle (13) eines thermischen Arbeitsweges zu dessen Endstelle (21) mindestens zum Teil durch Kanäle (14 bis 20) von rohrförmiger Gestalt aufeinanderfolgend miteinander in Verbindung stehen und dass ferner die Anfangsstelle (13) und die Endstelle (21) des Arbeitsweges in dem die Maschinen (6,7,8) der Kraftanlage um-) gebenden Raum (4) des Betonbehälters (1) angeordnet sind, so dass das Arbeitsgas von der Endstelle durch den die Maschinen enthaltenden Raum an die Anfangsstelle zurückgelangt und der Arbeitskreislauf in sich geschlossen ist.
2. Atomkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Behälters in mindestens zwei Teilräume (2 und 4) unterteilt ist, von denen der erste

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(2) den Reaktor (3) und ein zweiter Teilraum (4) mindestens einen Teil der Maschinenanlage und/oder der Wärmeübertrager der Kraftanlage enthält. (Fig. 1 und 2)
3. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Kraftanlage bestimmte zweite Teilraum (4) durch einen Zwischenboden (26) in zwei Raumteile (4.1 und 4.2) getrennt ist.
4. Atomkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Raumteil (4.1) Maschinen (8.1, ■ 8.2, 6.1, 6.2, 7.1, 7.2) der Kraftanlage und der zweite Raumteil (4.2) mindestens einen Teil der Wärmeübertrager enthält.
5. Atomkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkühler (12) an der Endstelle des Arbeitsweges im Zwischenboden (26) angeordnet sind.
6. Atomkraftanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkühler (12) der Kraftanlage so angeordnet und so ausgebildet sind, dass sie das zu kühlende Arbeitsgas aus dem Rekuperatoren enthaltenden Raumteil (4.2) zugeführt erhalten und dass das gekühlte Gas in den die Maschinenanlage enthaltenden Raumteil (4.1) ausströmt und in

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diesem zum Eintritt (13.1 und 13.2) des Niederdruckverdichters (6.1 bzw. 6.2) weiterströmt.
7. Atomkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu Beginn des Arbeitsweges (13) angeordnete Niederdruckverdichter (6) Arbeitsgas aus dem ihn umgebenden Raum (4) durch mindestens einen offenen Zufuhrstutzen (13.1 bzw. 13.2) entnimmt.
8. Atomkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperatoren (11) so angeordnet und ausgebildet sind, dass das auf ihrer Niederdruckseite gekühlte Gas in den zweiten Raumteil (4.2) ausströmt und in diesem zum Eintritt in die Rückkühler (12) weiterströmt.
9. Atomkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenanlage durch den Zwischenboden (26) getragen ist.
10. Atomkraftanlage nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkühler (12) durch den Zwischenboden (26) getragen sind und mit ihrem Einlassende in den Raum (4.2) unter dem Boden und mit dem Auslassende in den Raum (4.1) über dem Zwischenboden ragen.

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11. Atomkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenboden (26) einen Verteilkasten (20) für die Rekuperatoren (11) trägt.
12. Atomkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Verteilkasten (20) die Rekuperatoren aufgehängt sind.
13. Atomkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Zwischenkühler (10.1, 10.2) im Raumteil (4.1) untergebracht ist und einerseits mit dem Niederdruckverdichter (6.1, 6.2) und andererseits mit dem Hochdruckverdichter (7.1, 7.2) durch Rohrleitungen (14.1, 14.2 bzw. 15.1, 15.2) verbunden ist.
14. Atomkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Wärmeübertrager (10,11,12) in Nebenräumen der Behälterwand untergebracht ist. (Fig. 3 bis 6)
15. Atomkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Rekuperatoren (11) in liebenräumen (55) der Wand des Behälters (1) untergebracht ist.

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16. Atomkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Rückkühler (12) in Nebenräumen (55) der Wand des Behälters (1) untergebracht ist.
17. Atomkraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkühler (10.1 und 10.2 in Nebenräumen (56) der Wand des Behälters (1) untergebracht sind und mit dem Hochdruckverdichter durch Rohrleitungen (14, 15) zur Zu- und Abführung des Arbeitsgases verbunden sind.

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