DE1764355C3

DE1764355C3 - Atomkraftanlage fur ein gasförmiges Arbeitsmedium

Info

Publication number: DE1764355C3
Application number: DE1764355A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Winterthur Zimmermann (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1968-05-22
Publication date: 1973-10-25
Also published as: US3748228A; CH492279A; FR2008720A1; JPS5111277B1; DE1764355A1; GB1193609A; DE1764355B2; NL6809196A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Atomkraftanlage mit einem Atomkernreaktor zur Erhitzung eines zum Betreiben der Kraftanlage dienenden Arbeitsgases, welches im Arbeitskreislauf von einer innerhalb eines Druckbehälters befindlichen, offenen Anfangsstelle zu einer ebenso innerhalb des Druckbehälters befindlichen offenen Endstelle und von da offen durch den Raum des Druckbehälters wieder zur Anfangsstelle zurückströmt.

Atomkraftanlagen der beschriebenen Gattung sind durch die französische Patentschrift 1 235 225 und die britische Patentschrift 966 409 bekanntgeworden. In beiden Fällen handelt es sich um Atomreaktoren, deren Kühlgas im Innern des sie umschließenden Druckbehälters Dampferzeugern zugeführt wird, wobei das Kühlgas auf einem Teil des Kreislaufs nicht durch Leitungen strömt, sondern offen durch den Raum des Druckbehälters von einer Endstelle zu einer Anfangsstelle zurückströmt. Das Kühlgas weist deshalb innerhalb des Kreislaufs nur ein Druckgefälle auf, das zur Überwindung des Strömungswiderstandes nicht aber zur Leistung mechanischer Arbeit dient. Die Nutzleistung wird erst durch den Dampf in einer außerhalb des Druckbehälters angeordneten Dampfkraftmaschinenanlage erzeugt. Die Entwicklung der Kernreaktoren hat indessen dazu geführt, das Kühlmittel des Reaktors selber als Antriebsmittel der Kraftmaschinenanlage zu verwen-

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ι!,'!i. Das K-iHiIua-. im desha ,ι als I.eistunjMrÜLvr mi der nur die Anlage 5.2 in dci /ci^Ιιπιιημ vollständig

(■ ■vi'-lauf durch ilen Reaktor und du· K raumaschine dargestellt ist) Jede der KiI.inlauen weist einen

. ! iihren und unterliegt auf diesem Wet: wesentli- N'iederdruckv erdichter 6.1 !">/λ\ . 6.2, einen Hoch

c'¹· ι I)ruck\ci änderungen, die entsprechende VoIu- druekverdichter 7.1 b/w. 7.2 und eine Gasturbine 8 I

η . !!Veränderungen /ur FoI ne haben. Außerdem ■>·. ird b/w. 8 2 auf Die drei Mascl'.inenemheiien |eder de!

Mcherheitshalher notwendig, auch die Kraftma- heiden Teiiankiiicn besitzen eine ueineinsanic Wellt

-, hui: iianlage innerhalb des Rcaktorbchälters .m- ⁵ die gasdicht und strahlungssicher ilurch die Wann

-,..--'dnen. um einer. Austritt ν erseuchten Gases in die des Hetoiihchällers nach aul.'cii -icführt i^kl und din :

Vmo^iiarc /u verhüten. Dabei entsteht in erster Li- die mechanische Leistung aut einen elektrischen

:\ ■ ein Problem hinsielitlieh der l·ühriinii der l.eiuüi "stromerzeuger ¹J. 1 b/w. 9.2 übertrag'.

.. n. die weil mehr Platz als die eigentliche Kratinia An Wärmeau :iischern sind innerhalb des He-

■ iunenanlage einnehmen. ¹⁰ ionbehülteis untcrtielvacht te ein Zw ischenkuhlci

Aufgabe der E-rf'mdung is; es. die l.eiiiiiinen mi IO 1 Iw.. 1(1.2 /ur Kühlung des Arbeitsgases /\w-

, uordnen. daß der im B>-halter /ur Vcrfüuuni: sie sehen Niederdri.ck- und Hochdruckverdichter. fei:n-i

; :.de Raum vollständig a ^enut/t w ird. eine Anzahl \on Rekuperatoren 11. ihe beiden Ic:'

liiere Autgabe wird bei der ciPiianus genannten anlagen gemeinsam dienen, und die Rückkühlci 12

V u.ikrah inlage dadurch gelöst, dall erfindunesüc ¹S die ebenso gemeinsam für beide Ieikmlagen K--

:· iü der Aiomkernreaktor in einem ersten druckfest stimmt sind. Je ein Kanal 14.1 b/w. 14.2 von P¹In

!•:r den höchsten Reaktordruek ausgebildeten leii- förniiger Gestalt \erbmdet die Niotierdruckvcdichter

i.ium des Druckbehälters untergebracht ist, daß fer- 6.1 bzw. 6.2 mit den /wischenkiihlern 10.1 b/w

ner die Arbeitsgas führenden Ma^cchinoii der Kraft- 10.2. Die Kanüle 15.1 b/w, i5.2 führen das das aus

anlage in einem vom ersten Teilraum druckfest ge- ²⁰ den Zwischerikühlern in die Hochdruckverdichter 7.1

trennten /weiten Teilraiim des Druckbehälters an- bzw. 7.2 weiter Dieses Kanaisystem 16 vereinigt das

geordnet sind und daJ schließlich die Anfangsstelle Arbeitsmittel der beiden Muschinenhälften und liihrt

des Kreislaufes des Arbeitsgases in Strömungsrirh- es in gleichmäßiger Verteiluni! in die Batterie der Re

tung vor dem Verdichter und die Endstelle hinter der kuperatoren 11. Der Abgang aus den Rekuperatoren

Gasturbine im zweiten Teilraum angeordnet sind. ²5 erfolgt wiederum gemeinsam durch ein Kanalsvstern

Fine solche Ausführung hat zur Wirkung, daß die 17. welches /um Reaktor 1 luhrt. Die Kanäle 18 1

I uhrung der Gase beim niedrigsten Druck und des- und 18.2 führen das Arbeitsgas dann wieder getrennt

halb beim höchsten Volumen keine Rohrleitung je einer der Turbinen 8.1 b/w. 8.2 zu. Nach Austritt

mehr erfordert Fine solche würde schon wegen des aus den Turbinen durch die Kanäle 19.1 und 19.2

notwendigen Rohrdurchmessers in der Führung um- 3° verteilt eine Kammer 20 das Gas auf die ein/einen

.ständlich und würde damit auch die Führung der Rekuperatoren 11. Aus don Rekuperatoren gelangt

Leitungen kleineren Durchmessers für die Gase ho- das Gas in den unter dem Zwischenboden 26 befind-

hern Drucks erschweren. Damit kann der Behälter liehen Teil des Raums 4 und schließlich durch die

und seine Wandstärke entsprechend verkleinert wer- Rückkühler 12 in den über dem Zwischenboden 26

den. 35 gelegenen Teil des Raums 4.

Ia der deutschen Auslegeschrift 1 614 610 ist eine Man sieht, daß auf diese Art ein Arbeitsweg fur

,Atomkraftanlage vorgeschlagen, bei welcher die das Arbeitsgas entsteht, Her an der Eintrittsstelle

Kraftanlage in einem Teilraum des Reaktorbehülte.s 13.1 bzw. 13.2 der Niederdruckverdichter 6.1 b/w.

untergebracht ist. Bei dieser Anlage ist allerdings das 6.2 seinen Anfang nimmt und an der Austritisstelle

Gas vollständig geschlossen in Rohrleitungen ge- 4° 21 der Rückkühler 12 endet. Von der Austrittsstelle

führt, so daß besonders bei großem Druckverhältnis- 21 bis zur Eintrittsstelle 13 durchquert das Arbeits-

sen etwa 1 20 oder 1 : 40 ganz unförmige Rohrlei- mittel etwa mit der niedrigsten Kreislauftemperatur

Hingen für die entspannten Gase entstehen müßten. und dem niedrigsten Kreislaufdruck den die Kraftan-

die gemäß Erfindung durch die offene Führung er- lage 5.1, 5.2 umgebenden Raum. Seine Geschwiudig-

spart bleiben. ' 45 keit wird hierbei auf einen Bruchteil vermindert, so

Je ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen- daß trotz des großen Volumens bei diesem Gaszustands ist in den F ι g. 1 und 2 und in den F i g. 3 bis stand kein nennenswerter Druckabfall infolge Strö-6 schematisch dargestellt. F i g. 7 veranschaulicht mungswiderstand entstehen kann. Außerdem können vereinfacht den Verlauf des Kreislaufprozesses in so auch Kanaianordnungen mit sehr großem Lueinem T,S-Diagramm. 5<> tungsquerschnitt, welche baulich nur schwer unter/u-

Die Atomkraftanlage nach den F ι g. 1 und 2 be- bringen-vären, erspart werden.

sitzt als Umhüllung einen druckfesten und gasdich.'en Der Betonbehälter 1 weist im Innern an allen Behälter 1 aus armiertem Beton. Die Teilräume 2 Stellen einen Druck auf, der über dem Alomsphären- und 4 brauchen gegeneinander nicht absolut abge- druck liegt und mindestens dem niedrigiten Kreisdichtet zu sein, da der Behälter 1 die Anlage als Ge- 55 laufdruck entspricht. Die beiden Teile des Raumes 4 samti's .streng gasdicht umschließt. Im Teürauml ist sind miteinander durch die Rückkühler verbunden, der Atomreaktor 3 untergebracht, während die Kraft- die aber nur einen unbedeutenden durch den Ströanlage5 sich im Teilraum 4 befindet. Die Trennwand mungswiderstand des Gases in den Rückkiihlern bezwischen den Teilräumen 2 und 4 muß mindestens stimmten Druckunterschied aufweisen, der nicht einden Unterschied der beiden Raumdrücke tragen. ^6o mal genügte, den Zwischenboden mit der Maschiiien-Gleichwohl kann sie auch für höhere Differenz- anlage zu tragen. Der Boden 26 ist deshalb einfach drücke ausgelep,' werden, wenn der Druckunterschied nach Maßgabe des Gewichts der zu tragenden AnIahöhere Werte z. B. im Fall einer Havarie annehmen geteile zu bemessen. könnte. Der Zugang 24 zum Innenraum des Behälters I

Die Kraftanlage 5.1, 5.2 besteht aus zwei glei- ⁶5 ist während des Betriebs dicht geschlossen zu halten,

chen, symmetrisch angeordneten Teilanlagen (von so daß allfällig verseuchtes Gas aus dem Innern nicht

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ausströmen kann, auch dann nicht, wenn infolge Bei Entwurf dieses Ausführungsbeispielcs wurde

einer allfäliigen Havarie der gesamte Gasinhalt sich bezweckt, die Wärmeübertrager leicht ausbaubar an-

his zum vollständigen Druckausgleich auf die beiden zuordnen und, im Rahmen der eingangs gestellten

Teilräume2 und 4 verteilen würde. In diesem Fall Aufgabe, mit einer minimalen Arbeitsmittclmengc

müßte der Druck im Teilraum 4 beträchtlich anstci- 5 auszukommen. Um noch bei relativ hohem Grund-

gen, während er im Teilraum 2 voraussichtlich absin- wasserspiegel den Reaktor untergrund ausführen zu.

ken würde. Ein- und Auszuführen in und aus dem können, wurde überdies eine möglichst geringe Bau-

Hetonbehältcr ist ferner das Kühlwasser für die Zwi- höhe verlangt. Die Anwendung der Lehre der dcut-

schcnkühlcr 10 und die Rückkühler 12. Leitungen 30 sehen Patentanmedliing S 111 966 VIII/21 g vom

für die Zwischenkühler 10 und Leitungen 31 für die io 22.9.67 führt zu einer räumlich überraschend einfa-

Rückkühlcr 12 sind hierzu zusammengefaßt, um sie chcn Lösung, die trotz der relativ starken Zcrklüf-

durch eine einzige Dichtungsvorrichtung 32 durch lung des Bctonkörpcrs mit einer relativ einfachen

die Behälterwand führen zu können. Bauform, die sich leicht auskleiden läßt, auskommt.

Beim Entwurf dieses ersten Ausführungsbeispic- Im T,S-Diagramm stellt sich der Kreislauf prak-

lcs war die Aufgabe gestellt, das Leitungswerk auf 15 tisch wie der eines geschlossenen Gaslurbinenprozcs-

cin absolutes Minimum zu bringen, um im Sinne der ses dar. Am Punkt 60 (Fig. 7), der der Anfangs- 13

allgemeinen Aufgabenstellung mit kleinstem Maschi- und der Endstelle 21 entspricht, besitzt das Arbcits-

ncnraum und so mit kleinstem Druckgefäßvolumen mittel die niedrigste Temperatur und den niedrigsten

auszukommen. Durch die Anordnung eines Zwi- Druck. Es strömt in diesem Zustand in den Nicdcr-

schenbodens im Raum 4 gelingt dies überraschend ao druckverdichter 6 ein. Im Zwischenkühler 10 wird es

gut. Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispie- sodann von Zustand 61 auf Zustand 62 gekühlt, um

Ics ist die geometrisch überaus einfache Maschinen- dann durch den Hochdruckverdichter 7 auf den Zu-

raumform, die zu einem leicht berechenbaren und stand 63 mit dem höchsten Kreislaufdruck gebracht

wirtschaftlich günstig zu bauenden Druckgefäß führt. zu werden. Es durchströmt anschließend bis zum Zu-

Dic einfache Maschinenraumform bringt auch wc- 25 stand 64 die Rekuperatoren 11 und wird schließlich

scntliche Vorteile im Hinblick auf das Anbringen im Reaktor 3 auf den Zustand höchster Temperatur

einer nötigenfalls erforderlichen Blechauskleidung am Punkt 65 weitergeführt. Durch Entspannung in

des Raumes. der Turbine 8 wird das Arbeitsmittel wieder auf nicd-

Die in den Fig. 3 bis ft gezeigte zweite Anlage rigeren Druck und niedrigere Temperatur (Zustand

unterscheidet sich gegenüber der ersten im wesentli- 30 66) gebracht. Bis zum Zustand 67 wird dem Arbcits-

chcn dadurch, daß die Wärmeaustauscher rund um gas in den Rekuperatoren 11 Wärme entzogen (Zu-

den Reaktor herum in einzelnen aiveulcnähniichen stand 67). worauf die Nachkühlung auf den Zustand

Ausnehmungen der Behälterwand untergebracht 60 in den Rückkühlern 12 stattfindet. Die dem Ar

sind. Wiederum beginnt der Arbeitsweg an einer An- beitsgas zwischen den Zuständen 66 und 67 cnt/u

fangsstellc 13.1 bzw. 13.2, durchquert die Nieder- 35 gene Wärme wird ihm in den Rekuperatoren 7*\

druckverdichter 6.1 und 6.2 (von denen nur der sehen den Zuständen 63 und 64 wieder zugeführt,

zweite in der Zeichnung zu sehen ist), führt durch In beiden Maschincnanlagen befindet sich das \i

das Kanalsystem 14 in die Zwischenkühler 10.1 bzw. beitsmiuel beim Zustand 60 in dem die Maschinen i>

10.2, aus diesen zurück durch das Kanalsystem 15 in 7. 8 umgebenden Teil des Raumes 4 und strom!

die Hochdruckverdichter 7.1 bzw. 7.2, dann durch 40 durch diesen vom Endpunkt 21 des Arbcitswcres

ein Kanalsystem 16, welches das Gas auf die einzel- zum Anfangspunkt 13 zurück, um den Arbeitskreis

nen Rekuperatoren 11 verteilt. Aus den Rekuperato- lauf in sich zu schließen.

ren führt der Arbeitsweg weiter durch einzelne Lei- In der Anlage nach Fig. 1 und 2 strömt das Ai-

tungen 51 in den Teilraum 2 des Atomreaktors, beitsmittel auch beim Zustand 67 zwischen den Rc-

durch die Leitungen 18.1 und 18.2 in die Turbinen 45 kuperatoren 11 und den Rückkühlern 12 frei in dem

8.1 und 8.2 und durch Kanäle 19.1 und 19.2 in die unter dem Boden 26 gelegenen Teil des Raumes 4

Verteilkammer 20. Aus dieser führt der Arbeitsweg Hier wirkt sich die Führung durch den offenen Raum

weiter durch einzelne Leitungen 53 zu den Rekape- besonders günstig aus, weil hier infolge erhöhter

ratoren 11, weiter in die Rückkühler 12 und von hier Temperatur das spezifische Volumen sehr gro ist

durch die Ringkanäle 54 an die Endstelle 21. Beim 50 In beiden Anlagen durchströmt das Arbeitsmittel

niedrigsten Druck und etwa bei niedrigster Tempera- mit dem niedrigsten Druck und etwa niedrigster

tür durchquert das Gas den die Maschinen der Kraft- Temperatur entsprechend dem Zustand 60 den die

anlage umgebenden Raum und gelangt schließlich Kraftanlage umgebenden Raum 4 um von der End-

wieder an die Anfangsstelle 13, wodurch scm Ar- stelle 21 des Arbeitsweges wieder an die Anfanes-

beitskreislauf in sich geschlossen wird. 55 stelle 13 zu gelangen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

m- 3551

Claims

l'.ilciitanspi "uche:

I Atomkraftanlage mit einem Aiomkernre-.ikiur zur l-rhii.'itnt; eines /um Betreiben tier j kraltanl.iiie dienenden Arbeiisüa-es. welche- im \rbeit-kreis|aut von einer innerhalb eine-. Druckbehälterhelindlicheu. olleueii Anfangsslclle /u ein.:" ebenso innerhalb des Driickbehälters beli'iJ.üelieii offenen Endstelle und \t>n da offen duich den Kaum des Druckbehälter«, wieder /ur \m.ui!i--!elle /Liriicksirümt. dadurch sc-K e it Ii ,· e ι e h n e t. daß der Atomkernreakior i3) in einem ersten druckfest für den höchsten Rc.irwordruck ausgebildeten Teilraum (2) de- i=; Dn!ckbeh;ilter«i (1) untergebracht ist, daß ferner di. Vbeit-ga- führenden Maschinen (6. 7. 8) dei Ki aiiantage (5) in einem \om ersten 'Veilraum drucl-:'est get., unten /weiten Teilraum (4) des Druckbehälters angeordnet sind und daß schließlieh die Anfangsstelle (13) des Kreislaufes des Arhc'tstuses in Stromungsrichiung \or dem Verdichter (6) und die Endstelle (21) hinter der Gasturbine (S) im /weiten Teilraum angeordnet sind.
2. Atomkraftanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der tür die Kraftanlage bestimmte zweite Teilraum (4) durch einen Zwischenboden (26) in /wei Raumteile (4.1 und 4.2) iietiennt ist.
V Atomkraftanlage mch Ai ,pruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der e-ste Raumteil (4.1) MasJimen (8.1. 8.2, 6.1, 6.2. 7.1, T 2) der Kraftanlage und der zweite Raumteil (4.2) mindestens einen Teil der Wärmeübertrager enthält.
4. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkühler (12) an der 1 ndstelle des Arbeitsweges im Zwischenboden (26) angeordnet sind.
5. Atomkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch 4c 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 diesem zum Eintritt (13.1 und 13.2) des Niederdruckverdichters (6.1 bzw. 6 2) weiterströmt.
(S. 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.
7. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, 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.
8. Atomkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschinenanlage durch den Zwischenboden (26) getragen ist.
y. Atomkraftanlage na·. < Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkühler (12) durch den Zwischenboden (26) getragen sind und mit ihrem Einlaßende in den Raum (4.2) unter dem üoden und mit dem Auslaßende in den Raum (4.1) über dem Zwischenboden ragen.
Kl. Atomkraftanlage nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenboden (26) einen Verteilkasten (20) für die Rekuperatoren (11) trügt.
11. Atomkraftanlage nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß am Verteilkas'en (20) di·.' Rekuperatoren aufgehängt sind.
12. Atomkraftanlage nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkühler (10.1. 10.2) im Raumteil (4.1) untergebracht ist und einerseits mit dem Niederdruck erdichter (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.
13. 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).
14. Atomkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Rekuperatoren (11) in Nebenräumen (55) der Wand des Behälters (1) untergebracht ist.
15. Atomkraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Rückkühler (12) in Nebenräumen (55) der Wand des Behälters (1) untergebrpcht ist.
16. Atb'.nkraftanlage nach Anspruch 13, 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.