<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum Betrieb einer Atomkraftanlage Der heutige Stand der Technik lässt erkennen, dass die durch den Zerfall der Atome freiwerdende Energie in Form von Wärme anfällt, die durch ein Trägermittel aus dem Reaktor nach aussen gefördert wird, um entweder direkt oder durch einen weiterem Wärmeaustausch in mechanische Energie umgesetzt zu werden.
Bei bestimmten Zwecken dienenden Reaktoren wird eine möglichst tiefe Eintrittstemperatur des Trägermittels, das als Reaktorkühlmittel dient, in den Reaktor gewünscht. Dabei kann das die Reaktorwärme aufnehmende Trägermittel entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, oder es kann flüssiges Metall verwendet werden. Auch das Bremsmittel (Moderator) kann Trägermittel sein, wobei es für die folgenden I7berlegungen gleichgültig ist, ob es sich um einen Reaktor der homogenen oder heterogenen Bauart handelt. Jn jedem Fall ist das Trägermittel Kühlmittel und durchläuft ausserhalb des Reaktors einen thermodynamischen Kreisprozess, der die mechanische Energie liefert.
Die Ausnützung kann in verschiedenartigsten Kraftmaschinen (Gas- oder Dampfturbinen) erfolgen, je nachdem diese Kreisprozesse Gas- oder Dampfprozesse sind.
Der heutige Stand der Technik dieser Prozesse sieht zur Erlangung eines möglichst hohen thermodynamischen Effektes eine möglichst hohe Rückführung der Abwärmeenergie, die die Kraftmaschine ver- lässt, vor. Dies geschieht bekanntlich beim Wasserdampfprozess durch möglichst hohe Vorwärmung des Speisewassers durch Anzapfdampf aus der Turbine, oder beim Gasturbinenprozess durch einen möglichst hohen Wärmeaustausch der Abgase.
Das Speisewasser bzw. die zur Erzeugung des Treibmittels der Gasturbine notwendige Luft wird mit möglichst hoher Temperatur in den Kessel bzw. in die Brennkammer oder in den Lufterhitzer eingeführt. Beim Atomkraft- werk tritt an Stelle der letzteren der Reaktor. Die Folge davon ist, dass das Trägermittel in den Reaktor mit möglichst hoher Temperatur eintreten muss, um einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad zu erhalten. Dadurch wird die mittlere Temperatur des Spaltmaterials bei gegebener zulässiger Endtem- peratur des Trägermittels im Reaktor hoch.
Aus atomphysikalischen Gründen ist aber bei bestimmten Anlagen, die neben der Energieerzeugung auch noch Spaltmaterial erzeugen sollen, diesen Endtemperatu- ren eine gewisse Grenze gesetzt. Anderseits wird durch eine hohe Eintrittstemperatur des Trägermittels die Temperaturdifferenz bei gegebener Austrittstemperatur gering, und die Folge sind grosse Heiz- bzw. Kühlflächen.
Die heutige Praxis hat daher auf eine weitgehende Vorwärinung des Trägermittels vor Eintritt in derartige Reaktoren verzichtet und erreicht daher nur geringe thermodynamische Effekte.
Dieser Nachteil wird erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass die Eintrittstemperatur des Trägermittels in den Reaktor bis auf das untere zur Verfügung stehende Temperaturniveau (z. B. vorhandene Kühlwassertemperatur) gesenkt wird, und dadurch, dass die dann nicht in den Kreisprozess zurückgeführte Abwärme in einem nachgeschalteten thermodynamischen Prozess ausgenützt wird. Diese Ausnützung kann zum Beispiel darin bestehen, dass ein nachgeschalteter Dampfkessel die Abwärme aus dem ersten Prozess aufnimmt und der erzeugte Dampf in an sich bekannter Weise in einer Dampfkraftanlage ausgenützt, oder, falls nur Wärme benötigt wird, diese in Form von Dampf dem Fabrikationsvorgang zugeführt wird.
Auch eine Kombination von Erzeugung mechanischer (elektrischer) Energie und Wärmelieferung ist möglich.
<Desc/Clms Page number 2>
Durch Nachschaltung einer zweiten Kraftanlage wird der Gesamteffekt bekanntlich höher. Bei entsprechender Wahl der Betriebsverhältnisse einer primären Gasturbinenanlage kann er auch über ein mit der normalen Dampfkraftanlage oder Gasturbinenanlage erreichbares Mass gehoben werden.
Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Dualverfahren, das zum Beispiel mit einem normalen Gaskreisprozess und einer nachgeschalteten Dampfkraftanlage mit Vor- wärmung des Speisewassers verwirklicht werden kann, ist daher geeignet, die oben erwähnten Nachteile des einfachen Atomkraftwerkes zu vermeiden, wenn auf eine niedrige Eintrittstemperatur des Trägermittels Wert gelegt wird.
Dualverfahren sind bekannt; doch arbeiten diese zur Erlangung eines hohen thermodynamischen Wirkungsgrades stets so, dass die nachgeschaltete Dampfanlage ohne Speisewasservorwärmung vorgesehen ist, während die primäre Gasturbinenanlage ungekühlte Verdichter aufweist, also die zur Erzielung des Treibmittels für die Gasturbine notwendige Luft mit möglichst hoher Temperatur dem. Kreislauf zugeführt wird. Dementsprechend wird daher der Gesamteffekt sich aus zwei nicht maximalen Effekten zusammensetzen. Demgegenüber kann mit zwei hochwertigen Kreisläufen gearbeitet werden, also mit gekühltem Luftverdichter und Speisewasseranzapfvorwärmung, wobei das in den Reaktor eintretende Trägermittel, z. B.
Heliumgas, aus dem Verdichter des Gasturbi- nenkreislaufes mit in Kühlstufen niedrig gehaltenen Temperaturen austritt. An Hand der Zeichnung wird das Verfahren beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schaltschema einer Atomkraftanlage mit einer Gasturbinenanlage, die zum Beispiel Helium als Wärmeträger direkt verarbeitet und der eine Dampfkraftanlage nachgeschaltet ist. Es bezeichnet 1 den Reaktor, von dem lediglich nur der Wärmeaustauscher dargestellt ist, 2 die Gasturbine, 3 ihren Kompressor, der im Kreislauf aus dem Vorkühler 7 das abgekühlte Gas (Helium, Kohlensäuregas oder dergleichen) bei höherem Druck als die Atmosphäre ansaugt und welcher mit Kühlstufen versehen ist, und auf einen Betriebsdruck, der zum Ansaugedruck in einem bestimmten Verhältnis steht, das Gas drückt, worauf das Gas in den Reaktor eingeleitet wird.
Durch Wärmeaufnahme bei konstantem Druck wird das Reaktormaterial abgekühlt, und nach Expansion in der Turbine 2 strömt das Gas (= Trägermittel) in einen Abhitzedampfkessel 4, der Dampf für eine Dampfturbine 5 erzeugt. Im Kondensator 6 wird der Dampf niedergeschlagen und gelangt als durch Anzapfung vorgewärmtes Speisewasser in der üblichen Weise in den Kessel über einen Vorwärmer 11a. 8 und 9 sind Stromerzeuger, 10 bezeichnet den Anlassmotor. Die Dampfturbine kann auch als Gegendruck- oder Entnahmeturbine ausgeführt werden, je nachdem Abwärme benötigt wird. Auch direkte Wärmelieferung ohne Krafterzeugung ist denkbar.
In Fig. 2 ist die gleiche Schaltung dargestellt, nur mit dem Unterschied, dass zur weiteren Verbesserung der Anlage der Vorwärmer parallel geschaltet ist. Hierdurch gelingt eine weitere Abkühlung der Abgase und damit eine Erhöhung des thermischen Effektes. Die Bezeichnungen sind in der gleichen Reihenfolge aufgeführt wie in Fig. 1.