DE1073648B

DE1073648B - Wärmekraftanlage mit Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels, welches in einem Kernreaktor erhitzt wird

Info

Publication number: DE1073648B
Application number: DENDAT1073648D
Authority: DE
Inventors: Thalwil Zürich Dipl.-Ing. Richard Tognoni (Schweiz)
Original assignee: Escher Wyss AG
Current assignee: Sulzer Escher Wyss AG
Priority date: 1956-12-20
Publication date: 1960-01-21
Also published as: FR1190605A; CH345500A; GB824895A; US2975118A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage mit Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels, welches in einem Verdichter auf erhöhten Druck gebracht, in einem Kernreaktor erhitzt und darauf in einer Turbine entspannt wird, und bei welcher das die Turbine verlassende Arbeitsmittel in einem Wärmeaustauscher Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel vor seiner Erhitzung im Kernreaktor abgibt.

Die in einem Atomkernreaktor erzeugte Energie kann zur Zeit nur durch Umwandlung von Wärme in einem thermischen Kreisprozeß in mechanische Energie übergeführt werden. Der Wirkungsgrad eines solchen Prozesses ist abhängig von der maximalen Temperatur des Arbeitsmittels. Wird als Arbeitsmittel ein inaktives Gas, z. B. Helium, verwendet, so kann dieses nach der Verdichtung unmittelbar dem Reaktor zugeführt werden, in welchem es auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird. Das so erhitzte Arbeitsmittel entspannt sich dann in einer Turbine und wird nach Rückkühlung wieder dem Verdichter zugeführt.

Bei der unmittelbaren Abgabe der Wärme vom Reaktor an das Arbeitsmittel kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Reaktormaterial und dem Arbeitsmittel des Kreislaufs klein gehalten werden, was sich günstig auf den Wirkungsgrad auswirkt. Beim Vorhandensein eines Wärmeaustauschers, in welchem das die Turbine verlassende Arbeitsmittel Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel abgibt, bevor dieses im Kernreaktor erhitzt wird, ergibt sich eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades. Ein guter Rückgewinn der Wärme verlangt aber große Wärmeaustauschflächen.

Die Erfindung betrifft nun eine besonders vorteilhafte Anordnung des Wärmeaustauschers mit Bezug auf den Reaktorkern und besteht darin, daß bei einer Wärmekraftanlage der eingangs beschriebenen Art der Wärmeaustauscher einen den Reaktorkern unmittelbar umschließenden, das wärmeaufnehmende verdichtete Arbeitsmittel führenden Ringraum aufweist und dieser Ringraum von außen durch einen Teil eines den Wärmeaustauscher und den Reaktorkern enthaltenden druckfesten Gehäuses begrenzt ist.

Bekannt ist, daß einzelne Wärmeaustauschelemente für flüssiges Natrium verteilt im Kreise um den Reaktorkern herum angeordnet sind. Dabei ist das wärmeaustauschende Medium in Rohren geführt, so daß das als Stahlkugel ausgebildete, das Ganze umgebende Gehäuse nicht etwa den Druck des Arbeitsmittels aufzunehmen hat. Im Gegensatz zu dieser vorbekannten Anlage sind gemäß der Erfindung nicht einzelne Wärmeaustauschelemente um den Reaktorkern herum angeordnet, sondern der eine Strömungsweg des Arbeitsmittels wird durch einen den Reaktorkern unmittelbar umschließenden Ringraum gebildet. Es handelt sich hierbei um das verdichtete Arbeitsmittel, Wärmekraftanlage mit Kreislauf

eines gasförmigen Arbeitsmittels,

welches in einem Kernreaktor erhitzt wird

Anmelder:

Escher Wyss Aktiengesellschaft,
Zürich (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Albrecht, Patentanwalt,
Berlin-Frohnau, Edelhofdamni 26

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 20. Dezember 1956

Dipl.-Ing. Richard Tognoni, Thalwil, Zürich (Schweiz), ist als Erfinder genannt worden

welches im Wärmeaustauscher vom entspannten Arbeitsmittel Wärme aufnimmt und hernach im Reaktorkern zu erhitzen ist. Der Druck in diesem Ringraum ist also praktisch der gleiche wie im Reaktorkern. Bei dieser Anordnung braucht es somit keine druckfeste Wand zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Reaktorkern. Das druckfeste Gehäuse umschließt vielmehr den Wärmeaustauscher mit dem Reaktorkern, und ein Teil dieses Gehäuses bildet auch die Begrenzung des unter Druck stehenden Ringraumes des Wärmeaustauschers.

Durch diese Maßnahme ergibt sich der Vorteil, daß der Wärmeaustauscher selbst einen Teil der vom Reaktorkern ausgehenden Strahlung absorbiert, welche darin in Wärmeenergie umgewandelt wird und so in das Arbeitsmittel übergeführt wird. Es kann so ein Teil der dicken Betonabschirmung des Reaktors, welche erforderlich ist, um die Umgebung vor der Strahlung zu schützen, erspart werden. Es ist so möglich, trotz des Einbaues des Wärmeaustauschers in das Innere der äußeren Abschirmung mit praktisch etwa gleichen Außenabmessungen der Abschirmung auszukommen.

Der Einbau des Wärmeaustauschers in das druckfeste Gehäuse, wobei er den Reaktorkern unmittelbar ringförmig umschließt, ergibt weiter auch den Vorteil, daß das Gehäuse mit Arbeitsmittel niedrigerer Tem-

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peratur in Berührung kommt und somit eine höhere Beanspruchung durch den Innendruck zuläßt.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Reaktorkern in an sich bekannter Weise zylindrische Gestalt hat und der Ringraum koaxial dazu angeordnet und in der Hauptsache in Achsrichtung vom verdichteten Arbeitsmittel durchflossen ist, und daß das druckfeste Gehäuse einen den Ringraum von außen begrenzenden zylindrischen Mantel aufweist. ίο

Vorteilhaft kann auf der Seite des Arbeitsmittelaustritts am Reaktorkern ein Doppelrohr koaxial zu diesem angeordnet sein, wobei das innere Rohr das erhitzte verdichtete Arbeitsmittel aufnimmt und der Zwischenraum zwischen den Rohren mit dem Ringraum des Wärmeaustauschers in Verbindung steht und diesem das noch nicht erhitzte verdichtete Arbeitsmittel zuleitet. . . . ^:

■ Es kann ferner zweckmäßig sein, einen dem Verdienter vorgeschalteten Kühler für das entspannte Arbeitsmittel unmittelbar ringförmig um den Wärmeaustauscher anzuordnen, so daß der Kühler außerhalb des druckfesten Gehäuses angeordnet ist und der die Kühlflüssigkeit führende Raum des Kühlers teilweise unmittelbar vom druckfesten Gehäuse begrenzt ist.

Ein Ausführungsbeispiel, des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der ganzen Anlage und

Fig. 2 einen Schnitt durch den Reaktorkern und das druckfeste Gehäuse mit dem eingebauten Wärmeaustauscher.

Gemäß Fig. 1 wird ein Arbeitsgas, vorzugsweise Helium, in einem Verdichter 1 verdichtet und über eine Leitung 2 einem Kernreaktor zugeleitet. Der Reaktorkern weist einen Moderator 3 mit eingebauten Stäben 4 aus spaltbarem Material auf. Von diesen Stäben ist in der Figur nur einer gezeigt. Der Moderator 3 ist von einem Reflektor 5 umgeben.

Das verdichtete Arbeitsmittel gelangt vorerst in einen Wärmeaustauscher 6. Dieser ist mit dem Reaktorkern 3, 4, 5 in einem druckfesten Gehäuse 7 eingebaut, wobei er den Reaktorkern unmittelbar ringförmig umschließt.

Der Wärmeaustauscher weist in vertikaler Richtung verlaufende Rohre 8 auf, welche mit ihren Enden in zwei ringförmige Rohrplatten 9 und 10 eingesetzt sind.

Das durch das Rohr 2 zuströmende verdichtete Arbeitsmittel wird über einen Ringkanal 11 der Außenseite der Rohre 8 des Wärmeaustauschers zugeleitet, strömt danach parallel zu diesen Rohren nach oben und tritt in einen oberhalb des Reaktorkerns gelegenen Raum 12 aus.

Die Stäbe 4 sind mit Spiel in den Moderator 3 eingesetzt, so daß ein Ringkanal 13 für den Durchtritt des Arbeitsgases freigelassen ist. Die Stäbe 4 sind beidseitig mit gewindeförmigen Ansätzen 14, 15 versehen, welche durch den Reflektor 5 hindurchgehen und in diesem schraubenförmige Kanäle 16 bzw. 17 freilassen.

Vom Raum 12 gelangt das Arbeitsmittel über den schraubenförmigen Kanal 16 in den zwischen dem Stabe 4 und dem Moderator 3 freigelassenen Ringkanal 13, wird in diesem erhitzt und tritt sodann durch den schraubenförmigen Kanal 17 in einen Raum 18 aus, welcher durch eine düsenförtnige Doppelwand 19 mit zwischengelegter Isolierschicht 20 begrenzt wird. Die Doppelwand 20 begrenzt zugleich den Ringraum 11 von innen. Sie findet ihre. Fortsetzung in. einem im Innern des Rohres 2 verlaufenden, gleichfalls doppelwandigen Rohr 21, welches an einer Stelle 22 aus dem Rohr 2 austritt und hernach zu einer den Verdichter 1 antreibenden Turbine 23 führt.

Nach teilweiser Entspannung in dieser Turbine wird das Arbeitsmittel über eine Leitung 24 einer nachgeschalteten, Nutzleistung abgebenden Turbine 25 zugeleitet. Bei dem gezeigten Beispiel besteht der Nutzleistungsempfänger aus einem Schiffspropeller 26, an welchen die Leistung von der Turbine 25 über ein Getriebe 27 abgegeben wird.

Nach Entspannung in der Turbine 25 wird das Arbeitsmittel über eine Leitung 28 und einen am druckfesten Gehäuse 7 vorgesehenen Stutzen 29 in einen oberhalb der Rohrplatte 10 freigelassenen Ringraum 30 eingeführt. Von diesem Raum aus durchströmt es das Innere der Rohre 8 des Wärmeaustauschers 6 und tritt hernach in einen unterhalb der Rohrplatte 9 durch eine Ringflächenschale 31 abgeschlossenen Raum 32. Es durchströmt hernach die Rohre eines Kühlers 33 und gelangt über eine Leitung 34 wieder in den Verdichter 1, wobei der Kreislauf von neuem beginnt. Stutzen 35., 36 dienen für die Zu- bzw. Ableitung der Kühlflüssigkeit.

Bei der gezeigten Anordnung ist der dem Eintritt des Verdichters vorgeschaltete Kühler 33 unmittelbar ringförmig um den Wärmeaustauscher 6 angeordnet, und zwar so, daß die Kühlflüssigkeit in unmittelbarer Berührung mit dem Mantel des druckfesten Gehäuses 7 steht, in welchem der Wärmeaustauscher 6 und der Reaktorkern 3, 4, 5 eingebaut sind.

Eine Betonschicht 37, welche den Reaktorkern mit Wärmeaustauscher und Kühler rings umschließt, dient ferner zur Abschirmung der noch durch die erwähnten Apparate hindurchgehenden Strahlung nach außen. Der Vollständigkeit halber seien noch Regulierstäbe 38, von denen in der Zeichnung nur einer dargestellt ist, erwähnt, welche durch nicht gezeigte Mittel mehr oder weniger tief in den Reaktorkern eingeführt werden können.

Die beschriebene Anordnung, bei welcher außer dem Wärmeaustauscher 6 sich auch noch der Kühler 33 innerhalb der Betonabschirmung befindet, ergibt eine beträchtliche Vereinfachung in der Rohrleitungsführung, indem nun sowohl der als Arbeitsmittelerhitzer dienende Reaktorkern als auch der Wärmeaustauscher und der Kühler am gleichen Orte koaxial ineinander angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmekraftanlage mit Kreislauf eines gasförmigen Arbeitsmittels, welches in einem Verdichter aiuf erhöhten Dnuck gebracht, in einem Kernreaktor erhitzt und darauf in einer Turbine entspannt wird, und bei welcher das die Turbine verlassende Arbeitsmittel in einem Wärmeaustauscher Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel vor seiner Erhitzung im Kernreaktor abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (6) einen den Reaktorkern (3,, 4, 5) unmittelbar umschließenden, das wärmeaufnehmende verdichtete Arbeitsmittel führenden Ringraum aufweist und dieser Ringraum von außen durch einen Teil eines den Wärmeaustauscher und den Reaktorkern enthaltenden druckfesten Gehäuses (7) begrenzt ist.

2. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern (3., 4, 5) in an sich bekannter Weise zylindrische Gestalt hat und der Ringraum koaxial dazu angeordnet und in der Hauptsache in Achsrichtung vom verdich-

teten Arbeitsmittel durchflossen ist, und daß das dnuckfeste Gehäuse (7) einen den Ringraum von außen begrenzenden zylindrischen Mantel aufweist.

3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite des Arbeitsmittelaustritts am Reaktorkern ein Doppelrohr (2, 21) koaxial zu diesem angeordnet ist, wobei das innere Rohr (21) das erhitzte verdichtete Arbeitsmittel aufnimmt und der Zwischenraum zwischen den Rohren (2, 21) mit dem Ringraum des Wärmeaustauschers (6) in Verbindung steht und diesem das noch nicht erhitzte verdichtete Arbeitsmittel zuleitet.

, 4. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Verdichter vorgeschalteter Kühler (33) für das entspannte Arbeitsmittel unmittelbar ringförmig um den Wärmeaustauscher (6) angeordnet ist.

5. Wärmekraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (33) außerhalb des druckfesten Gehäuses (7) angeordnet ist und der die Kühlflüssigkeit führende Raum des Kühlers teilweise unmittelbar vom druckfesten Gehäuse (7) begrenzt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Engineering«, Bd. 182, 1956, S. 725 und 726.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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