DE1589077A1 - Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie in mechanische Energie und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

DR.-ING; RICHARD GLAWE -DlPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL

MÜNCHEN HAMBURG MÜNCHEN

flOÜO Manchen 22 . Liebherrstraßo20 ■ Tel, (0811) 22 05 2000 Hamburg 52 · Walzstraße 12 ■ Tel. (0411) 09 22

L .;	IHRE NACHRICHT VOM	j	MÜNCHEN
IHR ZEICHEN	P. 15 89 077.4	UNSER ZEICHEN
BETRlFfT1	Wikdahl

Nils Anders Lennart Wikdahl

BrEvallS-vägen Djursholm / Schweden

Verfahren zur Umwandlung von Kernenergie

in mechanische Energie und Vorrichtung

zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung'von in einem dampf- oder gasgefüllten Kernreaktor entwickelter Kernenergie 'in--mechanische'Energie, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung den Verfahrens,

Nach üblichen Methoden wird im Reaktor einer Atomkraftanlage thermische Energie gewonnen, die mittels eines Mediums durch Rohrleitungen au außerhalb des Reaktors befindlichen -Vöri'lchrangen transportiert wird, in denen sie in

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POSISCHECK: HAMBURG 1476 07 . BANK₁ COöiMfcgiäAHK, »AM'iUfiG, 53/ΪΪ904 · TELEGK.i SPECHHiB HAMBURG bzw. SPECHT/IES MÖNCHEN

mechanische Energie umgewandelt wird, die danach gewöhnlich in elektrische Energie überführt wird,

Im Unterschied hiervon geschieht bei dem Verfahren gemäß der Erfindung auch die Gewinnung mechanischer Energie direkt im Reaktor selbst dadurch, daß ein dampf- oder gasförmiges Medium im Reaktor durch mindestens teilweise vom Kernbrennstoff umgebene Räume geleitet wird, gegen deren mindestens teilweise bewegbar ausgebildete Wände das Medium unter Wirkung der durch Kernreaktion freigesetzten Energie Expansionsarbeit leistet,

Vorzugsweise ist das gas- oder dampfförmige Medium das zum Betrieb des Reaktors erforderliche Moderator- und/oder Kühlmedium.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Medium durch in rotierbaren Teilen des Reaktors ausgebildete Kanäle od.-dgl, zum Strömen gebracht und bewirkt unter der Wirkung der ihm in diesen und/oder in ortsfesten Kanälen od.dgl. zugeführten, aus der Kernreaktion gewonnenen Energie die Rotation der rotierbaren Teile des Reaktors.

Dem für die Energie-Überführung verwandten Medium wird auf diese Weise eine geordnete Strömung durch hierfür angepaßte Kanäle erteilt, "In. welchen Kanälen die Strömungsverluste sehr niedrig gehalten werden können, und gleichzeitig wie eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und dadurch eine

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gute 'Energietransmission aufrechterhalten werden kann. Außerdem wird durch die Energieumwandlung gemäß der Erfindung ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche in Fig. 1 und 2 schematisch zwei verschiedene Vorrichtungen zur Umwandlung von Kernenergie in mechanische Energie und in Fig» 3 und 4, ebenfalls sohematisch die Längs- und Querschnitte eines Reaktors gemäß der Erfindung, zeigen. .

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen dampf- oder gasgefüllten Kernreaktor, welcher aus einer Dampf- oder Gasturbine besteht oder eine derartige Turbine umfaßt, welche mittels einer Welle 2. mechanisch an "einen Kompressor 3 gekuppelt ist, welcher seinerseits mittels einer Welle 4 mechanisch an einen elektrischen Generator 5 gekuppelt ist. Die Turbine 1 und der Kompressor 3* welcher für die Kompression in einer oder mehreren Stufen und mit eventueller Zwischenkühlung ausgebildet sein kann, bilden zusammen mit den Leitungen 6 und J einen geschlossenen Kreislauf für das den Betrieb des Reaktors benötigte Dampf- oder Gasmedium, das in einem Wärmeaustauscher 8 von an sich bekannter Art vor dem Eintritt in den Kompressor 3 auf passende Temperatur abgekühlt wird. In der Turbine 1 sind wenigstens ein Teil, der die Dampfoder Gaskanäle bildenden Elemente, d.h. vorzugsweise Rotor-

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oder Leitschaufelelemente, ganz oder teilweise aus Reaktorbrennstoff aufgebaut, wodurch, wenn der Reaktor in Betrieb ist, durch Kernreaktion freigesetzte Energie dem Dampf oder Gas zugeführt wird, wobei eine mehr oder weniger vollständige direkte Umwandlung der Kernenergie in mechanische Energie erzielt wird. Die Energieumwandlung geschieht·je nach den Umständen, wie erwähnt, mehr oder weniger vollständig. Es kann deshalb notwendig sein, in einem Wärmeaustauscher 8 mit zweckmäßiger-weise regulierbarer Kapazität eine größere oder kleinere Menge thermischer Energie aus dem System abzuleiten. Die von diesen Wärmeaustauscher erzielte thermische Energie kann dabei z.B. für Beheizungszwecke, eventuell im Zusammenhang mit einer Destillation, oder für Kraftleistung verwendet werden.

Die aus der Turbine 1 entnommene mechanische Energie wird über die Wellen 2 und 4 für den Betrieb teils des Kompressors 3 und teils des elektrischen Generators 5 benutzt.

Zur Regulierung der Kapazität des Reaktors sowie um denselben beim Starten kritisch zu machen, muß wenigstens ein Teil der Brennstoffelemente leicht in ihre LaHgen einführbar und aus denselben entfernbar sein. Dies gilt in erster Linie für solche Brennstoffelemente, die während des Betriebes nicht rotieren sollen, kann aber eventuell auch für die rotierbar angeordneten Brennstoffelemente wünschenswert oder notwendig sein. Es sollte in diesem Zusammenhang erwähnt werden, daß der Reaktor außer den in die Turbine eingehenden

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Brennstoffelementen eventuell auch eine größere oder kleinere Anzahl von in gebräuchlicher Weise angeordneten Brennstoffelementen enthalten kann.

Um die Leistung des Reaktors leichter regulieren, bzw. ihn kritisch machen zu können, kann man eine Radialturbine vom Doppel-Rotationstyp- verwenden, welche im Prinzip von konventioneller Ausführung ist, wobei jedoch beide Rotorhälften gegeneinander axial verschiebbar sind. In Fig. 2, die schematisch eine derartige Anordnung zeigt, bezeichnet 11 den Reaktor, welcher als Radialturbine ausgeführt ist. Jede der Turbinenhälften ist mittels einer Welle 12 mit einem Kompressor 13 mechanisch verbunden, der seinerseits mittels einer Welle 14 mit einem elektrischen Generator 15 mechanisch gekuppelt ist. Die Turbine 11 und die Kompresso-, ren Ij5 bilden durch, die Leitungen 16 und 17 zwei parallelgeschaltete Kreisläufe für das während des Betriebes des Reaktors zirkulierende dampf- oder gasförmige Medium. Diese Kreisläufe enthalten zweckmäßigerweise auch einen Wärmeaustauscher 18. In einer Radialturbine erwähnter Art können sowohl die Schaufeln als auch die diese tragenden Kreis- und Scheibenelemente ganz oder teilweise aus angereichertem Uran oder spaltbarem Reaktorbrennstoff bestehen. Alternativ kann eine innere, aus solchen Schaufeln und anderen Elementen bestehende Zone solchen Brennstoff enthalten,

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während entsprechende Teile In einer äußeren Zone sogenanntes brütbares Material, d.h. Uran 238 oder Thorium enthalten oder daraus bestehen können. Auf entsprechende Weise können in einer Axialturbine Rotor- und Leitschaufelelemente in einer in der Nähe der Einlaßseite der Turbine befindlichen Zone aus spaltbarem Reaktorbrennstoff aufgebaut sein oder solches enthalten, während entsprechende Teile einer in der Nähe der Auslaßseite befindlichen Zone aus brütbarem Material aufgebaut sind oder solches Material enthalten.

Das für den Betrieb des Reaktors benötigte Medium kann vorteilhafterweise aus schwerem Wasser in Dampf- oder Gasform bestehen. Dadurch wird der verhältnismäßig niedrige Neutroneinfang dieses Mediums ausgenützt und die vom Neutroneinfang herrührende Verschlechterung der Neutronenbilanz verringert.

Pig. 3 zeigt einen Längsschnitt nach der Linie IH-III von Fig. 4, welche ihrerseits einen Querschnitt nach der Linie IV -IV von Fig. 3 ist.' Gemäß diesen Figuren ist der Reaktor mit einer Radialturbine vom Doppel-Rotationstyp versehen, deren beide Rotorhälften 19, 2o von Wellen 21, 22 .agen sind, welche durch in der Reaktorhülle 23 angeordnete Dichtungen 24, 25 laufen und in Lagern 26, 17 gelagert sind, sowie für eine mechanische Kupplung, beispielsweise mit je einem in den Figuren 3 und 4 nicht gezeigten Kompressor und elek-

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trischen Generator, ausgebildet sind, wie es für die Vorrichtungen 12, 15, l4 und 15 der Fig. 2 angegeben ist. Jede der Rotorhälften ist mit einer Anzahl kranzförmig angeordneter Schaufeln 28, 29 versehen, welche derartig ineinandergreifen, daß die Schaufeln in einer der Rotorhälften 19, 2o Leitflächen für die andere Rotorhalfte ausmachen, und umgekehrt. Das Dampf- oder Gasmedium wird durch in den Wellen 21, 22 zentral angeordnete Zufuhrkanäle eingeleitet und strömt radial auswärts durch die von den-Schaufeln-28, 29 gebildeten Kanäle und wird durch eine im Umkreis der Hülle 23 befindlichen Auslaßöffnung J5o abgeleitet. Diese sind ebenso wie der Zufuhrkanal an die in den Fig. 3 und 4 nicht gezeigten geschlossenen Kreisläufe für das Dampf- oder Gasmedium angeschlossen, in welche, wie aus Fig. 2 hervorgeht, auch die Kompressoren 13 und der Wärmeaustauscher 18 eingekuppelt sind. Die eine Rotorhälfte 19 mit dazu gehörender Welle 21 ist mittels eines Rotors 31 und zwischen diesem und der Welle angeordneter, die Bewegungen übertragender Vorrichtungen 32 derart axial verschiebbar, daß die Schaufelkränze' 28, 29 der beiden Rotorhälften ganz oder teilweise aus ihrem gegenseitigen Eingriff heraus geführt werden können, wodurch eine Regulierung der aus dem Reaktor entnommenen Leistung erzielt wird. Die Schaufeln und eventuell auch die übrigen Teile der Rotorhälften und die Hülle 23 bestehen zum größeren oder kleineren Teil aus Reaktorbrennstoff, der in an sich bekannter Weise, geeigneter- .-'

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vreise schalenförmig, von einem für die mechanische Festigkeit eventuell erforderlichen Material, z.B. Titan, Beryllium od.dgl. umschlossen ist. Es ist offenbar, daß auch die Rotorhälfte 2o mit dazugehörender Welle 22 in für die Teile 19, 21 oben angegebener V/eise axial verschiebbar sein kann.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Umwandlung von in einem dampf- oder gasgefüllten Kernreaktor entwickelter Kernenergie in mechanische Energie, dadurch g e k e η η ze i c h η e t, daß ein dampf- oder gasförmiges Medium im Reaktor durch mindestens teilweise vom Kernbrennstoff umgebene Räume geleitet wird, gegen deren mindestens teilweise bewegbar ausgebildete Wände das Medium unter Wirkung der durch die Kernreaktion freigesetzten Energie Expansionsarbeit leistet.

   2. Verfahren nach Anspruch1, dadurch g e k e η η -

   ζ e i c h■■■" η e t, daß das dampf- oder gasförmige Medium das zum Betrieb des Reaktors erforderliche Moderator- und/oder Kühlmedium ist.

   y. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium durch in rotierbaren Teilen des Reaktors ausgebildete Kanäle od.dgl. zum Strömen gebracht wird und unter der Wirkung der ihm in diesen und/oder in ortsfesten Kanälen od.dgl. zugeführten, aus der Kernreaktion gewonnenen Energie die Rotation der rotierbaren Teile des Reaktors bewirkt. ■

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   4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf oder das Gas nach der Expansion komprimiert und in einem geschlossenen Kreislauf wieder in die Kanäle zurückgeführt wird.

   5· Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil der vom Dampf oder Gas an die Wände der Strömungsräume abgegebenen Bewegungsenergie für die Kompression des Dampfes oder Gases benutzt wird.

   6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf oder das Gas nach der Expansion zwecks Temperaturherabsetzung durch einen Wärmeaustauscher geführt wird.

   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb des Reaktors schweres Wasser in Dampf- oder'Gasform benutzt wird.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Patentansprüche 1 bis J, gekennzeichnet durch eine im Reaktor (1, 11) angeordnete Dampf- oder Gasturbine, vorzugsweise eine Radialturbine vom Doppel-Rotationstyp, wobei wenigstens ein Teil der die Dampf- oder Gaskanäle bildenden Turbinenelemente, insbesondere der Rotor- und Leitschaufelelemente, Reaktorbrennstoff enthalten oder daraus bestehen.

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   9· "Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge k e η η "ζ- eic h net, daß die Rotorhälften (19,2ο) ■■ der als Radialturbine ausgebildeten Turbine gegeneinander axial verschiebbar sind.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 8 ader 9j dadurch g e ■ kennzeichnet, daß nur ein Teil der die Dampfund Gaskanäle bildenden Turbinenelemente, vorzugsweise die näher der Einlaßseite der Turbine gelegenen Rotor- und Leitschaufelelemente, aus angereichertem Uran oder anderem spaltbarem Reaktorbrennstoff aufgebaut sind oder diesen enthalten.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge k e η η zeichnet, daß die der Einlaßseite näher gelegene Rotor- und Leitschaufelelemente aus brütbarem Material gebaut sind oder dieses enthalten.

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