Optimierung von Kernenergiekraftwerken

117 Pages·1960·3.506 MB·German

by  P. H. Margen (auth.)

KERNTECHNIK IN EINZELDARSTELLUNGEN
Diese neue Schriftenreihe zur Kerntechnik ist fiir Studenten an Universitateu,
Technischen Hochschulen und Ingenieur-Schulen bestimmt. Gleichzeitig wendet
sie sich an Mitarbeiter bei Forschungsaufgaben und an qualifizierte Techniker,
die ein tieferes Verstandnis derjenigen Gebiete der Kerntechnik benotigen, die
auBerhalb ihres eigenen Fachgebietes liegen.
Fiir diesen Leserkreis sind die derzeit zur Verfiigung stehenden umfangreichen
Werke im ganzen vielfach zu ausfiihrlich und nicht zuletzt recht kostspielig. Dem
Bediirfnis nach einer weitgefaBten Darstellung hofft der Verlag mit der Herausgabe
dieser preiswerten Reihe von Einzeldarstellungen nachzukommen; sie erfolgt in
Zusammenarbeit mit TEMPLE PRESS LTD. und basiert auf der dort erschei
nenden Schriftenreihe ,Nuclear Engineering Monographs".
Das Thema erstreckt sich von den elementaren Grundlagen his hin zur Behandlung
schwierigerer theoretischer Fragen, wobei auch die neuesten Ergebnisse beriick
sichtigt werden sollen.
Friihjahr 1962 Der Verlag
Die Schriftenreihe
KERNTECHNIK IN EINZELDARSTELLUNGEN
-NUCLEAR ENGINEERING MONOGRAPHS-
umfaBt vorerst folgende Bande:
I
W. K. Mansfield
ELEMENTARE KERNPHYSIK
II
J. J. Syrett
REAKTORTHEORIE
III
W. B. Hall
WARMEOBERTRAGUNGBEIREAKTOREN
IV
J. R. Harrison
REAKTORABSCHIRMUNG
v
J. H. Bowen und E. F. 0. Masters
STEUERUNG UND INSTRUMENTIERUNG
VON REAKTOREN
VI
W. R. Wootton
DAMPFKREISLAUFE FOR KERNKRAFTWERKE
VII
B. R. T. Frost und M. B. Waldron
REAKTORWERKSTOFFE
VIII
P.H. Margen
OPTIMIERUNG VON KERNENERGIEKRAFTWERKEN
IX
R. G. Palmer und A. Platt
REAKTOREN MIT SCHNELLEN NEUTRONEN
P. H. Margen
OPTIMIERUNG
VON KERNENERGIEKRAFTWERKEN
Mit 31 Abbildungen
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1962
Autorisierte Ubersetzung: Dipl.-Ing. H.-G. BACHMANN
ISBN 978-3-663-00890-3 ISBN 978-3-663-02803-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02803-1
"NUCLEAR ENGINEERING" MONOGRAPHS
Nuclear Reactor Optimization
© by Springer Fachmedien Wiesbaden 1960
Ursprünglich erschienen bei TEMPLE PRESS LTD. 1960
Alle Rechte an der deutschen Ausgabe bei
Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig
Vorwort
Die Wirtschaftlichkeit von Kernenergiekraftanlagen wird verbessert
durch die Entwicklung fortschrittlicherer Reaktorsysteme, durch die
Entwicklung besserer W erkstoffe, die die Ausnutzungsmoglichkeiten
vorhandener Reaktorsysteme verbessern, und nicht zuletzt dadurch, daB
man- bei gegebenem Reaktorsystem und gegebenen Werkstoffen- die
beste Kombination der - fUr jedes System vorhandenen - unabhangigen
EntwurfsgroBen auswahlt. Mit dieser letzten Aufgabe beschaftigt sich
die vorliegende Schrift.
Die meisten Reaktortypen haben zehn oder mehr unabhangige Verander
liche - Abmessungen, Kiihl- und Arbeitsmittelgeschwindigkeiten, Tem
peraturen usw. -,die willkiirlich in sehr weiten Grenzen variiert werden
konnen, und dabei immer noch einen Reaktor und eine zugehorige Kraft
anlage ergeben, die durchaus betriebsfahig ist. Aber nur eine Kombination
dieser Entwurfsveranderlichen ergibt die Anlage mit den kleinsten Strom
erzeugungskosten.
Wollte man diese Kombination ermitteln, indem man fUr jede der zehn
unabhangigen Veranderlichen etwa vier W erte vorgibt und dann alle
Kombinationen durchrechnet, so waren 410 R::i 106 Entwiirfe auszufiihren
und in bezug auf ihre Kosten zu vergleichen - eine praktisch undurch
fiihrbare Aufgabe, selbst bei Zuhilfenahme von Rechenautomaten. Man
muB also geeignetere Berechnungsmethoden zur Erreichung dieses Zieles
anwenden. Die in dieser Schrift beschriebenen Methoden gestatten es
einem einzelnen Konstrukteur - mit Unterstiitzung durch einen Phy
siker - eine Optimierung der Hauptveranderlichen einer Kernenergie
kraftanlage in einer verhaltnismaBig kurzen Zeit durchzufiihren, auch
ohne Hilfe von Rechenautomaten.
Die angegebenen Optimierungsverfahren sind allgemein auf alle Typen
heterogener thermischer Reaktoren anwendbar; die Mehrzahl der Abbil
dungen und das gebrachte Entwurfsbeispiel beziehen sich dagegen auf
einen speziellen Typ, eine 250-MW-Kernenergiekraftanlage mit einem
schwerwassermoderierten, gasgekiihlten Hochtemperaturreaktor.
Bucher, die die Wirtschaftlichkeit von Kernenergiekraftanlagen behan
deln, bediirfen zur Zeit noch einer gewissen Rechtfertigung. Nach dem
gegenwartigen Stand der Reaktorwissenschaft konnen namlich Kosten
vorausberechnungen fiir neue Reaktortypen mit einem Fehler von 50%
oder mehr behaftet sein. Unter diesen Umstanden sind sehr genaue
v
Optimierungsrechnungen fiir neue Typen nicht zu rechtfertigen, zumal
dann die Gefahr besteht, daB eine zu umfassende Beschaftigung mit der
Optimierung Arbeitszeit und -kraft von der wichtigen Aufgabe der Ent
wicklung eines betriebssicheren und zuverlassigen neuen Reaktortyps
abzieht.
Bessere und verlaBlichere Kostendaten sind aber fiir bereits gebaute
und erprobte Typen verfiigbar; und bei Nachbauten dieser Typen
gewinnt die Optimierung dann groBere Bedeutung. Es kommt jetzt der
Zeitpunkt, zu dem der wirtschaftliche W ettbewerb zwischen verschie
denen Firmen und selbst zwischen verschiedenen N ationen beginnt, und
in diesem Wettbewerb kann eine gute Optimierung entscheidend
werden.
Der Verfasser ist verschiedenen seiner Kollegen, insbesondere Herrn
B. Pershagen und Herrn G. Belaiev fiir anregende Diskussionen zu Dank
verpflichtet.
Stockholm, im J anuar 1960
P.H. Margen
VI
Inhaltsverzeichnis
Seite
I. Optlmlerung elnes elnlaehen Anlageteiles 1
TI. Kernenerglekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . 4
Die Kosten der Energieerzeugung . .. . . .. . .. . .. . . .. . . .. . . . . . . .. . .. . . 4
Das Reaktorcore und der Reflektor . . . . .. . .. . . . . . .. . .. . . . . . . .. . . .. . . 7
Der kemphysikalische Entwurf . . . . .. . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . .. 9
Formeln zur Berechnung der Reaktivitatsanderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Der thermodynamische Entwurf . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 17
Til. Relhenlolge der Entwurfs- und Optimierungsbereehnung . . . . . . . . . . . . . . . 26
Der als Entwurfsbeispiel ausgewahlte Reaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Die Anzahl der unabhiingigen Veranderlichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Vorgehen beim Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Einige praktisch gegebene Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
IV. Optimlerung des kernphysikalisehen Entwurls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Optimierung bei Natururan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Optimierung bei angereichertem Uran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
V. Optlmlerung des Wiirmeiibertragungsentwurfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
WiirQleiibertragung und Reibungsverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
.Anwendung auf Warmeiibertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
.Anwendung auf den Reaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Brennstoffelementumhiillungen, die eine Verwirbelung begiinstigen 61
VI. Optlmierung des thermodynamlsehen Entwurfs ..... •. . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Die Mitteltemperatur der Warmeaufnahme durch das Arbeitsmittel . . . . . 66
Die mittlere Kiihlmitteltemperatur und der Temperaturanstieg des
Kiihlmittels . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . • . . . . . . . 69
AbschlleBende Bemerkungen 70
VII
Seite
Anhang 1
Einige Formeln und Zahlenwerte zur Kostenermittlung 72
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Allgemeines 72
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Kapitalkosten 75
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Brennstoffverbrauchskosten 76
Anhang 2
Entwurfsbeispiel 79
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Rechengang 79
Anhang 3
Tabellierte Optimierungsberechnungen 89
Schrifttum 100
o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o
Bezeichnungen 101
o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o
Sachverzeichnis (deutsch-englisch) 104
o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o
VIII
I. Optimierung eines einfachen Anlageteiles
Bevor wir die M.ethode der Optimierung auf eine so verwickelte Anlage
wie eine Kernenergiekraftanlage anwenden, wollen wir versuchen, einen
ganz einfachen Typ einer Anlage, namlich eine Kupferleitung fiir elek
trische Strome zu optimieren.
Lord Kelvin, der als erster dieses Problem untersuchte, nahm an, daB
a
der Kapitalaufwand fiir die Kupferleitung je Langeneinheit ihrem
Gewicht und damit ihrem Querschnitt A proportional sei und also aus
gedriickt werden kann durch
Dieser Kapitalaufwand verursacht jahrliche Zahlungen fiir Zinsen und
Abschreibungen (d. h. ,Kapitaldienste") wahrend der Lebensdauer der
Leitung in der GroBe von
acap • a = acap • k1 ·A,
wobei acap die jahrliche Rate fiir Zinsen und Abschreibungen ist, die
entsprechenden Tabellen - wie Tabelle 2 im Anhang 3 - entnommen
werden kann.
Der Energieverlust in der Leitung ist umgekehrt proportional ihrem
Querschnitt A. Die jahrlichen Kosten dieses Verlustes lassen sich aus
driicken durch
+
(k2 k3 • U) · k4
A
wobei der Ausdruck in der Klammer die jahrlichen Kosten je kW
Energieverlust darstellt, wie sie sich aus einem zweiseitigen Strom
lieferungsvertrag ergeben. U ist dabei die Betriebszeit des Kabels je
Jahr. Die gesamten jahrlichen Kosten sind damit
+
k A + (k2 k3 U) k4
acap • 1 • A . (l)
In Abb. l sind die Kosten fiir Kapitaldienst, die Kosten der Verluste
und die Gesamtkosten iiber dem Leitungsquerschnitt A aufgetragen,
und zwar fiir bestimmte Werte der Konstanten, die unter Abb. 1 an
gegeben sind und durch die Kurven 1, 2 und 3 dargestellt werden. Man
sieht, daB die Gesamtkosten ein Minimum haben, und zwar an der Stelle,
an der die Kosten fiir Kapitaldienst und die Kosten der Verluste gleich
1 Margen, Optimierung 1