DE1589999A1

DE1589999A1 - Verfahren und Anlage zum Nutzen von Kernenergie

Info

Publication number: DE1589999A1
Application number: DE19671589999
Authority: DE
Inventors: Wolff Dr Gerhard; Nuernberg Dr Hans Wolfgang
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1967-02-17
Filing date: 1967-02-17
Publication date: 1970-05-14
Also published as: GB1225014A; US3535082A; DE1589999B2

Description

Kernforschungsanlage Jülich des Landes Nordrhein-Westfalen—e.l

Verfahren und Anlage zum Nutzen von Kernenergie _.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zum Ausnutzen der von einem Kernreaktor erzeugten Energie.

Die technische Nutzung der in einem Kernreaktor erzeugten Energie erfolgte bisher im allgemeinen durch Kraftwerke. Dabei wird bei einer häufig für Kernkraftwerke verwendete Ausführungsform

des Kernbrennstoffs

die bei der Spaltung/freiwerdende und größtenteils in Wärme umgesetzte Energie mit Hilfe eines durch ein Rohrsystem strömenden Kühlmittels zu einem Wärmeaustauscher abgeführt. Der Wärmeaustauscher überträgt sodann die Wärme von dem Kühlmittel auf das sogenannte Arbeitsmittel - im allgemeinen Dampf - der in einer Turbine zur Umsetzung in elektrische Energie Arbeit leistet. Diese Umwandlung sid.lt jedoch keineswegs die wirtschaftlichste Nutzung der .Kernenergie dar. Man ist daher bestrebt, die Wirtschaftlichkeit der Ausnutzbarkeit von Kernreaktoren zu erhöhen. Bei den bisher

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hierzu beschrittenen Wegen wurde im allgemeine·! darauf abgestellt, den V/irkungsgrad von Kernkraftwerken zu erhöhen. Nachteilig bleibt hierbei jedoch, daß die Kernenergie zunächst in elektrische Energie umgesetzt wird und daß erst diese Energie dem eigentlichen Verwendungszweck zugeführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die von einem Kernreaktor erzeugte Energie ohne Zwischenschaltung einer komplizierten Einrichtung zur Umwandlung dieser Energie dem Verbraucher in der Weise zuzuführen, in der sie auch benötigt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die im Kern eines Reaktors erzeugte Energie in an sich bekannter Weise auf ein/Rohrleitungssystem durchströmendes Kühlmittel übertragen und von diesem zur Durchführung chemischer Uasffetzungen unter Aufheizen des Reaktftmbehälters oder der Eeaktietbehälter , in denen die chemische Umsetzung stattfindet, auf die erforderliche Reaktioneteraperatur und unter Abgabe der erforderlichen BiIdungswärme zugeführt wfcd. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in sehr vorteilhafter Weise anwendbar bei der Erzeugung von Wasserstoff, Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß bei Zuführung der erforderlichen Bildungswärae oberhalb einer von des verwendeten Metalloxid abhängigen Temperatur, das Gleichgewicht der Reaktion

(I) 2 CO + 2 H₂O + 2 MeO « T 2 MeCO₃ + 2 H₃

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nach rechts verschoben wird. Das gebildete Metallcarbonat zerfällt dabei oberhalb einer von seiner Zusammensetzung abhängigen Temperatur, wenn die erforderliche Wärmemenge zugeführt wird nach der Gleichung

(II) 2 MeCQ, 2 MeO + 2 CO_n.

Schließlich wird bei einer Temperatur von 900 ⁰G bis 1.000 ⁰C aus Kohlendioxid in Gegenwart von Kohlenstoff nach der Gleichung

Kohlenoxid gebildet.

Ton dieser Erkenntnis ausgehend wird gemäß der Erfindung die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärme einem Reaktionsbehälter zugeführt, in dem ein geeignetes Metalloxid beispielsweise Calciumoxid oder Magnesiumoxid, vorzugsweise in der Form von Granulat, enthalten ist und das von einen Gemisch aus Wasserdampf un/d Kohlenoxid durchströmt wird. Erfindungsgemäß wird der Reaktionsbehälter auf die Temperatur aufgeheizt, bei der unter Bildung von Metallcarbonat Wasserstoff freigesetzt wird. Im Anschluß daran VLrd nach dem neuen Verfahren das Metallcaibonat unter Zuführung der erfor-

Zersetzungs λ·

derlichen Btltogawarme in Kohlenoxid und Metalloxid zerlegt, worauf ein Teil des gebildeten Kohlendioxids durch eine Zone des Reaktionsbehälters oder durch weitere Reaktionsbehälter,

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die Kohlenstoff - beispielsweise in Form von Brechkoks mittlerer Korngröße, d.h. einer Korngröße von etwa 30 bis 500 mm. oder auch in Form von geeigneten Kohlenstoff-Verbindungen enthalten, hindurchgeleitet wird. Dabei werden der oder die Reaktionsbehälter von dem Kühlmittel auf die für die Bildung von Kohlenoxid erforderliche Temperatur aufgeheizt.

Stellt man unter Berücksichtigung des StoffVerbrauchs die Energiebilanz für den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Wasserstoff auf, so ergibt sich, daß unter Verbrauch von einem Mol Kohlenstoff zwei Mole Wasserstoff erzeugt werden. Dies entspricht einem Energiegewinn von 37 %, weil für je 1000 kcal Verbrennungswärme des eingesetzten Kohlenstoffs annähernd eine solche Menge an Wasserstoffgas erzeugt wird, die einem Wärmeäquivalent von 1370 kcal entspricht. Bei Anwendung des neuen Verfahrens wird also die vom Reaktor gelieferte Energie unmittelbar in die Bildungswärme des entstehenden Wasserstoffs überführt. Die von dem Kernreaktor erzeugte Energie wird unter Zwischenschaltung des Kühlmittels in chemische Energie umgewandelt. Der große Vorzug des erfindungsgemäßen feräirens besteht somit darin, daß die vergleichsweise billige Wärmeenergie des Kernreaktors in chemische Energie umgewandelt wird. Als besonders geeignete Metalloxide haben sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Calciumoxid und Magnesiumoxid, vorzugsweise in Form von Granulat, erwiesen.

Zur Erläuterung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele angeführt.

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1. Ausführungsbeispiel

Als Metalloxid wurde Calciumoxid in Form von Granulat in einen Reaktionsbehälter eingefüllt. Der Reaktionsbehäter wurde durch einen mit dem Kernreaktor verbundenen geschlossenen Kreislauf auf eine Temperatur aufgeheizt, die zwischen 4OC ⁰C und 3G0°C lag. Durch den Reaktionsbehälter wurde ein Gemisch von Kohlenoxid und Wasserdampf geleitet. Der Wasserdampf wurde in einem an sich bekannten Verdampfer, der mit der von dem Kühlmittel gelieferten Wärme aufgeheizt wurde, erzeugt. Es ergab sich bei der ablaufenden chemischen Reaktion nahezu die theoretisch zu erwartende Ausbeute an Wasserstoff. Das bei dem Reaktionsablauf gebildete Calciumcarbonat wurde anschließend unter Aufheizen des Reaktionsbehälters auf eine Temperatur zwischen 900°C und 1000⁰C in Calciumoxid und Kohlendioxid zersetzt, wobei die erforderliche Warane von dem Kernreaktor geliefert wurde. Ee wrwies sich dabei als vorteilhaft, unter entsprechender Temp er a turpr ©granulierung die Erzeugung von Wasserstoff und die Zersetzung von Calciumcarbonat in awe! Reaktlonsbehäl terns ist Wechselbetrieb durchzuführen. Dies hatte den Torteil, daß die Waeeerstofferzeugung ohne Unterbrechung erfolgen konnte* , Das für den Ablauf der Reaktion benötigte Kohlenmonoxid wurde in eine« »it Brechkoke einer Korngröße, die zwischen 30 und 500 io lag, zugestellten

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des Reaktionsbehälter, dadurch erzeugt, daß ein«Teil / bei den vorhergehenden Reaktionen gebildeten Kohlendioxidsdurch den Koks hindurchgeleitet wurde, wobei der Reaktionsbehälter auf eine zwischen 900°C und 1000°C liegende Temperatur aufgeheizt wurde. Die erforderliche Wärmemenge wurde gleichfalls von dem den Reaktorkern durchströmenden Kühlmittel geliefert. Babel lief die Reaktion bis zu mehr als 95 % des eingeleiteten COο in Richtung auf die angestrebte CO-BiIdung ab.

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2. Ausführungsbeispiel

Anstelle von Calciumoxid wurde als Metalloxid Magnesiumoxid verwendet. Hierbei war es ausreichend, das gebildete liftgnesiumcarbonat auf eine Temperatur zwischen 700⁰C und 8G©°C aufzuheizen, um eine praktisch voSständlge Zersetzung zu erreichen. Im übrigen waren die Betriebsbedingungen die gleichen wie in dem vorhergehenden Äusführungsbeispiel.

Sine Anlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Terfahren« zur Erzeugung von Wasserstoff , insbesondere unter Terwendung von Calciumoxid als Metalloxid, besonders geeignet ist, ist in der Zeichnung schmematisch dargestellt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die von

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dem Reaktor 1 gelieferte Wärme mittels des Rohrleitungssystems Io dem Reaktionsbehälter 2 zur Erzeugung von Wasserstoff, dem Reaktionsbehälter 3 zur Zersetzung von Calciuracarbohat und dem

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Reaktionsbehälter 4 zur Erzeugung von Kohlenoxid zugeführt. Die benötigte - unterschiedliche Wärmemenge und die erforderlichen Temperaturen sind über-an sich bekannte- in der Zeichnung nicht dargestellte - Drosselorgane oder sonstige geeignete Einrichtungen einregelbar. In den Kühlmittelkreislauf ist außerdem ein Verdampfer 5 zur Erzeugung von Wasserdampf eingeschaltet. Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, ist der Verdampfer 5 über ein Rohrstück 6 mit den unteren Teil des Reaktionsbehälters 2 verbunden. Ia unteren Teil des Behälters 2 entdet außerdem die Rohrleitung 7 zur Zuführung von Kohlenoxid. Das in de» Behälter 2 gebildete Wasserstoffgas wird durch die la oberen Teil des Behälters 2 angeordente Rohrleitung 8 abgezogen. Der Behälter 2 steht erfindungsgeaäß über die Rohrleitung 7 in Verbindung «it dem Behälter 4. Da - vie aus der Zeichnung hervorgeht - der zur Zerlegung des gebildeten Calciumcarbonate vorgesehene Behälter 3 über die Rohrleitung 9 alt atm Behälter 4 verbunden ist, ist es ohne weiteres möglich, das bei der Zersetzung des Calciumcarbonate gebildete CO₀ nach Reduktion in den Behälter 4 zu Ot im Kreislauf in den zur Erzeugung des Wasserstoffs bestimmten Behälter zuzuleiten. Zur Ableitung des bei der Zersetzung con Calciuacarbonat gebildeten COg- Überschusses 1st im oberen Teil des Behälters 3 eine Rohrleitung 11 angeordaet. Um das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff nach Möglichkeit ohne Unterbrechung durchzuführen, sind die Reaktionsbehälter 2 und 3 miteinander

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über die Rohrleitungen 12 und 13 und mit dem Terdampfer 5 so verbunden, daß in ihnen wechselweise entweder Wasserstoff erzeugt oder Calciumcarbonat zersetzt werden kann.

Statt die Erzeugung des Wasserstoffs, die Zerlegung des Metallcarbonate und die Bildung von Kohlenoxid aus Kohlenstoff und Kohlen·*· dioxid in verschiedenen Reaktionsbehältern vorzunehmen, ist ee selbstverständlich Möglich, die Reaktionen in eine« geeigneten an sich,be kannten Reaktionsbehälter.durchzuführen, der zonen- und/oder zeitweise unterschiedlich be» heizt wird. .

Die Terwendung der neuen Anlage zur Durchführung dee erfindungsgeaäßen Verfahrene hat den großen Torzug, daß die Wasserstoffherstellung kontinuierlich erfolgt, wobei der Wasserstoff auf wirtschaftliche Weise in ausreichender.*. Menge als Hauptprodukt anfällt.

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Claims

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Pa t e η, t a η s ρ r ü ehe

Verfahren zum Ausnutzen der τοη einen Reaktor erzeugten Kernenergie dadurch gekennzeichnet; daß die im Reaktoi kern erzeugte Energie in an sich bekannter Weise auf ein'Kühlmittel übertragen und von diesem zum Aufheizen des Reaktionspartners oder der Reaktionspartner einer 'chemischen umsetzung sowie zur Abgabe der erforderlichen BiIdungswärrae de» oder den die Reaktiönspartner enthaltenen Behältern zugeführt
2. Verfahren nach Ansprach 1 dadurch g β k β a η % e i c h η e t, dafl zua Erzeugen von Wasserstoff ein »it einen Metalloxid geeigneter Korngröfle zugeetellter Reaktionsbehälter, der von einea Geaisch aus Wasseret ©if und Kohlenoxid durchströmt wird, auf die Temperatur aufgeheizt wird, bei der unter Bildung von Metallcarbonat Wasserdampf freigesetzt wird, daß ia Anschluß daran, das Metallcarbonat unter Aufheizen auf die erforderliche· Reaktionstemperatur sowie unter Zuführung der' benötigten1lrme in Kohlemdioxid und Metalloxid zerlegt wird, worauf ein Teil des gebildeten Kohlendioxide durch eine auf die zur Bildung von Kohlenmonoxid erforderliche Temperatur aufgeheizte Schicht von Kohlenetoff

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in Form von Brechkoks mittlerer Korngröße oder auch an sich bekannter geeigneter.Kohlenwasserstoffverbindungen hindurchgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch.-* gekennzeichnet, daß als Metalloxid Calciumoxid geeigneter Korngröße verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Metalloxid Magnesiumoxid verwendet wird.
5. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet durch einen von eines Reaktor

(1) in an sich bekannter Weise mittels eines Kühlmittels beheizten Reaktionsbehälter (2) zur Aufnahmt des Metalloxid·, wobei de? untere Teil des Reaktionsbehälter« (2) Über eiae Rohrleitusg (·) mit einem gleichfalls durch das Kühlmittel beheizbaren Verdampfer (5) rertnmdea 1st taftd eine Zuführung (7} für das Kohlenoxid aufweist, während im oberen Teil des Reaktionsbehälters (2) ein Anschlußstück (8) für d«a Wasserstoff vorgesehen ist, «obei zur Zersetzung des Metallcarbonate und zur Bildung von Kohlenoxid aus Kohlendioxid und Kohle s zwei weitere beheizbare, über eine Rohrleitungen (9,) so miteinander in Verbindung stehende Reaktionsbehälter (3,4)

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vorgesehen sind, dr " ur Herstellung von Wasserstoff und ^-Setzung von Metall· carbonat bestimmten Behälter (2,3) in ihrem Verwendungszweck wechselweise gegeneinander austauschbar sind.

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