Was ist der thermische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken – Definition

Wärmewirkungsgrad von Kernkraftwerken

Der Wärmewirkungsgrad der Umwandlung von Wärmeenergie in Arbeit wird in erster Linie durch die Differenz zwischen den Warm- und Kalttemperaturspeichern bestimmt. Der Wärmewirkungsgrad wird verbessert, wenn der Wärmeeintrag vom Dampf zur Dampfturbine so hoch wie möglich und die Wärmeabgabe im Kondensator so niedrig wie möglich ist. Die hohe Temperatur in einem Leichtwasserreaktor ist normalerweise durch Material- und Drucküberlegungen begrenzt, und die Sinktemperatur ist durch die Umgebung begrenzt.

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . In diesen Turbinen empfängt die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung; 6 MPa ; 275,6 ° C) von einem Dampferzeuger und leitet ihn an einen Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) weiter ). Der Dampf muss erneut erwärmt werden, um Schäden zu vermeiden, die durch minderwertigen Dampf an den Schaufeln der Dampfturbine entstehen können . Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und der Dampf wird dann zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der verbrauchte Dampf kondensiert dann im Kondensator und hat einen Druck, der weit unter dem Atmosphärendruck liegt (absoluter Druck von0,008 MPa ) und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise mit einer Qualität nahe 90%.

In diesem Fall bilden Dampferzeuger, Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen eine Wärmekraftmaschine, die den durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Effizienzbeschränkungen unterliegt . Im Idealfall (keine Reibung, reversible Prozesse, perfektes Design) hätte diese Wärmekraftmaschine einen Carnot-Wirkungsgrad von

η = 1 – T _kalt / T _heiß = 1 – 315/549 = 42,6%

Wenn die Temperatur des heißen Reservoirs 275,6 ° C (548,7 K) beträgt, beträgt die Temperatur des kalten Reservoirs 41,5 ° C (314,7 K). Aber das Kernkraftwerk ist die echte Wärmekraftmaschine , in der thermodynamische Prozesse irgendwie irreversibel sind. Sie sind nicht unendlich langsam gemacht. In realen Geräten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung und Wärmeverluste weitere Effizienzverluste.

Daher haben Kernkraftwerke in der Regel einen Wirkungsgrad von ca. 33%. In modernen Kernkraftwerken beträgt der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%), so dass 3000 MWth der thermischen Leistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe elektrische Leistung zu erzeugen .

Kesseldruck

Nach dem Prinzip höhere Wirkungsgrade der Carnot kann durch Erhöhung der erreicht werden Temperatur des Dampfes. Dies erfordert jedoch eine Erhöhung des Drucks in Kesseln oder Dampferzeugern. Metallurgische Überlegungen setzen solchen Drücken jedoch Obergrenzen. Um ein sieden des primären Kühlmittels zu verhindern und eine Unterkühlungsspanne (die Differenz zwischen der Druckhaltertemperatur und der höchsten Temperatur im Reaktorkern) bereitzustellen, sind Drücke um 16 MPa typisch für PWRs . Der Reaktordruckbehälter ist die Schlüsselkomponente, die den thermischen Wirkungsgrad jedes Kernkraftwerks begrenzt, da der Reaktordruckbehälter hohen Drücken standhalten muss.

Aus dieser Sicht werden überkritische Wasserreaktoren aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrads (~ 45% gegenüber ~ 33% für aktuelle LWR) als vielversprechende Fortschritte für Kernkraftwerke angesehen . SCWRs werden bei überkritischem Druck (dh über 22,1 MPa) betrieben.

Kondensatordruck

Der Fall der Abnahme der Durchschnittstemperatur, bei der Energie abgegeben wird, erfordert eine Abnahme des Drucks im Kondensator (dh die Abnahme der Sättigungstemperatur ). Der niedrigste realisierbare Kondensatordruck ist der Sättigungsdruck, der der Umgebungstemperatur entspricht (dh ein absoluter Druck von 0,008 MPa, was 41,5 ° C entspricht). Das Ziel, den niedrigsten praktischen Turbinenabgasdruck aufrechtzuerhalten, ist ein Hauptgrund für den Einbau des Kondensators in ein Wärmekraftwerk. Der Kondensator liefert ein Vakuum, das die dem Dampf entzogene Energie maximiert, was zu einer signifikanten Steigerung des Netzes und des thermischen Wirkungsgrads führt. Aber auch dieser Parameter (Kondensatordruck) hat seine technischen Grenzen:

• Durch Verringern des Turbinenabgasdrucks wird die Dampfqualität (oder der Trockenheitsanteil) verringert. Irgendwann muss die Expansion beendet werden, um Schäden zu vermeiden, die durch Dampf von geringer Qualität an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten .
• Durch Verringern des Turbinenabgasdrucks wird das spezifische Volumen des Abgasdampfes erheblich erhöht, was große Schaufeln in den letzten Reihen der Niederdruckstufe der Dampfturbine erfordert.

In einer typischen Nassdampfturbine kondensiert der Abgasdampf im Kondensator und hat einen Druck, der weit unter dem atmosphärischen Wert liegt (absoluter Druck von 0,008 MPa, was 41,5 ° C entspricht). Dieser Dampf befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%. Es ist zu beachten, dass es immer einen Temperaturunterschied zwischen (um ΔT = 14 ° C) der Kondensatortemperatur und der Umgebungstemperatur gibt, der sich aus der endlichen Größe und Effizienz der Kondensatoren ergibt.