{"id":43383,"date":"2019-10-11T23:07:35","date_gmt":"2019-10-11T22:07:35","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/was-ist-der-thermische-wirkungsgrad-von-kernkraftwerken-definition\/"},"modified":"2020-03-05T14:12:17","modified_gmt":"2020-03-05T13:12:17","slug":"was-ist-der-thermische-wirkungsgrad-von-kernkraftwerken-definition","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/de\/was-ist-der-thermische-wirkungsgrad-von-kernkraftwerken-definition\/","title":{"rendered":"Was ist der thermische Wirkungsgrad von Kernkraftwerken – Definition"},"content":{"rendered":"
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W\u00e4rmewirkungsgrad von Kernkraftwerken.\u00a0In modernen Kernkraftwerken betr\u00e4gt der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%).\u00a0W\u00e4rmetechnik<\/div>\n<\/div>\n
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W\u00e4rmewirkungsgrad von Kernkraftwerken<\/h2>\n

Der\u00a0W\u00e4rmewirkungsgrad<\/strong><\/a>\u00a0der Umwandlung von\u00a0W\u00e4rmeenergie<\/a>\u00a0in\u00a0Arbeit<\/a>\u00a0wird in erster Linie durch die Differenz zwischen den Warm- und Kalttemperaturspeichern bestimmt.\u00a0Der W\u00e4rmewirkungsgrad wird verbessert, wenn der W\u00e4rmeeintrag vom Dampf zur Dampfturbine so hoch wie m\u00f6glich und die W\u00e4rmeabgabe im Kondensator so niedrig wie m\u00f6glich ist.\u00a0Die hohe Temperatur in einem Leichtwasserreaktor ist normalerweise durch Material- und Druck\u00fcberlegungen begrenzt, und die Sinktemperatur ist durch die Umgebung begrenzt.<\/p>\n

\"Rankine-Zyklus-min\"<\/a>Typischerweise\u00a0betreiben die\u00a0meisten\u00a0Kernkraftwerke\u00a0<\/strong>mehrstufige Kondensationsdampfturbinen<\/strong>\u00a0.\u00a0In diesen Turbinen empf\u00e4ngt die Hochdruckstufe\u00a0Dampf<\/a>\u00a0(dieser Dampf ist nahezu ges\u00e4ttigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung;\u00a06 MPa<\/strong>\u00a0; 275,6 \u00b0 C) von einem Dampferzeuger und leitet ihn an einen Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) weiter ).\u00a0Der Dampf muss erneut erw\u00e4rmt werden, um Sch\u00e4den zu vermeiden, die durch\u00a0minderwertigen Dampf<\/a>\u00a0an den Schaufeln der\u00a0Dampfturbine entstehen k\u00f6nnen<\/a>\u00a0.\u00a0Der Nacherhitzer erw\u00e4rmt den Dampf (Punkt D) und der Dampf wird dann zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F).\u00a0Der verbrauchte Dampf kondensiert dann im Kondensator und hat einen Druck, der weit unter dem Atmosph\u00e4rendruck liegt (absoluter Druck von0,008 MPa<\/strong>\u00a0) und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise mit einer Qualit\u00e4t nahe 90%.<\/p>\n

In diesem Fall bilden Dampferzeuger, Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen eine W\u00e4rmekraftmaschine, die den durch den\u00a0zweiten Hauptsatz der Thermodynamik<\/strong>\u00a0auferlegten Effizienzbeschr\u00e4nkungen unterliegt\u00a0.\u00a0Im Idealfall (keine Reibung, reversible Prozesse, perfektes Design) h\u00e4tte diese W\u00e4rmekraftmaschine einen Carnot-Wirkungsgrad von<\/p>\n

\u03b7 = 1 – T\u00a0kalt<\/sub>\u00a0\/ T\u00a0hei\u00df<\/sub>\u00a0= 1 – 315\/549 = 42,6%<\/p>\n

Wenn die Temperatur des hei\u00dfen Reservoirs 275,6 \u00b0 C (548,7 K) betr\u00e4gt, betr\u00e4gt die Temperatur des kalten Reservoirs 41,5 \u00b0 C (314,7 K).\u00a0Aber das Kernkraftwerk ist die\u00a0echte W\u00e4rmekraftmaschine<\/strong>\u00a0, in der thermodynamische Prozesse irgendwie irreversibel sind.\u00a0Sie sind nicht unendlich langsam gemacht.\u00a0In realen Ger\u00e4ten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung und W\u00e4rmeverluste weitere Effizienzverluste.<\/p>\n

Daher haben Kernkraftwerke in der Regel einen Wirkungsgrad von ca. 33%.\u00a0In modernen Kernkraftwerken betr\u00e4gt der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad etwa\u00a0ein Drittel<\/strong>\u00a0(33%), so dass\u00a03000 MWth<\/strong>\u00a0der thermischen Leistung aus der Spaltreaktion ben\u00f6tigt werden, um\u00a01000 MWe<\/strong>\u00a0elektrische Leistung\u00a0zu erzeugen\u00a0.<\/p>\n

Kesseldruck<\/strong><\/p>\n

\"Rankine<\/a>
Eine Erh\u00f6hung des Kesseldrucks ist im Ergebnis durch Material des Reaktordruckbeh\u00e4lters begrenzt.<\/figcaption><\/figure>\n

Nach dem Prinzip h\u00f6here Wirkungsgrade der Carnot kann durch Erh\u00f6hung der erreicht werden\u00a0Temperatur<\/strong>\u00a0des Dampfes.\u00a0Dies erfordert jedoch eine Erh\u00f6hung des Drucks in Kesseln oder Dampferzeugern.\u00a0Metallurgische \u00dcberlegungen setzen solchen Dr\u00fccken jedoch Obergrenzen.\u00a0Um ein sieden des prim\u00e4ren K\u00fchlmittels zu verhindern und eine Unterk\u00fchlungsspanne (die Differenz zwischen der Druckhaltertemperatur und der h\u00f6chsten Temperatur im Reaktorkern) bereitzustellen, sind Dr\u00fccke um 16 MPa typisch f\u00fcr PWRs\u00a0.\u00a0<\/strong>Der\u00a0Reaktordruckbeh\u00e4lter<\/a>\u00a0ist die Schl\u00fcsselkomponente, die den thermischen Wirkungsgrad jedes Kernkraftwerks begrenzt, da der Reaktordruckbeh\u00e4lter hohen Dr\u00fccken standhalten muss.<\/p>\n

Aus dieser Sicht werden\u00a0\u00fcberkritische Wasserreaktoren<\/strong><\/a>\u00a0aufgrund ihres\u00a0hohen thermischen Wirkungsgrads<\/strong>\u00a0(~ 45% gegen\u00fcber ~ 33% f\u00fcr aktuelle LWR)\u00a0als vielversprechende Fortschritte f\u00fcr\u00a0Kernkraftwerke angesehen<\/a>\u00a0.\u00a0SCWRs werden bei\u00a0\u00fcberkritischem Druck<\/strong>\u00a0(dh \u00fcber 22,1 MPa) betrieben.<\/p>\n

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Kondensatordruck<\/span><\/strong><\/p>\n

\"Rankine-Zyklus<\/a>
Durch Verringern des Turbinenabgasdrucks wird das Netz pro Zyklus erh\u00f6ht, aber auch die Dampfqualit\u00e4t des Auslassdampfes verringert.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

Der Fall der Abnahme der Durchschnittstemperatur, bei der Energie abgegeben wird, erfordert eine Abnahme des Drucks im\u00a0<\/span>Kondensator<\/span><\/strong>\u00a0(dh die Abnahme der\u00a0<\/span>S\u00e4ttigungstemperatur<\/span><\/a>\u00a0).\u00a0Der niedrigste realisierbare Kondensatordruck ist der S\u00e4ttigungsdruck, der der Umgebungstemperatur entspricht (dh ein absoluter Druck von\u00a0<\/span>0,008 MPa,<\/span><\/strong>\u00a0was 41,5 \u00b0 C entspricht).\u00a0Das Ziel, den niedrigsten praktischen Turbinenabgasdruck aufrechtzuerhalten, ist ein Hauptgrund f\u00fcr den Einbau des Kondensators in ein W\u00e4rmekraftwerk.\u00a0Der Kondensator liefert ein Vakuum, das die dem Dampf entzogene Energie maximiert, was zu einer signifikanten Steigerung des Netzes und des thermischen Wirkungsgrads f\u00fchrt.\u00a0Aber auch dieser Parameter (Kondensatordruck) hat seine technischen Grenzen:<\/span><\/p>\n