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Abschaltvorrichtung für Kernreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf die Abschaltung von Kernreaktoren.
Auf diesem Gebiet ist es üblich, eine Notabschaltung mit Hilfe von Kontroll- oder Abschaltstäben vorzusehen, die in den Reaktorkern einfallen oder eingestossen werden können und aus einem Material bestehen oder solches enthalten, welches eine hohe Neutronenabsorption aufweist. Es können jedoch im Druckkessel Risse oder Zerstörungen auftreten, beispielsweise bei Erderschütterungen, und dadurch kann der Kern eine Lagen-oder Richtungsveränderung erfahren, die dazu führen könnte, dass die gewöhnliche Notabschaltung nicht zur Wirkung kommt. Es ist daher wünschenswert, irgendeine Form eines sekundä- ren Abschalters zu schaffen, der auch dann sicher zur Wirkung gebracht werden kann, wenn der normale Notabschalter aus irgendeinem Grunde ausfallen sollte.
Die Wahl eines geeigneten, neutronenabsorbierenden Mittels für sekundäre Abschalter richtet sich nach den Verhältnissen, die wahrscheinlicheiweise auftreten, wenn die Verwendung einer solchen zusätzlichen Vorrichtung nötig wird. Fällt die Zirkulationskühlung aus und verursacht ein Ansteigen auf hohe Temperaturen, welche den Reaktorkern beschädigen könnten, so brächte die Einführung eines gasförmigen oder flüssigen Mittels Gefahren mit sich, die allzu gross wären, um deren Wahl zu rechtfertigen. Ein Gas kann nur schwierig rasch eingebracht werden und es kann eine für seine Wirksamkeit unzureichende Konzentration auftreten, dort, wo der Kern beschädigt wurde und ein Austreten oder Verdünnen des Gases vor sich gehen kann.
Eine geeignete Flüssigkeit würde wahrscheinlich bei den abnormal hohen Temperaturen zum Sieden kommen, die gerade dann auftreten könnten, wenn die Verwendung eines sekundären Abschalters unumgänglich notwendig wird ; das erzeugte Gas unterliegt, selbst wenn es an sich ein wirksames Neutronenabsorptionsmittel wäre, den vorerwähnten Nachteilen. Deshalb ist die Wahl des Materials auf festes Gut solcher Form beschränkt, die in den Reaktorkern trotz möglicher Beschädigung oder Verstellung desselben eingeführt werden kann. Weiters wird die Vorrichtung zum sekundären Abschalten vorzugsweise vom Druckkessel getrennt, so dass sie selbst bei Ausfall des Druckkessels betätigt werden kann ; sie soll verhältnismässig stabil verbleiben, welch abnormale (wenn auch im allgemeinen vorhersehbare) Bedingungen immer durch einen Unfall auftreten könnten.
Es wurde bereits eine Sicherheitseinrichtung für Reaktoren zu Forschungszwecken beschrieben, die aus einem oberhalb des Reaktorkernes geschützt angeordneten Trichter besteht, der mit Schrot aus Borstahl gefüllt ist, welcher auf mechanischem Wege freigegeben, in einen Schacht einfallen kann, der in dem den Reaktorkern umgebenden Graphit angeordnet ist.
Es wurde auch bereits eine Sicherungseinrichtung vorgeschlagen, bei welcher ein abnormales Ansteigen oder eine abnormale Geschwindigkeit des Ansteigens der Neutronendichte bewirkt, dass eine Vielzahl von Körpern aus Neutronen absorbierendem Material unter der Wirkung von Zentrifugalkräften in den Reaktorkern geschleudert werden. Bei dieser Vorrichtung werden die Körper in horizontale Röhren, die in das Zentrum des Reaktors hineinführen, geschleudert und können aus diesen Röhren auf pneumatischem Wege wieder entfernt werden.
Die erfindungsgemässe Abschaltvorrichtung für Kernreaktoren enthält ein Magazin, aus dem der Reaktorkern mit einer Anzahl von Neutronen absorbierenden Kugeln beschickbar ist. Eriindungsge- mäss ist in einer vertikalen Öffnung des Reaktorkernes eine Röhre nach oben ausziehbar eingesetzt, welche an ihrem unteren Ende einen lösbaren Verschluss trägt, wobei das Magazin innerhalb des biologi-
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schen Schutzschildes des Reaktors angeordnet ist, und die Kugeln, die aus einem magnetischen Material bestehen, durch ein abschaltbare Magnetfeld, welches quer zur Auslassöffnung des Magazins wirkt, werden im Magazin zurückgehalten, wobei die Auslassöffnung mit dem oberen Ende der Röhre in Verbindung steht,
so dass die Kugeln nach Abschalten des Magnetfeldes infolge der Schwerkraft aus dem Magazin in die Röhre fallen, in welcher sie durch den normalerweise geschlossenen Verschluss festgehalten werden, welcher Verschluss nach dem Ausziehen der Röhre freigebbar ist, um die Kugeln wieder in das Magazin zurückkehren zu lassen.
Die erwähnten Zurück-odeur Festhalteeinrichtungen können aus einer Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes bei dem oder den Auslässen bestehen, wobei die Kugeln aus einem magnetischen Material hergestellt sind, welches aber vorzugsweise eine niedrige Remanenz und Koerzitivkraft zeigt ; die Aufhebung des magnetischen Feldes lässt die Zurück-oder Festhaltemittel unwirksam werden, lässt aber den Durchtritt der Körper oder Kugeln durch den oder die Auslässe zu.
Das Beschickungsende des genannten Rohres ist vorzugsweise mit einer Verdickung ausgestattet, die das Erfassen des Rohres zu dessen Abzug, Entfernung oder Ersatz durch einen Greifer ermöglicht, der normal im Betrieb des Reaktors verwendet wird.
Eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in den Zeichnungen veranschau-
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und zeigt eine Abänderung und Fig. 5 eine gleiche Ansicht wie Fig. l und zeigt eine weitere Ausgestaltung.
Bei der in den Fig. l - 4 dargestellten Ausführung einer Vorrichtung zum sekundären Abschalten, die als Beispiel in ihrer Anwendung für einen Kernreaktor mit Moderatoraufbau aus Graphit veranschaulicht ist, besitzt dieser lotrechte Öffnungen für die gebräuchlichen Kontroll-oder Abschaltstäbe, von denen eine solche Öffnung J im Moderatoraufbau 2 an ihrem oberen Ende eine Beschickungspfanne 3 enthält, in deren unterem Ende der obere Teil 4 von grösserem Durchmesser eines langen Rohres 5 eingeführt ist, dessen unteres Ende durch einen Stopfen 6 verschlossen und auf einem Schemel 7 ruht, der am unteren Ende des Reaktorkernes befestigt ist. Der Teil 4 des Rohres 5 ist bei 8 innen ausgedreht, um ein Lager für das untere Ende einer Kammer zu bilden, die als Ganzes mit 9 bezeichnet ist.
Die Kammer 9 hat einen auf der Beschickungspfanne 3 aufliegenden Flansch 10 und einen langen rohrförmigen Teil 11, der in die Bohrung der Pfanne 3 einpasst, sowie einen Endteil 12 von kleinerem Durchmesser, welcher in der Innenausdrehung 8 des Rohrteiles 4 liegt. Ferner enthält die Kammer 9 einen Behälter 13 mit Leitrinnen 14, die zu vier Auslassrohren von rechteckigem Querschnitt führen ; letztere sind nahezu um einen rechten Winkel (siehe insbesondere Fig. l) abgekrümmt und haben in ein mittleres Rohr 17 mündende Austritts- öffnungen 16. Das mittlere Rohr 17 reicht von diesen Austrittsöffnungen 16 sowohl nach auf-als auch nach abwärts.
Von den Wandungen des Behälters 13 reichen radiale Träger für das obere Ende des Rohres nach innen zu und der Behälter ist ferner mit einer Abdeckung 19 mit einer Muffe 20 versehen, die für die übliche Beschickungs- oder Entleerpfanne vorgesehen ist. Auf dem Flansch 10 der Kammer 9 sind vier Elektromagnete 21 gelagert, deren Polschuhe 22 zu beiden Seiten des gekrümmten Teiles jedes Rohres 15 angeordnet sind. Das Joch 23 jedes Paares der Polschuhe 23 hat Windungen 24.
Im Inneren des Rohres 5 ist ein Innenrohr 26 angeordnet, dessen oberes Ende in einem Abstand unterhalb des Teiles 4 liegt'und mit'einer Verdickung 27 ausgestattet ist, an welcher der Beschickungsoder Entleergreifer anfassen kann. Das Rohr 26 ist mit Spiel in das Rohr 5 eingesetzt und gegen sein unteres Ende zu mit sich entgegengesetzt zueinander öffnenden Klappen 28, 29 versehen, die entweder jede für sich bei 30 und 31 wie nach Fig. 3 bzw. auf einem einzigen Drehzapfen 32 wie nach Fig. 4 drehbar gelagert sind. Die Klappen 28, 29 sind so gebaut, dass sie in der Schliessstellung über den Aussendurch - messer des Rohres 26 nicht wesentlich vorragen, in der Offenstellung jedoch über diesen Durchmesser hinausragen.
Der Endteil des Rohres 26 setzt sich über die Klappen 28, 29 hinaus fort und weist einen Stopfen 33 auf, der in der Arbeitsstellung des Rohres 26 mit dem Stopfen 6 des Rohres 5 in Kontakt steht. Das Rohr 26 kann durch den Entleergreifer aus dem Rohr 5 heraus und in das Rohr 17 hinein in die Stellung gezogen werden, welche in Fig. l strichpunktiert dargestellt ist ; die Klappen 28, 29 sind während des Herausziehens in Schliessstellung gehalten, doch fallen sie bei Überschreiten des oberen Randes des Rohres 17 nach aussen in die Stellung, die in Fig. l strichpunktiert dargestellt ist.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende : Der Behälter 13 wird mit einer grossen Zahl von Borstahlkugeln, zweckmässig vom Durchmesser von 3 mm, gefüllt (einige wenige dieser Kugeln sind in Fig. l veranschaulicht und mit 34 bezeichnet). Eine Entleerung dieser Kugeln durch die Rohre 15 und die Austrittsöffnungen 16 hindurch ins Innere des mittleren Rohres 17 ist so lange hintangehalten, als die
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Wicklungen 24 unter Strom sind und zwischen den Paaren der Polschuhe 22 ein magnetisches Feld erzeugen. Muss die Abschaltvorrichtung betätigt werden, werden die Wicklungen 24 stromlos gemacht, das magnetische Feld dadurch aufgehoben und ein Abfallen der Kugeln 34 aus dem Behälter 13 durch die
Rohre 15 und Austrittsöffnungen 16 in das mittlere Rohr 17 und von dort in das Rohr 26 ermöglicht.
Ein
Austreten aus diesem Rohr wird durch die Klappen 28, 29 hintangehalten, die ja geschlossen sind. Die
Kugeln 34 bildenim Innerendes Rohres 26 eine Säule und sind in der gleichen Weise wirksam, wie ein fe- ster Abschaltstab von gleichem Durchmesser und Höhe, da sie Neutronen absorbieren und ein Abschal- ten des Reaktors bewirken.
Soll die Abschaltvorrichtung unwirksam werden, so wird das Rohr 26 an seinem Teil 27 von dem üblichen Entleergreifer erfasst und als Ganzes aufwärts in die Stellung gezogen, die in Fig. l strichpunktiert veranschaulicht ist, wobei die Klappen 28, 29 in dem Augenblick in die Offenstellung ausschwenken, wo sie aus der Einwirkung des zentralen Rohres kommen ; sie lassen dann ein Abrollen der Kugeln 34 aus dem Rohr 26 zu und lenken diese in den Behälter 13. Der verlängerte Endteil des Rohres 26 deckt dabei die Austrittsöffnungen 16 ab und verhindert, dass die Kugeln 24 in das mittlere Rohr 17 übertreten.
Zwischenzeitig sind die Wicklungen 24 wieder unter Strom gesetzt worden, um neuerlich das magnetische Feld zu erzeugen, und dadurch werden die Kugeln 34 gegen Abgabe aus dem Behälter 13 gesichert.
Das Rohr 26 wird dann in seine Arbeitsstellung im Reaktorkern zurückgeführt, wobei die Klappen 28, 29 selbsttätig geschlossen werden, sobald sie wieder in das Rohr 17 eintreten ; sie werden in der geschlossenen Stellung weiterhin aufeinanderfolgend durch den Kontakt mit der Wandung des Rohres 17, der Bohrung des Teiles 11 und der Wand des Rohres 5 festgehalten, in dem Mass, als das Rohr 26 abwärts sinkt.
Nichtmagnetische Scheideplatten 25 sind in radialer Richtung zum mittleren Rohr 17 angeordnet, um die Rohre 15, in Draufsicht (Fig. 2) gesehen, zweizuteilen und ihr Zweck besteht darin, den durch die Polschuhpaare 22 erzeugten magnetischen Fluss auf eine enge Fläche einzuengen, indem die Wege sofort oberhalb der Polschuhe 22 unterteilt werden.
Als geeignete Abmessungen für die Durchmesser des Behälters 13 und des Innenrohres 26 seien beispielsweise angeführt : Höhe des Behälters 13 etwa 350 mm und Inhalt für soviel Kugeln, dass eine Säule von 420 cm aus denselben im Innenrohr 26 entstehen kann.
Der Behälter kann unter dem Zirkulationsdruck des Kühlmittels wieder beschickt werden ; die Möglichkeit der Wiederbeschickung unter Druck erlaubt ein rasches Prüfen der Vorrichtung.
Bei einer (nicht dargestellten) abgeänderten Ausführung können die Austrittsöffnungen 26 mit ihren zugehörigen Rohren 15 statt in demselben Niveau nach Fig. l, zueinander versetzt angeordnet werden.
Diese Massnahme lässt ein besseres "Fliessen" der Kugeln nach unten durch das Rohr zu als die Einrichtung der dargestellten Ausführung und erlaubt so auch die Verwendung von Kugeln grösseren Durchmessers.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 gleicht die Vorrichtung jener nach den Fig. l - 4 mit der Ausnahme jedoch, dass der Behälter eine ringförmige Ausmündung 40 in das mittlere Rohr 17 aufweist, die nur durch diametral gegenüberliegende Teile 41 der Wand des Rohres 17 (nur ein Teil 41 ist in Fig. 4 veranschaulicht) unterbrochen ist. Die Pole 42, 43 eines ringförmigen Elektromagneten44sind zu beiden Seiten eines konischen Durchtrittsweges 45 vorgesehen, der zur Mündung 40 führt ; Leitplatten 46 aus nichtmagnetischem Material sind in dieser Bahn 45 übereinstimmend mit den Teilen 41 vorgesehen und dienen zum Tragen der Polstücke 42, die in einem das mittlere Rohr 17 umgebenden Gehäuse 47 untergebracht sind. Die Polstücke 43 werden von einem auf den Flansch 10 des Behälters 9 befestigten Träger 48 gehalten.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist gleich jener der Ausführung nach Fig. 1 - 4. Die Ab- änderung ermöglicht die Verwendung von Kugeln grösseren Durchmessers (bis zu etwa 6 mm).
Bei einem energieerzeugenden Kernreaktor werden soviele Einheiten der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendet, als zur Verringerung der Reaktivität auf ein Ausmass notwendig sind, welches ein Abschalten sichert, wobei vorzugsweise diese Einheiten, insbesondere im zentralen Bereich des Kernes, konzentriert sind.
Bei einem besonderen Beispiel werden für einen Kern von 9, 3 m Durchmesser, 1696 Brennstoffkanälen und 48 Kontrollstäben 10 Einheiten der beschriebenen Vorrichtung verwendet.
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