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Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren
Zur Regelung und Abschaltung von Kernreaktoren, insbesondere heterogenen Reaktoren, bedient man sich bekanntlich sogenannter Regel-und Abschaltstäbe, die eine neutronenabsorbierende Substanz, z. B. Cadmium, enthalten. Während die Abschaltstäbe im Betrieb meist oberhalb des Reaktorkernes in Betriebsbereitschaft gehalten werden und damit die Neutronenflussverteilung nicht beeinträchtigen, sind die Regelstäbe je nach Überschussreaktivität des Reaktors ständig mehr oder weniger tief in den Kern eingetaucht. Dies hat bekanntlich eine starke Flussverzerrung und demgemäss im allgemeinen eine Erhöhung der thermischenspannungen sowie eine ungünstige Spaltstoffausnützung zur Folge.
Bei Reaktoren, deren Leistung durch die maximale Temperatur am Spaltstoffelement begrenzt ist, kommt noch eine Leistungsminderung hinzu.
Es sind weiter Absorberanordnungen bekannt, bei denen von dem Gedanken der räumlichen Abdekkung der Spaltstoffelemente durch Absorberhüllen Gebrauch gemacht ist. Die Hüllen lassen sich mehr oder weniger weit über die Spaltstoffstäbe schieben und machen so entsprechende Partien derselben reaktionsunwirksam. Es bleibt aber-wie bei Regelstäben - die mit dem einseitigen Eintauchen der Absor- berträger in den Reaktorkern verbundene Flussverkrümmung bestehen. Hinzu kommen auch hier konstruktive und betriebliche Schwierigkeiten. Bei Regelstäben sind besondere Führungseinbauten innerhalb des Reaktorgefässes und Sondermassnahmen ausserhalb desselben einschliesslich derGefässdurchbrüche erforderlich.
Vor allem aber ist nachteilig die durch den grossen Hub bedingte lange Abschaltzeit, der grosse Raumbedarf ausserhalb des Reaktorgefässes für die ausgefahrenen Stäbe und die durch die Ausbauten bedingte geringere Betriebs- und Unfallsicherheit. Ferner kommt bei Regelstäben der Aufwand für Zentrierung, Führung und Versteifung der Stäbe, besonders bei Schräglage, hinzu. Vorrichtungen mit Absorberhüllen bedürfen besonderer Antriebe und einer vom üblichen abweichenden Gitterkonstruktion.
Bekannt sind ferner Absorbervorrichtungen, bei denen Überdeckungseffekte relativ zueinander bewegter Absorberorgane in einer zentralen Bohrung eines Reaktorkernes zur Regelung ausgenützt werden (s. deutsche Patentschrift Nr. 1049014). Die Absorberorgane besitzen dabei-in Bewegungsrichtung gesehen - einander abwechselnde absorberfreie und absorberbehaftete Zonen (Zonenraster). Es gibt jedoch keine Stellung der Absorberorgane im Kern, in der sie unwirksam sind. Die Lösung verlangt ausserdem eine Sonderkonstruktion des Kernes.
Gegenstand der Erfindung ist ein Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren, bei dem zur Regelung von einer Relativbewegung und gegenseitigen räumlichen Abdeckung zwischen Absorber- und Spaltstoffsubstanz Gebrauch gemacht wird und wobei in absorberfreien, nicht dem eigentlichen Absorberelement angehörenden Zonen, Spaltstoff vorgesehen sein kann. Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass das Absorberorgan - in Bewegungsrichtung gesehen-in an sich bekannter Weise aus abwechselnd absorberfreien und absorberbehafteten Zonen besteht, und dass das Absorberorgan von einem Spaltstoff- bzw. Reflektororgan umgeben ist, bei welchem Spaltstoff- bzw. Reflektorzonen den erwähnten Zonen der Regel- und Abschaltelemente entsprechend aufeinanderfolgen.
Die Absorbervorrichtung kann beispielsweise die Gestalt eines Spaltstoffelementes besitzen, und im Inneren des Gehäuses ein stab-, platten-, kreuz-oder rohrförmiges Absorberorgan enthalten. Die Vorrichtung kann wie ein Spaltstoffelement auswechselbar im Reaktorkern gelagert sein. Durch entsprechende Verstellung kann der Absorber innerhalb des Reaktorkernes völlig unwirksam gemacht werden.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel im Längsschnitt für zwei Betriebsstellungen. Fig. 1 zeigt die Stellung, in der der Absorberstab unwirksam, Fig. 2, in der der Stab voll wirksam ist.
Gemäss Fig. 1 und 2 enthält das Elementengehäuse 1 im Inneren den Regelstab 2, der-in Bewegungsrichtung gesehen-die miteinander abwechselnden, absorberfreien und absorberbehafteten Zonen 3, 4 aufweist. Der Stab ist durch horizontale Metallwände 5 etagenartig unterteilt. Jeder zweite Etagenraum ist mit Absorbersubstanz, z. B. Cd, angefüllt. Im benachbarten Elementengehäuse sind den Stabzonen 3, 4 entsprechend, ebenfalls miteinander abwechselnde spaltstoff- bzw. reflektorfreie und spaltstoff-bzw. reflektorbehaftete Zonen 6,7 benachbart.
Ähnlich wie der Stab besitzt auch das äussere Gehäuse Metallkammern. Sie werden gebildet aus den beiden konzentrischen, prismatischen oder zylindrischen Metallwänden 8,9 und den horizontalen Zwischenwänden 10, die den Ringraum unterteilen. Jeder zweite Etagenraum enthält eine Spaltstoff- oder eine Reflektorsubstanz, während die dazwischenliegenden Räume mit Moderatorsubstanz angefüllt sind.
Die Etagenräume 7 sind höher als die absorberbehafteten Zonen 4 des Regelstabes. Dadurch wird in der absorberunwirksamen Betriebsstellung eine besonders gute Abdeckung der Absorberschichten erreicht.
Die Antriebsmittel des Stabes, dessen Effektivlänge nur um eine Spaltstoffetagenhöhe länger als die Höhe des Elementengehäuses zu sein braucht, sind am Kopfende des Elementes angeordnet. Im vorliegenden Falle besitzt der Stab oben einen Elektromagneten 11 zur Abschaltung und einen Spindelantrieb 12 zur Regelung der Stabposition. Die Wirkungsweise des neuen Regel- und Abschaltelementes ist folgende :
In der Stellung gemäss Fig. 1 sind die absorbierenden Bereiche des Stabes durch Spaltstoff oder Reflektormaterial abgedeckt. Die Neutronen müssen also zuerst den Spaltstoff durchsetzen, ehe sie zum Absorber gelangen. Praktisch gelingt das nur wenigen Neutronen, da sie vorher im Spaltstoff Kernreaktio-' nen auslösen.
Durch Wahl der Art und Dicke des Spaltstoffes lassen sich die im Reaktorkern durch das Element bewirkte Neutronenproduktion und Neutronenabsorption beeinflussen, z. B. so, dass die Produktion in der Spaltstoffschicht die Absorption in der Stababsorberschicht übersteigt oder beide gleich sind.
Beim Übergang in die Betriebsstellung gemäss Fig. 2 werden mehr und mehr Neutronen im Stab absorbiert. In der Endstellung selbst werden fast alle auf den Absorber treffenden Neutronen entsprechender Energie absorbiert, jedenfalls wesentlich mehr, als in der Stellung gemäss Fig. 1. Innerhalb der durch diese Stellungen gegebenen Grenzen lässt sich somit die Neutronenbilanz eines Reaktors beeinflussen. Vorteilhaft ist, dass dies mit ganz kleinem, durch Wahl der Etagenhöhe auch beeinflussbarem, Hub möglich ist. Dadurch entfallen die mit der Verwendung langer Stäbe oder der eingangs erwähnten andern Vorrichtungen verbundenen Komplikationen. Die Reaktivitätsänderung erstreckt sich im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen durch den gesamten Reaktorkern hindurch.
Es wird bei Reaktivitätsänderung somit nur eine relativ kleine Flussverzerrung erzeugt, so dass die im Zusammenhang hiemit weiter oben erwähnten Nachteile verschwinden oder doch wesentlich gemildert werden.
AnStelle der Spaltstoffsubstanz kann auch eine Reflektorsubstanz verwendet werden. Allerdings kann dann das Regel- und Abschaltelement nicht als Spaltstoffelement zur leistungserzeugung mitbenutzt werden. Dies ist an sich durch entsprechende Bemessung und Anreicherung des Elementes möglich. Ferner können die Zylinderwände der absorberfreien Räume durchbrochen oder ganz fortgelassen sein. Im letzten.
Falle sind achsparallele Haltestreben für die Spaltstoff- bzw. Reflektorkammern vorzusehen.
Es kann im Einzelfalle vorteilhaft sein, mehrere oder alle Stäbe zu Magneteinheiten zusammenzufassen, derart, dass sie durch ein gemeinsames Antriebsaggregat verstellbar sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regel-und Abschaltelement für Kernreaktoren, bei dem zur Regelung von einer Relativbewegung und gegenseitigen räumlichen Abdeckung zwischen Absorber- und Spaltstoffsubstanz Gebrauch gemacht wird und wobei in absorberfreien, nicht dem eigentlichen Absorberelement angehörenden Zonen, Spaltstoff vorgesehen sein kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberorgan - in Bewegungsrichtung gesehen-in an sich bekannter Weise aus abwechselnd absorberfreien (3) und absorberbehafteten (4) Zonen besteht, und dass das Absorberorgan von einem Spaltstoff- bzw. Reflektororgan umgeben ist, bei welchem Spaltstoff- bzw. Reflektorzonen den erwähnten Zonen der Regel- und Abschaltelemente entsprechend aufeinanderfolgen.