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Abschaltvorrichtung für Kernreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abschalten von Kernreaktoren.
In der belgischen Patentschrift Nr. 580506 ist eine solche Vorrichtung beschrieben, bei welcher neutronenabsorbierende Kugeln in einer Stellung oberhalb der Reaktorkernummantelung durch ein magnetisches Feld zurückgehalten werden, welches elektromagnetisch hervorgerufen wird und quer zu einem oder mehreren Kanälen für die Kugeln derart wirksam ist, dass die Abgabe der Kugeln in den Reaktorkern so lange verhindert wird, als das magnetische Feld aufrecht erhalten wird. Wird dieses Feld aufgehoben, können die Kugeln in ein den Reaktorkern durchsetzendes Rohr ungehindert hinabfallen. Die Kanäle der Kugeln sind jedoch etwas verengt und geneigt, so dass beim Abfallen der Kugeln diese eine plötzliche Richtungsänderung erleiden. Dadurch nimmt die Abgabe einer zum Abschalten ausreichenden Anzahl von Kugeln erhebliche Zeit in Anspruch.
Ferner ist schon eine Abschaltvorrichtung für flüssigkeitsgekühlte Kernreaktoren beschrieben worden, welche aus einem Rohr besteht, das ständig in einer Lage sich befindet, in der es den Moderator durchsetzt, und aus einem Magazin am oberen Ende dieses Rohres, welches neutronenabsorbierende Kugeln enthält. Bei dieser Vorrichtung werden die Kugeln durch einen Verschluss im Magazin festgehalten, welcher durch den Druck des flüssigen Kühlmittels in seiner geschlossenen Lage gehalten wird. Dabei sind Ventile zum Ablassen des Flüssigkeitsdruckes vorgesehen, bei deren Betätigung der Verschluss infolge der Schwerkraft herabfallen kann, wodurch wiederum die Entleerung der Kugeln in das Rohr, ebenfalls infolge der Schwerkraft, erfolgen kann, wenn der Reaktor abgeschaltet werden soll.
Die Abschaltvorrichtung nach der Erfindung besteht gleichfalls aus einem Rohr, welches in einen im wesentlichen vertikalen Kanal des Reaktorkernes hineinreicht, und einem oberhalb dieses Rohres angeordneten Behälter, welcher eine Anzahl von neutronenabsorbierenden Kugeln enthält und diese bei Betätigung der Vorrichtung in das Rohr hinein entleeren kann. Dabei ist das untere Ende des Rohres normalerweise geschlossen, kann jedoch zur Wiedergewinnung der Kugeln nach einer Betätigung der Vorrichtung geöffnet werden. Die Erfindung besteht bei dieser Vorrichtung darin, dass das Rohr eine Scheidewand enthält, welche einen hohlzylindrischen Raum im Rohr abgrenzt, in welchen die Kugeln bei der Betätigung der Vorrichtung hineinfallen.
Durch diesen hohlzylindrischen Raum, in welchen die neutronenabsorbierenden Kugeln zur Reaktorabschaltung hinein entladen werden, wird erreicht, dass weniger Kugeln zur Füllung notwendig sind als bei einem vollzylindrischen Raum gleichen Durchmessers. Infolgedessen wird weniger Zeit zur Füllung des Hohlzylinders benötigt und die Abschaltung des Reaktors geht rascher vonstatten. Das Fehlen der Kugeln im inneren Teil des Rohres ist vom Standpunkt der Wirksamkeit betrachtet belanglos, weil die Neutronenabsorption sich am stärksten an der Aussenseite des zylindrischen Raumes auswirkt.
Weiters kann erfindungsgemäss jenes Ventil, welches die Kugeln in seiner normalen geschlossenen Stellung im Behälter zurückhält, mittels elektromagnetischer Einrichtungen in dieser geschlossenen Stellung festgehalten werden. Dabei bewirkt ein Stromloswerden der elektromagnetischen Einrichtungen, dass sich das Ventil unter der Wirkung der Schwerkraft öffnet.
In einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung sind mechanische Vorrichtungen vorgesehen, welche das Ventil zeitweilig, solange die absorbierenden Kugelnin den Behälter eingefüllt werden, in seiner geschlossenen Stellung festhalten. Diese mechanischen Haltevorrichtungen werden aus ihrer
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Haltestellung entfernt, bevor die Abschaltvorrichtung für den Betrieb bereitgestellt wird.
Um sicherzustellen, dass die mechanischen Haltevorrichtungen, welche das Ventil zeitweilig in der geschlossenen Stellung festhalten, vor der Bereitstellung für den Abschaltvorgang entfernt werden, können besondere Verriegelungen vorgesehen sein.
Dadurch, dass ein elektromagnetisch betätigtes Ventil vorgesehen ist, anstatt ein magnetisches Feld quer zu einer geneigten Passage anzuordnen, wie dies in der belgischen Patentschrift Nr. 580506 beschrieben ist, kann die Geschwindigkeit, mit der die Entladung der absorbierenden Kugeln bei einer Betätigung der Vorrichtung einsetzt, vergrössert werden, während der Vorteil der ausfallsicheren elektromagnetischen Bedienung erhalten bleibt.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, in denen die Fig. 1A, IB und IC, der Klarheit wegen, unterteilte Axialschnitte der Vorrichtung sind, Fig. 2 ein Schnitt im vergrösserten Massstabe einer Einzelheit der allgemein in Fig. 1A veranschaulichten Vorrichtung, Fig. 3
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ist, aber eine EinzelheitderinFig. 1B allgemein veranschaulichten Vorrichtung zeigt, und Fig. 5 der Fig. 2 gleicht und Einzelheiten der Ausführung nach Fig. 1C darstellt. Die Fig. 3, 4 und 5 sind im grösseren Massstabe als Fig. 2 gezeichnet.
In den Fig. 1A, IB und 1C ist eine Notabschaltvorrichtung für einen gasgekühlten Kernreaktor aus
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identische Kugelsperreinrichtungen 4 bekannter Art nachgiebig verbunden. Bei einem solchen Reaktor sind typischerweise vierzehn symmetrisch angeordnete Abschaltvorrichtungen vorgesehen und jede reicht in ein Beschickungsrohr 5 des Reaktors und in einen Kanal 6 im Neutronenschirm N und im Kern C des Reaktors und ist von einem Schirmstopfen 7 gehalten, der lösbar mit dem oberen Ende dieses Beschickungsrohres 5 verbunden ist.
In einem Behälter 10 im Mittelteil 2 sind eine Anzahl von neutronenabsorbierenden Kugeln vom Durchmesser von 6 mm aus rostfreiem Stahl mit 1 Ufo Bor untergebracht, die darin durch einen Ventilstopfen 11 und dessen zugehörigen Sitz 12 zurückgehalten sind. Der Ventilstopfen 11 ist von einem Elektromagnet 13 mit Anker 14 gesteuert. Der Anker trägt einen Ansatz 16, von dem an einem Kabel 15 der Stopfen herabhängt. Ein Ringraum 17 ist von koaxialen Graphitbüchsen 18,19 gebildet, die aus lose gestapelten, ringförmigen Ziegeln bestehen ; die innere Büchse 19 bildet eine Scheidewand, die an einem Dorn 20 aufgebaut ist, der selbst an seinen Enden an Gitterplatten 21,22 befestigt ist.
Ein drehbares Ab- schlussventil 23 (s. auch Fig. 5) ist am unteren Ende des Teiles3angeordnet.
Während normalem Reaktorbetrieb ist die Abschaltvorrichtung in ihrer Bereitschaftsstellung in den Reaktor eingeschlossen und der neutronenabsorbierende Kugel- oder Schrotvorrat liegt dabei über dem oberen Niveau des Reaktorkernes. Der Magnet 13 ist durch den Strom einer ausserhalb des Reaktors liegenden Stromquelle erregt. Bei Unterbrechung dieses Stromes (die in Notfällen selbsttätig erfolgt) gibt der Magnet das Ventil frei, damit die Schrote 9 in den Ringraum 17 im Reaktorkern einfallen, wobei die durch den Borgehalt gewährleistete Neutronenabsorption im Verein mit der Absorption der andern gleichartigen Einrichtungen, mit denen der Reaktor ausgestattet ist, letzteren abschaltet.
Die im Ringraum 17 entstandene und über die gesamte Tiefe des Kernes reichende Säule aus neutronenabsorbierendem Material benötigt zu ihrem Aufbau erheblich weniger Schrote als eine Säule der gleichen Tiefe, jedoch ohne Wand 19 und demzufolge auch viel weniger Zeit zu ihrer Auffüllung als bei Fehlen der Scheidewand 19. Ferner kann der Vorratsbehälter 10 kleiner bemessen sein, wodurch er leichter im Beschickungsrohr untergebracht werden kann, ohne dass Teile über die Beschickungsfläche hinausragen. Die Vorrichtung ist im Reaktor derart untergebracht, dass in der Bereitschaftsstellung die Säule aus Schrotkugeln mit dem Neutronenschirm abschliesst und einen Abschirmstopfen im Kanalinneren ergibt.
Nach Fig. 2, welche die Einrichtung des Oberteiles der Vorrichtung deutlicher darstellt, ist der Abschirmstopfen 7 der Vorrichtung mit dem oberen Ende 8 eines Beschickungsrohres 5 durch irgendeine geeignete Verriegelung 24 lösbar verbunden. Der Stopfen 7 dichtet mit Hilfe seiner Dichtungsringe 25 auch gegen den Kühlmitteldruck des Reaktors. Er trägt ferner auch den Rückstellmechanismus, der als Ganzes mit 27 bezeichnet ist und aus einem rohrförmigen Glied 28 mit Antriebsbüchse 29 besteht, die in einem Stutzen 30 und einer Kugellagerbahn 31 gelagert ist, die beide im Stopfen 7 untergebracht sind. Die Kugellagerbahn 31 ist im Stopfen 7 durch eine Platte 32 festgehalten, und legt durch ihren Anschluss an eine Schulter 26des Gliedes 28 die Stellung dieses Gliedes in axialer Richtung fest.
Das rohrartige Glied 28 hat ein Aussengewinde 33, welches mit dem Innengewinde eines rohrförmigen Gliedes 34in Eingriff steht, welches den Elektromagneten 13 und den Anker 14 durchsetzt und durch Rippen 35 am unteren Teil des'Ab- schirmstopfens 7 gegen Drehung festgelegt ist. Das Glied 34 trägt einen aufgeschraubten Bund 37, der durch eine Klemme 38 festgehalten ist. Die Antriebsbüchse 29 ist mit einem mechanischen Antrieb (nicht dar-
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gestellt) mittels Klauen 39 in Verbindung und treibt mittels Klauen 40 das rohrförmige Glied 28 an. Der Innenring der Kugelbahn 31 ist am rohrförmigen Glied 28 durch Muttern 41,42 befestigt.
Eine Drehung der Büchse 29 im Uhrzeigersinn (von oben gesehen) bewirkt eine axiale Verstellung des rohrförmigen Gliedes 34 und bringt den Bund 37 in eine Stellung, wo er am Anker 14 anliegt und diesen trägt.
Nachdem die Vorrichtung durch Unterbrechung der Stromzufuhr zum Magnet 13, wodurch das Öffnen des Ventilstopfens 11 und die Entleerung der Schrote bewirkt wird, in Tätigkeit getreten ist, kann der Rückstellmechanismus 27 dazu verwendet werden, den Anker 14 in die Stellung für geschlossenes Ventil zurückzuführen und in dieser während der Wiedervorbereitungsvorgänge, die nach der Funktion der Vorrichtung notwendig sind, festzuhalten.
Eine Verriegelung für den Rückstellmechanismus besteht aus einem Stift 43, der in den Schirmstopfen 7 eingeschraubt ist und eine Verzahnung 44 besitzt, welche mit dem Aussengewinde 45 der Antriebsbüchse 29 in Eingriff steht. Eine Gegenbohrung 46 im Ende des Stiftes 43 ergibt ein Lager für einen Stift 47, der von einer Deckplatte 48 getragen ist. Die Drehung der Büchse 29 beim Betrieb des Rückstellmechanismus 27 ruft durch das Getriebe 44 und 45 eine Gegendrehung des Stiftes 43 hervor, wodurch er aus dem Abdichtstopfen ausgeschraubt wird.
Ein Wiederauflegen der Deckplatte 48 ist auf diese Weise so lange hintangehalten, bis die Verbindung zwischen dem Rückstellmechanismus 27 und dem Anker 14 wieder gelöst ist, wodurch letzterer für spätere Funktion freigegeben wird und so sicherstellt, dass eine Abschaltvorrichtung im Reaktor erst in ihrem Bereitschaftszustand vollständig installiert werden kann, d. h. wenn der Elektromagnet erregt und der Anker bei Unterbrechung des Stromes zum Elektromagneten frei beweglich ist.
Vom oberen Ende der Vorrichtung reicht ein Kanal 49 zum Behälter 10. Dieser wird vom hohlen Inneren des Wiederherstellmechanismus 27 (Fig. 2), einem vom Befestigungsglied 16 für das Kabel seitlich abzweigenden Rohr 36, einem Trichter 50 (Fig. lA und 2) und einem Beschickungsrohr 51 gebildet. Das letztere ist schleifenförmig gestaltet, um einen Neutronenstrom hintanzuhalten. Nach Entleeren der Kugeln oder Schrote aus dem Behälter 10 in den Ringraum 17 wird die Vorrichtung durch Abzug der Schrote durch das Ventil 23 und deren Rückführung zum Behälter mittels des Kanals 49 wieder bereitgestellt. Der Kanal 49 wird gegen den Reaktordruck durch einen Dichtungsstopfen 52 mit Dichtungsringen 53 und durch einen Gewindestopfen 54mit Dichtungsring 55, welcher den Stopfen 52 in der Abdichtstellung zurückhält, abgedichtet.
Der Gewindestopfen 54 wird durch eine Klemme 56 verriegelt. Dichtungsringe 57 und 58 stellen die Abdichtung zwischen dem Mechanismus 27 und dem Schirmstopfen her. Die Deckplatte 48 wird von einem biologischen Schirm 59 getragen und trägt ihrerseits einen zweiten Schirmstopfen 60. Sie dient auch zur Durchführung elektrischer Leitungen von einer ausserhalb liegenden Stromquelle zu dem Elektromagneten mit Hilfe von Zuführungsdrähten 61 (Fig. 2 und 3). Die Einstellung des Ventiles erfolgt durch eine Verschraubung 62 nach Art eines Spannschlosses am Hängeglied 16 der Kabelbefestigung. Der Zutritt hiezu ist durch eine Öffnung 63 in der Wand des Oberteiles 1 möglich, wenn die Vorrichtung aus dem Beschickungsrohr 5 herausgezogen ist. Das Kabel 15 wird im Behälter 10 durch ein Führungsrohr 64 (Fig.
IB und 4) und durch den unteren Te l des Stopfens 7 durch ein Rohr 66 (Fig. 1A und 2) geführt. Ein Durchgang für das Kühlgas durch die Vorrichtung ist durch (nicht dargestellte) Schlitze am Boden des Unterteiles 3, durch Schlitze 67 (Fig. 4) in der Wand des Mittelteiles 2 nächst dem Ventilsitz, einen Kanal 65 im Ventilkörper 11, der mit dem inneren der Führungsrohre 64 und 66 sowie mit der. Öffnung 63 in Verbindung steht, ermöglicht.
Zur Wiederbereitstellung wird die Vorrichtung aus dem Reaktor durch eine Brennstoffwiederbeschikkungsmaschine herausgezogen und abseits für die Wiedereinführung vorbereitet.
Zahlreiche Vorteile entstehen bei Verwendung der Abschaltvorrichtung der beschriebenen Art : Die Brennstoffwiederbeschickungsmaschine kann die Vorrichtung zu deren Wartung oder Überprüfung herausziehen und sie durch eine bereitgestellte Vorrichtung ersetzen, ohne dass der Druckkreis des Reaktors beeinflusst würde. Die Vorrichtung ist auch dann betriebssicher, wenn der Reaktorkern stark verzogen ist.
Fällt die elektrische Einrichtung oder der Magnet aus, wird auch die Vorrichtung gefahrlos ausfallen.
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