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Notabschalteinrichtung für Atomreaktoren
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wesentlichen Teiles der durch SpaltUngdung, eine Notabschalteinrichtung für Kernreaktoren zu schaffen, die bei einer bestimmten abnormalen
Reaktorleistung und bei Ausfall der Reaktorkühlung automatisch bedienbar ist bzw. zur Wirkung gelangt.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Notabschalteinrichtung für Kernreaktoren ersichtlich.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 in schematischer Darstellung den Reaktorkern, Brennstoffelemente und
Regelstabanordnung eines Kernreaktors, wobei einzelne Teile freigelegt sind, Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Regelstabanordnung und angrenzenden Brennstoffelementen, teilweise im Längsschnitt und mit teil- weise freigelegten Teilen, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie li-li der Fig. 2 in grösserem Massstab,
Fig. 4 in grösserem Massstab einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Re- gelstabanordnung für Notabschaltung, Fig. 5 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt aus dem Reak- torkern mit Brennstoffelementen und einer abgeänderten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Not- abschaltstabes mit teilweise freigelegten Teilen, Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt der in der Fig.
5 dargestellten abgeändertenAusführungsform eines erfindungsgemässen Notabschaltstabes mit an- grenzenden Brennstoffelementen mit teilweise freigelegten Teilen und Fig. 7 in grösserem Massstab einen
Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen in der Fig. 6 dargestellten erfindungsgemässen Notabschalt- stab.
Gemäss der Erfindung ist in einem Kernreaktor eine Notabschalteinrichtung vorgesehen, welche einen neutronenabsorbierendes Material enthaltenden Notabschaltstab und eine Aufhängevorrichtung für densel- ben, oberhalb des im Reaktorkern enthaltenen spaltbaren Materials, besitzt. In dieser Aufhängevorrich- tung ist eine auf Temperaturerhöhung ansprechende Substanz enthalten, durch welche der Notabschaltstab mit der Aufhängevorrichtung verbunden ist. Die auf Temperaturerhöhung ansprechende Substanz besitzt bei den normalerweise im Reaktor herrschenden Temperaturen beträchtliche Festigkeit.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der neutronenabsorbierendes Material enthaltende Notabschaltstab in eine vorbestimm- te Stellung innerhalb des Reaktorkerns einfällt und damit die Kettenreaktion abbricht, wenn die auf Tem- peraturerhöhung ansprechende Substanz zusammenbricht.
In Fig. 1 ist ein Reaktorkern 11 dargestellt, der sich vertikal erstreckende Brennstoffstäbe 13 aufweist, die auf einer im wesentlichen horizontalen Gitterplatte 12 abgestützt und regelmässig über den Kernquer- schnitt verteilt sind. Der Reaktorkern befindet sich innerhalb eines sich im wesentlichen vertikal erstrek- kenden Druckgefässes 14, durch welches ein gasförmiges Kühlmittel geleitet wird. Das Kühlmittel wird durch den Reaktorkern 11 von unten nach oben geführt. In den Brennstoffstäben 13 ist bis zu der mit dem
Buchstaben A bezeichneten Höhe spaltbares Material enthalten.
Weiters sind Regelstäbe 15 vorgesehen, die von der Gitterplatte 12 im Reaktorkern 11 getragen wer- den und die ebenso wie die Brennstoffstäbe 13 vertikal liegen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in
Fig. 1 nur einige Regelstäbe 15 gezeigt, jedoch ist es selbstverständlich, dass eine zur Regelung des Reak- torbetriebes und Beendigung der Kettenreaktion im in den Brennstoffstäben enthaltenen spaltbaren Mate- rial durch Absorption von Neutronen ausreichende Anzahl von Regelstäben vorgesehen sind. Aus Gründen besserer Übersichtlichkeit wurde in Fig. 1 die Antriebsvorrichtung für die Regelstäbe, die Reaktorabschir- mung, die Einrichtungen zur Umwälzung des Kühlmittels und andere, die Erfindung nicht betreffende Tei- le des Reaktors nicht dargestellt.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, weist jeder Regelstab 15 ein Führungsrohr 17 und ein Aufhän- gerohr 19 auf. Das Führungsrohr 17 ist mit seinem unteren Ende an der Gitterplatte 12 fluchtend mit ei- ner in der Gitterplatte 12 vorgesehenen Bohrung 21 befestigt. Ein Regelstab 23 ist relativ zum Reaktor- kern innerhalb des Führungsrohres 17 mittels einer unterhalb des Reaktorkerns 11 angeordneten, jedoch nicht dargestellten Antriebsvorrichtung in vertikaler Richtung verschiebbar. Jeder der Regelstäbe 23 ent- hält hohlzylindrische Elemente 24 aus neutronenabsorbierendem Material. Es ist hiebei dafür gesorgt, dass das Kühlgas sowohl durch den zentralen Kanal der zylindrischen Elemente 24 aus neutronenabsorbie- rendem Material, als auch durch den Ringraum zwischen dem Regelstab und dem Führungsrohr 17 nach oben strömen kann.
Ein solcher Regelstab 23 kann entweder als ein den Reaktorbetrieb regelnder Regelstab, der sich nor- malerweise in einer über eine geeignete Länge in den Reaktorkern 11 eingeschobenen Lage innerhalb des
Reaktorkerns 11 befindet, um die gewünschte Reaktivität des Reaktors einzustellen, oder als ein Brems- stab verwendet werden, der sich normalerweise zur Gänze ausserhalb des Reaktorkerns befindet und zwecks
Abbremsens der Kettenreaktion rasch in den Reaktorkern eingeschoben werden kann. Der Regelstab 23 ist in der Fig. 1 in einer Stellung eingezeichnet, in welcher er mit weniger als der Hälfte seiner Länge in den
Reaktorkern eingeschoben ist, jedoch kann der Regelstab 23 auch bis zu dem mit A bezeichneten Niveau, das ist bis zum oberen Niveau des spaltbaren Materials in den Brennstoffstäben, in den Reaktorkern ein-
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geschoben sein.
An der Innenseite des Führungsrohres 17 sind Führungsschlitze 25 vorgesehen, die sich ausgehend von einer im Bereiche des oberen Endes des Führungsrohres 17 bis zu dem mit B bezeichneten Niveau erstrekken, welches Niveau etwa in halber Höhe der Füllhöhe des spaltbaren Materials in den Brennstoffstäben 13 liegt. Die Aufgabe dieser Führungsschlitze wird später noch näher erläutert werden.
Das Aufhängerohr 19 ist von einem zylindrischen Rohr gebildet, dass im Bereiche der konisch ausgebildeten Anschlussfläche 26 auf dem Führungsrohr 17 aufruht und mit diesem Führungsrohr 17. gegen nach oben wirkende Kräfte gesichert, durch mit der Innenhülse 34 einen Teil bildende Laschen 28 verbunden ist. Diese Laschen 28 werden während des Zusammenbaues mit am Führungsrohr 17 vorgesehenen Vorsprüngen 36 verrieben.
Am oberen Ende des Aufhängerohres 19 ist eine Kappe 27 aufgeschraubt, welche einen Knauf 29 aufweist, der von einer nicht dargestellten Greifervorrichtung erfasst werden kann. Das Aufhängerohr 19 kann damit aus dem Führungsrohr 17 herausgehoben oder in dieses eingesetzt werden.
In dieser Kappe 27 sind Öffnungen 30 vorgesehen, durch welche gasförmiges Kühlmittel aus dem Inneren des Aufhängerohres 19 in der durch Pfeile angedeuteten Weise strömen kann.
Die Regelstabanordnung 15 weist weiters einen Aufhängestab 31 auf, der in die Kappe 27 eingeschraubt ist und sich von dieser abwärts in das Innere des Aufhängerohres 19 erstreckt.
Innerhalb des Aufhängerohres 19 ist weiters ein Notabschaltstab 32 vorgesehen. Dieser Notabschaltstab weist eine Stützhülse 33, an deren oberem Ende eine Büchse 35 und an ihrem unteren Ende eine Beilagscheibe 37 angeordnet ist, und Rohrstücke 39 aus neutronenabsorbierendem Material, auch"Gift", auf, die auf die Stützhülse 33 aufgeschoben sind.
Wie der Fig. 4 im einzelnen entnommen werden kann, erstreckt sich die Stützhülse 33 durch die Bei-
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die als Stossdämpfer 42 wirken. Diese Stossdämpfer 42 bestehen aus federndem Material, beispielsweise aus rostfreiem Stahl od. dgl., und dienen dazu, den Aufschlag des Notabschaltstabes 32 bei seinem Ein- fallen in den Reaktorkern 11 zu mildern. Anschliessend an die Scheiben 41 ist über die Stützhülse 33 eine
Stahlplatte 47 geschoben und mit dieser fest verbunden. Diese Stahlplatte 47 ist in den Fig. 3 und 4 dar- gestellt und besteht aus einem Ring 49 aus rostfreiem Stahl und einem Ring 50 aus keramischem Material. Der Ring 49 aus rostfreiem Stahl weist einen im wesentlichen kreisförmigen Flansch auf, von welchem ausgehend vom Umfang Laschen bzw. Federn 51 abstehen.
Diese Federn 51 des Ringes 49 aus rostfreiem
Stahl stehen gleitend mit den im Führungsrohr vorgesehenen Führungsschlitzen 25 in Eingriff und dienen dazu, den Notabschaltstab 32 beim Einfallen desselben in den Reaktorkern 11 in axialer Richtung zum Führungsrohr ausgerichtet zu halten und darüber hinaus auch noch dazu, das Abfallen des Notabschaltstabes bis zur in Fig. 1 mit B bezeichneten Lage zu begrenzen.
Der Ring 50 aus keramischem Material weist ebenfalls an seinem Umfang Federn 53 auf, die in der gleichen Weise wie die Federn 51 des Ringes 49 aus rostfreiem Stahl in die Führungsschlitze 25 des Führungsrohres eingreifen, und diese Federn 53 dienen dazu, den Notabschaltstab 32 nach seinem Einfallen in den Reaktorkern auch dann in einwandfreier Lage zu halten, wenn der Ring 49 aus rostfreiem Stahl bei den im Reaktor herrschenden Temperaturen niederschmelzen sollte.
Um die oben beschriebenen Teile des Notabschaltstabes 32 axial zur Stützhülse 33 zu haltern, ist am unteren Ende der Stützhülse 33 eine Stütznabe 55 befestigt, die Durchlässe für den Eintritt des gasförmigen Kühlmittels in das Innere der Stützhülse aufweist.
Die Stütznabe 55 ist mit einer axialen Bohrung 59 versehen, in der eine sich nach unten erstreckende Aufhängehülse 60 befestigt ist, die ein Gehäuse für das untere Ende des Aufhängestabes 31 bildet.
Wie den Fig. 2 und 4 entnommen werden kann, befindet sich der Notabschaltstab 32 innerhalb des Aufhängerohres 19 zentrisch zum Aufhängestab 31. Zwecks Aufhängung des Notabschaltstabes 32 ist eine Aufhängespitze 61 vorgesehen, die am Aufhängestab 31 mittels eines Lotes 63 befestigt ist. Wie den Fig. 2 und 4 entnommen werden kann, ruht die Aufhängehülse 60 auf der Aufhängespitze 61 auf, weshalb auch der Notabschaltstab 32 in aufgehängter Lage verbleibt. Das Lot 63 besteht aus einer auf Temperaturerhöhung ansprechenden Legierung, die bei den normalerweise im Reaktor herrschenden Temperaturen beträchtliche Festigkeit besitzt, jedoch bei einer bestimmten oberhalb der Arbeitstemperatur des Reaktors liegenden abnormalen Temperatur, die eine schlechte Funktion des Reaktors anzeigt, im wesentlichen keine Festigkeit besitzt.
Die Auswahl irgend einer Legierung, welche bei einer bestimmten Temperatur schmilzt oder auf andere Weise ihre Festigkeit verliert, kann von Metallurgen ohne weiteres getroffen werden und eine ins einzelne gehende Beschreibung in Frage kommender Legierungen erscheint deshalb nicht erforderlich. Selbstverständlich können auch andere Stoffe als Metallegierungen in besonders
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gelagerten Fällen verwendet werden.
Bei normalen Arbeitsbedingungen befindet sich somit der neutronenabsorbierendes Material in Form von Rohrstücken 33 enthaltende Notabschaltstab 32 oberhalb des Niveaus A, bis zu welchem Niveau sich im Reaktorkern spaltbares Material befindet, so dass die Reaktivität des Reaktors nicht nennenswert beein- flusst wird.
Solange die Temperatur im Bereiche der Aufhängespitze 61 und des Lotes 63 unterhalb der Tempe- ratur liegt, unter welcher das Lot schmilzt oder seine Formbeständigkeit verliert, verbleibt der Notab- schaltstab 32 in der dargestellten Lage. Sobald jedoch die Temperatur im Bereiche der Aufhängespitze und des Lotes 63 soweit ansteigt, dass die Schmelztemperatur des Lotes erreicht wird, löst sich der Not- abschaltstab 32 vom Aufhängestab 31 und fällt im Inneren des Führungsrohres 17 herab. in diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass ein Aufhören des Kühlmittelflusses durch das Führungs- rohr 17 ebenso einen raschen Temperaturanstieg zur Folge hat, wie ein schlechter Gang des Reaktors, bei welchem die Reaktorleistung über die Sicherheitsgrenze ansteigt.
Nachdem sich der Notabschaltstab 32 vom Aufhängestab 31 gelöst hat, fällt der Notabschaltstab so weit nach unten, bis er vom Bremsstab, der in Notfällen bereits soweit als möglich eingeschoben sein soll, abgefangen wird. Wenn nun aber aus irgend welchen Gründen der Regelstab 23 nicht bewegt wer- den kann, so fällt der Notabschaltstab 32 solange nach unten, bis er durch die auf die Enden der Füh- rungsschlitze 25 aufschlagenden Federn 51 des Ringes 49 aus Stahl aufgehalten wird. In jedem der beiden Fälle wird durch die federnden Scheiben 41 der beim Aufschlagen des Notabschaltstabes 32 auftretende
Stoss so weit gedämpft, dass die Ringe 39 aus neutronenabsorbierendem Material von Zerstörung geschützt sind.
Da auch dann, wenn der Antrieb zum Regelstab 23 unwirksam sein sollte, der Notabschaltstab automatisch bis etwa zum Niveau in halber Höhe des Reaktorkerns einfällt, werden in Anbetracht des Aufbau- es des Notabschaltstabes Neutronen in einer zur Beendigung der Kettenreaktion ausreichenden Menge absorbiert. Dieser Vorgang ist völlig unabhängig von irgend einer äusseren Kraftquelle.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel kann ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, in verschiedener Richtung fachmännisch abgeändert werden. So ist beispielsweise in den Fig. 5, 6 und 7 eine abgeänderte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Notabschaltstabes 65 dargestellt, wobei zur Bezeichnung von Teilen, welche bereits früher besprochenen Teilen entsprechen, gleiche mit einem Apostroph versehene Zahlen verwendet wurden. Im Führungsrohr 17'der abgeänderten Ausführungsform sind keine Führungsschlitze vorgesehen, und dieses Führungsrohr 17'führt bis in die Nähe der Gitterplatte 12'und ist dort auf einer Stütze 67 abgestützt.
Das Aufhängerohr 19'erstreckt sich ein beträchtliches Stück überdas obere Ende des Reaktorkerns 11 hinaus, so dass oberhalb des Niveaus A innerhalb des spaltbaren Materials ein wesentlich längerer Notabschaltstab 32'vorgesehen werden kann. Der Notabschaltstab 32'dieser abgeänderten Ausführungsform fällt, nachdem das Lot 63'seine Festigkeit in Anbetracht abnormaler Temperaturverhältnisse verloren hat, bis zum Boden des Führungsrohres 17'herab und nimmt dann eine solche Lage ein, dass er sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des innerhalb der Brennstoffstäbe 13'des Reaktorkerns 11'befindlichen spaltbaren Materials erstreckt.
Diese Ausführungsform ermöglicht die Einführung einer grossen Menge an neutronenabsorbierenden Materialien pro Notabschaltstab in den Reaktorkern, so dass die zur Beendigung der Kettenreaktion erforderliche Anzahl von Notabschaltstäben 32'verringert werden kann. Selbstverständlich können die dargestellten erfindungsgemässen Einrichtungen auch eine in Nähe des Lotes angeordnete Heizvorrichtung aufweisen, welche von einer ausserhalb des Reaktorbezirkes gelegenen Stelle aus von Hand aus eingeschaltet werden können, so dass das Niederschmelzen des Lotes und damit das Einfallen eines Notabschaltstabes in den Reaktorkern erzwungen werden kann. So kann beispielsweise die Aufhängespitze von einem elastischen Heizwiderstand umgeben sein, der, wenn ihm von aussen Strom zugeführt wird, für den erforderlichen Temperaturanstieg sorgt.
Am dargestellten Gerät können zahlreiche Abänderungen getroffen werden, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten.
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