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Regelstab für Atomreaktoren
In einem Atomreaktor sind eine Anzahl von Regelstäben vorgesehen, die neutronenabsorbierendes Material, auch"Gift"genannt, enthalten und derart angeordnet sind, dass sie zur Gänze in den Reaktorkern eingeschoben werden können, um die Geschwindigkeit der im Reaktorkern ablaufenden Kernreaktion regeln zu können. Weiters ist auch vorgesehen, diese Regelstäbe relativ zum Reaktorkern zu bewegen, wobei zumindest einige der Regelstäbe im wesentlichen augenblicklich in den Reaktorkern eingebracht werden können, um in Notfällen den Reaktor abzubremsen.
In solchen Notfällen wird ein Regelstab, gegebenenfalls auch mehrere derselben, in den Reaktorkern einfallen gelassen. Hiebei schlägt der Regelstab an einen zur Begrenzung seiner Bewegung vorgesehenen Anschlag an und ist somit einer beträchtlichen Stossbelastung ausgesetzt, die insbesondere das im Regelstab vorgesehene Neutronen absorbierende Material bis zur Festigkeitsgrenze beansprucht. Um die Gefahr der Zerstörung einzelner Teile des Regelstabes zu vermindern, wurde bereits vorgeschlagen, die für die
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rende Material des Regelstabes dar.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Beseitigung dieser Nachteile eines Regelstabes für Atomreaktoren mit einer Anzahl an einer Halterung angeordneter Stücke aus Neutronen absorbierendem Material. Ein solcher Regelstab ist gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass für die Halterung der Stücke aus neutronenabsorbierendem Material ein Stützstab vorgesehen ist, auf welchem die im wesentlichen zylindrischen Stücke aus neutronenabscrbierendem Material koaxial angeordnet sind, wobei zwischen einander angrenzendenEnden derStücke aus neutronenabsorbierendem Material Abstandshalter vorgesehen sind, welche Federorgane, wie Tellerfedern, aufweisen, die die auf das neutronenabsorbierende Material übertragenen Stösse abfangen.
Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass jedes einzelne zylindrische Stück aus Neutronen absorbierendem Material beim plötzlichen Aufschlagen des Regelstabes einzeln abgefedert wird, womit die Gewähr dafür gegeben ist, dass keines dieser meist aus keramischen Materialien bestehenden Stücke aus Neutronen absorbierendem Material bricht. Diese Sicherheit besteht bei übereinander gestapelten Stücken aus Neutronen absorbierendem Material keinesfalls, da im untersten der Stücke beim Abbremsen des Regelstabes die gesamte kinetische Energie der Säule darüber liegender Stücke aus Neutronen absorbierendem Material vernichtet werden muss.
In der Figur ist ein Querschnitt durch einen Regelstab und der schematisch dargestellten Vorrichtung für diesen Regelstab dargestellt.
In der Figur ist mit 10 die Regelstabanordnung und mit 12 die Antriebsvorrichtung für diesen Regelstab bezeichnet. Die Antriebsvorrichtung für den Regelstab befindet sich unterhalb des unteren Endes der Regelstabanordnung und ist mit diesem unteren Ende der Regelstabanordnung verbunden. Die gezeigte Anordnung ist insbesondere für die Verwendung in gasgekühlten Atomreaktoren geeignet, welche ein vertikal angeordnetes Reaktorgefäss aufweisen, in das von unten aus die Regelstäbe eingeschoben bzw. herausgezogen werden können. Der folgenden Beschreibung ist jedoch zu entnehmen, dass erfindungsgemässe Re- gelstäbe mit Vorteil auch bei andern Reaktortypen verwendet werden können.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Atomreaktor 14 ein Druckgefäss mit einer Bodenwand 16, wobei im unteren Teil des Druckgefässes zwecks Abstützung des die nicht dargestellten Brenn-
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stoffelemente und eine Anzahl von zur Regelung der Reaktivität des Reaktors dienenden Regelstäben ent- haltenden Reaktorkerns eine Gitterbodenplatte 18 vorgesehen ist. Diese Gitterbodenplatte dient auch zur
Abstützung von Führungsrohren 20 für die Regelstäbe. Da der Aufbau des Druckgefässes und die Einzel- heiten des Reaktorkerns nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung sind, kann eine ins einzelne ge- hende Beschreibung dieser Teile und dieDarstellung dieser Teile in der Zeichnung unterbleiben, ohne das
Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erschweren.
Die Regelstabanordnung 10 weist wie inder Figur dargestelltiSt, ein ander Gitterbodenplatte 18 abnehm- bar befestigtes und vertikal zur Gitterbodenplatte 18 stehendes Führungsrohr 20 auf. Der Regelstab 22 selbst, enthält neutronenabsorbierendes Material Die Antriebsvorrichtung 12 für denRegelstab weist einen von einem unterDruckstehendenMediumangetriebenenMotor24auf, die mit demRegelstab über eine in axialerRich- tung bewegliche Schubstange in Verbindung steht, die einen hohlen Abschnitt 26 and einen oberen im wesentlichen kompakten Abschnitt 28'aufweist.
Der Antriebsmechanismus wird ausschliesslich von einem unter Druck stehenden Medium angetrieben und wirkt derart, dass der Regelstab 22 in das in den Reaktorkern führende Führungsrohr 20 eingeschoben bzw. aus diesem Führungsrohr herausgezogen werd en kann, wobei die Reaktivität innerhalb desReaktorkernes geregelt werden kann. Dieser Antriebsmechanismus kann auch in Notfällen dazu benützt werden, den Regelstab nahezu augenblicklich zur Gänze in den Reaktorkern einzuschieben.
Der Regelstab selbst weist einen rohrförmigen Stützstab 30 auf, der vorzugsweise aus einer hochtemperaturbeständigen Legierung hergestellt ist und dessen oberes Ende mit einem Knopfgriff 32 versehen ist.
Dieser Knopfgriff 32 ist an den Stützstab entweder angelötet oder mit diesem auf andere Weise befestigt, und ragt bei vollständig in den Reaktorkern eingeschobenem Regelstab am ändern Ende des Führungsrohres heraus, so dass der Regelstab mittels einer nicht dargestellten und im Oberteil des Druckgefässes des Reaktors angeordneten Transportvorrichtung für Brennstoffelemente aus dem Reaktorkern herausgezogen wer den kann. Am unteren Ende des Stützstabes 30 ist ein Kupplungsglied 34 befestigt, das lösbar mit einem am oberen Ende der Schubstange 30 befestigten komplementären Kupplungselement verbunden ist. In dieser Kupplung ist eine Ringnut vorgesehen, in welche von einem Sperrglied 40 am oberen Ende der Schubstange steuerbare Kugeln 38 eingreifen.
Das innerhalb des Regelstabes vorgesehene neutronenabsorbierende Material, auch"Reaktorgift"ge- nannt, ist nun in relativ kurze zylindrische Stücke aufgeteilt, die koaxial zur Stützstange des Regelstabes angeordnet sind. Der Durchmesser der Reaktorgiftstücke 42 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Führungsrohres 20, um einen gewissen Spielraum zwischen Führungsrohr und Regelstab zuschaffen. Jedes der Reaktorgiftstücke ist nachgiebig in seiner Lage auf dem Stützstab 30 gehaltert, u. zw. sind zwi- schen den Reaktorgiftstücken Distanzstücke 44 und Tellerfedem 46 angeordnet.
Die Distanzstücke 44 sind an derStützstange 30 angelötet oder mit dieser auf andere Weise verbunden und an der Aussenseite jedes Distanzstückes ist ein, vorzugsweise keramischer Gleitring angeordnet4 durch welchen der Zusammenbau erleichtert wird. Dieser Gleitring gleitet an der Innenfläche des Führungsrohres 20 und bildet die Gleitfläche des Regelstabes, mit welcher dieser an der Innenseite des Führungsrohres gleitet. Die Tellerfedern 46
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Teile bewirkter und/oder durch vom Antriebsmechanismus erzeugte Beschleunigungskräfte herrührender axialer Druck ausgeübt wird.
An den Enden des Regelstabes 22 ist ein Reflektor 48 aus Graphit od. dgl., von der Form der Reaktorgiftstücke 42 ähnlicher Form angeordnet. Die beschriebene Anordnung ermöglicht einen nicht vorhersehbaren thermischen Schock oder mechanischen Stoss, dessen Grösse ausreichen würde, die Reaktorgiftstücke zu zerstören, auf eine im wesentlichen kurze Länge der Gesamtlänge des Regelstabes zu beschränken. Darüber hinaus gewährleistet diese Anordnung auch, dass bei einer solchen Wärmeentwicklung im Reaktorkern, welche zum Niederschmelzen der Distanzstücke 44 führt, die Verringerung der Länge des Stapels an Reaktorgiftstücken im Führungsrohr nur einen geringen Prozentsatz der ursprünglichen gesamten Länge ausmacht.
Das Führungsrohr 20 ist an der Gitterbodenplatte 18 mit einer geteilten Schraubverbindung, mittels eines Bajonettverschlusses od. dgl. zwischen einem Kragen 50 am unteren Ende des Führungsrohres und einem an der Gitterbodenplatte befestigten komplementären Kupplungsteil 52 abnehmbar befestigt. Die Regelstabanordnung und das Führungsrohr, welches aus Graphit besteht, sind im wesentlichenselbsttragend, jedoch besitzen inAnbetracht des beschriebenen Aufbaues dieser Teile diese Teile ausreichende Biegsam-
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keit, um einen Regelstab in ein gekrümmtes oder ein geneigtes Führungsrohr einführen zu können, welche Form-oder Lageveränderungen des Führungsrohres durch Spannungen innerhalb des Reaktorkerns entstanden sein können.
Vom Boden des Reaktorgefässes aus erstreckt sich ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 54 nach unten, das die Schubstangen und die Antriebsspindel aufnimmt. Am unteren Ende dieses Gehäuses 54 ist das Gehäuse 56 für den Regelstabantrieb abnehmbar befestigt. Der obere Abschnitt 28 der Schubstange ist im wesentlichen kompakt, besitzt jedoch einerelativ kleine axiale Bohrung, welche eine Betätigungs- stange 58 aufnimmt, die an ihrem oberen Ende mit dem Sperrglied 40 und an ihrem unteren Ende mit einem ähnlichen Sperrglied 80 versehen ist. Wie der Figur entnommen werden kann, weist das Sperr- glied 40 einen zylindrischen Teil mit einer innerhalb desselben vorgesehenen Ringnut auf, in welche die.
Kugeln 38 einfallen können, wobei die Kupplung zwischen dem äusseren Kupplungsteil 34 am unteren En- de des Regelstabes 22 und dem inneren Kupplungsteil 36 auf der Schubstange 28 gelöst wird und der Re- gelstab 22 zur Aufwärtsbewegung freigegeben wird. Am unteren Ende des oberen Abschnittes der Schub- stange ist ein ähnliches Sperrglied 60 vorgesehen, um eine lösbare Verbindung zwischen dem oberen Ab- schnitt 28 der Schubstange und dem unteren Ende des darunter befindlichen hohlen Abschnittes 26 der Schub- stange zu schaffen.
Die Betätigungsstange 58, welche die Sperrglieder 40 und 60 miteinander verbindet, wird federnd in ihrer abgesenktenLage gehalten in der beideSperren geschlossen sind. Um die Sperren zu lösen, wird das Antriebsgehäuse 56 zusammen mit seinen Innenteilen abgenommen und ein Werkzeug durch den Bodenteil des Gehäuses nach oben durch die hohle Führungsspindel soweit eingeführt, bis das Werkzeug das untere Ende des Sperrgliedes 60 berührt. Eine kleine Bewegung des Werkzeuges nach oben bewirkt eine Lösung der Verbindung zwischen Regelstabanordnung 22, dem oberen Teil der Schubstange 28, worauf der Regel- stab aus dem Führungsrohr 20 nach oben herausgezogen werden kann. Bei weiterer Aufwärtsbewegung des Werkzeuges wird die Sperre 60 zwischen den beiden Schubstangenabschnitten gelöst, worauf die hohle Schubstange 26 nach unten bewegt werden kann.
Vorzugsweise in der Führungshülse 63 ist um eine Abwärtsbewegung des kompakten Teiles der Schubstange 28 nach Lösen der Verbindung zwischen Leitspindel 62 und hohler Schubstange 28 und Herausnahme dieser Teile zwecks Durchführung vonlnstandhaltungs- arbeiten zu verhindern, eine Innenschulter vorgesehen.
Die hohle Schubstange 26 ist mit ihrem unteren Ende mit einem Kugel-Schnecken-Antrieb versehen, welcher eine Leitspindel 62 und eine Kugelmutter 64 aufweist und welche Teile in an sich bekannter Weise so angeordnet sind, dass bei Drehung der Leitspindel die Kugelmutter im Gehäuse 54 in axialer Richtung bewegt wird. Das untere Ende der Leitspindel ist mit dem hydraulischen Motor 24, welcher als Axialkolbenmotor ausgebildet ist, verbunden und die Kugelmutter 64 ist durch Nut und Feder oder in anderer Weise im Gehäuse 54 gegen Verdrehung gesichert, so dass bei Ingangsetzung des Motors die Leitspindel 62 in Drehung versetzt wird und die Kugelmutter 64 im Führungsrohr in axialer Richtung bewegt wird.
Eine lösbare Sperre 66 ist ein kurzes Stück unterhalb der obersten Stellung der Kugelmutter 64 vorgesehen, um eine unbeabsichtigte Abwärtsbewegung des Regelstabes und der Schubstange bei Ausfall der Antriebsvorrichtung zu verhindern. Diese Sperre 66 ist durch eine Feder belastet und wird durch diese Feder in das Gehäuse 54 hineingedrückt und kann mittels eines Hubmagneten herausgezogen werden, wenn dies, beispielsweise bei der Steuerbewegung des Regelstabes, gewünscht wird. Die Antriebseinrichtung 12 für den Regelstab ist noch mit einer Rücklaufbremse 68 ausgestattet, die ein Abwandern der Leitspindel nach unten verhindert.
Der hydraulische Motor 24 ist in geeigneter Weise über eine Ventilanordnung 70 mit einer Druckquelle verbunden. Diese Ventilanordnung enthält ein Umsteuerventil 72, welches die Strömungsrichtung des Druckmittels während der normalen Bewegungssteuerung des Regelstabes steuert und Schnellarbeitsventile 74 und 76, welche nur in Notfällen zwecks rascher Druckmittelförderung betätigt werden, denen Steuerventile 78 bzw. 80 zugeordnet sind. Die Verwendung einer Anzahl von Schnellarbeitsventilen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Arbeitsweise des Antriebsmechanismus gesteuert werden soll, ohne den Regelstab tatsächlich inBewegung zu setzen.
Die für die Schnellbetätigung des Regelstabes erforderliche Menge an Druckmittel befindet sich in einem dauernd unter Druck stehenden und mit einem Kolben 84 ausgestattetenSammelbehälter 82, wobei der Druck vom unterhalb desKolbens 84 befindlichen Pressgas aufrecht erhalten wird. Der Vorrat an Druckmittel wird mittels einer äusseren Druckgasquelle unter Druck gesetzt und während der gesamten Betriebsdauer des Reaktors unter diesem Druck gehalten. Bei der Notabschaltung des Reaktors werden die Schnellarbeitsventile samt den dazu gehörenden Steuerventilen augenblicklich in eine Lage gebracht, in der Druckmittel aus dem Sammelbehälter 82 demhydraulischen Motor 24 direkt zugeführt wird, womit dieser mit stark vergrösserter Geschwindigkeit arbeitet.
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Der Axialkolbenmotor 24 derAntriebsvorrichtung 12 für den Regelstab besitzt eine Welle 90, die an ihrem oberen Ende mit einer angetriebenen Welle 92 verbunden ist. Diese Welle 92 steht mit der Leitspindel 62 in Verbindung. Die angetriebene Welle 92 ist mit Rücklaufsperre und Bremse 68 ausgestattet, welche dazu dienen, ein Absinken der Leitspindel nach unten zu verhindern.
Die Erfindung schafft somit einen verbesserten Regelstab fürAtomreaktoren, der derart ausgebildet ist, dass er einen im wesentlichen steuerungsfreien Betrieb ermöglicht und der in besonders vorteilhafter Weise thermische und mechanische Stossbelastungen derart auffängt, dass eine ernstliche Beschädigung bzw. Beeinträchtigung der Wirksamkeit vermieden ist.
Es können ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten, zahlreiche Abänderungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgenommen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelstab für Atomreaktoren mit einer Anzahl an einerHalterung angeordneter Stücke aus neutronenabsorbierendem Material, dadurch gekennzeichnet, dass für die Halterung der Stücke (42) aus neutronenabsorbierendem Material ein Stützstab (30) vorgesehen ist, auf welchem die im wesentlichen zy- lindrischen Stilcke (42) aus neutronenabsorbierendem Material koaxial angeordnet sind, wobei zwischen einander angrenzenden Enden der Stücke aus neutronenabsorbierendem Material Abstandshalter (44) vorgesehen sind, welche Federorgane, wie Tellerfedern (46) ; aufweisen, die die auf das neutronenabsorbierende Material übertragenen Stösse abfangen.