DE1099101B - Regel- und Abschaltelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

• Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren Zur Regelung und Abschaltung von Kernreaktoren, insbesondere heterogenen Reaktoren, bedient man sich bekanntlich so genannter 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 ungünstige Spaltstoffausnutzung zur Folge. Bei Reaktoren, deren Leistung durch die maximale Temperatur am Spaltstoffelement begrenzt ist, kommt noch eine weitere Leistungsminderung hinzu.
• Es sind weiter Absorberanordnungen bekannt, bei denen von dem Gedanken der räumlichen Abdeckung der Spaltstoffelemente durch Absorberhüllen Gebrauch gemacht ist. Die Hüllen lassen sich mehr oder weniger weit über die Spaltstoffstäbe schieben und machen so entsprechende Partien reaktionswirksam. Es bleibt aber - wie bei Regelstäben - die mit dem einseitigen Eintauchen der Absorberträger in den Reaktorkern verbundene Flußverkrümmung bestehen. Hinzu kommen in beiden Fällen konstruktive und betriebliche Schwierigkeiten. Bei Regelstäben sind besondere Führungseinbauten innerhalb .des Reaktorgefäßes und Sondermaßnahmen außerhalb desselben einschließlich der Gefäßidurchbrüche erforderlich. Vorrichtungen mit Absorberhüllen bedürfen besonders gearteter Antriebe und einer vom üblichen abweichenden Gitterkonstruktion. Vor allem aber ist nachteilig die durch Iden großen Hub verursachte lange Abschaltzeit, der große Raumbedarf außerhalb des Reaktorgefäßes für die ausgefahrenen Stäbe und die durch die Ausbauten verursachte geringere Betriebs- und Unfallsicherheit. Ferner kommt bei Regelstäben der Aufwand für Zentrierung, Führung und Versteifung der Stäbe, besonders bei Schräglage, hinzu.
• Bekannt sind ferner Absorbervorrichtungen, bei denen Überdeckungseffekte relativ zueinander bewegter Absorberorgane in einer zentralen Bohrung eines Reaktorkernes ausgenutzt werden. Dabei ist jedoch entweder ebenfalls ein Eingriff in die Neutronenflußverteilung des Reaktorkernes von außen her oder eine Sonderkonstruktion des Kernes erforderlich.
• Weiterhin sind Regeleinrichtungen bekanntgeworden, die zusätzlich zu festen Absorberstäben oder allein absorbierende Flüssigkeiten in einem besonderen Rohrsystem verwenden. Dabei ist besonders eine Regelung der Konzentration. solcher Flüssigkeiten als indirekte Regelung des Absorptionsverhaltens vorgeschlagen worden. Auch bei solchen Anordnungen lassen .sich relativ lange Abschal'tzeiten nicht vermeiden, da verhältnismäßig große Flüssigkeitsmengen in mit Strömungswiderstand behafteten Rohrsystemen beschleunigt werden müssen bzw. eine genügend rasche Änderung der Konzentration der Absorberflüssigkeit kaum durchführbar erscheint.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Regel- und Abschaltelement, das für den Einbau in den Reaktorkern bestimmt ist und nach dem Prinzip beweglicher Absorberhüllen arbeitet. Die Lösung besteht darin, daß die Hülle aus einer Absorberflüssigkeit besteht, welche an sich im Elementengehäuse ruht und mit Hilfe .eines in diesem Gehäuse mit Spiel gelagerten Moderator- oder Spaltstoffkörpers in den Zwischenraum zwischen Körperoberfläche und Elementengehäuse verdrängbar ist. Im einfachsten Fall ist der Verdrängungskörper .als langgestreckter Stab und das Elementengehäuse als geschlossener Zylinder ausgebildet. Als Stabantrieb dient ein elektromagnetischer Antrieb mit Stellungsanzeige.
• Die Zeichnung veranschaulicht schematisch im Längsschnitt zwei Ausführungsbeispiele.
• In den Fig. 1 und 2 ist 1 die erfindungsgemäß aus einer Flüssigkeit erzeugte Absorberhülle. Als Absorberflüssigkeit kommt beispielsweise eine Lösung von Absorbersalzen in D20 (Fig. 1) oder Quecksilber (Fig. 2) in Frage. Die Flüssigkeit ist in einem Metallgehäuse 2 eingeschlossen, in welchem der stabartige Moderator- oder Spaltstoffkörper 3 mit Spiel gelagert ist. Am Antriebsende besitzt der Stab einen ferromagnetischen Kopf 4 mit Querschnittseinschnürung 5. Ihm zugeordnet ist -die Hubmagnetwicklung 6. Sie liegt mit der räumlich darüberliegenden Anzeigewicklung 7 zum Teil im Bereiche der Einschnürung.
• Beim Element nach Fig. 1 befindet sich oberhalb der Absorberflüssigkeit ein Schutzgas- bzw. Dampfpolster B. Es empfiehlt sich, bei Elementen mit Gaspolster Teile der Gehäusewand elastisch nachgebend auszubilden, z. B. in die untere Gehäusestirnwand eine Membran einzubauen. Dadurch wird erreicht, daß im Falle einer unzulässig großen Drucksteigerung im Reaktorkessel das Element abschaltet, ehe die Gehäusewand so weit eingedrückt ist, daß der Stab in seiner Bewegung behindert wird. Zur Rekombination des durch die Strahlung zersetzten schweren Wassers ist zweckmäßig im oberen Teil des Dampfraumes ein Katalysator (Platinkontakt) anzuordnen.
• Das Element nach Fig.2 weist an Stelle eines Gaspolsters eine Deckflüssigkeit 9, z. B. D20, auf. Außerdem ist bei diesem Element der obere Teil des Verdrängungskörpers durch einen Eisenklotz 10 (als Gegengewicht gegen dessen Auftrieb) .beschwert, welcher zur Erzielung geringer Bauhöhe seitlich ausladend geformt ist. Dass Gehäuse ist hieran angepaßt.
• Die Elemente werden nach Möglichkeit auf Zwischengitterpositionen .des Reaktorkernes mit der Antriebsseite unterhalb des Kernes verteilt, ihre Steuerung geschieht :durch Änderung der Stromstärke in der Hubwicklung.
• Wird der Strom geschwächt, taucht :der Stab tiefer in die neutronenabsorbierende Flüssigkeit ein und drückt sie im Zwischenraum zwischen Stab und Gehäuse in einen Bereich größerer Flußdichte hoch. Dabei. wird sie wie eine Hülle ausgebreitet, zugleich verringert sich ihre Selbstabschirmung. Der in Fig.1 und 2 eingezeichnete Flüssigkeitsstand entspricht ungefähr dem Maximalstand, der bei Verwendung -der Elemente als Abschaltelemente eintritt. Die Schnellabschaltung wird durch Abschalten des Stromes für den Hubmagnet ausgelöst.
• Je nach Höhe der Absorberhülle wird auch der Verdrängungskörper für das Verheilten der Neutronen mehr oder weniger wirksam, z. B. als Spaltstoffelement oder als Moderator.
• Bildet sich irgendwie ein Loch im Gehäuse, so mischt sich die Absonberflüssigk eit mit dem Außenmoderator, und der Reaktor schaltet sich auf diese Weise ab. Bei D20-modernisierten Reaktoren empfiehlt sich (deshalb als Absorberflüssigkeit eine Lösung von Verbindungen der seltenen Erden, z. B. Dy bzw. Eu in D20. Der Absorber ist :dann relativ leicht mit der eventuell vorhandenen Reinigungsanlage aus dem Moderator zu entfernen.
• Das Element gemäß Fig.2 kann auch so ausgebildet werden, daß sich die absorbierende Flüssigkeit oben befindet bzw. mit der Deckflüssigkeit ortsvertauscht -ist. In diesem Falle muß der Stab spezifisch leichter als die Absorberflüssigkeit sein, so daß der Auftrieb genügt, eine sichere Abschaltung zu erzielen, wenn der Strom für den Magnet ausfällt.
• Die Einschränkung am Antriebsende des Verdrängungskörpers hat zweierlei Aufgaben. Einmal schafft sie die Voraussetzung dafür, -daß die magnetische Kraftwirkung der Wicklung eine Längsbewegung des Verdrängungskörpers auslöst, zum anderen ändert sie den magnetischen Widerstand der Anzeigewicklung, so daß eine Stellungsanzeige des Stabes möglich ist. Der Stellungsanzeiger kann zusammen mit dem Hubmagnet und ,der Hilfselektronik zu einem Servomechanismus ausgebaut werden, der die exakte Lagedes Stabes sicherstellt. Schwingungen können z. B. durch Anbringen eines Flüssigkeitsdämpfers an dem Stab vermieden werden.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren, bei dem die Absorbersubstanz die Gestalt einer beweglichen Hülle besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einer Absorberflüssigkeit besteht, welche an sich im Elementengehäuse ruht und mit Hilfe eines im Gehäuse mit Spiel gelagerten Moderator- oder Spaltstoffkörpers in den. Zwischenraum zwischen Körperoberfläche und Elementengehäuse verdrängbar ist.
2. 2. Regel- und Aibschaltdement nach Anspruch 1, -dadurch gekennzeichnet, .daß der Verdrängungskörper als langgestreckter Stab und das Elementengehäuse als geschlossener Zylinder ausgebildet und als Stabantrieib ein elektromagnetischer Antrieb mit Stelfangsanzei-ge vorgesehen ist,
3. 3. Regel und Abschaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab am Antriebsende einen ferromagnebischen Kopf mit Querschnittseinschnürung und als Antrieb eine Hubmagnetwicklung aufweist, die mit der beispielsweise räumlich darüberliegenden Anzeigewicklung zum Teil im Bereich der Einschnürung liegt.
4. 4. Regel- und Abschaltelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberflüssigkeit als Komponenten H20 bzw. D20 und Absorber enthält und der Teildes Zwischenraumes oberhalb der Absorberhülle mit einem Schutzgas bzw. Dampf ausgefüllt ist.
5. 5. Regel- und A.bschaltelement nach einem oder mehreren. der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, :daß .als Absorberflüssigkeit Quecksilber oder ein Gemisch aus Quecksilber und einem anderen Absorber vorgesehen ist und der Teil des Zwischenraumes oberhalb der Absorberhülle mit einer nicht absorbierenden Deckflüssigkeit, z. B. D20, angefüllt ist.
6. 6. Regel- und Abschaltelement nach Ansprach5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper beschwert ist, z. B. mit Eisen, und gegebenenfalls zur Erzielung geringer Bauhöhe seitlich auslaidend geformt ist.
7. 7. Regel- und Abschaltelement nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, ,daß Teile der Gehäusewand elastisch nachgebend ausgebildet sind, z. B. als Membran in der unteren Gehäusestirnwand. B. Regel- und Abschaltelement nach Anspruchs, ,dadurch gekennzeichnet, daß Absorberflüssigkeit und nicht absorbierende Deckflüssigkeit ortsvertauscht sind und ein Verdrängungskörper mit großem Auftriebsvermögen vorgesehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1042 145; »Control of Nuclear Reactors and Power Plants« von M. A. S chultz, 1955, S.88.