DE1121240B - Vorrichtung zur Kuehlung von Regelstaeben in Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 19352 VIII c/21g

ANMELDETAG: 7. JULI 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 4. JANUAR 1962

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von in senkrechter Richtung verschiebbaren Regelstäben eines Kernreaktors mit Hufe eines umlaufenden Kühlmittels.

Bekanntlich sind die bisher bekannten Kernreaktoren mit die Neutronen absorbierendes Material enthaltenden Regelstäben ausgestattet, deren Verschiebung den Neutronenfluß verändert und so die Steuerung der Kernreaktors gestattet. Diese Stäbe bestehen im allgemeinen aus zylindrischen Teilen, in welchen sich z. B. Borkarbid befindet und welche in Kanälen verschoben werden, die in dem aktiven Teil oder dem Spaltraum des Meilers angebracht sind.

Jedes Volumenelement eines Regelstabes absorbiert eine Neutronenzahl, welche von der Lage dieses Elements abhängt, d. h. einerseits von der Lage des entsprechenden Kanals in dem Reaktorkern und andererseits von der Lage, im allgemeinen der Höhenlage, dieses Elements an dem Stab. Mit anderen Worten: Die absorbierte Neutronenzahl hängt von der Geometrie des Meilers ab.

Nun erzeugt bekanntlich die Absorption von Neutronen durch einen Körper eine der Stärke dieser Absorption proportionale Wärmeentwicklung. Um die Temperatur dieses absorbierenden Körpers in zulässigen Grenzen zu halten, z. B. auf 450° C bei einem Kernreaktor mit metallischem Uran als Brennstoff, muß dieser gekühlt werden, was im allgemeinen mittels eines umlaufenden Kühlmittels erfolgt. Die erforderliche Strömungsmenge dieses Kühlmittels hängt von der zu absorbierenden Wärmemenge ab. Um die Temperatur in den erforderlichen Grenzen zu halten, muß daher diese Strömungsmenge in Abhängigkeit von der Lage der Stäbe in dem Reaktor geregelt werden.

Es ist bekannt, zu diesem Zweck oberhalb eines jeden Kanals ein Gebläse anzuordnen, dessen Leistung durch Regelung der Drehzahl veränderbar ist. Die unterschiedliche Kühlung wird dabei so vorgenommen, daß man das Gebläse mit voller Drehzahl laufen läßt, wenn sich der Stab in dem Reaktorkern befindet, bzw. eine entsprechend geringere Drehzahl einstellt, wenn der Stab eine vom Reaktorkern weiter entfernt liegende Lage einnimmt.

Ein ähnliches Problem tritt auch bei der Kühlung der Brennstoffstäbe eines Kernreaktors auf, da diese im Innern des Reaktorkerns gleichfalls stärker gekühlt werden müssen als in den äußeren Bereichen. Hierbei besteht aber insofern ein Unterschied, als die Brennstoffstäbe sich im allgemeinen über die gesamte Länge des Meilers erstrecken. Um bei den Vorrichtung zur Kühlung von Regelstäben in Kernreaktoren

Anmelder: Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. W. P. Radt

und Dipl.-Ing. E. E. Finkener, Patentanwälte,

Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 22. Juli 1958

Andre Ertaud, Paris,

und Jacques Panossian, Chaville, Seine (Frankreich), sind als Erfinder genannt worden

Brennstoffstäben über die Länge des Stabes eine unterschiedliche Kühlung zu erreichen, ist es bekannt, den Kanälen einen unterschiedlichen Querschnitt zu geben, und zwar derart, daß der Querschnitt in dem Maße verringert wird, in dem ein größerer Wärmeübergangskoeffizient gewünscht wird. Hierdurch läßt sich unter Zugrundelegung einer konstanten Kühlmittelmenge im Innern des Reaktors, wo der Querschnitt des Kanals kleiner ist als am Anfang, infolge der größeren Strömungsgeschwindigkeit eine größere Kühlung erzielen als in den äußeren Bereichen.

Die Maßnahmen, die zur Kühlung der Brennstoffstäbe eines Reaktors bekannt sind, lassen sich jedoch bei der Kühlung der Regelstäbe nicht anwenden, da diese nicht die gesamte Länge eines Kanals ausfüllen, sondern erheblich kürzer als dieser sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Kühlen von in senkrechter Richtung verschiebbaren Regelstäben eines Kernreaktors mit Hilfe eines umlaufenden Kühlmittels zu schaffen, die es gestattet, die Strömungswege des Kühlmittels in Abhängigkeit von der Lage der Regelstäbe im Reaktorkern zu regeln, so daß jede Überschreitung der zulässigen Höchsttemperatur vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die verschiebbaren Regelstäbe in Kanälen angeordnet, deren Querschnitt in Richtung auf die Mitte des Reaktorkerns zunimmt, so daß bei unterschiedlichen

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Lagen des Stabes in dem Kanal unterschiedliche Durchtrittsquerschnitte für das Kühlmittel vorliegen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Vorrichtung wird jeder Kanal aus mehreren übereinanderliegenden Rohren mit verschiedenen Querschnitten gebildet.

Um den Kanal in der obersten Lage des Regelstabes absperren zu können, ist in einer weiteren Ausbildung der vorliegienden Vorrichtung an dem Betätigungskabel eines jeden Regelstabes ein Drosselglied angeordnet, dessen Profil einer am Ende des Kanals vorgesehenen konischen Einschnürung angepaßt ist.

Damit auch die Lage der einzelnen Kanäle in bezug auf den Reaktorkern bei der Kühlung berücksichtigt werden kann, ist vorgesehen, daß der Kühlmittelzufluß zu den verschiedenen Kanälen durch die Anordnung von Blenden in unterschiedlichen Mengen erfolgt.

Die vorliegende Vorrichtung bringt insbesondere folgende Vorteile mit sich:

a) Eine selbsttätige Regelung der Kühlmittelmenge in jedem Kanal in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhenlage des entsprechenden Regelstabes.

b) Die Möglichkeit der Abtrennung der Hebewinde »5 bei geschlossenem Drosselglied, wodurch Kontrollbesichtigungen ermöglicht und die Instandhaltung erheblich erleichtert werden.

c) Die Anordnung der festen Blenden gestattet eine zweckentsprechende Verteilung der Strömungsmenge auf die verschiedenen parallel gespeisten Kanäle, wodurch eine unterschiedliche Kühlung in Abhängigkeit von der Lage der Kanäle in bezug auf den Reaktorkern erzielt wird.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Teilansicht einer Anlage nach der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Axialschnitt eines Drosselgliedes mit veränderlichem Profil zur Regelang der Strömungsmenge des Kühlmittels in einem Kanal.

In den Figuren sind nur die für das Verständnis der vorliegenden Vorrichtung erforderlichen Teile dargestellt.

In Fig. 1 sind zwei Kanäle 1 und la dargestellt, in welchen eine nicht dargestellte Winde, in deren Kammer der Druck des Kühlmittels herrscht, die Höhenlage von Regelstäben 2 mit Hilfe von Kabeln 3 verändern kann. Über dem oberen Ende eines jeden Stabes 2 trägt das Kabel 3 einen kegelstumpfförmigen Verschlußkörper 4.

Die Kanäle 1 und 1 α sind zylindrisch und laufen an ihrem strömungsaufwärts gelegenen Ende in eine konische Einschnürung 5 aus, deren engster Teil nach strömungsaufwärts gerichtet ist und deren Winkel der gleiche wie der des Verschlußkörpers 4 ist. Das Kühlmittel speist parallel die Kanäle 1 und la aus einer Verteilungsleitung 6, welche mit den Kanälen über Blenden 7 und 8 verbunden ist, deren Durchtrittsquerschnitt entsprechend der Lage des entsprechenden Kanals 1 oder la in dem Kernreaktor bestimmt ist.

Wie dargestellt, werden die Kanäle 1 und la zweckmäßig durch einen unteren zylindrischen Teil 9 gebildet, über welchem eine gewisse Zahl von Rohren 10 und 11 angeordnet sind, deren Durchmesser in der Strömungsrichtung zunimmt, und deren oberstes durch den Kegel 5 abgeschlossen wird.

Die Regelung der Strömungsmenge des Kühlmittels in jedem Kanal 1 oder la kann durch die in Fig. 2 dargestellte Anordnung erfolgen, in welcher man einen Teil des Rohrs 11 sieht. In diesem Rohr ist ein Ring 12 befestigt, welcher eine kegelstumpfförmige Bohrung 13 enthält, über welcher ein zylindrischer Abschnitt 14 hegt. An dem unteren Ende des Kabels 3 ist auf beliebige Weise ein Verschlußkörper 4 befestigt. Dieser besteht aus Stahl und enthält einen oberen zylindrischen Abschnitt Aa, einen kegelstumpfförmigen Körper 4 b und einen zylindrischen Abschnitt 4 c, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser der großen Grundfläche des Körpers 4 b ist. Der Regelstab 2 ist unter dem Zylinder 4 c mittels des Kabels 3 a befestigt.

In dem französischen Kernreaktor G 2, in dem die vorliegende Vorrichtung angewendet wird, sind die Stäbe 2 zylindrische Elemente von etwa 4 cm Durchmesser und 500 cm Länge. Das Kühlmittel ist Kohlensäuregas mit einem Druck von 15 kg/cm², und die in den Kanälen der Regelstäbe erforderliche größte Kühlmittelmasse schwankt zwischen 370 g/s für den Kanal in der Mitte und 120 g/s für den am weitesten am Umfang gelegenen Kanal. Ferner schwankt bei dem Kanal in der Mitte die erforderliche Kühlmittelmasse zwischen 370 g/s, wenn sich der Stab in der tiefsten Stellung befindet (größte Neutronenabsorption) und 6 g/s, wenn sich der Stab in der normalen obersten Stellung befindet (geringste Neutronenabsorption).

Der Umlauf des Kohlensäuregases wird durch einen Druckunterschied zwischen den strömungsaufwärts und strömungsabwärts liegenden Enden der Kanäle 1 hergestellt, welcher bei voller Leistung des Atommeilers größenordnungsmäßig 100 g/cm² beträgt. Die einundfünfzig Kanäle der Regelstäbe dieses Reaktors können zu drei Gruppen zusammengefaßt werden, so daß nur drei Blendenarten 7 oder 8 erforderlich sind. Die Durchmesser der verschiedenen Blenden wurden so berechnet, daß die Strömungsmenge in der richtigen Weise auf die Kanäle aufgeteilt wird, wofür sich folgende Werte ergaben:

4 cm für die Kanäle der mittleren Stäbe,
3 cm für die Kanäle der Zwischenstäbe,
2 cm für die Kanäle der Umfangsstäbe.

Unter diesen Bedingungen beträgt bei einer Strömungsmenge von 370 g/s in dem mittleren Kanal die Strömungsmenge in dem am weitesten am Umfang liegenden Kanal 140 g/s. Die Veränderung der Strömungsmenge in einem Kanal 1 in Abhängigkeit von der Höhenlage des Stabes 2 in dem Kanal erfolgt durch die vorliegende Vorrichtung, welche eine bedeutende Zunahme des Druckabfalls bei einem Aufsteigen des Stabes in dem Kanal bewirkt. Nach seinem Austreten aus dem in den Moderatorblock aus Graphit eingearbeiteten Kanal 9 (Fig. 1) gelangt der Stab nacheinander in zwei Rohre 10 und 11, deren Innendurchmesser 64 bzw. 62 mm betragen. Der Durchtrittsquerschnitt des Kühlmittels nimmt daher bei einer Aufwärtsbewegung des Stabes ab. Das Rohr 11 läuft an seinem oberen Ende in eine kegelstumpfförmige, allmählich zunehmende Einschnürung 5 aus, deren kleinster Durchmesser 24 mm und deren Höhe 60 cm beträgt.

Die durch die Einschnürung 5 und den Verschlußkörper 4 gebildete Anordnung erfüllt eine doppelte Aufgabe: Wenn der Verschlußkörper 4 in die Einschnürung 5 eintritt, ohne sie jedoch vollständig zu

verschließen, wird der Kohlensäureumlauf stark verringert, ohne jedoch vollständig unterbrochen zu werden. Dies entspricht der normalen oberen Stellung des Regelstabes, in welcher nur eine sehr geringe Durchflußmenge des Kühlmittels erforderlich ist; wenn dagegen der Verschlußkörper 4 gegen die Einschnürung 5 gedrückt wird, erfolgt eine derartige Abdichtung, daß der vor der Einschnürung liegende Teil des Strömungskreises von dem übrigen Reaktorkern abgetrennt ist. Diese vollständige Unterbrechung des Kühlmitteldurchtritts zu dem entsprechenden Kanal gestattet, den normalerweise in der Kammer der Hebewinde aufrechterhaltenen Druck abzulassen und so die Besichtigung und Instandhaltung der Winde zu ermöglichen.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Kühlen von in senkrechter Richtung verschiebbaren Regelstäben eines Kernreaktors mit Hilfe eines umlaufenden Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiebbaren Regelstäbe (2) in Kanälen (1, la) angeordnet sind, deren Querschnitt in Richtung auf die Mitte des Reaktorkerns zunimmt, so daß bei unterschiedlichen Lagen des Stabes in dem Kanal unterschiedliche Durchtrittsquerschnitte für das Kühlmittel vorliegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (1, 1 a) aus mehreren übereinanderliegenden Rohren (9, 10, 11) mit verschiedenen Querschnitten gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Regelstab (2) an einem Ende mit einem Drosselglied (4) zur Drosselung des Kühlmitteldurchflusses versehen ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Blenden (7, 8) vorgesehen sind, die den Kühlmittelzufluß zu den Kanälen (1, 1 ä) entsprechend der Lage des Kanals im Reaktorkern begrenzen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 781 648;
Reactor Handbook: Engineering, 1955, S. 464.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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