DE1128574B

DE1128574B - Screw spindle device for moving a nuclear reactor control rod

Info

Publication number: DE1128574B
Application number: DEU4138A
Authority: DE
Inventors: John Alexander Forbes Glass
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1956-09-29
Filing date: 1956-09-29
Publication date: 1962-04-26

Description

Schraubspindelvorrichtung zum Bewegen eines Kernreaktorregelstabes Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubspindelvorrichtung zum Bewegen eines Kernreaktorregelstabes, welche aus einer Schraubspindel und. aus einer mit dieser in Verbindung stehenden Mutter einer zu dieser Spindel und Mutter koaxialen Welle für den Drehantrieb der Schraubspindel und aus einer Sicherung gegen die Verdrehung dieser Mutter besteht.Screw spindle device for moving a nuclear reactor control rod The invention relates to a screw spindle device for moving a Nuclear reactor control rod, which consists of a screw spindle and. out one with this related nut of a shaft coaxial with this spindle and nut for the rotary drive of the screw spindle and a safeguard against rotation this mother exists.

Die Reaktivität eines Kernreaktors kann durch die Bewegung von neutronenabsorbierendem Material -üblicherweise in Form von Stäben - in den Reaktorkern hinein und aus diesem heraus gesteuert werden.The reactivity of a nuclear reactor can be influenced by the movement of neutron absorbing Material - usually in the form of rods - into and out of the reactor core be controlled out.

üblicherweise bedient man sich zweier Arten von Regelstäben. Die eine Art wird zur Regelung bei Normalbetrieb verwendet, und diese Regelstäbe müssen sich in beiden Richtungen innerhalb sehr genauer Grenzen (einige hundertstel Millimeter) einregeln lassen. Sie müssen ferner üblicherweise eine schnellere Bewegung (z. B. ein Faktor von 10) in der Richtung, in welcher die Reaktivität verringert wird, als in der Richtung, in welcher die Reaktivität zunimmt, ausführen können. Die andere Art von Stäben dient zur Notabschaltung, und diese brauchen keine Feineinregelung, sondern müssen von jedem Punkt ihres Regelweges her in Richtung abnehmender Reaktivität so schnell wie möglich und mit absoluter Sicherheit betätigt werden können. Es ist bekannt, die Regelung bei Normalbetrieb mit geeigneten mechanischen oder elektromagnetischen Antriebsvorrichtungen mit Hilfe von Getrieben oder Zahnstangen vorzunehmen. Den Erfordernissen der Notabschaltung kann in bekannter Weise durch einen pneumatischen Antrieb in derjenigen Richtung, in welcher die Reaktivität zunimmt, und durch Schwerkraftwirkung in der umgekehrten Richtung genügt werden. Der pneumatische Antrieb ist insofern vorteilhaft, als er schnell gestoppt werden kann, worauf die Schwerkraft zwecks Verringerung der Reaktivität unmittelbar zur Wirkung kommt. Jedoch ist der pneumatische Betrieb nicht für Feinregelung brauchbar, und er eignet sich auch nicht zur Verwendung zusammen mit einer Flüssig-Metall-Kühlanlage in einem Reaktor.Usually two types of control rods are used. The one Art is used for control during normal operation, and these control rods must be in both directions within very precise limits (a few hundredths of a millimeter) get adjusted. You will also typically need a faster movement (e.g. a factor of 10) in the direction in which the reactivity is reduced, than in the direction in which the reactivity increases. The other Type of rods is used for emergency shutdown, and these do not need fine adjustment, but must go from every point of their control path in the direction of decreasing reactivity can be operated as quickly as possible and with absolute certainty. It is known, the regulation during normal operation with suitable mechanical or electromagnetic Make drive devices with the help of gears or racks. The Emergency shutdown requirements can be implemented in a known manner by a pneumatic Propulsion in the direction in which reactivity increases and by the action of gravity in the opposite direction are sufficient. The pneumatic drive is insofar advantageous as it can be stopped quickly, whereupon gravity is used Reduction in reactivity has an immediate effect. However, the pneumatic one Operation cannot be used for fine control, nor is it suitable for use together with a liquid-metal cooling system in a reactor.

Eine andere bekannte Einrichtung zur Notabschaltung von Kernreaktoren verwendet zum Herausziehen der neutronenabsorbierenden Regelstäbe eine mechanische Vorrichtung, bestehend aus einem Zahnrad und einer Zahnstange, die über eine elektromagnetische Kupplung mit einem elektrischen Antriebsmotor verbunden sind. Zur Notabschaltung wird der Motor abgekuppelt, und der Regelstab fällt durch die Wirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern.Another known facility for emergency shutdown of nuclear reactors uses a mechanical one to pull out the neutron-absorbing control rods Device consisting of a toothed wheel and a toothed rack, which via an electromagnetic Coupling are connected to an electric drive motor. For emergency shutdown the motor is disconnected and the control rod falls due to the effect of gravity in the reactor core.

Eine Regeleinrichtung, welche die Regelstäbe einerseits in beiden Richtungen innerhalb sehr genauer Grenzen bewegen läßt, während sie andererseits schnell von jedem Punkt ihres Regelweges aus auslöst, damit diese auf Grund der Schwerkraft herabfallen, um dadurch die Reaktivität zu verringern, könnte die Doppelfunktion der Regelung im Normalbetrieb und der Notabschaltung ausüben. In der Praxis ist es üblich geworden, getrennte Normalbetriebsregel- und Notabschalteinrichtungen zu schaffen. Die Zusammenfassung einer Regeleinrichtung für den Normalbetrieb mit einer Notabschaltvorrichtung in einer einzigen Regeleinrichtung ist jedoch von Haus aus vorteilhaft schore auf Grund der Kostenersparnisse und der Vereinfachung beim Reaktoraufbau.A control device, which the control rods on the one hand in both Moving directions within very precise limits, while on the other hand triggers quickly from any point in its control path so that it is triggered by the Falling gravity, thereby reducing reactivity, could have a dual function control in normal operation and emergency shutdown. In practice it is it has become common to have separate normal operation control and emergency shutdown devices to accomplish. The summary of a control device for normal operation with However, an emergency shutdown device in a single control device is inherent from advantageous shore due to the cost savings and the simplification of the Reactor construction.

Darüber hinaus ist bei kleinen Reaktorkernen, die größtenteils aus spaltbarem Brennstoff und Kühlmittelleitungen ohne Moderator bestehen, das Problem akut, wie Notabschalt- und Normalbetriebsregeleinrichtung in einem begrenzten Raum, ohne dabei den Betrieb des Reaktors zu beeinträchtigen oder zu stören, unterzubringen sind.In addition, in the case of small reactor cores, that is largely made up Fissile fuel and coolant lines without a moderator exist, the problem acute, such as emergency shutdown and normal operation control device in a limited space, without affecting or disrupting the operation of the reactor are.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubspindelvorrichtung zum Bewegen eines Kernreaktorregelstabes zu schaffen, die sowohl eine Feinregelung des Regelstabes im Normalbetrieb des Reaktors ermöglicht als auch zwecks Notabschaltung des Reaktors eine schnelle Auslösung des Regelstabes ermöglicht, damit dieser durch die Schwerkraft in den Reaktorkern hineinfällt. Zur Lösung der Aufgabe ist eine Schraubspindelvorrichtung zum Bewegen eines Kernreaktorregelstabes, welche aus einer Schraubspindel und aus einer mit dieser in Wirkverbindung stehenden Mutter, einer zu dieser Spindel und Mutter koaxialen Welle für den Drehantrieb der Schraubspindel und, aus einer Sicherung gegen die Verdrehung dieser Mutter besteht, vorgesehen, bei der erfindungsgemäß eine vertikale, in beide Richtungen drehbare, aber axial festgelegte Welle angeordnet ist, die durch eine Art Verzahnung mit der Schraubspindel so verbunden ist, daß sich die Schraubspindel zwangläufig mit der Welle dreht, in axialer Richtung jedoch relativ zur Welle frei beweg-]ich ist, an der Mutter der Regelstab des Kernreaktors befestigt ist und ein Elektromagnet die Schraubspindel und die Mutter auslösbar in der obersten. Stellung hält.The invention is based on the object of a screw spindle device to move a nuclear reactor control rod to create both a fine control of the control rod in normal operation of the reactor as well as for the purpose of emergency shutdown of the reactor enables the control rod to be triggered quickly, so that it is through gravity falls into the reactor core. To solve the task is a screw device for moving a nuclear reactor control rod, which from a screw spindle and from a nut that is operatively connected to it, a shaft coaxial with this spindle and nut for the rotary drive of the screw spindle and, consists of a safeguard against the rotation of this nut, provided, in the case of the invention a vertical, rotatable in both directions, but axially Fixed shaft is arranged by a kind of toothing with the screw spindle is connected so that the screw spindle inevitably rotates with the shaft, in axial direction, however, is freely movable relative to the shaft, on the mother of the Control rod of the nuclear reactor is attached and an electromagnet is the screw spindle and the nut triggers in the top one. Holds position.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigen Fig. 1, 2 und 3 Prinzipdarstellungen der Schraubspindelvorrichtung im Schnitt, Fig.4 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 3 im Schnitt, Fig.5 eine Seitenansicht der Schraubspindelvorrichtung im Schnitt.The invention is now to be reproduced by way of example Drawings are explained in more detail, namely, Fig. 1, 2 and 3 show principle representations the screw spindle device in section, Figure 4 is a plan view of the arrangement according to Fig. 3 in section, Fig. 5 is a side view of the screw spindle device in Cut.

In den Fig. 1, 2 und 3 werden die drei Hauptstellungen einer Kernreaktorregeleinrichtung gezeigt, welche vermittels einer Schraubspindelvorrichtung betätigt wird. Die Regelung wird durch Senken und Heben eines aus spaltbarem Stoff bestehenden Bauteils oder Elementes 10 in einem Reaktorkern 11 (Fig.3) bewirkt. Der Bauteil 10 aus oder mit spaltbarem Material ist mit einer Stange 12, die in einer Führung 13 läuft, verbunden. Die Stange 12 weist einen Querarm 14 auf, der mit einem Rohr 15 in einer Führung 16 verbunden ist. Das Rohr 15 ist durch ein röhrenförmiges Teilstück 18 an der Mutter 17 einer Schraubenmutternverbindung befestigt. Die Mutter ist über Kugeln 20 mit einer Schraube 19 verbunden (Kugellagergewinde). Die Schraube ist mit einem Drehkopf versehen, der sich aus einem Bundring 21 und einem Laufring 22 zusammensetzt. Eine über eine Magnetkupplung 24 angetriebene Welle 23 wird in einem Lager 25 gehalten. Ein Magnet 26 ist vorgesehen, um den Bundring 21 und dadurch die Schraube 19 an dem einen Ende ihres Laufweges festzuhalten, wobei der Laufring 22 ein Drehen während des Festhaltens zuläßt. Die Mutter 17 ist mit einem festen Kopf 27 versehen, der ebenfalls durch den Magneten 26 festgehalten werden kann.In Figs. 1, 2 and 3, the three main positions of a nuclear reactor control device are shown, which is operated by means of a screw device. The regulation is effected by lowering and lifting a component or element 10 made of fissile material in a reactor core 11 (FIG. 3). The component 10 made of or with fissile material is connected to a rod 12 which runs in a guide 13 . The rod 12 has a transverse arm 14 which is connected to a tube 15 in a guide 16. The tube 15 is fastened by a tubular section 18 to the nut 17 of a screw nut connection. The nut is connected to a screw 19 via balls 20 (ball bearing thread). The screw is provided with a rotating head, which is composed of a collar 21 and a race 22 . A shaft 23 driven via a magnetic coupling 24 is held in a bearing 25 . A magnet 26 is provided to hold the collar 21 and thereby the screw 19 at one end of its travel path, the race 22 allowing rotation during the hold. The nut 17 is provided with a fixed head 27 which can also be held in place by the magnet 26.

In Fig. 4 hat die Welle 23 Keile 28, und die Schraube 19 hat Keile 29, so daß dann, wenn sieh die Welle dreht, sich die Schraube dreht, jedoch hat die Schraube axiale Bewegungsfreiheit. Die Mutter 17, welche in Sechskantform dargestellt ist, um ihre Funktion zu betonen, wird durch ihre Verbindung mit der Stange 12, die in ihrer Führung 13 gehalten ist, am Drehen gehindert. Die Mutter hat zusammen mit der Schraube, mit welcher sie in Wirkverbindung ist, axiale Bewegungsfreiheit. Eine Bewegung nach oben ist durch den Magneten 26 und nach unten durch den Anschlag 30 (Fig. 3) begrenzt.In Figure 4, the shaft 23 has keys 28 and the screw 19 has keys 29 so that when the shaft rotates the screw rotates but the screw has axial freedom of movement. The nut 17, which is shown in hexagonal shape in order to emphasize its function, is prevented from rotating by its connection to the rod 12 which is held in its guide 13. The nut, together with the screw with which it is in operative connection, has axial freedom of movement. An upward movement is limited by the magnet 26 and downward by the stop 30 (FIG. 3).

Der Betrieb des Gerätes soll nunmehr, beginnend bei Fig.1, beschrieben werden. Das Rohr 15 und somit die Arme 14, die Stange 12 und der Bauteil 10 befinden sich in ihrer untersten Stellung, d. h., der Bauteil 10 ist aus dem Kern 11 herausgezogen, und die Reaktivität ist niedrig. Wenn die Welle 23 gedreht wird, dreht sich die Schraube 19 in der Mutter 17, welche auf dem Anschlag 30 verbleibt. Schließlich wird die in Fig. 2 dargestellte Stellung erreicht, und die Schraube wird über ihren Bundring 21 und den Magneten 26 festgehalten. Es kann keine weitere Drehung der Welle 23 in der gleichen Richtung stattfinden, und die Kupplung 24 schleift. An diesem Punkt wird die Drehrichtung der Welle 23 umgekehrt, und weil die Schraube 19 durch den Magneten festgehalten ist, beginnt die Mutter die Schraube hinaufzusteigen und führt den Bauteil 10 in den Kern 11 ein, so daß die Reaktivität des Reaktors gesteigert wird. Dann ist die in Fig. 3 gezeigte Stellung erreicht, wobei der Kopf 27 der Mutter 17 ebenfalls durch den Magneten 26 festgehalten wird und der Bauteil 10 vollständig eingeführt ist.The operation of the device will now be described, starting with FIG. The tube 15 and thus the arms 14, the rod 12 and the component 10 are in their lowest position, ie the component 10 is pulled out of the core 11 and the reactivity is low. When the shaft 23 is rotated, the screw 19 rotates in the nut 17, which remains on the stop 30. Finally, the position shown in FIG. 2 is reached, and the screw is held in place by means of its collar 21 and the magnet 26. No further rotation of the shaft 23 in the same direction can take place and the clutch 24 slips. At this point the direction of rotation of the shaft 23 is reversed and, because the screw 19 is held in place by the magnet, the nut begins to climb up the screw and insert the component 10 into the core 11 so that the reactivity of the reactor is increased. The position shown in FIG. 3 is then reached, the head 27 of the nut 17 also being held in place by the magnet 26 and the component 10 being completely inserted.

Die Regelung im Normalbetrieb des Reaktors wird dadurch ausgeführt, daß die Mutter 17 über die Welle 23 und Schraube 19 in beiden Richtungen über die Magnetkupplung angetrieben wird. Die Schraube 19 bleibt an ihrem oberen Punkt festgehalten, übermittelt jedoch der Mutter 17 auf Grund ihrer Drehung auf dem Drehkopf und der mit Kugeln 20 versehenen Kupplungen eine Bewegung. Die Notabschaltung wird bei jeder Stellung der Mutter und unabhängig davon, ob der Antrieb betätigt ist oder nicht, durch bloßes Aberregen des Magneten 26 ausgeführt, wobei der Bundring 21 gelöst wird und Mutter und Schraube auf Grund der Schwerkraft auf die Anschläge 30 herabfallen. Der Bauteil 10 aus oder mit spaltbarem Material wird beim Herabfallen von Mutter und Schraube aus dem Reaktor herausgezogen, und der Reaktor wird stillgelegt. In Fig.5 sind die Hauptbestandteile mit den gleichen Bezugszeichen, wie in den Fig.1 bis 4 versehen, nämlich Mutter 17, röhrenförmiges Teilstück 18, Schraube 19, Kugeln 20, Bundring 21, Laufring 22, Welle 23, Magnetkupplung 24, Lager 25, Haltemagnet 26, fester Kopf 27, Keile 28 und 29 sowie Anschlag 30. The regulation in normal operation of the reactor is carried out in that the nut 17 is driven via the shaft 23 and screw 19 in both directions via the magnetic coupling. The screw 19 remains held at its upper point, but transmits a movement to the nut 17 due to its rotation on the rotating head and the couplings provided with balls 20. The emergency shutdown is carried out in every position of the nut and regardless of whether the drive is actuated or not, by simply de-energizing the magnet 26, the collar 21 being loosened and the nut and screw falling onto the stops 30 due to the force of gravity. The component 10 made of or with fissile material is pulled out of the reactor when the nut and screw fall, and the reactor is shut down. In Figure 5, the main components are provided with the same reference numerals as in Figures 1 to 4, namely nut 17, tubular section 18, screw 19, balls 20, collar 21, raceway 22, shaft 23, magnetic coupling 24, bearing 25 , Holding magnet 26, fixed head 27, wedges 28 and 29 and stop 30.

Die Schraubspindelvorrichtung ist in einem zusammengefügten Rohr oder Verbundrohr 31 gehalten, welches in flüssiges Metall mit einer Oberfläche 32 eintaucht. Die Vorrichtung weist eine Auskleidung 33 auf, welche in das Rohr eingepaßt ist, und an der Auskleidung sind der Anschlag 30, eine Buchse 34 und ein Weicheisenring 35 angeschweißt. Am Ring 35 ist außerdem eine Lagerhalterung 47 angeschweißt, und die Halterung 47 ist an eine Membran 36 angeschweißt, welche durch eine Deckelplatte 37 so verschlossen wird, daß sich ein ringförmiger Schacht 38 bildet. Gestapelte Dauermagnetringe 39 sind in diesem Schacht drehbar gelagert. Die Magneten 39 werden in einem Rahmen 40 gehalten, der vermittels Bolzen 41 von einem Kopf 42 entfernt gehalten wird. Der Kopf 42 sitzt auf Lagern 43 und ist mit einer Ringschraube 44 zwecks Kupplung mit einem Schneckengetriebe versehen. Die mit 39 bis 44 numerierten Bestandteile bilden den einen Teil der Magnetkupplung 24. Der andere Teil der Kupplung 24 befindet sich innerhalb der Membran 36 und besteht aus gestapelten Dauerrnagnetringen 45, welche in einem Rahmen 46 sitzen, der auf der Welle 23 festgekeilt ist, so daß durch Kupplung zwischen den Magneten 39 und 45 über die Membran 36 ein Antrieb nach der Welle 23 geliefert wird.The screw spindle device is held in an assembled tube or composite tube 31 which is immersed in liquid metal with a surface 32. The device has a liner 33 which is fitted into the pipe, and the stop 30, a bushing 34 and a soft iron ring 35 are welded to the liner. On the ring 35 further comprises a bearing holder 47 is welded, and the bracket 47 is welded to a membrane 36 which is closed by a cover plate 37 so that an annular slot is formed 38th Stacked permanent magnet rings 39 are rotatably mounted in this shaft. The magnets 39 are held in a frame 40 which is held away from a head 42 by means of bolts 41. The head 42 sits on bearings 43 and is provided with an eyebolt 44 for the purpose of coupling with a worm gear. The components numbered 39 to 44 form one part of the magnetic coupling 24. The other part of the coupling 24 is located within the membrane 36 and consists of stacked permanent magnet rings 45 which sit in a frame 46 which is wedged onto the shaft 23, see above that a drive to the shaft 23 is supplied by coupling between the magnets 39 and 45 via the membrane 36.

Der Weicheisenring 35 weist einen Stegabschnitt auf, welcher so aufgespalten ist, daß er vier Polstücke bildet. über jedes Polstück sind Wicklungen 49 gelegt und von einem anderen Weicheisenring 50 bedeckt. Die mit 35 und 48 bis 50 numerierten Bestandteile bilden den Haltemagneten 26. The soft iron ring 35 has a web portion which is split so that it forms four pole pieces. Windings 49 are placed over each pole piece and covered by another soft iron ring 50 . The components numbered 35 and 48 to 50 form the holding magnet 26.

Claims

PATENT CLAIM: Screw spindle device for moving a nuclear reactor control rod, which consists of a screw spindle and a nut which is in operative connection with this, a shaft coaxial with this spindle and nut for the rotary drive of the screw spindle and a safeguard against the rotation of this nut, characterized in that it has a vertical shaft (23) which can be rotated in both directions but is axially fixed and which is connected to the screw spindle (19) by a type of toothing (28, 29 ) in such a way that the screw spindle (19) inevitably engages with the shaft ( 23) rotates, but is freely movable in the axial direction relative to the shaft (23) , that the control rod of the nuclear reactor is attached to the nut (17) and that an electromagnet (26) triggers the screw spindle (19) and the nut (17) holds in the top position. Documents considered: German Patent No. 855 785; U.S. Patent Nos. 2,472,002, 2,682,785, 2,736,696; French Patent No. 975,781; A. Widmeier, Atlas for Operations and Design, 1954, Stuttgart, S. R 18.