DE1129631B - Vorrichtung zum Ausfuehren und Fernsteuern einer Drehbewegung mit konstanter, regelbarer Geschwindigkeit in einem Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausführen und Fernsteuern einer Drehbewegung mit konstanter, regelbarer Geschwindigkeit in einem Kernreaktor.

Es ist bekannt, daß man beim Messen der Übertragungsfunktion eines Kernreaktors einen Reaktivitätsmodulator verwenden kann, der aus zwei konzentrischen Zylindern gebildet ist, die teilweise mit Kadmium bedeckt sind. Ein Zylinder ist feststehend, der andere wird um seine Achse mit konstanter Geschwindigkeit gedreht.

Man muß die Bewegung dabei so ausführen, daß die Geschwindigkeit konstant und veränderbar ist, und die Stellung des drehbaren Zylinders in bezug auf den feststehenden Zylinder bestimmen. Dieser Vorgang wird Bestimmung der Phase des drehbaren Zylinders genannt, wobei die Phase entweder durch den Winkel gekennzeichnet werden kann, der in einem bestimmten gegebenen Augenblick zwischen einem Markierungsradius an dem drehbaren Zylinder und einem ursprünglichen Radius an dem festen Zylinder gebildet ist, oder durch den Zeitpunkt, in dem der durch die beiden vorerwähnten Radien gebildete Winkel einen bestimmten Wert annimmt. Man muß auch zusätzlich die Lage der beiden Zylinder insgesamt in dem Reaktor verschieben und einstellen können.

Ganz allgemein besteht das Problem also darin, die kontinuierliche Drehbewegung eines auf einer Achse befestigten Teiles zu gewährleisten und über eine veränderbare Entfernung zu steuern. Diese veränderbare Entfernung ist hinlänglich groß, und die Temperatur und Strahlungsbedingungen sind derart, daß die mechanische oder elektrische Übertragung sich äußerst schwierig gestaltet.

Die mechanische Übertragung, die sich bei Reaktoren mit geringer Leistung verwenden läßt, bei denen die Strahlung verhältnismäßig wenig hindert, weist nämlich ihrerseits bei Leistungsreaktoren die folgenden Nachteile auf:

a) Die Torsion der Welle, die sehr lang ist, ergibt eine störende Phasenverschiebung zwischen der Phase des sich drehenden Teiles und derjenigen, die entfernt davon und am äußeren Umfang des Reaktors an der Welle gemessen wird;

b) die Strahlung der Leistungsreaktoren bewirkt Erwärmungen und Ausdehnungen der Metalle sowie eine Verfestigung der Schmieröle, wodurch die mechanische Übertragung der Bewegung erschwert wird, vor allem bei einer Übertragung über eine große Entfernung in der Größenordnung von mehreren Metern, da die Länge und die geringe

Vorrichtung zum Ausführen

und Fernsteuern einer Drehbewegung

mit konstanter, regelbarer Geschwindigkeit

in einem Kernreaktor

Anmelder: Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt, München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 31. August 1959 (Nr. 803 933)

Yvon Garnier, Gif-sur-Yvette, Seine,

Jean-Pierre Genthon, Antony, Seine,

Andre Marie, Plessis Robinson, Seine,

und Robert Monge, Gif-sur-Yvette, Seine

(Frankreich), sind als Erfinder genannt worden

Festigkeit der Welle, die aus einem Neutronen wenig absorbierenden Material besteht, z. B. aus Aluminium, zusätzliche mechanische Einrichtungen erfordern, z. B. Kugellager.

Anderseits weist die elektrische Übertragung den Nachteil auf, daß sie Isoliermittel erfordert, die unter Bestrahlung stabil sind, und daß sie schädliche Phasenverschiebungen mit sich bringt.

Die Erfindung zeigt zur Bewältigung des vorstehenden Problems eine andersartige und besonders günstige Lösung. Gemäß der Erfindung dient als Antrieb ein erster, zugleich die Kühlung der gesamten Vorrichtung bewirkender Gasstrom mit konstanter Stromstärke, der eine erste Turbine in axialer Richtung beaufschlagt, die fest mit dem zu drehenden, im Inneren eines ortsfesten Bauteiles angeordneten Bauteil verbunden ist, während ein zweiter Gasstrom eine zweite, zur ersten gegenläufige Turbine, die fest mit dem zu drehenden Bauteil verbunden ist, in tangentialer Richtung beaufschlagt, so daß diese zweite Turbine auf den zu drehenden Bauteil und die erste antreibende Turbine eine Bremswirkung

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ausübt, wobei dieser zweite Gasstrom in Abhängig- ist mit einem Kadmiumbelag versehen. Im Inneren

keit von der Drehgeschwindigkeit des anzutreibenden des Zylinders 4 befindet sich der Zylinder 5, der um

Bauteiles regelbar ist. die Achse 6 drehbar ist.

Hierdurch ergibt sich zunächst der Vorteil, daß Mit dem Zylinder 5 ist eine Gasturbine 7 fest verder einzige mechanische Bauteil, der in dem Reaktor 5 bunden, die durch aus dem Rohr 8 austretendes Gas

bewegt wird, der bewegliche, mit einstellbarer, gleich- in tangentialer Richtung beaufschlagt wird. Mit

bleibender Drehzahl anzutreibende Bauteil ist. Als diesem Zylinder 5 sind ebenfalls eine weitere Turbine

Antriebs- und Steuermittel dient gegenüber Strahlung 52 und eine Scheibe 9 fest verbunden. Die Turbine

weitgehend unempfindliches Gas. Eine mechanische 52 wird durch das Gas des Kühlkreislaufs der ge- oder eine elektrische Kraftübertragung entfällt. Alle io samten Einrichtung im Innern der zylindrischen

empfindlichen oder komplizierten Teile befinden sich Haube 1 in axialer Richtung beaufschlagt,

außerhalb des Reaktors. Sie sind den Strahlen nicht Die Höhe der beiden Zylinder des drehbaren

ausgesetzt und können leicht überwacht werden. Modulators beträgt 30 cm, und das Gesamtaggregat

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ergibt sich da- aus beiden Zylindern kann oben im Innenraum der

durch, daß das Antriebsgas auch die Kühlung der 15 zylindrischen Haube 1 angeordnet sein. Der äußere

Kammer, die den Modulator enthält, übernimmt. Durchmesser derselben beträgt 48 mm und deren Ge-

Zur Messung der Phase der Drehbewegung samtlänge 3 m.

kann eine elektrische, elektrostatische oder elektro- Gemäß Fig. 2 ist die Scheibe 9 mit vier radialen

magnetische Empfangseinrichtung dienen. Wenn die Spalten von V10 mm Breite versehen, wobei die drei

Messung an dem drehbaren Bauteil selbst erfolgt, ist 20 Spalte 10, 11 und 12 2 mm lang sind, während der

es erforderlich, einen isolierten Leiter bis zu einem vierte Spalt 13 3 mm lang ist.

Unterbrecher oder einer äquivalenten Vorrichtung zu Ein Metallteil, der in der Öffnung 14 des Rohres 3

führen, die in der Höhe des drehbaren Bauteiles an- angeordnet ist, bildet zwei Spiegel 15 und 16, die um

geordnet ist und durch dessen Drehung gesteuert 45° entlang zweier senkrecht aufeinanderstellender

wird. Für diesen Leiter kann beispielsweise eine feste 25 Richtungen geneigt sind. Mit dem Rohr 3 ist ein

Stange vorgesehen sein, die durch das Gas isoliert Schirm 17 fest verbunden, der mit einem radialen

ist. Die elektrische Rückleitung geschieht über die Spalt 18 von ¹Ao mm Breite senkrecht über dem

Masse. Soweit an einigen Stellen noch Isolierteile Spiegel 15 versehen ist. Oberhalb dieses Spaltes 18

notwendig sind, kann man geeignete Isolierstoffe, ist der Schirm 17 mit einem vertikalen und gerad-

z. B. feuerfeste Steine, verwenden, die sich bei den 30 linigen Rohr 19 bedeckt, das sich bis zum Ausgang

vorliegenden Strahlungs-und Temperaturbedingungen des Reaktors erstreckt,

nicht oder nicht wesentlich ändern. Das Rohr 3 ist in seinem oberen Bereich durch

Eine exakte Phasenmessung ergibt sich gemäß eine Platte 20 verschlossen, in dessen Höhe das einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Rohr 8 durch ein feststehendes Rohr 21 verlängert Vorrichtung dadurch, daß die Vorrichtung, die den 35 ist, während das Rohr 19 durch ein feststehendes zweiten Gasstrom für die Bremsung des beweglichen Rohr 21 verlängert ist. Die mit einem Gewinde verTeiles steuert, eine Lichtsignalquelle enhält. Zweck- sehene Stange 23 ermöglicht durch Drehen eine mäßig ist dabei das von der Lichtquelle ausgesandte Längsverschiebung der Platte 20 und der von dieser Lichtbündel auf eine mit dem beweglichen Teil fest Platte getragenen gesamten Vorrichtung, wobei die verbundene und mit mindestens einem Spalt ver- 40 Rohre 8 und 21 sowie 19 und 22 ineinander gleiten sehene Scheibe gerichtet und trifft nach dem Durchtritt können. Der Teil 24 bezeichnet den Schutzbehälter, durch den Spalt auf ein Detektorsystem, welches die der den Reaktorkern umgibt. Die Öffnungen 25, 26, von einem Meßgerät für die Drehgeschwindigkeit 27, 28 und 29 ermöglichen den Gasdurchtritt zum gelieferten Signale mit einem SoEwertsignal ver- Antrieb der Turbinen 7 und 52.
gleicht und mit diesem Vergleichssignal einen Ver- 45 In Fig. 3 erkennt man den Stopfen 30, der die stärker steuert, der auf einen Motor einwirkt, der die zylindrische Haube 1 in der Höhe des oberen BeStromstärke des Hilfsgasstromes steuert. reiches des Schutzbehälters 24 verschließt. Die Rohre

Die Erfindung wird im folgenden an Hand sehe- 21 und 22 sind in diesem Stopfen befestigt und in

matischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ihrem oberen Bereich gekrümmt, damit das erste

näher erläutert. 50 Rohr horizontal mit der Leitung 31 und das zweite

Fig. 1 ist ein Längsschnitt des unteren, in dem Rohr mit dem Photoelektronenvervielfacher 32 in

Reaktor gelegenen Bereiches eines vertikalen zy- Verbindung steht. Die mit einem Gewinde versehene

lindrischen Teiles, das den Reaktivitätsmodulator Stange 23, die den Stopfen 30 ebenfalls durchquert,

enthält; wird von einem Motor 33 angetrieben, der einen zu-

Fig. 2 ist eine Draufsicht der Scheibe, die fest 55 geordneten Tourenzähler 34 aufweist. Senkrecht über mit dem drehbaren Zylinder des Modulators ver- dem Spiegel 16 ist der Stopfen 30 von einer Lichtbunden ist; leitung 35 von 5 mm Durchmesser durchquert, an

Fig. 3 zeigt ein Schema der Gesamtanordnung mit dessen oberem Abschnitt sich eine Lichtquelle 36 von

dem Detektorsystem, den Meßgeräten und dem 70 Watt Leistung befindet. In der Knickstelle des

Steuersystem. 60 Rohres 22 befindet sich ein Umlenkspiegel 37.

Man erkennt in Fig. 1 die zylindrische Haube 1, Ein Druckminderventil 38 ermöglicht das Zuführen

in dessen Innenraum der drehbare Reaktivitäts- eines konstanten Kohlendioxydstromes in die Leitung

modulator angeordnet ist, den Zylinder 2, der 'kon- 39 und das Rohr 40, das dann durch den Zwischen-

zentrisch zu der zylindrischen Haube 1 angeordnet ist raum zwischen den zylindrischen Teilen 1 und 2 ver-

und im unteren Bereich eine Öffnung aufweist, so- 65 längert ist. Mit einem Rohr 41 läßt sich das Gas, das

wie das Rohr 3, das in dem Zylinder 2 gleiten kann. die Vorrichtung durchströmt hat, wieder auffangen.

Der untere Abschnitt des Rohres 3 spielt die Rolle In der Leitung 31 ist ein Ventil 42 angeordnet, das

des feststehenden Zylinders 4 des Modulators und den in dieser Leitung fließenden Gasstrom regelt.

Hinter dem Photoelektronenvervielf acher 32 ist ein Gerät 43 angeschaltet, das durch einfaches Zählen der von dem Photoelektronenvervielfacher 32 herrührenden Impulse ein Maß für die Geschwindigkeit ergibt, eine Integriereinrichtung 44 für die Impulse, die die Drehgeschwindigkeit des Zylinders S kontinuierlich mißt, eine Ablesevorrichtung 45, die mit dieser Integriereinrichtung gekuppelt ist, sowie ein magnetischer Verstärker 46, der einen Zweiphasenmotor 47 speist, welcher auf das Ventil 42 einwirkt.

Die Vorrichtung hat folgende Wirkungsweise: Ein Kohlendioxydstrom, der durch das Druckminderventil 38 im wesentlichen konstant gehalten ist, wird über die Rohrleitung 40 zwischen die zylindrischen Teile 1 und 2 geleitet. Dieser konstante Gasstrom entspricht demjenigen, der zum Kühlen der Vorrichtung beim Betrieb des Reaktors erforderlich ist. Das Gas gelangt in den unteren Bereich der zylindrischen Haube 1 und wirkt sodann nach Durchqueren der Öffnungen 25 in axialer Richtung auf die Turbine 52. Diese Turbine ist derart bemessen, daß sie den Zylinder 5 mit einer gewünschten Geschwindigkeit antreibt, hier z. B. etwa mit 1500 U/min für einen Gasstrom von 100 kg/h. Außer der Funktion des Antriebes gewährleistet der Gasstrom also auch noch eine Kühlung der Vorrichtung. Er gelangt durch das Rohr 41 aus dem Reaktor heraus, nachdem er die Öffnungen 27, 28 und 29 durchquert hat.

Durch die Leitung 31, das Rohr 20 und das Rohr 8 dringt ein zweiter Kohlendioxydstrom in den Reaktor ein. Dieser Gasstrom wirkt in tangentieller Richtung auf die Turbine 7, die bremsend auf den Zylinder 5 einwirkt. Nach dem Durchtritt durch die Turbine 7 vermischt sich der zweite Gasstrom mit dem ersten und gelangt über das Rohr 41 aus dem Reaktor heraus.

Wenn man nur eine einzige konstante Geschwindigkeit benötigt, dürfte die Turbine 52 — für die entsprechende Kühlströmungsmittelmenge berechnet — ausreichen. Das System der beiden Turbinen 7 und 52, die gegeneinander arbeiten, ermöglicht eine Veränderung der Drehgeschwindigkeit des Zylinders 5 in einem weiten Bereich, z. B. von 30 U/min bis zu mehr als 1500 U/min, wobei die obere Grenze für die Geschwindigkeit praktisch nur von der Haltbarkeit der Lagerzapfen 6 abhängt. Außerdem sei noch bemerkt, daß Veränderungen der Geschwindigkeit die Kühleigenschaften für die Vorrichtung nicht verändern.

Das von der Lichtquelle 36 ausgehende Lichtbündel läuft durch das Rohr 35 über den Spiegel 16, den Spiegel 15 und dann, wenn es nicht durch die drehbare Scheibe 9 unterbrochen wird, durch den Spalt 18, wird an dem Spiegel 37 umgelenkt und schließlich von dem Photoelektronenvervielf acher 32 aufgefangen. Die Anordnung mit der drehbaren Scheibe 9 und dem festen Schirm 17 läßt das Strahlenbündel nur passieren, wenn ein Spalt dieser Scheibe irgendeinem Spalt 10 bis 13 gegenübersteht.

Der Photoelektronenvervielfacher 32 ist sehr empfindlich (500 Ampere/Lumen). Er hat zwei Arbeitsstellungen, die etwa dem Vorhandensein und dem Fehlen von Licht entsprechen. Das Rohr 19 schaltet jede Lichtnebenwirkung aus. Diese Vorrichtung ermöglicht einen Betrieb bei sehr ungünstiger Lichtausbeute, z. B. wenn die Spiegel 15 und 16 aus ihrer richtigen Lage verstellt oder zerstört sind. Mit einer Lichtquelle 36 von 70 Watt Leistung erhält man ohne irgendeine Fokussierung Impulse mit einer Amplitude von 0,1 Volt.

Mit dem Schwellenwertindikator 48 wird ein Impuls pro Umdrehung, und zwar der größte, d. h. derjenige, der dem Spalt 13 mit 3 mm Länge entspricht, ausgewertet und ergibt bei 49 das Phasensignal.

Die Einrichtung 45 zum kontinuierlichen Ablesen der Drehgeschwindigkeit des Zylinders 5 kann durch eine Registriervorrichtung ersetzt sein, die ebenfalls hinter der Integriervorrichtung 44 angeordnet ist.

Der magnetische Verstärker 46 wird von dem Unterschied der Spannungen an der Integriereinrichtung 44, die der augenblicklichen wirklichen Geschwindigkeit entspricht, und einer Referenzspannung 50, die der vorgeschriebenen Geschwindigkeit entspricht, gesteuert. Dieser Verstärker versorgt den Zweiphasenmotor 47, der über ein Ventil 42 den Gasstrom für die Turbine 7 regelt.

Die Phase ist auf wenigstens 0,1° genau feststellbar.

Die Zahl der Spalte in der drehbaren Scheibe 9 ist durch die Geschwindigkeit bestimmt, die man messen will. Bei großen Geschwindigkeiten dürfte ein einziger Spalt genügen. Die kontinuierliche Messung der Drehgeschwindigkeit erfordert eine gute Regelung, so daß bei kleiner Geschwindigkeit die Zahl der Spalte größer sein soll.

Die Regelung der Stellung des drehbaren Reaktivitätsmodulators geschieht durch Drehen der mit einem Gewinde versehenen Stange 23, wie weiter oben bereits erläutert ist. Der Drehzähler 34, der mit dem Motor 33 verbunden ist und diese Drehbewegung steuert, zeigt die Stellung des Modulators im Inneren der zylindrischen Haube 1 an.

Das Aggregat des Rohres 3 des drehbaren Modulators und der Platte 20 kann im Inneren des Zylinders 2 auf Graphitschuhen 51 (Fig. 1) gleiten.

Es ist natürlich möglich, eine stärkere Lichtquelle zu verwenden und das Lichtbündel zu fokussieren, jedoch ist diese Weiterbildung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht nötig.

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Ausführen und Fernsteuern einer Drehbewegung mit konstanter, regelbarer Geschwindigkeit in einem Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb ein erster, zugleich die Kühlung der gesamten Vorrichtung bewirkender Gasstrom mit konstanter Stromstärke dient, der eine erste Turbine in axialer Richtung beaufschlagt, die fest mit dem zu drehenden, im Inneren eines ortsfesten Bauteiles angeordneten Bauteil verbunden ist, daß ein zweiter Gasstrom eine zweite, zur ersten gegenläufige Turbine, die fest mit dem zu drehenden Bauteil verbunden ist, in tangentialer Richtung beaufschlagt, so daß diese zweite Turbine auf den zu drehenden Bauteil und die erste antreibende Turbine eine Bremswirkung ausübt und daß dieser zweite Gasstrom in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des anzutreibenden Bauteiles regelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu drehende Bauteil, der sich in einem geschlossenen Behälter befindet, und die beiden Turbinen, die gegenläufig angeordnet sind, eine gemeinsame Drehachse haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Behälter zylinderförmig ist und an dem einen Ende durch einen Stopfen verschlossen ist, der von mehreren Leitungen durchbrochen ist, und daß in diesem Behälter konzentrisch eine zylinderförmige Hülse mit offenem Boden, ein Rohr, das den feststehenden Teil bildet, und der zu bewegende Bauteil angeordnet sind, und daß der zu bewegende Bauteil in der Hülse mit Hilfe einer mit einem Gewinde versehenen Stange, die von einem Motor angetrieben wird, und unterstützt von Graphitschuhen in Längsrichtung gleiten kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, die den zweiten Gasstrom für die Bremsung des beweglichen Teiles steuert, eine Lichtsignalquelle enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lichtsignalquelle ao ausgesandte Lichtbündel auf eine mit dem beweglichen Teil fest verbundene und mit mindestens einem Spalt versehene Scheibe gerichtet ist und nach dem Durchtritt durch den Spalt auf ein Detektorsystem trifft, welches die von einem Meßgerät für die Drehgeschwindigkeit gelieferten Signale mit einem Sollwertsignal vergleicht, und mit diesem Vergleichssignal einen Verstärker steuert, der auf einen Motor einwirkt, der die Stromstärke des Hilfsgasstromes regelt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung des feststehenden Teiles durch die im Detektorsystem nachgewiesenen Lichtimpulse anzuzeigen ist und ein Schwellenwertindikator vorgesehen ist, der bei Verwendung von Scheiben mit mehreren Spalten die Auswahl eines einzigen Impulses pro Umdrehung ermöglicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des beweglichen Teiles durch einfaches Zählen der Impulse und/oder durch Integrieren der Impulse des Detektorsystems zu ermitteln ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel zwischen der Lichtquelle und dem Detektorsystem durch einen Satz Metallspiegel zu lenken ist, die um 45° zu zwei zueinander senkrechten Richtungen geneigt und zwischen der Scheibe und der zweiten Turbine im oberen Bereich des beweglichen Teiles gelegen sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle, das Meßgerät für die Drehgeschwindigkeit, die Verstärker und das Detektorsystem für das Lichtbündel im Abstand von dem beweglichen Teil im Außenraum des Reaktorkernes angebracht sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsystem einen sehr empfindlichen Photoelektronenvervielfacher enthält und zwei Schaltstellungen aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker magnetische Verstärker vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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