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Hydraulischer Antrieb für Kernreaktorregelstäbe Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf einen hydraulischen Antrieb für Kernreaktorregelstäbe mit einem
stabförmigen Absorberteil, einem damit verbundenen Antriebskolben, der in einem
aus dem Reaktordruckgefäß herausragenden und mit diesem fest verbundenen Führungsrohr
durch das Kühlmittel infolge des im Reaktordruckgefäß vorhandenen Druckunterschiedes
gegen die Schwerkraft zu bewegen ist, und mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten,
zylindrischen Bauteilen innerhalb des Führungsrohres. .
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Zur Regelung von Atomkernreaktoren bedient man sich bekanntlich sogenannter
Regelstäbe. Diese bestehen in ihrem aktiven Teil aus einem neutronenabsorbierenden
Material, z. B. Cadmium, und werden mehr oder weniger tief in den Reaktorkern eingeführt.
Für den Antrieb dieser Regelstäbe sind verschiedene Antriebsarten bekanntgeworden,
z. B. die elektromagnetische, die motorische oder auch die hydraulische.
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Diesen Forderungen wird der vorliegende hydraulische Antrieb mit zwei
konzentrischen, zylindrischen Bauteilen gerecht, indem erfindungsgemäß der eine
zylindrische Bauteil in axialer Richtung schraubenförmig angeordnete Radialbohrungen
und der andere zylindrische Bauteil eine oder mehrere in einer zur Längsachse senkrechten
Ebene angeordnete radiale Öffnungen hat, diese Bohrungen bzw. Öffnungen jedes dieser
beiden Bauteile mit je einem Teil des Reaktordruckgefäßes strömungsmäßig in Verbindung
stehen und entweder durch Drehen eines der beiden Bauteile um die Längsachse die
Lage der Bohrungen und Öffnungen der beiden Bauteile relativ zueinander veränderbar
ist oder durch Verwendung eines Drehschiebers einzelne oder mehrere der radialen
Bohrungen bzw. Öffnungen nacheinander für den Kühlmitteldurchfluß zu sperren sind.
Bei letzterer wird ein flüssiges Medium, z. B. das Kühlmittel, durch das Führungsrohr
des Regelstabes geschickt und hebt den Regelstab, der an einem Kolben hängt, mehr
oder weniger hoch. Durch eine Umlenkung der Strömungsrichtung bzw. eine Änderung
des Strömungsdruckes wird die Bewegungsrichtung bzw. der Weg des Regelstabes bestimmt.
Bei diesem bekannten hydraulischen Antrieb ist man auf die Verwendung von gut dichtenden
Kolben und einer Reihe von Ventilen angewiesen.
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Da der Regelstabantrieb für das Funktionieren des Reaktors von großer
Bedeutung ist, ist es aber zweckmäßig, denselben so einfach wie möglich zu gestalten
und dadurch Fehlermöglichkeiten zu verringern. Im gleichen Sinne liegt es, die Passung
der einzelnen Bauteile verhältnismäßig grob zu halten, damit die Beweglichkeit der
einzelnen Teile auch im Falle einer geringfügigen Verschmutzung erhalten bleibt.
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Durch diese Ausbildung des Antriebs wird erreicht, daß der Antriebskolben
des Absorberstabes durch den Überdruck des Kühlmittels auf der Einlaßseite so lange
gehoben wird, bis sich jeweils zwei Bohrungen der beiden z. B. relativ zueinander
drehbaren Bauteile überdecken und damit ein. Druckausgleich mit dem oberhalb des
Kolbens befindlichen Kühlmittel niedrigeren Druckes erfolgen kann. Erfolgt die Regelung
durch Verdrehung des einen Bauteiles, so wird der Kolben je nach dem Drehsinn nach
oben oder nach unten bewegt. Von wesentlicher Bedeutung ist es dabei, daß zur Verstellung
lediglich Reibungskräfte zu überwinden sind, die Verstellorgane also nur für verhältnismäßig
sehr kleine Leistungen ausgelegt zu werden brauchen und daher räumlich klein gehalten
werden können.
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Die Fig. 1 bis 7 zeigen drei verschiedene Ausführungsbeispiele des
Grundgedankens dieser Erfindung.
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Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch einen Regelstabantrieb mit
einem zusätzlichen inneren Führungszylinder dar; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt
durch diesen Antrieb entlang der Ebene II-11; Fig.3 zeigt eine Variante, bei dem
der äußere Führungszylinder mit spiralförmigen Bohrungen und der Kolben mit einem
eingebauten von außen bewegbaren Drehschieber versehen ist; Fig. 4 zeigt einen Schnitt
entlang der Ebene IV-IV gemäß Fig. 3;
Fig. 5 zeigt eine dritte Variante
des Antriebs zusammen mit dem Reaktorkessel, bei der der Drehschieber auf das äußere
Führungsrohr aufgesetzt ist und keine von außen bewegbaren Teile in. das Innere
des Führungszylinders hineinragen; Fig. 6 zeigt einen Querschnitt dieser Anordnung
entlang der Ebene VI-VI; Fig. 7 zeigt einen Querschnitt entlang der Ebene VII-VH
der Fig. 5.
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In allen Figuren sind gleichartige Teile mit den gleichen Ziffern
bezeichnet, so der eigentliche Absorberstab mit 1 und der Kolben, an dem der Absorberstab
hängt, mit 2.
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In Fig. 1 ist das äußere Führungsrohr mit 6 bezeichnet, dieses ist
oben und unten geschlossen und durch die Zuführungsleitung 8 mit dem Einlaßraum
des Kühlmittels im Reaktor und die Leitung 9 mit dem Auslaßraum des Kühlmittels
im Reaktor verbunden. In beiden Leitungen ist je eine verstellbare Strömungsdrossel
81 bzw. 91 angebracht. Innerhalb dieses äußeren Führungszylinders befindet
sich drehbar ein innerer Führungszylinder 13, der mit schraubenförmig angeordneten
Bohrungen 130 versehen ist. Der Kolben 2 wird innen und außen durch die beiden Führungszylinder
6 und 13 geführt und ist starr mit dem unten geschlossenen rohrförmigen Absorberstab
verbunden. Der Kolbenhals besitzt an einer Stelle einen schrägen Schlitz 15, der
in seiner Steigung der Steigung der spiraligen Bohrungen 31 des inneren Führungszylinders
130 entspricht. Der rohrförmige Absorberstab stützt sich an seinem unteren
Ende über drei Rollen gegenüber dem äußeren Führungszylinder 6 ab, wobei die eine
Rolle 30 zwei seitliche Spurkränze aufweist und auf einer im Inneren des Führungszylinders
6 angeordneten Schiene 31 läuft. Damit wird erreicht, daß sich der Kolben mit dem
daran hängenden Absorberstab nicht verdrehen kann. Die Wirkungsweise dieser Anordnung
ist folgende: Das Innere des Absorberstabes und des inneren Führungszylinders 13
sind mit Kühlwasser gefüllt, das über die Leitung 9 mit dem anderen Austrittsraum
desselben in Verbindung und damit unter demselben Druck wie dieser steht, während
der unterhalb des Kolbens und innerhalb des Absorberstabes befindliche Raum des
Führungszylinders 6 mit dem unter höherem Druck stehenden Kühlmittel aus der Einlaßseite
des Reaktors über die Leitung 8 gefüllt ist. Dieser höhere Druck hebt den Kolben
2 mit dem daranhängenden Absorberstab so lange, bis der schräge Schlitz 15 am Kolbenhals
mit einigen spiralförmig angeordneten Bohrungen des inneren Führungszylinders 13
zu einer teilweisen überdeckung kommt. Durch die damit herbeigeführte Kühlmittelströmung
aus dem unteren Raum höheren Druckes in den oberen Raum niedrigeren Druckes findet
ein Druckausgleich statt, und der Regelstab bleibt in der durch die überdeckung
der beiden Bohrungen gegebenen Lage hängen. Zur Bewegung des Regelstabes aus dem
Reaktorkern heraus oder in ihn hinein ist es lediglich notwendig, den inneren Führungszylinder
13 über seine durch den äußeren Führungszylinder 6. hindurchragende Achse oder Antriebswelle
nach links oder rechts zu verdrehen. Dadurch bewegen sich vom Schlitz 15 des Kolbens
aus gesehen die Bohrungen am inneren Führungszylinder 13 nach oben bzw: nach unten,
so daß der Kolben infolge der Drosselung des Strömungsausgleichs der scheinbaren
Bewegung der Bohrungen im inneren Führungszylinder 13 nach oben folgt bzw. bei Vergrößerung
des Strömungsquerschnitts durch die Schwerkraft nach unten absinkt bis wiederum
ein Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Kolbens mit dem Absorberstab und dem
verbleibenden Restdruck am Kolben, der sich bei der bestimmten Überschneidung der
beiden Durchtrittsöffnungen einstellt, erreicht wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.3 ist der äußere Führungszylinder
7 mit schraubenförmig angeordneten Bohrungen 71 versehen. Er ist im Bereich dieser
schraubenförmigen Bohrungen von einem geschlossenen zweiten Zylinder 72 umgeben,
der mit dem inneren Führungszylinder eine ringförmige geschlossene Kammer mit dem
Auslaßstutzen 9 und der daran angebrachten Strömungsdrossel 91 bildet. Der geschlossene
äußere Führungszylinder ist wie in Fig. 1 mit einer Zuführungsleitung
8
zum Einlassen des Kühlmittels höheren Druckes, der wiederum die Drosseleinrichtung
81 enthält, versehen. Der eigentliche Regelstab 1 ist in diesem Fall als unten offenes
Rohr ausgebildet, das an seinem unteren Ende einen Führungskolben 3 besitzt. Am
oberen Ende des Absorberrohres befindet sich der eigentliche Hubkolben, der gemäß
Fig.4 mit einer großen Anzahl relativ schmaler Schlitze 22 versehen ist. Im Inneren
dieses Kolbens 2 befindet sich ein über die nach außen führende Keilwelle 17 bewegbarer
Drehschieber 16. Die Keilwelle selbst ist in Längsrichtung nicht verschiebbar.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist im Prinzip die gleiche wie
in Fig. 1 und läßt sich etwa kurz folgendermaßen beschreiben: Das über die Leitung
8 eintretende Kühlinittel höheren Druckes hebt den Kolben so lange, bis der über
den Drehschieber 16 mit dieser Druckzone in Verbindung stehende Schlitz= des Kolbens
2 sich mit einer der spiralig angeordneten Bohrungen 71 des äußeren Führungszylinders
7 überschneidet. Durch Drehung des Drehschiebers 16 über die Welle 17 von außen
wird ein anderer radialer Schlitz 22 des Kolbens 16 angeschlossen, so daß damit
die Ausgleichsströmung über -die nächsten spiralig angeordneten Bohrungen 71 einen
stärkeren oder geringeren Druck ergibt und dadurch ein. Steigen bzw. Sinken des
gesamten Regelstabes im Führungszylinder 7 bewirkt. Bei dieser Ausführungsform ist
eine Verdrehungssicherung des Kolbens mit daranhängendem Regelstab nicht erforderlich.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Variante des vorliegenden Antriebs in Verbindung
mit dem schematisch angedeuteten Reaktordruckkessel. Der Reaktordruckkessel ist
mit 4 bezeichnet, der Kühlmitteleinlauf in denselben mit 41 und der Auslauf mit
42. Die Brennelementstäbe 5 sind in den Kühlkanälen 51 angeordnet, die sich durch
den durch die beiden Endplatten 52 begrenzten Moderatorraum 53 erstrecken. Durch
diesen Moderatorraum erstreckt sich auch der äußere Führungszylinder 7 des Regelstabes,
der auch noch um ein entsprechendes Maß über den Druckkessel herausragt. Dieser
ist wiederum wie im zweiten Beispiel mit schraubenförmig angeordneten Bohrungen
71 versehen und durch die Leitung 8 mit dem Kühlmitteleinlauf des Reaktors verbunden.
In Abwandlung zum Beispiel 2 ist dieser Führungszylinder mit einem innen genuteten
Mantel 18 umgeben, wobei die Längsnuten dieses Mantels jeweils die in Längsrichtung
übereinanderliegenden
Bohrungen 71 des Führungszylinders 7 miteinander verbinden. Oberhalb des Führungszylinders
7 befindet sich ein Drehschieber 19, der mit seiner Durchflußbohrung 191 jeweils
eine der Längsnuten 181 des Mantelkörpers 18 mit der Leitung 9 und damit mit dem
Kühhnittelaustrittsraum des Reaktors verbindet. Die im Inneren des Führungszylinders
befindlichen rohrförmigen Regelstäbe 1 sind mit ihrem unteren Ende wiederum mit
einem Führungskolben 3 und an ihrem oberen Ende mit dem Hubkolben 2 versehen. Der
Kolben 2 besitzt in horizontaler Anordnung eine Reihe radialer Bohrungen und ist
nach oben und unten ohne Drehsicherung innerhalb des Führungszylinders 7 frei beweglich.
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Die Wirkungsweise dieser Regelstabvariante ist nun folgende: Das über
die Leitung 8 in den unteren Raum und in den inneren Raum des Regelstabes eintretende
Kühlmittel höheren Druckes hebt den Regelstab so lange, bis die radialen Bohrungen
20 sich mit jener Bohrung 71 des äußeren Führungszylinders 7 überschneiden, die
über den Drehschieber 19 und die ihr zugehörige Längsnut 181, sowie die Leitung
9 mit dem Kühlmittelauslaßraum des Reaktors verbunden ist. Durch Drehung des Drehschiebers
19 z. B. über den angedeuteten Spaltrohrmotor 192 wird eine andere Längsnut 181
mit dem Kühlmittelaustrittsraum verbunden, d. h., eine gegenüber der bisherigen
Stellung höhere oder tieferliegende Bohrung 71 des Führungszylinders, 7 ist für
den Strömungsdurchgang eingeschaltet. Dementsprechend verschiebt sich der Strömungswiderstand
infolge des anderen überdeckungsgrades zwischen den neu gewählten Bohrungen 71 und
den radialen Bohrungen 20, so daß damit wiederum wie in den vorherigen Beispielen
eine Hub- oder Senkbewegung des Regelstabes resultiert. In der Leitung 9 befindet
sich wieder die Strömungsdrossel 91, diese hat wie in den übrigen Beispielen den
Zweck, die am Hubkolben 2, entsprechend dem Gewicht des Absorberstabes notwendige
Druckdifferenz einzustellen. Dabei muß der Druckströmungswiderstand in der Kühlmittelzuleitung
größer sein als der Strömungswiderstand der Kühlmittelwege innerhalb des Regelstabantriebes
bei eingespielter Arbeitsstellung des Absorberstabes, damit eine sichere Gewähr
für die Einstellung der Gleichgewichtslage gegeben ist. Diese Funktion hat auch
die in der Fig. 5 in der Zuführungsleitung des Kühlmittels 8 angeordnete Kugel 10.
Im Falle eines plötzlichen Druckanstieges wird nämlich durch den erhöhten Strömungsdruck
die Kugel 10 angehoben und gegen den oberen Sitz 11 gepreßt, so daß damit
die Hauptströmungsleitung abgesperrt ist und das Kühlmittel nur über den sehr engen
Querschnitt der Bohrung 1.2 unter entsprechendem Druckabfall in das Innere des Führungszylinders
gelangen kann.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen zur näheren Erläuterung der Strömungsverhältnisse
Querschnitte durch diese letzte Variante des Regelstabantriebes in Höhe des Drehschiebers
19 und in Höhe der Bohrungen des Kolbens 2.
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Aus diesen beispielsweise drei genannten Varianten des vorliegenden
Antriebes ist ersichtlich, daß der Verstellungsmechanismus für diesen Regelstab
sehr einfach gehalten werden kann und auch keine besonderen Anforderungen an die
Präzision der Kolbenführung gestellt werden müssen. Für den Fall, daß ein derartiger
Regelstab auch für Notabschaltungszwecke eingerichtet werden soll, ist es zweckmäßig,
in an sich bekannter Weise die Durchströmungsrichtung des Kühlmittels umzukehren
und den Druckunterschied eventuell zusätzlich durch besondere Mittel zu erhöhen.