DE1162006B - Vorrichtung zur Schnellabschaltung von Atomkernreaktoren - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Schnellabschaltung von Atomkernreaktoren Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit von Atomkernreaktoren werden Schnellabschalteinrichtungen vorgesehen. üblicherweise werden zu diesem Zweck die normalen Regel- oder Absorberstäbe verwendet, die in diesem Falle entweder durch ihr eigenes Gewicht in das Reaktorgitter fallen oder mit Hilfe eines Schnellganges ihrer normalen Antriebseinrichtung beschleunigt in Abschaltstellung gebracht werden. Auch sind gemischte, etwa elek-trohydraulische Antriebe für diesen Fall und für den Normalfall der Regelung bekannt. Es ist wünschenswert, daß die Abschaltgeschwindigkeit größer ist als jene, die durch die normale Fallgeschwindigkeit gegeben ist. Andererseits ist es schwierig, eine wesentlich raschere Abschaltbewegung so aufzufangen, daß die innerhalb und außerhalb des Reaktors befindlichen Teile keinen Schaden erleiden.
• Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie derartige Regelstäbe mit hoher Geschwindigkeit bei einer Beschleunigung von etwa 2 bis 4 g in den Atomreaktorkein eingefahren und nach Zurücklegung etwa der Hälfte des Gesamthubes sodann bis zur Erreichung der Endlage verzögert werden können. Es handelt sich dabei um eine Vorrichtung zur Schnellabschaltung von Atomkernreaktoren mittels in Führungsrohren beweglicher, hydraulisch durch das strömende Reaktorkühlmittel bewegter Absorberstäbe.
• Erfindungsgemäß sind die Regelstäbe auf ihrem gesamten Wege von je einem Führungsrohr umschlossen, sind zur Drosselung des im Abschaltfalle durch die Rohre strömenden Kühlmittels fest mit Drosselgliedern verbunden, die Spiel gegenüber der Rohrwandung haben, und stehen die Kühlmittelein-und -auslaßöffnungen in den Rohren direkt mit dem Innenraum des Reaktorgefäßes in Verbindung.
• Im Gegensatz zu anderen bekannten Vorrichtungen für den normalen Antrieb von Regelstäben, die mit abdichtenden Kolben ausgerüstet sind, stellen sich hier dem am Regelstab vorbeiströmenden Kühlmittel nur Drosselstellen entgegen, so daß z. B. ein Verklemmen der Regelstäbe im Führungsrohr durch eventuelle Verzugserscheinungen an den Bauteilen von vornherein ausgeschlossen ist. Durch die Schnellabschaltung ist dies aus Sicherheitsgründen besonders wichtig.
• Die Fig. 1 bis 6 dienen der näheren Erläuterung dieser Erfindung, wobei in diesem Beispiel ein Schrittheberantrieb für die normale Regelbetätigung der Absorberstäbe Verwendung findet. Dieser wird mit dem Einsetzen der Schnellabschaltung ausgeschaltet, so daß es sich im vorliegenden Fall um zwei völlig voneinander getrennte Antriebssysteme handelt, die in ihrer Betätigung zweckmäßigerweise gegeneinander verriegelt werden.
• Fig. 1 zeigt eine schematische Skizze eines Reaktors mit der Schnellabschalteinrichtung nach der Erfindung. Es handelt sich um einen wassergekühlten und moderierten Reaktor, dessen Kessel mit 1 und dessen Kühlmittelein- und -austritt mit 2 und 3 bezeichnet sind. In der gestrichelt angedeuteten Kernzone stecken Brennelemente 4 in Führungsrohren 5, welche von einer entsprechend durchbrochenen Platte 6 getragen werden. Das Kühlmittel strömt von unten an den Elementen vorbei, wodurch sich oberhalb der Platte 6 ein infolge des Durchflußwiderstandes geringerer Druckp" gegenüber demjenigen, p, unterhalb derselben einstellt. Der Antrieb des Regelstabes erfolgt im Normalfall in bekannter Weise durch den Schrittheberinechanismus 16 (Magnetic-Jack). Der Regelstab 7 besteht aus Absorbennaterial und kann sich in einem Führungsrohr 8 mit erheblichem Spiel, das in einer Größenordnung von Millimetem liegt, bewegen. Am unteren Ende des Regelstabes 7 befinden sich ein kolbenähnliches Drosselglied 9 und ein Stoßdämpferzapfen 10. Der obere Teil wird durch ein Bündel magnetisierbarer Stäbe 11 umhüllt, an deren oberen und unteren Ende ebenfalls ringförmige Drosselglieder 12 und 13 sitzen. Diese drosseln den Durchtritt des Kühlmediums zwischen Absorberrohr 7 und Führungsrohr 8. Unterhalb des Stabbündels 11 bzw. des Ringes 12 ist das Absorberrohr mit großen Durchtrittsöffnungen 14 versehen und oberhalb mit kleineren Öffnungen 15. Es ist nach oben offen und nach unten durch den Stoßdämpferzapfen 10 verschlossen.
• Das Führungsrohr 8 setzt sich nach oben in dem geschlossenen sogenannten Fingerhut fort, der den Schritthebennechanismus 16 trägt. Knapp unterhalb der Platte 6 befinden sich in diesem Führungsrohr 8 Durchtrittsöffnungen 17. Sämtliche Führungsrohre enden unten in einer gemeinsamen Sammelkammer 18, die beispielsweise als Ringleitung ausgebildet sein kann. Von hier aus führt eine Verbindung zu der vorzugsweise am Rand des Reaktorkerns liegenden Abschaltleitung 19, die oben durch ein Ventil 20 verschlossen werden kann. Dieses Ventil 20 wird durch einen Elektromagneten 21 gegen die Druckdifferenz p,-p" niedergehalten. Am unteren Ende der Abschaltleitung 19 sitzt in gezeichneter Weise eine Strömungsdrosseleinrichtung nach Art eines Rückschlagventils 22, welche die Verbindung zwischen dem Inneren des Führungsrohres 8 und dem Raum unterhalb der Platte 6 herstellt, so daß die Normalbewegung des Regelstabes nicht durch die Drosselwirkung des Kolbens 9 behindert wird.
• Damit wird z. B. auch durch Ausschalten nur eines Schritthebennagneten, ohne allgemeines Abschaltkommando, der freie Fall einzelner Stäbe infolge ihres Eigengewichtes ermöglicht (gestrichelte Pfeile, F i g. 1).
• Im Falle eines Schnellabschaltkommandos wird die nach Art eines Ventiltellers gestaltete Drosselklappe 20 durch Abschaltung des Magneten 21 geöffnet. Der nunmehr auftretende überdruck von p, gegen p" schlägt das Rückschlagventil 22 gegen seinen Sitz 23, so daß der Eingangsdruck p" über die öffnungen 17 im Führungsrohr das Drosselglied 9 und den mit ihm verbundenen Regelstab 8 nach unten beschleunigt. Der Raum im Fingerhut oberhalb des Regelstabes wird dabei über die großen öffnungen 14 im Regelstab nahezu widerstandslos gefüllt. überschleift jedoch nach einer gewissen Fallstrecke das ringförinige Drosselglied 12 die Führungsrohrlöcher 17 (s. auch F i g. 2), so wird der Zustrom der Beschleunigungsflüssigkeit durch die Stäbe 11, die Drosselglieder 12 und 13 (s. auch F i g. 3) sowie die kleinen öffnungen 15 so weit gedrosselt, daß nicht nur die Beschleunigungswirkung aufhört, sondern durch den relativen Unterdruck im Fingerhut oberhalb des Regelstabes sogar eine Verzögerung desselben eintritt. Der Regelstab 7 bewegt sich daher mit verzögerter Geschwindigkeit auf seine tiefste Stellung zu, wobei der überdruckstoßdämpfer 24 im Zusammenwirken mit der Unterdruckstoßdämpferwirkung zwischen Fingerhut und Regelstab die Restgeschwindigkeit ohne große Beanspruchung vernichtet.
• Die ganze Einrichtung befindet sich praktisch innerhalb des Reaktordruckgefäßes. Undichtheiten sind infolge der mit großem Spiel ineinandergreifenden Teile bedeutungslos. Gleichfalls brauchen die Ventile 20 bis 23 nicht dicht zu sein. Es genügen lediglich Drosselstellen. Wie bereits erwähnt, kann auch das Spiel der Drosselglieder am Regelstab innerhalb des Führungsrohres einige Millimeter betragen. Dies alles ist für die Funktionssicherheit dieser Regel- und Abschalteinrichtung von ausschlaggebender Bedeutung.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, kann manchmal eine Schräglage des Regelorgans aus konstruktiven Gründen notwendig sein. Da hierbei naturgemäß mit größeren Reibungswiderständen gerechnet werden muß, wird es vorteilhaft sein, diese durch - Anbringung von die Reibung vermindernden Elementen, wie z. B. von Längswälzlagern nach F i g. 4 und 5, oder von Gleitlagern aus Hartmetalleisten und solchen auch anderem Metall mit guten Gleiteigenschaften nach F i g. 6 zu verkleinern. Diese Lagerungen können an diskreten Punkten längs des Führungsstabes angebracht sein, so z. B. auch bei der bekannten Schritthebereinrichtung, wie sie in F i g. 4, 5 und 6 dargestellt ist. Darin sind die Hubmagneten mit 26 und die Haltemagneten mit 28 bezeichnet. Das Hubstangenbündel 29 ist in F i g. 5 angedeutet. Die Wälzlagerteile sind mit 30, 31 und 32 gekennzeichnet. In F i g. 6 sind die Gleitlagerteile mit 33 und 34, der Anker mit 25 bezeichnet. Durch Anbringung dieser beispielsweise angedeuteten, die Reibung vermindernden Organe wird auch bei Schräglage der Regelstäbe eine gleich gute Funktion dieser neuen Abschalteinrichtung gegenüber der normalen senkrechten Lage ermöglicht.
• Es ist selbstverständlich, daß sich diese Erfindung nicht nur bei wassergekühlten Reaktoren mit Erfolg anwenden läßt. Vielmehr kann dieses Prinzip bei allen Reaktortypen, die strömende Medien besitzen, mit Vorteil benutzt werden. Auch bei anderen Aufgabenstellungen ist es denkbar, irgendwelche Apparateteile zur Kontrolle oder Beeinflussung eines Arbeitsganges nach diesem Erfindungsprinzip einzusetzen.

Claims (2)

1. Patentanspräche: 1. Vorrichtung zur Schnellabschaltung von Kernreaktoren mittels in Führungsrohren beweglicher, hydraulisch durch das strömende Reaktorkühlmittel bewegter Absorberstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstäbe auf ihrem gesamten Wege von je einem Führungsrohr umschlossen sind, daß sie zur Drosselung des im Abschaltfalle durch die Rohre strömenden Kühlmittels fest mit Drosselgliedern verbunden sind, die Spiel gegenüber der Rohrwandung haben, und daß die Kühlmittelein- und -auslaßöffnungen in den Rohren direkt mit dem Innenraum des Reaktorgefäßes in Verbindung stehen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberstäbe aus einseitig geschlossenen Rohren bestehen, deren Wandungen zum gesteuerten Druckausgleich der Länge nach mit mehreren Durchbrechungen versehen sind, welche in verschiedenen Längsabschnitten unterschiedliche Weite aufweisen. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Absorberstäbe und Führungsrohre mit zwei praktisch gleichzeitig wirkenden Stoßdämpfereinrichtungen versehen sind, von denen die eine mit überdruck und die andere mit Unterdruck arbeitet. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrohre der Absorberstäbe unmittelbar nach ihrem Eintritt in den Raum höheren Druckes mit den Einlaßöffnungen für das Kühlmittel versehen sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsrohre an ihrem unteren Ende in Sammelrohre münden, welche gegenüber dem Reaktorraum höheren Druckes durch eine Strömungsdrosseleinrichtung nach Art eines Rückschlagventils und gegenüber dem Reaktorraum niedrigeren Druckes durch eine von außen bedienbare Einrichtung abschließbar sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abschluß des Sammelrohres gegenüber dem Raum niedrigeren Druckes eine Drosselklappe nach Art eines Ventiltellers ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Abschaltt' Creschwindigkeit reibungsvermindemde Organe zwischen Absorberstab und Führungsrohr vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 045 565; französische Patentschrift Nr. 1171822-. M.A.Schultz, »Control of Nuclear Reaetors and Power Plants«, 1955, New York, S. 105; »Atomkernenergie«, Bd. 3, 1958, H. 12, S. 486.