DE1185310B - Control and shutdown element for nuclear reactors - Google Patents
Control and shutdown element for nuclear reactorsInfo
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S 62241 VIIIc/21j
21. März 1959
14. Januar 1965S 62241 VIIIc / 21j
March 21, 1959
January 14, 1965
Zur Regelung und Abschaltung von Kernreaktoren, insbesondere heterogenen Reaktoren, bedient man sich bekanntlich sogenannter Regel- und Abschaltstäbe, die eine neutronenabsorbierende Substanz, z. B. Cadmium, enthalten. Während die Abschaltstäbe im Betrieb meist oberhalb des Reaktorkernes in Betriebsbereitschaft gehalten werden und damit die Neutronenflußverteilung nicht beeinträchtigen, sind die Regelstäbe je nach Überschußreaktivität des Reaktors ständig mehr oder weniger tief in den Kern eingetaucht. Dies hat bekanntlich eine starke Flußverzerrung und demgemäß im allgemeinen eine Erhöhung der thermischen Spannungen sowie eine ungünstige Spaltstoffausnützung zur Folge. Bei Reaktoren, deren Leistung durch die maximale Temperatur am Spaltstoffelement begrenzt ist, kommt noch eine Leistungsminderung hinzu.Used to regulate and shut down nuclear reactors, especially heterogeneous reactors it is well known that so-called control and shutdown rods, which are a neutron-absorbing substance, z. B. cadmium. While the shutdown rods in operation mostly above the reactor core are kept in readiness for operation and thus do not impair the neutron flux distribution, the control rods are constantly more or less deep depending on the excess reactivity of the reactor immersed in the core. This is known to have severe flux distortion and accordingly in general an increase in thermal stresses as well as an unfavorable utilization of fissile material result. For reactors whose output is limited by the maximum temperature at the fission element, there is also a reduction in performance.
Es sind weiter Absorberanordnungen bekannt, bei denen von dem Gedanken der räumlichen Abdeckung der Spaltstoffelemente durch Absorberhüllen Gebrauch gemacht ist. Die Hüllen lassen sich mehr oder weniger weit über die Spaltstoffstäbe schieben und machen so entsprechende Partien derselben reaktionsunwirksam. Es bleibt aber — wie bei Regelstäben — die mit dem einseitigen Eintauchen der Absorberträger in den Reaktorkern verbundene Flußkrümmung bestehen. Hinzu kommen auch hier konstruktive und betriebliche Schwierigkeiten. Bei Regelstäben sind besondere Führungseinbauten innerhalb des Reaktorgefäßes und Sondermaßnahmen außerhalb desselben einschließlich der Gefäßdurchbrüche erforderlich. Vor allem aber sind die durch den großen Hub verursachte lange Abschaltzeit, der große Raumbedarf außerhalb des Reaktorgefäßes für die ausgefahrenen Stäbe und die durch die Ausbauten verursachte geringere Betriebs- und Unfallsicherheit nachteilig. Ferner kommt bei Regelstäben der Aufwand für Zentrierung, Führung und Versteifung der Stäbe, besonders bei Schräglage, hinzu. Vorrichtungen mit Absorberhüllen bedürfen besonderer Antriebe und einer vom üblichen abweichenden Gitterkonstruktion.There are also known absorber arrangements in which the idea of spatial coverage the fissile material elements are made use of by means of absorber casings. The covers can be Slide more or less far over the fissile material rods and make corresponding parts of the same unresponsive. However - as with control rods - the one with one-sided immersion remains the absorber support in the reactor core connected flow curvature exist. To be added here too, constructive and operational difficulties. In the case of control rods, there are special guide fittings inside the reactor vessel and special measures outside of it, including the vascular breakthroughs required. Above all, however, the long stroke caused by the large stroke is long Shutdown time, the large space required outside the reactor vessel for the extended rods and the lower operational and accident safety caused by the extensions is disadvantageous. Further comes in the case of control rods, the effort for centering, guiding and stiffening the rods, especially for Inclined position, added. Devices with absorber shells require special drives and one of the usual different grid construction.
Bekannt sind ferner Absorbervorrichtungen, bei denen Überdeckungseffekte relativ zueinander bewegter Absorberorgane in einer zentralen Bohrung eines Reaktorkernes zur Regelung ausgenutzt werden. Es gibt jedoch keine Stellung der Absorberorgane im Kern, in der sie unwirksam sind. Die Lösung verlangt außerdem eine Sonderkonstruktion des Kernes.Also known are absorber devices in which overlap effects move relative to one another Absorber organs are used in a central bore of a reactor core for regulation. However, there is no position of the absorber organs in the core in which they are ineffective. the The solution also requires a special construction of the core.
Es sind außerdem Regeleinrichtungen bekanntgeworden, bei denen sich mit Absorbermaterial beRegel-
und Abschaltelement für
KernreaktorenThere are also known control devices in which with absorber material beRegel- and shutdown element for
Nuclear reactors
Anmelder:Applicant:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Karl Janner, ErlangenNamed as inventor:
Dipl.-Phys. Karl Janner, Erlangen
schichtete Flächen mehr oder weniger gegenseitig überdecken. Auch hier tritt in jedem Fall eine Flußverzerrung auf, denn bei völliger gegenseitiger Abdeckung der Absorbersubstanzen befindet sich im Reaktorgitter sozusagen eine Lücke, die aus einem nur wenig absorbierenden Material besteht. Hinsichtlich des. Regelbereiches bringt auch diese Regeleinrichtung keine wesentlichen Vorteile gegenüber den üblichen Regelstäben.layered surfaces more or less overlap each other. Here, too, a flux distortion occurs in any case on, because with complete mutual coverage of the absorber substances is located in the Reactor grid, so to speak, a gap that consists of a material that is only slightly absorbent. Regarding The control range also does not have any significant advantages over this control device the usual rules.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die den bisher bekannten Regeleinrichtungen anhängenden Nachteile, insbesondere den der Flußverzerrung, möglichst zu vermeiden und gleichzeitig den Regelbereich wesentlich zu erhöhen, Sie bezieht sich auf ein Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren, bei dem sich mindestens zwei flächenhaft ausgedehnte und mit verschiedenartig neutronenbeeinflussenden Substanzen ausgestattete Teile gegenseitig wirkungsmäßig überdecken und der Überdeckungsgrad bis zur völligen Abdeckung der einen Substanz durch gegenseitige Verstellung der Teile veränderbar ist und bei dem die einander zugekehrten Seiten benachbarter Teile mit die Reaktivität gleichartig beeinflussenden Substanzen bedeckt sind. Erfindungsgemäß weisen die einander abgewandten Seiten benachbarter Teile im Vergleich zu den einander zugekehrten Seiten die Reaktivität in entgegengesetzter Richtung beeinflussende Substanzen auf und führen die den Überdeckungsgrad verändernde Stellbewegung die jeweils völlige Abdeckung einer von beiden Substanzen herbei.The present invention is therefore based on the object of the previously known control devices accompanying disadvantages, in particular that of the flow distortion, to avoid and as far as possible at the same time to significantly increase the control range, it relates to a control and shutdown element for nuclear reactors in which at least two are extensive and with different types Neutron-influencing substances equipped parts overlap each other effectively and the Degree of coverage up to the complete coverage of one substance by mutual adjustment of the Parts is changeable and in which the mutually facing sides of adjacent parts with the reactivity similarly influencing substances are covered. According to the invention, the facing away from each other Sides of adjacent parts compared to the sides facing each other the reactivity in substances influencing the opposite direction and lead the ones that change the degree of coverage Adjusting movement brings about complete coverage of one of the two substances.
Diese Konstruktion gestattet, die dem Neutronenfluß dargebotenen Flächen des Elementes beispielsweise als ausgeprägt absorbierende oder praktisch absorptionslose Flächen wirksam werden zu lassen. Außerdem kann der Reaktor in wesentlich kürzerer Zeit als mit normalen Regelstäben abgeschaltet werden.This construction allows the surfaces of the element presented to the neutron flux, for example as to allow pronouncedly absorbent or practically non-absorbent surfaces to become effective. aside from that the reactor can be shut down in a much shorter time than with normal control rods.
409 768/304409 768/304
3 43 4
Natürlich sind auch alle Zwischenstufen — je und Kopfende konstruktiv so gestaltet, daß es imOf course, all intermediate levels - each and the head end - are designed in such a way that the
nach Stellung der Teile — möglich. Sind dann die Reaktorkerngeriist auswechselbar gelagert werdenafter positioning the parts - possible. Then the reactor core framework can be stored interchangeably
einander abgevvandten Seiten ganz oder teilweise kann.facing away from each other in whole or in part.
mit spaltbarem Material, beispielsweise angereicher- Von der Ober- oder Unterseite des Reaktorkernes
tem Uran, oder ganz oder teilweise mit einer neu- 5 her kann die Antriebswelle der Teile verstellt wertronenreflektierenden
bzw. -moderierenden Substanz, den, im ersten Falle z. B. von der Lademaschine, im
z. B. Beryllium, bedeckt, so können die Elemente zweiten z. B. durch ständige Antriebsverbindung mit
in der einen Endstellung der Teile entweder als einem Motor über Schnecke und Zahnrad. Bei Verreine
Spaltstoffelemente, die an der Energieerzeu- stellung durch den Lademaschinengreifer muß die
gung wie die übrigen Spaltstoffelemente des Reaktor- io Arretierbarkeit durch geeignete andere Mittel, z. B.
kernes teilnehmen, oder als Reflektoren wirken. durch Gegendruckfeder, gewährleistet werden.
Auch hier sind Zwischenstadien möglich. Im Die Wirkungsweise des Regel- und Abschaltele-Extremfall
können alle Spaltstoffelemente des Reak- mentes gemäß Fig. 1 und 2 ist folgende:
tors wie die Regel- und Abschaltelemente gemäß In der Betriebsstellung der Teile nach F i g. 1 sind
der Erfindung aufgebaut sein. Es kann dann jede 15 die Absorberschichten 3 vollständig von den Träger-Gitterposition
des Reaktorkernes individuell auf die schichten 4, 5, also mit Spaltstoff, abgedeckt. Sie
jeweiligen Reaktivitätsverhältnisse abgestimmt wer- sind daher als Absorber unwirksam gemacht. Die
den. Es ist nicht notwendig, daß stets eine Absor- Neutronen gelangen nur bis in die Spaltstoffschichbersubstanz
vorhanden sein muß. Es können auch ten 4, 5 und lösen dort wie bei normalen Spaltstoff-Elemente
verwendet werden, bei denen z. B. statt 20 elementen Spaltungen bzw. Kernumwandlungen aus.
dessen die eine Substanz eine Reflektorsubstanz Beim Auseinanderschwenken der Teile in die in
(Spaltstoff-Reflektor-Element) ist. Das Wesentliche F i g. 2 gezeigte Betriebsstellung werden die Absorist
also die Umwandelbarkeit eines Reaktorkern- beschichten jedoch freigelegt. Dadurch wird die
elementes in ein anderes, den Neutronenhaushalt be- Reaktivität des Reaktors herabgesetzt. Nebenher fineinflussendes
Element. 25 den weiter Spaltungen in den Spaltstoffschichten 4,5with fissile material, for example enriched- From the top or bottom of the reactor core system uranium, or in whole or in part with a new 5, the drive shaft of the parts can be adjusted value-reflecting or moderating substance, the, in the first case z. B. from the loading machine, in z. B. beryllium covered, the elements can be second z. B. by constant drive connection with in one end position of the parts either as a motor via worm and gear. In the case of contaminated fissile material elements that are involved in the generation of energy by the loading machine gripper, the movement, like the other fissile material elements of the reactor, must be lockable by other suitable means, e.g. B. take part, or act as reflectors. by counter pressure spring.
Intermediate stages are also possible here. In the extreme case of regulating and switching off, all the fission material elements of the reaction according to FIGS. 1 and 2 can be as follows:
tor like the control and shutdown elements according to In the operating position of the parts according to FIG. 1 are constructed according to the invention. Each of the absorber layers 3 can then be completely covered from the carrier grid position of the reactor core individually onto the layers 4, 5, that is to say with fissile material. They are coordinated with the respective reactivity conditions are therefore rendered ineffective as absorbers. The den. It is not necessary that an absorber neutrons only have to reach the fissile material layer. It can also th 4, 5 and solve there as with normal fissile material elements are used in which z. B. instead of 20 elements from divisions or core conversions. one of which is a reflector substance when the parts are pivoted apart into the in (fissile material reflector element). The essentials F i g. The operating position shown in FIG. 2, however, exposes the absorbers so that the convertibility of a reactor core coating is uncovered. This causes the element to move into another, the neutron balance, which reduces the reactivity of the reactor. In addition, a fine-influencing element. 25 the further cleavages in the fissile material layers 4,5
Die Zeichnung veranschaulicht schematisch einige der Teile statt. Bei noch weiterem Verschwenken Ausführungsbeispiele des Regel- und Abschalt- der Teile 2 tritt nach und nach wieder eine Überelementes mit spaltbarem Material als der einen und deckung ein, diesmal jedoch der Spaltstoffschichten, einer Absorbersubstanz als der anderen Substanz; es Die Zahl der Spaltungen nimmt langsam ab, der Abzeigen 30 sorptionseinfluß der Absorberschichten beginnt zuThe drawing schematically illustrates some of the parts in place. With further pivoting Embodiments of the control and shutdown of the parts 2 gradually occurs again a super element with fissile material as one and a cover, but this time with the layers of fissile material, an absorber substance as the other substance; es The number of divisions is slowly decreasing, of showing 30 sorption influence of the absorber layers begins to
Fig. 1 und 2 im Waagerechtschnitt ein zylindri- überwiegen. Bei vollständiger Abdeckung der Spalt-1 and 2 in horizontal section a cylindrical predominate. With complete coverage of the gap
sches Element in zwei Betriebsstellungen mit in stoffschichten schließlich wirkt das Element als reinesFinally, the element acts as a pure element in two operating positions with layers of fabric
Radialebenen liegenden Teilen, von denen die einen Absorberelement. Das Element kann also abgesehenRadial planes lying parts, one of which is an absorber element. So the element can be disregarded
um die Zylinderachse drehbar, die anderen an der von Randeffekten in der einen Endstellung der Teilerotatable around the cylinder axis, the others at the edge effects in one end position of the parts
Zylinderwand starr befestigt sind, 35 als reines Spaltstoffelement, in der anderen Endstel-Cylinder wall are rigidly attached, 35 as a pure fission material element, in the other end
F i g. 3 ausschnittsweise im Längsschnitt ein zylin- lung als reines Absorber- (Abschaltelement) und inF i g. 3, in a longitudinal section, a cylinder as a pure absorber (switch-off element) and in
drisches Element mit in Horizontalebenen liegenden den Zwischenstellungen als Regelelement benutztDrisches element with lying in horizontal planes the intermediate positions used as a control element
kreisförmigen Teilen, von denen die einen in Zylin- werden.circular parts, some of which are in cylin-
derachsrichtung verschiebbar, die anderen an der Die Abdeckung der Spaltstoff- und Absorber-Zylinderwand befestigt sind, und 40 schichten ist besonders vollkommen bei der Elemen-axially displaceable, the others on the cover of the fissile material and absorber cylinder wall are attached, and 40 layers is particularly perfect for the element
Fig. 4 das Element gemäß Fig. 3 mit konischen tenkonstruktion nach den Fig. 3 und 4. Bei ihr sindFig. 4 shows the element according to FIG. 3 with conical tenkonstruktion according to FIGS. 3 and 4. When you are
Teilen. die Teile horizontal gelegt, so daß die beweglichenShare. the parts placed horizontally so that the movable ones
Gemäß den Fig. 1 und 2 besitzt das Regel- und Teile8 gegen die feststehenden Teile 9 durch Längs-Abschaltelement
jeweils zwei eine gegenseitige Über- bewegung der Antriebsstange 7 zu verstellen sind,
deckung bzw. Berührung gestattende Teile 1,2, die an 45 Die lagenartig aufeinanderfolgenden Teile weisen die
einer Seite mit einer Neutronenabsorbersubstanz 3, Gestalt von Kreisringscheiben oder Trichtern mit
z. B. Cd, bedeckt sind und aus der Überdeckungs- Spalten an der Antriebswelle für den Durchtritt des
bzw. Berührungsstellung dieser Seiten (F i g. 1) in die Kühlmittels auf (vgl. Pfeile). Die Konstruktion nach
Überdeckungs- bzw. Berührungsstellung der absor- F i g. 4 ist besonders steif und gestattet unter andeberfreien
Seiten (F i g. 2) bewegbar sind. Die andere 50 rem eine intensive Kühlung der Teiloberflächen.
Schicht, d. h. die Trägerschichten 4, 5 der Absorber- Es ist auch eine Kombination von Längs- und
substanz, besteht aus spaltbarem Material, z. B. UO2. Drehbewegung möglich, wenn die feststehenden und
Die Trägerschichtdicke beträgt bei Natururan etwa verstellbaren Teile als gleichsinnig mit gleicher Gang-2
cm, bei angereichertem Uran entsprechend der höhe gewickelten Wendeln ausgebildet werden. Das
Anreicherung weniger. Die Dicke der Absorber- 55 Element besitzt dann mindestens eine im Gehäuse
schicht ist von der Größenordnung Millimeter. Sie feststehende Wendel und eine an der Antriebswelle
braucht nicht in jedem Falle total zu absorbieren, befestigte Wendel. Letztere wird zur Regelung entsondern
kann mehr oder weniger »durchscheinend« sprechend gegen die feststehende^) Wendel(n) in
sein. Umfangs- und/oder Längsrichtung verstellt. Vorteil-According to FIGS. 1 and 2, the control and parts 8 have two mutually overmovement of the drive rod 7 to be adjusted against the stationary parts 9 by longitudinal shut-off elements, cover or contact permitting parts 1, 2, which are attached to 45 die layer-like successive parts have one side with a neutron absorber substance 3, shape of circular disks or funnels with z. B. Cd, are covered and from the overlap columns on the drive shaft for the passage of the or contact position of these sides (F i g. 1) in the coolant (see arrows). The construction according to the overlap or contact position of the absorption F i g. 4 is particularly stiff and allows sides (FIG. 2) to be moved under non-sticking sides. The other 50 rem an intensive cooling of the partial surfaces.
Layer, ie the carrier layers 4, 5 of the absorber It is also a combination of longitudinal and substance, consists of fissile material, e.g. B. UO 2 . Rotary movement is possible if the fixed and adjustable parts with natural uranium are approximately 2 cm in the same direction, with enriched uranium corresponding to the height of the coiled coils. That enrichment less. The thickness of the absorber element then has at least one layer in the housing is of the order of millimeters. The fixed helix and a helix attached to the drive shaft need not be totally absorbed in every case. The latter is disposed of for regulation and can be more or less "translucent" speaking against the fixed ^) helix (s) in. Adjusted circumferential and / or longitudinal direction. Advantage-
Die Teile 1 sind achsparallel an der Innenwand 60 haft gegenüber der Lösung nach F i g. 3 und 4 ist,
des zylindrischenElementengehäuses 6 befestigt, z. B. daß man eine besonders verwirbelungsfreie Kühlangeschweißt. Sie unterteilen den Zylinderraum in mittelströmung erhält und die Regelung und Abvier
Zonen. Die anderen Teile 2 sind an der in der schaltung durch verschiedene Bewegungsformen vor-Zylinderachse
liegenden Antriebswelle 7 befestigt. nehmen kann, z. B. Regelung durch Drehbewegung,
Diese ist stirnseitig so gelagert, daß das Kühlmittel 65 Abschaltung durch Fallbewegung,
das Elementengehäuse durchströmen kann. Das Ge- Zum Unterschied von den bisher erläuterten EIehäuse
besteht aus einem Material mit niedrigem menten mit Gehäuse sind auch gehäuselose Ausfüh-Neutronenabsorptionsquerschnitt.
Es ist am Fuß- rungsformen möglich. In diesem Falle werden derThe parts 1 are axially parallel to the inner wall 60 against the solution according to FIG. 3 and 4, of the cylindrical element housing 6, e.g. B. that a particularly turbulence-free cooling is welded. They subdivide the cylinder space into medium flow and control and four zones. The other parts 2 are attached to the drive shaft 7 lying in front of the cylinder axis in the circuit by means of various forms of movement. can take, e.g. B. Control by rotary movement, This is mounted on the front side so that the coolant 65 shutdown by falling movement,
can flow through the element housing. The difference from the previously explained egg housings consists of a material with a low element with housing and a housing-less design neutron absorption cross-section. It is possible with the foot forms. In this case, the
oder die feststehenden Teile fahnenartig an einer die Antriebswelle des oder der beweglichen Teile enthaltenden Hohlachse befestigt.or the fixed parts flag-like on one containing the drive shaft of the moving part or parts Hollow axle attached.
Wie schon weiter oben erwähnt, sind verschiedene Kombinationen von Absorber-, Spaltstoff-, Reflektor- oder Moderatorsubstanzen als Deck- und Trägerschichten möglich. Anstatt die Trägerschichten selbsttragend auszubilden, können die Teile Strukturelemente, z. B. Rahmen mit Rippen od. dgl., besitzen, die die Trägerschichten halten.As already mentioned above, various combinations of absorber, fissile material, reflector or moderator substances possible as cover and carrier layers. Instead of the backing layers Form self-supporting, the parts can be structural elements such. B. frame with ribs or the like., Have, that hold the backing layers.
Hierfür kommen Materialien mit möglichst niedrigem Absorptionsquerschnitt in Frage, z. B. Zirkon. Ferner sind Schichtungen der verschiedenen Substanzen, möglich.For this purpose, materials with the lowest possible absorption cross-section come into question, e.g. B. zircon. Furthermore, layers of the various substances are possible.
Die Regel- und Abschaltelemente gemäß der Er- *5 findung werden, wenn sie nicht als Spaltstoffelemente mitbenutzt werden sollen, vorzugsweise auf Gitterzwischenpositionen des Reaktorkernes gesetzt.The control and shutdown elements according to the * 5 If they are not to be used as fuel elements, they are preferably found in intermediate grid positions of the reactor core.
Claims (9)
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 049 014;
USA.-Patentschrift Nr. 2 852 458.Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1 049 014;
U.S. Patent No. 2,852,458.
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US2852458A (en) * | 1955-12-21 | 1958-09-16 | Joseph R Dietrich | Apparatus for controlling neutronic reactors |
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- 1960-03-14 CH CH285460A patent/CH393559A/en unknown
- 1960-03-21 GB GB10010/60A patent/GB949780A/en not_active Expired
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