DE1186565B - Regelvorrichtung fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/31

Nummer: 1186 565

Aktenzeichen: D 33030 VIII c/21 g

Anmeldetag: 4. April 1960

Auslegetag: 4. Februar 1965

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für Kernreaktoren mit einer flüssigen oder gasförmigen Absorbersubstanz, welche in einem länglichen Gehäuse eingeschlossen ist, in dem ein in Längsrichtung bewegbarer Verdrängerkörper angeordnet ist.

Die Regelung eines Reaktors nach der herkömm- = liehen Methode, d. h. mittels einseitig in den Reaktorkern eingeführter Regelstäbe, weist unter anderem den Nachteil auf, daß der Neutronenfluß in unerwünschter Weise verzerrt wird, wodurch die Leistungsdichte des Reaktorkerns und der erzielte Brennstoffabbrand erniedrigt werden. Es ist erstrebenswert, den Fluß an der Stelle zu regeln, wo sein Maximum liegt. Der Erfindung liegt daher 'die Aufgabe zugrunde, mittels einer Regelvorrichtung eine Reaktivitätsänderung an einer beliebigen Stelle im Reaktorkern zu bewirken. Die Wirksamkeit der Regelvorrichtung über ihre Länge soll dabei dfer Verteilung des Neutronenflusses angepaßt sein.

Es sind Regelvorrichtungen vorgeschlagen worden, bei denen eine flüssige Absorbersubstanz in einem länglichen Gehäuse eingeschlossen ist, in dem ein in Längsrichtung bewegbarer Verdrängerkörper angeordnet ist. Dabei ist der Verdrängerkörper als langgesteckter Stab und das Elementgehäuse als geschlossener Zylinder ausgebildet. Während des Regelvorganges wird der Verdrängerkörper bewegt, und es entsteht eine bewegliche Hülle, die sich bis zu einer bestimmten Höhe im Reaktor ausbreitet, welche für die Regelung wirksam wird. Diese Hülle hat eine räumlich konstante Wandstärke, die von den Durchmessern des Verdrängerkörpers und des Gehäuses vorgegeben ist. Dabei ist es gleichgültig, ob das Regelelement im einfachsten Fall die Gestalt eines langgestreckten Stabes mit zylindrischem oder anderem Querschnitt besitzt. Es bleibt in jedem Fall die nachteilige Wirkung auf den Neutronenflußverlauf bestehen, der, wie bei der Einführung von Kontrollstäben, durch das einseitige Eintauchen der Hülle in ^ das Reaktorcore in unerwünschter Weise deformiert '40 wird.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, diesen Nachteil zu beseitigen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse vollständig mit neutronenabsorbierender Substanz gefüllt ist, daß der Verdrängerkörper, dessen Volumen kleiner ist als das Volumen des Gehäuseinnenraumes, gegen das eine Ende zu verjüngt ist und daß die Form des Gehäuseinnenraumes ähnlich ist der Körperform des Verdrängerkörpers.

Durch diese Form des Verdrängerkörpers wird der von dem Elementgehäuse umschlossene Raum in Regelvorrichtung für Kernreaktoren

Anmelder:

Deutsche Babcock & Wilcox-Dampfkessel-

Werke Aktiengesellschaft,

Oberhausen (RhId.), Duisburger Str. 375

Als Erfinder benannt:

Dr. Christoph Steinert, Oberhausen (RhId.)

zwei Abschnitte unterteilt, wobei ein Raum mit einem großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und ein anderer Raum mit einem kleinen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen geschaffen wird, Der erste Abschnitt liegt vorzugsweise im Bereich des zu regulierenden Neutronenflusses, während der zweite am Rand oder außerhalb des Reaktorcores angeordnet ist. Zwischen 'diesen beiden Räumen besteht eine Verbindung in Form von Kanälen, durch die der flüssige Absorber bei Verschiebung des Verdrängerkörpers strömt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht im einfachsten Fall der rotationssymmetrische Verdrängerkörper aus einem zylindrischen Teil, der sich nach dem einen Ende zu verjüngt und in einen Kegel ausläuft. Der zylindrische Teil wird gleitend im Elementgehäuse geführt, so daß er keine seitlichen Schwingungen ausführen kann. Der kegelförmige Teil ist der Innenform des Gehäuses angepaßt und füllt diese in seiner Endlage vollständig aus. Bei Verschieben des Verdrängerkörpers entsteht in der Umgebung des kegelförmigen Teiles auf der gesamten Länge der Regelvorrichtung eine Absorberhülle veränderbarer Wandstärke. Wesentlich ist dabei, daß die Absorberhülle auf der gesamten Länge der Regelvorrichtung je nach der Verschiebungsrichtung des Verdrängerkörpers zu- oder abnimmt. Es wird dadurch vermieden, daß die Absorberhülle einseitig in den Reaktorkern eintaucht und den Neutronenflüß deformiert. Ferner ist als zweites wesentliches Merk-

509 507/264

mal durch die Kegelform die Oberfläche pro Längeneinheit der Absorberhülle in Längsachse der Regelvorrichtung nicht konstant, sondern der Intensität des Neutronenflusses angeglichen, indem die Regelvorrichtung so in den Reaktorkern eingeführt wird, daß die Stelle der maximalen Oberfläche mit dem Intensitätsmaximum des Neutronenflusses übereinstimmt. Bekanntlich ist die Absorptionswirkung einer Regelvorrichtung in erster Linie der absorbierenden Oberfläche direkt proportional. Es wird also eine Neutronenflußregelung erzielt, die nicht nur in dem gesamten Regelbereich gleichzeitig einsetzt, sondern außerdem der Intensität des Neutronenflusses weitgehend angepaßt werden kann.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Einrichtung nach der Erfindung gehen aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung hervor. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 bis 3 verschiedene Formen 'der Regelvorrichtung.

In den Figuren ist mit 1 das Gehäuse, mit 2 der in diesem verschiebbar gelagerte Verdrängerkörper und mit 3 der eigentliche Regelraum bezeichnet. Der zwischen dem Verdrängerkörper 2 und dem Gehäuse 1 gebildete, als Reservoir für das Absorbermittel dienende Raum ist bei 4 dargestellt. Über eine Gewindespindel 5 mit gegenläufigem Gewinde an den Lagerstellen im Gehäuse 1 und dem Verdrängerkörper 2 kann die Verschiebung des Verdrängerkörpers 2 erzielt werden. Die Gewindespindel ist durch Abdichtungspackungen 6 am Gehäuse 1 abgedichtet. Der Raum 4, welcher als Reservoir für das Regelmittel dient, kann zur Aufrechterhaltung von dessen Konzentration durch Erneuerung des ausgebrannten Mittels mit einem größeren Reservoir außerhalb des Cores, möglicherweise über die zu diesem Zweck hohl ausgebildete Spindel 5, in Verbindung stellen.

Die Wirkungsweise der Regelvorrichtung wird aus den Abbildungen ohne weiteres verständlich. Eine Verschiebung des Verdrängerkörpers mittels der Spindel 5 ist mit einer axial auf der gesamten Länge wirksamen Änderung des Regelraumes 3 verbunden, wobei aus dem Raum 4 Absorptionsmittel in den Regelraum 3 einströmt, wenn der Verdrängerkörper 2 nach oben gefahren wird. Als stark absorbierende gasförmige Mittel werden vorzugsweise Borfluorid, Borhydrid oder Cadmiumdampf, Krypton, möglichst mit der Anreicherung des Isotopes 83-Kr, oder Xenon mit 131-Xe in angereicherter Form eingesetzt. Als flüssige Absorber eignen sich z. B. Cadmiumschmelzen, wenn über den gesamten Verdrängerkörper Temperaturen über 320° C aufrechterhalten werden können oder bei Hochtemperaturreaktoren Bortrioxyd, dessen Schmelzpunkt bei 580° C liegt. Auch können Legierungen dieser Elemente in Betracht kommen, wenn deren Schmelzpunkt hinreichend niedrig liegt und sie keine Verbindung mit dem Werkstoff des Verdrängerkörpers eingehen. Der Verdrängerkörper selbst kann aus Graphit, Aluminiumoxyd, Siliziumkarbid, Berylliumoxyd, Quarz od. dgl. hergestellt werden. Auch können in an sich bekannter Weise Zirkon oder Aluminium eingesetzt werden. Besteht die Regelvorrichtung aus einem keramischen Material, das nicht vollkommen gasundurchlässig ist, oder besteht die Gefahr einer chemischen Reaktion mit dem Regelmittel, so können Auskleidungen beispielsweise aus Chrom, Molybdän, Nickel, Vanadium oder dessen Legierungen oder auch aus Zirkon oder Platin vorgesehen werden. Der wesentliche Vorteil dieser Regelvorrichtung gegenüber den bisher verwendeten, einseitig in den Reaktorkern eingeführten Regelstäben oder Absorberhüllen besteht darin, daß an beliebiger Stelle über eine größere Länge gleichzeitig wirkende^ und dem Flußverlauf entsprechende Regelungen erzielt werden können. Dadurch werden Flußverzerrungen

ίο ausgeschaltet und der Fluß im Reaktorraum darüber hinaus geglättet. Die VermeidungvonFlußverzerrungen sowie die erzielte Glättung des Neutronenflusses ermöglichen eine höhere Leistungsdichte im Reaktorkern. Ein weiterer Vorteil der neuen Regelvorrichtung besteht in der Anwendung dieser Vorrichtung für Hochtemperaturreaktoren und nicht ortsfeste Anlagen, weil im Gegensatz zu Regelstäben keine obere Temperaturschranke gesetzt wird, insbesondere dann, wenn die Regelvorrichtung aus keramischem Material und der Absorber ein geschmolzenes Metall, wie z. B. Cadmium, ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Regelvorrichtung für Kernreaktoren mit einer flüssigen oder gasförmigen Absorbersubstanz, welche in einem länglichen Gehäuse eingeschlossen ist, in dem ein in Längsrichtung bewegbarer Verdrängerkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) vollständig mit neutronenabsorbierender Substanz gefüllt ist, daß der Verdrängerkörper (2), dessen Volumen kleiner ist als das Volumen des Gehäuseinnenraumes, gegen das eine Ende zu verjüngt ist, und daß die Form des Gehäuseinnenraumes ähnlich ist der Körperform des Verdrängerkörpers.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Gehäuse (1) umschlossene Raum eine langgestreckte rotationssymmetrische Form hat, die in einer Richtung der Rotationsachse in einem Raum mit veränderlichem Querschnitt endet, und der ebenfalls rotationssymmetrische Verdrängerkörper (2) in seiner Form so bemessen ist, daß er den umschlossenen Raum entlang dem Abschnitt mit veränderlichem Querschnitt in seiner einen Endlage ganz und den zylindrischen Teil des Hohlraumes mit konstantem Querschnitt mit Gleitoder Spielsitz nur zum Teil ausfüllt und daß er über eine mechanische Verbindung von außerhalb des Gehäuses verschiebbar ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil des umschlossenen Raumes, der ein großes Verhältnis von Volumen zu Oberfläche aufweist, außerhalb des Reaktorkerns und der Teil des Raumes mit veränderlichem Querschnitt in dem Bereich des zu regelnden Flusses liegt.

4. Regelvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Ausnehmung mit veränderlichem Querschnitt und dem Verdrängerkörper (2) bei Verschiebung desselben entstehende Raum in axialer Richtung einen dem zu regelnden Flußverlauf angeglichenen Volumenverlauf besitzt.

5. Regelvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum mit veränderlichem Querschnitt ein Kreiskegel,, ein Paraboloid oder ein Drehkörper ist, dessen Längsschnitt-Begrenzungskurve der Verteilungskurve des Neutronenflusses in dieser Querschnittsebene angepaßt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1020 127; »Nucleonics«, Bd. 13, 1955, H. 8, S. 30 bis

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1099 101.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 507/264 1.65 © Bundesdruckerei Berlin