DE1207522B - Regel- und Abschaltelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21d

Deutsche Kl.: 21g-21/31

Nummer: 1207522

Aktenzeichen: S 62245 VIII c/21 g

Anmeldetag: 21. März 1959

Auslegetag: 23. Dezember 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 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 Brennelement begrenzt ist, kommt noch eine Leistungsminderung hinzu.

Es sind weiter Absorberanordnungen bekannt, bei denen von dem Gedanken der räumlichen Abdeckung der Spaltstoff enthaltenden Teile durch Absorberhüllen Gebrauch gemacht wird. Die Hüllen lassen sich mehr oder weniger weit über die spaltstoffbehafteten Teile schieben und machen so entsprechende Partien derselben aktionsunwirksam. Es bleibt aber — wie bei Regelstäben — die mit dem einseitigen Eintauchen der Absorberträger in den Reaktorkern verbundene Flußverkrümmung 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 ist nachteilig 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. 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.

Bekannt sind ferner Absorbervorrichtungen, bei denen Überdeckungseffekte relativ zueinander bewegter Absorberzonen in einer zentralen Bohrung des Reaktorkernes zur Regelung ausgenützt werden. Die Absorberorgane besitzen dabei — in Bewegungsrichtung gesehen — einander abwechselnde absorberfreie und absorberbehaftete Zonen (Zonenraster). Es gibt jedoch keine Stellung der Absorberorgane in Kern, in der sie unwirksam sind. Diese Lösung verlangt außerdem eine Sonderkonstruktion des Kernes.

Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Karl Janner, Erlangen

Ältere, nicht vorveröffentlichte Vorschläge beinhalten Regelorgane, in welchen Absorberelemente gegenüber Spaltstoffelementen beweglich angeordnet sind. Die in diesen Organen enthaltene Absorbersubstanz kann jedoch in keiner Lage gegenüber dem Reaktorkern völlig unwirksam gemacht werden.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann die Wirkung des im Reaktorkern verbleibenden Absorbers praktisch völlig zum Verschwinden gebracht werden. Diese betrifft ein stabförmiges Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren, bei dem zur Regelung eine Relativbewegung zwischen einem mit Absorbersubstanz belegten Bauelement und einem mit Spaltstoffsubstanz belegten Bauelement zur Veränderung der gegenseitigen räumlichen Abdeckung dieser Substanzen erfolgt, bei dem das axial verstellbare Absorberelement — in Stellrichtung gesehen — aus miteinander abwechselnden absorberfreien und absorberbehafteten Zonen besteht und bei dem das Absorberelement von einem Spaltstoffelement umgeben ist, das — in axialer Richtung gesehen — aus miteinander abwechselnden spaltstofffreien und spaltstoffbehafteten Zonen mit gleichen Mittelabständen wie die Zonen des Absorberelementes besteht. Erfindungsgemäß sind die spaltstoffbehafteten Zonen länger als die spaltstofffreien Zonen sowie die Absorberzonen des Absorberelementes und die spaltstofffreien Zonen des Spaltstoffelementes mit Moderatorsubstanz gefüllt. Das Regel- und Abschaltelement kann beispielsweise die Gestalt eines Brennelementes besitzen und im Inneren seines Gehäuses ein stab-, platten-, kreuz- oder rohrförmiges Absorberelement enthalten. Die Vorrichtung kann wie ein Brennelement auswechselbar im Reaktorkern gelagert sein. Durch entsprechende Verstellung kann der Absorber innerhalb des Reaktorkernes völlig unwirksam gemacht werden.

509 759/438

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel im Längsschnitt- für zwei Betriebssiellungen.

F i g. 1 zeigt die Stellung, in der das Absorbereldneni unwirksam, .

F i g. 2 die Stellung, in der das Element voll wirksam ist.

Gemäß F i g. 1 und 2 enthält das Gehäuse 1 im Inneren das Absorberelement 2, das, in Bewegungsrichtung gesehen, die miteinander abwechselnden absorberfreien und absorberbehafteten Zonen 3,4 aufweist. Das Element ist durch horizontale Metallwände 5 etagenartig unterteilt. Jeder zweite Etagenraum ist mit Absorbersubstanz, z. B. Cadmium, angefüllt. In dem den Stab umgebenden Spaltstoff- bzw. Reflektorelement sind, den Stabzonen 3, 4 entsprechend, ebenfalls miteinander abwechselnde spaltstoff- bzw. reflektorfreie und spaltstoff- bzw. reflektorbehaftete Zonen 6 und 7 benachbart. Die spaltstofffreien Zonen 6 sind dabei nicht leer, sondern aus ao mechanischen und neutronenphysikalischen Gründen mit einem Moderatorstoff gefüllt. ■

Ähnlich wie das Absorberelement besitzt auch das Spaltsioffelement Metallkammern. Sie werden in diesem Beispiel gebildet aus den beiden konzenirischen, prismatischen oder zylindrischen Metallwänden 8, 9 und den horizontalen Zwischenwänden 10, die den Ringraum unterteilen. Jeder zweite Etagenraum enthält eine Spaltstoff- oder Reflektorsubstanz. Die Etagenräume 7 sind dabei höher als die absorberbehafteten Zonen 4 des Absorberelementes 2. Dadurch wird in der absorberunwirksamen Betriebsstellung eine besonders gute Abdeckung der Absorberschichten erreicht.

Die Antriebsmittel des Absorberelementes, dessen Effektivlänge nur um eine Spaltstoffetagenhöhe größer als die Höhe des Spaltstoffelementes zu sein braucht, sind am Kopfende des Elementes angeordnet. In vorliegendem Falle besitzt das stabförmige Absorberelement oben einen Elektromagneten 11 zur Abschaltung und einen Spindelantrieb 12 zur Regelung der Position.

Die Wirkungsweise des Regel- und Abschaltelementes ist folgende:

In der Stellung gemäß F i g. 1 sind die absorbierenden Bereiche des Elementes durch Spaltstoff abgedeckt. Die Neutronen müssen also zuerst den Spaltstoff durchsetzen, ehe sie zum Absorber gelangen. Praktisch gelingt das nur wenigen Neutronen, da sie vorher im Spaltstoff Kernreaktionen auslösen. Durch die Wahl der Art und Dicke des Spaltstoffes lassen sich die im Reaktorkern durch das Element bewirkte Neutronenproduktion und Neutronenabsorption beeinflussen, z. B. so, daß die Produktion in der Spaltstoffschicht die Absorption in der Stababsorberschicht übersteigt oder beide gleich sind.

Beim Übergang in die Betriebsstellung gemäß F i g. 2 werden mehr und mehr Neutronen im stabförmigen Absorberelement absorbiert. In der Endntellung selbst werden fast alle auf den Absorber treffenden Neutronen entsprechender Energie abcorbiert, jedenfalls wesentlich mehr als in der Stellung gemäß Fig. 1. Innerhalb der durch diese Stellung gegebenen Grenzen läßt sich somit die Neutronenbilanz eines Reaktors beeinflussen. Vorteilhaft ist, daß dies mit ganz kleinem, durch Wahl der Etagenhöhe auch beeinflußbarem Hub möglich ist. Dadurch entfallen die mit der Verwendung langer Stäbe oder der eingangs erwähnten anderen Vorrichtungen verbundenen Komplikationen. Die Reaktivitätsänderung erstreckt sich im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen durch den gesamten Reaktorkern hindurch. Es wird somit nur eine relativ kleine Flußverzerrung erzeugt, so daß die im Zusammenhang hiermit weiter oben erwähnten Nachteile verschwinden oder doch wesentlich gemildert werden. Die Füllung der spaltstofffreien Zonen mit einem Moderatorstoff hat nicht nur rein mechanische Vorteile, sondern ermöglicht eine weitere Vergleichmäßigung des Neutronenflusses sowie eine Verbesserung der Neutronenbilanz des Reaktors.

An Stelle der Spaltstoffsubstanz kann auch eine Reflektorsubstanz verwendet werden. Allerdings kann dann das Regel- und Abschaltelement nicht gleichzeitig auch als Brennelement zur Leistungserzeugung mitbenutzt werden. Dies ist an sich durch entsprechende Bemessung und Anreichung des Elementes möglich. Ferner können die Zylinderwände der spaltstoff- bzw. reflektorfreien Räume durchbrochen oder ganz fortgelassen sein, damit der Moderator bzw. das moderierende Kühlmittel eindringen kann. Im letzteren Falle sind achsparallele Haltestreben für die Spaltstoff- bzw. Reflektorkammern vorzusehen.

Es kann im Einzelfalle vorteilhaft sein, mehrere oder alle Stäbe zu Magneteinheiten zusammenzufassen, derart, daß sie durch ein gemeinsames Antriebsaggregat verstellbar sind.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. S'tabförmiges Regel- und Abschaltelement für Kernreaktoren, bei dem zur Regelung eine Relativbewegung zwischen einem mit Absorbersubstanz belegten Bauelement und einem mit Spaltstoffsubstanz belegten Bauelement zur Veränderung der gegenseitigen räumlichen Abdeckung dieser Substanzen erfolgt, bei dem das axial verstellbare Absorberelement — in Stellrichtung gesehen — aus miteinander abwechselnden absorberfreien und absorberbehafteten Zonen besteht und bei dem das Absorberelement von einem Spaltstoffelement umgeben ist, das — in axialer Richtung gesehen — aus miteinander abwechselnden spaltstofffreien und spaltstoffbehafteten Zonen mit gleichen Mittelabständen wie die Zonen des Absorberelementes besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltstoffbehafteten Zonen länger sind als die spaltstofffreien Zonen sowie die Absorberzonen des Absorberelementes und daß die spaltstofffreien Zonen des Spaltstoffelementes mit Moderatorsubstanz gefüllt sind.

2. Regel- und Abschaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Spaltstoffelementes aus zwei konzentrischen, prismatischen oder zylindrischen Metallrohren mit in Achsrichtung etagenartig durch horizontale Zwischenwände unterteilten Ringräumen besteht.

3. Regel- und Abschaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberelement von stabförmiger Gestalt und durch horizontale Metallwände etagenartig unterteilt ist.

4. Regel- und Abschaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwände der spaltstofffreien Etagenräume für den Eintritt des Moderators bzw. des moderierenden Kühlmittels durchbrochen oder ganz fortgelassen sind.

5. Verwendung des Regel- und Abschaltelements nach Anspruch 1 als Brennelement.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 046 209, 049 014;

französische Patentschrift Nr. 1 172 899; USA.-PatentschriftNr. 2 852 458.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1153 467.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen