DE1208834B

DE1208834B - Control device for nuclear reactors

Info

Publication number: DE1208834B
Application number: DENDAT1208834D
Authority: DE
Inventors: James Taylor Martin Charles Peters London Anthony
Original assignee: Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Current assignee: Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
Publication date: 1966-01-13

Description

Regelvorrichtung für Kernreaktoren Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln von Kernreaktoren, bestehend aus einem vertikal angeordneten, den Reaktorkern durchsetzenden Rohr, in dem das Reaktorkühlmittel von unten nach oben strömt und das mit Mitteln zur Beeinflussung der Kühlmittelströmung versehen ist, sowie aus einer Vielzahl von gleichartigen neutronenabsorbierenden Körpern, vorzugsweise Kugeln, die sich übereinandergeschichtet in dem Rohr auf und ab bewegen.Control device for nuclear reactors The invention relates to a device for controlling nuclear reactors, consisting of a vertically arranged reactor core penetrating tube in which the reactor coolant flows from bottom to top and which is provided with means for influencing the coolant flow, as well as from a large number of similar neutron-absorbing bodies, preferably spheres, which move up and down in layers in the pipe.

Für Kernreaktoren verwendet man gewöhnlich Regelstäbe, die in Kanälen mittels eines elektromechanischen Antriebs verschiebbar sind. Derartige Einrichtungen sind aufwendig, und man benötigt bei einem Reaktor innerhalb eines Druckbehälters eine Vielzahl von Behälteröffnungen, um die Einzelantriebe mit den zugehörigen Regelstäben zu verbinden. Die einzelnen Regelstäbe müssen sorgfältig und genau innerhalb ihrer Kanäle angeordnet werden, und im Betrieb können sich unerwünschte betriebsgefährdende Verhältnisse ergeben.For nuclear reactors one usually uses control rods that are located in channels are displaceable by means of an electromechanical drive. Such facilities are expensive, and you need in a reactor within a pressure vessel a large number of container openings to the individual drives with the associated control rods connect to. The individual control rods must be carefully and precisely within their Channels are arranged, and in operation can be undesirable hazardous to the operation Relationships result.

Zur Vermeidung derartiger aufwendiger Einrichtungen hat man bereits vorgeschlagen, Neutronenabsorberkörper, vorzugsweise Kugeln, zur Regelung zu verwenden, welche in einem obenliegenden Behälter gespeichert und bei Bedarf kugelregenartig abgelassen werden. Jedoch dient dieses schlagartige Ablassen der Kugeln mehr einem Abschaltvorgang als einem Regelvorgang, da ein Verweilen der Kugeln in dem Abschaltrohr nicht vorgesehen und möglich ist.To avoid such complex facilities one has already proposed to use neutron absorber bodies, preferably spheres, for regulation, which are stored in an overhead container and, if necessary, like a rain of bullets be drained. However, this sudden release of the balls serves more than one Shutdown process as a control process, since the balls linger in the shutdown tube is not intended and possible.

Es ist ferner eine Einrichtung zur Variierung der Reaktivität von Kernreaktoren bekannt, wobei in einem den Reaktorkern durchsetzenden Rohr das Reaktorkühlmittel von unten nach oben strömt und in denn Rohr neutronenabsorbierende Kugeln sich übereinandergeschichtet auf und ab bewegen. Dabei sind die kugelförmigen Absorberelemente in Kanälen des Reaktorkerns eingelagert und werden zwecks Regelung von einem Druckmedium aus den Kanälen mit über die Höhe gleichem Durchmesser entfernt oder wieder zugeführt. Es ist aber hierbei schwer, gewisse Zwischenlagen des absorbierenden Materials einzustellen, da es sich hierbei um einen indifferenten Gleichgewichtszustand handelt. In der Praxis wird sich somit bei den unter dem Druck des Mediums stehenden Kugeln ein in der Höhenlage ständig wechselnder und somit für die Regelung äußerst labiler Zustand einstellen.It is also a device for varying the reactivity of Known nuclear reactors, the reactor coolant in a tube penetrating the reactor core flows from bottom to top and in the tube neutron-absorbing spheres are layered on top of each other move up and down. The spherical absorber elements are in the channels of the Reactor core and are stored for the purpose of regulation by a pressure medium from the Channels with the same diameter over the height removed or fed back. It but it is difficult to adjust certain intermediate layers of the absorbent material, because this is an indifferent state of equilibrium. In the Practice will therefore apply to the balls under the pressure of the medium constantly changing in the altitude and therefore extremely unstable for the regulation Set state.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile der bekannten mit kugelförmigen. Absorberelementen arbeitenden Regeleinrichtungen. Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß sich das Rohr von unten nach oben gesetzmäßig erweitert und mit radial nach innen abstehenden Längsrippen ausgestattet ist, die einen Führungskanal für die neutronenabsorbierenden Körper begrenzen. Durch eine- derartige stufenförmige Erweiterung, wobei. jeder Stufe ein bestimmter Mediumsdurchsätz und damit eine bestimmte Druckdifferenz zugeordnet ist, ist es praktisch möglich, eine bestimmte Höhenstellung des neutronenabsorbierenden Materials und somit einwandfreie Reaktorregelung zu erreichen.The present invention aims to avoid the disadvantages of known with spherical. Control devices working with absorber elements. the The solution to the problem is that the tube is from bottom to top expanded according to the law and equipped with longitudinal ribs protruding radially inwards which limit a guide channel for the neutron absorbing body. By such a step-like extension, where. a certain medium throughput for each stage and so that a certain pressure difference is assigned, it is practically possible a certain height position of the neutron-absorbing material and thus flawless To achieve reactor control.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus den Figuren hervor. Es zeigt F i g. 1 ein Rohr bzw. einen Kanal gemäß der Erfindung mit darin eingefülltem neutronenabsorbierendem Material, F i g. 2 eine Variante eines Kugelrohres mit gleichbleibendem Querschnitt und in bestimmten Abständen über die Höhe vorgesehenen Bohrungen.Further features of the present invention emerge from the figures emerged. It shows F i g. 1 a pipe or a channel according to the invention with therein filled neutron absorbing material, FIG. 2 a variant of a spherical tube with a constant cross-section and at certain intervals over the height Drilling.

F i g. 1 stellt einen Teil eines wassermoderierten und wassergekühlten Reaktors dar, wobei die Brennelemente 1 durch die untere und die obere Platte 2 bzw. 3 gehalten werden. Die Brennelemente sind dabei gleichmäßig über den Querschnitt des entsprechenden kompletten Brennelementteils verteilt. In entsprechend gleichmäßiger Verteilung, jedoch in größeren Abständen über den Querschnitt, sind Kugelrohre 4 für die Aufnahme des neutronenabsorbierenden Materials vorgesehen. Dieses besteht aus Kugeln 5 gleichmäßiger Größe, welche im Durchmesser etwas kleiner als -die -Röhre sind. Die Rohre 4 weisen das erfinderische Merkmal auf, daß in bestimmten Höhen der Durchmesser konstant zunimmt, was in der Figur durch die Absätze 6 dargestellt ist. Die Rohre 4 sind am unteren Ende mit Bohrungen 7 versehen, durch welche das Wasser oder ein ähnliches Druckmedium eintritt und bei der Regelung die sonst auf den radialen Stützblechen 8 aufliegende Kugelsäule beim Durchströmen bis zu einer bestimmten Höhe, wo sich das Gleichgewicht einstellt, emporhebt. Infolge der stufenartigen Abschnitte des Kugelrohres werden die Kugeln unter Einwirkung eines bestimmten Druckes von unten zunächst aus -dem untersten Abschnitt mit dem geringsten Durchmesser herausgedrückt, während sich im zweiten Abschnitt zwischen dem Strömungsdruck und der Kugelsäule ein Gleichgewicht einstellt. Gewisse Schwankungen in der Menge bzw. --Geschwindigkeit des Druckmediums fallen dabei nicht so sehr ins Gewicht, da sich die Kugelsäule hierbei lediglich in ihrer Höhenlage in dem Abschnitt etwas verschiebt, in welchem sie sich gerade befindet,- ohne jedoch dabei in andere ab= gestufte Abschnitte überzugehen. Dies würde erst eintreten, wenn die Geschwindigkeit oder Menge des Druckmediums entsprechend, stark zunehmen oder abnehmen würde. Insofern ist durch die Kugelrohre gemäß der Erfindung eine einwandfreie Regelung ohne wesentliche Schwankungen möglich. Im Bedarfsfall können die Kugeln, wie gleichfalls aus der F i g.1 zu ersehen ist, in Leitungen 9 entsprechend höher steigen. Das unter Druck durch den Kern und somit auch durch die Kugelrohre 4 umgewälzte Medium, beispielsweise Wasser, gibt die bei der Spaltreaktion erzeugte und aufgenommene Wärme an entsprechende Wärmeaustauscher außerhalb des Reaktordruckbehälters ab. Die Kugeln 5 bestehen aus einer Außen= hülle aus Stahl und einer Innenfüllung aus nichtrostendem Borstahl, der in der Lage ist, Neutronen zu absorbieren. Zweckmäßigerweise sind die Rohre innen mit kurzen radialen Rippen 14 versehen zur besseren Distanzierung der Kugeln und Vergleichsmäßigung der Strömung.F i g. 1 shows part of a water-moderated and water-cooled reactor, the fuel assemblies 1 being held by the lower and upper plates 2 and 3, respectively. The fuel assemblies are evenly distributed over the cross section of the corresponding complete fuel assembly part. Spherical tubes 4 are provided for receiving the neutron-absorbing material in a correspondingly uniform distribution, but at larger intervals across the cross-section. This consists of balls 5 of uniform size, which are slightly smaller in diameter than the tube. The tubes 4 have the inventive feature that the diameter increases constantly at certain heights, which is shown in the figure by the paragraphs 6. The tubes 4 are provided at the lower end with bores 7 through which the water or a similar pressure medium enters and, during the control, the spherical column otherwise resting on the radial support plates 8 when flowing through up to a certain height where equilibrium is established. As a result of the step-like sections of the spherical tube, the spheres are initially pushed out of the lowest section with the smallest diameter under the action of a certain pressure from below, while an equilibrium is established between the flow pressure and the spherical column in the second section. Certain fluctuations in the amount or speed of the pressure medium are not so important, since the spherical column only shifts slightly in its height in the section in which it is currently located - but without falling into others = to pass stepped sections. This would only occur if the speed or amount of the print medium were to increase or decrease sharply accordingly. In this respect, the spherical tubes according to the invention allow perfect regulation without significant fluctuations. If necessary, as can also be seen from FIG. 1, the balls can rise correspondingly higher in lines 9. The medium circulated under pressure through the core and thus also through the spherical tubes 4, for example water, transfers the heat generated and absorbed during the fission reaction to corresponding heat exchangers outside the reactor pressure vessel. The balls 5 consist of an outer shell made of steel and an inner filling made of stainless boron steel, which is able to absorb neutrons. The tubes are expediently provided with short radial ribs 14 on the inside for better spacing of the balls and equalization of the flow.

In Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht eine Variante der Erfindung darin, daß die Kugelrohre nicht mit abgestuften Durchmessern, sondern in leicht konischer p'orm mit praktisch übergangsloser Durchmesseränderung ausgeführt werden. Auch in diesem Fall wird sich in Abhängigkeit von dem Druck des durchströmenden Mediums eine bestimmte Höhe der Kugeln einstellen.There is a variant in an embodiment of the present invention the invention is that the spherical tubes do not have graduated diameters, but executed in a slightly conical shape with practically seamless change in diameter will. Also in this case it will depend on the pressure of the flowing through Set a certain height of the balls in the medium.

Eine andere Ausführungsform zu der in F i g. 1 gezeigten Anordnung stellt die F i g. 2 dar. Hierbei ist das Rohr 10 für die Kugeln 5 nicht mit stetig zunehmendem Durchmesser ausgeführt, sondern weist einen über die ganze Länge gleichbleibenden Durchmesser auf. Statt dessen sind jedoch in gleichmäßigen Abständen über die Höhe am Umfang des Rohres verteilt Bohrungen 11 angeordnet, durch welche Druckmedium in das Rohr 10 eindringt und dabei gleichzeitig in ähnlicher Weise wie bei dem Rohr der F i g. 1 von- Abschnitt zu Abschnitt sich veränderte Druckverhältnisse ergeben, wodurch ein entsprechendes Entfernen oder Zuführen von kugelförmigem neutronenabsorbierendem Material bewirkt wird.Another embodiment to that shown in FIG. 1 arrangement shown represents the F i g. 2. Here, the tube 10 for the balls 5 is not continuous running with increasing diameter, but has a constant over the entire length Diameter on. Instead, however, they are evenly spaced across the height distributed on the circumference of the tube bores 11, through which pressure medium penetrates into the pipe 10 and at the same time in a manner similar to that of the pipe the F i g. 1 pressure conditions change from section to section, whereby a corresponding removal or supply of spherical neutron absorbent Material is effected.

Die beschriebene Art der Regelung mittels kugelförmigen neutronenabsorbierenden Materials in Rohren, welche gemäß der Erfindung in verschiedenen Varianten `ausgebildet sind, bietet -gewisse Vorteile gegenüber der Regelung mittels Stäbe, wie eingangs bereits erwähnt, sowie auch gegenüber Kugeln in normalen übergangslosen Rohren,-wo .die Regelung durch Schwankungen der Höhe der Kugelsäule ungünstig beeinflußt wird. -- Während des -Betriebes des Reaktors werden die Kugeln 5 in den Rohren 4 bzw.10 so angeordnet, daß die Masse des neutronenabsorbierenden Materials im Kern so geändert werden kann, wie es erforderlich ist, um die anfängliche überschußreaktivität zu halten oder um die Höhe der Energieerzeugung im Kern zu ändern oder um den fortschreitenden Verbrauch an Brennstoff auszugleichen: Dä-das-Wasser-im Druckbehälter unter Druck steht, kann die Änderung der Menge des im Kern enthaltenen neutronenabsorbierenden Stoffes im- Prinzip nur eine Änderung des Öffnungsgrades der in den Wasseraustrittsrohren 12 vorgesehenen Ventile erfordern. Wenn alle genannten Ventile geschlossen sind oder der Druck innerhalb des Druckbehälters ausfällt, dann sinken die Kugeln im Wasser durch ihre .Schwerkraft in ihre untersten Stellungen im Kugelrohr, wobei der Kern unterkritisch ist. Die Rohre 4 sind so über den Kernquerschnitt verteilt, daß durch eine Feinregelung der Kugelstellungen der thermische Neutronenfluß über den Kernquerschnitt bei verschiedenen Anforderungen an das - gesamte neutronenabsorbierende Material im Kern so gleichmäßig wie möglich gehalten werden kann. Dies kann beispielsweise dazu führen, daß mehr Rohre mit Kugeln in den inneren Brennelementen des Kerns angeordnet werden müssen als in den äußeren. Dadurch ergibt sich als weiterer wesentlicher.Vorteil der Erfindung eine Vergleichmäßigung über den gesamten Kernquerschnitt.The type described the control by means of spherical neutron absorbing material into pipes which of the invention are formed in different variants `accordance provides -gewisse advantages over the control by means of bars, as already mentioned above, as well as with respect to bullets in normal over seamless tubes, -where. the regulation is adversely affected by fluctuations in the height of the spherical column. - During operation of the reactor, the balls 5 in the tubes 4 and 10 are arranged so that the mass of the neutron absorbing material in the core can be changed as necessary to maintain the initial excess reactivity or by the height to change the energy generation in the core or to compensate for the progressive consumption of fuel: Since the water in the pressure vessel is under pressure, the change in the amount of the neutron-absorbing substance contained in the core can in principle only change the degree of opening in the water outlet pipes 12 valves provided. If all the valves mentioned are closed or the pressure inside the pressure vessel fails, the balls in the water sink into their lowest positions in the ball tube due to their gravity, the core being subcritical. The tubes 4 are distributed over the core cross-section in such a way that the thermal neutron flux over the core cross-section can be kept as uniform as possible by fine-tuning the ball positions, with different demands on the entire neutron-absorbing material in the core. This can lead, for example, to the fact that more tubes with balls have to be arranged in the inner fuel elements of the core than in the outer ones. This results in a further essential advantage of the invention that it is made more uniform over the entire core cross-section.

Claims

Claims: 1. Device for controlling nuclear reactors, consisting from a vertically arranged tube penetrating the reactor core, in which the Reactor coolant flows from bottom to top and that with means for influencing the coolant flow is provided, as well as from a variety of similar neutron absorbing bodies, preferably spheres, which are layered on top of each other move up and down in the tube, characterized in that the tube moves from below Normally expanded upwards and with longitudinal ribs protruding radially inwards is equipped, which has a guide channel for the neutron-absorbing body limit.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the Tube widened to the top in a stepped manner.

3. Apparatus according to claim 2, characterized characterized in that the tube widens conically upwards.

4. Device for regulating nuclear reactors, consisting of a vertically arranged tube penetrating the reactor core °; in which the reactor coolant flows from bottom to top and which is provided with means for influencing the coolant flow, as well as from a large number of similar neutron-absorbing bodies, preferably spheres, which move up and down in a stacked manner in the tube, characterized in that the tube, which has the same diameter over its entire height, is provided with a number of axial openings at different heights through which the coolant exits. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1052 000, 1121240; French Patent Nos. 1239 165, 1310151; USA: Patent No. 2,990,358.