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Verfahren und. Einrichtung zur Beeinflussung, insbesondere Linearisierung
der Wirkungskennlinie von Absorberstäben für Kernreäktören Kernreaktoren- werden
in den meisten Fällen durch sogenannte Regelstäbe geregelt. Diese bestehen in ihrem
aktiven Teil .aus absorbierenden Materialien, die- in der Lage sind; Neutronen einzufangen.
Die Wirksamkeit derartiger- Absorberstäbe ' -ist unter anderem Von ihrem Einsatzort
innerhalb des Reaktorkems, abhängig: Sie. wird 'z: B. um. so größerje höher die
Neutronendichte. ist Ein -Maximum der Wirksainkeitwird sich also` in deü,Zemtralzonen
eines Reaktorkernes einstellen. Dies kann regelungstechnisch deshalb von Nachteil
sein,-weil_ bei Reaktoren, mit.negativen Temperaturkoeffizienten die Mittelstellung
des Regelstabes meist bei- Betrieb mit der kleinsten- Leistung eingenommen ' wird.-
Verbunden: mit dem hier aber größtem Verstärkungsfaktor der-Stabwirksamkeit können
sich Stabilitätsprobleme- ergeben. Es ist zwar grundsätzlich möglich, diese Verstärkungsänderungen
im Regelkreis des Reaktors zu berücksichtigen, besser wäre es jedoch, darauf verzichten
zu können- und eine entsprechende Veränderung-der Kennlinie der Stabwirksamkeit
anzustreben und damit insbesondere die Regelung bei kleinen Reaktorleistungen zu
verbessern.
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Zur Erreichung des vorgenannten Zieles bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zur Beeinflussung, insbesondere Linearisierung, der Wirkungskennlinie
von Absorberstäben oder -elementen für den Betrieb von Kernreaktoren. Erfindungsgemäß
werden Regelstabhub und/oder Absorberfläche den normalerweise herrschenden Neutronenflußverhältnissen
so angepaßt, daß jeder Bewegungsschritt praktisch einer gleichen Reaktivitätsänderung
entspricht.
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Dieses Verfahren und die zu seiner Durchführung vorgeschlagenen Einrichtungen
seien nun an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.
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In F i g. 1 A sowie in allen übrigen Figuren-A ist der Reaktorkern
schematisch dargestellt. Der ebenfalls schematisch dargestellte zylindrische Regelstab
taucht von oben in diesen Reaktorkern ein. Es ergibt sich dann die in F i g. 1 B
dargestellte Wirkungskennlinie, die die negative Reaktivität - o - also die Absorptionsfähigkeit
des Stabes - in Abhängigkeit der Höhe des Reaktorkernes zeigt. Mit a -ist- dabei
die Regelstabposition bei großer Leistung,. mit b jene bei kleiner Leistung angedeutet:
Diese Funktion der Regelstäbe entspricht dem Stand der Technik bei z. B. Druckwasserreaktoren,
von dem ausgegangen wird. Aus der F i g.1 B ist also zu entnehmen, daß bei - a große
Wegänderungen nur verhältnismäßig kleinen Reaktivitätsänderungen, dagegen bei Punkt
b deine. Wegänderungen bereits großem Reaktivitätsänderungen entsprechen. -Diese
Unterschiede sollen aber beseitigt werden.
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,Dies ist. einmal möglich dadurch, däß die -Regel-Stäbe nur an ihrem
vorderen Ende mit absorbierendem Material belegt- sind. Dies hat zur Wirkung, da13
scheinbar .nur ein »Pfropfen .absorbierenden Materials« in- den Reaktorkern hineingetaucht
wird, wie es, in F i g. 2 schematisch, dargestellt ist. Aus der in F i g. 2 B dargestellten
.Wirkungskennlinie ist zu ersehen, daß in dem. Bereich a (große Leistung) und b
(kleine. Leistung) -etwa gleiches Regelverhalten erwartet werden: kann. Bei dieser
Ausführungsform hat es allerdings nur Sinn; den Regelstab bis fast zur Mitte des
Reaktorkernes einzuführen. Er kann damit also sinnvoll nur als -reiner Regelstab
und nicht auch zusätzlich als Abschaltstab verwendet werden, da dafür ja-keine zusätzliche
Absorptionsfähigkeit vorliegt.
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Eine andere Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, die Absorberflächen den Neutronenflußverhältnissen anzupassen, d.
h. in - Bereichen niedrigen -Neutronenflusses müssen große Absorberflächen zur Verfügung
stehen, und umgekehrt genügen in Bereichen großen Neutronenflusses kleine Absorberflächen.
- Diesem Prinzip enispricht ein Regelstab, der teleskopförmig aufgebaut ist. Ein
solcher ist in F i g. 3 A und 3 C dargestellt.- In F i g. 3 A taucht der Absorberstab
nur in den Außenbereich -ein. Die in diesem Zustand dargestellte äußere Hülle
des teleskopförmigen Stabes kann nicht weiter eintauchen. Bei weiterer Notwendigkeit
einer Neutronenabsorption fährt nunmehr ein innerer Stab heraus, ebenfalls wieder
bis zu einer bestimmten Tiefe und- dann wieder aus diesem ein
noch
dünnerer Stab usw. (s. F i g. 3 C). Damit ist gewährleistet, daß in der Zentralzone
des Reaktors, also in der Zone höchsten Neutronenflusses, nur verhältnismäßig wenig
Absorbermaterial, dagegen in den anderen Zonen immer mehr Absorbermaterial vorhanden
ist. Auch bei dieser Lösung ist es sinnvoll, den Absorberstab nur bis zur Mitte
des Reaktors einfahren zu lassen. Es ergibt sich dann die Kennlinie nach F i g.
3 B. Auch hier hat der Regelstab für eine Schnellabschaltung keine zusätzliche Absorptionsfähigkeit,
es sei denn, das gesamte Regelstabsystem kann mit allen seinen Teilen weiter eingefahren
werden.
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Eine ähnliche Wirkung hat die in F i g. 4 schematisch dargestellte
Regelstabeinrichtung. Hier werden die Einzelstäbe zu Gruppen unterschiedlicher und
begrenzter Eintauchtiefe im Reaktorkern zusammengefaßt. Dies bedeutet, daß jede
Gruppe immer nur eine gewisse Eintauchtiefe im Reaktorkern erreichen kann. Da aber
jeder Regelstab gleichmäßig mit Absorbermaterial belegt ist, ergibt sich nach den
Zonen stärkeren Neutronenflusses hin eine immer kleinere Fläche von absorbierendem
Material. Die Wirkungsweise ist praktisch die gleiche wie bei den Teleskopstäben
gemäß F i g. 3. Die Wirkungskennlinie von F i g. 4 B entspricht also auch derjenigen
von Fig.3B.
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Eine andere Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß z. B. ein an sich bekannter Antriebsmechnismus, z: B. ein Klinken-
oder Friktionsantrieb, eine Hubbegrenzungseinrichtung, z. B. in Gestalt einer Klinke,
enthält und am Regelstab selbst Steuereinrichtungen hierfür, beispielsweise in Gestalt
eines Kulissenprtifils oder einer Kulissenkurve für die Klinke, vorgesehen sind.
Bei einer derartigen Einrichtung ergibt sich eine Linearisierung der Wirkungskennlinie
des Regelstabes in Abhängigkeit von der Zahl der Bewegungsschritte. In F i g. 5
ist eine derartige Hubbegrenzungseinrichtung näher dargestellt. Der Regelstab bzw.
seine Antriebsstange ist mit 2 bezeichnet. Er ist mit horizontalen Rillen 21 versehen,
in die die Klinken des Antriebsmechanismus einrasten können. Der Abstand zweier
Ringnuten entspricht dabei der minimalen Hubhöhe Hmirs. Dieser Regelstab 2 ist über
seine ganze Länge mit einer Nut versehen, die gegen das obere Ende zu in eine Kulissenkurve
22, die auch als Stufenprofil ausgebildet sein kann, ausläuft. Die Stange 2 ist
innerhalb eines Rohres 4 aus unmagnetischem Material geführt, das lediglich Durchbrechungen
41 und 42 für die Hubbegrenzungs- und die Greifklinken besitzt. Außerhalb dieses
Führungsrohres und innerhalb des äußeren Druckrohres 3 befindet sich der eigentliche
Antriebsmechanismus. Er besteht aus dem Eisenkern 5 und dem beweglichen Anker 6,
die beide durch die Erregung der Hubspule 51 aufeinander zu bewegt werden können.
Das normalerweise aus magnetischem Material bestehende Druckrohr 3 hat in der Höhe
des Arbeitsluftspaltes eine Zone aus unmagnetischem Material 31, das z. B. im Schweißverfahren-
eingebracht wird. Die Spule 51 ist außerdem von dem Eisenmantel 56 umgeben, der
zum Schutz und außerdem als magnetischer Rückschluß dient. Der Hubanker 6 ist durch
einen Bolzen 61 in einer Nut der Außenwand geführt und in seiner untersten Lage
begrenzt. Unterhalb desselben befindet sich der Greifanker 7, der magnetisch über
die Greifspule 71 -mit- dem Hubanker 6 verbunden ist. Auch hier befindet sich zur
Unterbrechung des Kraftschlusses innerhalb des Druckrohres 3 eine unmagnetische
Zwischenlage 31. Der Eisenmantel 67 dient dabei ebenfalls als mechanische Abschirmung
und auch als magnetischer Rückschluß. Am Hubanker 6 und am Greifanker 7 sind die
Greifklinken 62 bzw: 72 gelenkig befestigt, die in die Rillen des Regelstabes einrasten,
wenn die Greiferspule 71 erregt wird. Wird anschließend die Hubspule 51 erregt,
wird der Hubanker samt dem Greifklinkensystem angehoben und damit der Regelstab
nach oben bewegt. Da die Funktion eines derartigen Klinkenantriebes als bekannt
vorausgesetzt werden kann, wurde auf eine weitere Darstellung der noch notwendigen
Haltespulen sowie des Halteklinkensystems verzichtet.
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Am Eisenkern 5 ist innerhalb eines Schlitzes ein Winkelhebel 23 beweglich
gelagert. Beim Anzug des Hubankers 6 drückt dessen oberer Fortsatz 65 gegen den
einen Schenkel dieses Hebels und den anderen dabei in die Nut 22 des Regelstabes
hinein. Dieses Eintauchen geht widerstandslos vor sich bis zu dem Zeitpunkt, an
dem die Steuerkurve dem Hebel gegenübersteht. Hier findet nämlich der andere Arm
des Winkelhebels 23 einen Anschlag in der Nut des Regelstabes, so daß der Hubanker
nicht mehr voll anziehen kann, d. h., daß der maximale Hub Hmax nicht mehr erreicht
werden kann. Der sich dabei tatsächlich einstellende Hub wird also immer kleiner
werden, je weiter der Regelstab in den Reaktorkern hinein absinkt. Der Ablauf der
einzelnen Arbeitsschritte in diesem Beispiel ist dann folgender: Anziehen des Hubankers,
dessen Hub je nach Lage des Regelstabes 2 durch die Begrenzungsklinke 23 gegeben
ist. Anschließend Einschaltung der Greifspule 71, damit Eingreifen der Greifklinken
62 und 72 in die Rillen des Stabes, dann Abschalten der Hubspule 51, dadurch Absinken
und Abfallen des Hubankers und damit Absinken des Regelstabes 2 um die eingestellte
Hubhöhe H, sodann Einschaltung der nicht dargestellten Halteklinken und Lösen der
Greiferklinken. Dieses Spiel wiederholt sich so lange, bis die für den jeweilig
gewünschten Reaktorbetrieb notwendige Einstellung des Regelstabes oder der Regelstäbe
erreicht ist.
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Mit dieser rein mechanischen Hubbegrenzungseinrichtung wird beispielsweise
eine Veränderung des Hubverhältnisses 1: 5 ermöglicht, wobei dann Hmax und H.1"
ebenfalls in diesem Verhältnis stehen müssen. Selbstverständlich ist es auch denkbar,
diese Hubbegrenzung auf anderem Wege, z. B. über Verstellung des Eisenkernes 5 durchzuführen.
Dieses Prinzip der Hubbegrenzung kann in entsprechend abgewandelter Ausführung auch
für fast alle anderen Antriebstechniken verwendet werden.
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Alle diese Einrichtungen, die als Beispiel zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung genannt wurden, benötigen praktisch keine besonderen Aufwendungen
zur Verstellung des Verstärkungsfaktors im äußeren Regelkreis und tragen somit zur
Erzielung einer Vereinfachung des Regelkreises des Kernreaktors und damit des gesamten
Reaktörbereiches selbst bei.