DE1222175B - Verfahren und Einrichtung zur Beeinflussung, insbesondere Linearisierung der Wirkungskennlinie von Absorberstaeben fuer Kernreaktoren - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Beeinflussung, insbesondere Linearisierung der Wirkungskennlinie von Absorberstaeben fuer Kernreaktoren

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DE1222175B
DE1222175B DES91335A DES0091335A DE1222175B DE 1222175 B DE1222175 B DE 1222175B DE S91335 A DES91335 A DE S91335A DE S0091335 A DES0091335 A DE S0091335A DE 1222175 B DE1222175 B DE 1222175B
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control
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rod
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Dipl-Ing Werner Aleite
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Siemens AG
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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C7/00Control of nuclear reaction
    • G21C7/06Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section
    • G21C7/08Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section by displacement of solid control elements, e.g. control rods
    • G21C7/12Means for moving control elements to desired position
    • G21C7/14Mechanical drive arrangements
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
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    • G21C7/06Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section
    • G21C7/08Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section by displacement of solid control elements, e.g. control rods
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Description

  • 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.
  • 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.
  • Dieses Verfahren und die zu seiner Durchführung vorgeschlagenen Einrichtungen seien nun an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.
  • 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.
  • ,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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Patentanspräche:-1. Verfahren zur Beeinflussung, insbesondere Linearisierung, der Wirkungskennlinie von Absorberstäben oder -elementen.für den Betrieb von Kernreaktoren, dadurch gekennzeichn e t, daß Regelhub und/oder Absorberfläche den normalerweise herrschenden Neutronenflußverhältnissen so angepaßt werden, daß jeder Bewegungsschritt praktisch einer gleichen Reaktivitätsänderung entspricht.
  2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelstab nur an seinem vorderen Ende neutronenabsorbierendes Material enthält.
  3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelstab teleskopförmig aufgebaut ist, derart, daß die wirksamen Absorberflächen beim Eintreten in Zonen stärkeren Neutronenflusses abnehmen.
  4. 4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstäbe in Gruppen unterschiedlicher und begrenzter Eintauchtiefe im Reaktorkern eingeteilt sind.
  5. 5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an sich bekannte Antriebsmechanismus des Regelstabes eine Hubbegrenzungseinrichtung enthält und am Regelstab Steuereinrichtungen hierfür vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1138 171, 1049 986; französische Patentschrift Nr.1239165.
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