DE1240597B - Hydraulische Einrichtung zur Betaetigung von Sicherheits- bzw. Regelstaeben in Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES VMWW> PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 21g-21/31

Nummer: 1240 597

Aktenzeichen: S 90678 VIII c/21 g

1240597 Anmeldetag: 22. April 1964

Auslegetag: 18. Mai 1967

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Einrichtung zur Betätigung von Sicherheits- bzw. Regelstäben in Kernreaktoren, bei der die Stäbe durch eine in dem Kernreaktor benutzte Flüssigkeit betätigt werden und die einen Betätigungskolben aufweist, der mit dem neutronenabsorbierenden Teil des Stabes verbunden ist und einer Federkraft und einer im Betätigungsfall dieser Federkraft entgegenwirkenden Druckdifferenz unterworfen ist.

Eine solche hydraulische Einrichtung ist beispielsweise aus der französischen Patentschrift 1 315 685 als bekannt zu entnehmen.

Gemäß dieser Patentschrift werden in hierzu vorgesehenen Aussparungen im Reaktorkern neutronenabsorbierende Regelstäbe bewegt, deren Bewegung und Einstellung durch Änderungen des Flusses der diese Stäbe durchfließenden Flüssigkeit geschieht. Bei entsprechender Flußrichtung dieser Flüssigkeit werden die Stäbe in die Aussparungen eingefahren, während das Ausfahren aus dem Kern durch Umkehr der Flußrichtung geschieht.

Ein derartiges Regelsystem hat zwar etliche Vorteile; jedoch hat es sich herausgestellt, daß dieses System nicht immer ganz zuverlässig arbeitet. So können plötzliche unkontrollierte Druckänderungen den Fluß der das beschriebene Regelsystem durchfließenden Flüssigkeit ändern, wodurch dann unerwünschte Bewegungen der Regelstäbe auftreten. Auch hat es sich gezeigt, daß die Regelstäbe wegen der Schwierigkeit, den Flüssigkeitsfluß genau genug zu regulieren, möglicherweise mit für die Sicherheitsanforderungen zu großer Geschwindigkeit aus dem Kern ausfahren.

Weiterhin hat die bekannte Einrichtung den Nachteil, daß sie radial eine große Ausdehnung aufweist. Auch sind etliche Dichtungen, insbesondere in Form von Kolbenringen, notwendig, und die Regelstäbe können dadurch nur schlecht demontiert, d. h. aus dem Führungsrohr herausgenommen werden. In diesem Fall müßte die ganze hydraulische Einrichtung herausgezogen bzw. auseinandergenommen werden.

All diese genannten Nachteile beseitigt die hydraulische Einrichtung zum Betätigen der Sicherheitsbzw. Regelstäbe nach der Erfindung.

Es ist also das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine hydraulische Einrichtung zur Betätigung von Regel- bzw. Sicherheitsstäben in Kernreaktoren zu schaffen, die es unter anderem gestattet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Regelstäbe gleichmäßig und kontrollierbar ist, die radiale Ausdehnung der Anordnung klein gehalten werden kann, die Regelstäbe leicht demontiert bzw. ausgewechselt werden

Hydraulische Einrichtung zur Betätigung von
Sicherheits- bzw. Regelstäben in Kernreaktoren

Anmelder:

Societe Beige pour l'Industrie Nucleaire
₀BELGONUCLEAIRE« S.A., Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busselmeier, Patentanwalt,
Augsburg, Rehlingenstr. 8

Als Erfinder benannt:
Michel Egleme,
Alain Michel, Brüssel

Beanspruchte Priorität:

Luxemburg vom 4. März 1964 (45 586)

können und daß die wesentlichen Teile der Einrichtung, insbesondere auch die Regelstäbe, unterhalb des Reaktors angebracht werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man die Hydraulikflüssigkeit mittels einer druckerzeugenden Vorrichtung, also einer Pumpe in irgendeiner bekannten Ausführung, einen Strömungsweg durchlaufen läßt, in dem auf der Hochdruck- seite der druckerzeugenden Vorrichtung Mittel vorgesehen sind, die einen vorgegebenen ersten Druckabfall und einen vorgegebenen zweiten Druckabfall erzeugen (diese Mittel werden naheliegenderweise solche Einrichtungen sein, die den Strömungswiderstand für die strömende Hydraulikflüssigkeit erhöhen, also Verengungen im Strömungsweg od. ä.), wobei die beiden Druckabfälle sich mit der Position des Regelstabes derart ändern, daß die Änderung des ersten Druckabfalles entgegengesetzt der des zweiten verläuft, und zwar so, daß die Summe der Druckabfälle praktisch konstant bleibt und daß die auf den Kolben wirkende Druckdifferenz praktisch gleich dem ersten Druckabfall ist.

Zweckmäßig ist es ferner, unabhängig von den vorerwähnten Mitteln zur Erzeugung der Druckabfälle und von der Zuordnung dieser Mittel zueinander und zum Kolben eine VentiIeinrichtung vorzusehen, die

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die Hochdruckseite des Kolbens mit einer Niederdruckzone verbinden kann, derart, daß der Kolben selbsttätig, d.h. insbesondere unter der Wirkung einer Federkraft und vorzugsweise auch seines Eigengewichts sich so bewegt, daß der Regelstab in den Kern eingefahren ist, wenn die Ventileinrichtung die Hochdruckseite des Kolbens mit der Niederdruckzone verbindet. Selbstverständlich wird die Ventileinrichtung so angeordnet und geregelt, daß sie Hochdruckzone und Niederdruckzone dann in Verbindung setzt, wenn irgendein Teil des Reaktors versagt, also eine Sicherheitsabschaltung erforderlich ist.

Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels und an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt »5

F i g. 1 einen axialen Längsschnitt durch die hydraulische Einrichtung,

F i g. 2 einen axialen Längsschnitt einer Ausführung nach F i g. 1, wobei jedoch die den Regelstab bewegende Einrichtung in einer anderen Stellung ist,

F i g. 3 einen Querschnitt entlang der Linie Y-Y der Fig. 1 und 2 und

F i g. 4 einen Querschnitt entlang der Linie Z-Z der Fig. Iund 2.

F i g. 1 und 2 sind axiale Längsschnitte gemäß der Linie A-B der F i g. 3 und 4.

In der F i g. 1 ist mit 18 der Boden des Reaktorbehälters bzw. des Kessels bezeichnet. Unterhalb dieses Behälters ist die hydraulische Einrichtung angeordnet. Der Kolben 1 läuft in einem Rohr 6 und ist bei 2 gegen das Rohr 6 abgedichtet. Der Kolbenl ist mit dem Rohr 3 verbunden, an dessen oberem, nicht mehr gezeigtem Teil der aktive neutronenabsorbierende Teil des Regelstabes angeordnet ist.

Das Strömungsmittel, also die Hydraulikflüssigkeit, wird im wesentlichen vom Inneren 13 des Reaktorkessels her bei 22 in das Rohr 8 eingeführt. Es durchtritt eine Pumpe 9, beispielsweise eine elektromagnetische Pumpe, wenn das Strömungsmittel beispielsweise flüssiges Natrium ist, und steigt durch das Rohr 4 nach oben. Bei 11 tritt die Flüssigkeit dann in das Innere des Rohres 6 ein. Es ist zu erkennen, daß die Flüssigkeit hier eine Verengung durchlaufen muß, die durch entsprechende Ausbildung des inneren Rohres 3 erreicht wird. Vom Inneren des Rohres 6 tritt die Hydraulikflüssigkeit nach Passieren der Verengung in das Innere 17 des Rohres 3 ein und durchläuft dann eine weitere durch Rohr 3 und Rohr 6 gebildete Verengung bei 12, um schließlich wieder in das Innere 13 des Reaktorkessels eingeführt zu werden.

Auf den Kolbenl wirkt die Kraft der Druckfeder 5. Am unteren Ende des Führungsrohres 6 ist ein Schieber bzw. eine Ventileinrichtung mit Gleitteil 7 vorgesehen. Dieser Gleitteil 7 vermag die öffnung bei 14 zu schließen oder zu öffnen (wobei er unter anderem der Kraft der Druckfeder 20 unterworfen ist). Der untere Teil des Gleitteils steht über eine Bohrung 23 mit der Hochdruckseite der Pumpe 9 in unmittelbarer Verbindung, während der obere Teil vom in der Zone 16 herrschenden Druck beaufschlagt wird. Der Druck in der Zone 16 wird bei geöffnetem Durchgang 14 im wesentlichen gleich dem (niederen) Druck im Inneren des Reaktorkessels sein, da das Rohr reichlich dimensioniert ist und direkt mit dem Kesselinneren in Verbindung steht. Die Kanäle 21 vermögen in die Zone 16 stets nur einen Druckzu vermitteln, der kleiner oder höchstens gleich

ist dem Druck unmittelbar auf der Druckseite der Pumpe, wie er in Zone 15 herrscht.

F i g. 1 zeigt die Ruhestellung der Einrichtung, d.h., der Regelstab ist in den Reaktorkern eingefahren.

Das Ausfahren des Stabes aus dem Kern geschieht nun folgendermaßen: Es wird die Pumpe 9 in Gang gesetzt. Daraufhin baut sich in der ZonelS hoher Druck auf. Durchgang 14 ist durch den Gleitteil 7 abgeschlossen. Die Unterseite des Kolbensl wird über die Kanäle 24 nur noch ausschließlich vom hohen Druck der Druckseite der Pumpe 9 beaufschlagt. Die Hydraulikflüssigkeit fließt nun, wie erwähnt, im Rohr 4 nach oben und durchtritt die Verengung nach 11, bevor sie ins Innere des Rohres 3 tritt. Es ist zu sehen, daß sich dadurch auf der Oberseite des Kolbens 1 eine Zone 17 mit einem Druck aufbaut, der gleich der Differenz aus dem Druck auf der Druckseite der Pumpe 9 ist und den Druckabfällen, die die Hydraulikflüssigkeit auf dem Strömungsweg bis ins Innere des Rohres 3 erlitten hat. Da die Druckabfälle im Rohr 4 gering sind, ist der Druckabfall in der Verengung nach 11 entscheidend.

Durch die Druckdifferenz, der der Kolben 1 nunmehr unterworfen ist und die also praktisch gleich ist dem Druckabfall in der Strömungswegverengung nach 11, wird die auf den Kolben wirkende Federkraft der Druckfeder 5 überwunden, und der Kolben samt anhängendem Rohr 3 bzw. Absorberteil steigt nach oben.

Von Bedeutung ist hierbei, daß durch das Nachobensteigen des Rohres 3 die Verengung des Strömungsweges nach 11 in der Länge zunimmt, also der Druckabfall an dieser Stelle gleichfalls zunimmt Hierdurch wird nämlich die mit zunehmendem Zusammendrücken größer werdende Federkraft der DruckfederS kompensiert, so daß im Ergebnis der Kolben 1 stets, d. h. auf seinem gesamten Bewegungsweg der gleichen Kraft bzw. dem gleichen Druck unterworfen ist. Das bedeutet, daß der Kolben 1 mit anhängenden Teilen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit nach oben steigt, also keinerlei Beschleunigungskräfte auftreten.

Die Geschwindigkeit des Nachobensteigens wird in einfacher Weise durch die Regelung der Pumpe gesteuert. Ie nachdem, ob der von der Pumpe erzeugte Druck größer oder kleiner ist, wird die Steiggeschwindigkeit des Kolbens mit anhängenden Teilen größer oder kleiner sein.

Eine bedeutende Verbesserung in der Genauigkeit der Regelung der Bewegung des Kolbens mit anhängenden Teilen bringt die Anordnung der Kanäle 24: wenn nämlich der Kolben nach oben steigt, muß durch die Kanäle 24 Flüssigkeit in die Druckzone 16 nachströmen. Der durch die Kanäle 24 bedingte Flußwiderstand begrenzt jedoch die Geschwindigkeit des Nachobensteigens des Kolbens 1, und der resultierende, der Steigegeschwindigkeit proportionale Druckabfall zwischen den Druckzonen 15 und 16 bewirkt, daß die Druckdifferenz zwischen den Zonen 16 und 17 sich mit der Steigegeschwindigkeit des Kolbens 1 ändert.

Bei konstantem Ausgangsdruck der Pumpe stellt sich dann ein Gleichgewicht ein zwischen den Kräften aus den verschiedenen Druckabfällen, der Feder 5, dem Eigengewicht des Stabes und der vorhandenen Reibung, so daß der Stab sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt oder stationär bleibt.

Claims (5)

Jede Abweichung von der konstanten Geschwindigkeit verursacht eine entgegengesetzte Druckänderung in der Zone 16, wodurch dann die Geschwindigkeit auf den konstanten Wert zurückgeführt wird. Aus Fig. 1 und Fig. 2 ist nun weiterhin ersiehtlieh, daß auch die Länge des Strömungsweges für die Hydraulikflüssigkeit bei 12 sich mit steigendem Rohr 3 ändert. Hier nimmt die Länge der durchströmten Verengung in dem Maß ab, wie die Länge des Strömungsweges der Verengung nach 11 zunimmt. Dadurch wird erreicht, daß die Summe der Druckabfälle bei 11 und bei 12 stets konstant bleibt. Das heißt, der gesamte Strömungswiderstand, der den von der Pumpe 9 bewirkten Strömungskreislauf belastet, bleibt gleich. Wäre dies nicht der Fall, so würde durch die unterschiedliche Gesamtbelastung der Pumpe 9 die vorstehend geschilderte erwünschte Stabilität selbstverständlich nicht erreicht werden können. Da der gesamte Druckabfall von 11 nach 12 im wesentlichen konstant ist, ist das ganze System autostabil während seiner Betätigung. Die linear mit dem steigenden Kolben anwachsende Arbeitskraft der komprimierten Feder 5 wird ja durch den abnehmenden Druck in Zone 17 kompensiert. Eine zweckmäßige Erhöhung des Druckabfalls auf den Strömungswegverengungen bei 11 und 12 bzw. zwischen dem Rohr 3 bzw. 19 und dem Rohr 16 kann dadurch erzielt werden, daß man das Rohr 3 auf seinem Teil 19 mit einem Spiraldraht umgibt, der den Strömungsweg der Hydraulikflüssigkeit in der Verengung verlängert. Durch Regelung der Pumpleistung vermag man bei der beschriebenen Einrichtung den Kolben bzw. den Regelstab in jeder Position stabil zu halten oder ihn langsam absinken oder, wie beschrieben, aufsteigen zu lassen. Wenn der Kolben seine höchstmögliche Position erreicht hat, hört der Fluß durch die Kanäle 24 auf, und der Druck in Zone 16 steigt demzufolge leicht an, bis er gleich dem Ausgangsdruck der Pumpe in Zone 15 ist. Hierdurch ergibt sich ein Sicherheits-Überdruck. Zum Senken des Kolbens wird der Pumpen-Ausgangsdruck leicht reduziert; damit wird die Flüssigkeit durch die Kraft der Feder 5 und das Gewicht des Stabes aus der Zone 16 herausgetrieben, wodurch dann der Kolben sinkt. Eine Schnellabschaltung des Reaktors im Notfall ergibt sich, wenn die Pumpe 9 ausgeschaltet wird. Dann wird der Druck in der Zone 17 gleich demjenigen in der Zone 15. Die Kraft der Feder 5, gegebenenfalls (bei senkrechter Anordnung der Einrichtung) in Verbindung mit dem Eigengewicht des Kolbens mit anhängenden Teilen, bewirkt eine Erhöhung des Druckes in der Zone 16 (F i g. 2). Hier- durch wird wiederum der Gleitteil 7 der Ventileinrichtung gegen die Kraft der Druckfeder 20 nach unten gedrückt, wodurch der Durchgang 14 freigegeben wird und der in 13 bzw. 8 herrschende niedere Druck sich auf der Unterseite des Kolbens (Zone 16) schlagartig einstellt. Kolbenl mit anhängenden Teilen, insbesondere dem Absorberstab, wird also schnell nach unten gleiten und den Reaktor abschalten. Eine Feder in Zone 10 wirkt als Stoßdämpfer für den auf treffenden Kolben 1. Es ist aus den F i g. 1 und 2 zu ersehen, daß der Absorberstab bzw. der Regel- oder Sicherheitsstab aus der Vorrichtung leicht herausgenommen werden kann, ohne daß an der Regelvorrichtung selbst etwas verändert werden müßte. Vorzugsweise wird der Absorberteil am Rohr 3 (bzw. 19) mit Schrauben od. dgl. befestigt sein, so daß auch Rohr 3 (19) mit Kolben 1 ständig im Führungsrohr verbleiben können, wenn der Absorberteil ausgewechselt werden soll. Erwähnt sei auch noch, daß selbstverständlich das druckerzeugende Mittel 9 nicht unbedingt eine Pumpe sein muß, sondern daß vielmehr die unterschiedlichen Drücke in den Rohren 4 und 8 mit ihren kommunizierenden Räumen und Zonen auch dadurch erzielt werden kann, daß man die Rohre 4 bzw. 8 an Stellen im Reaktorkessel anschließt, an denen unterschiedliche Druckverhältnisse herrschen, welche überdies regelbar sind. Ein näheres Eingehen auf die F i g. 3 und 4 erübrigt sich. Ihr Verständnis ergibt sich aus der vorstehenden Erläuterung der F i g. 1 und 2. Patentansprüche:

1. Hydraulische Einrichtung zur Betätigung von Sicherheits- bzw. Regelstäben in Kernreaktoren, bei der die Stäbe durch eine in dem Kernreaktor benutzte Flüssigkeit betätigt werden und die einen Betätigungskolben aufweist, der mit dem neutronenabsorbierenden Teil des Stabes verbunden und einer Federkraft und einer im Betätigungsfall dieser Federkraft entgegenwirkenden Druckdifferenz unterworfen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikflüssigkeit mittels einer druckerzeugenden Vorrichtung (9) einen Strömungsweg durchströmt, in dem auf der Hochdruckseite der druckerzeugenden Vorrichtung Mittel vorgesehen sind, die einen vorgegebenen ersten Druckabfall und einen vorgegebenen zweiten Druckabfall erzeugen, wobei die beiden Druckabfälle sich mit der Position des Regelstabes derart ändern, daß die Änderung des ersten Druckabfalles entgegengesetzt der des zweiten Druckabfalles verläuft und die Summe der Druckabfälle praktisch konstant bleibt und daß die Druckdifferenz praktisch gleich dem ersten Druckabfall ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventileinrichtung zur Verbindung der Hochdruckseite (4, 16) des Kolbens (2) mit einer Niederdruckzone (14, 8, 13) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Druckzonen (4, 15), in denen der Druck praktisch gleich dem Ausgangsdruck auf der Hochdruckseite der Pumpe ist, und der Druckzone (16), mit deren Druck die Unterseite des Kolbens (1) und in einer bestimmten Position die Oberseite des Gleitteils (7) der Ventileinrichtung beaufschlagt wird, Mittel zur Erzeugung eines Druckabfalls in der strömenden Hydraulikflüssigkeit vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Druckabfalls eine oder mehrere Strömungswegverengung(en) (24) vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den vorgegebenen ersten Druckabfall und den