DE1244979B - Einrichtung zum Regeln des Druckes einer neutronenabsorbierenden Gasmischung fuer die Reaktivitaetssteuerung von Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

DeutscheKl.: 21g-21/31

Nummer: 1 244 979

Aktenzeichen: C 30951 VIII c/21 g

Anmeldetag: 23. September 1963

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum Regeln des Druckes einer neutronenabsorbierenden Gasmischung, die einen zum Teil im Kern oder Reflektor eines Kernreaktors angeordneten Leitungszug füllt. Neutronenabsorbierende Gasmischungen, die ein neutronenabsorbierendes Gas und gegebenenfalls ein inertes Gas enthalten, können zur Steuerung des Reaktorbetriebes verwendet werden. Die Reaktivitätskontrolle wird dann durch eine Einwirkung auf den Druck der neutronenabsorbierenden Gasmischung erreicht. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich die Gaszusammensetzung während des Reaktorbetriebs ändert. Nach einem bekannten Regelverfahren für Kernreaktoren werden daher die Bestrahlungsprodukte des neutronenabsorbierenden Gases aus dem Leitungszug dadurch entfernt, daß man einen Reaktionspartner im Überschuß zugibt, der mit den Bestrahlungsprodukten eine kondensierbare Verbindung bildet; diese Verbindung wird in kondensierter Form abgetrennt, und eine entsprechende Menge an absorbierendem Gas und Reaktionspartner wird zur Kompensation der entfernten Produkte in den Leitungszug wieder eingespeist.

Eine Einrichtung zur Steuerung der Reaktivität eines Kernreaktors enthält demgemäß einen Vorratsbehälter, der mit einer Mischung aus einem absorbierenden Gas (2 He+inertes Gas) und einem Reaktionspartner (Sauerstoff) gefüllt ist; ein Druckregelventil, das diesen Vorratsbehälter mit einer Leitung verbindet, welche durch den Reaktorkern oder den Reflektor hindurchführt, wobei der Abgabedruck des Druckregelventils jeweils entsprechend der gewünschten Reaktivität des Reaktors eingestellt wird; eine Pumpe bzw. einen Verdichter, die bzw. der die Gasmischung wieder in den Vorratsbehälter zurückbringt, nachdem diese zumindest eine Zone passiert hat, in der die Kombination der innerhalb des absorbierenden Gases entstandenen Mischung aus Wasserstoff und Tritium einerseits und Sauerstoff andererseits erfolgt, sowie zumindest eine Zone, in der das gebildete leichte und tritiumhaltige Wasser entfernt wird. Schließlich sind Mittel vorhanden, um in den Leitungszug eine Mischung aus Helium (| He) und Sauerstoff in stöchiometrischem Verhältnis einzuführen, um die mit den entfernten Produkten abgeführten Mengen zu ersetzen.

Die vorliegende Erfindung betrifft nun die Ausbildung einer Einrichtung zur Regelung des Druckes der neutronenabsorbierenden Gasmischung innerhalb des Leitungszuges, der durch den Reaktorkern hindurchführt; diese Einrichtung ist besonders einfach und gestattet eine sehr genaue, schnell entsprechende Einrichtung zum Regeln des Druckes einer
neutronenabsorbierenden Gasmischung für die
Reaktivitätssteuerung von Kernreaktoren

Anmelder:

Commissariat ä TEnergie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Jacques Plante,

La Celle-Saint Cloud, Seine (Frankreich)
Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 26. September 1962 (910 458) - -

oder sich auswirkende Regelung trotz Änderungen des Speisungsdruckes der gesamten Steuereinrichtung.

Für die Regelung des Druckes einer neutronenabsorbierenden Gasmischung ist bereits eine Vorrichtung bekannt, die insbesondere für relativ leicht kondensierbare Gase, wie Bortrifluorid, geeignet ist, bei welcher der Gasdruck über die Temperatur eines im Kreislauf vorhandenen Vorrates an verflüssigtem Gas eingestellt wird. Eine solche Vorrichtung umfaßt also ein umfangreiches Kühlsystem und Elemente für einen wirksamen Wärmeaustausch zur jeweiligen Einstellung der Temperatur und mithin des Dampfdruckes des verflüssigten Anteils des Gases.

Mit einer solchen Vorrichtung, die apparativ recht aufwendig ist und größere Mengen an — teilweise sehr teurem — absorbierendem Gas erfordert, ist eine unmittelbar ansprechende empfindliche Regelung nicht möglich.

Die vorliegende, eingangs bezeichnete Einrichtung ist demgegenüber erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung in einem außerhalb des Reaktorkerns und des Reflektors angeordneten geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird, in dem zumindest ein mechanisches Element zur Erzeugung eines Druckabfalles angeordnet ist, und eine Verbindungsleitung zu dem Leitungszug in Strömungsrichtung gesehen hinter diesem mechanischen Element abzweigt.

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Gemäß der Erfindung zweigt also der zum Reaktorkern bzw. zum Reflektor führende Leitungszug von einem geschlossenen Kreislauf an einem Punkt ab, vor dem ein bestimmter Druckabfall eingestellt wird oder ist, also an einer Stelle, an der in gewissem Sinn ein bestimmter »Sättigungsdruck« durch direkt wirkende mechanische Mittel imitiert wird.

Weitere Ausführungseinzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels und einer Variante der Regeleinrichtung; es zeigt

F i g. 1 ein Funktionsschema der Regeleinrichtung,

F i g. 2 ein Funktionsschema einer Variante der Regeleinrichtung gemäß Fig. 1,

F i g. 3 einen axialen Längsschnitt durch eine Entspannungsdüse, die einen Teil der Einrichtung nach F i g. 1 bildet,

F i g. 4 einen schematischen Axialschnitt durch ein Elektroventil, das einen Teil der Einrichtung gemäß F i g. 2 bildet.

Gemäß F i g. 1 umfaßt die Druckregeleinrichtung 1 für die Steuerung der Reaktivität eines Kernreaktors einen geschlossenen Umlauf, der aus einem Vorratsbehälter 2 (genannt »Hochdruckbehälter«) gespeist wird, der das neutronenabsorbierende Q₁ He 3 inertes Gas) und das Reaktionsgas (Sauerstoff) enthält, sowie eine Regeldüse 3, eine Pumpe 4 und weitere Nebenteile. Der Leitungszug 5 enthält die in den Reaktorkern eingebauten Regelvolumina, die als Rohrschleifen 6 ausgebildet sind. Ein Reservebehälter 2' für Gase ist dazu bestimmt, in den Umlauf eine Mischung aus absorbierendem Gas und Reaktionsgas einzuführen, die dazu dient, die während des Arbeitens der Steuereinrichtung aus dem Umlauf entfernten Umsetzungsprodukte zu ersetzen.

Die Mischung aus absorbierend wirkendem Gas und Reaktionsgas, die in dem Leitungszug 5 umläuft, wird durch die Pumpe 4 in den Vorratsbehälter 2 durch die Regeldüse 3 zurückgeführt, nachdem sie zum Teil einen Reinigungszweig 8 durchströmt hat, in dem die Umsetzung des Sauerstoffs mit der gebildeten Mischung von Wasserstoff und Tritium in Gegenwart eines Katalysators (Palladium oder Platin auf Aluminiumoxyd) sowie die Absorption bzw. Abtrennung des dabei gebildeten leichten und tritiumhaltigen Wassers, beispielsweise durch Silicagel, erfolgt.

In dem Leitungszug 5 können auch Umwälz- und Regenerierungsvorrichtungen enthalten sein, die aber keinen Teil der Erfindung bilden und daher nicht gezeigt sind. Die wesentliche Regeleinrichtung, welche den Druck des im Reaktor wirksamen Absorptionsgases beeinflußt, besteht vor allem aus der Düse 3.

Diese Regeldüse 3, die in F i g. 3 dargestellt ist, hat ein Gehäuse 9 mit einer Eintrittsöffnung 10, einer Austrittsöffnung 11 und einer abzweigenden Steueröffnung 12. Die Einlaßöffnung 10 ist mit dem Vorratsbehälter 2 verbunden, in dem der Druck beispielsweise zwischen etwa dem Atmosphärendruck entsprechenden Werten und einem niedrigsten Wert von etwa 20% dieses Druckes schwanken kann, weil für diesen Druck keine Regelanordnung vorgesehen wurde, um das innere Volumen der Einrichtung zu verkleinern und damit die Gesamtkosten für das Gas zu verringern, das in die Einrichtung eingebracht v/:rd. Die A.uslaßöffnung 11 ist mit der Pumpe 4 verbunden, die in der Lage ist, einen nicht zu hohen

Unterdruck herzustellen. Die Steueröffnung 12 ist schließlich mit den Regelrohren 6 verbunden. Der innere Raum des Düsengehäuses 9 ist durch eine Trennwand 13 in zwei Kammern 14 und 15 aufgeteilt, von denen die Kammer 14 mit der Einlaßöffnung 10 und die Kammer 15 mit der Steueröffnung 12 direkt in Verbindung steht.

Ein Düsenrohrkörper 16 verbindet die Kammer 14 mit der Auslaßöffnung 11. Die Bohrung in dem ίο Düsenrohrkörper 16 weist von der Einström- zur Ausströmseite hin zunächst einen kurzen konvergenten Abschnitt 17, dann anschließend eine zylindrische Bohrung 18, die über eine Reihe von radialen Durchlässen 19 mit der Kammer 15 in Verbindung steht, und schließlich einen sehr schwach divergenten Abschnitt 20 auf, dessen Konizität beispielsweise in der Größenordnung von 2° liegt.

Eine von dem Raum außerhalb des Düsengehäuses mittels eines geränderten Drehknopfes 22 und einer Gewindespindel axial zu bewegende Kegelspitze 21 gestattet es, das Verhältnis S/Sc des Querschnitts der Bohrung 18 zum Durchlaßquerschnitt einzustellen. An dieses Verhältnis ist das Verhältnis zwischen dem Eintrittsdruck — der in der Eintrittskammer 14 herrscht — und dem Druck in der Bohrung 18 gebunden, die mit der Kammer 15 und der Steueröffnung 12 über die radialen Durchlässe 19 in Verbingung steht. Durch Änderung der axialen Lage der Kegelspitze 21 kann man daher den Druck in dem Leitungszug 5 ändern, in dem die Regelrohre 6 liegen (F i g. 1).

Die Durchlässe 19, die als Radialbohrungen mit relativ kleinem Durchmesser ausgeführt sind, um den Verlauf der Strömung in der Düse nicht zu stören, können durch Spalten zwischen einander teilweise überdeckenden Lamellen oder jede andere Anordnung ersetzt werden, welche keine freie Unterbrechung der Düsenwand ergibt, die zum Auftreten eines freien Strömungsflusses führen würde.
Zwischen dem Einlaß 10 und dem Auslaß 11 der Düse wird ein Druckverhältnis aufrechterhalten, das zumindest gleich 2,14 ist, damit die Strömung in dem Düsenrohrkörper 16 immer einwandfrei Überschallgeschwindigkeit hat; diese Maßnahme ergibt neben anderen Vorteilen die Sicherheit für eine kurze Ansprechzeit oder eine sehr schnelle Steuerung und die Möglichkeit, eine Änderung des Druckes durch die Düse in einem Verhältnis von 1:20 zu erzielen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des soeben beschriebenen Steuersystems liegt in seiner Einfachheit; eine Bewegung der Kegelspitze 21 genügt zur Einstellung des Druckes in den Gasstäben 6 auf den jeweils gewünschten oder benötigten Wert.

Die in F i g. 2 schematisch veranschaulichte Steuereinrichtung unterscheidet sich von der Steuereinrichtung gemäß F i g. 1 im wesentlichen dadurch, daß bei ihr als Regelorgan nicht mehr eine Düse, sondern eine Reihe von einen Druckverlust erzeugenden Elementen (Drosselelementen) verwendet wird, die in Kaskadenschaltung angeordnet sind, wobei die Regelrohre an unterschiedlichen Zwischenpunkten dieser Reihenschaltung angeschlossen werden können.

Diejenigen Bauelemente der Einrichtung gemäß F i g. 2, die entsprechenden Bauelementen in F i g. 1 gleichen, tragen jeweils das gleiche Bezugszeichen, aber mit dem Index a.

Die F i g. 2 zeigt schematisch den Hauptumlaufkreis, der eine Reihe von einen Druckverlust erzeu-

genden Elementen (Drosselelemente) enthält, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 3 a bezeichnet sind, und eine Pumpe 4 a, die das Gas durch diese Reihe in geschlossenem Umlauf hindurchführt. Dieser Hauptumlauf ist mit einem Abzweig für die Reinigung und die Erneuerung der Gasmischung versehen, der einen Gasreservebehälter 2 a' und eine Reinigungsvorrichtung 8 a enthält.

Die Regelung des Druckes in dem Leitungszug 5ö der Regelrohre erfolgt durch Auswahl des Verbindungspunktes zwischen dem Leitungszug der Gasstäbe und der Reihe von Drosselelementen 3 a. In der F i g. 2 ist die Drosselelementreihe 3 α so dargestellt, daß sie Speicherelemente 23₀, 23_t... 23„ enthält, die jeweils durch eines der Drosselelemente 24_v 24.,... 24„ voneinander getrennt sind.

Es dürfte klar sein, daß diese Anordnung mit stufenweisem Druckabfall in gewissen Fällen durch ein einfaches Rohr ersetzt werden könnte, das einen genügend hohen Durchflußwiderstand aufweist, damit der Druck in dem Rohr von seinem Zuflußende, das der Speicherkammer 23₀ entspricht, bis zu seinem Ausflußende, das der Speicherkammer 23„ entspricht, um einen Wert abnimmt, der dem Unterschied zwischen dem maximalen und dem minimalen Druck gleich ist, den man in dem Leitungszug 5 a der Regelrohre zu erhalten wünscht.

Je nach der Größe des in der Einrichtung sicherzustellenden Gasdurchsatzes können die einen Druckabfall erzeugenden Drosselelemente entweder aus Filtern oder einfach aus kalibrierten Blenden, Düsen usw. bestehen.

Die Reihe 3 a von Drosselelementen ist vorgesehen, um eine gleichmäßige Stufenaufteilung des Druckes zwischen dem Zuström- und dem Abströmdruck zu erhalten oder, genauer gesagt, eine gleichbleibende Unterteilung dieser Druckdifferenz zu erzielen, die in gewissem Maße von der in der Zeiteinheit durch die Regelrohre aufgenommenen Gasmenge unabhängig ist.

Die Verbindung zwischen dem Leitungszug 5 a der Regelrohre und jeweils einer der Speicherkammern 23₀ ... 23„ erfolgt beispielsweise durch eine Reihe von Elektroventilen 25₀, 25_t ... 25„ (F i g. 2). Diese Elektroventile müssen nicht vollkommen dicht abschließen; falls in diesen Ventilen eine schwache Leckströmung in Richtung auf den Leitungszug 5 a auftritt, so trifft diese schwache Leckströmung an denjenigen Punkt mit der durch ein geöffnetes Ventil hindurchfließenden Strömung zusammen, an dem diese in den Leitungszug eintritt, ohne dadurch merklich den Druck in dem Leitungszug 5 a zu ändern. Man kann die Elektroventile auch mit einer einfachen und dauerhaften Konstruktion ausführen, wie sie beispielsweise in der F i g. 4 veranschaulicht ist.

Das in der F i g. 4 dargestellte Elektroventil hat ein Ventilgehäuse 26, in das eine Zuleitung 27 hineinführt und aus dem eine Austrittsleitung 28 herausführt. Die Zuleitungsöffnung 27 ist an eine der Speicherkammern 23 angeschlossen. Die Auslaßöffnung 28 ist mit der Sammelleitung 29 (F i g. 2) für die Speisung des Leitungszuges 5 a der »Gas-Stäbe« verbunden.

Im Inneren des Ventilgehäuses 26 ist durch innere Trennwände eine zylindrische Ringkammer 30 abgeteilt, die über eine Radialbohrung 31 mit einer zentralen Kammer 32 und über einen radialen Kreisschlitz 33 mit einem äußeren ringförmigen Kanal 21' in Verbindung gebracht werden kann, in welchen die Einlaßöffnung 27 mündet. Die Kammer 30 steht in dauernd offener Verbindung mit der Auslaßöffnung 28.

Ein bewegbarer Ventilkörper 34, der aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt ist, läßt sich in der zentralen Kammer 32 des Ventilgehäuses 26 verschieben. Dieser Ventikörper weist einen unteren, aus magnetisierbarem Material bestehenden Abschnitt

ίο auf und trägt zwei verschiebbare Ringdichtungen 35 und 36, von denen die eine an der zylindrischen Wand der Kammer 30 und die andere an der zylindrischen Wand der Kammer 32 dichtend gleitet. Eine Feder 37 drückt den ganzen Ventilkörper in eine erste Anschlagstellung (wie in F i g. 4 dargestellt), bei der die Ringdichtung 35 den Ringschlitz 33 sperrt und so die Kammer 30 gegenüber der Einlaßöffnung

27 abschließt. Der Druck, der in der Auslaßöffnung

28 herrscht, überträgt sich durch die Bohrung 31, die Kammer 32 und die inneren Durchlaßbohrungen 38 und 39 des Ventilkörpers auf beide Enden dieses Ventilkörpers, der infolgedessen unter im Gleichgewicht befindlichen Druckkräften steht. Eine in dem unteren Teil des Ventilgehäuses sitzende Magnetwicklung 40 liegt derart koaxial, aber in axialer Richtung versetzt im Bereich des unteren, beispielsweise aus Weicheisen bestehenden Teiles des Ventilkörpers, daß sie bei ihrer Erregung auf den Ventilkörper eine Zugkraft ausübt, welche eine Bewegung dieses Ventilkörpers entgegen der Druckrichtung der Feder 37 in eine Stellung bewirkt, bei der die Ringdichtung 35 den radialen Ringspalt 33 freigibt und so die Auslaßöffnung 28 mit der Einlaßöffnung 27 in Verbindung bringt. Die auf den Ventilkörper ausgeübten Druckkräfte bleiben weiterhin ausgeglichen.

Die Speicherkammern 23₀ .. . 23„ und vor allem der unter hohem Druck stehende Vorratsbehälter 2 a' dienenden lediglich dazu, die Volumendifferenzen der Gasmasse in dem Hauptumlauf aufzunehmen, wo der Druck in den Regelrohren verändert wird. Es wäre selbstverständlich möglich, unter Inkaufnahme einer Zeitverzögerung beim Ansprechen der Einrichtung nur die eine Speicherkammer 23₀ beizubehalten und jeweils die einzelnen Elektroventile in Strömungsrichtung hinter einem der einen Druckabfall erzeugenden oder Drosselorgane 24₁ ... 24„ anzuschließen.

Eine nicht dargestellte Variante in der Ausnutzung des beschriebenen Steuersystems besteht darin, gleichzeitig zwei oder mehrere Elektroventile zu öffnen, wobei zwischen jedem dieser Ventile und der Sammelleitung 29 geeignete Drosseln eingeschaltet sind. Diese Lösung bedingt natürlich, daß sich in dem Leitungszug, der durch den betreffenden Teil der Sammelleitung 29 und den Leitungszug 5« gebildet ist, ein dauernder Umlauf mit Rückfluß zu dem letzten Speicherbehälter 23„ über eine gestrichelt dargestellte Verbindungsleitung ausbildet. Durch das gleichzeitige Öffnen von zwei oder mehreren Elektroventilen wird es möglich, eine stärkere Unterteilung der Drücke in den Gas-Stäben zu erzielen.

Die oben ausführlich beschriebene Steuereinrichtung für einen Kernreaktor hat den Vorteil, daß man eine außerordentlich kleine Ansprechzeit erhält, weil jeweils direkt eine Speicherkammer mit den Gas-Stäben über Leitungen verbunden wird, die sich mit großen Querschnitten ausführen lassen. Außerdem hat die Einrichtung eine hohe Dauerhaftigkeit bzw.

Claims (6)

I 244 geringe Störanfälligkeit, weil auf eine absolute Abdichtung durch die Elektroventile verzichtet werden kann. Andererseits dürfte es klar sein, daß man den Druck in den Regelrohren nur stufenweise ändern kann; eine solche Regelung in Stufen ist jedoch bei 5 gewissen Reaktoren bereits angewendet worden, und es haben sich dadurch keine Schwierigkeiten oder Nachteile ergeben. Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Regeln des Druckes einer neutronenabsorbierenden Gasmischung, die einen zum Teil im Kern oder Reflektor eines Kernreaktors angeordneten Leitungszug füllt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung in einem außerhalb des Reaktorkerns und des Reflektors angeordneten geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird, in dem zumindest ein mechanisches Element zur Erzeugung eines Druckabfalls angeordnet ist, und eine Verbindungsleitung zu dem Leitungszug in Strömungsrichtung gesehen hinter diesem mechanischen Element abzweigt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das mechanische Element erzeugte Druckverlust manuell von außerhalb des Kreislaufs her regelbar ist.

3. Einrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Element zur Erzeugung des Druckabfalls aus einer Düse mit einem in Richtung der Kreislaufströmung gesehen zuerst konvergenten und dann divergenten Rohr besteht, das an der Eintrittsöffnung (17) mit Einrichtungen (21, 22) zur Änderung des Durchlaßquerschnittes (S) versehen ist und das über einen Teil seiner Länge eine mit radialen Öffnungen (19) versehene Begrenzungswand aufweist, die in eine Kammer (15) münden, welche mit dem Leitungszug (5) in Verbindung steht, der durch den Reaktorkern geht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von jeweils einen vorgegebenen Druckabfall erzeugenden mechanischen Elementen hintereinander in den geschlossenen Kreislauf eingeschaltet sind und mehrere normalerweise geschlossene Verbindungsvorrichtungen (25) bestehen, die jeweils die Verbindung des durch den Reaktorkern führenden Leitungszuges (5 a) mit einem zwischen zwei Elementen liegenden Punkt der Reihe gestatten.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente räumlich konzentrierte Drosselorgane (24) sind, die jeweils durch eine Speicherkammer (23) voneinander getrennt sind, an welche eine der normalerweise geschlossenen Verbindungsvorrichtungen (25) angeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der normalerweise geschlossenen Verbindungsvorrichtungen ein Elektroventil (26) ist, dessen mit einem Zwischenpunkt in der Reihe der Elemente (24) verbundener Einlaß (27) mit einer ringförmigen Kammer (30) des Ventilgehäuses in Verbindung steht, die ihrerseits über einen Ringspalt (33) mit einem ringförmigen Kanal (21') verbunden ist, und dessen mit der durch den Reaktorkern führenden Leitung (5 a) verbundener Auslaß (28) ebenfalls mit der ringförmigen Kammer (30) verbunden ist, und daß ein aus mehreren zusammengesetzten Teilen bestehender Ventilverschlußkörper (34) durch einen Elektromagneten (40) bewegt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA-Patentschrift Nr. 3 025228.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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