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Absorberstabantrieb für Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf
einen Absorberstabantrieb für Kernreaktoren, insbesondere Siedewasser-Kernreaktoren,
bei dem ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb mit einer mechanischen Steuervorrichtung
versehen ist und als Kraftübertragungsnrittel für die Hydraulik oder Pneumatik das
im Reaktorkern verwendete Kühl- und/oder Moderatormitteldi-nt, bestehend aus einemunterhalb
des Reaktordruckgefäßes befestigten fingerhutariigen Antriebsgehäuse, in dem ein
Hohlkolben gleitet, welcher mittels einer in das Reaktordruckgefäß eingeführten
Stange an dem von unten in den Reaktorkern eingeführten Absorberstab befestigt ist,
dessen oberhalb des Kolbens befindlicher Innenraum über ein Ventil mit einem Behälter
verbunden ist, der bezogen auf das der Schnellabschaltung dienende hydraulische
oder pneumatische System unter Unterdruck steht, und dessen unterhalb des Kolbens
befindlicher Innenraum über Ventile mit Hydraulikmittel enthaltenden Behältern in
Verbindung steht, die unter einem zum Einführen des Absorberstabes in den Reaktorkern
ausreichenden Druck stehen.
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Aus Sicherheitsgründen ist es erforderlich, den Antrieb des Absorberstabes
von einer Steuer- und Sicherheitseinrichtung funktionell zu trennen. Während der
Antrieb das langsame oder schnelle Einfahren des Stabes gestattet, ermöglicht eine
davon unabhängig wirkende Steuerung das Festhalten sowie das Ausführen des Stabes.
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Für die konstruktive Ausführung der Absorberstabantriebe oder -steuerungen
besteht die Forderung, eine möglichst geringe Bauhöhe einzuhalten. Diese Forderung
ist insbesondere bei denjenigen Reaktorsystemen von Vorteil, bei denen das Ein-und
Ausfahren des Stabes in den oder aus dem Reaktorkern aus neutronenphysikalischen
Gründen von unten erfolgen muß, wie etwa bei einem Siedewasserreaktor. Eine verkürzte
Bauhöhe eines Siedewasserreaktorsystems gewinnt insbesondere bei der Verwendung
eines derartigen Reaktortypes für den Schiffbau oder allgemein für mobile Antriebe
besonders große Bedeutung. Bei den bisher bekannten entsprechenden Absorberstabanordnungen
werden die verschiedenen Systeme hintereinander angeordnet und in einem größeren
Abstand vom Reaktordruckbehälter angebracht. Eine große Bauhöhe des Absorberstabantriebes
bringt jedoch große fertigungstechnische Schwierigkeiten mit sich. Bei einer langen
Bauhöhe ist das Ausrichten einer geraden Bewegungsachse besonders problematisch.
Außerdem ist eine solche Achse auch anfällig gegen Schwingungen. Bei den bisher
bekannten hydraulischen oder pneumatischen Antrieben besteht ein weiteres Problem
darin, die Hydraulik oder Pneumatik sowohl nach außen als auch zum Reaktordruckgefäß
hin genügend abzudichten, ohne die Bewegung des Stabes zu stören. Diese Probleme
erweisen sich bei Reaktoren, welche unter hohem Druck arbeiten, als besonders groß.
Es sind bereits hydraulische Absorberstabantriebe für Kernreaktoren bekannt, bei
denen für die Hydraulik auch das Reaktorkühlmittel als Antriebsmittel verwendet
werden kann und bei denen sich zwischen dem Reaktordruckgefäß und dem hydraulischen
System zum Zweck des Druckausgleiches düsenähnliche Öffnungen befinden. Aus Sicherheitsgründen
ist es erforderlich, den Antriebsmechanismus von dem Sicherheitssystem, welches
das Festhalten des Stabes im Kern bewirkt und das Ausführen des Stabes aus dem Kern
verhindert, zu trennen. Selbst für den Fall eines Versagens der Hydraulik oder Pneumatik
muß eine jederzeit wirkende Sicherheitsvorrichtung vorhanden sein, mit der es ermöglicht
wird, den Absorberstab in den Reaktorkern einzufahren. Zu diesem Zweck wurde bereits
vorgeschlagen, das Antriebssystem direkt mit der Kühhnittelzuflußleitung zum Reaktor
über ein Ventil zu verbinden. Sorgt man ferner dafür, daß der Räum innerhalb des
Antriebsgehäuses zwischen dem Reaktordruckgefäß und dem Hohlkolben zu einem Behälter
verbunden ist, der - bezogen auf das hydraulische System - unter Unterdruck steht,
so gelingt es hierdurch, den Absorberstab lediglich mit Hilfe des Reaktordruckes
in den Reaktor einzufahren.
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Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1091246), Steuerkolben aus
zwei Zonen verschiedenen Druckes anzutreiben und weiterhin dieses Antriebssystem
von einem Haltesystem zu trennen, so daß eine Präzisionsmechanik nicht erforderlich
ist. Jedoch sind diese Antriebe nicht auch gleichzeitig mit einem Sicherheitssystem
kombiniert. Auch hydraulische Antriebe sind bekannt, die dann über Hilfshydrauliken
abschalten,
wenn die Kühlmittelumwälzung ausfällt (deutsche Auslegeschrift 1045 565).
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Jedoch treten hier immer noch Unsicherheiten beim Ausfall der Hilfshydraulik
auf.
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Es ist weiterhin bekannt, Ventile in die Steuerstangen für die Absorberstäbe
einzubauen und auf diese Weise hydraulische Nachlaufsteuerungen aufzubauen. Diese
Steuerungen sind jedoch technisch aufwendig, und zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen
in Verbindung mit dem Antrieb wären noch erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sicherheitsantrieb
zu schaffen, der auch beim Ausfall aller Hilfsenergien den Reaktor nur mit seinem
Eigendruck abschaltet. Weiterhin wird ein solcher Antrieb wesentlich vereinfacht,
und er gestattet, Steuerantrieb und Schnellabschalteinrichtung kompakt ineinanderzubauen.
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Bei einem Absorberstabantrieb für Kernreaktoren, insbesondere Siedewasserreaktoren
der eingangs bezeichneten Art, bei dem ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb
mit einer mechanischen Steuervorrichtung versehen ist; besteht die Erfindung darin,
daß der Innenraum des Reaktordruckgefäßes über -ein im obersten Abschnitt oder hohl
ausgebildeten Stange, der stets innerhalb des Reaktordruckgefäßes verbleibt, angeordnetes,
zum Stangeninneren hin öffnendes Rückschlagventil den Innenraum der Stange und den
mit diesem kommunizierenden Innenraum des Hohlkolbens mit dem Innenraum des Antriebsgehäuses,
der sich unterhalb des Kolbens befindet, in Verbindung steht, daß zwischen dem Hohlkolben
und dem Antriebsgehäuse ein von der Ober- zur Unterseite des Kolbens durchgehender
Spalt vorgesehen ist und daß ein weiterer Ringspalt zwischen der Stange und der
Wandung der Einführung in das Reaktorgefäß vorgesehen ist.
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In vorteilhafter Weise wird in einer, Weiterbildung der Erfindung
unterhalb des Absorberstabantriebsgehäuses ein Rückschlagventil derart angeordnet,
daß bei Ausbildung einer Druckdifferenz vom Gehäuse zu den Zuleitungen ein Auslaufen
des Gehäuses verhindert wird. Es ist vorteilhaft, dieses Ventil direkt an das Antriebsgehäuse
zu befestigen, so daß keine eventuell gefährdeten Rohrleitungen dazwischen liegen.
Durch das Rückschlagventil, das innerhalb des Hohlkolbens angeordnet ist, wird eine
Verbindungsleitung, die zwischen dem Kühlmittelzufluß und dem Antriebsgehäuse erforderlich
wäre, überflüssig.
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Um ein Herausfallen des eingefahrenen Absorberstabes zu verhindern,
ist eine besondere mechanische Steuereinrichtung vorgesehen. Zwischen dem Hohlkolben
und dem benachbarten Absorberstabantriebsgehäuse ist ein Ringspalt vorhanden, so
daß bei einem langsamen Ausfahren des Steuerstabes aus dem Reaktorkern die unterhalb
des Hohlkolbens befindliche Flüssigkeit in. den gegenüberliegenden Raum strömen
kann.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in F i g. 1 ein Schaltschema
für den Absorberstabantrieb mit einem Absorberstab in einem Reaktorkern schematisch
dargestellt; F i g. 2 zeigt die Anordnung eines Rückschlagventils innerhalb eines
Hohlkolbens des Absorberstabantriebes.
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In F i g. 1 ist im Reaktordruckgefäß 1 ein Reaktorkern 2 mit einem
Absorberstab 3 angeordnet, wobei am unteren Teil des Reaktordruckgefäßes 1 in einem
Antriebsgehäuse 4 ein Hohlkolben 5 des hydraulischen Antriebssystems dargestellt
ist. Der Hohlkolben 5 ist mit dem Absorberstab 3 über eine Kupplung fest verbunden.
Oberhalb des Hohlkolbens 5 befindet sich der Bremsraum 6, welcher mit dem Reaktordruckgefäß
1 durch düsen- oder spaltförmige Öffnungen verbunden ist. Vom Bremsraum 6 zum Raum
7, der sich .unterhalb des Hohlkolbens befindet, sind entlang desselben ebenfalls
spalt- oder düsenförmige Öffnungen vorhanden. Mit 8 ist eine Dampfabführungsleitung
bezeichnet, die den erzeugten Reaktordampf zu einem nicht dargestellten Wärmetauscher
oder einer Turbine führt. Das Kondensat aus dem Wärmetauscher oder aus der Turbine
wird durch die Leitung 9 dem unteren Reaktorraum zugeführt. Der Bremsraum 6 ist
über eine Leitung 10 und ein Ventil 11 mit einem Gefäß 12 verbunden, das - bezogen
auf das hydraulische System - unter Unterdruck steht. Hierzu kann ein Sammeltank
für radioaktive Abwässer verwendet werden. Der Bremsraum 6 des Antriebsgehäuses
ist ferner über eine Leitung 13 und ein Ventil 14 mit einer Pumpe 15 verbunden,
von der eine Leitung 16 zum Kühhnittelzufluß 9 führt. Zur Durchführung einer Schnellabschaltung
ist ein besonderer Drucktank 17 vorgesehen, dessen Druck über ein Ventil 18 auf
den Hohlkolben 5 wirken kann. Innerhalb des Hohlkolbens 5 befindet sich ein.Rückschlagventil
19. Um im Fall eines Bruches der hydraulischen Zuleitungen das Auslaufen des Antriebsgehäuses
4 zu verhindern, ist unterhalb des Gehäuses ein Rückschlagventil 20 vorgesehen.
Eine genauere Ausführung desselben ist in F i g. 2 wiedergegeben.
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Auch in bezug auf die Betriebssicherheit hat der vorliegende Antrieb
große Vorteile. Ein Einfahren des Absorberstabes 3 wird ermöglicht durch Öffnen
des Ventils 18, so daß das unter Druck stehende Medium im Tank 17 in den Raum 7
einströmt. Wird das Ventil 11 nicht geöffnet, so ist ein gebremstes Hochfahren
durch die Flüssigkeitsverdrängung aus dem Raum 6 in den Reaktor gegeben. Bei geöffnetem
Ventil 11 erfolgt ein sehr schnelles Hochfahren der Absorberstäbe.
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Davon unabhängig kann mittels der Pumpe 15, auch getrennt davon durch
den Reaktordruck und Öffnen des Ventils 11, ein Hochfahren der Absorberstäbe in
den Reaktorkern bewirkt werden.
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Fällt beispielsweise die elektrische Versorgung der Pumpe 15 aus oder
wird der Schnellabschalttank 17 aus irgendwelchen Gründen nicht funktionsfähig,
so öffnet das Ventil 11, und es bildet sich im Raum 6
ein Unterdruck
aus. Dieser Unterdruck wird sich beispielsweise bei Bruch der Leitung 10 einstellen.
Durch den Ausfall der Pumpe 15 bzw. des Schnellabschalttankes 17 bildet sich in
den Leitungen unterhalb des Rückschlagventils 20 ein Unterdrück aus, der
ein Schließen des Rückschlagventils bewirkt. Hierdurch wird ein Auslaufen der Flüssigkeit
aus dem Antriebsgehäuse 4 verhindert. Durch den entstehenden Unterdruck im Bremsraum
6 fließt durch den Ringspalt um den Hohlkolben 5 Flüssigkeit vom Raum 7 in den Bremsraum
6. Hierdurch entsteht auch im Raum 7 ein - gegenüber dem Reaktorraum - geringfügiger
Unterdruck, der das Rückschlagventil19 in Tätigkeit setzt. Durch das Aufrechterhalten
des Druckgefälles zwischen Raum 7 und Bremsraum 6 wird eine Kraftkomponente erzielt,
die
den Hohlkolben 5, und damit den Absorberstab, in den Reaktorkern einfährt. Hierdurch
wird in einfachster Weise erreicht, daß lediglich mit Hilfe des Reaktordruckes bei
Ausfall sämtlicher hydraulischer oder elektrischer Anlagen der Absorberstab in den
Reaktorkern eingefahren wird. Da Rückschlagventile nahezu wartungslos arbeiten,
ist ein Sicherheitssystem geschaffen, das in jedem Fall bei den aufgezeigten Druckverhältnissen
anspricht.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, den Reaktor nur durch den Reaktordruck
abzuschalten, wenn man zwar nicht durch eine Betriebsstörung veranlaßt ist, die
Absorberstäbe in den Reaktorkern einzuschließen, jedoch die Schnellabschaltvorrichtungen
schonen will. ' Der Kolben 5 ist als Hohlkolben ausgebildet, so daß bei Ansprechen
des Rückschlagventils 19 die Reaktorkühl- und/oder Moderatorflüssigkei4 die gleichzeitig
als Antriebsmittel für die Hydraulik dient, durch den Hohlkolben 5 in den Raum 7
fließt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Leitung sowie zusätzliche
Ventile überflüssig. Da bei einem Leistungsreaktor eine relativ große Anzahl von
Absorberstabantrieben vorhanden sein müssen und insbesondere bei Siedewasserreaktoren
der Antrieb von unten erfolgt, so daß relativ wenig Raum zur Verfügung steht, so
wird ersichtlich, daß durch diese Maßnahme ein erheblicher technischer Fortschritt
erzielt wird.
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Ist der Absorberstab eingefahren, so befindet sich der Hohlkolben
5 am oberen Ende des Bremsraumes 6. Der Hohlkolben ist dabei so ausgebildet, daß
er in einer solchen Stellung die Leitung 10 verschließt, so daß nach einer Schnellabschaltung
und nach einem Bruch alle in Frage kommenden Leitungen das Reaktorgefäß nicht durch
die Leitung 10 ausfließen kann. Fällt der Druck im Reaktorgefäß ab, so wird durch
die mechanische Halterung dafür gesorgt, daß der Hohlkolben nicht zurückfallen kann.
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Ein mechanisch verriegeltes hydraulisches Antriebssystem hat weiterhin
den Vorteil, daß die vorgesehene Ringspalte um den Hohlkolben 5 und um die Stange
beim Eintritt in denReaktor einmal komplizierte und aufwendige Abdichtungsvorkehrungen
unnötig machen und daß sie andererseits in einer mechanisch verriegelten Ruhestellung
einen geringen Durchfluß des Reaktorkühlmittels erlauben, der eine Temperaturangleichung
bewirkt. Bei vorteilhafterer Fertigung werden so thermische Belastungen und die
dadurch auftretenden Korrosionen vermieden.