DE1253832B - Kernreaktor-Steuerstab - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTmSsS? PATENTAMT DeutscheKl.: 21g-21/31

PATENTSCHRIFT * im«*'

Aktenzeichen: G 39144 VIII c/21 g

LOPi (iiifoo 1253 832 ^Anmeidetag^; y;^November^⁹f

Auslegetag: 9. November 1967
Ausgabetag: 22. Mai 1968
Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor-Steuerstab, bestehend aus einer Kette ineinander einschiebbarer hohlkörperförmiger Elemente, von denen das eine Endelement an einem Aufhängeorgan befestigt und das andere mit einem gegen den Reaktorkern sich abstützenden Anschlag versehen ist, der in einem vertikalen Kanal des Reaktorkerns angeordnet ist.

Kernreaktor-Steuerstäbe bestehen bekanntlich aus einem' Neutronen absorbierenden Material, das von einer Hülle umgeben ist. Diese Steuerstäbe sollen drei Funktionen erfüllen: Regelung, Kompensation und Sicherheitseingriff. Mit den Steuerstäben, die für die Regelung des Reaktors benutzt werden (Regelstäbe), wirkt man dadurch auf die Leistung des Reaktors ein, daß man die Absorption des Neutronenflusses durch das Absorptionsmaterial des Regelstabes ändert. Die Kompensationsstäbe überlagern ihre Wirkung derjenigen der Regelstäbe. Die Steuerstäbe für den Sicherheitseingriff oder Sicherheitsstäbe sind während des normalen Betriebs des Reaktors außerhalb des Reaktofkernes angeordnet und werden im Gefahrenfalle, d. h., wenn der in dem Reaktorkern auftretende Neutronenfluß über vorgegebene Sicherheitsgrenzen hinaus ansteigt, in einer außerordent- »5 Hch kurzen Zxit in den Reaktorkern eingeführt, um den Neutronenfluß in wirksamer Weise und sehr schnell auf einen Wert zurückzuführen, der keine Gefahr mehr bedeutet.

Meist werden die Steuerstäbe ihrem jeweiligen Verwendungszweck besonders angepaßt. So ist in der USA.-Patentschrift 2 900 316 ein Steuerstab beschrieben, der für Regelzwecke gebaut ist, sich für die Zwecke des Sicherheitseingriffes dagegen nicht eignet. Dieser bekannte Steuerstab besteht aus ineinander einschiebbaren Hohlkegeln aus einem Neutronen absorbierenden Material. Die einzelnen Hohlkegel sind jeweils an ihrer großen Basis mit Ansätzen versehen, die in achsparallelen Nuten in dem den Steuerstab aufnehmenden Reaktorkanal geführt sind und auf diese Weise Einschränkungen in der Höhenlage erfahren. Nachteilig ist bei diesem bekannten Steuerstab zum einen sein komplizierter und daher teurer Aufbau, wobei vor allem die Herstellung der Nuten in den Kanalwänden ins Gewicht fällt, und zum anderen und vor allem die bei der Gleitbewegung der Ansätze der Hohlkegel in den Nuten der Kanäle unvermeidlich auftretende Reibung, die zu einer wesentlichen Verlangsamung der Bewegung des Steuerstabes in dem Reaktorkanal führt und sogar die Funktionssicherheit der Regelung überhaupt gefährden kann, da alle im Inneren des Reaktorkerns anKernreaktor-Steuerstab

Patentiert für:

Groupement Atomique Alsacienne Atiantique,
Le Plessis-Robinson, Seine (Frankreich)

Vertreter:

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

Als Erfinder benannt:
Maurice Lechevallier,
Viry-Chatillon, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom U_5lNovember 1962(915 119)

geordneten und thermisch und strahlungsmäßig hochbelasteten Bauteile, also auch die Nuten in den Kanalwänden oder die Anschläge an den Hohlkegeln, stets eine mehr oder weniger große Formänderung erfahren, so daß es zu einem Verklemmen der Anschläge der Hohlkegel in den Nuten des Reaktorkanals kommen kann.

Ein Steuerstab, der sich insbesondere auch für die Zwecke des Sicherheitseingriifes eignet, ist in der deutschen Auslegeschrift 1 092 572 beschrieben. Dieser bekannte Steuerstab besteht aus einer Kette von rohrförmigen Einzelelementen, die über schwenkbar angelegte Zwischenglieder miteinander verbunden sind, so daß sie sich außerhalb des Reaktorkernes auf einer Seiltrommel aufwickeln lassen und auf dieser aufbewahrt werden können, bis sie im Gefahrenfalle in dem Reaktor zum Einsatz gebracht werden sollen. Der wesentliche Nachteil dieses bekannten Steuerstabes liegt in seiner großen Länge auch im Aufbewahrungszustand, die dadurch bedingt ist, daß sich die einzelnen KettengUeder nicht ineinanderschieben lassen. Schwierigkeiten ergeben sich bei dem bekannten Steuerstab jedoch auch noch in anderer Hinsicht; ein Sicherheitsstab muß sich nämlich einerseits sehr rasch beschleunigen lassen, um sein rasches Einführen in den Reaktorkern zu ermöglichen, er muß aber in dem Reaktorkern ebenso rasch zum Stillstand gebracht werden können, um

809 561/305

eine Beschädigung von Teilen des Reaktorkernes durch einen heftigen Aufprall des Steuerstabes zu vermeiden. Für diese Abbremsung bedarf es bei dem bekannten Steuerstab, bei dem sich die gesamte Masse während des Einführens in den Reaktorkern im gleichen Bewegungszustand befindet, infolge der Größe dieser Masse umfangreicher Vorkehrungen zum Unschädlichmachen der dieser Masse innewohnenden kinetischen Energie.

mente beim Abfangen desSteuerstabes innerhalb des Reaktorkemes bis zu ihren individuellen Anschlägen ineinandergeschoben werden.

Bei beiden in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispielen bestehen diese Stäbe aus einer Reihe von ring- oder rohrförmigen Elementen 1, 2, 3, die gegen ein vollständiges Trennen gesichert sind und die grundsätzlich teleskopartig gegeneinander verschoben werden können. Jedes Element 1 kann in

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde. io bzw. auf den beiden unmittelbar benachbarten Ele-

einen Steuerstab anzugeben, bei dem einerseits jegliche formschlüssige Berührung mit den Wänden des Reaktorkanals, in den der Steuerstab eingeführt werden soll, vermieden ist, so daß sich der Steuerstab im Gefahrenfalle raschestens in dem Kanal verschieben läßt, und bei dem es andererseits keiner nennenswerten Vorkehrungen zum Abfangen der Bewegungsenergie des in den Reaktorkanal eingeführten Steuerstabes bedarf.

menten2 und 3 axial gleiten; diese Gleitverbindung entsprechender Einzelelemente erstreckt sich über die gesamte Länge des Stabes, ohne daß es möglich ist, die Geschlossenheit der so gebildeten Hülse in ihrer größten Längenausdehnung zu unterbrechen, weil beispielsweise bei je zwei nebeneinander angeordneten Elementen Anschläge vorgesehen sind, die in der gestreckten Lage des Stabes oder einem entsprechenden Ausziehen seiner Elemente aufeinander-

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, ausgehend ao treffen (Anschläge 1 b, 2a für die Verbindung zwi-

von einem Kernreaktor-Steuerstab der eingangs gekennzeichneten Art, dadurch gelöst, daß jedes der einstückigen Elemente aus zwei koaxialen, sich in axialer Richtung aneinander anschließenden Hohlzylindern besteht, von denen der eine einen Außendurchmesser aufweist, der größer als der Innendurchmesser des anderen ist, und daß an den freien Enden beider Hohlzylinder jedes Elements zueinander korrespondierende Vorsprünge angeordnet sind, mittels deren jeweils die Hohlzylinder unterschiedlichen Durchmessers einander benachbarte Elemente ineinander verhakt sind.

Diese Steuerstäbe, die in der weiteren Beschreibung »Teleskopstäbe« genannt werden sollen, werden in ihrer Ruhelage mittels irgendwelcher bekannter Mittel, beispielsweise durch ein Seil, festgehalten. Im Gefahrfalle werden sie freigegeben und fallen dann mit einer freien bzw. beschleunigten Fallbewegung in den Reaktorkern hinein, bis sie mit einem Aiisclilag oder einem ahnlicnen Aötangsystem in Berührung kommen, das sie stillsetzt.

Die einzelnen ineinanderschiebbaren Elemente, aus denen der Teleskopstab besteht, lassen sich jeweils relativ zueinander bis zu ihren Vorsprüngen sehen den Elementen 1 und 2 in Fig. 1).

Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Steuerstäbe besteht jedes der Elemente 2,1, 3 aus zwei übereinander angeordneten zylindrischen Teilen mit voneinander verschie denen Durchmessern, jeweils einem Zylinder mit großem Durchmesser 2_V I₁, 3,, an den sich ein Zylinder mit kleinerem Durchmesser 2.,, I₀, 3„ anschließt. Die Durchmesser dieser Zylinderteile"sind derart gewählt, daß der Zylinder mit kleinerem Durchmesser (2^, 1.,, 3.,) eines der Elemente leicht und ohne nennenswerte Reibung innerhalb des Zylinders mit großem Durchmesser (I₁,3_t) des folgenden Elemente* verschoben werden kann. Jeder Zylinderteil 2.,, 1,, 3₂ trägt an seinem äußeren Ende einen nach außen gerichteten Bund.2a, la. 3a, der innerhalb des mit größerem Durchmesser ausgeführten Zylinderteiles des benachbarten EIementes liegt und in diesem Zylinderteil I₁, nnah- hängig von der Lage der Elemente 2, 1, 3 relativ zueinander durch eine Innenschulter 2 b, lb, 3 b gegen Herausziehen gesichert ist, welche den Zylinderteil 2,, I₁, 3_t in seinem oberen Abschnitt oberhalb des Außenbundes 1 a, 3 a abschließt und jede Tren-

zusammenschieben und auseinanderziehen; dadurch 45 nung der Elemente verhindert, wird es möglich, das Abfangen des Steuerstabes an Die beiden Zylinderteile I₁ und I₂, 2, und 2., der

einem Abfanganschlag schrittweise durchzuführen. unterschiedlichen Elemente haben vorzugsweise

Je größer die Anzahl der den Steuerstab bildenden gleiche Länge, um ein maximales Ineinanderschieben Teleskopelemente ist, um so kleiner und zahlreicher der Elemente und dadurch eine maximale Verringesind die einzelnen Stöße, in denen die kinetische 50 rung der. Länge des Stabes möglich zu machen. Energie des .Steuerstabes bzw. seiner Elemente ab- Sämtliche Stabelemente, die sich gegenseitig stütgefangen wird. Auf diese Weise können die einzelnen zen oder tragen, sind an einem Seil 4 aufgehängt. Bei Teile oder Elemente des Steuerstabes den Stößen. dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist das Seil im denen sie ausgesetzt sind, ohne merkliche Defor- Punkt 4 a an einem End- oder Fußblech 5 am untemation widerstehen; es ist auch nicht nötig, eine 55 ren Ende des Stabes befestigt; dieses Fußblech ist fest Bremsung zwecks Dämpfung des Aufpralls vorzu- mit einem Ring- oder Zylinderteil S₁ verbunden, der

auf dem Zylinderteil 3₂ des untersten Elementes des Stabes gleiten kann. An dem anderen Ende des Teleskopstabes gemäß F i g. 1 trägt das erste Element 13 an seinem oberen Rand einen beispielsweise durch Schweißen mit dem Element verbundenen Außenflansch 11, der als Anschlag für die Bremsung der Fallbewegung des gesamten Stabes dient.

Der in der soeben beschriebenen Art aufgebaute gen des Stabes in den Reaktorkern bis zu ihren indi- 65 Teleskop-Steuerstab ist in an sich bekannter Weise viduellen Anschlägen auseinandergezogen werden, in einem Kernreaktor innerhalb des Steuerstabkanals Fig. 2 eine abweichende Ausführungsform eines 8, 9 untergebracht, dessen Kanalschnitt 8 im wesentähnlichen Steuerstabes, bei dem die Teleskopele- lichen dem Kern des Reaktors entspricht, während

sehen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nunmehr zwei in der Zeichnung veranschaulichte Ausführungsbeispiele von Steuerstäben beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen .schematischen Axialschnitt durch einen, ausgebildeten Steuerstab, der aus nicht trennbaren Teleskopelementen besteht, die beim Einbrin-

Claims (5)

der Kanalteil 9 den Steuerstab enthält, wenn er nicht im Reaktorkern wirksam werden soll. Die Stabelemente 1, 2, aus denen sich der Teleskop-Steuerstab gemäß F i g. 1 zusammensetzt, sollen sich beim Einsatz des Stabes, d. h., wenn der Stab in den Kern des Reaktors hinunterfällt, auseinanderziehen. Der Kanal 8 hat deshalb an seinem oberen Ende eine Innenschulter 10, die dazu bestimmt ist. mit dem fest am oberen Rand des obersten Elementes 13 des Stabes angeordneten Flansch 11 zusammenzüwirken und als Anschlag zu dienen. Die Wirkungsweise des Teleskop-Steuerstabes gemäß F i g. 1 ergibt sich aus der dargestellten Anordnung: Wenn der Stab nicht benutzt wird, ist er an dem Seil 4 innerhalb des -oberen Kanals 9 aufgehängt, und sein Fußteil 5 befindet sich zumindest angenähert auf der Höhe der Schulter 10. Alle Teleskopelemente sind bis zu ihren Anschlägen ineinandergeschoben, und der Teleskopstab hat dann große Zahl einzelner kleiner Stöße aufgeteilt, die schnell aufeinanderfolgen. Bei den beiden dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Wirkungsweise der Teleskop-Steuerstäbe für Zwecke der Leistungssteuerung oder einer Kompensation ähnlich wie bei der Beschreibung der Wirkung des Stabes als »Sicherheits«-Stab erläutert; in diesen Fällen wird jedoch das Seil 4 um die gewünschte Länge stetig nachgelassen oder angezogen, wobei sich die Elemente des Stabes entsprechend der erforderlichen Neutronen-Absorptionswirkung mehr oder weniger tief in den Reaktorkern bewegen und sich dabei teilweise ineinanderschieben oder auseiuanderziehen. Jedes der ring- oder rohrförmigen Elemente enthält vorzugsweise ein Neutronen absorbierendes Material; man kann aber auch den Teleskop-Steueistah aus Teleskopelementen mit Sicherungen gegen vollständiges Trennen aufbauen, die kein Neutronen ab- seine kleinste Länge. In einem Gefahrfalle wird das 20 sorbierendes Material enthalten;' in diesem- Falle 25 30 35 40 Haltesetl 4 unverzüglich freigegeben, und der als Sicherheitsstab wirkende Stab fällt unter der Wirkung seines Eigengewichtes in den Kanal 8 des Reaktorkernes hinein. Wenn alle Elemente in den Kern hineingefallen sind, trifft der Flansch 11 auf die Schulter 10 auf, wodurch der »Kopf«, d. h. das Element 13. des noch zusammengeschobenen Stabes plötzlich festgehalten wird. Die weiteren Elemente 1, 2, aus denen der Teleskopstab besteht, gleiten dann nacheinander an ihren benachbarten Elementen, wobei der Stab ausgezogen wird und die Elemente nacheinander durch ihre Anschläge jeweils einzeln abgefangen werden, bis der Teleskop-Steuerstab in gestreckter Lage innerhalb des Reaktorkernes hängt. Durch den Anschlag des Flansches 11 an der Schulter 10 wird der Stab in seiner Wirkstellung mit seiner größten Länge festgehalten. Bei der abweichenden Ausführungsform gemäß F i g. 2 besteht der Teleskop-Steuerstab ebenfalls aus ring- oder rohrförmigen Elementen 1, 2, 3, die ineinanderschiebbar sind; diese Elemente werden aber bei dem Einsatz des Stabes innerhalb des Reaktorkernes zusammengeschoben. Das obere Element 23 hat einen »Kopf« 6, an dem im Punkt 4 b das den Stab haltende Seil 4 befestigt ist. Das letztere, unterste Stabelement 3, das aus den beiden zylindrischen Teilen S1 und 3., besteht, trägt einen Anschlagzylinder 15, der auf dem mit kleinerem Durchmesser ausgeführten Zylinderteil 3., gleitet und durch den Außenbund 3a, der mit einer oberen Innenschulter 15 b des Zylinders 15 zusammenwirkt, festgehalten wird. In dem Kernkanal des Reaktors befindet sich eine Anschlagplatte 7, die dazu dient, den RinglS abzufangen und damit die Abfallbewegung des gesamten Stabes zum Stillstand zu bringen. Dieser Teleskop-Steuerstab hängt in seiner oberen Stellung an dem Seil 4 und befindet sich dabei in dem Kanal 9; er wird im Gefahrfalle durch Freigeben des Seiles 4 seinerseits freigegeben. Dabei sind sämtliche Elemente ausgezogen, und der Teleskopstab hat seine größte Länge. Wenn der Teleskop-Steuerstab in diesem Zustand nach unten fällt, behält er zunächst seine gestreckte Länge bei, bis der verschiebbare Ring 15 auf die feste Anschlagplatte auftrifft. Dann schieben sich die weiteren Elemente 1, 2 des Stabes nacheinander zusammen, wobei sich die Länge des Stabes verkürzt; der auf die Anschlagplatte 7 wirkende Abfangstoß wird in eine 65 werden absorbierend wirkende Ringe, die sich leichter herstellen lassen, an jedem Teleskopelement mit größerer oder kleinerer Bewegungsfreiheit festgelegt. Auf diese Weise läßt sich die Herstellung des^Teieskop-Steuerstabes leichter durchführen. Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Steuerstab, bestehend aus einer Kette ineinander einschiebbarer hohlkörperförmiger Elemente, von denen das eine Element an einem Aufhängeorgan befestigt und das andere mit einem gegen den Reaktorkern sich abstützenden Anschlag versehen ist, der in einem vertikalen Kanal des Reaktorkerns angeordnet ist. dadurch gekennzeichnet, daß jedes der einstückigen Elemente aus zwei koaxialen, sich in aie— zylinder besteht, von denen der eine einen Außendurchmesser aufweist, der größer als der Innendurchmesser des anderen ist, und daß an den freien Enden beider Hohlzylinder jedes Elements zueinander korrespondierende Vorsprünge angeordnet sind, mittels deren jeweils die Hohlzylinder unterschiedlichen Durchmessers einander benachbarte Elemente ineinander verhakt sind.

2. Steuerstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Zylinder größeren Durchmessers jedes Elementes eine Innenschulter und der Zylinder kleineren Durchmessers einen Außenbund aufweist, mittels deren benachbarte Elemente ineinander verhakt sind.

3. Steuerstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zylinder jedes Elementes gleich lang sind.

4. Steuerstab nach einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Endelement einen auf das obere Ende des Reaktorkernes abstützbaren Außenflansch aufweist und das untere Endelement an dem Aufhängeorgan für den gesamten Stab befestigt ist.

5. Steuerstab nach einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Endelement einen Kopf zur Befestigung des Aufhängeorgans aufweist und das untere Endelement einen an ihm verschiebbaren Anschlag trägt.