DE1464624B2 - Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor mit einem durch Neutronen spaltbaren Material und mit wenigstens einem über dem spaltbaren Material der Spaltzone mittels einer Aufhängevorrichtung aufgehängten Neutronen absorbierenden Element, bei dem die Aufhängevorrichtung mindestens zum Teil aus einer bei Normaltemperatur festen wärmeempfindlichen Substanz besteht, die bei der Normaltemperatuf eine das Gewicht des Neutronen absorbierenden Elements aufnehmende Tragkraft aufweist, bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur jedoch das Neutronen absorbierende Element auf das Niveau des spaltbaren Materials in der Sapltzone hinabfallen läßt.

In der Spaltzone eines Kernreaktors sieht man normalerweise Regelstäbe vor, welche das Leistungsniveau bestimmen, bei dem der jeweilige Kernreaktor arbeitet. Diese Regelstäbe bestehen wenigstens zum Teil aus einem Neutronen absorbierenden Material. Entsprechend dem Ausmaß des Eintauchens der Regelstäbe in die Spaltzone werden Neutronen absorbiert.

Es ist ferner im Kernreaktorbau üblich, Regelstäbe vorzusehen, die normalerweise außerhalb der Spaltzone vorgesehen sind, in Notfällen aber in die Spaltzone eingeführt werden können. Diese Regelstäbe enthalten dabei soviel Neutronen absorbierendes Material, daß sie einen wesentlichen Teil der durch einen Spaltprozeß des verwendeten Kernreaktorbrennstoffs frei werdenden Neutronen absorbieren und die jeweilige Kettenraktion zum Stillstand bringen. Man nennt derartige für Notfälle bestimmte Regelstäbe auch Abschaltstäbe oder Notabschaltstäbe.

Es ist auch schon bekannt (»Umschau« 1959, Heft 7, S. 218), in kleinen Kernreaktoren eine Polyäthylen enthaltende Brennstoff-Moderator-Mischung zu verwenden. Um das »Durchgehen« des betreffenden Kernreaktors dabei zu vermeiden, ist eine »Schmelzsicherung« eingebaut, die darin besteht, daß der untere Teil an einem stark mit Uranoxyd versetzten Polystyrolteil hängt, der bei Temperaturen über 100° C schmilzt. Dadurch fällt der untere Reaktorteil ab, und die Kettenraktion kommt zum Stillstand. Von Nachteil bei dieser bekannten Anordnung ist, daß sie praktisch nur für relativ kleine Kernreaktoren anwendbar ist, und zwar insofern, als das Gewicht der Spaltzone in größeren Kernreaktoren zu groß wäre, um das erwähnte Herabhängen des unteren Teils der Spaltzone zu ermöglichen.

Es ist außerdem ein Kernreaktor mit einer Spaltzone und mit Neutronen absorbierenden Elementen bekannt (französische Patentschrift 1263 561), bei dem Kugeln aus Neutronen absorbierendem Material oberhalb der Spaltzone von einem Magnetfeld gehalten werden. Steigt die Temperatur im Kernreaktor über eine vorgegebene Höhe an, so übersteigt der magnetische Widerstand der vorgesehenen Elektromagneten, von denen das Magnetfeld erzeugt wird, ebenfalls eine bestimmte Höhe, und das Magnetfeld sinkt unter diejenige Stärke, mit der es die Kugeln halten kann. Von Nachteil bei dieser bekannten Magnetfeldanordnung ist, daß sie konstruktiv relaitv aufwendig ist und nicht an einem definierten Punkt zu reagieren imstande ist.

Es ist schließlich auch schon eine Anordnung bekannt (»US Research Reactors«, J. W. Chastain, 1958, Reading, USA, S. 55, 56), bei der Magnete zum Festhalten von Regelstäben in einem Kernreaktor verwendet werden. Damit haftet aber auch dieser bekannten Anordnung der Nachteil an, der im Zusammenhang mit der zuvor betrachteten bekannten Anordnung angegeben worden ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie ein Kernreaktor mit im Vergleich zu den bisher bekannten Anordnungen geringerem konstruktiven Aufwand hinsichtlich seiner

ίο Wärmeerzeugung geschützt werden kann und wie ein Neutronen absorbierendes Element in das spaltbare Material der Spaltzone des Kernreaktors bei einer definitiven Temperatur eingeführt werden kann.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Kernreaktor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Substanz einen bei der vorbestimmten Temperatur liegenden Schmelzpunkt aufweist. Die Erfindung zeichnet sich gegenüber den oben betrachteten bekannten Anordnungen durch den Vorteil aus, daß allein durch Verwendung einer bei der erwähnten bestimmten Temperatur schmelzenden Substanz für die ohnehin vorzusehende Aufhängevorrichtung des Neutronen absorbierenden Elements auf relativ einfache Weise ein bei einer definitiven, d. h. der vorbestimmten Temperatur wirksam werdender Temperaturschutz erreicht ist. An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilansicht einer Spaltzone mit Brenn-Stoffelementen und Regelstabeinheiten eines_/.Kernreaktors, jjS

F i g. 2 eine Teilansicht im Längsschiutt einer Regelstabeinheit und benachbarter Brennstoffelemente bei einem Kernreaktor nach Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt nach Linie 3-3 der F i g. 2,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen Abschaltstab gemäß F i g. 2,

F i g. 5 Spaltzone, Brennstoffelemente und Regel-Stabeinheiten nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ■

F i g. 6 einen Längsschnitt durch eine Regelstabeinheit und benachbarte Brennstoffelemente bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5,

F i g. 7 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Regelstabeinheit der F i g. 6.

Es wird ein für Notfälle bestimmtes und im Eintrittsfall wirksam werdendes Sicherheitssystem für Kernreaktoren vorgeschlagen mit Abschaltstäben aus Neutronen absorbierendem Material sowie Aufhängevorrichtungen, welche im Normalbetrieb die Äbschaltstäbe mit dem Neutronen absorbierenden Material über dem Niveau des spaltbaren Materials der Spaltzone halten. Die Aufhängevorrichtungen bestehend mindestens zum Teil aus einem temperaturempfindlichen, d. h. vorzugsweise einem bei erhöhter Temperatur erweichenden Material, über welches die Abschaltstäbe aufgehängt sind. Das temperaturempfindliche Material besitzt bei normaler Betriebstemperatur des Reaktors an der jeweiligen Stelle genügend Festigkeit, um das Gewicht der. Regelstäbe aufzunehmen, wird aber bei erhöhten Temperaturen weich und läßt die Regelstäbe bei Überschreiten eines bestimmten Temperaturwerts bis zu einer bestimmten Stellung in die Spaltzone hineinfallen, so daß die dort stattfindende Kettenreaktion abgebrochen wird.

In F i g. 1 erkennt man eine Spaltzone 11 mit einem horizontalen Rost 12 sowie vertikalen, durch diesen

Rost getragenen Brennstoffelementen 13; letztere sind regelmäßig über die Spaltzone verteilt. Die Spaltzone ist innerhalb eines in seiner Grundform vertikalen Druckgefäßes 14 untergebracht, durch welches ein Kühlgasstrom zirkuliert. Der Kühlgasstrom verläuft durch im allgemeinen vertikale Kühlgaswege durch die Spaltzone 11 nach oben. Innerhalb von Brennstoffelementen 13 ist das spaltbare Material bis zu einem durch die Bezugsziffer A bezeichneten Niveau untergebracht.

Es ist eine Vielzahl von Regelstabeinheiten 15 vorgesehen; diese Regelstabeinheiten sind durch die Gitterplatte bzw. den Rost 12 der Spaltzone getragen, seitlich sind die Regelstabeinheiten den Brennstoffelementen 13 benachbart. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist eine beschränkte Anzahl von Regelstabeinheiten 15 vorgesehen; natürlich müssen es so viel sein, daß genügend Neutronen absorbiert werden können, um die durch das spaltbare Material in den Brennstoffstäben 13 aufrechterhaltene Kettenreaktion zu kontrollieren und gegebenenfalls abbrechen zu können. In F i g. 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit auch die Antriebsmechanismen für die Regelstäbe nicht eingezeichnet, ebenso wenig wie Abschirmung, Kühlmittelumwälzanlage und andere Reaktorteile, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.

Wie insbesondere aus F i g. 2 zu ersehen, umfaßt jede Regelstabeinheit ein Führungsrohr 17 und ein Aufhängerohr 19. Das Führungsrohr 17 ist mit seinem unteren Ende an dem Rost 12 befestigt und fluchtet mit einer Bohrung 21 in dem Rost, derart, daß ein vertikaler Durchgang durch die gesamte Spaltzone gebildet ist. Ein mit Antrieb versehener Regelstab 23 ist vorgesehen. Dieser ist in vertikaler Richtung relativ zu der Spaltzone innerhalb des Führungsrohrs 17 durch einen unterhalb der Spaltzone 11 angeordneten, aber nicht eingezeichneten Antriebsmechanismus beweglich. Jeder der mit Antrieb versehenen Regelstäbe 23 weist zylindrische Regel-Stabelemente 24 aus Neutronen absorbierendem Material auf. Durch die zentralen Durchgänge der zylindrischen Regelstabelemente 24 fließt ein Kühlmittelgasstrom, der im übrigen auch zwischen den mit Antrieb versehenen Regelstäben 23 und den Führungsrohren 17 auftritt.

Die mit Antrieb versehenen Regelstäbe 23 können entweder Betriebsregelstäbe sein, welche normalerweise eine Stellung innerhalb der Spaltzone 11 einnehmen und durch ihre Stellung die Reaktivität des Kernreaktors bestimmen; sie können aber auch Abschaltstäbe sein, welche normalerweise sich außerhalb der Spaltzone 11 befinden, jedoch rasch in diese eingeschossen werden, um die Kettenreaktion zu beenden. In den F i g. 1 und 2 befindet sich der mit Antrieb versehene Regelstab 23 in einer Stellung, in der er nicht ganz zur Hälfte in die Spaltzone eingefahren ist; selbstverständlich können die mit Antrieb versehenen Regelstäbe 23 jedoch bis zur Stelle A nächst dem oberen Ende des spaltbaren Stoffes eingefahren werden.

In dem Führungsrohr 17 sind Führungsnuten 25 an der Innenfläche des Rohres ausgebildet; diese Führungsnuten erstrecken sich von einem Niveau am oberen Ende der Führungsrohre 17 bis zu einem Niveau B, das etwa in der vertikalen Mitte des spaltbaren Stoffs in den Brennstoffelementen liegt. Der Zweck der Führungsnuten wird noch zu behandeln sein.

Die Aufhängerohre 19 bestehen aus hohlzylindrischen Rohrkörpern. Diese ruhen auf den Führungsrohren 17 auf, und zwar in einer konischen Übergangsstelle 26; durch einen an einer Innenhülse 34 des Aufhängerohres 19 bzw. an dem Führungsrohr 17 angebrachten Bajonettverschluß 28, 36 sind die Aufhängerohre 19 und die Führungsrohre 17 miteinander in solcher Weise vereinigt, daß die Aufhängerohre 19 auch Auftriebskräfte nach oben aufnehmen können.

Eine Schraubkappe 27 ist am oberen Ende des Aufhängerohres 19 aufgeschraubt; diese Schraubkappe umfaßt einen Hebeknopf 29, der von einem Greifer erfaßt werden kann (Greifer nicht eingezeichnet). Mittels dieses Greifers kann das Aufhängerohr 19 von dem Führungsrohr 17 abgehoben werden. Auch die Schraubkappe 27 ist von Durchgängen 30 durchsetzt, durch welche das gasförmige Kühlmittel aus dem Inneren der Aufhängerohre 19 in Pfeilrichtung kommend austreten kann.

Zu einer Regelstabeinheit 15 gehört eine Aufhängestange 31. Die Aufhängestange 31 ist in die Schraubkappe 27 eingeschraubt und hängt von ihr ausgehend innerhalb des Aufhängerohres 19 nach unten.

Innerhalb des Aufhängerohrs 19 ist ein Abschaltstab 32 untergebracht. Zu dem Abschaltstab gehört eine Traghülse 33 mit Abschlußringen 35 und 37 am oberen bzw. unteren Ende; die Traghülse ist .von Ringelementen 39 aus Neutronen absorbierendem' Material oder »Reaktorgift« umschlossen, p^

Wie aus F i g. 4 ersichtlich, erstreckt sich die Traghülse 33 durch den unteren Abschlußring 37 hindurch; unterhalb des unteren Abschlußrings 37 sind stoßdämpfende Tellerfedern um die Traghülse 33 herum angeordnet. Die Tellerfedern können aus rostfreiem Stahl hergestellt sein und haben die Aufgabe, ', Stöße abzudämpfen, welche durch das Herabfallen der Abschaltstäbe 32 in die Spaltzone 11 etwa auftreten können.

Nächst den Tellerfedern 41 sind Führungsstücke 47 angeordnet; diese sind an den Tragülsen 33 befestigt und umgeben diese. Wie insbesondere aus den F i g. 3 und 4 zu ersehen, sind die Führungsstücke 47 zusammengesetzt aus einem Ring 49 aus rostfreiem Stahl und einem keramischen Ring 50. Der rostfreie Stahlring 49 weist Vorsprünge 51 über seinem Umfang verteilt auf. Die Vorsprünge 51 des Stahlrings 49 greifen in die Führungsnuten 25 gleitend ein und halten im Falle eines Wirksamwerdens der AbscMaltstäbe 32 diese in axialer Flucht mit den Führungsrohren 17. Die Vorsprünge 51 haben stich den Zweck, den Fall der Abschaltstäbe 32 nach unten bei Erreichen des unteren Abschlusses der Führungsnuten 25 zu beenden, d. h. also im Punkte B der Fig. 1.

Auch der keramische Ring 50 weist Vorsprünge 53 über seinen Umfang verteilt auf, welche ebenfalls in die Führungsnuten 25 des Führungsrohres 17 eingreifen, genauso wie die Vorsprünge 51 des Stahlrings 49. Die Vorsprünge des Keramikrings halten den Abschaltstab 32 in seiner Lage innerhalb der Spaltzone 11 fest, auch dann noch, wenn der Stahlring unter den im Kernreaktor herrschenden Temperaturen schmelzen sollte.

Um die soweit beschriebenen Teile des Abschaltstabs 32 auf der Traghülse zu halten, ist eine Spinne 55 am unteren Ende der Traghülse 33 befestigt. Die Spinne 55 ist von Kanälen 57 durchsetzt; durch diese

Kanäle kann gasförmiges Kühlmittel in das Innere der Traghülse eintreten.

Des weiteren ist die Spinne 55 von einer Axialbohrung durchsetzt; durch diese Axialbohrung verläuft eine Aufhängebuchse 60, welche ein das untere Ende der Aufhängestange 31 umschließendes Gehäuse bildet.

Wie aus den F i g. 2 und 4 ersichtlich, ist der Abschaltstab 32 innerhalb des Aufhängerohrs 19 um den Aufhängestab 31 herum angeordnet. Zur Halterung des Abschaltstabs 32 ist eine Aufhängespitze 61 an dem Aufhängestab durch ein Lötmetall 63 befestigt. Die Aufhängebuchse 60 liegt auf der Aufhängespitze 61 auf, wodurch der Abschaltstab 32 gehalten wird. Das Lötmetall enthält eine temperaturempfindliche Legierung, die bei normaler Betriebstemperatur des Kernreaktors an der betreffenden Stelle genügend Festigkeit hat, um den Regelstab zu tragen, die aber bei Überschreiten einer vorbestimmten, übernormalen Reaktortemperatur jegliche Festigkeit verliert, also dann, wenn in dem Kernreaktor eine Betriebsstörung auftritt. Die Auswahl des leicht schmelzbaren Metalls bei einer beliebigen Temperatur ist für den Fachmann ohne weiteres gegeben. Es können natürlich auch andere Massen neben den Metallegierungen zum Einsatz kommen.

Im normalen Betriebszustand befinden sich die Regelstäbe 23 mit den Neutronen absorbierenden Stoffen oberhalb des Niveaus A, d. h. oberhalb der Spaltstoffgrenze in der Spaltzone und beeinflussen die Reaktivität des Kernreaktors nicht.

Solange die Umgebungstemperatur in der betreffenden Stellung, d. h. an der Aufhängespitze 61 unterhalb des Schmelzwerts der Lötlegierung 63 bleibt, verbleibt der Abschaltstab 32 in dieser Stellung. Wenn jedoch bei einem Unfall die Umgebungstemperatur am Orte der Aufhängespitze 61 ansteigt, erreicht die Lötlegierung 63 unter Umständen ihren Schmelzwert, so daß der Regelstab 62 von der Aufhängestange 31 losgelassen wird und in das Führungsrohr 11 hineinfällt.

In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß etwa durch das Aufhören des Kühlmittelstroms durch das Führungsrohr 17 ein rascher Temperaturanstieg hervorgerufen werden könnte, genauso durch Funktionsstörungen des Kernreaktors, die zu Veränderungen des Leistungsniveaus über die Sicherheitsgrenze hinaus führen.

Nachdem der Abschaltstab 32 frei geworden ist, fällt er also herab, bis er durch den angetriebenen Regelstab 23 aufgefangen wird; dieser angetriebene Regelstab sollte in diesem Zeitpunkt bereits weitestmöglich in die Spaltzone eintauchen. Sollte jedoch aus irgendeinem Grund der angetriebene Regelstab unwirksam sein, so wird der Abschaltstab 32 so weit durchfallen, bis er an den Enden der Führungsnuten 25 Anschläge findet, auf welche die Vorsprünge 51 des Stahlrings 49 aufschlagen. In jedem Fall absorbieren die elastischen Tellerfedern 41 einen Teil der Stoßenergie und verhindern, daß die Neutronen absorbierenden Ringe 39 zu Bruch gehen.

Wenn also die angetriebenen Regelstäbe 23 nicht funktionieren, so gelangen die Abschaltstäbe 32 automatisch in das Zentrum der Spaltzone; ihre Neutronenabsorbtionsfähigkeit ist so bemessen, daß die Kettenreaktion dann abgebrochen wird.

Diese Betriebsweise ist somit vollständig unabhängig von jeglicher äußeren Energiequelle.

Für den Fachmann ergeben sich die verschiedensten Abwandlungsmöglichkeiten. Eine solche Abwandlungsmöglichkeit ist in den F i g. 5, 6 und 7 dargestellt. Man erkennt dort eine für Notfälle wirksame Abschaltstabeinheit 65 nach der Erfindung. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform unter Hinzusetzung eines Fußzeichens. Das Führungsrohr 17' bei dieser abgeänderten Ausführungsform sieht keine Führungsnuten vor und endet nächst dem Rost. Dort stößt es auf ein Auflager 67 auf. Das Aufhängerohr 19' reicht erheblich über das obere Ende der Spaltzone hinaus und kann deshalb einen wesentlich längeren Abschaltstab 32' über dem Niveau ,4 des spaltbaren Materials aufnehmen.

In der modifizierten Ausführungsform tritt auch bei bestimmten Temperaturwerten ein Schmelzen der Lötlegierung 63' ein, so daß der Abschaltstab 32' herabfällt, bis er den Boden des Führungsrohres 17' berührt. In dieser seiner unteren Stellung erstreckt sich der Abschaltstab 32' im wesentlichen über die Höhe des in den Brennstoffstäben 13' der Spaltzone 11' enthaltenen spaltbaren Materials. Es wird also eine größere Menge an Neutronen absorbierenden Stoffen in die Spaltzone eingeführt und die Zahl der notwendigen Abschaltstäbe 32' vermindert sich.

Am Orte der schmelzenden Lötlegierung kann auch eine künstliche Beheizung vorgesehen sein, die von einer Stelle außerhalb des Kernreaktors au^von Hand eingeschaltet werden kann, um die Lötlegierung zum Schmelzen zu bringen und den Abschältstab in die Spaltzone einfallen zu lassen. Beispielsweise kann man die Aufhängespitze mit einer elektrischen Wider-Standsbeheizung umwickeln.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor mit einem durch Neutronen spaltbaren Material und mit wenigstens einem über dem spaltbaren Material der Spaltzone mittels einer Aufhängevorrichtung aufgehängten Neutronen absorbierenden Element, bei dem die Aufhängevorrichtung mindestens zum Teil aus einer bei Normaltemperatur festen wärmeempfindlichen Substanz besteht, die bei der Normaltemperatur eine das Gewicht des Neutronen absorbierenden Elements aufnehmende Tragkraft aufweist, bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur jedoch das Neutronen absorbierende Element auf das Niveau des spaltbaren Materials in der Spaltzone hinabfallen läßt, d a d u r c h ge kennzeichnet, daß die Substanz (63^'einen bei der vorbestimmten Temperatur liegenden Schmelzpunkt aufweist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronen absorbierende Element (32) stabförmig ausgebildet ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronen absorbierende Element (32) und die Aufhängevorrichtung in einem vertikalen in die Spaltzone (11) führenden Kanal untergebracht sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vertikalen Kanal ein Führungsrohr (17) untergebracht ist, das sich von einer Stelle innerhalb der Spaltzone (11) bis zu einer Stelle über dem Niveau (^4) des spaltbaren Materials erstreckt, und daß das Neutronen ab-

sorbierende Element (32) in dem Führungsrohr (17) in seiner vertikalen Bewegbarkeit beschränkt geführt ist.

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronen absorbierende Element (32) eine zentrale Tragstange (31) sowie um diese Tragstange (31) herum und koaxial zu dieser angeordnet neutronenabsorbierende Massen (39) aufweist und daß "am unteren Ende der Tragstange (31) ein Führungsstück (47) mit radial abstehenden Rippen (51)

angeordnet ist, welche in entsprechende Nuten (25) des Führungsrohrs (17) gleitend eingreifen.

6. Kernreaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Führungsrohrs (17) ein weiteres Neutronen absorbierendes Element (23) untergebracht ist, welches zwischen einer Stellung unterhalb der Spaltzone (11) und einer Stellung innerhalb der Spaltzone (11) verstellbar ist und dessen jeweilige Stellung die mögliche Falltiefe des erstgenannten Neutronen absorbierenden Elements (32) bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen f.

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