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Zur Leistungsregelung von Kernreaktoren bedient man sich in fast allen
Fällen neutronenabsorbierender Stoffe, die in gesteuerter Weise in den Reaktorkern
eingeführt werden. Meistens werden zu diesem Zweck sogenannte Absorberstäbe verwendet.
Diese wirken aber nur dann gleichmäßig absorbierend auf den ganzen Reaktorkern,
wenn sie vollständig eingefahren sind. Sind sie nur teilweise eingefahren, so wirken
sie einseitig.
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Im Kern eines Reaktors ist aber von Natur aus die Neutronenflußdichte
und damit die Wärmeerzeugung in der Kernmitte am größten und fällt nach den Rändern
hin ab. Aus thermischen und wirtschaftlichen Gründen wäre eine über das ganze Kernvolumen
gleichmäßige Wärmeerzeugung wünschenswert. Dies wäre aber nur möglich, wenn die
absorbierenden Stoffe sich in gesteuerter Weise in die zentralen Zonen des Reaktorkernes
einbringen ließen.
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Aus der französischen Patentschrift 1258 757 ist in diesem Zusammenhang
eine Einrichtung bekanntgeworden, nach der kugelförmige Absorberkörper über gesonderte
Führungskanäle in den Reaktorkern eingeführt werden. Dabei weisen diese Führungskanäle
jedoch erst nach Durchführung durch den Reaktorkern außerhalb des eigentlichen Druckbehälters
Sperrvorrichtungen auf, durch die die Absorberkugeln in den Kanälen festgehalten
werden. Das bedeutet, daß nicht allein die kritischen Zonen im Reaktorkern mit Absorbermaterial
beaufschlagt werden können, sondern daß der gesamte Kanal auch unterhalb der Zonen
stärksten Neutronenflu-ses mit Absorbermaterial gefüllt ist, so daß sich auch hier
eine unterschiedliche axiale Flußverteilung wie beim Einfahren von festen Steuerstäben
ergibt.
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Die gleichen Nachteile ergeben sich bei einer Regeleinrichtung, wie
sie in der britischen Patentschrift 983 938 beschrieben ist, da diese Einrichtung
im wesentlichen der oben beschriebenen entspricht.
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Zur Vergleichmäßigung des Neutronenflusses ist ferner in der deutschen
Auslegeschrift 1111306 eine Vorrichtung beschrieben, nach der die Rohre für
das Absorbermedium als Rohrschlangen ausgebildet sind, deren Schleifenäste und Krümmungsschenkel
in verschiedenen Bereichen des Reaktorkerns unterschiedliche, der Neutronenflußdichte
in diesen Bereichen angepaßte Abstände voneinander haben. Mit dieser Vorrichtung
ist zwar auch eine gewisse Vergleichmäßigung zu erreichen, eine .direkte Ansteuerung
der kritischen Zonen ist jedoch auch damit nicht zu erreichen.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung
zu schaffen, mit der allein die Zonen stärksten Neutronenflusses mit Absorbermaterial
versorgt werden. Dabei wird ebenfalls von einer Regeleinrichtung nach dem Neutronenabsorptionsprinzip
Gebrauch gemacht, die durch Schwerkraft pneumatisch oder hydraulisch in gesonderten
Führungskanälen innerhalb des Reaktorkerns bewegbare, kugelförmige Absorberkörper
sowie eine Dosiereinrichtung für die Absorberkörper oberhalb des Reaktorkerns verwendet.
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Die Erfindung besteht dabei darin, daß innerhalb der aktiven Zone
des Reaktorkerns an den Führungskanälen Sperrvorrichtungen angeordnet sind, die
die Absorberkörper in den Zonen stärksten Neutronen- i flusses sammeln und die Abgabe
lediglich einzelner Absorberkörper ermöglichen. Durch die Anzahl der Kugeln und
damit auch durch die Länge der Absorberkugelschichtung in der aktiven Zone des Reatorkerns
wird die Reaktivität derart beeinflußt, daß eine gegenüber den bisherigen Verfahren
bessere und symmetrischere Flußverflachung eintritt, wodurch eine möglichst gleichmäßige
Wärmeentbindung in den Kühlkanälen über das gesamte Volumen des Reaktors erreicht
werden kann.
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Die Sperrvorrichtungen für die Absorberkugeln weisen je zwei an den
Enden eines mittig drehbar gelagerten Kipphebels befestigte und in die jeweiligen
Führungskanäle seitlich einfahrbare Schieber auf, die zu keinem Zeitpunkt einen
freien Durchgang der angesammelten Absorberkörper durch die Führungskanäle zulassen.
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Zur besseren Beeinflussung des Neutronenflusses ist es ferner vorteilhaft,
wenn die Führungskanäle spiralig oder wendelförmig im Innern des Reaktorkerns angeordnet
sind und daß die Ganghöhe und der Durchmesser der einzelnen Windungen in Zonen höherer
Neutronenflußdichte derart bemessen ist, daß dort eine erhöhte Menge von Absorberkörpern
untergebracht ist. Außerdem ist es möglich, daß die Führungskanäle die einzelnen
Kühlkanäle wendelförmig umgeben.
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An Hand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise
von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt F i g.
1 den Gesamtaufbau einer Regeleinrichtung, F i g. 2 die wendelförmige Anordnung
der Führungskanäle und F i g. 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen der Sperrvorrichtungen.
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F i g. 1 zeigt schematisch eine mögliche Einrichtung zur Regelung.
Die Regelkanäle 3 erstrecken sich hierbei geradlinig vertikal durch den Reaktorkern
2. Der Einfachheit halber wurde nur ein Regelkanal dargestellt. Die Reaktorkesselwandung
selbst ist mit 1 versinnbildlicht. Die Bewegung der Absorberkugeln 4 erfolgt pneumatisch
oder hydraulisch, wobei jedes beliebig geeignete Gas (z. B. He oder CO,) oder jede
beliebig geeignete Flüssigkeit (z. B. Wässer oder Schmelzen) verwendet werden kann,
desgleichen die Betätigung der Sperrvorrichtung 5 innerhalb des Reaktorkernes.
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Der Ablauf des Verfahrens ist etwa folgender: Im Einfülls'utzen 8
befindet sich eine Anzahl von Absorberkugeln 4, über ein Ventil 9 gelangt eine Anzahl
von ihnen zunächst in eine Bereitschaftsstellung oberhalb des Reaktorkessels 1.
Diese wird ermöglicht durch die beiden elektromagnetisch betätigbaren Schieber 23
und 24. Für das Einfüllen in den Reaktorkern wird zunächst der Schieber 23 geöffnet,
so daß eine begrenzte Zahl von Kugeln in den Zwischenraum zwischen Schieber 23 und
24 gelangen. Sodann wird der Schieber 23 wieder geschlossen, der Schieber 24 geöffnet,
so daß die im Zwischenraum befindlichen Absorberkugeln in den Reaktorkern gelangen.
Dort wird ihre Lage durch das Absperrorgan 5 fixiert. Dieses Absperrorgan 5, für
dessen Konstruktion in den F i g. 3, 4, 5 und 6 einige Beispiele gezeigt sind, besitzt
ebenfalls zwei Sperrkörper 51 und 52, deren Betätigung mechanisch gegeneinander
derart verriegelt ist, daß in keinem Augenblick in dem Regelkanal 3 ein freier Durchgang
für die Kugeln herrscht. Ein solcher Durchgang muß aus Sicherheitsgründen unbedingt
vermieden werden, da eine plötzliche Leistungsexkursion des Reaktors zur Zerstörung
desselben
führen könnte. Zu Beginn des Reaktorbetriebes wird die
Anzahl der Absorberkugeln im Inneren des Reaktorkernes größer sein als nach dem
eingespielten Betrieb, da zunächst eine Kompensation der überschußreaktivität des
Reaktors bis zur Ausbildung der Gleichgewichtsvergiftung notwendig ist. Der mit
dem Aufbau dieser Vergiftung im Inneren des Reaktorkernes notwendige Abbau der Absorbermenge
im Regelkanal 3 erfolgt durch schrittweises Betätigen der Absperrvorrichtung 5,
wobei ähnlich wie bei den elektromagnetisch betätigten Schiebern 23 und
24 jeweils die zwischen den Sperrkörpern 51 und 52 befindlichen Kugeln schrittweise
aus dem Reaktorkessel entlassen werden. Diese sammeln sich dann vor den elektromagnetischen
Schiebern 18 und 19 an, von denen sie wiederum schrittweise in das Förderrohr 21
gelangen. In diesem werden sie von dem aus dem Rohr 22 kommenden Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom
erfaßt und nach oben befördert, wo sie über eine Weiche 10 wiederum in die
Vorratsposition oberhalb der elektromagnetischen Sperrglieder 23 und 24 gelangen.
Der Förderstrom wird dabei durch das Gebläse bzw. die Pumpe 17 erzeugt. Die Weiche
10 ist für jenen Fall vorgesehen, daß radioaktiv gewordene Absorberkörper zunächst
nicht weiterverwendet werden sollen, sie werden dann über die Abklingstrecke 11,
in der sie eine Zeitlang verbleiben, über den ebenfalls elektromagnetischen Schieber
12 einem nicht dargestellten Sammelbehälter zugeführt.
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Das Absperrorgan 5 ist in den F i g. 3 und 4 näher dargestellt, wobei
in F i g. 3 der obere und in F i g. 4 der untere Sperrkörper in den Regelkanal eingefahren
ist. Die Betätigung dieser Einrichtung 5 geschieht nun mit Hilfe eines Druckstoßes.
Zu diesem Zweck ist ein Druckkessel 14 vorgesehen, der über den Kompressor 16 und
die Leitung 20, die mit dem Regelkanal in Verbindung steht, aufgeladen wird. Wird
nun das Magnetventil 13 kurzzeitig betätigt, so gelangt ein Druckstoß auf die Vorratsabsorberkörper
4, pflanzt sich längs der Kugelsäule fort und gelangt gegen den Sperrkörper 51.
Dieser stellt für den Regelkanal eine starke Drosselstelle dar, so daß sich der
Druckstoß ins Innere des Gehäuses 58 fortpflanzt und dort gegen den drehkolbenartig
eingebauten Flügel 54 wirkt. Damit wird gegen den Druck der Feder 57 der untere
Sperrkörper 52 vorgeschoben. Der obere bleibt jedoch noch an Ort und Stelle, da
er an dem drehbaren Arm 55 befestigt ist, der wiederum über eine Feder gelenkig
gegenüber dem drehkolbenartigen Bauteil angeordnet ist. Mit zunehmender Drehung
dieses Bauteiles wird schließlich der Arm 55 unter der Sperrklinke 51 nach unten
gleiten können. In diesem Moment ist aber bereits der Sperrkörper 52 in Sperrstellung
angelangt. Diese Verzögerung der Bewegung des oberen Sperrkörpers 51 ist notwendig,
damit der möglichst volle Strömungsdruck der Druckwelle auf dem Drehkolbenflügel54
lastet, bis die Schaltung durchgeführt ist. Nach diesem Abgleiten der Kugeln 4 bis
zum unteren Sperrkörper 52 dreht sich der drehkolbenartige Flügel 54 nach dem Abklingen
des Druckstoßes infolge der Wirkung der Feder 57 wieder in die Ursprungslage zurück,
wobei der Arm 55 an der Sperrklinke 53 vorbeigleiten kann, da diese z. B. ähnlich
wie die Sperrklinke einer Tür ausgebildet ist. Dadurch werden die beiden nach diesem
Beispiel abgesunkenen Kugeln (s. F i g. 4), freigegeben und können den Reaktorkern
verlassen. Ein erneuter Druckstoß würde eine Wiederholung dieses Vorganges auslösen.
Für den Fall, daß die Vorratssäule der Absorberkugeln 4 oberhalb der magnetischen
Absperrorgane 24 und 23 ein zu großes Strömungshindernis darstellen sollte bzw.
der Druckstoß nicht so hoch wie für diesen Fall notwendig gemacht werden kann, ist
es zweckmäßig, eine geeignete Leitung 25 mit dem Ventil 15 vorzusehen, die unterhalb
dieser Vorratssäule von Absorberkugeln in den Regelkanal einmündet.
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An Stelle des geraden Regelkanals nach dieser Figur kann aber auch
beispielsweise ein schraubenförmiger Regelkanal bzw. eine Anzahl von schraubenförmigen
Regelkanälen entlang von Kühlkanälen des Reaktorkernes gemäß F i g. 2 vorgesehen
sein. Der Regelkanal ist hier mit 31 bezeichnet, er ist um das Kühlkanalrohr
28 herumgewickelt, in dessen Inneren sich Brennelemente 29 befinden. Je nach
Konstruktion der Kühlkanalwandung kann selbstverständlich auch dieser Regelkanal
im Inneren des Kühlkanals angeordnet sein. In diesem Falle wird es zweckmäßig sein,
den Querschnitt des Regelkanals zu verringern, da dadurch sein mechanischer Einbau
sowie seine Wirkung auf Grund der günstigeren Verteilbarkeit, über den Reaktorquerschnitt
gesehen, verbessert werden kann. In der Mittelzone des Kühlrohres, also auch des
Reaktorkernes ist die Ganghöhe bzw. die Steigung der Regelkanals kleiner gehalten,
so daß damit an Zonen stärkeren Neutronenflusses auch mehr absorbierendes Material
zur Verfügung steht. Hier ist es auch ohne Schwierigkeit möglich, die Absperrorgane
für die Kugeln 5 außerhalb des Reaktorkernes anzubringen, da durch die große Ganghöhe
der Regelkanäle außerhalb der Zentralzone des Reaktorkernes nur eine geringfügige
Absorptionswirkung eintritt, deren Einseitigkeit - selbst wenn die Absorberkugeln
die Regelkanäle in der unteren Hälfte des Reaktorkernes ganz ausfüllen - jedoch
praktisch vernachlässigt werden dürfte bzw. auch durch eine entsprechende Ausbildung
des Aufbaues des Reaktorkernes von vornherein ausgeglichen werden kann. Da den Reaktorkern
eine Vielzahl derartiger Regelkanäle gemäß F i g. 1 oder F i g. 2 durchziehen und
der Reaktorkessel möglichst wenig durchbrochen werden sollte, ist es zweckmäßig,
innerhalb des Reaktorkessels eine Verteilereinrichtung z. B. in Gestalt eines mehrwegigen
Ventils anzuordnen, mit deren Hilfe es möglich ist, den jeweils ausgewählten Regelkanal
mit zusätzlichen Absorberkugeln zu versorgen. Nach dem Austritt der Regelkanäle
aus dem Reaktorkern ist eine Zusammenführung zum Austrittsrohr, das zu den magnetischen
Ventilen 18 und 19 führt, möglich. Zur Kühlung der Absorberelemente kann ein Bypaß
zu Ventil 13 vorgesehen werden, der die Einstellung eines entsprechenden
Kühlflusses gestattet.
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Die F i g. 5 zeigt eine Sperreinrichtung 6, die dieselbe Wirkung hat
wie die in den F i g. 3 und 4 dargestellte. Durch eine drehbare Wippe 65 sind die
Sperrkörper 66 und 67 gelenkig verbunden. Der Antrieb erfolgt pneumatisch oder hydraulisch
über die Leitungen 63 und 64, die an die Faltenbälge 61 und 62 angeschlossen sind.
Die Faltenbälge selbst sind wiederum dicht mit den Sperrkörpern 66 bis 67 verbunden.
Ein Druckstoß durch die Leitungen 64 bzw. 63 würde eine Ausdehnung der Faltenbälge
61 bzw. 62 bewirken und damit die Bewegung der Sperrkörper 66 bzw. 67 hervorrufen.
Die Stellung dieser Körper ist dann ebenfalls wieder so, daß in keinem
Augenblick
eine volle Freigabe des Regelkanals 3 möglich ist. Die Durchführung der Sperrkörper
66 bzw. 67 durch die Wandung des Regelkanals braucht dabei nicht gut abgedichtet
zu sein, da bei dem Druckstoß eine absolute Abdichtung nicht erforderlich ist. Selbstverständlich
können die Faltenbälge auch durch kleine Kolben ersetzt werden. Diese stellen jedoch
normalerweise wegen ihres erhöhten Materialbedarfes im Inneren des Reaktorkernes
zu große Neutronenabsorber dar.
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Um einen Begriff von der Größe dieser Einrichtung zu geben, sei erwähnt,
daß bei geradlinigen Rohren der Kugeldurchmesser etwa zwischen 1 und 2 cm liegen
wird. Bei schraubenförmig gebogenen oder angeordneten Regelkanälen ist der Kugeldurchmesser
wesentlich kleiner, er wird nur in der Größenordnung von etwa 2 bis 5 mm liegen.
Dementsprechend sind natürlich auch die Hübe dieser Sperrvorrichtungen verschieden,
die in beiden Fällen grundsätzlich gleich aufgebaut sein können.
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F i g. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit einer derartigen Sperrvorrichtung,
die im Gegensatz zu der Einrichtung nach F i g. 5 nur eine einzige Versorgungsleitung
74 benötigt. Sie besteht aus einer S-förmigen gebogenen Bourdonröhre, wie sie z.
B. aus der Manometertechnik her bekannt ist. An die beiden Enden dieser Röhre 71
sind wieder die beiden Sperrkörper 72 und 73 gelenkig befestigt. Bei Druckgabe streckt
sich das Bourdonrohr und erreicht die gestrichelt gezeichnete Stellung. Damit wird
der obere Sperrkörper 72 eingefahren und der untere, 73, aus dem Regelkanal ausgefahren.
Nach Zurücknahme des Druckes in der Leitung 74 geht die Bourdonröhre auf Grund ihrer
eigenen Federkraft in die Ausgangslage zurück. An dieser Stelle sei eingeflochten,
daß selbstverständlich auch in F i g. 5 der eine Zylinder oder der eine Faltenbalg
durch eine Rückstellfeder ersetzt werden kann.
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Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, daß ganz verschiedenartige
Einrichtungen vorgesehen werden können. Die Entscheidung über die Größe und das
Material der Absorber, die Gestalt der Regelkanäle, also geradlinig oder schraubenförmig
bzw. deren Lage zum Reaktorkern bzw. den Kühlkanälen sowie die Auswahl der unter
Umständen im Strahlungsbereich liegenden Absperrvorrichtungen muß nach der jeweilig
vorliegenden Reaktorkonzeption getroffen werden. In jedem Falle ist es aber mit
Hilfe der kugelförmigen Absorberkörper möglich, die Regelung des Reaktors sozusagen
vom Inneren des Reaktorkernes her durchzuführen und nicht von seiner Randzone aus,
wie es bisher üblich war. Diese Einrichtung ist aber nicht nur zu regeltechnischen
Zwecken geeignet, mit ihr können auch ohne jede Umstellung Reaktorabschaltungen
vorgenommen werden. Es ist nämlich lediglich notwendig, daß beide Magnetschieber
23 und 24 gleichzeitig zusammen mit dem Ventil 13 geöffnet werden, so daß damit
die Regelkanäle im Inneren des Reaktorkernes schlagartig mit Absorberkugeln aufgefüllt
werden. Für diesen Fall hat selbstverständlich auch noch die Verteilereinrichtung
im Inneren des Reaktorkessels eine besondere Schaltstellung, bei der alle Regelkanäle
an die gemeinsame Fülleitung angeschlossen sind.