DE1539980B1 - Vorrichtung zum Abschalten von Kernreaktoren - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschalten von Kernreaktoren, bestehend aus einem stabförmigen, vertikal angeordneten, neutronenabsorbierenden Sicherheitselement, das im Normalbetrieb durch eine Kühlmittelströmung gegen eine oberhalb des Reaktorkerns angeordnete Auflagefläche angepreßt ist und das bei Absinken der Kühlmittelströmung unter einen vorgegebenen Wert von dieser Auflagefläche ab- und in den Reaktorkern hineinfällt.
• Kernreaktoren sind häufig außer mit der normalen Regel- und Abschalteinrichtung mit einem zusätzlichen Sicherheitssystem ausgestattet, das bei Gefahrenmomenten den Reaktor abschaltet, um eine Beschädigung der Anlage oder einzelner Anlageteile zu vermeiden.
• Man kann zu diesem Zweck entweder besondere Sicherheitsstäbe verwenden oder z. B. die normalen Regel- und Abschaltstäbe so ausbilden, daß damit auch eine Schnellabschaltung ermöglich wird. Es ist auch möglich, durch eine Lageverschiebung von Brennelenienten bzw. Bratelementen eine Reaktivitätsänderuno, zu erzielen, die zur Abschaltung des Reaktors führt. Sicherheitselemente können daher sowohl Regel- und Abschaltstäbe als auch Brennstoff- und Brutstoffelemente bzw. Elementbündel sein, die jedoch dann im Gegensatz zu ersteren zum Abschalten des Reaktors aus dem Reaktorkern herausbewegt werden.
• Es ist bekannt, ein neutronenabsorbierendes Sicherheitselement als Schwebekörper auszubilden, der im Normalbetrieb durch eine vertikal von unten nach oben gerichtete, der Kühlmittelströmung durch die Brennelementkanäle parallele Kühlmittelströmung angehoben und gegen einen Anschlag oberhalb des Reaktorkerns gedrückt wird (britische Patentschrift 969 089).
• Es ist weiterhin bekannt, das Sicherheitselement an einem Schwebekörper aufzuhängen, dessen Höhenlage von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels abhängt (britische Patentschrift 992 482).
• Bei beiden Einrichtungen wird ein schnelles Eintauchen des Sicherheitselements in den Reaktorkern - und damit auch ein schnelles Abschalten des Reaktors - durch den Strömungswiderstand, den der Schwebekörper dem Kühlmittel entgegensetzt, erschwert.
• Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Sicherheitseinrichtung für Kernreaktoren zu schaffen, die ein schnelles Abschalten des Reaktors ohne Verzögerung durch größere Strömungswiderstände gestattet und die eine Inbetriebnahnie des Reaktors nur dann zuläßt, wenn jeder zu überwachende Kühlmittelkanal von einer vorgegebenen Mindestmenge an Kühlmittel durchströmt wird.
• Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß als Auflagefläche für das Sicherheitselement die untere Stirnseite eines in einer Trageinrichtung befestigten Halterohrs vorgesehen ist, an die eine zugeordnete Auflagefläche am Kopfende des Sicherheitselements dichtend zu liegen kommt, und daß der so von Halterohr und Kopf des Sicherheitselements gebildete Hohlraum mit einem den Reaktorkern durchsetzenden Kühlmittelkanal in Höhe einer den statischen Druck in diesem Hohlraum gegenüber dem von außen auf das Sicherheitselement wirksamen Kühlmitteldruck herabsetzenden Kanalengstelle strömungsmäßig verbunden ist.
• t2 Im normalen Betriebszustand wird auf Grund der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in einer derartigen Engstelle ein Unterdruck erzeugt, der, auf den Hohlraum übertragen, das Sicherheitselement gegen seine Auflage zieht. Die Größe des Unterdrucks und damit die Haltekraft hängt dabei sehr stark von der Strömungsgeschwindigkeit, d. h. also von dem Kühlmitteldurchsatz, in dem betreffenden mit dem Hohlraum strömungsmäßig verbundenen Kanal ab.
• Bei Unterschreiten eines bestimmten Kühlmitteldurchsatzes wird die Haltekraft so gering, daß das Sicherheitselement auf Grund seines Eigengewichts oder anderer äußerer Kräfte sich von seiner Auflaggefläche loslöst, worauf der Unterdruck in dem Hohlraum sofort zusammenbricht. Das Sicherheitselement kann dabei im Ge-ensatz zu den bekannten Einrichtungen so gestaltet sein, daß es während des Herabfallens dem Kühlmittel in dem Reaktorkern einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzt und daher ein sehr schnelles Abschalten des Reaktors bewirkt.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Sicherheitselement nur aus dem Reaktorkern herausgezogen werden kann, d. h. also der Reaktor nur in Betrieb gesetzt werden kann, wenn in dem zu überwachenden KühMttelkanal eine vorgegebene Mindestmenge an Kühlmittel durchgesetzt wird. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß der eventuell störende Einfluß der durch den Kühlmitteldruckverlust infolge von Reibung selbst hervorgerufenen Kräfte durch eine bekannte hydraulische Druckentlastung vermieden werden kann.
• Sind mehrere Sicherheitselemente vorgesehen, so können die zugehörigen Hohlräume auch untereinander verbunden sein. Es ist möglich, einen derartigen Hohlraum sowohl mit einer Engstelle im Kühlmittelkanal des Sicherheitselements als auch mit einer Engstelle an den Kühlmittelkanälen der Brennelemente zu verbinden.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Verbindung des unter Unterdruck stehenden Hohlraums mit den Brennelementkanälen durch eine thermische Sperre unterbrochen. Bei überschreiten einer vorgegebenen Temperatur des Kühlmittels wird die Sperre, z. B. ein eingelöteter Einsatz, aufgelöst, worauf der Unterdruck in dem Hohlraum zusammenbricht, so daß sich das Sicherheitselement von dem Halterohr löst.
• An sich sind thermische Sperren zum Abschalten von Reaktoren bekannt (USA.-Patent 3 115 453). Diese Sperren werden jedoch nur aufgelöst, wenn die Temperatur des das Absorberelement durchströmenden Kühlmittels einen bestimmten Wert überschreitet. Demgegenüber ermöglicht die Erfindung auf einfache Weise die überwachung der Kühlmitteltemperatur in den einzelnen Brennelementkühlkanälen, wo erfahrungsgemäß am ehesten unzulässige Überhitzungen auftreten können.
• Um die Druckverluste des Kühlmittels gering zu halten, ist die Kanalverengung strömungsgünstigg, z. B. nach Art einer Doppelventuridüse geformt. Die Strömungsgeschwindigkeit kann durch Variation des freien Strömungsquerschnittes mit Hilfe eines in Strömungsrichtung verschiebbaren Leitkörpers im Bereich der Verengung auf einen gewünschten Wert C eingestellt werden, um bei entsprechend der Reaktor-C, leistung variierenden Kühlmitteldurchsätzen den Unterdruck in dem Hohlraum und damit die Haltekraft konstant halten zu können.
• Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert: Es zeigt F i g. 1 eine Sicherheitsvorrichtung zum Abschalten von Kernreaktoren schematisch im Längsschnitt in Verbindung mit einem Brennelement, F i g. 2 den mit einer thermischen Sperre versehenen Kanal des Brennelements nach F i g. 1, F i g. 3 den Kanal des Brennelements nach F i g. 1 mit einem Kugelventil.
• In F ig. 1 ist die Anordnung eines Sicherheitselements 1 und eines Brennelements 2 in der Spaltzone eines Kernreaktors dargestellt. Das dem Halterohr 3 zugewandte Ende des Sicherheitselements 1 weist ein Kopfstück4a und einen äußeren, von diesem zurückversetzten Haltering 4 b auf. Halterohr 3, Kopfstück 4 a und Haltering 4 b sind so geformt, daß sie bei Berührung der Stirnfläche 5 des Halterings 4 b mit der unteren Stirnfläche 6 des Halterohrs 3 eine Kanalverengung 7 und einen Hohlraum 8 bilden, die durch einen Ringspalt 9 miteinander verbunden sind. Oberhalb des Spalts 9 ist in dem Halterohr, in dem die Kühlmittelströmung nach oben fortgesetzt wird, ein Diffusor3a eingesetzt. Das Kopfstück4a ist als Greifpilz ausgebildet und z.B. in die Austrittsöffnung des Sicherheitselementsl eingelötet. Ein in Strömungsrichtung verschiebbarer Leitkörper 10 zur Veränderung des freien Strömungsquerschnitts im Bereich der Kanalverengung 7 ist in dem Halterohr 3 gelagert. Der Hohlraum8 ist über seitliche öffnungen 11 mit einem Zwischenraum 12 verbunden, der von zwei waagerechten, in Abstand gehaltenen Platten 13 und 14 gebildet wird. Diese Platten weisen je zwei einander zugeordnete Bohrungen auf, durch die die Halterohre 3 für die Sicherheitselemente 1 bzw. die Düsen 15 für die Brennelemente 2 hindurchragen. Die Düse 15 steht im Bereich ihres engsten Querschnitts 16 über öffnungen 17 mit dem Zwischenraum 12 in Verbindung. Ihr freier Strömungsquerschnit ist mit einem Leitkörper 26 verstellbar. Das Halterohr 3 und die Düse 15 sind gegenüber den Platten 13 und 14 abgedichtet, so daß bei normalem Betrieb in dem von diesen Platten gebildeten Zwischenraum 12 derselbe statische Druck herrscht wie in dem Hohlraum 8 bzw. den Kanalverengungen 7 und 16. Wird in dem Kanal 18 des Sicherheitselements 1 bzw. dem Kanal 19 des Brennelements 2 ein vorgegebener Kühlmitteldurchsatz unterschritten, so steigt der Druck an den Kanalverengungen 7 bzw. 16 an. Dieser Druckanstieg wird bei dem Sicherheitselement 1 über den Ringspalt 9 und bei dem Brennelement 2 über die öffnungen 17 und den Zwischenraum 12 auf den Hohlraum 8 übertragen, so daß die Haltekraft an dem Sicherheitselement sinkt.
• Wird die Haltekraft so gering, daß sie den an dem Sicherheitselement angreifenden Gegenkräften, z. B. dem Eigengewicht, nicht mehr das Gleichgewicht halten kann, so löst sich der Haltering von dem Halterohr, und das Sicherheitselement fällt in den Reaktorkern hinein.
• In F i g. 2 ist eine Anordnung dargestellt, mit der sich die Kühlmitteltemperatur im Kanal 19 eines Brennelements 2 überwachen läßt. Hierzu ist in den die Platten 13 und 14 durchdringenden Kanaloberteil 15 ein Einsatz 21 eingelötet, dessen Lot bei überschreiten einer vorgegebenen Temperatur durchschmilzt. Dadurch kann der Einsatz z. B. infolge seines Eigengewichts nach unten fallen, so daß das Kühlmittel aus dem Kanal 19 durch die seitliche öffnung 17 des Oberteils 15 in den Zwischenraum 12 einströmt. Dieser Vorgang hat ebenfalls ein Zusammenbrechen des Unterdrucks in dem Zwischenraum 12 bzw. dem Hohlraum 8 und damit ein Lösen des Sicherheitselements 1 von dem Halterohr 3 zur Folge.
• In F i g. 3 ist eine weitere Variante der Sicherheitsvorrichtung zur überwachung des Kühlmitteldurchsatzes in einem Brennelementkanal dargestellt. In diesem wirkt der Gesamtdruck des Kühlmittels auf ein Ventil, z. B. ein Kugelventil 24, das über eine Leitung 25 mit dem Zwischenraum 12 und dadurch auch mit dem Hohlraum 8 des Sicherheitselements 1 in Verbindung steht. Bei Normalbetrieb hält der Kühlmitteldruck das Ventil in Schließstellung; sinkt dieser Druck ab, so hebt sich der Ventilkörper, in diesem Fall eine Kugel, durch sein Eigengewicht oder durch Federkräfte von seinem Sitz ab, so daß ein Druckausgleich zwischen dem Kanal 19 und dem Zwischenraum 12 bzw. dem Hohlraum 8 stattfinden kann. Mit einem verstellbaren Drosselkörper27 kann der Gesamtdruck beeinflußt werden.
• Die Sicherheitselemente können nicht nur durch ihr Eigengewicht, sondern auch auf Grund von äußeren Kräften, wie z. B. Federkräften, gegenüber dem Reaktorkern verschoben werden. Außerdem können alle Leitkörper miteinander gekoppelt werden, so daß sie gleichzeitig mit nur einem Antrieb verstellbar sind. Dadurch kann die Ansprech empfindlichkeit und die Funktionssicherheit des gesamten Systems verbessert werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche-1. Vorrichtung zum Abschalten von Kernreaktoren, bestehend aus einem stabförmigen, vertikal angeordneten, neutronenabsorbierenden Sicherheitselement, das im Normalbetrieb durch eine Kühlmittelströmung gegen eine oberhalb des Reaktorkerns angeordnete Auflagefläche angepreßt ist und das bei Absinken der Kühlmittelströmung unter einen vorgegebenen Wert von dieser Auflagefläche ab- und in den Reaktorkern hineinfällt, dadurch gekennzeichnet, daß als Auflagefläche die untere Stirnseite(6) eines in einer Trageinrichtung (13, 14) befestigten Halterohrs (3) vorgesehen ist, an die eine zugeordnete Auflagefläche (5) am Kopfende des Sicherheitselements (1) dichtend zu liegen kommt, und daß der so von Halterohr (3) und Kopf des Sicherheitselements gebildete Hohlraum (8) mit einem den Reaktorkern durchsetzenden Kühlmittelkanal (18 bzw. 19) in Höhe einer den statischen Druck in diesem Hohlraum gegenüber dem von außen auf das Sicherheitselement (1) wirksamen Kühlmitteldruck herabsetzenden Kanalengstelle (7 bzw. 16) strömungsmäßig verbunden ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oben und unten offene Sicherheitselement (1) als den Reaktorkern durchsetzender 1%'-ühlmittelkanal (18) innen vom Kühlmittel durchströmt ist und an seinem Kopfende (4 a) die Kanalengstelle (7) aufweist, daß die am Halterohr (3) anliegende Auflagefläche (5) des Sicherheitselements (1) an einem äußeren, vom Kopfende (4 a) zurückversetzten Bund (4 b) angebracht ist und daß zwischen einem Diffusor (3a) im Halterohr (3), in dem die Kühlmittelströmung nach oben fortgesetzt wird, und dem Kopfende (4a) ein Spalt (9) vorhanden ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle, (19) der Brennelemente (2) an ihrem oberen Ende (15) eine Engstelle (16) aufweisen, deren seitliche öffnungen (17) mit seitlichen Öffnungen (11) im Halterohr (3) in strömungsmäßiger Verbindung stehen.
4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (17) im Oberteil (15) der Brennelementkühlkanäle (19) und die öffnungen (11) im Halterohr (3) in einen Zwischenraum (12) münden, der von zwei waagerechten, in Abstand gehaltenen, Oberteil (15) und Halterohr (3) dicht umschheßenden Tragplatten (13, 14) gebildet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalengstellen (7 bzw. 16) strömungsgünstig nach Art von Doppelventuridüsen ausgebildet und die freien Strömungsquerschnitte in diesen Bereichen mit axial verschiebbaren Leitkörpern (10 bzw. 26) verstellbar sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkörper miteinander gekoppelt sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das den Zwischenraum (12) durchsetzende, seitliche öffnungen (17) aufweisende Oberteil (15) des Brennelementkühlkanals (19) ein rohrförmiger, oben und unten offener Einsatz (21) mit einem bei vorgegebener Temperatur schmelzenden Lot eingelötet ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennelementkühlkanal (19) mit dem Hohlraum (8) über eine Leitung (25) in Verbindung steht, wobei das die Kanalwand durchdringende Ende der Leitung (25) der Strömungsrichtung des Kühlmittels entgeg ,engerichtet ist und ein druckempfindliches Ventil (24) aufweist, das bei Normalbetrieb durch den Kühlmitteldruck in Schließstellung gehalten ist.