DE1539980C

DE1539980C - Device for switching off core realctors

Info

Publication number: DE1539980C
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gerhard 7501 Leopolds'hafen Schmidt
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ab- Im normalen Betriebszustand wird auf Grund der schalten von Kernreaktoren, bestehend aus einem Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in einer stabförmigen, vertikal angeordneten, neutronenabsor- derartigen Engstelle ein Unterdruck erzeugt, der, auf bierenden Sicherheitselement, das im Normalbetrieb den Hohlraum übertragen, das Sicherheitselement durch eine Kühlmittelströmung gegen eine oberhalb 5 gegen seine Auflage zieht. Die Größe des Unterdes Reaktorkerns angeordnete Auflagefläche ange- drucks und damit die Haltekraft hängt dabei sehr preßt ist und das bei Absinken der Kühlmittelströ- stark von der Strömungsgeschwindigkeit, d. h. also mung unter einen vorgegebenen Wert von dieser von dem Kühlmitteldurchsatz, in dem betreffenden Auflagefläche ab- und in den Reaktorkern hinein- mit dem Hohlraum strömungsmäßig verbundenen fällt. ίο Kanal ab.The invention relates to a device for in the normal operating state is due to the switch of nuclear reactors, consisting of a flow rate of the coolant in a rod-shaped, vertically arranged, neutronenabsor- such constriction generates a negative pressure which, on Bieren security element that transmit the cavity during normal operation, the security element by a coolant flow against one above 5 against its support. The size of the base Reactor core arranged contact surface and thus the holding force depends very much is pressing and when the coolant flow drops, this depends greatly on the flow velocity, i. H. so mung below a predetermined value of this from the coolant flow rate in the relevant Support surface from and into the reactor core into fluid communication with the cavity falls. ίο channel off.

Kernreaktoren sind häufig außer mit der normalen Bei Unterschreiten eines bestimmten Kühlmittel-Regel- und Abschalteinrichtung mit einem zusatz- durchsatzes wird die Haltekraft so gering, daß das liehen Sicherheitssystem ausgestattet, das bei Gefah- Sicherheitselement auf Grund seines Eigengewichts renmomenten den Reaktor abschaltet, um eine Be- oder anderer äußerer Kräfte sich von seiner Aufschädigung der Anlage oder einzelner Anlageteile zu 15 lagefläche loslöst, worauf der Unterdruck in dem vermeiden. Hohlraum sofort zusammenbricht. Das Sicherheits-Nuclear reactors are often except with the normal When falling below a certain coolant regulation- and shutdown device with an additional throughput, the holding force is so low that the borrowed safety system equipped, the danger safety element due to its own weight renmomenten the reactor shuts down in order to prevent or other external forces from its damage of the system or individual parts of the system to 15 position area, whereupon the negative pressure in the avoid. Cavity collapses immediately. The security

Man kann zu diesem Zweck entweder besondere element kann dabei im Gegensatz zu den bekanntenOne can use either special element for this purpose in contrast to the known ones

Sicherheitsstäbe verwenden oder z. B. die normalen Einrichtungen so gestaltet sein, daß es während desUse safety bars or z. B. the normal facilities be designed so that it is during the

Regel- und Abschaltstäbe so ausbilden, daß damit Herabfallens dem Kühlmittel in dem ReaktorkernForm control and shutdown rods so that the coolant falls into the reactor core

auch eine Schnellabschaltung ermöglich wird. Es ist ao einen möglichst geringen Strömungswiderstand ent-a quick shutdown is also possible. A flow resistance that is as low as possible is required.

auch möglich, durch eine Lagevefschiebung von gegensetzt und daher ein sehr schnelles Abschaltenalso possible by shifting the position of the opposite and therefore a very fast shutdown

Brennelementen bzw. Brutelementen eine Reaktivi- des Reaktors bewirkt.Fuel elements or breeding elements cause a reactivating reactor.

tätsänderung zu erzielen, die zur Abschaltung des Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, Reaktors führt. Sicherheitselemente können daher daß das Sicherheitselement nur aus dem Reaktorsowohl Regel- und Abschaltstäbe als auch Brenn- 35 kern herausgezogen werden kann, d. h. also der Restoff- und Brutstoffelemente bzw. Elementbündel aktor nur in Betrieb gesetzt werden kann, wenn in sein, die jedoch dann im Gegensatz zu ersteren zum dem zu überwachenden Kühlmittelkanal eine vorge-Abschalten des Reaktors aus dem Reaktorkern her- gebene Mindestmenge an Kühlmittel durchgesetzt ausbewegt werden. wird. Der Vollständigkeit halber sei darauf hinge-A further advantage of the invention is that Reactor leads. Security elements can therefore be removed from the reactor only Control and shut-off rods as well as the burner core can be pulled out, d. H. so the residual and fertile elements or element bundle actuator can only be put into operation if in However, in contrast to the former, the coolant channel to be monitored then has a pre-shutdown of the reactor, the minimum amount of coolant obtained from the reactor core is enforced be moved out. will. For the sake of completeness,

Es ist bekannt, ein neutronenabsorbierendes 30 wiesen, daß der eventuell störende Einfluß der durchIt is known, a neutron absorbing 30 showed that the possibly disturbing influence of

Sicherheitselement als Schwebekörper auszubilden, den Kühlmitteldruckverlust infolge von ReibungTo design the safety element as a float, the coolant pressure loss due to friction

der im' Normalbetrieb durch eine vertikal von unten selbst hervorgerufenen Kräfte durch eine bekanntethat in 'normal operation by a vertical self-induced forces by a known

nach oben gerichtete, der Kühlmittelströmung durch hydraulische Druckentlastung vermieden werdenupward, the coolant flow can be avoided by hydraulic pressure relief

die Brennelementkanäle parallele Kühlmittelströ- kann.the fuel assembly channels parallel coolant flow can.

mung angehoben und gegen einen Anschlag ober- 35 Sind mehrere Sicherheitselemente vorgesehen, so35 If several safety elements are provided, so

halb des Reaktorkerns gedrückt wird (britische Pa- können die zugehörigen Hohlräume auch unterein-half of the reactor core is pressed (British pa- the associated cavities can also be

tentschrift 969 089). ander verbunden sein. Es ist möglich, einen der-publication 969 089). be connected to each other. It is possible to have one of the

Es ist weiterhin bekannt, das Sicherheitselement artigen Hohlraum sowohl mit einer Engstelle imIt is also known that the security element-like cavity both with a constriction in the

an einem Schwebekörper aufzuhängen, dessen Kühlmittelkanal des Sicherheitselements als auch mitto hang on a float, its coolant channel of the security element as well as

Höhenlage von der Strömungsgeschwindigkeit des 40 einer Engstelle an den Kühlmittelkanälen der Brenn-Altitude of the flow velocity of the 40 a bottleneck in the coolant channels of the combustion

Kühlmittels abhängt (britische Patentschrift 992 482). elemente zu verbinden.Coolant depends (British Patent 992 482). connect elements.

Bei beiden Einrichtungen wird ein schnelles Ein- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist dieIn both devices, a rapid on-After a development of the invention is the

tauchen des Sicherheitselements in den Reaktorkern Verbindung des unter Unterdruck stehenden Hohl-immersion of the security element in the reactor core connection of the hollow under pressure

— und damit auch ein schnelles Abschalten des Re- raums mit den Brennelementkanälen durch eine ther-- and thus also a quick shutdown of the clean room with the fuel assembly channels through a thermal

aktors — durch den Strömungswiderstand, den der 45 mische Sperre unterbrochen. Bei Überschreiten eineraktors - by the flow resistance that the 45 mix lock interrupted. If a

Schwebekörper dem Kühlmittel entgegensetzt, er- vorgegebenen Temperatur des Kühlmittels wird dieIf the float is opposed to the coolant, the specified temperature of the coolant becomes the

schwert. Sperre, z. B. ein eingelöteter Einsatz, aufgelöst, wor-sword. Lock, e.g. B. a soldered insert, dissolved, wor-

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Sicherheits- auf der Unterdruck in dem Hohlraum zusammen-The invention has for its object to combine a safety on the negative pressure in the cavity

einrichtung für Kernreaktoren zu schaffen, die ein bricht, so daß sich das Sicherheitselement von demTo create a facility for nuclear reactors that collapse, so that the safety element is separated from the

schnelles Abschalten des Reaktors ohne Verzöge- 50 Halterohr löst.rapid shutdown of the reactor without delay 50 holding tube released.

rung durch größere Strömungswiderstände gestattet An sich sind thermische Sperren zum Abschaltention permitted through greater flow resistances

und die eine Inbetriebnahme des Reaktors nur dann von Reaktoren bekannt (USA.-Patent 3115 453).and the commissioning of the reactor is only known from reactors (USA patent 3115 453).

zuläßt, wenn jeder zu überwachende Kühlmittelkanal Diese Sperren werden jedoch nur aufgelöst, wennallows if each coolant channel to be monitored. However, these locks are only released if

von einer vorgegebenen Mindestmenge an Kühlmittel die Temperatur des das Absorberelement durchströ-of a predetermined minimum amount of coolant the temperature of the absorber element flowing through

durchströmt wird. 55 menden Kühlmittels einen bestimmten Wert über-is flowed through. 55 passing coolant exceeds a certain value.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsge- schreitet. Demgegenüber ermöglicht die Erfindung maß darin, daß als Auflagefläche für das Sicherheits- auf einfache Weise die Überwachung der Kühlmittelelement die untere Stirnseite eines in einer Tragein- temperatur in den einzelnen Brennelementkühlrichtung befestigten Halterohrs vorgesehen ist, an die kanälen, wo erfahrungsgemäß am ehesten unzuläseine zugeordnete Auflagefläche am Kopfende des 60 sige Überhitzungen auftreten können.
Sicherheitselements dichtend zu liegen kommt, und Um die Druckverluste des Kühlmittels gering zu daß der so von Halterohr und Kopf des Sicherheits- halten, ist die Kanalverengung strömungsgünstig, z. B. elements gebildete Hohlraum mit einem den Re- nach Art einer Doppelventuridüse geformt. Die Ströaktorkern durchsetzenden Kühlmittelkanal in Höhe mungsgeschwindigkeit kann durch Variation des einer den statischen Druck in diesem Hohlraum ge- 65 freien Strömungsquerschnittes mit Hilfe eines in Strögenüber dem von außen auf das Sicherheitselement mungsrichtung verschiebbaren Leitkörpers im Bewirksamen Kühlmitteldruck herabsetzenden Kanal- reich der Verengung auf einen gewünschten Wert engstelle strömungsmäßig verbunden ist. eingestellt werden, um bei entsprechend der Reaktor-The solution to this problem is stepped according to the invention. In contrast, the invention makes it possible that the lower end face of a holding tube fastened in a support temperature in the individual fuel element cooling direction is provided as a support surface for the safety element in a simple way to monitor the coolant element, to the channels where experience has shown that an associated support surface is most likely inadmissible overheating can occur at the head of the 60 sige.
The safety element comes to lie in a sealing manner, and in order to keep the pressure loss of the coolant low so that the holding tube and head of the safety element are held in place, the narrowing of the duct is fluid, e.g. B. elements formed cavity with a Re- shaped like a double venturi nozzle. The coolant duct penetrating the flow actuator core can be adjusted to a desired value by varying the flow cross-section that is free of the static pressure in this cavity with the aid of a duct area of the constriction, which can be displaced in flows over the flow direction from the outside onto the safety element, in the effective coolant pressure constriction is fluidly connected. can be set to be used in accordance with the reactor

leistung variierenden Kühlmitteldurchsätzen den Unterdruck in dem Hohlraum und damit die Haltekraft konstant halten zu können.performance varying coolant flow rates the negative pressure in the cavity and thus the holding force to be able to keep constant.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert: Es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to the drawings: It shows

F i g. 1 eine Sicherheitsvorrichtung zum" Abschalten von Kernreaktoren schematisch im Längsschnitt in Verbindung mit einem Brennelement,F i g. 1 a safety device for "switching off of nuclear reactors schematically in longitudinal section in connection with a fuel assembly,

F i g. 2 den mit einer thermischen Sperre ver-• sehenen Kanal des Brennelements nach F i g. 1,F i g. 2 the channel of the fuel assembly provided with a thermal barrier according to FIG. 1,

Fig. 3 den Kanal des Brennelements nach Fig. 1 mit einem Kugelventil.FIG. 3 shows the channel of the fuel assembly according to FIG. 1 with a ball valve.

In Fig. 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 Kopfstück 4 α 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 ? miteinander verbunden sind. Oberhalb des Spalts 9 ist in dem Halterohr, in dem die Kühlmittelströmung nach oben fortgesetzt wird, ein Diffusor 3 a eingesetzt. Das Kopfstück 4 a ist als Greifpilz ausgebildet und z. B. in die Austrittsöffnung des Sicherheitselements 1 eingelötet. Ein in Strömungsrichtung verschiebbarer Leitkörper 10 zur Veränderung des freien Strömungsquerschnitts im Bereich der Kanalverengung 7 ist in dem Halterohr 3 gelagert. Der Hohlraum 8 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 k 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 Hohlräume bzw. den Kanalverengungen7 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 Sicherheits- ! element 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.In Fig. 1 the arrangement of a security element 1 and a fuel element 2 is shown in the crevice zone of a nuclear reactor. The end of the security element 1 facing the holding tube 3 has a head piece 4 α and an outer holding ring 4 b set back from this. Holding tube 3, head piece 4 a and holding ring 4 b are shaped so that when the end face 5 of the holding ring 4 b comes into contact with the lower end face 6 of the holding tube 3, they form a channel constriction 7 and a cavity 8, which through an annular gap? are connected to each other. Above the gap 9, a diffuser 3 a is used in the holding tube in which the coolant flow is continued upwards. The head piece 4 a is designed as a mushroom grip and z. B. soldered into the outlet opening of the security element 1. A guide body 10, which can be displaced in the direction of flow, for changing the free flow cross section in the region of the channel constriction 7 is mounted in the holding tube 3. The cavity 8 is connected via lateral openings 11 to an intermediate space 12 which is formed by two horizontal plates 13 and 14 that are kept at a distance. These plates each have two holes assigned to one another, through which the holding tubes 3 for the security elements 1 and the nozzles 15 for the fuel elements 2 protrude. In the region of its narrowest cross section 16, the nozzle 15 is connected to the intermediate space 12 via openings 17. Your free flow cross section can be adjusted with a guide body 26. The holding tube 3 and the nozzle 15 are sealed against the k plates 13 and 14, so that during normal operation in the space 12 formed by these plates the same static pressure prevails as in the cavities or the channel constrictions 7 and 16 of the safety element 1 or the channel 19 of the fuel assembly 2 falls below a predetermined coolant throughput, the pressure at the channel constrictions 7 or 16 rises. This pressure increase is the safety! Element 1 is transferred to the cavity 8 via the annular gap 9 and, in the case of the fuel element 2, via the openings 17 and the intermediate space 12, so that the holding force on the security element decreases.

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.If the holding force is so low that it can counteract the opposing forces acting on the security element, e.g. B. its own weight, can no longer keep the balance, the retaining ring will detach itself from it Holding tube, and the safety element falls into the reactor core.

In Fig. 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 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 Kugelventil24, 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 EigengewichtIn Fig. 2 an arrangement is shown with the the coolant temperature in the channel 19 of a fuel assembly 2 can be monitored. This is done in the the plates 13 and 14 penetrating upper duct part 15 soldered an insert 21, the solder when exceeded melts through a given temperature. This allows the use z. B. as a result its own weight fall down, so that the coolant from the channel 19 through the side opening 17 of the upper part 15 flows into the space 12. This process also has a breakdown of the negative pressure in the intermediate space or the cavity 8 and thus a detachment of the security element 1 from the holding tube 3. In Fig. 3 is a further variant of the safety device for monitoring the coolant throughput shown in a fuel channel. This is where the total pressure of the coolant acts a valve, e.g. is also connected to the cavity 8 of the security element 1. During normal operation, the Coolant pressure the valve in the closed position; If this pressure drops, the valve body rises in in this case a ball by its own weight

ao 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 Drosselkörper 27 kann der Gesamtdruck beeinflußt werden.ao or by spring forces from its seat, so that a pressure equalization between the channel 19 and the Intermediate space 12 or the cavity 8 can take place. With an adjustable throttle body 27 can the total pressure can be influenced.

»5 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.»5 The safety elements can not only be damaged by their own weight, but also due to external forces, such as B. spring forces are shifted relative to the reactor core. Besides that all guide bodies can be coupled with one another so that they can be operated with only one drive at the same time are adjustable. As a result, the response sensitivity and the functional reliability of the whole System to be improved.

Claims

Patent claims:

1. Device for switching off nuclear reactors, consisting of a rod-shaped, vertically arranged, neutron-absorbing safety element which, in normal operation, is pressed by a coolant flow against a support surface arranged above the reactor core and which drops from this support surface when the coolant flow drops below the predetermined value falls into the reactor core, characterized in that the lower end face (6) of a holding tube (3) fastened in a support device (13, 14) is provided as the bearing surface, to which an associated bearing surface (S) at the head end of the safety element (1) forms a seal comes to rest, and that the cavity (8) formed by the holding tube (3) and head of the security element with a coolant duct (18 or 19) penetrating the reactor core at the level of the static pressure in this cavity compared to that from the outside on the security element (1) Effective coolant pressure reducing channel constriction e (7 or 16) is fluidly connected.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the top and bottom open security element (1) as the reactor core penetrating coolant channel (18) is internally traversed by the coolant and at its head end (4 a) has the channel constriction (7) that the on the holding tube (3) bearing surface (5) of the security element (1) is attached to an outer collar (4 b) set back from the head end (4 a) and that between a diffuser (3 a)

in the holding tube (3), in which the Kiihlmittelströmung continues upward, and the head end (4 a), a gap (9) is present.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the coolant channels S (19) of the fuel assemblies (2) have a constriction (16) at their upper end (15), the lateral openings (17) with lateral openings (11) in the holding tube (3) in flow connection stand.

4. Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the openings (17) in the upper part (15) of the fuel element cooling channels (19) and the openings (11) in the holding tube (3) in a space (12) open, the two horizontal, spaced, upper part (15) and holding tube (3) tight enclosing support plates (13, 14) is formed.

5. Device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that ao the channel constrictions (7 or 16) are designed in a streamlined manner in the manner of double venturi nozzles and the free flow cross-sections in these areas are adjustable with axially displaceable guide bodies (10 or 26) are.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the guide bodies are coupled to one another are.

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that the intermediate space (12) penetrating, lateral openings (17) having upper part (15) of the fuel element cooling channel (19) a tubular insert (21) which is open at the top and bottom and which has a predetermined temperature melting solder is soldered.

8. Apparatus according to claim 4, characterized in that the fuel element cooling channel (19) is in communication with the cavity (8) via a line (25), this being the channel wall penetrating end of the line (25) opposite to the direction of flow of the coolant and a pressure-sensitive valve (24), which during normal operation by the coolant pressure is held in the closed position.

1 sheet of drawings