DE1902678A1 - Antriebsvorrichtung fuer Trimmstaebe in einem Kernreaktor - Google Patents

Description

WESTINGHOUSE Erlangen, den 2 0. JAN 1969

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str.

Pittsburgh, PA, USA

Unser Zeichen: PLA 68/8282 Ms/Hel

Antriebsvorrichtung für Trimmetäte in einem Kernreaktor

Zur Regelung von Kernreaktoren ist ei bekannt, stufenweise einfahrbare feste Neutronenabsorber und im Kühlmittel gelöste Neutronenabsorber zu verwenden. Dabei können die festen Neutronenabsorber in Form von Regtlstäben entweder kreuzförmig oder als einzelne zylindrische Stäbe' ausgebildet und zwischen den Brennelementen oder in der Achse einzelner Brennelemente angeordnet sein; es ist aber auch möglich, mehrere von zu Gruppen zusammengefaßter Regelstäbe - sog. Fingerregelatäbe als eine Einheit in bestimmte Brennelemente einzufahren.

Biese Regelstäbe bestehen im allgemeinen aus einem Material mit hohem Neutroneneinfangquerechnitt und werden von einem Antrieb schrittweise abgesenkt oder gehoben, um somit mehr oder weniger Neutronen zu absorbieren.

Als lösbares Neutronengift wird im allgemeinen Borsäure verwendet, die dem Reaktorkühlmitel zugegeben wird. Damit kann 4er Multiplikationsfaktor des Kerns gleichmäßig über den Querschnitt abgesenkt werden.

Die wesentlichen Nachteile der bekannten Regelsystem bestehen darin, daß damit eine ungleichmäßige axiale Flußverteilung nur schwer vermieden werden kann; denn wenn z.B. ein Regelstab schrittweise, beispielsweise von oben, in den Reaktor eingefahren wird, so wird damit im allgemeinen d«r Neutronenfluß im Oberteil des Kerne abgesenkt, während der Neutronenfluß am Boden des Kerne auf seiner alten Höhe bleibt. Daher ist eine

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zusätzliche chemische Trimmung notwendig, beispieleweise mit Bor, um eine·gleichmäßige Leistungsverteilung über den Kern zu erhalten. Mit dieser Erhöhung des Flusses auf der Seite des Kerns, die den zugeführten Hegelstäben abgewandt ist, wird also die Leistungsfähigkeit des Heaktors begrenzt. Durch die ungleiche Verteilung ergibt sich ein unterschiedlicher Abbrand des Kernbrennstoffes entsprechend der jeweiligen Lage der Flußerhöhung.

Die axiale Flußverteilung ist außerdem abhängig von dem axialen thermischen Gradienten. Da das Kühlmittel aufgewärmt wird, wenn es von unten nach oben durch den Kern strömt, weist es im Oberteil des Kerns eine geringere Dichte auf, während die Dichte am Boden des Kerns auf einem höheren Wert verbleibt. Da die Anzahl der thermischen Neutronen abhängig ist von der Dichte des Kühlmittels, ist es selbstverständlich, daß eine größere Anzahl thermischer neutronen in der Nähe des Bodens des Reaktors als an dessen Spitze entsteht. Dadurch wird auch die Leistungsdichte am Boden ansteigen, wodurch das Problem der Fluflepitze noch erhöht wird, die durch die schrittweise einfahrbaren Neutronenabsorber bedingt ist.

Die Leistungsverteilung ist aber auch abhängig von der radialen Flußverteilung. Beispielsweise kann eine Anzahl von Kühlkanälen eine höhere Temperatur erreichen und "heiß" sein im Vergleich zu der durchschnittlichen Kühlkanaltemperatur. Das Entstehen solcher "heißen Kanäle" kann aus dem Abstand dieser Kanäle von den Regeletäben bedingt sein sowie durch die Abmessungen des Kanals, wodurch Flußspitzen innerhalb desselben entstehen. Ferner können "heiße Kanäle" durch unterschiedliche Brennstoffanreicherungen, in den einzelnen Zonen des Kerns eowie durch andere Faktoren auftreten. Die Lage derartiger "heißer Kanäle" wechselt während dee Abbrandes und ist nicht genau vorherbeatimmbar.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Peinregelung der Flußverteilung in einem Reaktorkern zu schaffen, mit der eine wirkungsvolle Regelung unter Verwendung einer einfachen Antriebsvorrichtung für diese zusätzlichen Regeleinrichtungen möglich ist.

Die Erfindung wird dabei darin gesehen, daß zusatzlich zu den stufenweise einfahrbaren Regeletäben TrimmBtäbe in senkrechten, parallel und mit radialem Abstand von der Achse der auf der Oberseite von Durchführungen im Druckbehälterdeckel montieren Äntriebsvorrichtungen verlaufenden und in verschiedenen Brennelementen mündenden Führungskanälen angeordnet und über flexible Führungskabel an in der Antriebevorrichtung senkrecht geführten Hubkolben befestigt und durch regelbare Hubmittel entweder voll aus dem Reaktorkern ausfahrbar oder in diesen absenkbar sind.

Dabei können die von den Brennelementen ausgehenden Führungskanäle für die Trimmetäbe im oberen Bereich des Druckbehälters über nach innen gebogene Führungskanale in die von dem Antrieb ausgehenden Führungekanäle übergehen.

Zum Festhalten der Trimmstäbe in den Antrieben können dieselben am oberen Ende elektromagnetische Haltevorrichtungen aufweisen.

Zum Anheben und Absenken der Trimmetäbe können in den Antrieben hydraulische oder elektromagnetische Hubvorrichtungen vorgesehen sein. Bei Verwendung einer hydraulischen Hubeinrichtung ist am oberen Ende des druckdichten Antriebsgehäuses ein Magnetventil vorgesehen, dessen Oberseite mit einer Druckquelle mit einem niedrigez'em Druck als dem im Reaktordruckgefäß herrschenden Druck in Verbindung steht und bei dessen Öffnung durch Druckabsenkung im Raum oberhalb der Hubkolben diese zusammen mit den Trimmstäben durch den Druck im Reaktordruckgefäß nach oben in den Antrieb gedrückt werden. Zur Absenkung der Trimm-

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stäbe in dem Reaktorkern kann das Magnetventil geschlossen werden, so daß die Trimmstäbe durch Wirkung der Schwerkraft in den Kern zurückfallen.

Wenn nur eine bestimmte Anzahl der einem einzelnen Antrieb zugeordneten Trimmstäbe gehoben werden soll, werden zunächst durch Öffnen des Magnetventile alle Trimmstäbe gehoben und die außerhalb des Kerns zu haltenden Trimmstäbe durch Einschalten der zugeordneten Haltemagnete am oberen Ende des Antriebs in ihrer ausgefahrenen Stellung festgehalten, während nach Schließen des Ventils die übrigen Trimmstäbe in den Reaktorkern zurückfallen. Ferner ist es möglich, daß die nicht auszufahrenden Trimmstäbe durch Haltemagnete am unteren Ende des Antriebs in ihrer eingefahrenen Stellung gehalten und die übrigen Trimmstäbe durch Öffnen des Magnetventils ausgefahren werden.

Bei Verwendung eines elektromagnetischen Antriebs ist auf der Außenseite des Antriebsgehäuses ein zylindrischer Läufer über geeignete Zugmittel heb- und senkbar angeordnet, wobei der Läufer Haltemagnete zur Mitnahme eines im Innern des Antriebsgehäuses verlaufenden zylindrischen FührungsSchlittens für die Hubkolben aufweist. Dabei besteht der Führungsschlitten aus einem oberen Teil aus nichtmagnetischem Material, zwei mittleren Teilen aus magnetischem Material mit einem kurzen zwiechengeschalteten nichtmagnetischen Zylinder sowie einem Stoßdämpfer am unteren Ende. Der Führungsschlitten selbst wird über senkrecht angeordnete Rollen im Antriebsgehäuse geführt. Ferner ist der Führungsschlitten an seinem Außenmantel mit zylindrischen Führungskanalen für die Hubkolben und am oberen Ende mit einem zylindrischen Aufsatz mit Einschnitten zur Halterung von nach innen ragenden Haltezapfen, die am Hubkolben befestigt sind, versehen.

Beim Ausfahren der Trimmetäbe aus dem Reaktorkern werden dann die zugeordneten Elektromagnete dea Außenläufers in der untersten Stellung desselben eingeschaltet, eo daß durch Hochziehen

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des Läufers die entsprechenden Trimmstäbe aus dem Reaktorkern ausfahrbar sind. Der zylindrische Führungsschlitten selbst ist mit einem kugelförmigen Ansatz am oberen Ende zum gemeinsamen Ausziehen zusammen mit den Hubkolben und den Trimmstäben aus dem Reaktorkern und dem Antriebsgehäuse versehen.

Mit einem derartigen einfachen Antrieb ist es möglich, die Trimmstäbe an entsprechenden Stellen in den Reaktorkern einzufahren. Dadurch können die sogenannten heißen Kanäle oder radiale Flußepitzen ohne Flußveränderungen oder einem Auftreten von Xenonvergiftungen unterdrückt werden. Außerdem kann der Einsatz eines löslichen Neutronengiftee erheblich herabgesetzt werden.

Anhand einer schematlachen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Aueführungebeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine ieometrieche Aneicht mit teilweisem Schnitt eines Reaktordruckgefäßes,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Führungsrohr mit einem Trimmetab,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Brennelement mit den entsprechenden Hegel- und Trimmstäben,

Fig. 4 eine Aufeicht auf eine Kerngitterplatte eines Brennelementes ,

Fig. 5, 6 und 7 einen Längeschnitt durch einen hydraulischen Antrieb für die Triametäb·,

Fig. 8 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie VIII-VIII der Fig. 6,

Fig. 9 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie IX-IX der Fig. 5

Fig. 10 und 11 die Befestigung von Kugelkabeln an den Hubkolben im Antrieb,

Fig. 12 eine spezielle Ausbildung der Haltemagnete nach Fig. 5,

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Pig. 13 eine weitere Ausführungsform öes^fiaAiieKörpers nach.

Fig. 6,

Fig. 14 die Anordnung von Haltemagneten am unteren Ende des Antriebes,

Fig. 15, 16, 17 und 18 einen Längsschnitt durch einen elektromagnetischen Antrieb und

Fig. 19 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie XIX-XIX nach Fig. 16.

Fig. 1 zeigt einen Leistungskernreaktor mit dem Trimmsystem für die Feinregelung des Flusses nach der vorliegenden Erfindung. Ein Druckgefäß 10 wird durch einen druckdichten Behälter, der mit dem Druckbehälterdeckel 12 abgeschlossen ist, gebildet. Der Druckbehälter 10 weist Kühlmitteleinlässe 14 und Kühlmittelaualäaie 16 in seinen Wänden auf. Der Druckbehälterdeckel 12 ist durch geeignete, nicht näher dargestellte Mittel mit dem Behälter 10 verbunden und enthält mehrere senkrechte Durchführungsstutzen 18, die dicht durch den halbkugelförmigen Deckel geführt sind. Ein zylindrischer Kernbehälter 20 ist an einer nach innen auskragenden Schulter 21 am oberen Ende dee Druckgefäßes 10 fest aufgehängt. Eine obere Tragplatte 22, eine obere Kerngitterplatte 24 und eine untere Kerngitterplatte 26 sind tragend quer zum Kerngehäuse 20 befestigt. Das Kühlmittel durch den Einlaßstutzen 14 strömt in den unteren Kühlmittelsamaelraum 28 durch einen ringförmigen Kanal 30, der durch die untere Wandung des Druckgefäßes 10 und des Kernbehälters 20 gebildet wird. Der Strömungskanal 30 enthält zweckmäßigerweise einen thermischen Schild

Vom unteren .Sammelraum 28 strömt das Kühlmittel im wesentlichen axial aufwärts durch die Räume zwischen den Kerngitterplatten 24 und 26 zu einem oberen Sammelraum 34· von dem aus es dann durch den Auslaß 16 zu den nicht dargestellten Energieumwandlern geführt wird. Der Raum zwischen der oberen Gitterplatte 24 und der unteren Gitterplatte 26 ist mit einer Mehrzahl von auswechselbaren Brennelementen 36 gefüllt, die untereinander im wesentlichen gleich sind.

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OBIGWAL INSPECTED

Eines der Brennelemente 36, die parallel zueinander innerhalb des Reaktorkerns nach Fig. 1 angeordnet sind, ist in größerem Maßstab in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Nach diesem Beispiel weist jedes Brennelement 36 eine Reihe von Brennstäben 38 sowie mehrere Führungsrohre 40 auf, die zwischen den Brennstäben angeordnet sind. Brennstäbe und Führungsrohre werden von einem Gitter 41 nach Art eines Stegrasters mit hochkantgestellten, sich kreuzenden Stegen gehalten. Die Führungsrohre 40 können nach der Erfindung zur Aufnahme der Einzelstäbe 42 eines Regelstabbündels oder Fingerregelstabes oder zur Aufnahme der Trimmstäbe 52 für die Feinregelung des Flusses verwendet werden.

Die einzelnen Trimmetäbe 52 weisen die gleiche Form wie die einzelnen Regelstäbe 42 auf und enthalten wie die Regelstäbe Silber-Indium-Cadmium-Absorber mit einer Umhüllung aus rostfreiem Stahl.

Das Neutronenabsorbtionsvermögen eines einzelnen Trimmstabes 52 ist so geeicht, daß die Einführung eines dieser Stäbe die Leistungsverteilung des gesamten Kernes nicht mehr reduziert oder verändert als die Einführung eines einzelnen Regelstabes. Trotzdem weist ein einzelner Trimmstab 52 eine genügend hohe Neutronenabsorbtion auf, um die Reaktivität der diesen Stab direkt umgebenden Brennelemente um einen vorbestimmten Wert ^: zu reduzieren.

Zum Vergleich der Sicherheiteregeletäbe mit den Trimmstäben wird folgendes ausgeführt: Es ist selbstverständlich, daß die primären oder Sicherheiteregelstäbe allein während des Anfahrens, wahrend des Abschaltens und während Notabschaltperioden verwendet werden. Während des normalen Betriebes werden die Trimmstäbe für die Feinregelung des Flusses verwendet, um - wie schon sein Name sagt - die Flußverteilung allein in bestimmten Gebieten des Reaktorkerns in der Umgebung jedes Trimmetabes zu trimmen.

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Die primären Regelstäbe 42 sind in den Führungsrohren 40 gehalten und erstrecken sich bis oberhalb der Brennstäbe 38. Die oberen Enden 44 der Stäbe 42 können an einer Spinne 46 und einer axialen Führungsspindel 48 befestigt sein. Nach diesem Ausführungsbeispiel enthält der Fingerregelstab 16 Regelstäbe, die alle an der Spinne 46 befestigt sind und.nur gemeinsam entsprechend der Bewegung der Spinne gehoben oder gesenkt werden können. Die Leitspindel 48 erstreckt sich durch Durchführungsstutzen 18 im Deckel 12 des Reaktors bis zu einem Antrieb 15, von dem allein der äußere Umriß in Fig. 1 gezeigt ist. Diese an sich bekannte Antriebsvorrichtung 15 ist so ausgebildet, daß die Fingerregelstäbe 42 in kleinen Schritten von etwa von 10 bis 20 mm bei jedem Heb- und Absenktakt gehoben oder abgesenkt werden können.

Die primären Regelstäbe 42 sind dabei in etwa so aufgebaut wie die Trimmstäbe 52 für die Feinregelung des Flusses, bestehen jedoch aus einem Material mit einem höheren Neutronenabsorbtionsvermögen. Der Hauptunterechied besteht jedoch darin, daß die Fingerregelstäbe 42 nur als eine Einheit in vorgegebene axiale Positionen im Reaktorkern gehoben und gesenkt werden können, während die Trimmstäbe einzeln bewegt werden können, und zwar lediglich in die Positionen "voll eingefahren" oder "voll ausgefahren".

Obwohl alle Brennelemente 36 Führungerohre 40 aufweisen, sind in bekannten Reaktoren ungefähr nur ein Drittel dieser Brennelemente mit Regeistabbundein versehen. Obwohl es theoretisch möglich ist, relativ komplizierte Antriebe für die Regelstäbe auch zum Heben und Senken der Trimmstäbe für die Feinregelung des Flusses zu benutzen, würde dies eine zu hohe Anzahl von Durchführungen 18 erfordern und eine relativ große Zahl der ziemlich aufwendigen Antriebe 15. Nach der vorgeschlagenen Lösung sollen jedoch, relativ einfache und relativ wenig aufwendige Antriebe verwendet werden, mit denen eine bestimmte Anzahl von Trimmetäben 52 gehoben und gesenkt werden können.

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Zur besseren Erläuterung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung sind einige Führungsrohre 40 aus den zugehörigen Brennelementen 36 nach Fig. 1 ausgefahren. Eines dieser Führungsrohre ist in einem größeren Maßstab zusammen mit einem Trimmstab 52 in Fig. 2 gezeigt.

Die oberen Enden der Führungsrohre 40, die zur Auinahme der Trimmstäbe 52 dienen, stoßen an die unteren Führungskanäle 54, die zwischen der oberen Gitterplatte 24 und der oberen Tragplatte 22 angeordnet sind. Diese unteren Führungskanäle 54 haben ungefähr den gleichen Querschnitt wie die Führungsrohre 40. Trotzdem sind die unteren Führungskanale zweckmäßigerweise nicht mit den Führungsrohren 40 verbunden, da die Führungskanäle 54 aus dem Reaktor ausgefahren werden müssen, wenn der Deckel 12 und die obere Tragplatte 22 zur Nachfüllung des Reaktors entfernt werden. Eine Spinne 56, die mit der Haltesäule 58 fest verbunden ist, verhindert seitliche Bewegungen der unteren Führungskanale 54. Oberhalb der oberen Tragplatte 22 sind gebogene Führungskanäle 60 angeordnet, die eine Verlängerung der unteren Führungskanale 54 bilden. Die oberen Enden der gebogenen Führungskanäle gehen in die oberen Führungsbahnen 62 für die Trimmetäbe über und sind mit diesen fest verbunden (siehe Fig. 7). Durch die Verwendung der gebogenen "Ftihrungskanale 60 kann jeder Antrieb Trimmstäbe 52 bewegen, die in achsparallelen Kanälen des Antriebes angeordnet sind.

Auf einigen der Durchführungestutzen 18 sind Antriebe 64 zum Heben und Senken der Trimmstäbe angeordnet. Der Antrieb 64 für die Trimmetäbe ist einfacher aufgebaut als der Antrieb 15 für die Regeletäbe, da der Antrieb 64 die Trimmstäbe 52 lediglich in zwei Positionen bringen muß, nämlich einmal ganz in die Führungsrohre 40 eingefahren und einmal ganz aus den Führungsrohren 40 ausgefahren. Dies steht im Gegensatz zur Arbeitsweise des Antriebes 15 für die Regelstäbe, die, wie 'bereits erwähnt, sehr genau in eine große Anzahl von vorbe-

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stimmten Positionen innerhalb der Brennelemente gebracht werden müssen. In anderen Worten: der Antrieb 15 muß die zugehörigen Regeletäbe in kleinen Stufen aufwärts und abwärts bewegen, während der Antrieb 64 die zugehörigen Trimmstäbe lediglich in eine obere Endstellung heben muß oder sie ganz in die untere Endstellung herablassen soll.

Der Antrieb 64 für die Trimmstäbe bildet einen Teil dieser Erfindung und kann in verschiedenen Formen ausgebildet sein, wovon eine in den Fig. 5 und 6 näher dargestellt ist. Wie vorher schon ausgeführt wurde, ist jeder Antrieb oben auf einem der Durchführungsstutzen 18 angeordnet. Jeder Stutzen nimmt die oberen Führungsrohre 62 auf und enthält außerdem Teile, die mit dem Antrieb 64 zusammenwirken, um ein sicheres Ausziehen und Einfahren der Trimmstäbe 52 zu ermöglichen. Im einzelnen weist jeder Stutzen 18 eine Mehrzahl von Anschlagen 68 auf, die als zusätzliche Halterung für die oberen Führungskanäle 62 dienen. Jeder Anschlag 68 ist an einem zentralen Halterohr 70 angeordnet, das eine untere Verlängerung 71 aufweist, die mit der oberen Tragplatte 22 verbunden ist. Ein spinnenförmiger Flansch 72 ist im Stutzen 18 am unteren Ende des Halterohres 70 vorgesehen, um die Kanäle 62 zu halten. Ein Anschlag 76 im Führungskörper 66 dient als Begrenzung für die Abwärtsbewegung der Kolben 74· Die unteren Enden der Kolben 74 sind mit Führungskabeln oder Kugelketten 78 verbunden, an denen wiederium die Trimmstäbe 52 nach Fig. 2 hängen.

Die Kugelketten 78 bestehen - wie aus Fig. 10 und 11 zu ersehen ist - aus einer Heihe von rostfreien Stahlkugeln 80, die durchbohrt sind» um auf einem Drahtkabel 82 entlang zu gleiten. Die Kugeln 80 können beispielsweise einen Durchmesser von 11 mm aufweisen und in dem oberen Kanal 62 mit einem Durchmesser von etwa 12,5 mm ohne Wandberührung frei gleiten. Durch eine derartige Anordnung wird eine geringe Reibung und eine maximale Flexibilität in den gebogenen Bereichen erreicht.

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Darüber hinaus wird durch das zusätzliche Gewicht auf den Drahtführungskabeln die Abwärtsbewegung der Trimmstäbe 52 unterstützt.

Eine geeignete Sicherheitsvorrichtung für das Kugelkabel und den Kolben ist im folgenden dargestellt. Nach diesem Beispiel endet das Kugelkabel 78 am oberen Ende in einem Sperrzylinder 84 mit einer Kugel 86, die auf der Spitze des Zylinders befestigt ist. Das untere Ende des Hubkolbens 74 hat eine Kappe 88, die mit einer Aushöhlung 89 versehen ist. Diese Aushöhlung 89 ist etwas größer als der Durchmesser der Kugel 86 in der Höhlung. Außerdem weist die Höhlung einen engen Schlitz 90 auf der Unterseite auf. Die Kugel 86 kann durch eine seitliche Öffnung in horizontaler Lage in die Höhlung 89 eingeführt und dann durch den Schlitz 90 in ihre senkrechte Lage geschwenkt werden. Nachdem das Kugelkabel 78 in die Führungsrohre 62 eingeführt ist, ist ein zufälliges Aushängen praktisch unmöglich.

Wie bereits gezeigt, hängen die Trimmstäbe 52 in ihrer in den Kern eingefahrenen Position an den Kugelkabeln 78, die von den Hubkolben 74 gehalten werden. Die Trimmstäbe 52 werden von ihrer unteren oder in den Kern eingefahrenen Position (links in den Fig. 5, 6 und 7) in ihre obere Position oder in die aus dem Kern ausgefahrene Stellung (rechts in den Fig. 5, 6 und 7) durch eine obere Führungskanalverlängerung 92 in dem Antrieb 64 bewegt.

Um die Kraft zur Hebung der Kolben 74 zu erzeugen, steht eine Kammer 94 oberhalb der Kolben in Verbindung mit einem Wasserspeichertank 96, der unter niedrigerem Druck als dem im Druckbehälter herrschenden gehalten wird. Durch Anlegen einer Spannung an die Wicklung 98 eines magnetischen Ventils 100 wird der kegelförmige Ventilteller 102 von seinem Sitz 104 abgehoben. Wenn der Ventilteller in'eeine obere Endpostion gezogen

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ist, steht die Kammer 94 durch die Kanäle 106 und 107 mit dem Speicher 96 in Verbindung. Zusätzlich ist eine Blenae 1U8 außerhalb oder innerhalb des Antriebes 64 sowie ein Wärmetauscher 110 zwischen der oberen Kammer 94 und der Druckquelle 96 angeordnet, um die Wirkungsweise des Systems zu vervollständigen. Der Antrieb 64 ist so dimensioniert, daß bei Hochfahren der Kolben 74 in ihre obere Bndlage die zugehörigen Trimmstabe voll aus dem Kern ausgefahren und in die Führungskanale 54 gezogen sind. Die Trim:.astäbe 52sind in der letztgenannten Position im wesentlichen inaktiv.

Am oberen Ende des Antriebes sind im Bereich der oberen Endstellung der Kolben 74 eine Reihe von Elektromagneten 114 symmetrisch angeordnet. Die Polstücke 116 der Elektromagneten 114 durchdringen den Antriebskopf und sind dort befestigt, wobei ihre Mittellinien die Mittellinien der Kolben 74 schneiden. Wenn die entsprechenden magnetischen Wicklungen 118 der Elektromagneten 114 an Spannung gelegt werden, werden die zugehörigen Kolben 74 gegen die Polstücke 116 gezogen, wo sie durch den Teil der Polstücke 116 gehalten werden, der dem Kolben am nähesten ist. Die Polstücke weisen an ihrer einwärtsgerichteten Oberfläche eine Ausnehmung entsprechend der Außenform der Kolben auf. Eine eingezogene Kante 120 des Kolbens 74 wird außerdem zum Anliegen an einen Vorsprung gebracht, wodurch der Kolben zusätzlich in seiner obersten Position gehalten wird. Es ist ferner aus dem Ausführungsbeispiel ersichtlich, daß, wenn das Ventil 102 geschlossen und der niedrige Druck bzw. die obere Kammer 94 zu normalem Systemdruck zurückkehrt ist, dann die Kolben 74 nach Abschalten der Wicklungen 106 in ihre untere oder in den Kern eingefahrene Position allein unter der Wirkung der Schwerkraft zurückkehren. Die Trimmstäbe 52 sind dann voll in die zugehörigen Brennelemente 36 eingefahren.

Eine andere Ausführungsform der oberen Polstücke des Elektromagneten 114 nach Pig. 5 ist in Fig. 12 mit dem Bezugszeichen 124 gezeigt* Hier ist das Polstück 124 mit einer konischen

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Einbuchtung 123 versehen, die der Kolbenspitze 125 entspricht. Wenn die Elektromagneten an Spannung gelegt sind, so wird der Kolben durch die direkte magnetische Kraft zusätzlich zur Haltewirkung durch die unteren Polstücke 126 gehalten.

Wenn eine Lageänderung eines oder mehrerer der Trimmstäbe 52, die in einer Gruppe von einem einzigen Antrieb geregelt werden, gefordert ist, so können eine der beiden folgenden Verfahren angewendet werden:

1. Wenn die Änderung darin besteht, daß einer oder mehrere der Trimmstäbe 52, die von den Elektromagneten 114 gehalten werden, in den Kern eingefahren werden sollen, so muß lediglich die zugehörige Wicklung 118 abgeschaltet werden und die Stäbe fallen dann in die voll eingefahrene Stellung allein unter der Wirkung der Schwerkraft zurück.

2. Wenn einer oder mehrere der Trimmstäbe 52 aus dem Kern ausgefahren werden sollen, so ist es zunächst nach diesem Ausführungsbeispiel erforderlich, alle Stäbe durch Öffnung des Ventils 102 auezuziehen, indem die obere Kammer 94 mit dem Druckspeicher 96 in Verbindung gebracht wird. Wenn alle Stäbe in die obere Position gezogen sind, werden lediglich diejenigen Wicklungen 118 an Spannung gelegt, die die entsprechenden Trimmetäbe 52 in der ausgezogenen Position halten sollen. Wenn dann die obere Kammer 94 zu normalem Druck zurückkehrt, werden die Trimmstäbe 52, die nicht durch eine der Wicklungen 118 in der oberen Position gehalten werden, durch die Schwerkraftwirkung in den Kern zurückfallen.

Da der Reaktor von Zeit zu Zeit nachgeladen werden muß, muß der Deckel 12 entfernt werden. Es sei dazu festgestellt, daß die Durchführungen 18 zusammen mit den Antrieben 15 und den Antrieben 56 ale ein Stück mit dem Deckel 12 entfernt werden können. Als nächstes nüeeen die obere Kerngitterplatte 24 und

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die obere Tragplatte 22 mit den Verbindungshaltegliedern zusammen entfernt werden. Bevor jedoch diese Maßnahme durchgeführt werden kann, müssen die Trimmstäbe 52 voll in die unteren Führung β kanal e 54 zurückgezogen werden. Wenn der Trimmstabantrieb 64 mit dem Deckel 12 entfernt worden ist, sind besondere Vorrichtungen erforderlich, um die Trimmstäbe 52 von Hand ausziehen zu können. Zu diesem Zweck werden rohrförmige metallische Zugrohre, die nicht näher dargestellt sind, über dem oberen Ende der zentralen Haltesäule 70 befestigt. Diese Zugrohre sind so dimensioniert, daß sie einen dichten Abschluß mit den Führungskörpern 66 bilden, während ihre unteren Enden auf der Spinne 72 aufliegen. Ein besonders verlängertes Haltewerkzeug wird dann in die Führungerohre abgesenkt, wodurch es möglich ist, alle Kolben 74 zu fassen. Eine ringförmige Einschnürung 146 ist in der Nähe der Spitze aller Kolben 74 vorgesehen, um diesen Vorgang zu erleichtern. Wenn dieses Werkzeug nach oben herausgezogen wird, sind alle Trimmstäbe zusammen mit den Kolben 74 vollständig in die unteren Führungskanal· 54 hineingezogen. Eine Sperre kann am oberen Ende aller Führungerohre vorgesehen sein, um die Kolben zu sichern und die Trimmstäbe 52 in ihrer Lage zu halten, wenn das Werkzeug herausgezogen wird. Die obere Halteplatte kann dann vollständig aus dem Reaktor entfernt werden, wodurch die Brennelemente 36 frei zugänglich sind.

Ein anderes Ausführungebeispiel dta Führungskörpers 66 ist in Fig. 13 gezeigt, wodurch das Entfernen der Trimmstäbe erheblich vereinfacht wird. Der zentrale Führungekörper ist nach dieser Figur in zwei getrennten Teilen ausgeführt. Der untere stationäre Teil 148 ist sit der Stützeäule 70 durch Schweißverbindungen fest verbunden und dient außerdem ale obere Halterung für die oberen Führungskanäle 62. Der obere Teil 149» der lösbar angeordnet ist, ist genau auf dem unteren Teil durch einen Zentrierstift 150 und einen Stift 152 befestigt, wobei durch letzteren die Bohrungen für die Kolben 74 zu» Fluchten gebracht werden. Ein Absatz 154 ist in den Bohrungen des oberen Teiles 149 vorgesehen, um ein unbeabsichtigtes Absenken der Kolben 74 zu

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verhindern. Der obere Teil 149 ist außerdem mit einem kugelförmigen Aufsatzteil 158 am Ende einer zylindrischen Verlängerung 160 versehen, an das das Werkzeug zum Ausheben des Blockes angreifen kann. Wenn dieses Werkzeug gehoben wird, werden alle Kolben 74 und die Trimmstäbe 52 als eine Einheit gehoben.

Nach dem Brennstoffwechsel muß die obere Tragplatte in den Reaktorkessel 10 abgesenkt werden und der Deckel 12 wieder geschlossen werden. Das ist ein relativ einfacher Vorgang, aber es ist notwendig, ein Fluchten der unteren Führungskanäle 54 mit den Führungsrohren 40 sicherzustellen. Verschiedene, nicht naher dargestellte Zentriermittel können vorgesehen werden, um ein sicheres Durchführen dieser Operation zu gewährleisten. Dabei können kegelförmige Ansätze am unteren Ende der Durchführung 18 angebracht werden, um das Einführen der Führungsspindel 70 zusammen mit den Kugelkabeln in die Durchführungen zu erleichtern, wenn der Deckel 12 wieder geschlossen wird.

Zum Einführen der Trimmstabvorrichtung ist ein ähnliches einfaches Verfahren möglich. Dazu kann ein Wechselspannungssignal dem Gleichstrom der Haltemagneten überlagert werden, um festzustellen, welcher der Kolben 74 sich in seiner obersten Position befindet. Der Spulenwiderstand wird im letzteren Falle höher sein, als wenn ein Kolben zufällig herabgefallen ist oder wenn seine Bewegung in den obersten Endpunkt durch irgendwelche mechanischen Störungen nicht möglich ist.

Um den Einbau zu erleichtern, besteht der Trimmstabantrieb vorteilhaft aus drei Teilen, nämlich dem oberen Antriebsteil 128, der das Magnetventil 100 und die Elektromagneten 114 trägt, dem mittleren Antriebeteil 138 und einem dritten Teil, der durch die Durchführungen 18 gebildet iet. Der sich nach außen erstreckende Flansch 138 dee oberen Antriebsteils 128 kann mit dem mittleren Antriebsteil 138 verbunden werden, der einen

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Plansch 154 aufweist. Das geschieht durch Zentrierstifte 168 und durch Bolzen 150» die die Dichtringe 156 in ihrer Lage halten. Andererseits kann der mittlere Antriebsteil 158 mit Durchführungen 18 durch Zentrierstifte 166 und Bolzen 142 verbunden werden. Hier können außerdem mechanische Dichtringe 140 vorgesehen sein, um eine dichte Verbindung zu · schaffen.

In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, nach dem es nicht erforderlich ist, alle Trimmstäbe 52 anzuheben, wenn nur einige der Stäbe 52 aus dem Heaktorkern ausgezogen werden sollen. Elektromagnete 176 und Polstücke 178 sowie Magnetspulen 180 sind im Bereich der unteren Stellung der Kolben 74 ' angeordnet, wenn die Trimmstäbe 52 ganz in den Kern eingefahren sind. Es ist dann lediglich notwendig, diejenigen Magnetspulen 180 an Spannung zu legen, die zu den Kolben 74 gehören, deren Trimmstäbe 52 im Kern verbleiben sollen, bevor das Magnetventil 100 öffnet. Diese Kolben 74 werden dann in ihrer Stellung gehalten und nicht nach oben gezogen, wenn sich der Differenzdruck ändert. Ee sei noch festgestellt, daß es zur Anordnung der Elektromagnete 176 im Bereich der untersten Position der Kolben 74 notwendig ist, die Flansche und die zugehörigen Bauteile weiter nach unten in die Nähe der Durchführungen 18 zu legen. In anderen Worten; die oberen Führungskanäle 62 erstrecken eich dann weiter hinauf über das obere Ende der Durchführungen 18, wie das auch aus Fig. 14 zu ersehen ist.

Ein anderer elektromagnetischer Hebemechanismue für die Trimmstäbe ist in den Fig. 15 bis 18 und in Fig. 19 gezeigt. Dieser Antrieb entspricht in seinen Funktionen seinem hydraulischen Gegenstück.

Ein elektromechaniecher Läufer 200, der durch geeignete Mittel, wie beispielsweise einem Ketten«ug, gehoben oder gesenkt werden

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kann, ist beweglich am äußeren Umfang des Druckgehäuses 202 des mittleren Antriebsteiles befestigt. Das Druckgehäuse ist dabei oberhalb der oberen Haltemagneten 204 durch eine Deckplatte 203 und geeignete Dichtungen 205 abgedichtet, so daß der Antrieb nach Zusammenbau ein druckfestes und -dichtes Gehäuse bildet.

Die Durchführungen 208 durch den Deckel 12 enthalten die oberen Führungskanäle 206. Verlängerungen 207 der Führungskanäle sind im mittleren Antriebsteil 202 angeordnet, um die Kolben 214 zu führen. Diese Teile sind genau identisch mit den entsprechenden Teilen des hydraulischen Ausführungsbeispieles. Ferner sind Längsschlitze 210 an der Innenseite der Führungskanalverlängerung 207 vorgesehen, um Haltestege 212 der Kolben 214 aufzunehmen (siehe Fig. 19). Die Stege 212 der Kolben sind so ausgebildet, daß sie über den nach oben gerichteten ringförmigen und mit Einfohnitten versehenen Aufsatz 216 des Führungsschlittens 218 übergreifen.

Der Führungsschlitten 218 besteht aus einem länglichen Zylinder, der in mehrere Teile aufgeteilt ist und entsprechende Ausschnitte aufweist. Der Zylinder erstreckt sich vom oberen Ende des Aufsatzes 216 bis zu dem unteren Ende 220 und liegt in seiner 'untersten Stellung (siehe Fig. 16 und 17) auf der Spitze des zentralen Halterohren 222, der dem Rohr 70 in Fig. 6 entspricht. Der obere Teil 239 des Führungsschlittens 218 ist aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und weist einen stabförmigen und kugelförmigen Ansatz 224 an seinem oberen Ende auf, so daß er von einem Hebewerkeeug in der gleichen Weise gefaßt werden kann, wie das bei den hydraulischen Antrieben gezeigt worden ist. Zwei öffnungen 226 und 228 sind im oberen Teil des Zylinders 218 vorgesehen, die senkrecht zueinander angeordnete Führungarollen 230 und 232 aufnehmen und um ihre senkrecht zueinander angeordneten Achsen 234 und 236 rotieren, um eine freie Bewegung des Zylinders 218 zu ermöglichen. Eine zylindrische und mit einem Gewinde versehene Bohrung 238 am unteren Ende des nichtjragnetischen Teils 241 ermöglicht eine

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feste Verbindung mit dem magnetischen Teil 240. Der magnetische Teil 240 ist aus drei Teilen zusammengesetzt, wobei zwei - ein oberer Zylinder 242 und ein unterer Zylinder 244 - aus magnetischem Material hergestellt sind. Zwischen diesen beiuen zylindrischen Teilen ist ein nichtmagnetischer Zylinder 246 eingeschweißt. Diese Anordnung ist notwendig, um eine geschlossene Bahn für die Flußlinien des elektromagnetischen Läufers 200 und besonders für die Elektromagneten 204 zu erzielen, wie noch beschrieben .wird. In dem unteren magnetischen Zylinder sind ebenfalls zwei Öffnungen 248 und 250 vorgesenen, in denen die Führungsrollen 252 und 254 laufen. Diese Führungsmittel arbeiten in derselben Weise wie die oberen Führungsrollen und 232 und gewährleisten eine geringe Reibung beim Anheben des Zylinders 218.

Ein Stoßdämpferkolben 256 liegt am untersten Teil des zylindrischen Blockes 218 an. Um ein hochgedämpftes System zu erhalten, reicht der Kolben 256 etwas in eine zylindrische Bohrung 258 des zentralen Stützrohres 222 hinein. Die Bohrvertiefung 258 hat zahlreiche kleine Bohrungen 260 in seiner Außenwand, durch die die Dämpfungsflüssigkeit austreten kann, wenn der Kolben 256 in die Bohrung 258 durch die Abwärtsbewegung des Führungsschlittene 218 getrieben wird. Es sei noch festgestellt, daß die zentrale Stützsäule 222 verschiedene Anschläge 262 aufweist, die ein Fluchten und Führen der Führungskanale 206 gewährleisten.

Der elektromagnetische Läufer 200 ist im Querschnitt ringförmig ausgebildet {siehe Fig. 19) und besteht aus magnetischem Material, Sein innerer Durchmesser ist etwas größer als der Durchmesser des- inneren Antriebsgehäuses 212. Eine Mehrzahl von sich nach außen und oben erstreckenden Zapfen 226 trägt die Achsen 268 für Führungsrollen 270. Diese Führungsrollen 270 gewährleisten eine geringe Keibung bei der Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Läufers 200. Wie bereits ausgeführt, können geeignete Mittel, z.B. ein Kettenzug, verwendet werden, um diesen Läufer 200 zu heben oder zu senken. Zwei Gruppen von Elektromagneten, eine obere Gruppe 272 und eine untere Gruppe 274, sind mit den elek-

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tromagnetiachen Ringen verbunden. Dabei weisen die Elektromagneten jeweils 6 getrennte Wicklungen auf, die alle mit 276 bezeichnet sind. Wenn diese Wicklungen an Spannung gelegt werden, wird der Führungsschlitten 218 zwischen dem Läufer 200 gehalten. Der Läufer 200 und der Führungsschlitten 218 sind in ihrer untersten Position in den Fig. 16 und 17 gezeigt. Dabei ragt der Kolben 256 voll in die zylindrische Dämpferbohrung 2bS hinein.

Wenn die Trimmstäbe aus dem Reaktorkern gehoben werden sollen, werden die Elektromagnete 276 zuerst an Spannung gelegt. Der elektromagnetische Läufer wird dann in seine oberste Position gezogen, wobei der Führungsschlitten 218 durch die magnetischen ( Kräfte mit gehoben wird (siehe Fig. 17).

Radial am oberen Ende des Gehäuses sind in der oberen Endlage der Kolben 214- Haltemagnete 204 angeordnet. Wenn nur einige der Trimmstäbe in den Reaktorkern abgesenkt werden sollen, werden die Magnetwicklungen im Bereich der Kolben, deren Trimmstäbe nicht abgesenkt werden sollen, an Spannung gelegt, so daß die entsprechenden Kolben fest gegen die Polstücke dieser Elektromagnete gedrückt werden. Dabei kann ein Einschnitt in den Polstücken 279 vorgesehen werden, um die Kolben besser zu halten. Ferner weisen die Kolben 214 auf ihrer Innenseite am unteren Teil Voreprünge 280 auf, die dem Haltezapfen 212 entsprechen, um ein sicheres Fluchten der Kolben 214 mit den Schlitzen 210 beim Heben und Senken zu erreichen. Wenn die entsprechenden Kolben und ihre zugehörigen Trimmstäbe fest durch die entsprechenden Polstücke der Elektromagnete 204 gehalten sind, kann der Läufer 200 in die Position abgesenkt werden, wie sie aus Fig. 16 und 17 zu ersehen ist, um die entsprechenden Trimmstäbe in den Reaktorkern wieder einzufahren.

Mit einem derartigen Trimmstabantrieb ist es möglich, einen Kernreaktor auf einfache Weise zu regeln und einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen. '

12 Patentansprüche
\19 Figuren 909836/0967 ^{SAD 0RIGI}NAL "²⁰~

Claims (12)

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1. Antriebevorrichtung für Trimmstäbe in einem Kernreaktor mit einem Druckbehälter, in dem das Kühlmittel den Reaktorkern von unten nach oben in Kühlkanälen zwischen den einzelnen Brennstäben durchströmt sowie mit stufenweise einfahrbaren Hegelstäben, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Regelstäben (44) Trimmstäbe (52) in senkrechten, parallel und mit radialem Abstand zur Achse der auf der Oberseite von Durchführungen (18) im Druckbehälterdeckel (12) montierten Antriebsvorrichtungen (64) verlaufenden und in

ψ verschiedenen Brennelementen (36) mündenden Führungskanälen (40) angeordnet und über flexible Führungskabel (78) an in der Antriebsvorrichtung (64) senkrecht geführten Hubkolben (74; 214) befestigt und durch regelbare Hubmittel entweder voll aus dem Reaktorkern ausfahrbar oder in diesen abaenkbar sind.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Brennelementen (36) ausgehenden Führungskanäle (54) für die Trimmstäbe (52) im oberen Bereich des Druckbehälters (10) über nach innen gebogene Führungskanäle (60) in die von dem Antrieb ausgehenden Führungskanäle übergehen.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (64) am oberen Ende elektromagnetische Haltevorrichtungen (128; 204) aufweisen.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende dee druckdichten Antriebsgehäuses (64) ein Magnetventil (100) vorgesehen ist, dessen Oberseite mit einer Druckquelle (96) mit einem niedrigeren

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Druck als dem im Reaktordruckgefäß (10) herrschenden Druck in Verbindung steht und bei dessen Öffnung durch Druckabsenkung im Raum (94) oberhalb der Hubkolben (92) diese zusammen mit den Trimmstäben (54) durch den Druck im Reaktordruckgefäß (10) nach oben in den Antrieb (64) gedrückt werden.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absenkung der Trimmstäbe (52) in den Keaktorkern das Magnetventil (100) geschlossen wird und die Trimmstäbe (52) durch Wirkung der Schwerkraft in den Kern zurückfallen.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anheben nur einer bestimmten Anzahl der einem einzelnen Antrieb zugeordneten Trimmstabe (52) zunächst durch Öffnen des Ventils (100) alle Trimmstabe (52) gehoben und die außerhalb des Kerns zu haltenden Trimmstabe (52) durch Einschalten der'zugeordneten Haltemagnete (128) am oberen Ende des Antriebes in ihrer ausgefahrenen Stellung gehalten werden, während nach Schließen des Ventils (100) die übrigen Trimmstabe (52) in den Reaktorkern zurückfallen.

7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfahren einer begrenzten Anzahl der einem Antrieb (64) zugeordneten Trimmstäbe (52) die nicht auszufahrenden Trimmstäbe (52) durch Haltemagnete (176) am unteren Ende des Antriebes (64) in ihrer eingefahrenen Stellung gehalten und die übrigen Trimmstäbe (52) durch Öffnen des Magnetventils (100) ausgefahren werden.

8. Antriebsvorrichtung n*ch Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite des Ahtriebsgehäuses (202) ein zylindrischer Läufer (200) über geeignete Zugmittel heb- und senkbar angeordnet ist und*daßder läufer (200) Haltemagnete (204·) zur Mitnahme eines im Innern des Antriebsgehäuses (202) verlaufenden zylindrischen Führungsschlitten (218) ttu· die Hubkolben (214) aufweist.

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9. Antriebsvorrichtung" nach Anspruch ί, daduren gekennzeichnet, daß der Führungsseil' L t ten (2 18) η j=.- einem oberen, nichcmagne M.aelian "■;.; i'-.';9)» ^w«." .nit tieren, magnetischen Te^Ltm (24.'^J, 44) mir euiiiin kurzen zwischengeöohalteten nichtinagne c i Ji.iit.n Zy,'. ndür (246) sowie einem Stoßdämpfer {2[b) am -uitertT; Ende Dasteht und über senkrecht angeordnete Rollen ;23O, 232, 252, 254) im AntriHf.dgehäuee (202) ge-Ahrt Ist.

10. AntriebiSvor ri :;it urii^ nach Anapruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsschlitten (218) an aeinern Auöenmantel

^ zylindrische Pührungakanäle (207) für die Hubkolben (214) und am oberen Ende einen zylindrischen Aufeatz (216) mit Einschnitten zur Halterung der von den Hubkolben (214) nach innen ragenden Haltezapfen (212) aufweist.

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausfahren der Trinunstäbe (52) aus dem Reaktorkern die zugeordneten Elektromagnete (204) des Außenläufers (200) in der untersten Stellung deaaelben (200) eingeschaltet und durch Hochziehen des Läufers (200) die entsprechenden Trinunstäbe (52) aus dem Reaktorkern ausfahrbar sind.

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12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Führungsschlitten (218) mit einem kugelförmigen Ansatz (224) 'am oberen Ende zum gemeinsamen Ausziehen zusammen mit den Huokolben (214) und den Trimmstäben (52) aus dem Reaktorkern und dem Antr^ebsgehäuae (202) versehen ist.

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