DE1926344A1

DE1926344A1 - Einrichtung zur Reaktivitaetsregelung von Atomkernreaktoren

Info

Publication number: DE1926344A1
Application number: DE19691926344
Authority: DE
Inventors: Braun Dr Rer Nat Dipl Wolfgang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-05-23
Filing date: 1969-05-23
Publication date: 1970-12-23
Also published as: FR2043633B1; FR2043633A1; DE1926344C3; DE1926344B2; US3652394A

Description

Einrichtung zur Reaktivitätsregelung von Atomkernreaktoren

Zur Regelung der Reaktivität von Leichtwasser-Kernreaktoren ist es bekannt, schrittweise ein- und ausfahrbare Regelstäbe mit einem festen Absorbermaterial zu verwenden, wobei meist noch von einem chemischen Zusatz, beispielsweise Bor, im Kühlwasser Gebrauch gemacht wird. Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, zusätzlich einzelne Fingerregelstäbe zu verwenden, die entweder voll in den Kern eingefahren oder aus diesem herausgezogen sind, um axiale Ungleichförmigkeiten in der Leistungsdichteverteilung zu vermeiden.

Mit derartigen Regeleinrichtungen können jedoch Instabilitäten der Leistungsdichteverteilung bei Laständerungen, z.B. beim Tageslastzyklusfahren, großer Kernkraftwerke nicht immer vermieden werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, die derartige Instabilitäten weitgehend beherrscht. Die Erfindung geht dabei von einem wasserlöslichen Neutronenabsorber einstellbarer Konzentration aus, wobei der Neutronenabsorber durch ein vom Reaktorkühlmittel getrenntes, den Reaktorkern gesondert durchsetzendes Rohrsystem geleitet wird.

Die* Erfindung besteht dabei darin, daß das Rohrsystem nach Art von Fingsrregelstäben ausgebildet ist, bei denen die in die Brennelemente stets voll eingefahrenen Fingerregelstäbe von der Absorberlösung durchströmt sind und die spinnenförmige Halterung am oberen Ende der Stäbe als Verteiler und die axiale, von der spinnenförmigen Halterung ausgehende Haltestange als zentrale Zuleitung für die Abaorberlösung vorgesehen sind.

Durch die "Verwendung derartiger Fingerregelstabgruppen ist eine kontinuierliche Eeaktivitätsveränderung möglich, wobei die axiale

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Störung der Leistungsdichteverteilung geringer ist als bei den bekannten Regelvorrichtungen. Darüber hinaus ist eine Steigerung der mittleren Leistungsdichte um ca. 25 fi möglich.

Die Pinger des Regelstabbündels können dabei in entsprechenden Führungsrohren der Brennelemente geführt und das Regelstabbündel als Einheit beim Brennelementwechsel herausgezogen werden. Das zentrale Zuleitungsrohr ist dabei durch das obere Kerngerüst des Reaktorkerns und durch die Regelstabstutzen des Reaktordruckbehälterdeckels geführt und gegen letzteren lösbar abgedichtet. Äußere Systeme zur veränderlichen Einstellung der Konzentration des Neutronenabsorbers können dann an die oberen Enden der zentralen Zuleitungsrohre angeschlossen sein.

Der Durchsatz an Absorberlösung durch die Regelstabbündel ist vorteilhafterweise derart bemessen, daß die durch Neutronenabsorption, -bremsung und if -Absorption erzeugte Wärmamenge sicher abgeführt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn als Neutronenabsorber eine wässerige Lösung von Borsäure mit einer Anreicherung von B gegenüber dem natürlichen Gehalt verwendet wird.

Um Gefahren bei einem evtl. Leck dieses Rohrsystems zu verringern, ist es ferner vorteilhaft, wenn die Absorberlösung unter einem Überdruck gegenüber dem Reaktorkühlmitteldruck steht»

Die den Reaktorkern durchsetzenden Fingerrohre können aus einer korrosionsfesten und neutronendurchlässigen Zirkonlegierung bestehen und in ihrem Inneren axiale Zuleitungsrohre für die Absorberlösung aufweisen.

Um eine gleichmäßige Reaktivitätsregelung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die über die Verteilerspinnen gruppenweise zusammengefaßten Fingerregelstabeinheiten jeweils zwei bis neun Brennelemente überdecken und mit mindestens je einem Fingerstab durchsetzen. Um aber auch gleichzeitig die Verwendung herkömmlicher Regelstäbe und Abschaltstäbe zu ermöglichen, sind ein Teil der Brennelemente von einer Überdeckung durch Fingerregel-

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3tabeinheiten ausgenommen und mit herkömmlichen, einen festen Absorber enthaltenden Regelstäben zur Vollabschaltung oder Teillängenregelstäben zur Beeinflussung der axialen Leistungsdichte versehen.

Um dieses Einfahren herkömmlicher Regelstäbe zu ermöglichen, sind die Verteilerspinnen der Pingerregelstabeinheiten für die Absorberlösung zwischen den oberen Enden der Brennelemente und der oberen Gitterplatte des Kerngerüstes angeordnet und so ausgebildet, daß zwischen den einzelnen Armen der Verteilerspinnen mechanische Pingerregelstäbe oder Teillängenregelstäbe einfahrbar sind, deren in Pührungseinsätzen geführte Betätigungsspinnen sich im voll eingefahrenen Zustand oberhalb der Verteilerspinnen für die Absorberlösung befinden.·

Ferner ist es möglich, daß die Fingerregelstabeinheiten über die Anschlüsse für die Absorberlösung in den Querschnitt des Reaktorkerns überdeckende Ringzonen derart zusammengefaßt sind, daß durch unterschiedliche Einstellung der Konzentration für die einzelnen

Zonen eine Beeinflussung der radialen Leistungsdichteverteilung ermöglicht ist.

Diese Pingerregelstabeinheiten bieten gleichzeitig eine günstige Möglichkeit zum Anbringen von Sonden für die Kerninstrumentierung. Eine derartige Sonde wird vorteilhafterweise ebenfalls als Pingerrohr ausgebildet und in der Verlängerung des zentralen Zuleitungsrohres derart angeordnet, daß die Zuleitung für die Kerninstrumentierung durch das Zuleitungsrohr an dessen oberen Anschluß geführt und dort mit entsprechenden Kabeln oder Rohrleitung lösbar verbunden sind, so daß die Sonde durch das zentrale Zuleitungsrohr herausgezogen werden kann.

Anhand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

Pig. 1 einen Schnitt durch ein Reaktordruckgefäß mit eingefahrenem Pingerregelstab nach der Erfindung,

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Fig. 2 den schematischen Aufbau einer derartigen Fingerregelstabeinheit,

Fig. 3 die Aufsicht auf eine Fingerregeistabeinheit am Beispiel einer Neunergruppe mit je vier Fingern,

Fig. 4 die tJberdeckung der Brennelemente mit Fingerregelstabbündeln,

Fig. 5 d'ie Anordnung zusätzlicher herkömmlicher Regelstäbe und

Fig. 6 die Ausbildung eines Fingerregelstabbündels mit einem zusätzlichen Finger für die Kerninstrumentierung.

Zur Übersicht der G-esamtanordnung ist in Fig. 1 ein Reaktordruckgefäß 1 gezeigt, in dem innerhalb des Kernbehälters 2 die Brennelemente 3 angeordnet sind. Diese Brennelemente 3 werden vom oberen Kerngerüst 4 gehalten. In die Brennelemente 3 ist nun nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Achse des Druckgefäßes 1 ein Fingerregelstabbündel 5 mit den einzelnen Fingern 6 angeordnet. Diese Finger 6 werden von einer Verteilerspinne 7 gehalten, von der ein axiales Zuleitungsrohr 8 nach oben durch das obere Kerngerüst 4 und die Deckeldichtung 9 des Deckels 10 des Reaktordruckgefäßes herausgeführt ist.

In Fig. 2 ist der schematische Aufbau eines derartigen Fingerregelstabbündels 5 näher erläutert. Die einzelnen Finger 6 sind an den Enden der Arme 11 der Verteilerspinne 7 befestigt. Die einzelnen Finger 6 bestehen aus einem äußeren, unten geschlossenen Hüllrohr sowie einer inneren koaxialen Zuleitung 12 kleineren Durchmessers für die Absorberflüssigkeit. Von der Mitte der Verteilerspinne 7 geht das Zuleitungsrohr 8 nach oben aus, -das nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren 13 und 14 zur Zu- und Ableitung der Absorberflüssigkeit dient. In der Verteilerspinne 7 zweigt vom inneren Zuleitungsrohr 13 in federn Arm 11 der Verteilerspinne 7 eine Leitung 15 ab, die mit den konzentrischen Zuleitungsrohren 12 in Verbindung steht. Die Absorberflüssigkeit wird also über das Zuleitungsrohr 13 und das Verbindungsrohr 15 über die einzelnen konzentrischen Zuleitungerohre 12 in den Fingern 6 bie zum Boden der einzelnen Fingerstäbe geleitet

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und strömt von hier wieder nach oben und über radiale Verbindungsleitungen 16 in den einzelnen Armen 11 zu dem Ableitungsrohr 14 in dem gemeinsamen Zuleitungs- und Halterohr 8.

Über die oberen Anschlüsse 17 nach Fig. 1 am Ende des Zuleitungsrohres 8 werden die einzelnen Fingerregelstabeinheiten 5 mit der Absorberflüssigkeit gespeist. Dabei ist eine Regelung der Durchsatzmenge und der Konzentration möglich, so daß die durch Neutronenabsorption, Neutronenbremsung oder g- -Absorption erzeugte Wärmemenge sicher abgeführt werden kann. Als Absorberlösung dient vorteilhafterweise eine wässerige Lösung aus Borsäure, wobei die Borsäure gegebenenfalls über ihren natürlichen Gehalt an B hinaus noch mit weiterem B angereichert werden kann.

Im Falle eines Schadens an den einzelnen Fingerregelstäben ist es vorteilhaft, wenn die Absorberlösung unter einem höheren Betriebsdruck als das Reaktorkühlmittel steht, so daß bei einem Leck innerhalb des Reaktorkerns der Neutronenabsorber in das Reaktorkühlmittel übertritt. Dadurch wird die Freisetzung von Reaktivität bei diesem Störfall vermindert.

Die Fingerregelstabbündel sind im allgemeinen so ausgebildet, daß jeweils mehrere Brennelemente von einem Stabbündel überdeckt werden. In Abb. 3 ist eine Anordnung gezeigt, bei der von einem Bündel neun Brennelemente Überdeckt werden^ Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß in jedes Brennelement 5 vier finger β des Regelstabbündels hineinreichen. Die Ausbildung eier Verteilerspinne für diesen Anwendungsfsjll ist aus dieser Figur besonders gut au sehen, wobei das Fingerresgelstabbündel insgesamt 36 Elnselfinger aufweist. Es ist aber auch möglich, daS Jeweils nmr 1,2 oder 4 Brennelemente von einem Regeletabbünäel erfaßt werden·

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wells ein Brennelement dazwischen nicht überdeckt wird, in das dann ein mechanisch bewegter Regelstab oder Regelstabfinger 18 eingefahren werden kann.

Die Zuordnung von mechanisch bewegten Hegelstäben 18 zu flüssigkeitsgefüllten Regelstabeinheiten 5 ist in Fig. 5 näher erläutert, In die Brennelemente 3 ist zunächst ein flüssigkeitsgefüllter Fingerregelstab mit den einzelnen Fingern 6 so weit eingefahren, daß die Verteilerspinne 7 zwischen den oberen Enden der Brennelemente 3, also oberhalb der Brennelementköpfe 19 und unterhalb der oberen Gitterplatte 20 dea Kerngerüstes angeordnet sind. In die Zwischenräume zwischen den einzelnen flüssigkeitsgefüllten Absorberstäben·6 kann in freie Brennelemente 3 ein mechanisch bewegter Regelstab 18 mit den Einzelfingern 21, die von einer Spinne 22 zusammengehalten werden, eingefahren werden. Die Betätigungsspinnen 22 dieser mechanisch bewegten Regelstäbe 18 befinden sich im eingefahrenen Zustand oberhalb der Verteilerspinnen 7 der flüssigkeitsgefüllten Fingerregelstabeinheiten 5 und die einzelnen Abaorberfinger21 zwischen den Armen der Verteilerspinne. 7 der flüssigkeitsgefüllten Regelstäbe, so daß sie ungehindert in die darunter befindlichen Brennelemente ein- und ausfahrbar sind. .

Es ist dabei vorteilhaft, daß die Verteilerspinnen 7 der flüssigkeitsgefüllten Regelstabeinheiten so ausgebildet sind, daß sie gleichzeitig die Funktion der radialen Justierung und axialen Niederhaltung der Brennelemente gegenüber den Strukturen des oberen Kerngerüetea erfüllen.

Zur Beeinflussung der radialen leietungaäichteverteiluBg im Reaktorkern 1st es zweckmäßig, wenn di« flüseigkeitsgefüllten Regelstabgruppen über den Querschnitt des Heaktorkerns in Hing« zonen zusammengefaßt werden, wodurch eine gesonderte Einstellung der Konzentration für jedt Zoa« aöglich tat.

Die flüesigkeitagafüllten H«gaXsta"ß«i.nheiten sollen im weseat- ■ liehen eir*en Ausgleich fur ^He aehaui

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des Reaktorkerns wie Leistungsänderungen und Änderung der Spaltproduktvergiftung bewerkstelligen. Die axiale Leistungsdichteverteilung wird in herkömmlicher Weise durch die Teillängenregelstäbe 18 beeinflußt, während die Schnellabschaltung durch die herkömmlichen Pingerregelstäbe mit einem festen Absorber bewirkt wird. Die durch Abbrand hervorgerufene Reaktivitätsänderung wird dabei in bekannter Weise durch Anpassung der Konzentration eines wasserlöslichen Neutronenabsorbers im gesamten Reaktorkühlmittel kompensiert.

Derartige Pingerregelstäbe bieten eine gute Möglichkeit für die Anordnung einer zusätzlichen Sonde für die Kerninstrumentierung, wie das aus Pig. 6 hervorgeht. Dabei ist in der Achse der Pingerregelstabeinheit ein zusätzlicher Pinger 23 angeordnet, der die Kerninstrumentierung aufnimmt. In diesen Pinger 23 ist die Kerninstrumentierung so eingebaut, daß deren Zuleitungen 24 durch das Zuleitungsrohr 8 an dessen oberen Anschluß geführt und dort mit den entsprechenden Kabeln oder Rohrleitungen lösbar verbunden sind. Diese Sonden 23 können dann gegebenenfalls auch durch das zentrale Zuleitungsrohr 8 herausgezogen werden.

Zum Ausfahren dieser flüssigkeitsgefüllten' Regelstabeinheiten werden bei dem beschriebenen Aufbau zunächst alle Anschlüsse 17 und 24 am oberen Ende des Zuleitungsrohres 8 gelöst, der Deckel, des Reaktordruckbehälters und das obere Kerngerüst über den flüssigkeitsgefüllten Pingerregelstabeinheiten entfernt, so daß diese dann mit einem Pührungswerkzeug aus den Brennelementen gezogen, während des Brennelementwechsels geführt oder freihängend abgestellt und nach dem Wechsel wieder in ihre zugehörigen Brennelemente eingesetzt werden.können.

Die beschriebene neue Einrichtung zur chemischen Regelung der Reaktivität in leichtwassergekühlten Kernreaktoren ist besonders betriebssicher, da sie keine beweglichen Teile und keine Mechanismen innerhalb des Reaktorkerns aufweist. Darüber hinaus sind wesentlich geringfügigere und stabilere axiale Strukturen im oberen Kerngerüst möglich. Durch die leichte Regelung der Durch-

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satzmenge und der Konzentration der Absorberflüssigkeit ist eine kontinuierliche Reaktivitätsänderung möglich, die keine axiale Störung der Leistungsdichteverteilung bewirkt. Außerdem wird durch die beschriebene Anordnung Bauhöhe am oberen Kemgerüst und am Reaktordruckbehälter eingespart. Der besondere Vorteil liegt insbesondere darin, daß die mit Tageslastzyklusbetrieb verbundenen· Reaktivitätsänderungen unter Vermeidung unzulässig großer Störung der Leistungsdichteverteilung beherrsehbar sind, . wobei außerdem eine Entlastung des Borsäureregelsystems von schnellen Konzentrationsänderungen möglich ist.

15 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur chemischen Regelung der Reaktivität leichtwassergekühlter Atomkernreaktoren mittels eines wasserlöslichen Neutronenabsorber einstellbarer Konzentration, bei der der Neutronenabsorber durch ein vom Reaktorkühlmittel getrenntes, den Reaktorkern gesondert durchsetzendes Rohrsystem geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrsystem nach Art von Pingerregelstäben (5) ausgebildet ist, bei denen die in die Brennelemente (3) stets voll eingefahrenen Fingerstäbe (6) von der Absorberlösung durchströmt sind und die spinnenförxnige Halterung (7) am oberen Ende der Fingerstäbe (6) als Verteiler und die axiale, von der spinnenförmigen Halterung (7) ausgehende Haltestange (δ) als zentrale Zuleitung für die Absorberlösung vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Finger (6) des Regelstabbündils (5) in entsprechenden Führungsrohr en der Brennelemente (3) geführt und das Fingerregelstabbündel (5) als Einheit beim Brennelementwechsel herausziehbar ist.

3* Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Zuleitungsrohr (Θ) durch das obere Kerngerüst (4) des Reaktorkerns und duroh Regelet&fcatutzen (9) dee Reaktordruckbehälterdeskela (10) geführt und gsgen letzteren lösbar abgedichtet let.

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6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5,. dadurch gekennzeichnet, daß als Neutronenabsorber eine wässerige Lösung von Borsäure mit einer Anreicher
verwendet wird.

einer Anreicherung von B gegenüber dem natürlichen Gehalt"

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberlösung unter einem Überdruck gegenüber dem Reaktorkühlmitteldruck steht.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Reaktorkern durchsetzenden Pingerrohre (6) aus einer korrosionsfesten und neutronendurchlässigen Zirkonlegierung bestehen und in ihrem Inneren axiale Zuleitungerohre (12) für die „Absorberlöeung aufweisen.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Verteilerspinnen (7) gruppenweise zusammengefaßten Fingerregelstabeinheiten (5) jeweils 2 bis 9 Brennelemente (3) überdecken und mit mindestens je einem Pingerstab (6) durchsetzen. - ' '

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Brennelemente (3) von einer Überdeckung durch Fingerregelstabeinheiten (5) ausgenommen und mit herkömmlichen, einen festen Absorber enthaltenden Regelstäben (18) zur Vollabschal-

• tung oder mit Teillängenregelstäben zur Beeinflussung der axialen Leistungsdichte versehen sind*

11. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 sowie 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerspinnen (7) der Fingerregelstabeinheiten (5) für die Absorberlöeung »wischen den oberen

• Enden (19) der Brennelemente (3) und der oberen Gitterplatte (20) des Kerngerüetes (4) angeordnet und so ausgebildet aind; daß zwischen den einzelnen Armen (11) der Yerteilerspinnen (7) mechanische Pingerregelstäbe (21) und Teill&ngenregelstäbe einfahrbttr sind, deren in Pührungaaineätztn geführte Betet!-* gungsepinnen (22) eioh in voll ©ißfsfahrtnem Suatand obea dtr Verteiler*planen (7) "für ΊΙ# AUftortotrl8att££ befinäe&c

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12. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 4, 6 und 9ι dadurch gekennzeichnet, daß die Fingerregelstabeinheiten (5) über die Anschlüsse für die Absorberlösung in den Querschnitt des Reaktorkerns überdeckende Ringzonen derart zusammengefaßt sind, daß durch unterschiedliche Einstellung der Konzentration für die einzelnen Zonen eine Beeinflussung der radialen Leistungsdichteverteilung ermöglicht ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 9 und 12, dadurch gekennzeinet, daß die die Absorberlösung enthaltenden Fingerregelstabeinheiten (5) zum Ausgleich schneller, durch Leistungsänderungen oder Änderungen der Spaltproduktvergiftungen hervorgerufener Reaktivitätsänderungen im Reaktorkern vorgesehen sind und daß die durch Abbrand hervorgerufene Reaktivitätsänderung in an sich bekannter Weise durch Anpassung der Konzentration eines wasserlöslichen Neutronenabsorbers im gesamten Reaktorkühlmittel kompensiert wird.

14· Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fingerregelstabeinheiten (5) zusätzlich mit einzelnen, an das Verteilersyetem für die Absorberlösung nicht angeschlossenen Fingerrohren zur Aufnahme von Sonden für die Kerninstrumentierung versehen sind.

15· Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Fingerrohr (23) in der Verlängerung des zentralen Zuleitungsrohres (8) derart angeordnet ist, daß die Zuleitungen für die Instrumentierung durch das Zuleitungsrohr (8) an den oberen Anschluß (24) geführt und die Sonden durch das zentrale Zuleitungerohr (8) nach oben herausziehbar sind.

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