DE1936532A1 - Hydraulisches Antriebssystem fuer Regelstaebe in Kernreaktoren - Google Patents

Description

ALEXANDER R. HERZFELD 6 Frankfurt a.m. wla

RECHTSANWALT . sorH.ENSTRASsES₂ 193 6 532

BEI DEM LANDGERICHT FRANKFURT AM MAIN ■ " _, ... " .

Anmelder: United States Atomic Energy Commission Washington D. 0,, USA

Hydraulisches Antriebssystem'für Regelstäbe in Kernreaktoren '

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Antriebssystem für die Regelstäbe in Kernreaktoren.

Die bisher bekannten Systeme zum Betätigen der Regelstäbe in Kernreaktoren sind aufwendig, teuer und von verbesserungsfähiger Wirksamkeit. Ungünstig ist u. a. z. B., dass die bisherigen Antriebssysteme die verhältnismässig dichte Anordnung der Regelstäbe erfordern, wobei eine gegenseitige Beeinflussung der Moderierungswirkung der einzelnen Regelstäbe nicht immer zu vermeiden ist. Dadurch leidet die Genauigkeit und .Zuverlässigkeit der iSteuerung. Besonders schnelle Reaktoren sind für die Steuerung durch Regelstäbe nicht besonders feinfühlig. Eine genauere Steuerung, auch wenn ein einzelner Regelstab oder eine Gruppe von Regelstäben aus der ganz im Core befindlichen Stellung in die ganz aus dem Core zurückgezogene Stellung bewegt wird, erscheint wünschenswert.

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Aufgabe der Erfindung ist .die Behebung dieser und weiterer, sich aus der Beschreibung ergebender Nachteile.

Der Erfindungsvorschlar geht dahin, dass wenigstens ein senkrecht im Core angeordnetes Führungsrohr von der doppelten Länge der Gorehöhe,in dem ein Regelstab von der halben Länge des Führungsrohrs locker gelagert ist, an beiden Enden des Führungsrohrs dieses verschliessende Abdichtungen mit einer Öffnung in dem oberen Ende, Mittel zur Erzeugung eines Fiederdrucks, sowie Mittel ziir Erzeugung eines Hochdrucks, und minde st ens drei derart mit dem Führungsrohr und den ITi ede r- und Hochdruck erzeugenden Mitteln verbundene Ventile und entsprechende Leitungen, dass durch Öffnen eines ersten und dritten Ventils und Schliessen eines zweiten Ventil-s der Hegel st ab durch Anlegen des unteren Endes des Führungsrohrs an Hochdruck bis zum Anschlag an die obere Abdichtung angehoben wird, und -■ beim Schliessen des dritten Ventils, Öffnen des zweiter 7en- . tils und. geöffnetem ersten Ventil das Führungsrohr durch Verbindung mit den Fiederdruck erzeugenden Mitteln rasch druckentlastet und der Regelstab bis zum Anschlag an die untere AT--dichtung!sofort abgesenkt wird.

In den der weiteren Erläuterung dienenden Zeichnungen zeiV·: die Figur Γ ein mit dem erfindungsgemässen Regelstabsantri P¹Ossystem ausgestattetes Brennstoffbündel in Aufsicht und di^ Figur 2 schematisch ein "besonders für mit flüssigem ITatrivτ gekühlte Reaktoren geeignetes AusführungsBeispiel der Erf ^Av IΉγ.

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Tn-"bekannter Weise enthält der Reaktorcore"mehrere s. B. hexagonale Brennstoffbündel 10 in einer Hülse 11. Jedes Bündel besteht aus mehreren um ein zentrales Führungsrohr 13 angeordneten Brennstäben 12 und einem im Führungsrohr beweglich gelagertem Regelstab 14 aus Neiitronen absorbierendem Material. Zur Steuerung des Reaktors muss, der in der Figur 2 näher gezeigte Regelstab relativ zu den Regelstäben bewegt werden. Dies erfolgt durch das erfindxingsgemässe Antriebssystem entsprechend der Figur 2, 'in der zur Vereinfachung das Brennstoffbündel 10 weggelassen ist. Der Regelstab 14-' in dem Führung-srohr 13' ist hier in der ganz in den Core eingeführten Reaktorabschaltstellung gezeigt. Ausser dem z. B. vom Kühlmittel in Form von flüssigem Natrium umgebenen Core Γ5 und dem angedeuteten Reaktorgefäss 16 sind die nicht interessierenden Reaktoreinzelheiten weggelassen. Das Führungsrohr 13' überragt den Core um -etwa eine Corehöhe; es besitzt ar. beiden Enden die Flächenabdichtungen 17 und IS und ist am oberen Ende mit einer öffnung 19 zum Auslass einer Strömung in das Gefäss versahen. Der Regelstabquerschnitt ist kleiner als der innere Durchmesser des Führungsrqhrs 13'? so dass eine lockere, den Durchtritt von Strömung erlaubende Lagerung im Führungsrohr entsteht, mit Ausnahme der beiden Endlagen im Anschlag an die Abdichtung.17 oder 18. Gegebenenfalls kann zur Vermeidung eines direkten Aufschlags des Regelstabs auf die Abdichtungen ein geeigneter Puffer vorgesehen werden.

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Aus der Figur 2 ist die Schaltung des Regelstabantriebssystems ersichtlich. Zur Vereinfachung ist nur ein einzelner Regelstab 14' gezeigt; wie der Pfeil rechts unten vom Core andeutet, können aber weitere, im Core weit gestreute Regelstäbe, in Gruppen zusammengefasst an das Antriebssystem angeschlossen werden. Der zum Antrieb erforderliche hydraulische Druck wird durch eine Natriumpumpe 20 oder dergleichen geliefert, deren Einlass 21 an einen Versorger, zweckmassig das Kühlsystem, an-_s geschlossen ist. Ein Niederdrucktank 22 wird durch Anschluss an eine Vakuumpumpe 24 über die Leitung 23 auf einen erheblieht unter dem Druckniveau im Üeaktorgefäss 16 liegenden Druck gehalten. Die Anschlussmittel (Ventile, Leitungen) sind in der folgenden Anordnung geschaltet.

Eine Anzapfung 25 verbindet das Innere des unteren Führungsrohrendes bei 27 mit der Hauptleitung 26, die neben dem gezeigten Regelstab weitere Regelstäbe einer Gruppe versorgen kann. Die Leitung 26 ist durch die Reaktorgefässwand geführt und ausserhalb des Gefässes bei 28 mit den beiden Leitungen 29 und 30 verbunden. Ein Ventil 31 (für die Abwärtsbewegung), ein Druckmesser 32 und Drosselöffnungen 33 sind ,In₁₁,<^,ie Leitung 29 und die Ventile 34- bzw. 35 (für die Auf wärt-sbewegung·} ,_tt/ bzw. die Notabschaltung, sog. "Scramming") in die Leitung 30 eingeschaltet. Bei 36 sind die Leitungen 29 und 30 mit der an ·. den Niederdrucktank 22 gelegten Leitung 37 verbunden. Zwischen die Leitungen 29 und 30 ist über die Anschlüsse 38 und 39 ein Umgehungsventil 40 geschaltet. Eine Druckmittelspeiseleitung

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41 verbindet über 42 die Natriumpumpe 2Ö mit der' Leitung 30. In die Speiseleitung 41 sind ein Speiseventil 43 und eine Drosselöffnung 44 •eingeschaltet. Eine Leitung 45 ist bei 46' mit der Leitung 41 und bei 47 mit der Leitung 30 verbunden und enthält einen parallel zur Drösseiöffnung 44 liegenden Druckmesser 48* ■

Alle links von den Ventilen 34 und 31 liegenden Schaltelemente der Figur 2 sind dem gesamten oder einem grösseren Teil des Antriebs'systems für den¹ Reaktor gemeinsam, wobei die Ventile 31 und 34 und die Hauptleitung 26 jeweils die Verbindung mit einem Regelstab oder einer Regelstabgruppe herstellen und daher in der entsprechenden Anzahl vorliegen müssen. Dabei kann jeder Regelstab oder jede Regelstabgruppe individuell geregelt werden. Während des normalen ReaktorlaUfs bleiben die Ventile 31, 35> 40 geschlossen, während die Ventile 34 und 43 geöffnet sind. Alle fünf Ventile Werden z. B. durch* einen Solenoid betätigt·

Zur Anhebung des Regelstabs 14' aus der gezeigten, ganz im Gore-liegenden·Stellung in die Anschlagsstellung an der oberen Abdichtung 17 wird das Ventil 34 für die Aufwärtsbewegung geöffnet,, so 'dass das unter dem Druck der Pumpe stehende Mit- * tel durch die Leitungen 41, 30, 26, 2$ in das untere Ende des Führungsrohrs I3¹ fliesst und den Regelstab 14' nach oben schiebt. Durch entsprechende Auslegung der Drossel 44 in der Leitung 41 reicht die Druckkraft gerade aus", um die betreffende Regelstabgruppe unter Berücksichtigung der zwischen dem

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Hegelstab IA¹ und dem lifährungsrohr Ij.¹- fliessenden und durch die Öffnung. 19 austretenden .Leckage den- ader die Regelstäbe nach oben zu drücken.

Bei der Hubbewegung des Regelstabs 14-' von der unteren in die obere Anschlagstellung, im Führungsrohr IJ¹ zeigt der Druckmesser 48 einen Druckabfall. Sitzen alle Regelstäbe 14-' qiner : Gruppe fest auf der Flächenabdichtung 17 (der.ganz aus dem Core gezogenen Stellung) so sinkt die Strömung durch die leitung 26 auf ein.en sehr niedrigen,, lediglich durch die praktisch unmerkliche Leckage über d-ie Abdichtung. 1? ■bedingten Viert. Die ganz aus dem Gore gezogene Stellung des Regelst abs 14-'. : : wird.dabei durch die Nul.lstellup_g (annähernd) des-Druckmessers 4-8 angezeigt. Kunmehr kann eine zweite Regelstabgruppe in der■ gLeichen Weise angehoben werden. Das Druckgefälle zwischen dem Ventil 34- und dem Regelsteb 14-'. soll dabei ausreichend s.e,i^!m,_?;;," um die bereits in der oberen Endstellung befindlichen Regel--;-;-stäbe in dieser Lage zu halten. ■ ■ ' ■-.- ·<

Die gleichzeitige Anhebung, mehr als- einer Gkrappe von Regel- . . stäben 14-' ist nicht möglich* Die_; Drossel ¹^³- verhindert rjn-; lieh die angesichts der lockeren Auslegung des Regelstabs 14-.' ■ in dem Führungsrohr 13¹ und der dadurch bedingten erheb!i'eä.en;^ Leckage erforderliche Strömungszufuhr von der Pumpe-,2Qi:/-Bei . Ausfall der Zufuhr, 3. B. des flüssigen Hatriums, fallen alle ■.

Regelstäbe 14-\ von Selbst in den Core und-können auch durch

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Wiederaufnähme der Zufuhr von der Pumpe nicht angehoben werden, solange hoch irgend eines der Ventile 3M- geöffnet ist.

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Die normale Absenkung der Regelstäbe 14* in den Core 15 er- * folgt durch Schliessen des Ventils 3^, wodurch die Regelstäbe infolge der Leckage um die Regelstäbe unter ihrer eigenen Schwerkraft zurückfallen. Zur schnellen Notabschaltung (Scramming) des Reaktors wird bei offenem Ventil 3^- das Ventil 35 geöffnet, so dass die Leitung 26 über die Leitungen und 37 mit dem Niederdrucktank 22 verbunden und ein plötzlicher Druckabfall unter allen in der oberen Endstellung befindlichen Regelstäben erreicht wird. Dabei wird das Speiseventil 4-3 beim öffnen des Ventils 35 geschlossen, um einen übermässigen Abfluss von der Pumpe 20 in den Niederdrucktank 22 zu vermeiden. Im übrigen wird auch bei einer normalen Abschaltung der Kühlmitteldruck im Reaktorgefäss 16 über die Öffnung 19 von oben an den Regelstab gelegt und unterstützt damit die Wirkung der Schwerkraft zur Absenkung des Regelstabs.

Zum Nachweis der unteren Endstellung einer Gruppe von Regelstäben dient ein Samplingverfahren. Durch öffnen des Ventils 31 und Schliessen des Ventils 3^- wird das untere Ende der Regelstäbe 14-· über die Leitungen 25, 26, 29 und 37 und die Öffnung 33 mit dem Niederdrucktank 22 verbunden. Befinden sich alle Regelstäbe einer Gruppe in der unteren Endstellung im Anschlag mit der Abdichtung 18, so zeigt der Druckmesser 32 in der Leitung 29 einen niedrigen Ablesewert. Ist das bei einem oder mehreren Regelstäben nicht der Fall, so liegt der Ablesedruck höher. Die betreffenden Regelstäbe können dann d\irch

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öffnen des Umgehungsventils 4-0 unter entsprechender Druckverminderung und Druckbeaufschlagung durch das über die öffnung: 19 einströmende Kühlmittel nach unten geführt werden.

Sitzt ein Regelstab fest, und kann er auf diese Weise auch nicht frei gemacht werden, so bleiben beide Ventile 31 und 34 geschlossen und auf das Regelprogramm für die Regelstäbe wird eine Ungewissheit gegeben. Wird der Regelstab von selbst P frei, so kann er nur nach unten in den Core fallen und die Reaktivität entsprechend verringern.

Der Regelstab 14· und das gesamte Führungsrohr 13 (siehe Figur j 1) können dem Reaktor als geschlossene Teileinheit des Brennstoff bündeis 10 entnommen werden. Die Verbindung mit dem Antriebssystem über die Leitung 25 wird z. B. durch Aufsetzen des Bündels auf eine (nicht gezeigte) untere Sitzfläche im Core hergestellt, z. B. durch das Eigengewicht des Bündels auf ^ einer Flächenabdichtung, oder durch Einstecken des unteren Endes des Führungsrohrs in eine abgedichtete Fassung, oder Aufsetzen auf eine Flächenabdichtung, ähnlich dem auf der Flächenabdichtung 18 aufsitzenden Regelstab 14'. Die Länge des gesamten Brennstoffbündeis 10 einschliesslich dem Führungsrohr 13 beträgt etwa das Doppelte der Corehöhe. Da in den meisten Reaktoren das die Vorrichtungen zur Handhabung des Brennstoffs umgebende Kühlmittel mehr als das Doppelte der • Corehöhe betragen muss, ist im Vergleich zu bekannten Anordnungen keine zusätzliche Kühlmittelhöhe erforderlich.

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Zur "Verwendung des hydraulischen Regelstabantriebssystems in einem Siedewasserreaktor wird z. B. die Natriumpumpe 20 durch eine Speisewasserpumpe ersetzt und der Niederdrucktank 22 statt mit der Vakuumpumpe 24 mit einem Kondensator verbunden.

Die Erfindung vermeidet.alle Segelstabdurchführungeh am'Boden des Eeaktorgefässes und ermöglicht die Anordnung von Bauteilen wie z. B. den zum Wiederumlauf erforderlichen Mitteln direkt unter dem Reaktorgefäss 16, so dass das Reaktoreinsehlussvolumen verringert werden kann. Bei Verwendung in einem Siedewasserreaktor kann zur Förderung des Speisewassers eine Düsenpumpe eingesetzt werden, wodurch Durchführungen unterhalb des Reaktorgefässes vermieden werden und die Kühlprobleme vereinfacht we.rd.en5- z.. B. kann eine Sprühvorrichtung für den Core entfallen.

Abwandlungen des Ausführungsbeispiels sind, möglich, wie z. B. die folgenden Ausgestaltungen.

1. An Stelle eines hexagonalen Brennstoffbundeis oder nur eines Regelstabs· kann eine andere Anordnung gewählt werden. Werden mehrere Regelstäbe pro Bündel' vorgesehen, so erfolgt die Betätigung jedoch zweckmässig durch getrennte Hydraulikkreise.

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2. Da die Regel stäbe "bereits zum Brennst off bund el in jedem Einzelfall ausgerichtet sind', können verschiedene Brennstoffbündel in nicht paralleler Anordnung eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine dicht gepackte Anordnung am Coreboden mit einer auseinandergezogenen Anordnung zum besseren Durchlass des Kühlmittels kombiniert werden. Dedurch wird ein Ausgleich für durch siedendes Kühlmittel erzeugte Leerstellen geschaffen und in der gesamten Corehöhe ein konstantes Verhältnis von Moderator zum Brennstoff aufrechterhalten werden.

3· Obwohl ein zylindrische-r Regelstab am leichtesten einzubauen ist und ein Festklemmen weitgehend verhindert, kann eine andere Form· des Regelstabs gewählt werden.

4. Der Regelstab kann aus einzelnen Stücken zusammengesetzt sein. Dadurch wird ein Festklemmen durch Verbiegen weitgehend vermieden. ■ -

Günstig ist u. a. ,dass die vorliegende Erfindung die gleichzeitige Entfernung aus dem Core von mehr als einem Regelstab oder einer Regelstabgruppe unmöglich macht. Ferner ist die Folge eines Ausfalls des Druckmittels ein Absinken der Rerelstäbe in den*" Core; die nachfolgende Wiederanhebung der He^eI-stäbe kann nur einzeln oder gruppenweise erfolgen. Die einzelnen Regelstäbe können nur in der ganz in den Gore eingeführ-

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ten, oder ganz aus ihm herausgezogenen Stellung gehalten werden. Dies ist besonders beim Einsatz in flüssigmetallgekühl·- ten Reaktoren günstig, weil diese, und insbesondere auch schnelle Reaktoren, für die örtliche Beeinflussung der Ausgangsleistung durch Regelstäbe nicht besonders empfindlich sind.

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BAD ORIGINAL

Claims (1)

1. ■"■■" ■-;■■■ ■■:■ ■■.,■■ & : / ζ.

   .-".:--"■ "■-■■■".-.' Patentanspruch

   Hydraulisches Antriebssystem für Regelstäbe in Kernroairboren, gekennzeichnet durch wenigstens ein senkrecht im Gore (15) angeordnetes Führungsrohr (IJ;) von der doppelten Lange der Gorehöhe, in dem ein Regelstab (14-) von der halben Länge des Führungsrohrs locker gelagert ist, an beiden Enden des Führungsrohrs dieses verschliessende Abdichtungen (l?, 18) mit

   *- einer Öffnung (19) im oberen Ende,_> Mittel zur Erzeugung eines Niederdruckes (22)-sowie Mittel zur Erzeugung eines Hochdrucks (20), und mindestens drei derart mit dem Führungsrohr und den Nieder- und Hochdruck erzeugenden Mitteln verbundene Ventile und entsprechende Leitungen, dass durch öffnen eines ersten und dritten Ventils tind Schliessen eines zweiten Ventils der Regelstab durch Anlegen des unteren Endes des Führungsrohrs an Hochdruck bis zum Anschlag an die obere Abdichtung angehoben wird, und beim Schliessen des dritten Ventils, öffnen des zweiten Ventils und geöffnetem ersten

   ' Ventil das Führungsrohr durch Verbindung mit den Niederdruck erzeugenden Mitteln rasch druckentlastet und der Regelstab bis zum Anschlag an die untere Abdichtung sofort abgesenkt wird. , "...-".

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