DE1963220A1 - Vorrichtung zur Feinregelung und zum Schnellstopp bei Kernreaktoren - Google Patents

Description

United States Atomic -Aner^y Oonmission u-ermantown, i Maryland, USA

Vorrichtung zur I-'einre^elmi^' und
Schnellst gp2_Dei_i;ernreaictoren

Uie .Jrfindun;; betrifft ei^ie Vorrichtung zur x'einrejelun,-; und 2u.i Scnnellstopp bei Lernrealetoren, bei denen für aie x⁽¹einre£;elun,;; und den Schnellstopp Rejjelstäbe (25. ,'. (Jadmiumstäbe oder -Jorstähle) teilweise oder ,van?.; in lotrechte .^ohriuvren des lieaktorkernes einführbar sind. j3in typisches Lernreaktor-flegelsysteiri

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ist beispielsweise in der ü3-Patentschrift 3 232 841 vorgesehen, un durch .ieiiie ^ev/e gungen des Regelsta— bes die vo:;i Reaktor abgegebene Leistung re/eln zu können, durch schnelle Jinführunr des Rerelstabes QXiI seiner ganzen. Lär.r;e in die iohrunge:i des Reaktor— icernes jedoch L·:. Lotfall den Reaktor stillsetzen zu können. Die Ilegelstäbe sind so angeordnet, daß sie bei einen Schnellstopp aus ihren naltezanren relöst werden und nunmehr unter 3chwer!:ra£twirl-run^; nach unten fallen, v/obei die Ae -elstäbe auf der.: letzten xeil ihres "^e~es ao£;eOren:st v/erden.

Eine solche Vorrichtung er_"ülix; jedoch nich-j alle Anforderungen, insoesonaere oiche^-iei~sar.forderunicen, die rerade für den iall gestellt v/erdeia r.üssen, da^ der Regelstab beiu uCiinells-joppvcr^ai'-^ stechen bleibt oder zur.i Beispiel das ^..etz ausfall":.

Weiterhin err-iöc-iicht es die irfiiidun-^, die bei.:. 3cl^.iellstoppvor_aii£· a,uf den Re;;elsxab au3-^veüji:en Kräfte größer zu i..acher_ als die durch die ioiiv/erkraft verursachte !.assenhraft.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, da/i eir. erster ■.vechselstron-oynchron-l.otcr r:it drei f eir.a.".-;es tuft en Ausgangsdrehzahlen vorgesehen isx; 'Ia-Z ein zv/eiter ",Vechseletron—33/nchroii—ilotor mit ^zonstanter !ürehzahl den Außenring eines Differentialgetriebes antreibt, der Steg des Differentialgetriebes aoer vor:, ersten i.otor anget??ieben v/ird, während sein inneres Sonnenrad u.eil der den Regelstab tragenden ICugelgewindespindel ist und daß Richtung und 3röße des Abtriebes eine Punhtion des jeweiligen Antriebes ist, wobei

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die Drehzahlverstellung des ersten rlotors Richtung und Geschwindigkeit des Abtriebes des Differentialgetriebes bestimmt.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin eine Bremse vorgesehen, welche die Drehzahl des ersten motors stoppt und dadurch dafür sorgt, daß der Abtrieb des Differentialgetriebes rascher lr.i Sinne "Schnellstopp" läuft. Das Differentialgetriebe v/eist erfindungsgemäß ein von de::, zweiten kctor angetriebenes, iiinenversahntes Sonnenrad Mit relativ große:.. Schwungroßen!, auf, wodurch das liinschieben- der Regelstäbe auch dann sichergestellt ist, wenn beide i-.otorer. ausfallen.

Die vorliegende jirfinduii,- vermeidet also nicht nur die Kachteile der teiiaiinteii .orrichtun;:en sur I^reinregulierunj und zu:y. Scimellstopp tei Lernreaktoren sondern isc eine den Bekannten gegenüber vereinfachte und siclierere Konstruktion, die in I«ori:.albetrieb genau und Teinfüiilig arbeitet, während sie im Falle "Schnellstcpp" :..it positiver i-rai"t und unabhän-_-i-· von dei' Schwerkraft die ite.-jelstäbe in die ^ohrurijer. des Rea^torkernes hineinschiebt. Darüber hinaus ist die Herstellung uiid ".v'artu:i; wesentlich einfacher als bei den bisher bekannten Verrichtungen.

Sum besseren ,'erständiiis der Zrfindunj wird nachstehend ein AusrTührunjsbeispiel beschrieben und dargestellt:

?i-;ur 1 ist ein teilweiser Längsschnitt

eines bevorzugten Ausführungsbei— sBieles und

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Figur 2 ist ein Querschnitt längs der Linie II-II - jedoch um 90° gedreht.

Jlach den Figuren 1 und 2 besteht die Vorrichtung 10 aus einem Gehäuse 12 mit einem im einzelnen nicht näher dargestellten W'echselstrom-Synchron-i-Iotor 14 mit Bremse 16, einem zweiten V/echselstrom-Synchroni-iotor 18, einem Planetengetriebe 22 und einem als Differentialgetriebe v/irkenden Planetenradgetriebe φ Eine loigelgewindespindel 26 bildet den Abtrieb des

Planetenradge.triebes 24. Die Anordnung der Ueile innerhalb des Gehäsues 12 ist aus der Zeichnung zu ersehen.

Der erste tfechselstron-Synchron-ilotor 14 kann bei kleinen Drehzahlen mit drei dicht beieinanderliegenden Drehzahlen laufen^ . Dies ist eine JTunktion der iietzfrequenz und der Anzahl der Pole und zwar in der vfeise, daß entsprechend dem allgemeinen Stand der xechnik die ilotordrehzahl gleich ist den Quadrat der Juetzfrequenz und umgekehrt proportional der Polzahl. Daher kann i'.an durch Zuschal- * ten von Statorpolen die Drehzahl des Synchronmotors

sehr feinstufi.~ rerein. 2in typischer Synchronmotor i'ür die Anwendung in der vorliegenden Erfindung hat "oeispielsv/eise drei J-eschv/indirkeiten, när.ilich 25,7^2, 3C,C0C und 3C,2^2 ~C/~ir..

Die ^re.T.se 16 kann r.:an als sogenannte "kalte Bremse" "oezeici-nen, v/omit zur. Ausdruck können soll, dafi die Bremse ir. llor:.:aloetrieb durch den fjleich.en ".vechselstrom in der Gfxensteliung gehalten wird, der auch auf den

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kotor wirkt und daß sie sich von selbst mit ihren Reibflächen an die des i-iotors anlegt, falls die Stromversorgung ausfallen sollte. '.'leim, die Bremse 16 eingefallen ist, dann verhindert sie durch Reibung die weitere Drehung der Welle 28, die sich vom ilotor 14 ausjAnach unten erstreckt. Einzelheiten der Funktionsweise sind nicht dargestellt, weil es sich um eine konventionelle Konstruktion, aber nicht um einen Jeil dieser Erfindung handelt.

Fest mit der .ielle 23 verounden im Getriebe ist der innenverzahnte Außenring 32, der in Kugellagern 33 gelagert ist. Das innere Sonnenrad 34 sitzt auf dem Ende einer Vielle 36 und ist leicht drehbar in einer liohlwelle 54 und ragt durch den zweiten ViechselstroEi-Syncliron-:_otor 13 mit ihrer; unteren Ende in das PIanetenradgetriebe 24 hinein. Die Welle 36 ist während ihrer Passage durch den Synchron-^-otor nicht mit diesem verbunden. Sie ist nahe ihrem oberen Ende in 37

Ziirückkoi.uaend auf das als Planetengetriebe 22 ausgebildete betriebe 22: Das G-etriebe ist als Standgetriebe ausgebildet, erfüllt also nur die Ainktion eines einfachen Übersetzungsgetriebes. Sein iniienversahnter, vom ersten Syiichron-iiotor angetriebener Außenring 32 käi.iiut mit üblicherweise drei, mit ihren Achsen feststehenden "Planetenrädern¹¹ 33* und diese wieder :iit dem inneren Sonneiirad 34 der durch den zv/eiten x-iOtor hindurchge führt en i/slle 36. Die Planetenräder 3ö sind mittels .ugellager 46 auf ortsfesten Zapfen 44 gelagert, die in einer Querwand 48

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angeordnet sind.

Im Planetenradgetrlebe 24 ist ein Außenring 52 mit Innenverzahnung 52a vorgesehen. Der Außenring ist nit einer Hohlwelle 54 drehtest verbunden, die von den zweiten Viechseis tr or..-Syncnron-ι.ο tor angetrieben wird. Dieser r.otor hat eine geeignete Synchrondrehzahl, in vorliegenden ueispiel 36C U/min. Die Hohlwelle 54 und der Außenring 52 drehen sich gemeinsam: und unabhängig von der '«eile 36 auf x-ugellagern 57, :>8 und Der Außenring 52 hat ein Möglichst groibes 3ch.wungEior.ient im Verhältnis zu den/des Aussenringes 32, urn genügend leine tische Energie aufzuspeichern . um eine schnelle Einführung der Lontrollstäbe au sichern, falls der zweite ^I.vechselstrou-3ynchror--_iiotor 1-3 ausfällt.

Auf der //eile 5o ist ein als Planetenrauträger dienen— der Steg 60 angeordnet, der drei Planebenräder 61a, 61b, 61 c trägt, die mit der lliiaenverzahnunf; des Außenringes 52 kärjiien, wie ans !Figur 2 ersichtlich ist. Das Planetenrad 61a sitzt auf einer ./eile 62, die i-iit— tels Kugellagern 64 in: Planetenradträger 6C gelagert ist..Die übrigen Planetenräaer sind in gleicher ."/eise drehbar abgestützt. Ein inneres Sonnenrad 66 ist auf dem Ende einer Abtriefcsv/elle 63 ::;it eis Kugellager 72 gelagert.

3ei den zweiten Getriebe handelt es siel, also um. ein echtes Ilanetengetriebe, dessen Außenring von zweiten Hotor und dessen Planetenradträger von ersten üotor angetrieben wird. Das Ergebnis ist die Dum-e oder die Differenz der eingespeisten Drehzahlen.

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Während des Betriebes der eben beschriebenen Vorrichtung arbeiten der erste und auch der zweite Synchronmotor dauernd. Beide sind mit der Kugelgewindespindel ohne Verwendung von Kupplungen oder anderen i'rennvorrichtungen verbunden. Dabei läuft der Ilotor 14 mit 30 U/r.iin ui;i; diese Drehzahl wird in Getriebe 22 10:1 ins Schnelle übersetzt, so daß die Welle 60 mit 300 U/min umläuft in Richtung des Pfeiles A. Der zweite riOtor 18 und damit der Außenring 52 laufen mit J6C U/nin in der gleichen Richtung u:i - in: Uhrzeigersinn - so daß es nöglich ist, die Bedingungen su ermitteln, unter denen das innere 3onne"nrad 66 und deshalb auch die Kugelgewindespindel 26 stillstehen. Der Zweci: der Getriebeanordnung 22 mit eine::: inneriverzahnten, als Ätandgetriebe ausgebildeten Planetengetriebe liegt darin, die erreichbaren Drehsahlen von mit Ketzfrequenz, beispielsweise 60 Kertz arbeitenden Synchronmotoren an verschiedene Parameter des jeweiligen Reaktors anzupassen.

In Bezug auf das Planetengetriebe 24 gilt:

J¹ = 1 -

wobei i' = Umdrehungen des Sonnenrades 66 pro Umdrehung der Welle 6C

S = Umdrehungen des Außenringes 52 pro Umdrehung der Welle 60

B = Anzahl der Zähne 52a von 52

3 = Anzahl der 2ähne des inneren Sonnenrades 66,

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(10 452) S -&<■

das Verhältnis ^ = = 5 und F = O,

dann ist

-Wie r.-an sieht, ist bei geeigneter Auswahl der Übersetzung 22 und des Planetensystems 24 die I-xöglichkeit gegeben bei einer U-runddrehzahl des ersten Wechselstrou-Synchron-riotors, bei übersetzung 10:1 und den übrigen oben angegebenen Größen die au! das innere Sormenrad 66 und danit auf die i.ugelgewindespindel einwirkende .Drehzahl genau ITuIl zu machen.

i'/enn der Beitels tab angehoben werden soll, dann wird die Drehzahl des Hotors 14 erhöht auf 30,252 U/min und das innere Gonnenrad 66 wird pro Umdrehung des PIanetenradträrers 6t C,Ci; U:..dreixungen ausführen.

l;.i den iie_fvelstab abzusenden, ist eine Änderung der Lrehsahl des ersten Synchron-^otors 14 τοη 30,000 ü/min auf 29,752 u/niin erforderlich, was den gegenteiligen Effekt auslöse.

Die _ rehzahl änderungen izönnen durch Änderung der Anzahl der wir^sa-.en Statorpole des ersten motors erreicht werden.

Dies l:ami r.:en auch erreichen, inder.; man drei unabhängige Statorringe "vorsieht, die entsprechend ihrer Stellung auf den Rotor einwirken, was sicherstellt,

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daß der Wert "S", der oben verwendet wurde, seinen Wert beibehält unabhängig von Iletzfrequenz-oehwankimgen. Die drei \,οtordrehzahlen in den beschriebenen Ausführungsbeispiel sind echte Synchrondrehzahleii, wenn man die Anzahl der Pole in Stator, die auf den Rotor einwirken bei einer Frequenz von 60 ^ertz zugrundelegt, anstatt die üotordrehzahl durch frequenzänderung zu erzeugen. Die drei Drehzahlen und ihre entsprechende Polzahl ergeben sich wie folgt:

ü/ nin	GO2	X	Frequen	„2 Zj
			/^2 Anzahl	der Pole
				3C,252 υ/:
	Π κ	23ü	50, CGO ü/]
und
		24Γ"

und 2k? _ - 29,7^2 u/nin

0, ΠΓ"2Τ2

Cüvrohl die drei Syucüronarehzahleii als beispielhafte ,x oaolu.:,v/Grte je geben sind, sei vermerkt, daß die 7or tun,: leüi jiich einG relative Regelung benötigt.

jJa sowohl aer erste r.ovior als auch der svreive ...otor von derselben i-'requenz gesoeist v/erden, oestirj.en ihre iiel£Vi;lv_;e3chv7indigl"eiten den Viert "S" in der l/eise, daß er unaoüän \l · von ^renueiiaschv/aiL-ruri■^-en ■jleibt. ja·-ei ist ¹¹J" jLpf lüicl· uer .mzahl der role de^ crc.ci notors ._,etcilij durcii die zehnfache Anzahl der role aos zweiten i.otors (der Faktor 10 riLurt vo:. u-;errjotsungagetriebe 22 iier). In der.: be-

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Yorzu-_:ten Aus Jühriu3/;8 Beispiel ist also eine ^edin ung Z den Stillstand der i-sa el jeuir-deopiiidel "ejeceri durch

° ~ 2C Pole :■: 10 - '»*■ ^α**-· - - ^.

Die ^ev/iüischten ^escixwindi^olvsver'ia tnisse vrerden also unaohän-jij" von i.ecz_'reque-iG—Jeliv/anicuii^en erhalten. J₁S Ist sehr schv/ieri:· ;.it anderen hinstellvorriciitungen, v/ie z. _j. ..:it i"renuenzre_;;;lem, einen solciien .rad von Jer-auijLiei'i; zu erhalten, .-an ciei-t also, daU oei der vorliegenden !Jrxindiin;j das .- er-iältnxs von An;rieo zu Äbörieb be stirbt ist durch eir.e Relativ oevre-'-jun;-; der beiden Antriebsr.otoren, basierend aui' einer bes~i..r.:ten Anzahl von i-olen und ';e:.e-h-3a-.:er i.etzfrenuenz anstatt' die rXioren i.iit petremiten l^;reouenare,Tlern einaure"elii.

!3s sei an^eivierht, da.W v/ä^-reiid des iior::.alen ^r-eljens der VorriCiituiiy. drei Drehzahlen zur Ausviahl sbehen, nämlich langsar; abwärts, la/.:"sar. au£Värts oder otill-stand des inneren Sor^ienrades 66 und dai..it natürlich auci/der Re.^elstäbe. !Darüber hinaus ist die soeben beschriebene 7orrich~uii" auoh -eei-r-et, eine rasche ent-/:e^:en der.: Uhrzeiversinn -^ericr-tete Rotation der i/urel— gev/indespindel zu erzeu jen, -./as eine rasche Jini'iuirun'j der Rerelstäbe in die _chru;.jeri des Rsalctorhernes zur !i?olge liat. -Beiu Lösen der J ^ror.zuftiiir zur halten ^re:..— se 16 v/erden die .'eile >-> uiiä die ..'eile SC blockiert, wodurcr. r.an eine ^rhohun^: der Dreiizahl des inneren abtreioenden Sonnenrades 56 in eines l-esclivmidiv>ei-tsverhältnis van 1:5 erhält.

Sollte das x.eta a-usfallen, so fällt automatisch die "I:alce jJrer.ise" ein und blockiert die V.'elle 36 und die .•/eile 60.

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Weiterhin i:ann vorgesehen sein, daß der in besonderer Anordnung an der Ku^elgewindespindel befestigte Regelstab, allein unter der wirkung der Schwerkraft in die Bohrungen des Reaktors fallen kann.

Abschließend sei noch darauf ingewiesen, daß lediglich das äuiere Sonnenrad i?2 des Differentialgetriebes 24 eine möglichst große kasse aufweisen sollte, während die I-iasse des oonnenrades 52 und auch der "Plane tenräder" 3S Möglichst gerin;- sein soll, dar.iit erstens eine schnelle Drehsahländern j des ersten l-.otors zwecks feinfühliger Rejelstab-Verschiebunc und sweitens eine rasche 5re .sun · ::b\:licl'. ist.

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Claims (1)

1. i■? ben ,ansprucne

   M.) .or -ichtun,-- sur i'einre-.'elun^ und. zuhi ochnellstopp ^r.-oi ..'jrnrea-ctoren, bei denen irr die !''einre^elun^ und ae.i Jchnellstopp lie _elsz'a\ e (z. j. üadmiuia stäbe eier -orstUhle) teilweise oder .ans in lotrechte i-ohruii'-cn des Iiea]:tor.:ernes eini'ührbar sind, dadurc. "C-erjiseiciiiiet;,

   daw ein erster '.vechselstro..-oynchron-iiOtor (14) :"ϊΐ drei ..'■vi.-a.- estui'ter. Aus a.i-"Gc.re::cai-len und ein erstes je^rie· οπτ. ζ je:-; (22) v"or.;eceiier. :^:c^:;; daß ein zweiter .■i"ec:.3els"trc.-Synchron-..o;or U-; :it konstanter Drehcal'il de:, .'.u^enrin.-; (>2) ei::es JUreren-ö'ial.'jetriebes (24) a.itrei.'., der 3-;e-y des Li:-"_"erer.^-:ial;;etriebes (24) aber vo".. ers";>ji- . oucr (14) an^etrieoe.i wird, wäl^rend sein ixu.eroG _u;..:.e:;rad (ό6) ...eil aer den ^terelstaL traren— ion :-u ■·_■!. ov/i;.uOEpii;ael ^w(2:ö) i3-„ χιΛ daß liicntun;;·; und iröwe ::^r:S .^.".-^rieoes eine j'u;J.i,io:. des Jeweiligen An-,rie.ea 'Ir.-;., v/o ..ei die Drei.2a:.ivor3"^:,ellun^ des ersten ..o';c;?£ ■, 1 -; :-.ic:.";un,_" und jesc^v/;\..di.^.eit des Abtriebes des lJi-\:"ere:-;iai "etrie^es

   rric

   -vU.r._:; i.aoi: Anspruch 1, aadurch ^ekennzeichei:.e „re.v.se (Ιό) vorrjesolien ist, welche die "Jes erster. .o^J;cr- (14) 3-;oppt und dadurch

   d?.i""L-r scr^^, da^ der A

   (2-1; rascher i:.: Jir^-.c- "Sc^ells^opp" läu^t.

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   5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialgetriebe (24) ein äußeres Sonnenrad (^2) relativ _;^roi3en Schwunghiomentes aufweist und dadurch bei ''Schnellstopp" das Einschieben der Re^eIstäbe auch dann gewährleistet, wenn beide i.o tor en ausfallen.

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