DE2044303A1 - Vorrichtung zur Regelung und Ab schaltung von Druckwasser Kernreaktoren - Google Patents

Vorrichtung zur Regelung und Ab schaltung von Druckwasser Kernreaktoren

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DE2044303A1 DE19702044303 DE2044303A DE2044303A1 DE 2044303 A1 DE2044303 A1 DE 2044303A1 DE 19702044303 DE19702044303 DE 19702044303 DE 2044303 A DE2044303 A DE 2044303A DE 2044303 A1 DE2044303 A1 DE 2044303A1
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Description

AKTISMESELLSCliAfii! Erlange*, 7. 9. 70
Ie*iia und Müiiöhöö Weriier-von-Siemens^trafie
UiiBer Zeichen: VfA 70/9429 Ms/3)i
Vorrichtung zur Segelung und Abschaltung von Druckwasse^-Keraröakiören
Zur Erhöhung der G-esamtwärmeleistung eines Druckwasser-Kernreaktors muß eine möglichst gleichmäßige Leistungsverteilung erreicht werden. Hierzu sind neben der bekannten Borsäufevergiftung des Kühlmittels eine möglichst große Zahl mechanisch bewegter Absorberstäbe erforderlich, die möglichst gleichmäßig über den Kern verteilt sind. Diese Absorberstäbe werden dabei in die Steuerstabführungsröhrchen bestimmter Brennelemente des Reaktorkerns eingefahren. Ein wesentliches Problem sind dabei die Kosten der Steuerelemente und ihrer Antriebe sowie der Platzbedarf der Antriebe auf dem Druckbehälterdeckel, da neben den grauen Steuerelementen im allgemeinen noch zahlreiche weitere schwarze Steuerelemente zum Abschalten des Reaktors erforderlich sind. Als neutronenabsorbierendes Material kommt hierbei insbesondere B.C oder Ag In Cd in Frage. Bei bekannten Kernreaktoren können daher von den insgesamt vorhandenen Steuerantriebspositionen nur etwa ein Viertel mit Graustäben besetzt werden, die auch bei Vollast in den Kern eintauchen dürfen, da die übrigen Positionen wegen der Abschaltreaktivität für Schwarzstäbe erforderlich sind. Aus diesem Grunde kann das Absorbermaterial für die Regelung der Leistungsverteilung nur in sehr unvollkommener Weise in feiner Verteilung in den Kern eingebracht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung und Abschaltung von Kernreaktoren zu schaffen, die bei geringem Platzbedarf eine gleichmäßig feine Verteilung
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der Graustäbe im Reaktorkern ermöglicht, wodurch die Gesamtwäraeleistung des Reaktors erhöht werden kanfl. Darübe? hinaus söü damit gleichzeitig auch eine sichere Abschaltung des Reaktors gegebeß sein.
Die Vorrichtung nach der Erfindung besteht dabei aus eifleffl Doppelsteuereleffient mit einem Steuerelement mit einem öde? mehreren» übe? eine spinnenformige Halterung ah eine? Antriebsstange befestigten Fingersteuerstäben ühd mit eine gesonderte koaxiale spinnehförmige Halterung füf möhfefe I*ingerabschaltstäbe aufweisenden Abschält element.
DuI4Ch dieses Doppelsteuerelement ist eine erhebliche Vergrößerung der Zahl der grauen Steuerelemente ohne Verringerung der Zahl der erforderlichen schwarzen Steuerelemente mögiich* wobei an den Brennelementen am Kerngerüst und am Kesseldeckel selbst keine nennenswerten Änderungen erforderlich sind*
Bei dem Doppelsteuerelement ist die spinnenförmige Halterung des Abschaltelementes oberhalb der des Steuerelementes aflgeordnet und das Abschaltelement stützt sich beim Hochfahren auf der Halterung des Steuerelementes ab. Dabei weist das Abschaltelement ein gesondertes Antriebsrohr auf, das die Antriebsstange des Steuerelementes konzentrisch umschließt.
Als Antrieb für das Steuerelement kann ein herkömmlicher magnetischer Klinkenachrittheber verwendet werden. Da das Abschalt element jedoch nur voll in den Reaktorkern eingefahren oder aus diesem ausgezogen ist, ist dafür lediglich eine Haltevorrichtung im ausgefahrenen Zustand erforderlich. Dabei kann das obere Ende des Antriebsrohres für das Abschaltelement als magnetischer Hohlanker ausgebildet und von einer das Steuerantriebsgehäuse konzentrisch umschließenden Magnetspule derart festgehalten sein, daß bei Entregung der Magnetspule das Abschaltelement durch Wirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern einfällt.
Das Hochfahren des Abschaltelementes geschieht dadurch, daß das
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Steuerelement das Abschältelement mitnimmt. Dafür ist das untere Ende des Antriebsrohres für das Abschaltelement entsprechend dem verstärkten unteren Ende der Antriebsstange des Steuerelementes im Bereich der Steuerstabhalterung derart erweitert, daß die obere Schulterdes verstärkten Antriebsstangenabschnittes beim Hochfahren das Abschaltelement mitnimmt.
Um das Einfallen des Abschalt elementes beim Auftreffen auf die spinnenförmige Halterung des Steuerelementes abzubremsen, kann oberhalb der Schulter des verstärkten Antriebsstangenabschnittes konzentrisch zur Antriebsstange eine Schraubenfeder angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, daß alleinoder zusätzlich zu dieser Maßnahme das untere Ende des Antriebsrohres unter Anordnung von nach innen ragenden wulstförmigen Verdickungen bis auf einen minimalen Strömungsspalt zwischen Antriebsrohr und Antriebsstange als Stoßdämpfertopf ausgebildet ist.
Ferner ist im unteren Ende der Antriebsstange eine das teleskopartig einschiebbare Endstück abbremsende Schraubenfeder angeordnet, die das Steuerelement selbst abbremst. Zusätzlich dazu kann im unteren Ende der Antriebsstange eine allein bei Einfallen des Abschaltelementes wirksam werdende Wiegefeder vorgesehen sein. Diese Wiegefeder kann gleichzeitig zur Stellungsanzeige benutzt werden, indem für das eingefallene Abschaltelement eine Meldespule vorgesehen ist, die die Stellung des Steuerelementes bei zusammengedrückter Wiegefeder anzeigt.
Eine andere Möglichkeit zur Stellungsanzeige für das eingefallene Abschaltelement besteht darin, daß eine innerhalb der Antriebsstange federnd gehaltene und oberhalb des verstärkten Antriebsstangenabschnittes mit zwei nach außen führenden Stiften und damit verbundenen Ring endende Anzeigestange derart angeordnet ist, daß bei einfallendem Abschaltelement die Anzeigestange durch Auftreffen der Erweiterungsstelle des Antriebsrohres auf den Ring nach unten gezogen wird. Dazu ist konzentrisch am oberen Ende der Anzeigestange eine Meldespule angeordnet. Die durch die Masse der Anzeigestange bei der Schrittbewegung entstehende Unruhe kann durch eine Verspannfeder und eventuell einen hydraulischen Dämpfertopf beherrscht werden.
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Zur Beschleunigung des Einfallens des Abschaltelementes kann ferner das Antriebsrohr mit einer beim Ausfahren des Abschaltelementes spannbaren und beim Entregen der Haltespule auf die Einfallbewegung des Abschaltelementes beschleunigend wirkende Abschußfeder gekoppelt sein.
An Hand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht des Doppelsteuerelementes mit aufgesetztem Antrieb,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Unterteil des Doppelsteuerelementes mit den beiden spinnenförmigen Halterungen,
Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie III-III nach Fig. 2 mit Blick auf die spinnenförmigen Halterungen,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Antrieb des Doppelsteuerelementes und
Fig. 5 eine Positionsskizze für die Steuerstäbe im Reaktorkern.
Nach der Gesamtansicht in Fig. 1 besteht da8 Doppeleteuerelement 1 aus einem Steuerelement 2 und einem Abschaltelement 3. Das Steuerelement 2 setzt sich zusammen aus einer Reihe von grauen Fingersteuerstäben 4, die über eine gemeinsame spinnenförmige Halterung 5 an einer zentralen Antriebsstange 6 befestigt sind. Das Abschaltelement 3 weist eine Reihe von schwarzen Fingerabschaltstäben 7 auf, die über eine ebenfalls spinnenförmige Halterung 8 an einem die Antriebsstange 6 umschließenden Antriebsrohr 9 befestigt ist. Antriebsstange 6 und Antriebsrohr werden koaxial über einen im Druckbehälterdeckel 10 eingeschweißten Stutzen 11 nach oben zu den Antrieben geführt. Dabei besteht der Antrieb für das Steuerelement 2 aus einem herkömmlichen Klinkenschrittheber 12, der sich zusammensetzt aus einer Hubspule 13, einer Greifspule 14 und der Haltespule 15, wie noch in Fig. 4 näher erläutert wird. Unterhalb des Klinkenschritthebers 12 ist die Haltespule 16 für das Abschaltelement 3 ange-
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ordnet. Am oberen Ende des Antriebs befindet sich noch eine Magnetspule 17 für die Stellungsanzeige des Abschaltelementes und darüber weitere nicht näher dargestellte Stellungsanzeigevorrichtungen 18 für das Steuerelement.
In Fig. 2 ist in vergrößertem Maßstab das Unterteil des Doppelsteuerelementes 1 näher dargestellt. Die spinnenförmige Halterung 5 für die grauen Fingersteuerstäbe 4 ist dabei am verstärkten unteren Abschnitt 19 der zentralen Antriebsstange 6 befestigt. Die spinnenförmige Halterung 8 des Abschaltelementes 3 verläuft oberhalb der Halterung 5 für das Steuerelement 2 und kann sich beim Einfallen des Abschaltelementes auf der Halterung 5 des Steuerelementes abstützen. Das Abschaltelement 3 kann nach dem Einfallen nur durch Herausziehen des Steuer- M elementes 2 wieder gehoben werden. Dazu ist das untere Ende des Antriebsrohres 9 entsprechend dem unteren verstärkten Antriebsstangenabschnitt 19 aufgeweitet. Dadurch legt sich beim Hochziehen des Steuerelementes 2 die obere Schulter 21 des Antriebsstangenendstückes 19 an die Erweiterungsstelle 22 des Antriebsrohres 9 an und zieht somit das Abschaltelement 3 mit nach oben.
Beim Einfallen der Abschalt- und Steuerelemente im Zuge einer Reaktor-Schnellabschaltung werden normalerweise die in den Brennelementen vorhandenen Fingerstoßdämpfer wirksam. Es kann jedoch ausnahmsweise ein Abschaltelement auf ein beispielsweise
in halber Höhe stehendes Steuerelement fallen. φ
Um dann den Einfallstoß des Abschaltelementes abzubrennen, ist darüber hinaus das untere Ende 20 des Antriebsrohres 9 als Stoßdämpfertopf ausgebildet, indem am verstärkten Abschnitt 19 der zentralen Antriebsstange 6 eine wulstförmige Vurdickung 23 vorgesehen i;it, so daß nur ein schmaler Auss tröm£;pal t 2\ zwischen Antrlebsrohr 9 und Antriebnntange 19 freihieibt, durch die die in dem Raum 25 vorhandene Flüssigkeit au?i treten kann. Ferner int es mögLich, daß oberhalb des verstärkten Antriebsstangenabschnitts 19 konzentrisch zur Antriebsstange 6 eine Schraubenfeder 26 zum weiteren Abbremsen des einfallenden Abschaltelementes 3 angeordnet ist.
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Das untere Ende der Antriebsstange 6 weist ein teleskopartig einfahrbares Endstück: 27 auf, das ebenfalls über eine Schraubenfeder 28 gegen die eigentliche Antriebsstange 6 abgefedert ist und als Reststoßdämpfer beim Auftreffen des Steuerelementes 2 auf die obere Abachlußplatte des Brennelementes wirkt. Konzentrisch zu dieser Schraubenfeder 28 ist eine weitere weiche Wiegefeder 29 angeordnet, die lediglich dauernd zusammengepreßt wird, wenn das Abschaltelement 3 voll eingefahren ist und das Steuerelement 2 zusätzlich niederdrückt. Dadurch kann die. Stellung des Steuerelementes zusätzlich zur Stellungsanzeige für das Abschaltelement 3 herangezogen werden.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Doppel3teuerelement 1 mit Blick auf die beiden spinnenförmigen Halterungen und die daranhängenden Pingerabsorberstäbe dargestellt. Nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist dabei das Doppelsteuerelement, das jeweils einem einzelnen Brennelement 30 zugeordnet ist, acht graue Stäbe 4 auf, die in entsprechende Positionen des Brennelementes einfahren, auf denen sonst die einzelnen Brennstäbe sitzen. Darüber hinaus sind für das Abschaltelement 3 zwölf schwarze Pingerstäbe 7 vorgesehen, so daß das gesamte. Doppelsteuerelement im ganzen zwanzig alrs Absorber wirkende Pingerstäbe aufweist.
In Fig. 4 sind im vergrößerten Maßstab die Einzelheiten des Antriebs dargestellt. Der Antriebsteil für das Steuerelement 2 besteht in herkömmlicher Weise au3 einem Klinkenschrittheber 12 mit Hubspule 13, Greifspule 14 und Haltespule 15, wobei in dieser Figur noch die Nuten 31 in der Antriebsstange 6 für das Steuerelement dargestellt sind, in die die KLinken 32 des KlInkenschri t theber3 12 einrasten bzw. bei Ausklinken ein fichrittweinen F3ewegen des Steuerelementes ermöglichen.
Zum E^sthaLten des Abiu-hn I telemen tes "> in seiner oberen Kndsteilung int das obere Ende des Antrieb-srohren 9 air. magnetischer Hohlanker 5 5 ausgebildet und auo einem ma^not uiohen Werkstoff hergesteLLt. Durch die zui-uitzl lohe Hai te.r;pu Le U wird dadurch dan Antrieb:;rohr 9 in meiner oberen Endstellung gehalten. Zusätzlich ist dabei in bekannter Weise im Bereich der
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Haltespule 16 ein Steg 34 aus unmagnetischem Material vorgesehen, um einen Kraftlinienfluß über den magnetischen Hohlanker 33 zu gewährleisten.
Bei Entregen der Haltespule 16 fällt dann das Abschaltelement 3 allein durch Wirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern ein. Um dieses Einfallen zu beschleunigen, kann zusätzlich noch eine sogenannte Abschußfeder 35 vorgesehen sein. Diese Feder 35 ist als Schraubenfeder ausgebildet und sitzt außen auf einer zylindrischen Hülse 36, die beim Hochfahren des Antriebsrohres 9 mitgenommen wird, so daß sich die Feder 35 spannt. Beim Abschalten der Spule 16 kann sich dann die Feder 35 entspannen und dem Antriebsrohr 9 einen zusätzlichen Impuls erteilen. M
Die im Vorhergehenden beschriebene Stellungsanzeige für das Abschalt element mittels der Wiegefeder 29 im Unterteil der Antriebsstange 6 ist jedoch nicht immer eindeutig, da sie auch anspricht, wenn beispielsweise das Abschaltelement sich in halber Höhe mit der voll eingefahrenen Antriebsstange 6 des Steuerelementes 2 verklemmt und damit die Wiegefeder 29 belastet. Aus diesem Grunde wird noch eine eindeutigere Stellungsanzeige vorgeschlagen. Dazu ist, wie insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist, innerhalb der Antriebsstange 6 eine Anzeigestange 37 geführt, die am unteren Ende zwei nach außen führende Stifte 38 und einen damit verbundenen Ring 40 aufweist. Beim Einfallen des Abschaltelementes 3 wird dann durch Auftreffen des unteren Halteringes 42 A der Feder 26 auf den Ring 40 die Anzeigestange 37 nach unten gezogen. Über eine zusätzliche Meldespule 17 oberhalb .des Klinkenschritthebers 12 kann dann durch Änderung der Induktivität die Stellung des oberen Kopfes 39 der Anzeigestange 37 ermittelt werden.
In Fig. 5 ist noch einmal die Verteilung der Fingersteuerstäbe 4 über einen Teil des Reaktorkerns dargestellt. Dabei zeigt sich besonders die gleichmäßige und dichte Verteilung der grauen Steuerstäbe, mit der eine erhebliche Vergleichmaßigung der Leistungsverteilung im Reaktor erzielt werden kann, ohne daß zusätz-
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liehe Antriebspositionen für die unbedingt erforderlichen Abschaltstäbe vorgesehen werden müssen.
Bei dem beschriebenen Doppelsteuerelement wurde von einem Klinkenschrittheber als Antrieb für das Steuerelement ausgegangen. Ee ist aber auch möglich, andere bekannte Antriebe, wie magnetische Reibungsschrittheber oder Zahnstangen-, Seilbzw. Spindelantriebe mit fahrender Magnetkupplung oder ähnliche zu verwenden, wobei sich gegebenenfalls eine höhere Ein- und Ausfahrgeschwindigkeit für die Steuerstäbe ergäbe. Darüber hinaus zeichnet sich der Doppelsteuerstab des beschriebenen Konstruktionsbeispiels durch besonders einfachen Aufbau aus, wobei auch auf lösbare Kupplungen zwischen Antriebsstangen und den spinnenförmigen Halterungen verzichtet wurde. Bei einem Brennelementwechsel wird hier die gesamte Doppelsteuerelementeinheit herausgezogen und in das Abklingbecken transportiert werden, bevor das Kerngerüst abgehoben wird. Die Anwendung von Kupplungen ist Jedoch durchaus möglich, beispielsweise so, daß nur das Steuerelement entkuppelt wird, nachdem es vorher mit dem Abschaltelement in der Steuerelementführung hochgezogen und dort mit einer Sperre festgehalten wurde.
Darüber hinaus ist eine Änderung der zahlenmäßigen Aufteilung und der Absorberintensität der einzelnen Pingerstäbe und deren Verteilung über den Brennelementquerschnitt in weiten Grenzen möglich. Beispielsweise kann auch ein "graues" Steuerelement aus einer entsprechend geringen Anzahl schwarzer Finger aufgebaut werden. Ferner kann auch die Absorberintensität der grauen Stäbe über die Länge der Finger verändert werden, indem beispielsweise nur bestimmte Abschnitte des Fingers mit einer stärkeren Absorberwirkung in der Weise ausgestattet sind, daß das Steuerelement einer Leistungsüberhöhung in der unteren Reaktorhälfte entgegenwirken kann und trotzdem beim versehentlichen Einstellen aus beliebiger Höhe keinen gefährlichen Reaktivitätszuwachs auslösen kann. Für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist es nicht erforderlich, daß das Abschaltelement durch eine magnetische Haltespule unmittelbar
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gehalten wird. Vielmehr können hierfür auch mechanische Glieder, beispielsweise Klinken, eingesetzt werden, die entweder im Steuerantrieb,oder mit indirekter Betätigung im Inneren des Reaktorbehälters, beispielsweise am oberen Ende der Steuerelementführung 41, eingesetzt werden.
13 Patentansprüche
5 Figuren
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Claims (1)

  1. 204A303
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    Patentansprüche
    Vorrichtung zur Regelung und Abschaltung von Druckwasser-Kernreaktoren unter Verwendung von vertikal in die Brennelemente des Reaktorkerns ein- und ausfahrbaren stabförmigen Absorbern, gekennzeichnet durch ein Doppelsteuerelement (1) mit einem an sich bekannten Steuerelement (2) mit einem oder mehreren, über eine spinnenförmige Halterung (5) an einer zentralen Antriebsstange (6) befestigten Fingersteuerstäben (4) und mit einem eine gesonderte, koaxiale spinnenförmige Halterung (8) für mehrere Pingerabechaltstäbe (7) aufweisenden Abschaltelement (3)«
    Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spinnenformige Halterung (3) des Abschaltelementes (3) oberhalb der des Steuerelementes (2) angeordnet ist und sich das Abschältelement (3) beim Hochfahren auf der Halterung (5) des Steuerelementes (2) abstützt.
    Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschaltelement (3) ein Antriebsrohr (9) aufweist, das die Antriebsstange (6) des Steuerelementes (2) konzentrisch umschließt.
    Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Antriebsrohres (9) für das Abschaltelement (3) als magnetischer Hohlanker (33) ausgebildet und von einer das Steuerantriebsgehäuse (40) konzentrisch umschließenden Magnetspule (16) derart festgehalten ist, daß bei Entregung der Hagnetspule (16) das Abschaltelement (3) durch Wirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern einfällt. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Antriebsrohres (9) für das Abschaltelement (3) entsprechend dem verstärkten unteren Ende (19«) der Antriebsstange (6) des Steuerelementes (2) im Bereich der Steuerelementhalterung (5) derart erweitert ist, daß die obere Schulter (21) des verstärkten Antriebsstangenabschnitts (19) beim Hochfahren das Abschaltelement (3) mitnimmt. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Antriebsrohres (9) unter Anordnung von
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    wulstförmigen Verdickungen (23) am verstärkten Abschnitt (19) bis auf einen minimalen Strömungsspalt (24-) der zentralen Antriebsstange (6) «wischen Antriebsrohr (9) und Antriebsetange (6) als Stoßdämpfertopf (20) ausgebildet ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zur Antriebsstange (6) eine im Stoßdämpfertopf (20) angeordnete Feder (26) zum Abbremsen des einfallenden Abschaltelementes (3) auf der Schulter (21) des verstärkten Abschnittes (19) der Antriebsstange (6) angeordnet ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im iurteren Ende der Antriebsstange (6)eine das teleskopartig einschiebbare Endstück (27) abbremsende Feder
    (23) angeordnet ist. M
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Endstück (19) der Antriebsstange (6) zusätzlich eine unter der zusätzlichen Last des Abschaltelementes (3) nachgebende Wiegefeder (29) vorgesehen ist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 91 dadurch gekennzeichnet, daß zur Stellungsanzeige für das eingefallene Abschaltelement (3) eine Meldespule vorgesehen ist, die die Stellung des Steuerelementes (2) bei zusammengedrückter Wiegefeder (29) anzeigt.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stellungsanzeige für das eingefallene Abschaltelement (3) eine innerhalb der Antriebsstange (6) federnd gehaltene und oberhalb des verstärkten Antriebsstangenabschnitts (19) «it zwei nach außen führenden und einen W Ring (40) haltenden Stiften (38) endende Anzeigestange (37) derart angeordnet ist, daß bei einfallendem Abschaltelement (3) die Anzeigestange (37) durch Auftreffen des unteren Halteringes (42) der Feder (26) auf diesen Ring (40) dieser nach unten gezogen wird.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zum oberen Ende der Anzeigestange (37) eine Meldespule (17) angeordnet ist.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das
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    Antriebsrohr (9) mit einer beim Ausfahren des Abschaltelementes (3) spannbaren und beim Entregen der Haltespule (16) auf die Einfallbewegung des Abschaltelementes (3) beschleunigend wirkende Abschußfeder (35) gekoppelt ist.
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    Leerseite
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