DE2152534A1

DE2152534A1 - Kernreaktor-Steuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2152534A1
Application number: DE19712152534
Authority: DE
Inventors: Gerard Dupux
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-10-23
Filing date: 1971-10-21
Publication date: 1972-06-29
Also published as: FR2108960A1; IT943452B; FR2108960B1; GB1293790A; BE773231A

Description

Patentanwälte Dfpl.-Ing. R. BEETZ mmn» DIpI-In-:. K. LAMPRECHT

Dr.-Ing. RD^ETZJr. ^

• Manchen 22, Steiiwdorfotr. If ' I

410-17.689P 21. 10. 1971

Commissariat ä I¹Energie Atomlque, Paris (Frankreich)

Kernreaktor-Steuerungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine.Kernreaktor-Steuerungsvorrichtung mit zumindest einem durch den Reaktorkern hindurchgehenden dichten Metallrohr, das an seiner Außenfläche durch die Zirkulation eines Kühlmittels gekühlt wird und an seinem einen Ende geschlossen ist, während das andere mit einem Reservoir für ein neutronenabsorbierendes Fluid in Verbindung steht.

Die erfindungsgemäße statische Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes eines Kernreaktors ermöglicht eine Einflußnahme auf den Wert des Multiplikationsfaktors der durch Spaltung von Kernbrennstoff gebildeten Neutronen und über den Momentanwert dieses Multiplikationsfaktors eine Erhöhung oder Verminderung der Reaktivität und mithin Leistung des Reaktors bezogen auf ein bestimmtes Niveau.

Bei der Überwiegenden Zahl der Einrichtungen zur Steuerung von Kernreaktoren wird von neutronenabsorbierenden Elementen oder Körpern in Form von Stäben, Platten, Stangen usw. Gebrauch gemacht, die mehr oder weniger tief in den Reaktor-

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kern, d. h, den Ort der Spaltungsreaktionen eingeführt werden und Substanzen mit einem hohen Neutroneneinfangsquerschnitt wie Bor, Cadmium, Hafnium oder dergl. enthalten, wodurch der Anteil der an der Spaltungsreaktion beteiligten und diese aufrechterhaltenden Neutronen mehr oder minder beschränkt wird. Diese neutronenäbsorbierenden Elemente werden im allgemeinen durch Mechanismen bewegt, die den Grad ihrer Einführung in den Reaktorkern in Abhängigkeit von Informationen regeln, die von einer zentralen Kontrolltafel für den Reaktorbetrieb herrühren.

Ziel der Erfindung ist dagegen eine statische Vorrichtung zur Steuerung von Kernreaktoren, die geeignet ist, die klassischen Steuerstäbe samt ihren Betätigungsmechanismen zu ersetzen, die relativ komplizierte Apparaturen und insbesondere heikle dichte Durchführungen durch das den Reaktorkern umgebende Gehäuse bzw. die Umhüllung erfordern.

Die zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Kernreaktor-Steuerungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr außerhalb des Kerns an seinem dem Reservoir gegenüberliegenden Ende von einer Wärmequelle mit regelbarer Leistung umschlossen wird und außer dem neutronenabsorbierenden Fluid ein flüssiges Arbeitsfluid enthält, das unter der Wirkung der Wärmequelle verdampfbad und unter der Wirkung der Kühlmittelzirkulation kondensierbar istj daß die Regelung der Heizleistung über die Verdampfungsrate des Arbeitsfluids eine Einflußnahme auf das Volumen des im Rohr anwesenden η-absorbierenden Fluids ermöglicht und daß die Innenseite des Rohres mit einem porösen Futter versehen ist, das von dem kondensierenden flüssigen Arbeitsfluid benetzt bzw. durchtränkt wird.

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Vorzugsweise wird die Wärmequelle durch einen elektrischen Widerstand gebildet, der das geschlossene Ende des dichten metallischen Rohres außen umgibt. Vorzugsweise ist weiterhin das neutronenäbsorbierende Fluid Helium-3» -^He oder ein Dampf eines flüchtigen neutronenabsorbierenden Körpers.

Weitere Merkmale der Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines AusfUhrungsbeispiels hervorgehen, das zur Erläuterung angegeben wird und keinesfalls einschränkend aufzufassen ist. Die Beschreibung bezieht eich auf die angefügte Zeichnung, in der schematisch ein axialer Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt ist.

In der Zeichnung wird der Kern 1 irgendeines mit thermischen oder schnellen neutronen arbeitenden Reaktors nur sehr schematisch angedeutet. Durch diesen Kern führen Kanäle 2, die dem Einsatz der Steuervorrichtungen vorbehalten sind und im übrigen von einem geeigneten Kühlmittel durchströmt werden, das zur Kühlung des Kerns und der Fortführung der in diesem durch die Spaltungsreaktion freigesetzten Wärmemengen dient.

Das gezeigte Steuerungselement umfaßt im wesentlichen ein metallisches Rohr J, das an seinem oberen Ende h zu ist und am unteren Ende 5 mit einem Reservoir 6 in Verbindung steht. Dieser Reservoir enthält ein gegebenes Volumen eines η-absorbierenden Fluids 7» das insbesondere durch Helium-3 •%e oder den Dampf eines flüchtigen η-absorbierenden Körpers gebildet wird. Während des normalen Reaktorbetriebes erreicht das Niveau des Fluids 7 im Innern des Rohres 3 die durch 8 mar-

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kierte Höhe, die ihrem Wesen nach je nach Wirksamwerden der Steuerungsvorrichtung variabel ist, wodurch das im Innern des Kanals 2 vorhandene Volumen bzw. der Volumenanteil des η-absorbierenden Fluids ebenfalls variabel ist und je nach seinem relativen Ausmaß auf den Neutronenmultiplikationsfaktor im Reaktorkern 1 einwirken kann.

An seinem oberen Ende bzw. Teil außerhalb des Kerns ist dem Rohr 3 eine Wärmequelle 9 zugeordnet, die einen Mantel 10 umfaßt, innerhalb dessen ein elektrischer Widerstand montiert ist, dessen Enden über Verbindungen 12 und 15 mit einer geeigneten und regelbaren Spannungsquelle verbunden sind. Die Wand des Rohres 3 oberhalb des Niveaus wird von einem Arbeitsfluid 14 benetzt, das vorzugsweise durch einen flüssigen Körper gebildet wird, dessen Natur von den für den Reaktorbetrieb ins Auge gefaßten Temperaturbedingungen abhängt und das in der Lage ist, in dem von der Heizquelle 9 umschlossenen Teil der Wand des Rohres unmittelbar zu verdampfen. Schließlich ist diese Wand innen oberhalb des Reservoirs 6 vollständig mit einem Putter 15 von geeigneter Blöke aus einem porösen Material ausgekleidet, das mit Hilfe von geflochtenem Maschengewebe, geformten oder Sintermetallelementen usw. gebildet ist.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung ergibt sich leicht aus der vorstehenden Beschreibung: Wenn die durch den elektrischen Widerstand 11 gebildete Wicklung von einem Strom geeigneter Stärke durchflossen wird, verdampft das im dichten Metallrohr 3 enthaltene flüssige Arbeitsfluid .14 und der gebildete Dampf bewegt sich in Richtung desjenigen Teils des Rohres 3* der normalerweise durch das Kühlmittel gekühlt wird, das außerhalb dieses

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Rohres im Kanal 2 zirkuliert. Dieser Dampf drängt dann das Niveau 8 des η-absorbierenden Fluids 7 mit einer deutlichen ,_; Trennfront zurück, die insbesondere durch die unterschiedliche Natur der beiden anwesenden Körper (n-ebsorbierendes Fluid und Dampf) bedingt ist und kondensiert dann am porösen Futter 15 der Wand des Rohres 3. Die kondensierte Flüssigkeit steigt dann durch Kapillarwirkung quer durch die poröse Schicht 15 zum oberen Bereich des Rohres 3, wo sie erneut verdampft werden kann.

Die Höhe der η-absorbierenden Fluidsäule 7, d. h. die Lage des oberen Niveaus 8 innerhalb des Kerns 1, hänfct unter diesen Bedingungen nur von der Heizleistung ab, die vom elektrischen Widerstand 11 aufgebracht wird. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer Steuerung dee Reaktorbetriebes in einfacher Weise, in dem allein auf die die Wirkung der Heizquelle beatimmende Stromstärke Binflufl genommen wird. In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, daß sioh das η-absorbierende Fluid im Falle ein·· Versagens der elektrischen Schaltung unter Einschränkung der Produktion von Dampf des Arbeitefluids schnell vollständig über das Rohr ausbreitet und zu einem Stillstand des Reaktors oder doch zumindest einer Verminderung seiner Leistung führt. Diese Funktionsweise dient selbetveretändjioh der Sioherhelt des Reaktorbetr!iebes. ebenfalls hervoriüheben ist die selbststabilisierende Punktionswelse der Vorrichtungι Wenn sioh die Dampfsäule des Arbeitsfluss aus irgendeinem Orunde verlängert, wächst die für einen Wärmeaustausch bzw. eine Wärmeabgabe an die äußere Umgebung zur Verfügung stehende Fläche, was zu einer Verminderung der Temperatur dieses Dampfes führt und die Kontraktion der Säule herbeiführt.

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Wie bereits aus dem Vorstehenden.hervorgeht, hat die beschriebene Steuerungsvorrichtung zahlreiche Vorteile: An allererster Stelle ist die besonders verläßliche Arbeitsweise dieser Vorrichtung zu nennen, die keine mechanisch bewegten Teile enthält und keinerlei Wartung erforderlich macht, wobei ihre Lebensdauer besonders lang sein kann. Außerdem kann diese Vorrichtung ohne weiteres an einer unzugänglichen Stelle untergebracht werden.

Die Variationen des Druckes im Innern des metallischen Rohres sind allgemein sehr gering und der Druck des im Innern der Kanäle des Reaktorkerns zirkulierenden Kühlmittels ist vorteilhafterweise stets höher als derjenige des n-absorbierenden Fluids, so daß jedes Risiko einer zufälligen Explosion ausgeschaltet ist. Die Form des metallischen Rohres ist absolut gleichgültig und das Rohr kann sowohl horizontal als auch vertikal abgeordnet werden, was Insbesondere eine Begünstigung der Neutronenabsorption in differentieller Weise nach Zonen des Reaktorkerns ermöglicht, in denen die Vorrichtung angeordnet ist. Die Verteilung des globalen Neutronenflusses kann so reguliert werden.

Schließlich bringt die (bislang übliohe) Verwendung von Steueretäben mit Mechanismen zur Einstellung der Lage in allen bekannten Typen von Reaktoren Probleme bezüglich der Abdichtung nach außen mit sich, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfallen, wo das η-absorbierende Fluid und das Arbeltsfluid enthaltende metallische Rohr vollständig dicht ist und die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet unter diesen Bedingungen besonders interessante Vorteile in Anwendungsbereichen von Kernreaktoren, die für einen Betrieb im Zustand der Schwerelosigkeit konzipiert sind, da

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in Anbetracht der Abwesenheit irgendwelcher rotierenden Organe keinerlei gyroskopischer Effekt zu befürchten ist. Darüber hinaus kann die Vorrichtung bei variablen und insbesondere sehr hohen Temperaturen funktionieren, wie sie bei Raumfahrtreaktoren auftreten können.

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Claims

Patentansprüche

Iy Kernreaktor-Steuerungsvorrichtung mit zumindest einem durch den Reaktorkern hindurchgehenden dichten metallischen Rohr, das an seiner Außenfläche durch die Zirkulation eines Kühlmittels gekühlt wird und an seinem einen Ende geschlossen ist, während das andere mit einem Reservoir für ein neutronenabsorbierendes Fluid in Verbindung steht, dadurch-- geke nnze lehnet, daß das Rohr (3) außerhalb des Kerns (1) an seinem dem Reservoir (6) gegenüberliegenden Ende (4) von einer Wärmequelle (9) mit regelbarer Leistung umschlossen wird und außer dem neutronenabsorbierenden Fluid ein flüssiges Arbeitsfluid (14) enthält, das unter der Wirkung der Wärmequelle (9) verdampfbar und unter der Wirkung der Kühlmittelzirkulation kondensierbar ist; daß die Regelung der Heizleistung über die Verdampfungerate des Arbeitsfluids eine Einflußnahme auf das Volumen des im Rohr anwesenden η-absorbierenden Fluids ermöglicht und daß die Innenseite des Rohres (3) mit einem porösen Futter (15) versehen ist, das von dem kondensierenden flüssigen Arbeitsfluid (14) benetzt bzw. durchtränkt wird.
2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizquelle (9) durch einen elektrischen Widerstand (11) gebildet wird, der das verschlossene Ende des dichten metallischen Rohres (3) außen umgibt.
3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das η-absorbierende Fluid durch Helium, ^He oder den Dampf eines flüchtigen η-absorbierenden Körpers gebildet wird.

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4. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Putter (15) durch ein geflochtenes Maschengewebe oder ein Sintermetallelement gebildet wird.

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