DE2204836A1

DE2204836A1 - Kernreaktor

Info

Publication number: DE2204836A1
Application number: DE2204836A
Authority: DE
Inventors: Leonhard Irion; Walter Dipl Phys Dr Kollmar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-02-02
Filing date: 1972-02-02
Publication date: 1973-08-09
Also published as: FR2170097B1; NL7301237A; CH550463A; AT321421B; IT978706B; BE794746A; GB1396653A; FR2170097A1; US3940310A

Description

Aus der amerikanischen Patentschrift 3 462 545 ist ein Kernreaktor "bekannt, in dessen Reaktorgefäß mehrere Brennelemente und einzelne im Bereich der Brennelemente längsverschieblich angeordnete Steuerstäbe vorgesehen sind, die in Führungsrohren der Brennelemente unter Benutzung des Reaktorkühlmittels und einer außerhalb des Reaktorgefäßes- angeordneten Pumpe hydraulisch verfahren werden. Die Pumpe erzeugt zu diesem Zweck einen Unterdruck in einem am Deckel des Reaktorgefäßes vorgesehenen Zwischenraum mit Hilfe einer Saugleitung, die vom Deckel des Reaktorgefäßes zur Pumpe führt. Die Druckleitung ist an dem darunter liegenden Teil des Reaktorgefäßes angeschlossene Bei dieser Anordnung führt ein Bruch der genannten Saugleitung zum Ausfahren der Steuerstäbe, so daß die Sicherheit des Kernreaktors gefährdet ist ο

Ziel der Erfindung ist ebenfalls eine hydraulische Betätigung der in einem Reaktorgefäß angeordneten Steuerstäbe, wobei die Pumpe für das Kühlmittel außerhalb des Reaktorgefäßes· angeordnet sein soll. Zugleich aber soll ein Ausfahren der Steuerstäbe im Störungsfall mit Sicherheit vermieden werden O

Die genannte Aufgabe läßt sich erfindungsgemäß durch eine U-förmige Druckmittelführung des Reaktordruckbehälters lösen, bei der das außerhalb des Druckbehälters unter erhöhten Druck gesetzte Kühlmittel von unten zu den mit Steuerstäben versehenen Führungsrohren geleitet wird. Im Gegensatz zur bekannten Anordnung wird also nicht ein Unterdruck mit einer Saugleitung, sondern ein Überdruck mit einer Druckleitung zur Betätigung der Steuerstäbe hervorgerufen. In

χ innerhalb _A _{Λ Λ} _Ä

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Gegenrichtung können die Steuerstäbe unter der Einwirkung der Schwerkraft oder besonderer Federn betätigt werden. Der Bruch der Druckleitung kann nur zu einem Einfahren der Steuerstäbe führen„ Ein Bruch der Saugleitung, die zwischen dem Reaktorgefäß und der Pumpe verläuft, hat ebenfalls nur ein Nachlassen des Druckes und damit ein Einfahren der Steuerstäbe zur Folge.

Mit U-förmiger Druckmittelführung ist gemeint, daß das Kühlmittel in besonderen Kanälen innerhalb des Reaktorgefäßes zu den mit Steuerstäben versehenen Führungsrohr en gebracht wird. Dabei kann einem Zuführungskanal ein einzelnes, mit einem Steuerstab versehenes Führungsrohr oder auch mehrere zugeordnet seinο

Die Steuerstäbe sind vorteilhaft symmetrisch, vorzugsweise drehsymmetrisch in bezug auf die Brennelemente angeordnet, um das Umsetzen der Brennelemente au erleichtern. Den Steuerstäben eines Brennelementes ist dabei jeweils ein außerhalb des Druckbehälters, also an einer für die Wartung zugänglichen Stelle liegendes Steuerventil zugeordnet. Es ist aber auch denkbar, den Steuerstäben eines Brennelementes mehrere Steuerventile zuzuordnen, damit nicht alle Stäbe eines Brennelementes gleichzeitig verfahren werden müssen. Ferner kann man ein Steuerventil für einzelne oder alle Steuerstäbe in mehreren Brennelementen verwenden.

Zur Bildung der Kanäle für die Zuführung des Druckmittels kann vorteilhaft ein Teil der in einem Brennelement vorhandenen Führungsrohre verwendet werden. Zu diesem Zweck können die Zuleitungen im Brennelement mit weiteren Zuleitungen in einem oberhalb des Brennelementes angeordneten Führungseinsatz verbunden sein. Zweckmäßigerweise verwendet man die gleiche Anzahl von Zuleitungen im Führungseinsatζ und im Brennelement, so daß gleichmäßige Kanäle entstehen.

Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin,

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daß die Zuleitungsrohre kleine Querschnitte im Vergleich zu dem freien Querschnitt zwischen Steuerstäben und Führungsrohren aufweisen, so daß im G-aufall (größter anzunehmender Unfall) am Steuerstab angreifende, nach oben gerichtete Strömungskräfte kleiner sind als das Eigengewicht des Steuerstabes im Kühlmittel_o Dadurch wird nämlich erreicht, daß selbst ein Bruch des Reaktorgefäßes, der zu einer plötzlichen Verdampfung des Kühlmittels führen kann, keinen Druck innerhalb der für die Betätigung der Steuerstäbe vorgesehenen Kanäle ergibt, durch den eine unerwünschte Betätigung der Steuerstäbe erfolgte Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit kann ein überhöhter Druck in den Zuleitungen das darin angeordnete Steuerventil sperren. Ferner können in den Zuleitungen druckabhängig öffnende Glieder (Brechmembranen, Ventile od.dgl. vorgesehen sein.

Die Bildung der Kanäle zur U-förmigen Führung des unter Druck gesetzten Kühlmittels kann durch Kanäle und Anschlußöffnungen in den Fußplatten der Brennelemente erreicht werden, die die Führungsrohre des Brennelementes verbinden, so daß die gewünschten Zuleitungen entstehen. Die Zuleitungen können ferner zu einem Leitungsschaft geführt werden, der durch den Reaktordruckgefäßdeckel hindurchragt„ Auf diesem Leitungsschaft kann außerhalb des Druckgefäßdeckels eine Ventileinheit angeordnet sein. Sie besteht zweckmäßig aus mehreren Ventilen in mehreren Ebenen. Außerdem können mehrere Ventile am Umfang des Leitungsschaftes verteilt sein, so daß ein gedrängter, platzsparender Aufbau erreicht wird.

Zwischen den Ventilen und dem Leitungsschaft kann eine elastische Verbindung zweckmäßig sein. Der Leitungsschaft, der druckdicht durch den Reaktordeckel geführt sein muß, kann mit Vorteil für mehrere Steuerstäbe, Z₀B₀ für die Zuleitungsrohre von mehreren Brennelementen vorgesehen sein. Dabei ist eine allseitige elastische Verbindung zwischen den Führungsrohren des oder der Brennelemente und dem Führungseinsatz zweckmäßig, um Fertigungs- oder Montagetoleranzen auszubleichen und schädliche Kräfte beim Zusammenbau

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zu vermeiden. Die Zuleitungsrohre kann man auch für sich elastisch miteinander koppeln, während zwischen den Führungsrohren, die die Steuerstäbe enthalten, ein definierter Abstand vorliegt, so daß dort keine nachteiligen Verspannungen möglich sind.

Auch bei der erfindungsgemäßen Betätigung der Steuerstäbe ist es zweckmäßig, die Steuerstäbe nach dem an sich bekannten Spülstromprinzip zu bewegen, bei dem das unter Druck stehende Kühlmittel am Steuerstab entlangströmt und dadurch eine Kraft in Strömungsrichtung ausübt„ Auf diese Weise erhält man einmal eine Kühlung der Steuerstäbe„ Vor allem aber ist sichergestellt, daß die Steuerstäbe bei einem Nachlassen des Druckes durch ihr Eigengewicht in den Kernreaktor zurückgefördert werden und nicht verklemmen.

Um den Kühlmitteldurchsatz bei der Betätigung der Steuerstäbe klein zu halten, kann man in den Führungsrohren des Brennelementes, die einen Steuerstab enthalten, eine Verengung vorsehen.

Zur Anzeige der Stellung der Steuerstäbe kann der Druck im Führungsrohr an einer geeigneten Stelle abgenommen und zu. einem Z₀B. der Ventileinheit zugeordneten Metallbalg geleitet werden, der entsprechend dem jeweiligen Druck im Führungsrohr seine Länge änderte Die längenänderung kann elektrisch erfaßt und zur Signalgabe benutzt werden. Eine andere Möglichkeit zur Anzeige der Stabstellung besteht darin, daß ein Teilstrom des den Führungsrohren U-förmig zugleiteten Druckmittels von der Zuleitung abgezweigt wird,' wobei der Druckverlust, der im oberen Führungsrohr entsteht, wenn dort der Steuerstab liegt, als Maß für die Stellung des Steuerstabes festgestellt wird.

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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung ein vereinfachtes Ausführungs'beispiel "beschrieb en ο

In Mg. 1 ist mit 1 das Reaktordruckgefäß eines leichtwassermoderierten Druckwasserreaktors "bezeichnet. An das Druckgefäß 1 ist der Primärkreis 2 mit dem Wärmetauscher 3, der Hauptkühlmittelpumpe 4 und dem Druckhalter 5 angeschlossene

Der Kern 7 des Reaktors enthält im Bereich der nicht näher gezeichneten Brennelemente Führungsrohre 8, 9 und 10 _o Von diesen enthalten die Führung sr öhre 9 und 10 Steuerstä"be 12 und 13. Die unteren Enden der Führungsrohre 9 und 10 sind über einen Kanal 14 mit dem Führungsrohr 8 verbunden. Das Führungsrohr 8 ist an eine Leitung 15 angeschlossen, die außerhalb des Druckgefäßes verzweigt ist. Der eine Zweig führt über ein Steuerventil 16 zur Druckseite einer Pumpe 17, deren Saugleitung 18 an das Reaktordruckgefäß 1 angeschlossen isto Ein zweiter Leitungszweig führt über ein Steuerventil 20 zu einem Niederdrucktank 21.

Die oberen Enden der Führungsrohre 9 und 10 mit den Steuerstäben 12, 13 sind über düsenförmige Verengungen 23 und 24 mit dem Inneren des Druckgefäßes 1 verbunden, so daß sich unter der Wirkung der Pumpe 17 eine Strömung des Kühlmittels mit dem durch die Pfeile angedeuteten Verlauf einstellen kann. Die Strömung, die durch Öffnen des Steuerventils 16 in Gang gesetzt wird, fördert die Steuerstäbe 12, 13 in die gezeichnete Stellung und hält sie dort₀ Zur Anzeige dieser Stellung sind parallel zu der oberen Endlage der Stäbe 12,13 verlaufende Kanäle 27 und 28 mit einem Metallbalg 29 außerhalb des Druckgefäßes 1 verbunden, in dem der durch die obere Endstellung der Stäbe 12, 13 vergrößerte Druckabfall der Kühlmittelströmung wirksam wirdo Die druckabhängige Dehnung des Metallbalges 29 wird in bekannter Weise mit einer Spule 30, deren induktiver Widerstand durch einen Stab 31 verändert wird, als elektrisches Signal weitergegeben.

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Aus der Pig. 1 geht hervor, daß ein Druck, der mit Hilfe der Pumpe 17 im Kühlmittel des Kernreaktors außerhalb des Reaktordruckgefäßes 1 erzeugt wird, mit einer U-förmigen Druckmittelführung auf die Unterseite von Pührungsrohren 9»10 gegeben wird, in denen Steuerstäbe 12, 13 vorhanden sind_o Dieser Druck "bewegt die Steuerstäbe 12, 13 aus dem Kern 7 heraus» Deshalb kann ein Bruch der Druckleitung 15 nur zu einem Einfahren der Steuerstäbe führen. Das Einfahren kann im Gefahrenfall durch Öffnen des Steuerventils 20 beschleunigt werden, weil dadurch das große Niederdruckvolumen des Tankes 21 zur Herstellung eines niedrigen Druckes zugeschaltet wird.

In den Pigο 2 und 3 ist in einem Längsschnitt und einer Draufsicht der aus dem Reaktordruckgefäß 1 führende Leitungsschaft 33 in größerem Maßstab gezeichnet, der der Leitung 15 im Bereich des Druckgefäßes 1 in Pig. I entspricht und für die Steuerstäbe von drei Brennelementen vorgesehen ist. Zu diesem Zweck sind drei Magnetventile 35» 36 und als Ventileinheit in einer Ebene gleichmäßig um den Umfang des Schaftes verteilt angeordnet, die dem Steuerventil 16 in Pig. 1 entsprechen. Sie steuern den Durchtritt des Kühlmittels von einem Stutzen 38, der zur Pumpe 17 führt, zu Kanälen 39 im Inneren des Leitungsschaftes.

Die Ventileinheit 35, 36, 37 enthält die Metallbälge 29 in dreifacher Anordnung, die mit den Kernen 31 die Induktivität der Anzeigespulen 30 beeinflussen Die Stellung der Metallbalge hängt von dem Druck in den Steuerkanälen 27 und 28 ab, die an Hand der Pig. 1 beschrieben worden sindo Ein dritter Kanal ist entsprechend für den dritten Steuerstäb vorgesehene

Die Pig. 4 zeigt in einer an die Pigo 2 anschließenden Ansicht den Übergang des Leitungsschaftes 33 zu Kanälen in einem Pührungseinsatz 34 oberhalb der Breuielemente* Man erkennt ein in Übereinstimmung mit der Figo χ mit 8 be-

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zeichnetes Zuleitungsrohr, das mit einem für einen Steuersta"b 12 vorgesehenen führungsrohr 9 durch Querstreben 40 und durch einen Befestigungsflansch 41 verbunden ist, mit dem für den Führungseinsatz 34 in der oberhalb des Kernes 7 gelegenen Deckelplatte 42 vorgesehene Öffnungen 43 verschlossen werden. Neben dem Führungsrohr 9 mit der öffnung 23 am oberen Ende verläuft der zur Stellungsmeldung dienende Kanal 28.

Pig. 5 zeigt in einer weiteren, an die Figo 4 anschließenden Ansicht die Kupplung des Führungseinsatzes 34 mit den Führungsrohren 8, 9 im Kern 7 und den Raum 44 oberhalb der sogenannten Gitterplatte 45, die die obere Grenze der Brennelemente bezeichnet. Man erkennt die allseitige Beweglichkeit der mit einem Metallbalg 47 oder nach Fig. 6 mit einer durch eine Feder 48 vorgespannten Muffe 49 ausgebildeten Kupplung. Der Führungsstift 50 sorgt zusammen mit einer Bohrung 51 in einer Querstrebe 40 für die übereinstimmende seitliche Lage der miteinander zu kuppelnden Rohre.

Figo 7 zeigt als Alternative eine Ausführungsform, bei der die einen Steuerstab 12 aufnehmenden Teile des Führungsrohres 9 an der Stoßstelle einen Abstand A voneinander aufweisen, der den Ausgleich von Toleranzen und Wärmedehnungen ermöglichte Hierdurch wird jedoch die Strömung in dem Rohr 9 beeinflußt, so daß eine andere Art der Stellungsmeldung erforderlich ist.

Die Fig. 8 zeigt in einer an die Fig. 5 anschließenden Ansicht die Verwendung der Fußplatte 54 eines strichpunktiert angedeuteten Brennelementes 53 zur Bildung von Kanälen 55, die die Druckmittelzuleitung 8 U-förmig mit dem Führungsrohr 9 verbinden, in dem der Steuerstab 12 untergebracht ist. Die Führungsrohre 8, 9 sind, wie man sieht, mit Schrauben 56 und Muttern 57 an der Fußplatte 54 befestigt. Federn 59 verhindern Stöße der Steuerstäbe beim Erreichen

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der Endlagen.

In den Figuren ist nicht deutlich zu sehen, daß der Zuleitungsquerschnitt, insbes. im Bereich der am leitungsschaft 33 elastisch befestigten Ventile 35, 36, 37 (Pig» 2) kleiner ist als der freie Querschnitt zwischen den Steuerstäben 12, 13 und den diese umgebenden PUhrungsrohren 9, 10 (Figo 7, 8)β Vorzugsweise ist das Querschnittsverhältnis 1:2 bis 1:5· Sollte dennoch ein zu großer Druck durch Verdampfen des Kühlmittels entstehen, so öffnen die in den Fig. 5 und 6 dargestellten elastischen Kupplungen. Man kann aber auch besondere Brechplatten usw_e vorsehen.

In Fig. 9 ist gezeigt, daß dem Steuerstab 12 am unteren, also in den Kern 7 weisenden Ende ein mindestens radial elastischer Dichtungsring 62 mit einer Feder 61 zugeordnet ist« Der Dichtungsring 61 gelangt in der oberen Endlage des Steuerstabes in eine Verengung 60 des Führungsrohres 9· Dadurch wird der Strom des als Kühlmittel dienenden Druckwassers weitgehend abgesperrt.

21 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

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Patentansprüche;

/ 1.)Kernreaktor, insbes. leichtwasserreaktor in Form eines Druckwasserreaktors, mit einem Reaktorgefäß mit mehreren Brennelementen und einzelnen, im Bereich der Brennelemente längsverschieblich angeordneten Steuerstäben (Absorberstäben) , die in Führungsrohren der Brennelemente unter Benutzung des Reaktorkühlmittels und einer außerhalb des Reaktorgefäßes angeordneten Pumpe hydraulisch verfahren werden, gekennzeichnet durch eine TJ-förmige Druckmittelführung innerhalb des Reaktordruckbehälters (1), bei der das außerhalb des Druckbehälters (l) unter erhöhten Druck gesetzte Kühlmittel von unten zu den mit Steuerstäben (12, 13) versehenen Führungsrohren (9>10) geleitet wird=.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstäbe (12,13) symmetrisch, vorzugsweise drehsymmetrisch, in bezug auf die Brennelemente (53) angeordnet sind und daß den Steuerstäben (12,13) eines Brennelementes (53) ein außerhalb des Reaktordruckbehälters (1) angeordnetes Steuerventil (16) zugeordnet ist.

3ο Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der in einem Brennelement (53) vorhandenen Führungsrohre (8,9»10) als Zuleitungen (8) zur Führung des unter erhöhten Druck gesetzten Kühlmittels verwendet werden.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (8) im Brennelement (53) mit weiteren Zuleitungen in einem oberhalb des Brennelementes angeordneten Führungseinsatz (34) verbunden sind.

ο Kernreaktor nach Anspruch 4» gekennzeichnet durch die gleiche Anzahl von Zuleitungen im Führungseinsatz (34) und im Brennelement (53)

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β» Kernreaktor nach Anspruch. 3 oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch kleine Querschnitte der Zuleitungsrohre (8) im Vergleich zu dem freien Querschnitt zwischen Steuerstäben (12,13) und Führungsrohren (9,lo), so daß im Gaufall am Steuerstab (12,13) angreifende, nach oben gerichtete Strömungskräfte kleiner sind als das Eigengewicht des Steuerstabes (12,13) im Kühlmittel«

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein überhöhter Druck in den Zuleitungen (8) das darin angeordnete Steuerventil (16) sperrt»

8. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuleitungen (8) druckabhängig öffnende Glieder (Brechmembranen, Ventile ododgl.) vorgesehen sind.

9. Kernreaktor nach Anspruch 1 mit Fußplatten in den Brennelementen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Fußplatten (54) der Brennelemente (53) Kanäle (55) und Anschlußöffnungen zur Verbindung von Führungsrohren (8,9) des Brennelementes vorgesehen sind.

1Oo Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (8) zu einem Leitungsschaft (33) geführt werden, der durch den Reaktordruckgefäßdeckel hindurchragt_o

11. Kernreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Druckgefäßdeckels eine Ventileinheit (35,36, 37) auf dem Leitungsschaft(33) angeordnet ist«

12ο Kernreaktor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mehrere Ventile (35,36,37), die in mehreren Ebenen angeordnet sind»

13. Kernreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ventile (35,36,37) am Umfang des Leitungsschaftes verteilt sind.

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14. Kernreaktor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine elastische Verbindung zwischen dem Leitungsschaft (33) und den Ventilen (35,36,37).

15. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsrohr (8) von mehreren Brennelementen (53) zu einem leitungsschaft (33) führen.

16. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine allseitig elastische Verbindung zwischen den Führungsrohren (8,9,lo) des Brennelementes (53) und dem Führungseinsatz (34).

17. Kernreaktor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Zuleitungsrohr (8) elastisch gekoppelt sind und daß zwischen den Führungsrohren (9) mit Steuerstäben (12) ein definierter Abstand (A) vorliegt=

18ο Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Führungsrohren (9) des Brennelementes (53), die einen Steuerstab (12) enthalten, eine Verengung (60) im oberen Bereich angeordnet ist, gegen die der Steuerstab (12) mit einem radial elastischen Element (62), das an seinem unteren Ende vorgesehen ist, anläuft, so daß der Druckwasserstrom annähernd abgesperrt ist (Fig. 9)ο

19. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der Stellung der Steuerstäbe (12,13) der Druck an geeigneter Stelle des oberen Führungsrohres (9»10) abgenommen (Kanal 27,28) und auf einen in der Ventileinheit angeordneten Metallbalg (29) geleitet wird, der entsprechend dem jeweiligen Druck im Führungsrohr (9,10) seine länge ändert.

20. Kernreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenänderung elektrisch abgegriffen wird und eine Signaländerung bewirkt.

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21. Kernreaktor nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der Staftstellung ein Teilstrom von der Zuleitung in das obere Führungsrohr (9,10) abgezweigt (Kanal 27,28) und der Druckverlust über die Länge des oberen Führungsrohres als Maß für die Stellung des Stabes (12,13) festgestellt wirdc

ORIGINAL ;N£rr.OTSD 309832/0237

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