DE2233496A1

DE2233496A1 - Pressurized light water nuclear reactor - with multiple speed regimes for control rod insertion

Info

Publication number: DE2233496A1
Application number: DE2233496A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Aleite
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-07-07
Filing date: 1972-07-07
Publication date: 1974-01-24

Abstract

The control rods are driven by the normal inching actuators for fine powder control and also via quick release couplings for rapid insertion under emergency shut down conditions. At least some of these rods have neutron absorbent content only in a lower end and extending only over part of the total height of the core; when the emergency coupling releases the absorber section passes from the upper to the lower zones of the core. Increased control flexibility and improved power density distribution as between various height zones of the core.

Description

Kernreaktor Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor,mit relativ zum Reaktorkern bewegbaren Steuerstäben mit neutronenabsorbierendem Material, die im Normalbetrieb im Verhältnis zu ihrer Länge kleine Wege pro Zeiteinheit zurücklegen und nur in besonderen Fällen eine wesentlich schnellere Bewegung vorzugsweise unter dem Einfluß der Schwerkraft ausführen. Die schnelle Bewegung hat man bisher in erster Linie zur Schnellabschaltung des Kernreaktors benutzt. Dabei läßt man die Steuerstäbe vollständig in den Kern hineinfallen, um den Kernreaktor durch maximale Neutronenabsorption unterkritisch zu machen. Das neutronenabsorbierende Material der Steuerstäbe erstreckt sich dann aber praktisch die gesamte Kernhöhe.Nuclear reactor The invention relates to a nuclear reactor, in particular Pressurized water reactor, with control rods which can be moved relative to the reactor core and which have a neutron-absorbing element Material that in normal operation has small distances per unit of time in relation to its length and only in special cases a much faster movement is preferred perform under the influence of gravity. So far, you have the fast movement primarily used for the emergency shutdown of the nuclear reactor. One leaves the control rods fall completely into the core to get the nuclear reactor through maximum To make neutron absorption subcritical. The neutron absorbing material the control rods then extends practically the entire core height.

Aus der OS 1 945 044 ist es auch bekannt, nur einzelne der Steuerstäbe in den Kern einfallen zu lassen, damit die Leistung des Kernreaktors schnell gesenkt wird. Hierdurch soll keine Schnellabschaltung bewirkt, sondern eine solche gerade vermieden werden, damit man auf das sonst erforderliche zeitraubende Anfahren des Kernreaktors verzichten kann. Auch in diesem Fall werden aber die Steuerstäbe mit ihrem über praktisch die gesamte Kernhöhe reichenden neutronenabsorbierenden Material voll im Kern wirksam.From OS 1 945 044 it is also known only some of the control rods to invade the core so that the power of the nuclear reactor is lowered quickly will. This is not intended to cause a quick shutdown, but just one can be avoided, so that one can rely on the time-consuming start-up of the Nuclear reactor can do without. In this case too, however, the control rods are with their neutron-absorbing material, which extends over practically the entire core height fully effective at its core.

Im Gegensatz zu den vorstehend behandelten Möglichkeiten zur schnellen Herabsetzung der Leistung bzw. der Schnellabschaltung beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, die Leistungsverteilung über den Reaktorkern in optimaler Weise zu vergleichmäßigen,speziell in Bewegungsrichtung der Steuerstäbe.In contrast to the options discussed above for quick The invention is concerned with reducing the power or the rapid shutdown with the problem of the power distribution over the reactor core in an optimal way to equalize, especially in the direction of movement of the control rods.

Zu diesem Zweck kann man bekanntlich sogenannte Teilsteuerstäbe verwenden, bei denen sich das neutronenabsorbierende Material nur über einen Bruchteil der Höhe des Reaktorkernes erstreckt. Mit ihnen kann man z.B. nur im unteren Teil des Reaktorkernes die Leistung verringern, wenn nur dort eine Neutronenabsorption durch den Teilsteuerstab bewirkt werden soll, weil im oberen Teil des Reaktorkernes die zur Leistungsregelung dienenden Steuerstäbe die örtliche Leistung begrenzen.As is well known, so-called partial control rods can be used for this purpose, in which the neutron absorbing material is only about a fraction of the Height of the reactor core extends. For example, you can only use them in lower part of the reactor core reduce the power if only there a neutron absorption should be effected by the part control rod, because in the upper part of the reactor core the control rods used for power regulation limit the local power.

Teilsteuerstäbe wurden bisher mit normalen Antrieben ausgerüstet, die relativ zur Kernhöhe nur eine langsame Bewegung zulassen, so daß kleine Wege pro Zeiteinheit, etwa im Bereich von wenigen Zentimetern pro Sekunde, zurückgelegt werden.Partial control rods were previously equipped with normal drives, which allow only a slow movement relative to the core height, so that small paths covered per unit of time, roughly in the range of a few centimeters per second will.

Üblicherweise spielt die Antriebsgeschwindigkeit auch keine große Rolle, da man die Teilsteuerstäbe ungeachtet ihrer Reaktivitätsbeeinflussung in der Mitte des Reaktorkernes stehen läßt, wenn sie nicht an bestimmten anderen Stellen des Reaktorkernes benötigt werden.Usually the drive speed is also not very high Role, since the sub-control rods, regardless of their influence on reactivity, are in the center of the reactor core if not in certain other places of the reactor core are required.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kernreaktors der eingangs genannten Art sind die Steuerstäbe dadurch gekennzeichnet, daß sich das neutronenabsorbierende Material nur über einen Bruchteil der Höhe des Reaktorkernes erstreckt und durch die schnelle Bewegung von der einen Seite des Kernes auf die andere bewegbar ist. Es handelt sich also um Teilsteuerstäbe, die ähnlich wie die bisher zur Schnellabschaltung dienenden Steuerstäbe nicht nur langsam, sondern auch schnell bewegbar sind.In the design of the nuclear reactor according to the invention, the initially mentioned type, the control rods are characterized in that the neutron absorbing Material only extends over a fraction of the height of the reactor core and through the rapid movement from one side of the core to the other is movable. So it is a question of partial control rods, which are similar to those used previously for the emergency shutdown serving control rods are not only slowly, but also quickly movable.

Mit der Erfindung ist es möglich, Teilsteuerstäbe außerhalb des Reaktorkernes stehen zu lassen, die durch die schnelle Bewegung auch an Stellen gelangen, die auf der anderen Seite des Kernes liegen, ohne daß dafür erstens viel Zeit benötigt wird und zweitens beim Weg dorthin die Leistungsverteilung in anderen Bereichen des Reaktorkernes unerwünscht beeinflußt wird. Für Druckwasserreaktoren, bei denen Steuerstäbe zumeist von oben her in den Kern einfahren, kann man sich dies so vorstellen, daß bei einer Leistungsspitze in der unteren Kernhälfte, die mit Hilfe der Teilsteuerstäbe abgebaut werden soll, das langsame Einfahren der Teilsteuerstäbe in der bisher üblichen Weise zunächst eine Vergrößerung der unerwünschten Leistungsspitze zur Folge hat, solange die Teilsteuerstäbe mit ihrem neutronenabsorbierenden Material noch im Bereich der oberen Kernhälfte wirksam sind. Bei den normalen Verstellgeschwindigkeiten von einigen Zentimetern pro Sekunde dauert diese Vergrößerung der Ungleichmäßigkeit in der Leistungsverteilung unerwünscht oder gar unzulässig lange an, weil übliche Kerne von Reaktoren zur industriellen Energieerzeugung Kernhöhen von einigen Metern aufweisen.With the invention it is possible to have part control rods outside the reactor core to let stand, which get through the fast movement in places that lie on the other side of the core without first requiring much time and secondly, on the way there, the distribution of power in other areas the reactor core is undesirably affected. For pressurized water reactors where Control rods mostly move into the core from above, this can be imagined as that with a power peak in the lower core half, with the help of the partial control rods is to be reduced, the slow retraction of the control rods in the previously usual Wise initially leads to an increase in the undesired power peak, as long as the part control rods with their neutron absorbing material are still in the area the upper half of the core are effective. At the normal adjustment speeds of This increase in unevenness takes a few centimeters per second undesirable or even inadmissibly long in the power distribution because it is common Cores of reactors for industrial energy generation Core heights of a few meters exhibit.

Bei der Erfindung kann der Teilsteuerstab dagegen durch die schnelle Bewegung, z.B. ein Einfallen des Steuerstabes unter dem Einfluß der Schwerkraft oder durch einen anderen Antrieb, beispielsweise mit Hilfe von Federn, unmittelbar von der einen Seite, beim Beispiel der oberen Seite des Kernes, auf die andere untere Seite gelangen. Dort wird er sofort wirksam.In the invention, however, the partial control rod by the fast Movement, e.g. a collapse of the control rod under the influence of gravity or by another drive, for example with the help of springs, directly from one side, in the example the upper side of the core, to the other lower side Page. There it takes effect immediately.

Seine genaue Lage zur optimalen Vergleichmäßigung kann dann vom unteren Rand des Kernes aus durch die langsame Bewegung in genügend kurzer Zeit erreicht werden. Zu diesem Zweck ist eine Kopplung eines für die schnelle Bewegung vorgesehenen Antriebsgliedes mit einem Antrieb für die kleinen Wege in der Art günstig, daß der schnelle Bewegung eine langsame Bewegung in umgekehrter Richtung folgt.Its exact position for optimal equalization can then be determined by the lower The edge of the core is reached in a sufficiently short time by the slow movement will. For this purpose, a coupling is provided for rapid movement Drive member with a drive for the small ways in such a favorable way that the fast movement a slow movement in the opposite direction follows.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei einzelnen Teilsteuerstäben beschränkt. Man kann auch mehrere gleiche oder ähnliche Teilstäbe zusammenfassen. Eine gleichzeitige schnelle und gegebenenfalls anschließende langsame Bewegung mehrerer Stäbe erhält man vorteilhaft durch eine gemeinsame Steuerung von deren Antrieben, die mit Vorteil gleich ausgebildet sind.The invention is not applicable to individual control rods limited. It is also possible to combine several identical or similar partial rods. A simultaneous fast and possibly subsequent slow movement of several Rods are advantageously obtained by joint control of their drives, which are advantageously designed the same.

Es ist aber auch denkbar, für mehrere Stäbe einen gemeinsamen Antrieb für schnelle und langsame Bewegungen vorzusehen.But it is also conceivable to have a common drive for several rods to be provided for fast and slow movements.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden anhand der vereinfachten Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben.To explain the invention in more detail, the following is based on the simplified drawing an embodiment described.

Mit 1 ist der Kern eines Druckwasserleistungsreaktors bezeichnet, der in bekannter Weise aus nicht näher dargestellten Brennelementen zusammengesetzt ist und die Kernhöhe H aufweist. Zur Steuerung der Reaktivität des Kernes und damit der Leistungsabgabe sind Steuerstäbe 3, 4 und 5 über die Höhe H des Kernes bewegbar angeordnet, die von oben durch Stutzen 6, 7 und 8 am Deckel 9 eines nicht weiter gezeichneten Reaktordruckbehälters, der den Kern 1 umschließt, betätigt werden.The core of a pressurized water power reactor is denoted by 1, composed in a known manner from fuel assemblies not shown in detail and has the core height H. To control the reactivity of the core and thus the power output control rods 3, 4 and 5 are movable over the height H of the core arranged from above through nozzles 6, 7 and 8 on the cover 9 of a no further Drawn reactor pressure vessel, which encloses the core 1, are operated.

Die Steuerstäbe sind zu diesem Zweck über Antriebsstangen 12, 13 und 14 mit schematisch dargestellten Betätigungseinrichtungen 15, 16 und 17 gekoppelt, die auch zur Stellungsmeldung benutzt werden können.The control rods are for this purpose via drive rods 12, 13 and 14 coupled to schematically illustrated actuating devices 15, 16 and 17, which can also be used to report a position.

Die Steuerstäbe 3 und 4 sind gleich ausgebildet. Sie enthalten über ihre gesamte wirksame Länge, die praktisch der Höhe H des Reaktorkernes 1 entspricht, neutronenabsorbierendes Material 20, wie durch eine Schraffur angedeutet ist. Als neutronenabsorbierendes Material kann z.B. eine Silber-Indium-Oadmium-Legierung verwendet werden, wenn es um sogenannte schwarze Steuerstäbe hohen Absorptionsvermögens geht.The control rods 3 and 4 are designed the same. They contain over their total effective length, which practically corresponds to the height H of the reactor core 1, neutron absorbing material 20, as indicated by hatching. as Neutron absorbing material can, for example, be a silver-indium-oadmium alloy used when it comes to so-called black control rods with high absorbency goes.

"Graue" Stäbe kleineren Absorptionsvermögens bestehen beispielsweise aus einer Nickellegierung. Zur Leistungsregelung werden die auch als Leistungsbank bezeichneten und gegebenenfalls gemeinsam verfahrenen Steuerstäbe 3 und 4 im Normalbetrieb nur über einen kleinen Teil der Kernhöhe von oben in den Reaktorkern 1 eingefahren. Durch das neutronenabsorbierende Material 20 der Leistungssteuerstäbe 3 und 4 wird also die Leistungsdichte im oberen Teil des Reaktorkernes abgesenkt.For example, there are "gray" rods of smaller absorption capacity made of a nickel alloy. They are also used as a performance bank for power control designated and possibly jointly moved control rods 3 and 4 in normal operation only moved into the reactor core 1 from above over a small part of the core height. By the neutron absorbing material 20 of the power control rods 3 and 4 so the power density in the upper part of the reactor core is reduced.

Demgegenüber ergibt sich eine Leistungsspitze im unteren Teil des Kernes, die die verfügbare Gesamtleistung des Kernreaktors begrenzt, weil diese von der maximalen örtlichen Leistungsdichte abhängt. Eine ungleichmäßige Leistungsdichteverteilung führt ferner zu einem unwirtschaftlichen, ungleichmäßigen Abbrand.In contrast, there is a power peak in the lower part of the Kernes, which limits the total available power of the nuclear reactor because of this depends on the maximum local power density. An uneven power density distribution also leads to uneconomical, uneven burning.

Zur Korrektur der Leistungsdichteverteilung in Bewegungsrichtung der Steuerstäbe 3, 4, also in axialer Richtung, d.h. über die Kernhöhe H, wird der Teilsteuerstab 5 verstellt, der nur über einen kleinen Teil seiner Länge neutronenabsorbierendes Material 21 aufweist. Die Länge beträgt beim Ausführungsbeispiel etwa 1/3 der Kernhöhe, wobei das Material an dem der Antriebseinrichtung 16 abgekehrten Ende des Teilsteuerstabes angeordnet ist.To correct the power density distribution in the direction of movement of the Control rods 3, 4, i.e. in the axial direction, i.e. over the core height H, the part control rod 5 is adjusted, which only over a small part of its length Has neutron absorbing material 21. The length is in the embodiment about 1/3 of the core height, the material facing away from that of the drive device 16 The end of the part control rod is arranged.

Wird dieser Teilsteuerstab zur Korrektur der Leistungsdichteverteilung von oben in den Kern eingefahren, so ergibt sich notwendigerweise zunächst eine Verschärfung der Ungleichmäßigkeit, insbes. dann, wenn das neutronenabsorbierende Material 21 von außen in den oberen Bereich des Kernes eintritt, wo die Leistungssteuerstäbe 3 und 4 Wirksam sind.This partial control rod is used to correct the power density distribution moved into the core from above, this necessarily results in one Aggravation of the unevenness, especially when the neutron-absorbing Material 21 from the outside enters the top of the core where the power control rods 3 and 4 are effective.

Bei der Erfindung besteht die Antriebseinrichtung 16 des Teilsteuerstabes 5 aus zwei Teilen. Der untere Antriebsteil 22 wird von einer Kupplung zwischen dem eigentlichen Antrieb 23, etwa einem Motor oder einem Klinken-Schrittheber, und der Antriebsstange 13 gebildet. Wird die Kupplung 22 gelöst, so fällt der Teilsteuerstab 5 unter der Einwirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern 1 hinein. Seine Bewegungsgeschwindigkeit relativ zum Reaktorkern beträgt dabei ein Vielfaches der normalen Verstellgeschwindigkeit, die der Antrieb 23 aufbringen kann. Mithin gelangt das neutronenabsorbierende Material 21 des Teilst-euerstabes 5 ohne störende Beeinflussung der Reaktivität in der oberen Kernhälfte in den unteren Kernbereich, wo die Reaktivität zur Vergleic'hmäßigung der Leistungsdichteverteilung herabgesetzt werden soll. Die optimale Stellung des Teilsteuerstabes 5 kann nach dem vollständigen Einfallen mit Hilfe des Antriebes 23 herbeigeführt werden, der z.B. durch einen Endschalter 25 am Ende der Einfallbewegung in Tätigkeit gesetzt wird und eine Bewegung in Gegenrichtung einleitet, bis die gewünschte Stellung des Teilsteuerstabes 5 erreicht ist.In the invention, the drive device 16 consists of the control rod part 5 in two parts. The lower drive part 22 is of a coupling between the actual drive 23, such as a motor or a pawl step lifter, and the Drive rod 13 is formed. If the clutch 22 is released, the partial control rod falls 5 into the reactor core 1 under the action of gravity. Its speed of movement relative to the reactor core is a multiple of the normal adjustment speed, which the drive 23 can apply. Thus, the neutron absorbing material gets there 21 of the partial control rod 5 without disturbing the reactivity in the upper one Core half in the lower core area, where the reactivity for comparison the power density distribution is to be reduced. The optimal position of the Part of the control rod 5 can after complete collapse with the help of the drive 23 can be brought about, for example by a limit switch 25 at the end of the incidence movement is put into action and initiates a movement in the opposite direction until the desired position of the part control rod 5 is reached.

Die Antriebe 15 und 17 der Leistungssteuerstäbe 3 und 4 sind beim Ausführungsbeispiel ebenfalls aus zwei Antriebsteilen 26, 27 zusammengesetzt, von denen der eine als der eigentliche Antrieb 26 für die langsame Bewegung benötigt wird, während der andere als Kupplung 27 dazu bestimmt ist, die Leistungssteuerstäbe 3 und 4 zur schnellen Abschaltung des Reaktors vollständig in den Kern einfallen zu lassen.The drives 15 and 17 of the power control rods 3 and 4 are at Embodiment also composed of two drive parts 26, 27, from which one needs as the actual drive 26 for the slow movement while the other as clutch 27 is intended to be the power control rods 3 and 4 for fast shutdown of the reactor completely into the core get an idea allow.

Beim Ausführungsbeispiel sind nur zwei Leistungssteuerstäbe 3,4 und ein Teilsteuerstab 5gezeichet. In der Praxis wird man je nach der Größe des Kernes und der Feinheit der gewünschten Leistungsregelung wesentlich mehr Steuerstäbe vorsehen, die gegebenenfalls zu sogenannten Bänken zusammengefaßt sein können, deren Stäbe gemeinsam gleichartige Stellungen einnehmen und gleiche Bewegungen ausführen. Unter Umständen kann man einem Antrieb 15, 16 oder 17 auch eine größere Zahl von räumlich berteilten Steuerstäben zuordnen, die im Inneren des Reaktordruckbehälters miteinander gekoppelt sind.In the embodiment, there are only two power control rods 3, 4 and 4 a part control rod 5gezeichet. In practice, it will depend on the size of the core and the fineness of the desired power control provide significantly more control rods, which can optionally be combined to form so-called banks, the bars of which Assume similar positions together and perform the same movements. Under Under certain circumstances, a drive 15, 16 or 17 can also have a larger number of spatial Assign the divided control rods to each other inside the reactor pressure vessel are coupled.

Die schnelle Bewegung von Teilsteuerstäben gestattet die Anordnung der nicht benötigten ileilsteuerstäbe außerhalb des Reaktorkernes ?, wahrend sie bisher in einer mittleren Stellung gehalten wurden und demnach eine Überschußreaktivität erforderten. Diese Reaktivität kann bei der Erfindung für einen erhöhtem Abbrand ausgenutzt werden, obwohl der Reaktorkern gerade am Abbrandende zu labilem Verhalten neigt.The rapid movement of the control rods allows the arrangement the unneeded control rods outside the reactor core? while they have hitherto been held in a middle position and therefore an excess reactivity required. In the case of the invention, this reactivity can lead to increased burn-up be exploited, even though the reactor core behaves unstably at the end of the burn tends.

Bei Leistungsspitzen auf der Seite des Reaktorkernes 1, die der Ruhestellung der Teilsteuerstäbe benachbart ist, beim Ausführungsbeispiel also auf der Oberseite des Reaktorkernes 1, fährt man die Teilsteuerstäbe mit dem für die langsame Bewegung vorgesehenen Antrieb direkt in die gewünschte Stellung.In the case of power peaks on the side of the reactor core 1, that of the rest position the part control rods is adjacent, so in the embodiment on the top of the reactor core 1, you move the part control rods with the one for the slow movement provided drive directly into the desired position.

3 Patentansprüche 1 Figur3 claims 1 figure

Claims

Claims: 1. Nuclear reactor, in particular pressurized water reactor, with Control rods with neutron-absorbing material that can be moved relative to the reactor core, which in normal operation do not cover any distances per unit of time in relation to their length and only in special cases a much faster movement, preferably below run under the influence of gravity, characterized in that the neutron-absorbing IvIaterial (21) extends only over a fraction of the height (H) of the reactor core (1) and by the rapid movement from one side of the core (1) to the other is movable.

2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized by a coupling a drive member (22) with a drive provided for rapid movement (23) for the small ways in such a way that the rapid movement of a slow one Movement in the opposite direction follows.

3. Nuclear reactor according to claim 1 or 2, characterized by a simultaneous rapid and possibly subsequent slow movement of several Rods through a common control of their drives.

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