DE2505692C3 - Hydraulischer Steuerstabantrieb für einen Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Steuerstabantrieb für einen Kernreaktor, bestehend aus einem vertikal angeordneten Rohr, aus einer in dem Rohr axial beweglich gelagerten, hydraulisch angetriebenen Kolbenstange, aus einer am oberen Ende der Kolbenstange befindlichen Kupplung für den Ste-ierstab und aus einer steuerbaren Sperre für die Axialbewegung der Kolbenstange, wobei die Sperre bei einer Schnellabschaltung des Kernreaktors unwirksam ist.

Ein solcher Steuerstabantrieb ist bekannt (US-PS

32 17 307). Hierbei besteht die Sperre aus federnden Klinkenhebeln, die in Rastausnehmungen am äußeren Umfang der Kolbenstange eingreifen. In Stab-Einfahrrichtung für Normal- und Scram-Einfahren kann die Kolbenstange bei hydraulischer Beaufschlagung mit Schrägflächen ihrer Rastaussparungen die Klinkenhebel passieren, in Stabausfahrrichtung dagegen blockiert ein Steilflächeneingriff, zu dessen Aufhebung die Klinkenhebel hydraulisch entriegelt werden. Dieses richtungsabhängige Rastgesperre unterliegt mit zunehmender Schaltspielzahl Abrieb- und Ermüdungserscheinungen. Ferner ist nachteilig, daß mehrere zur Zuleitung der hydraulischen Signale vorgesehene Ringkanäle innerhalb einer mehrfach konzentrischen Wandanordnung zu einem relativ großen Antriebsgehäuse-Durchmesser führen und daß beim Ausfahren der Steuerstäbe die Klinkenhebel entriegelt sind, so daß nur durch Dosieren der hydraulischen Druckdifferenz am Antriebskolben ein zu schnelles oder zu weites Ausfahren vermieden werden kann. Hier fehlt für den Fall der Absenkung des hydraulischen Gegendruckes eine Sicherheitsreserve.

Im wesentlichen die gleichen Nachteile treffen für einen weiteren bekannten Steuerstabantrieb der eingangs genannten Art zu (US-PS 30 20 888), abgesehen js davon, daß die Sperre hierbei aus einem in beiden Fahrrichtungen wirkenden, federbelasteten und hydraulisch entriegelbaren Kugeigesperre besteht, so daß hier eine Verbesserung hinsichtlich Abrieb und Materialermüdunggegebenist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den hydraulischen Steuerstabantrieb der eingangs genannten Art so auszubilden, daß dessen Sperre nicht nur zum Zwecke der Schnellabschaltung durchgehend freischaltbar ist, sondern auch die erforderliche Sicherheit gegen unbeabsichtigtes Ausfahren gewährleisten kann.

Erfijidungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem hydraulischen Steuerstabantrieb der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Sperre aus einem auf der Kolbenstange axialfest und drehbar gelagerten Gewindekolben mit an seinem Außenumfang angeordneten Gewindeflanken, die in zugehörige Gewindegänge des mit einem Innengewinde versehenen Rohres eingreifen, und aus mindestens zwei hydraulisch gesteuerten axial bewegbaren Schaltstangen besteht, die in die Gewindegänge anschneidenden, axialen Führungsnuten gelagert sind, daß die Schaltstangen in ihrer Freigabestellung die Drehbewegung des Gewindekolbens nicht behindern, jedoch in ihrer Sperrstellung in den Gewindegängen einen Anschlag für die Gewindenanken bilden und daß die Steuerung der Schaltstangen im Normalbetrieb eine schrittweise Bewegung der Kolbenstange zuläßt.

Diemit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß durch einen Druckimpuls, der unter die Kolbenstange gelangt, beim Einfahren jeweils nur ein Schaltschritt bewirkt werden kann, und auch beim Ausfahren jeweils nur ein Schaltschntt des Steuerstabes bewirkt werden kann, bevor die steuerbaren Schaltstangen einen weiteren Schaltschritt freigeben. Es ist damit eine hohe Sicherheit gegen unbeabsichtigtes Ausfahren gegeben. Der Steuerstabantrieb weist nur wenige und robuste Teile auf, die wenig anfällig gegen Schmutz sind. Durch die Schaltstangen sind ferner komplizierte, konzentrische Druckmittelkanal-Führungen vermieden, wodurch wiederum der Durchmesser des Steuerstabantriebs sich in Grenzen hält.

Es ist zwar ein hydraulisch betätigbares Dreh-Schrittschaltgetriebe für Kernreaktoren bekannt (DT-AS 1123 057, Fig.8 bis 10), jedoch läßt hierbei die Schrittschaltsperre kein durchgehendes Freischalten des Stabes zu.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gewindeflanken und -gänge eine solche Steigung aufweisen, daß der Gewindekolben auf Grund einer auf die Kolbenstange wirkenden hydraulischen Druckdifferenz in den Gewindegängen aufsteigend bzw. bei Druckentlastung auf Grund des Eigengewichtes und der mit ihm verbundenen Massen absteigend sich zu drehen vermag, daß die Schaltstangen in einem der Gewindeteilung entsprechenden Abstand in Querrichtung durchgehende Aussparungen von einer solchen axialen Länge aufweisen, daß die Schaltstangen in einer Freigabestellung, wenn ihre Aussparungen in Flucht mit den Gewindegängen sind, eine Drehung des Gewindekolbens in den Gewindegängen ermöglichen, dagegen in einer Sperrstellung, wenn ihre Aussparungen nicht in Flucht mit den Gewindegängen sind, eine Weiterdrehung des Gewindekolbens blockieren, und daß mindestens zwei Schaltstangen abwechselnd in die Freigabe- und die Sperrstellung derart bringbar sind, daß die Gewindegänge zeitlich nacheinander und räumlich hintereinander jeweils nur auf einer Teilstrecke freigeschaltet sind und der Gewindekolben demgemäß schrittweise um vorgegebene Drehwinkeleinheiten und Teilhübe in Einfahr- bzw. Ausfahrrichtung bewegbar ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zwei Schaltstangen vorgesehen sind, die an zwei einander diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen des Rohres in entsprechenden Führungsnuten gelagert und deren Aussparungen dem Verlauf der Gewindegänge entsprechend gegeneinander versetzt sind. Diese Ausführungsform ist konstruktiv und funktionsmäßig besonders günstig, da sie im wesentlichen symmetrische Belastungen ergibt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind für den Fall der Notabschaltung (Scram) die Schaltstangen gleichzeitig in die Freigabestellung bringbar, so daß der Gewindekolben auf durchgehend freigeschaltete Gewindegängen seinen Gesamthub ohne Unterbrechung durchlaufen kann. Die erhöhte Geschwindigkeit für den Scram-Fall wird durch einen erhöhten Druck der Hydraulikflüssigkeit erreicht, erhöht im Vergleich zum Oruck beim normalen Einfahren.

Gemäß einer anderen Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung sind die Schaltstangen von hydraulischen Kraftkolben bewegbar, wobei zum Zwecke der Ein- oder Ausfahrsteuerung zwei Kraftkolben gegenläufig derart steuerbar sind, daß — wenn der eine seine obere Endlage einnimmt — der andere sich in der unteren Endlage befindet. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß drei klar abgegrenzte Betriebszustände erreichbar sind, die trotz Einfachheit der Steuerung eine hohe Sicherheit bieten:

1) Sind die Hydraulikzylinder entlüftet und liegt an

!or Kolbenstange kein Druck zum Einfahren oder /.um Seram an, so nehmen die Schaltstangen automatisch die Spcrrstellung ein, d. h. alle beide, so daß gegen Ausiahren doppelte Sicherheit gegeben ist;

2) nur bei Scramdruck gelangen die Schahstangen in ihre Freischaltstellung;

3) bei normalem Ein- oder Ausfahren ist jeweils nur eine Schaltstange entriegelt.

Ein besonderes Augenmerk ist auf die Gestaltung der Gewindeflanken am Gewindekolben zu richten, insbesondere auf die Endflächen. Hier sieht die Erfindung vor, daß die Gewindeflanke des Gewindekolbens eine obere, im wesentlichen horizontale Endfläche aufweist, welche bei gesperrtem Gewindegang gegen eine obere, im wesentlichen horizontale Sperrfläche der jeweiligen Schaltstangen-Aussparung läuft. Eine derart gestaltete Endfläche hat den Vorteil, daß die bei Notabschaltung und hydraulisch entlüfteten Kraftkolben beide Schahstangen als Anlauffläche in die Freigabestellung anheben kann, d. h„ wenn der erhöhte Scram-Druck auf die Kolbenstange gegeben wird. Andererseits ist es besonders vorteilhaft, wenn die Gewindeflanke des Gewindekolbens eine untere, im wesentlichen vertikal verlaufende Anlauffläche aufweist, welche bei schritt weiser Abwärtsbewegung des Gewindekolbens jeweils gegen eine Seitenfläche der in Sperrstellung stehenden Schaltstange läuft. Hiermit ist eine Selbsthaltung heim Ausfahren ermöglicht, die auch dann wirksam ist, wenn ein Leitungsbruch auftreten sollte. Die Sicherheit des Steuerstabantriebes für den Notabschaltfall wird dadurch verbessert, daß ein Scram-Kolben auf dem oberen Ende der Kolbenstange längsverschieblich gelagert ist und mit Kupplungsklauen in je eine Ausnehmung an den oberen Enden der Sehahsiangen greift, derart, daß der Scram-Kolben bei Beaufschlagung mit Scram-Druck aufwärts bis zu einem Anschlag verfahrbar ist und dabei beide Schaltstangen in ihre Freigabestellung mitnimmt. Im Sram-Fall erfolgt damit die Freischaltung mittels der oberen Anlauffläche des Gewindekolbens und/oder durch den Scram-Kolben.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 im Aufriß in einem Schnitt längs der Linie 1-1 von Fig. 6 den unteren Teil eines druckgefäßinternen Steuerstabantriebes für Kernreaktoren.

F i g. 2 dem gleichen Gegenstand ebenfalls in einem Axialschnitt, allerdings in einer um 90° gedrehten Schnittebene, d. h. längs der Linie H-U von Fig. 1,

Fig. 3 den oberen Teil des Axialschnittes nach der Schnittlinie 1-1. der die Fi g. 1 ergänzt,

F ι g. 4a bis 4c die Einzelheit des Gewindekolbens und des Führungskolbens, und zwar Fig. 4a itn Aufriß, Fig. 4b im Grundriß mit Blickrichtung von unten nach oben und Fig. 4c im Grundriß mii Blickrichtung· von oben nach unten,

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V von F i r. 1, F i ji. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-Vl win Fig. i,

F ig. 7 einen Schnitt längs der linie VlLViI von Fi-. I.

!-\ j.·,. K einen Schnitt längs der Linie VIILVlIl von Fi _t ü.

V - -... ^ύ t'inoii Schnitt iangs der Lime IX-IX von F i g. 1 ■.;nu

L ι c. i·¹ ώ·, !■;!':;:,; .·;,!■;;; ^J VL-rsröbert im Ausschnitt.

Der Steuersatz,.: '■.·.■■■ ■: ■■'·;'■■::.]· '"■■.-.

und Ausfahren der Steuerstäbe, zum Schnelleinfahren (Scrani) sowie zum Verriegeln der Steuerstäbe in ihrer jeweiligen Solistellung vorgesehen. Wie aus den Figuren ersichtlich, erfolgt das Einfahren des Steuerstabes entgegen der Schwerkraftrichtung und das Ausfahren in Scliwerkraftrichtung. Dies ist ein Bewegungsmechanislnus, der insbesondere für Siedewasserreaktoren Verwendung findet, aber grundsätzlich auch für Druckwasserreaktoren oder andere Arten von Reaktoren

ίο anwendbar ist.

Aus F i g. 1 ist das zur Steuerstabführung dienende Rohr 12.1 erkennbar, das, wie Fig. 1 oder 2 näher /eigen, von einem Hüllrohr 12.10 und einer in dieses eingefügten Gewindebuchse 12.11 gebildet wird. In den F i g. 1 bis 3 ist lediglich ein einziger Steuerstabantrieb ersichtlich; es versteht sich, daß eine Vielzahl derartiger Antriebe über die nicht dargestellte Bodenplatte des Reaktordruckgefäßes verteilt vorzusehen ist, wobei sich jeder Antrieb mit einem Fußteil 13 mit Flansch 13.1 auf

κι der Bodenplatte abstützt und an dieser befestigt ist. Der Flansch 13.1 ist am Fußteil 13 angeschweißt und letzterer ist wiederum mit der Grundplatte 14.1 des Steuerwerkgehäuses 14 verschweißt.

Die axial beweglich gelagerte Kolbenstange !5 (Fig. 1, 3) ist zum Antrieb des jeweiligen Steuerstabes mit diesem gekuppelt. Die besondere Art der Kupplung ist nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung. Auf der Kolbenstange 15 ist der Gewindekolben 16 drehbar gelagert, und zwar sitzt er drehbar auf dem Stangente¹* 17, das an seinem unteren Ende einen Bund 17.1 besitzi. und grenzt mit seiner oberen Stirnfläche 16.1 an die entsprechende Gegenstirnfläche eines Führungskolbens 18 an. Der Führungskolben 18 ist hohlzylindrisch ausgeführt und mit einer zweifach abgesetzten Zentralbohrung 18.1 versehen, wobei der weitere Bohrungslei! 18.10 mit dem verjüngten Ende 15.1 der Kolbenstange 15 verdrehungssicher gekuppelt ist und der engere Bohrungsteil i8.ll das verdickte Ende 17.11 des Stangenteils 17 umfaßt, welch letztere demgemäß beim Zusammenbau von oben in die Bohrung 18.1 eingeschoben werden kann. Anschließend kann dann der Gewindekolben 16 mit seiner Zentralbohrung 16.2 auf den Stangenteil 17 aufgeschoben werden und in seiner Lage durch den Bund 17.1, der ebenso wie das obere Ende des Führungskolbens 18 verstiftet wird, gesichert werden.

Der Gewindekolben 16 ist nun in Gewindegangen i9 hydraulisch auf- und abwärts bewegbar gelagert. Die Gewindegänge 19 sind mit steuerbaren Verriegdungsmitteln versehen und mit diesen schrittweise in Auf- und Abwär.srichtung freischaltbar, so daß der Gewindckolben 16 zur Feineinstellung des Steuerstabes schrittweise ein- und ausgefahren werden kanii. Andererseits sine¹ die Gewindegänge 19 mit den Verriegelungsmiituln füi den Scram-Fal! auch durchgehend freischaltbar, so dat die Kolbenstange 55 den Steuerstab mit der in Vergleich zum normalen Fin' hren erhöhten Scram Geschwindigkeit mitnimmt. Im ein/einen ist hierzu de Gewindekolben 16 mit an seinem Außenumfan;

t>o angeordneten Gewindeflanken 1f».5 (Fig. 4a) in züge hörigen Gewindegangen 19 der fest angeordnetei Gewindebuchse 12.11 gelagert. Hierbei weisen di< Gewindeflanken i?\^r> und Gewindegänge 19 eine solch' Steigung auf, daß tier Gewindekolben 16 aufgrund eine

⁶^ auf die Kolbenstange 15 wirkenden hydraulische Druckdifferenz in den Gewindegangen 19 aufsteigen bzw, bei Druckentlastung aufgrund des Eigengewicht! • :i:J ..Ior mn ihr·· v-bu-Kiencn Masken absteigend sich 1

drehen vermag. Eine günstige Steigung der Gewindeflanken 163 ist in diesem Zusammenhang eine solche, daß der Gewindekolben 16 einen Hub von etwa 4 bis 8 cm durchführt, wenn er sich um das Bogenmaß seiner Gewindeflanke 16.5 (welche etwa '/3 seines Umfanges überstreicht) in den Gewindegängen 19 gedreht hat. Die Gewindebuchse 12.11 weist nun an ihrem Innenumfang (vgl. insbesondere Fig. 1, 2) axiale, die Gewindegänge 19 unterbrechende Führungsnuten 21 auf, in welchen Schaltstangen 22a, 22b axialbeweglich gelagert sind. Die Schaltstangen 22a, 22b sind in einem der Gewindeteilung entsprechenden Abstand mit in Querrichtung durchgehenden Aussparungen 22.1 von einer solchen axialen Länge 1 versehen, daß die Schaltstangen 22a, 226 in einer Freigabestellung, wenn ihre Aussparungen 22.1 in Flucht mit den Gewindegängen 19 sind, eine Drehung des Gewindekolbens 16 in den Gewindegängen 19 ermöglichen. Diese Freigabestellung hat in F i g. 1 die linke Schaltstange 22a eingenommen. Andererseits sind die Schaltstangen 22 so ausgebildet und angeordnet, daß sie in einer Sperrstellung, wenn ihre Aussparungen 22.1 nicht in Flucht mit den Gewindegängen 19 sind, eine Weiterdrehung des Gewindekolbens 16 blockieren. Eine solche Sperrstellung nimmt die in F i g. 1 rechte Schaltstange 226 ein. Weiterhin sind Mittel zum Antrieb und zur Steuerung der Schaltstangen 22 vorgesehen, durch welche die zwei Schaltstangen 22a, 226 abwechselnd in die Freigabe- und die Sperrstellung derart bringbar sind, daß die Gewindegänge 19 zeitlich nacheinander und räumlich hintereinander jeweils nur auf einer Teilstrecke freigeschaltet sind und der Gewindekolben 16 dem gemäß schrittweise um vorgegebene Drehwinkeleinheiten und Teilhübe in Einfahr- bzw. Ausfahrrichtung bewegbar ist.

Besonders günstig ist es, wenn, wie dargestellt, pro Steuerstabantrieb zwei Schaltstangen 22a, 226 vorgesehen sind, die jeweils an zwei einander diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen der Gewindebuchse 12.11 in den entsprechenden Längsnuten 21 gelagert und deren Aussparungen 22.1 dem Verlauf der Gewindegänge 19 entsprechend gegeneinander versetzt sind, wie es Fig. 1, 2 zeigen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, mehr als zwei Schaltstangen, beispielsweise vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Schaltstangen vorzusehen, wodurch die Teilhübe der Kolbenstange 15 entsprechend verkleinert und damit die Steuerstabeinstellung noch mehr verfeinert werden kann. Für den Fall der Notabschaltung (Scram) sind die Schaltstangen 22 gleichzeitig in die Freigabestellung bringbar, so daß der Gewindekolben 16 auf durchgehend freigeschalteten Gewindegängen 19 seinen Gesamthub ohne Unterbrechung durchlaufen kann und der jeweilige Steuerstab zügig in seine Einfahrstellung bewegt werden kann. In diesem Falle hat auch die Schaltstange 226 aus F i g. 1 die Lage ihrer gegenüberliegenden Schaltstange 22a eingenommen. Der bereits erwähnte Führungskolben 18, der auf der Kolbenstange 15 verdrehungssicher sitzt, ist seinerseits mit Vorsprüngen 1&2 in Axialnuten 24, die am Innenumfang der Gewindebuchse 12.11 angeordnet sind, axial gleitend geführt Es wird damit eine präzise Führung der Kolbenstange 15 und damit des Steuerstabes erreicht.

Die Steuerung der Schaltstangen 22 erfolgt mittels hydraulischer Kraftkolben, und zwar sind zum Zwecke der Ein- und Ausfahrsteuerung für je eine Schaltstange 22a, 226 je ein hydraulischer Kraftkolben 25a, 256 vorgesehen, welche gegenläufig derart steuerbar sind, daß — wenn der eine seine obere Endlage einnimmt (in F i g. 1 ist es der Kolben 25a) — der andere sich in der unteren Endlage befindet (in F i g. 1 der Kolben 256). Besonders vorteilhaft ist eine gegenseitige hydraulische Verriegelung der Kolben, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, mittels Umwegleitungen, wobei die der Kolbenunterseite zugeordneten Zylinderräume 27.1 der Kolben jeweils mit dem der Kolbenoberseite zugeordneten Zylinderraum 27.2 des anderen Kolbens verbunden sind, derart, daß bei Druckbeaufschlagung der Kolbenunterseite und Aufwärtsbewegung des betreffenden Kolbens der andere Kolben durch Beaufschlagung seiner Oberseite zwangsläufig abwärts bewegt wird. In F i g. 1 ist durch das Drucköl die Unterseite des Kolbens 25a beaufschlagt gewesen, so daß dieser Kolben in seine obere Endlage gefahren worden ist, und durch die Umwegleitungen ist zugleich die Oberseite des Kolbens 256 beaufschlagt gewesen, so daß dieser Kolben in die dargestellte untere Endlage verfahren worden ist. Das Drucköl wird den Zylinderräumen 27.1 durch je eine Anschlußbohrung 26.1 zugeleitet, welche in der Bodenplatte 14.1 angeordnet sind und zum Anschluß entsprechender hydraulischer Druckschläuche (nicht dargestellt) dienen. Die Bodenplatte 14.1 ist mit dem Gehäusekörper 14.2 (welche die Zylinderbohrungen enthält) und der letztere wiederum mit der Deckplatte 143 dichtend unter Einfügung entsprechender Dichtungsringe 28.1 verspannt und verstiftet (Bolzen 29, Stift 30). Die Umwegleitungen bestehen aus unteren horizontalen Leitungsteilen 26.2 (Fig.7) und oberen horizontalen Leitungsteilen 263 (F i g. 6) sowie aus vertikalen Leitungsteilen 26.4 (F i g. 6 bis 8). Durch die Linien ζ ist die Identität der vertikalen Umwegleitungsteile 26.4 aus F i g. 6 und F i g. 7 verdeutlicht.

Die Kolben 25a, 6 sind mit ihren Schaltstangen 22a, 6 über Stößel 31 gekoppelt, welche mit einem hammerkopfartigen Ende 31.1 einerseits in die Kolben eingreifen und andererseits mit einem gabelförmigen Ende 31.2 an das untere Ende der Schaltstangen angelenkt sind (Kupplungsbolzen 31.3 — vgl. auch F i g. 9). Die Stößel 31 haben einen Rundquerschnitt und sind in entsprechenden Bohrungen 14.4 der Deckplatte 143 in axialer Richtung gleitend geführt. Der Deckel 143 bildet an seiner Oberseite eine Kammer 14.5, die durch seitliche Bohrungen 14.6, in die zur Abdichtung Gewindestopfen 14.7 eingeschraubt sind, zugänglich ist, so daß man zur Montage oder Demontage sowie zur Inspektion an die Kupplungsstellen 31,31.2,313 heran kann. Auf der Oberseite der Deckplatte 143 ist dichtend eine Zwischenplatte 32 und auf dieser wiederum dei Flansch 12.12 des Steuerstabführungsrohres 12.1 dich tend aufgesetzt (Spannbolzen 33, Stifte 34, Dichtungei 35, Schweißnaht 36).

Durch das Gehäuse 14, d. h. die Bodenplatte 14.1, dei Gehäusekörper 14.2 und die Deckplatte 143 führt eim Scram-Leitung 37 (vgl. insbesondere F i g. 2) in di Kammer 145. Die Scram-Leitung hat eine Gewinde bohrung 37.1, in welche das Anschlußstück einer nich dargestellten Druckleitung für die Druckflüssigke eingeschraubt werden kann. Als Druckflüssigkeit dier bevorzugt das Reaktorkühlwasser, da in diesem Fall die Druckflüssigkeit in den Kühlkreislauf des Reaktoi übertreten kann, ohne daß Abdichtungen für zw getrennte Kreisläufe vorgesehen werden müssen. D Druckflüssigkeit tritt dann über die Kammer 145 in d< im Inneren des Steuerstabführungsrohres 12.1 vorges henen unteren Druckraum 38 über, welcher mit de oberen Druckraum 39 (an der Oberseite der Kolbena

709 648/2

Ordnung 16, 18) nicht nur über die Gewindegänge 19 kommuniziert, sondern auch über die Axialbohrungen 16.3 des Gewindekolbens 16 und durch die Axialnuten 183 des Führungskolbens 18. Diese dienen somit als Hin- und Rückströmöffnungen für die Druckflüssigkeit beim Ein- und Ausfahren des Steuerstabes. Aus F i g. 5 sind nochmals die Schaltstangen 22a, b, die Axialnuten 18.3 sowie die Führungsvorsprünge 18.2 deutlich erkennbar. Wie es insbesondere F i g. 4a zeigt, weist die Gewindeflanke 16.5 des Gewindekolbens 16 eine obere, im wesentlichen horizontale Endfläche 16.4 auf, welche bei gesperrtem Gewindegang gegen eine obere im wesentlichen horizontale Sperrfläche 22.2 (Fig. 2) der jeweiligen Schaltstangen-Aussparung 22.1 läuft. Andererseits weist die Gewindeflanke 16.5 des Gewindekolbens 16 eine untere, im wesentlichen vertikal verlaufende Anlauffläche 16.6 auf (Fig.4a), welche bei schrittweiser Abwärtsbewegung des Gewindekolbens 16 jeweils gegen eine Seitenfläche 22.3 der in Sperrstellung stehenden Schaltstange 22 läuft. Mit der oberen horizontalen Endfläche 16.4 ist nun der Gewindekolben 16 in der Lage, bei Notabschaltung und hydraulisch entlüfteten Kraftkolben 25a, b beide Schaltstangen 22a, 22£> in die Freigabestellung anzuheben, d. h„ wenn der erhöhte Scram-Druck durch die Leitung 37 zugeführt wird, wogegen bei normalem Einfahr-Druck der Gewindekolben 16 sich lediglich Schritt für Schritt freischalten kann, und zwar solange, wie der Druck anhält.

Damit jedoch im Notabschaltfalle eine doppelte Sicherheit gegeben ist, ist noch ein gesonderter Scram-Kolben 40 auf dem oberen Ende der Kolbenstange 15 längsverschieblich gelagert (Fig. 3), der mit Kupplungsklauen 40.1 in je eine Ausnehmung 22.4 an den oberen Enden der Schaltstangen 22a, b eingreift, derart, daß der Scram-Kolben 40 bei Beaufschlagung mit Scram-Druck aufwärts bis zu einem Anschlag verfahrbar ist und dabei beide Schaltstangen 22a, 22b in ihre Freigabestellung mitnimmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Anschlag durch die Stirnfläche 41.1 des Labyrinthdichtungs-Gehäuses 41 gegeben, gegen welche die Schaltstangen 22a, 22b in ihrer oberen Endlage (s. Schaltstange 22a) anliegen. Zwischen Scram-Kolben 40 und Kolbenstange 15 ist ein definierter Ringspalt 42 zum Hindurchtritt der Druckflüssigkeit bzw. Hydraulikflüssigkeit vom oberen Druckraum 39 zu einer Gegendruckseite 43 des Hydraulik Kreislaufes angeordnet, wobei die Leckrate des Ringspaltes 42 die Fallgeschwindigkeit der Kolbenstange 15 und des Gewindekolbens 16 und damit die des Steuerstabes im Falle des Ausfahrens bestimmt. Der Scram-Kolben 40 und damit auch mittelbar die Kolbenstange 15 ist mit seinem Außenumfang in einem Labyrinth-Dichtungsringpaket 44 zentriert gelagert. Dieses Dichtungspaket 44 hat die Aufgabe, eine zentrierende Lagerung, die jedoch auch ein gewisses seitliches Ausweichen der Kolbenstange ermöglicht, zu bewirken und natürlich auch, eine Dichtung des Außenumfanges des Scram-Kolbens 40, da ja durch den Dichtungsspalt 42 eine definierte Leckmenge hindurchtreten soll. Das Dichtungspaket 44 umgibt konzentrisch und koaxial den Scram-Kolben 40 und ist an seiner oberen Stirnseite durch einen Haltering 44.1 und Sprengring 44.2 festgelegt, wobei der Sprengring in eine entsprechende Ringnut am Innenumfang des Dichtungsgehäuses 41 eingelegt ist. Das Dichtungsgehäuse 41 ist mit dem oberen Flansch 12.2 des Führungsrohres 12.1 dichtend verspannt (Bolzen 12J, Stifte 12.4), wobei noch ein Gegenring 12.5 als Widerlager vorgesehen ist. Der Gegenring 12.5 ist in geeigneter Weise mit dem unteren Kerngitter fest zu verbinden (nicht dargestellt); im dargestellten Fall der F i g. 3 dient der Gegenring 12.5 als Grundplatte für das Gehäuse einer Dichtungskammer 12.7, welche dazu dient, im Rahmen eines Versuchsaufbaus, wenn der Steuerstabantrieb noch nicht in den Reaktordruckbehälter eingebaut ist, den Antrieb zu testen, wobei die Druckflüssigkeit in diesem

ίο Falle nicht in den Reaktor geleitet wird, sondern über die Austrittsleitung 45, die an den Gehäusemantel 12.8 angeschlossen ist, dem Hydraulik-Kreislauf wieder zugeführt wird. Demgemäß ist in der Deckplatte 12.6 des Gehäuses auch ein Dichtungspaket 46 zur Abdichtung nach außen für die Kolbenstange 15 vorgesehen.

Als Werkstoff für den beschriebenen Steuerstabantrieb kommen in der Praxis bekannte und bewährte Chromnickelstähle in Frage, wobei an den durch hin- und hergehende Bewegung stark beanspruchten Teilen, wie den Kolben 25, den Stößeln 31 eine z. B. 0,3 mm starke Schicht aus Molybdän zweckmäßig vorzusehen ist. Molybdän zeigt mit dem Stahl St 4550 ausgezeichnete Gleiteigenschaften und nach der Einsatzzeit praktisch keinen Verschleiß. Für den Scram-Kolben 40 wurde Stahl der Sorte ST 4571 verwendet, der die genügende Härte aufweist.

Die Einzelheit X des Labyrinthdichtungspaketes ist aus Fig. 10 ersichtlich. Die Dichtungsringe 44.3,

welchen den Scram-Kolben 40 umfassen, können seitlich ausweichen in beiden Richtungen, wie es der Pfeil ν andeutet, da diese Ringe gegenüber den fest in Ringnuten des Gehäuses 41 angeordneten Abstandshalte-Ringen 44.4 einen radialen Spalt s aufweisen. Auf eine

Lage der Dichtungsringe 44.3 und 44.4 kommt nach Art eines Ziegelstein-Verbundes jeweils eine Lage eines einzigen Dichtungsringes 44.5, welcher den Dichtungsspalt 5 überdeckt, jedoch gegenüber dem Scram-Kolben 40 einerseits und dem Gehäuse 41 andererseits genügendes radiales Spiel aufweist. Die Dichtungsringe 44.3 können noch im Spalt s mit elastischen Federelementen, z. B. Blattfedern, versehen sein, welche eine geringfügige Rückstellkraft erzeugen, damit die Dichtungsringe jeweils eine definierte Lage beibehalten.

Wesentlich ist, daß das Labyrinthdichtungs-Ringpaket mit seinen Dichtungsringen seitlich elastisch auszuweichen vermag und somit eine elastische Führung für den Scram-Kolben 40 und die Kolbenstange 15 bildet, so daß bei Axialbewegung des Scram-Kolbens ein Festklemmen aufgrund überhöhter Flächenpressung nicht

eintreten kann, und daß das Ringpaket natürlich die

erforderliche Dichtwirkung am Außenumfang des

Scram-Kolbens 40 hat.

Die Funktion des beschriebenen Steuerstabantriebes ergibt sich wie folgt: In F i g. 1 ist der Gewindekolben 16 und damit die Steuerstange 15 mit dem Steuerstab durch die in der unteren Endlage befindliche Schaltstange 22t verriegelt. Soll der Gewindekolben 16 einen weiteren Schaltschritt nach oben fahren, so wird Druck auf die

Kolbenunterseite des Kolbens 25b gegeben, so daO dieser Kolben 25b mit seiner Schaltstange 22b nach oben in die obere Endlage verfahren wird und gleichzeitig der andere Kolben 25a in seine untere Endlage. Da über die Scram-Leitung 37 die Druckflüs-

sigkeit mit dem zum Ausfahren erforderlichen Drucl von z. B. 12 bis 15 at Überdruck im Vergleich zu dem irr Raum 43 herrschenden Druck eingeleitet wird, wird di< Kolbenstange 15, an deren wirksamer Fläche sich di(

Druckdifferenz in eine Aufwärtskraft umformt, den Gewindekolben in dem Gewindegang 19 um einen Schaltschritt aufwärts drehen, bis der Gewindekolben mit seiner oberen Anlauffläche 16.4 gegen die obere Sperrfläche 22.2 der nunmehr in Sperrstellung befindlichen linken Schaltstange 22a gefahren wird. Durch abwechselndes Umsteuern der Kraftkolben 25 kann sich dieses Spiel so lange wiederholen, bis die Kolbenstange und der Steuerstab bis in die obere Endlage verfahren sind. Beim Ausfahren wird naturgemäß der Einfahr- ίο druck über die Scram-Leitung 37 nicht angelegt, so daß im Raum unterhalb des Labyrinthdichtungspaketes 44 kein höherer Druck herrscht als im Raum 43. Die Kolbenstange 15 und damit der Gewindekolben werden somit durch Schwerkraft abwärts bewegt, wobei die Leckrate des Ringspaltes 42 die Fallgeschwindigkeit bestimmt, jedoch nur so weit, wie es die Steuerstangen 22 jeweils schrittweise zulassen. Durch abwechselndes Umsteuern der Kraftkolben 25 kann somit der Steuerstab schrittweise wieder in die untere (ausgefahrene) Endstellung bewegt werden. Beim Ausfahren läuft die Gewindeflanke 16.5 des Gewindekolbens 16 mit der unteren Endfläche 16.5 jeweils gegen die Seitenfläche 22.3 der jeweils in Sperrstellung befindlichen Schaltstange 22. Der Gewindekolben 16, die Kolbenstange 15 und damit der Steuerstab können somit sowohl beim Einfahren als auch beim Ausfahren in jeder beliebigen Stellung im Rahmen der Schrittfolge verriegelt und festgehalten werden, auch dann, wenn über die Scram-Leitung 37 Druck gegeben wird (ausgenommen natürlich der höhere Scram-Druck). Wenn aus irgendeinem Grunde das Drucköl für die Kraftkolben 25 ausfallen sollte, z. B. durch Leitungsbruch, dann gehen beide Kraftkolben 25 und damit ihre Schaltstangen 22 in die untere Endlage, so daß beide Schaltstangen 22a, 22b in der Sperrstellung sind, wodurch der Steuerstab gegen Ausfahren doppelt verriegelt ist. Im Notabschaltfall (Scram) wird über die Scramleitung 37 der Scramdruck gegeben, welcher etwa 20 at über dem Gegendruck liegt bzw. bei einem Druck von 70 at im Reaktordruckbehälter einen Druck von 90 at hat. Bei diesem erhöhten Druck ist die Kraft an der Kolbenstange 15 so hoch, daß der Gewindekolben 16 mit seiner oberen Endfläche 16.4, die als Prallfläche dient, die gerade in Sperrstellung befindliche Schaltstange in ihrer Freigabestellung mitnehmen kann. Im Scram-Fall sind natürlich die Kraftkolben 25 hydraulisch entlüftet, damit der Scram-Mechanismus ablaufen kann. Durch den bereits erläuterten Scram-Kolben 40 werden aber auch beide Schaltstangen 22a, 226 in ihre Freigabestellung bewegt, so daß die doppelte Sicherheit im Scram-Falle gegeben ist in dem Sinne, daß auf jeden Fall das Gewinde 19 auf seiner gesamten Länge durchgehend freigeschaltet ist und die Kolbenstange 15 mit der Scram-Geschwindigkeit, die mindestens bei etwa 1 m pro Sekunde normalerweise jedoch noch höher, d. h. 2 m prc Sekunde, beträgt, nach oben verfahren werden kann unc damit der Steuerstab in die Brennelementanordnunj eingeschossen werden kann. Ist der Steuerstab gan; eingefahren, so wird die Schaltstange, welche die oben Endlage des Gewindekolbens 16 fixiert, durch Druckbe aufschlagung in ihre Sperrstellung gebracht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Hydraulischer Steuerstabantrieb für einen Kernreaktor, bestehend aus einem vertikal angeordneten Rohr, aus einer in dem Rohr axial beweglich gelagerten, hydraulisch angetriebenen Kolbenstange, aus einer am oberen Ende der Kolbenstange befindlichen Kupplung für den Steuerstab und aus einer steuerbaren Sperre für die Axialbewegung der Kolbenstange, wobei die Sperre bei einer Schnellabschaltung des Kernreaktors unwirksam ist, d a durch gekennzeichnet, daß die Sperre aus einem auf der Kolbenstange (15) axialfest und drehbar gelagerten Gewindekolben (16) mit an seinem Außenumfang angeordneten Gewindeflanken (163), die in zugehörige Gewindegänge (19) des mit einem Innengewinde versehenen Rohres (12.1) eingreifen, und aus mindestens zwei hydraulisch gesteuerten axial bewegbaren Schaltstangen (22) besteht, die in in die Gewindegänge (19) anschneidenden, axialen Führungsnuten (21) gelagert sind, daß die Schaltstangen (22) in ihrer Freigabestellung die Drehbewegung des Gewindekolbens (16) nicht behindern, jedoch in ihrer Sperrstellung in den Gewindegängen (19) einen Anschlag für die Gewindeflanken (16.5) bilden und daß die Steuerung der Schaltstangen (22) im Normalbetrieb eine schrittweise Bewegung der Kolbenstange (15) zuläßt.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindeflanken (16.5) und -gänge (19) eine solche Steigung aufweisen, daß der Gewindekolben (16) auf Grund einer auf die Kolbenstange wirkenden hydraulischen Druckdifferenz in den Gewindegängen (19) aufsteigend bzw. bei Druckentlastung auf Grund des Eigengewichts und der mit ihm verbundenen Massen absteigend sich zu drehen vermag, daß die Schaltstangen (22) in einem der Gewindeteilung entsprechenden Abstand in Querrichtung durchgehende Aussparungen (22.1) von einer solchen axialen Länge aufweisen, daß die Schaltstangen (22) in einer Freigabestellung, wenn ihre Aussparungen (22.1) in Flucht mit den Gewindegängen (19) sind, eine Drehung des Gewindekolbens in den Gewindegängen ermöglichen, dagegen in einer Sperrstellung, wenn ihre Aussparungen nicht in Flucht mit den Gewindegängen sind, eine Weiterdrehung des Gewindekolbens (16) blockieren, und daß mindestens zwei Schaltstangen (22a, 22b) abwechselnd in die Freigabe- und die Sperrstellung derart bringbar sind, daß die Gewindegänge (19) zeitlich nacheinander und räumlich hintereinander jeweils nur auf einer Teilstrecke freigeschaltet sind und der Gewindekolben (16) demgemäß schrittweise um vorgegebene Drehwinkeleinheiten und Teilhübe in Einfahr- bzw. Ausfahrrichtung bewegbar ist.

3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schaltstangen (22a, 22b) vorgesehen sind, die an zwei einander diametral gegenüberliegenden Umfangsstellen des Rohres (12.1) in entsprechenden Führungsnuten (21) gelagert und deren Aussparungen (22.1) dem Verlauf der Gewindegänge (19) entsprechend gegeneinander versetzt sind.

4. Antrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall der Notabschaltung rscram) dieSchaltstangen (22) gleichzeitig in die Freigabestellung bringbar sind, so daß der Gewindekolben (16) auf durchgehend fre.geschalteten Gewindegängen (19) seinen Gesamthub ohne Unterbrechung durchlaufen kann.

5 Antrieb nach Anspruch 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstangen (22) von hydraulischen Kraftkolben (25) bewegbar s.nd. wobei zum Zweck der Ein- oder Ausfahrsteuerung zwei Kraftkolben (25a, 25b) gegenläufig derart steuerbar sind, daß - wenn der eine seme obere Endlage einnimmt - der andere sich in der unteren Endlage befindet. .

6 Antrieb nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine gegenseitige hydraulische Verriegelung der Kolben mittels Umwegleitungen, wobei die der Kolbenunterseite zugeordneten Zylinderräume i27 11 der Kolben (25) jeweils mit dem der Kolbenoberseite zugeordneten Zylinderraum (27.2) des anderen Kolbens verbunden sind, derart, daß bei Druckbeaufschlagung der Kolbenunterse.te und Aufwärtsbewegung des betreffenden Kobens der andere durch Beaufschlagung seiner Oberseite zwangläufig abwärts bewegt wird.

7 Antrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (25) mit ihren Schaltstangen (22) über Stößel (31) gekoppelt sind.

8 Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gew.ndeflanke Π6 5) des Gewindekolbens (16) eine obere, im wesentlichen horizontale Endfläche (16.4) aufweist, welche bei gesperrtem Gewindegang gegen,eine obere im wesentlichen horizontale Sperrflache (22.2) der jeweiligen Schaltstangen-Aussparung

(22.1) läuft. ,-ui u

9 Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß bei Notabschaltung und hydraulisch entlüfteten Kraftkolben (25) beide Schaltstangen (22) mittels der Endfläche (16.4) des Gewindekolbens (16) in die Freigabestellung anhebbar sind.

10 Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß ein Scram-Kolben (40) auf dem oberen Ende der Kolbenstange (15) längsverschieblich gelagert ^;st und mit Kupplungsklauen (40.1) in je eine Ausnehmung (22.4) an den oberen Enden der Schaltstangen (22) greift, derart, daß der Scram-Ko ben (40) bei Beaufschlagung mit Scram-Druck aufwärts bis zu einem Anschlag (41.1) verfahrbar ist und dabei beide Schaltstangen (22) in ihre Freigabe-Stellung mitnimmt. .JUl

11 Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß zwischen Scram-Kolben (40) und Kolbenstange (15) ein definierter Ringspalt (42) zum Hindurchtritt der Hydraulikflüssigkeit von der Druckseite (39) zu einer Gegendruckseite (43) des Hydraulik-Kreislaufes angeordnet ist, wobei die Leckrate des Ringspaltes (42) die Fallgeschwindigkeit der Kolbenstange (15) und des Gewindekolbens (16) und damit die des Steuerstabes (6) im Falle des Ausfahrens bestimmt.

12 Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindeflanke (16.5) des Gewindekoibens (ίδ) eine untere, im wesentlichen vertikal verlaufende Anlauffläche (16.6) aufweist, welche bei schrittweiser Abwärtsbewegung des Gewindekolbens (16) jeweils gegen eine Seitenfläche (22.3) der in Sperrstellung stehenden Schaltstange (22) läuft.