DE2521657A1

DE2521657A1 - Linearantrieb fuer die steuerstaebe von kernreaktoren und betriebsverfahren fuer diese linearantriebe

Info

Publication number: DE2521657A1
Application number: DE19752521657
Authority: DE
Inventors: Frank Bevilacqua
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1975-05-15
Publication date: 1975-12-11
Also published as: SE427973B; SE7505981L; FR2280174B1; JPS511892A; JPS5540837B2; DE2521657B2; CA1029478A; FR2280174A1; DE2521657C3; US3959071A; ES437771A1; IT1038484B

Description

Anmelder: Combustion Engineering, Inc. Windsor» Connecticut, U.S.A.

Linearantrieb für die Steuerstäbe von Kernreaktoren und Betriebsverfahren für diese Linearantriebe

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearantrieb entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Betriebsverfahren für Kernreaktoren mit solchen Linearantrieben. Auch der Aufbau eines Kernreaktors mit solchen Linearantrieben ist Gegenstand der Erfindung. Allgemein gesehen ist es Aufgabe der Erfindung, die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit für das Einfahren der Schnell· Schlussteuerglieder in den Kern des Kernreaktors zu erhöhen. Zur Steuerung von Kernreaktoren ist es üblich, eine Vielzahl von in Längsrichtung beweglichen Steuergliedern zu verwenden. Diese Steuerelemente, auch Steuerstäbe genannt, werden aus einem neutronenabsorbierenden Stoff gemacht oder enthalten einen solchen Stoff und regeln und steuern die Kettenreaktion innerhalb des Kerns Je nach der Stellung, die sie in ihrer Längsrichtung einnehmen. Die Längseinstellung der Steuerstäbe wird im allgemeinen durch Linearantriebe bewirkt, die auf dem Kopf des Reaktordruckbehälters angebracht sind und stehen mit AntriebsVerlängerungen der Steuerstäbe in Eingriff. Aus Sicherheitsgründen müssen diese Linearantriebe in der Lage sein, die Steuerstabe schnell in den Kernreaktor einzuführen, um die nukleare Kettenreaktion in einem Notfall zu beenden (Schnellschluss) und so dadurch entstehend» Schaden an Reaktor und seiner Umgebung zu verhindern.

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Diese schnelle Einführung der Steuerstäbe hat man bisher dadurch erzielt, dass die Linearantriebe mit Einrichtungen versehen waren, durch die die Steuerstäbe frei unter dem Einfluss der Schwerkraft in den Reaktor hineinfielen und dadurch den Schnellschluss herbeiführten. Bei Antrieben mit magnetgesteuerten Klinken, deren Klinken oder Greiforgane die Antriebsansätze (Zahnstangen) der Antriebsverlängerung der Steuerstäbe betätigen, wurde dieser Auslöser durch Aberregung der Magrxetspulen herbeigeführt, so dass die Klinken oder Greifer ausser Eingriff mit den Antriebsgliedern der Steuerstäbe kamen. Solche Einrichtungen haben sich als sehr zuverlässig für den Schnellschluss in Kernreaktoren erwiesen.

Die Atomenergiekommiss ion hat jedoch in einem Bericht der im September 1973 veröffentlicht wurde, und dessen Titel lautet "Technical Report On Anticipated Transients Without Scram For Water-Cooled Power Reactors" und der im Lesesaal der Atomenergiekommission zugänglich ist, festgestellt, dass es wünschenswert wäre, wenn die Re/-aktorindustrie bei ihrer Suche nach Portschritten geeignete Schritte unternehmen würde, um diese an sich schon zuverlässigen Systeme weiter zu verbessern. Das Hauptbedenken bezieht sich auf Gleichartigkeitsfehler beim Schnellschluss (common mode failure). Solche Gleichartigkeitsfehler und ihre Probleme ergeben sich, wenn mehrere Bauelemente mechanisch in der gleichen Weise arbeiten. Bei solchen Vorrichtungen ist eine, wenn auch sehr geringe Wahrscheinlichkeit vorhanden, dass alle identischen Vorrichtungen fehlerhaft arbeiten, wenn ein einziges Ereignis eintritt. In Bezug auf einen Fehler beim Schnellschluss ergibt sich die spezielle Sorge, dass alle Linearantriebe für die Steuerstäbe z.B. die magnetgetriebenen Klinken, nicht richtig arbeiten, um die Steuerstäbe auszulösen, wenn eine Schnellschlusssituation eintritt. Ein Vorschlag zur Verbesserung der Zuverlässigkeit geht dahin, zwei getrennte Schnellschlussysteme vorzusehen, von denen Jedes unabhängig vom anderen arbeitet, und aus anderen Geräten und Bauteilen hergestellt ist. Durch die Verwendung zweier getrennter Schnellschlussysteme wird zwar die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers aufgrund einer vom normalen abweichenden oder einer Über-

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gangssltuation vermindert (vermutete oder vorhergesehene Abweichoder Übergangssituationen(transients) sind solche Ereignisse, von denen man erwartet, dass sie wenigstens einmal während des Betriebes des Reaktors eintreten und deshalb nicht als hypothetische Unfallsituationen betrachtet werden können). Die doppelten Systeme bringen aber eine beträchtliche Erhöhung der Kosten des Kernkraftwerks mit sich. Die Entwicklungs- und Herstellungskosten würden sich verdoppeln, auch wäre der Betrieb schwieriger, weil eine Variation des Anordnungsschemas für die Steuerstäbe nicht mehr so leicht wäre und man deshalb in der Verwendung des Brennstoffes mehr gebunden wäre.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine wirtschaftlichere Konstruktion zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Linearantriebe für die Steuerung und Regelung der Steuerstäbe eines Kernreaktors beim Schnellschluss zu finden. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung mit einem Linearantrieb gelöst, wie er im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 definiert ist und der vorzugsweise nach dem Verfahren des Anspruches 9 betrieben wird.

Mit anderen Worten, schlägt die Erfindung vor, jeden Linearantrieb mit einer zweiten Type von Haltegliedern zu versehen, die die Steuerstäbe in der ausgefahrenen Stellung festhalten, also für einen Schnellschluss bereithalten. Diese zweite Type von Haltegliedern ist verschieden von den anderen Linearantrieben. In einem solchen System wird ein Teil der Linearantriebe nur mit der ersten Type von Haltegliedern ausgestattet, um die zugeordneten Steuerstäbe in der ausgefahrenen oder teilweise ausgefahrenen Stellung zu halten und der verbleibende Teil der Antriebe wird nur mit der zweiten Type von Haltegliedern ausgestattet, um die verbleibenden Steuerstäbe in der ausgefahrenen Stellung zu halten. Da die erste und zweite Type der Halteglieder sich vollständig unterscheiden und unterschiedlich arbeiten, ergibt sich eine geringere Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein einziges Ereignis einen Fehler bei· der Typen von Haltegliedern veranlassen kann _t so dass diese Halteglieder am Schnellschluss, d.h. am Einfahren der S teuer stäbe, verhindert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens eines der Systeme zum Schnell-

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Schluss kommt, ist merklich erhöht. ■

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel geht der Betrieb der Linearantriebe so vor sich, dass zunächst die Steuerstäbe angehoben werden, die mit der ersten Type von Haltegliedern für die Linearantriebe ausgestattet sind. Dann werden für einen ersten Teil der Linearantriebe die zugeordneten Steuerstäbe weitergehoben und die zweite Type der Halteglieder betätigt. Dann wird die erste Type der Halteglieder zurückgestellt, so dass diese Steuerglieder mit der zweiten Type von Haltegliedern in Eingriff stehen. Die Rückstellung und die Tatsache, dass die ersten Halteglieder mit dem ersten Teil der Linearantriebe ausser Eingriff gekommen sind, wird dann abgefühlt, um sicherzustellen, dass die erste Type von Haltegliedern nicht bei einer Auslösung der Steuerglieder durch die zweite Type der Halteglieder bei einem Schnellschluss stört. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird diese Sicherung u. Abtastung dadurch herbeigeführt, dass der Steuerstat» eine Abwärtsbewegung ausführt bevor er durch die zweite Type von Haltegliedern gehalten wird.

In bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die zweite Type von Haltegliedern aus einem Linearantrieb mit magnetischen Klinken, bei dem die letzteren die Antriebsverlängerungen der Steuerstäbe in einer Stellung halten, in der sie vollständig aus dem Reaktorkern ausgefahren sind. Die Antriebe der magnetischen Klinken bringen die Steuerstäbe zu einer Stellung oberhalb der Eingriffsstellung mit den zweiten Haltegliedern. Dann werden die Halteglieder zweiter Type betätigt, die ersten Halteglieder und die Antriebsglieder werden ausser Eingriff genommen, so dass die Steuerstäbe mit ihren Antriebsverlängerungen in den Eingriff mit den Haltegliedern zweiter Type zurückfallen. Es sind Fühlglieder vorgesehen, die diese kurze Abwärtsbewegung der Steuerstäbe abtastet und die positiv anzeigen, dass die ersten Halte- und Antriebsglieder ausser Eingriff sind und dass die zweiten Halteglieder mit dem Steuerglied in Eingriff stehen. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung wird also die Wahrscheinlichkeit eines Schnellschlusses für mindestens einen Satz von Steuerstäben in jeder Situation erhöht. Das Problem eines Gleichartigkeitsfehlers (common mode failure) wird

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auf ein Minimum zurückgeführt. Dadurch, dass Jeder Antrieb mit magnetischen Klinken mit beiden Typen von Haltegliedern versehen wird, kann Jeder Linearantrieb des Kernreaktors ständig überprüft werden, so dass sichergestellt wird, dass sie die Steuerglieder bei einer Schnellschlussituation auslösen. Auch ist die Auswahl der Jeweiligen Type von Haltegliedern für bestimmte Steuerglieder sehr flexibel. Man kann auch die Zuordnung der Steuerstäbe zu der Funktion "Steuerung" und zu der Funktion "Schnellschluss" leicht ändern, so dass eine Anpassung an das Jeweilige Schema für die Anordnung des Brennstoffes leicht möglich ist. Diese und weitere Merkmale der Erfindung und weitere Einzelheiten gehen auch aus der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung hervor, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnungen zeigen:

Figur 1 1st eine Seitenansicht mit einem Teilschnitt eines Kernreaktors, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet 1st und bei dem viele Linearantriebe für die Steuerglieder la Kopf des Druckgef ässes angebracht sind;

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Antrieb gemäss der vorliegenden Erfindung,bel dem sowohl ein magnetisch betätigter Greifer als auch eine mechanische Klinke für die Steuerung verwendet werden;

Figur 3 zeigt einen vergrösserten Schnitt des oberen Teiles des Antriebs gemäss Figur 2, bei dem die Antriebsverlängerung für das Steuerelement in der gehobenen Stellung gezeigt ist, während die Klinken - als zweite Art von Haltegliedern als nicht im Eingriff befindlich dargestellt sind;

Figur 4 zeigt eine Darstellung ähnlich der Figur 3, Jedoch in der Stellung, in der die Antriebsverlängerung in Eingriff steht und auch durch die zweite Art voa Haltegliedem festgehalten wird.

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Die Figur 1 zeigt eine Übersicht über einen Atomkernreaktor mit einem Druckgefäss 10, in dessen Kopfteil 14 viele Linearantriebe 12 zur Steuerung der Längsstellung von Steuerstäben l6 eingebaut sind. Die Steuerstäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen absorbiert und können in nicht dargestellten Führungskanälen von Brennstoff bündeln l8, die zusammen den Kern 20 bilden, geführt sein. Die Stäbe treten durch Rohre 22 der oberen Führungsplatte 24 hindurch, die dazu dient, die oberen Enden der Brennstoff bündel 18 richtig auszurichten. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Gruppen von Stäben an ihren oberen Enden oberhalb der Führungsplatte 24 miteinander verbunden und Jede Gruppe ist mit einer Antriebsverlängerung 26 verbunden, die nach oben durch eine Verschraubung 28 im Kopfteil 14 des Reaktors hindurchtritt. Die Linearantriebe 12 sind mit der Verschraubung 28 verbunden und so ausgebildet, dass sie in Eingriff mit der Antriebsverlängerung 26 kommen, um die Steuerstäbe l6 heben und senken zu können. In bekannter Weise wird der Kernspaltungsprozess durch Heben und Senken der Steuerstäbe 16 in Bezug auf die Brennstoffbündel l8 gesteuert. Die abgegebene Leistung des Kerns wird z.B. erhöht durch eine Aufwärtsbewegung der Steuerstäbe l6 und eine Verminderung tritt ein, wenn die Steuerstäbe 17 in den Kern eingeschoben werden. Ein Schnellschluss des Reaktors wird durch vollständiges Einfahren, der Steuerstäbe 16 in den Kern 20 erreicht. Aus Sicherheitsgründen und um die Möglichkeit eines Schnellschlusses zu vergrössern, ist die Zahl und Absorptionsfähigkeit der einzelnen Steuerstäbe 16 grosser als es unbedingt nötig wäre, um den Reaktor in angemessener Weise herunterzufahren. Während des normalen Betriebes des Reaktors wird nur ein Teil der Steuerstäbe 16 innerhalb des Reaktors 10 dazu benutzt, um die abgegebene Leistung des Kern 20 zu steuern; die übrigen Steuerstäbe 16 bleiben voll ausgefahren, aber in einer Bereitstellung für den Schnellschluss oder ein schnelles Herunterfahren des Reaktors, falls dies nötig werden sollte. Diejenigen Steuerstäbe 16, die die abgegebene Leistung des Kerns 20 steuern, sind als Regelsteuerstäbe bekannt, während die anderen Steuerstäbe l6, die während des normalen Betriebes, vollständig ausgefahren bleiben, "Schnellschluss" oder Sicherheitsstäbe genannt werden. Falls eine Situation eintritt, die einen Schnellschluss

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verlangt, werden sowohl die Regelsteuerstäbe, als auch die Schnellschlussteuerstäbe voll in den Reaktorkern 20 eingefahren.

Die vorliegende Erfindung wird zwar in Bezug auf die Steuerstäbe für Zwecke des Schnellschlusses beschrieben, kann aber auch bei den Regelsteuerstäben angewendet werden, so dass in dieser Beziehung keine Beschränkung eintreten soll. Als Linearantriebe werden ajagnotisch gesteuerte Greifer beschrieben. Auch dies ist nicht zwingend, isan kann andere Antriebe, z.B. solche mit Zahnstange und Kitzel oder solche, die erst in der Zukunft entwickelt werden, verwenden.

Die Figur 2 zeigt einen Linearantrieb 12 mit magnetischen Greifern oder Klinken, der in der üblichen Weise aufgebaut 1st. Zusätzlich sind aber unabhängige Halteglieder vorgesehen. Die Konstruktion alt magnetischen Greifern besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 32, in das hinein sich die Antriebsverlängerung 26 erstreckt, so dass sie in vertikaler Richtung eingestellt werden kann. Das Gehäuse 32 dichtet auch die Antriebsverlängerung, d.h. den Stab 26, ab und 1st mit seinea unteren Ende dicht mit der Verschraubung 28 verbunden, die aus dem Kopf 14 des Druckgefässes herausragt. Das obere Ende des Gehäuses 32 ist in bekannter Weise durch eine Verschraubung 34 abgedichtet. Innerhalb des Gehäuses 32 befinden sich Antriebs- und Halteglieder für den Stab 26, die an sich bekannt sind. Man kann z.B, innerhalb des Gehäuses 32 eine zylindrische Lagerbuchse 36 vorsehen, die - wie dargestellt mit mehreren nach aussen gerichteten Ausnehmungen versehen ist, so dass auf der Buchse ein unterer Anschlagring 38* ein mittlerer Anschlagring 4o und ein oberer Anschlagring 42 entstehen, die als Anschläge für die Anker, die in den Ausnehmungen angeordent sind, dienen. Innerhalb der oberen Ausnehmung ist ein Anker 44 angeordnet, der zwischen dem aittleren und dem oberen Anschlagring 4o bzw. 42 beweglich ist; in einer nach aussen gerichteten Ausnehmung dieses Ankers 44 befindet sich das Betätigungsglied 46 für den Greifer 48. Dieses Betätigungsglied 46 betätigt die Klinke (oder den Greifer) 48, die in und ausser Eingriff mit den Ansätzen oder Zähnen 50 des Antriebsstabes 26 kommen kann. Die untere Ausnehmung der Lagerbuchse 36 besitzt ähnliche Anker 52

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und 54, von denen das Betätigungsglied 54 die untere Klinke 56 betätigt. Die Betätigungsglieder 46, 54 werden durch Federn 58 und 60 in der unteren Stellung, in der sie nicht in Eingriff sind, gehalten. Federn 62 am Ende eines Jeden Ankers 44, 52 dämpfen den Aufprall auf die Anschlagringe der Lagerbuchse 36.

Die verschiedenen Anker werden durch Solenoid-Spulen 64, die dicht um das Gehäuse J>2 herum angeordnet sind, betätigt. Im Ausführungsbeispiel sind 5 Spulen 64 vorgesehen,die mit A,B,C,D und E bezeichnet sind.

Die Wirkungsweise eines solchen Linearantriebes 12 ist bekannt; bei Erregung der Spulen 64 in der richtigen Reihenfolge, wird der Antriebsstab 26 entweder nach oben oder unten entsprechend der gewünschten Bewegungsrichtung angetrieben. Bei Erregung der Spule A wird der Anker in die obere Stellung gebracht, bei Erregung der Spule B wird das Betätigungsglied 46 in die obere Stellung gebracht, so dass die Klinke mit den Zähnen 50 des Antriebsstabes 26 in Eingriff kommt. Bei Erregung der Spule C wird der obere Anker 44 in die untere Stellung gebracht, und der untere Anker 52 in seine obere Stellung, während bei Erregung der Spule D das Betatigungsglied 54 in die obere Stellung und dadurch die untere Klinke 56 in Eingriff mit dem Antriebsstab 26 gebracht wird. Schliesslich kommt der Anker 52 in seine untere Stellung bei Erregung der Spule E. Wenn man annimmt, dass der obere Anker 44 in der unteren Stellung und der untere Anker 52 in seiner oberen Stellung sich befindet, und eine Bewegung des Antriebsstabes 26 nach oben gewünscht wird, so ergibt sich folgender Betriebsablauf: Die Spule B wird erregt, so dass die obere Klinke 48 in Eingriff mit dem Antriebsstab kommt, die Spule D wird aberregt und gibt die untere Klinke 56 frei, dann wird die Spule C aberregt und die Spule A erregt, um den Anker 44 anzuheben und gleichzeitig wird die Spule E erregt, um den Anker 52 nach unten zu bewegen, dann wird die Spule D erregt, um die untere Klinke 56 zu betätigen, die Spule B wird aborregt, um die obere Klinke 48 loszulassen, dann werden die Spulen A und E aberregt und die Spule C erregt, um den Anker 52 anzuheben und den Anker 44 abzusenken. Der oben geschilderte Vorgang kann dann wiederholt werden, ,um

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Schritt für Schritt den Antriebsstab 26 nach oben zu bewegen. Um den Stab 26 Schritt für Schritt abwärts zu bewegen, wird die umgekehrte Reihenfolge für den Betriebsablauf gewählt.

Wie in Figur 2 rechts dargestellt, ist gemäss der Erfindung eine zweite Haltevorrichtung 66 am oberen Ende 34 des Zylinders 32 vorgesehen, um die Steuerstäbe l6 in der oberen Stellung zu halten. Wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird, sind diese zweiten Halteglieder 66 bezüglich der Bauelemente und der Betriebsweise von den ersten Haltegliedern, nämlich den Klinken 48, 56 den Spulen 64 und überhaupt von dem magnetischen Linearantrieb 12 verschieden, um Fehler, die sich aus der Gleichartigkeit oder Gleichheit der Vorrichtung ergeben können, möglichst zu vermeiden. Die zweiten Halteglieder sind auch unabhängig und arbeiten unabhängig von den oben beschriebenen ersten Haltegliedern. Schliess-. lieh ist es vorteilhaft, wenn die zweiten Halteglieder 66 so ausgebildet sind, dass gemeldet wird, wenn die ersten Halteglieder, d.h. die Klinken 48, 56 ausser Eingriff mit dem Antriebsstab 26 kommen.

Die zweiten Halteglieder 66 bestehen aus vielen länglichen fingerartigen Klinken 68, von denen nur zwei gezeigt sind, Betätigungsgliedern 70, mit deren Hilfe die Klinken 68 in die Eingriffsstellung gebracht werden und einem Kupplungskopf 72 am oberen Ende des Antriebsstabes 26, der mit den Klinken 68 in Eingriff kommen kann. Wie aus Figur 3 ersichtlich, sind die Klinken 68 in Ausnehmungen eines Klinkenrohres 74 drehbar auf Stiften 76 befestigt. Jede Klinke 68 besitzt einen unteren, nach innen sich erstreckenden Ansatz. 78-mit Nockenflächen 80 und 82. Auf der oberen Nockenfläche 80 liegt der Kupplungskopf 72 auf, wenn der Steuerstab l6 durch die zweiten Steuerglieder 66 in der gehobenen Stellung gehalten wird. (Figur 4)

Das Betätigungsglied 70 für die Klinken 68 besteht aus einem Betätigungskopf 84, der am unteren Ende eines Magnetankers 86 angebracht ist. Der Anker 86 kann sich in einer Ausnehmung des oberen Abschlussgliedes 88 für das Druckgehäuse um einen begrenzten Betrag in vertikaler Richtung bewegen; dies geschieht unter dem Einfluss einer Magnetspule $0» die innerhalb des Abschlussgliedes 88 auswechselbar befestigt ist. Bei der Erregung

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der Betätigungsspule SO wird ein magnetisches Feld aufgebaut und dadurch der Anker 86 nach oben gezogen; dies hat wiederum zur Folge, dass der Kopf 84 in Bezug auf die Klinken 68 nach oben bewegt wird. Der Kopf 84 hat eine konische, nockenartige Oberfläche 92, die mit den nach innen sich erstreckenden Ansätzen 94 ssa oberen Ende der Klinken 68 in Eingriff kommen kann. Wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich, werden bei der Aufwärtsbewegung des Kopfes 84 die Klinken 68 mit ihrem oberen Ende nach aussen und mit dem unteren Ende nach innen in die Eingriffsstellung gedrückt. In dieser Eingriffsstellung ist die untere Oberfläche des Kupplungskopfes 72 durch die Nockenfläche 80 am unteren Ansatz 78 der Klinken 68 erfasst. Bei Aberregung der Betätigungsspule 90 bewegen sich Anker und Betätigungskopf 84 unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten und gestatten damit eine freie Drehung der Klinken 68 um die Stifte 76. Das Gewicht des Antriebsstabes 26 veranlasst den Kupplungskopf 72, die unteren Enden der Klinken 68 durch Einwirkung der Nockenflächen 80 nach aussen zu drehen und den Stab 26 freizugeben, so dass er zusammen mit dem Steuerstab sich abwärts bewegt und der letztere in den Reaktorkern eingeführt wird. Dies ge- ■ schicht, wenn der Betätigungskopf 84 in seiner unteren Stellung sich befindet, und der Kupplungskopf 72, der auf dem Stab 26 befestigt ist, die Klinken 68 gewissermassen abstreift. Ähnlich ist der Vorgang, wenn das Betätigungsglied 70 wieder seine Ausgangsstellung einnimmt und der Verlängerungsstab 26 des Steuerstabes innerhalb des Druckgehäuses 32 nach oben geführt wird. In diesem Falle kommt die obere Oberfläche des Kupplungskopfes 72 mit der unteren Nockenfläche 82 der Klinken 68 in Eingriff und schwenkt diese unteren Enden um den Stift 76 herum, so dass der Verlängerungsstab 26 sich beliebig nach oben bewegen kann bis zu einer Endstellung, die oberhalb der Eingriffsstellung mit den Klinken 68 liegt.

Die höhere Betriebssicherheit des magnetischen Klinkenantriebes des Kernreaktors 10 bei Anwendung der Erfindung ergibt sich aus den folgenden Betriebsvorgangen. Die Einstellung eines Jeden Steuerstabes 16 im Kernreaktor 10 wird durch die richtige Aufeinanderfolge

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der Erregung und Aberregung der Magnetspulen A,B,C,D und E eines Jeden Linearantriebes 12 gesteuert und geregelt, wie dies bisher im normalen Betrieb eines Reaktors üblich ist. Es können z.B. wie in Figur 2 dargestellt - bei Betriebsbeginn die Sicherheitssteuerstäbe in der ausgefahrenen Stellung sich befinden, während die Regelsteuerstäbe entsprechend der gewünschten Leistung des Atomkerns 20 gehoben und gesenkt werden. Dieser Betrieb geht zur Gänze durch Eingreifen und Lösen der Klinken 48 und 56 vor sich, so dass Sohritt für Schritt die Verlängerung 34 des Steuerstabes gehoben oder gesenkt wird. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Teil der ausgefahrenen SicherheitsSteuerstäbe l6 in der ausgefahrenen Stellung dadurch gehalten, dass mindestens eine Klinke 48 oder 56 des zugeordneten Antriebes 12 mit den Zähnen 50 des Antriebsstabes j4 in Eingriff bleibt. Dies war schon bisher für alle Sicherheitssteuerstäbe üblich. Für den verbleibenden Teil der Sicherheitssteuerstäbe l6 aber werden die Klinken 48 und 56 und die Magnetspulen 64 des zugeordneten Antriebes 12 weiter betätigt, um die Antriebsverlängerungsstäbe 76 so hoch zu heben, dass sie sich oberhalb der Ebene des Eingriffs mit den zweiten Haltegliedern 66 befinden. Wie aus Figur J5 ersichtlich, befindet sich der Betätigungskopf 84 bei dieser Aufwärtsbewegung in seiner unteren Stellung und die unteren Enden der Klinken 68 sind nach aussen gedrückt, weil der Kupplungskopf 72 in Eingriff mit den unteren Nockenflächen 82 steht, so dass eine freie Aufwärtsbewegung des Kupplungskopfes 72 oberhalb der unteren Enden der Klinken 68 möglich ist. Sobald die Antriebsstäbe 26 sieh in dieser gehobenen Stellung befinden, werden die Betätigungsspulen 90 des zugeordneten Linearantriebes 12 erregt, so dass der Anker 86 sich aufwärts bewegt und auch den Betätigungskopf 84 nach oben zieht und die unteren Enden der Klinken 68 nach innen in die Eingriffsstellung gedreht werden (siehe z.B. die Stellung der Klinken in Fig. 4). Dann werden die ersten Halteglieder ausser Eingriff mit der Antriebsverlängerung 26 gebracht, so dass diese eine kurze Strecke nach unten fallen, bis sie von den Klinken 68 am Kupplungskopf 72 gehalten werden und die Steuerstäbe l6 in der ausgefahrenen Stellung verbleiben. Die Auslösung der ersten Halteglieder ge-

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schieht durch Aberregung aller Magnetspulen A, B, C, D, und E bei dem entsprechenden Linearantrieb 12, wie dies auch bisher üblich war.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dafür gesorgt, dass die kurze Abwärtsbewegung des Antriebsstabes 26, die als Folge des aufgehobenen Eingriffs der ersten Halteglieder und des dann folgenden Eingriffs der zweiten Halteglieder eintritt, angezeigt wird. Die Anzeigeglieder 96 bestehen z.B. aus Reedkontakten, die im Gehäuse 96 enthalten, aber in der Zeichnung nicht dargestellt sind, und die durch einen Magneten 98 im oberen Ende des Antriebsstabes 26 (siehe Figur 2) betätigt werden. Wenn der Antriebsstab 26 sich nach unten bewegt, betätigt der Magnet 98 die Reedkontakte, um die Bewegung des Antriebsstabes anzuzeigen. Durch diese Bewegung wird positiv angezeigt, dass die ersten Halteglieder ausser Eingriff gekommen sind. Dies ist leicht einzusehen, weil eine solche Bewegung nur dann möglich ist, wenn die ersten Halteglieder, d.h. die Klinken 48 und 56 beide ausser Eingriff mit dem Antriebsstab 26 gekommen sind. Eine positive Anzeige dafür, dass die zweiten Halteglieder 66 sich im Eingriff befinden und wirklich den Steuerstab l6 in der ausgefahrenen Stellung halten, wird dadurch angezeigt, dass der Antriebsstab 26 seine Abwärtsbewegung beendet hat. Die Anzeigevorrichtung 96 mit dem Reedkontaktschalter ist an sich bekannt und wird häufig in Verwendung mit magnetischen Klinkenantrieben für die Steuerstäbe von Reaktorkernen zur Anzeige von deren Stellung benutzt.

Gemäss den Figuren 3 und 4 ist auch ein Stossdämpfer 100 am oberen Ende des AntriebsStabes 26 vorgesehen, um den Stoss aufzufangen, der durch das Herabfallen des Kupplungskopfes 72 auf die unteren Enden der Klinken 68 entsteht. Der Stossdämpfer 100 besteht aus einer Feder 102 (bellows springs), die in einem zylindrischen Gehäuse am oberen Ende des Antriebsstabes 26 sich befindet und zwar zwischen dem mit einem Flansch versehenen oberen Stab 104 und einem Rückhaltering 106, der durch ein Gewinde mit dem oberen Ende des Antriebsstabes 26 verbunden ist. Der Stab 104 erstreckt sich durch die Öffnung des Rückhalteringes 106 nach oben und trägt den Kupplungskopf 72 der

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zweiten Halteglieder 66.

Der Schnellschluss eines Steuerstabes 16, der durch die zweiten Halteglieder 66 in der ausgefahrenen Stellung gehalten ist, wird' durch die Aberregung der Magnetspule 90 ausgelöst. Damit fällt der Anker 86 herab, nimmt den Betätigungskopf 84 mit, der seinerseits die Klinken 68 freigibt, so dass sie unter dem Einfluss des Gewichtes des AntriebsStabes 26 durch den Kupplungskopf am unteren Ende nach auswärts gedruckt werden, so dass der Antriebsstab 26 frei innerhalb des Druckgehäuses 32 herabfällt. Falls sich der Anker 86 oder die Klinken 68 irgendwie verklemmen, so bleibt doch das Gewicht des Antriebsstabes 26 gross genug, um die Klinken 66 nach aussen zu treiben, so dass die oberen Enden auf die Nockenoberfläche 92 des Betätigungskopfes 84 wirken und damit Anker 86 und Kopf 84 abwärts ziehen. Es ist bekannt, dass die Erregung und Aberregung der Magnetspule 90 und- 64 durch viele unabhängige und mehrfach vorhandene logische Steuerkreise bewirkt wird, die den Erregerstrom zu den Spulen 64 und 90 abschalten, wenn eine Betriebslage eintritt, die den Schnellschluss der Steuerstäbe l6 verlangt. Solche SchnellschlusSteuersysteme sind in Bezug auf Kernreaktoren schon konventionell und haben sich als höchst zuverlässig für die geforderten Unfallsituationen erwiesen, die einen Schnellschluss oder ein Herabfahren des Reaktors mit Hilfe der Linearantriebe verlangen. Im schlimmsten Falle kann ein Fehler zur Unterbrechung des Erregerstromes für. die Spulen führen und so deren Aberregung veranlassen, so dass die Antriebsstäbe 26 ausgelöst werden.

Es können auch in nicht dargestellter Weise die Vorrichtungen auch so einrichten, dass der Anker 86 in der angehobenen Stellung gehalten wird und damit die Klinken 68 in der Eingriffstellung sich befinden. Dies ist besonders nützlich, wenn der Kopf 14 des Reaktordruckgefässes entfernt werden muss, aber die Antriebsstäbe 26 der Steuerstäbe innerhalb der Linearantriebe 12 bleiben sollen, während z.B. im Reaktor der Brennstoff ausgewechselt wird. Zu diesem Zwecke werden der Stopfen 108 und der Bolzen 110 des oberen Druckgehäuseverschlusses 88 nach Erregung der Magnetspule 90 entfernt und man

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kann dann ein geeignetes nicht dargestelltes Werkzeug durch die Öffnung im Verschluss 88 einführen und mit der Oberfläche des Ankers 86 verschrauben. Das Werkzeug hält dann den Anker 86 oben, auch dann wenn die Spule aberregt wird, so dass die Klinken 68 in der Eingreifstellung gehalten werden. Der Stopfen 108 und der Bolzen 110 können auch dazu benutzt werden, das Gehäuse J>2 zu entlüften, wenn der Kopf 14 des Reaktordruckbehälters wieder in die Stellung am oberen Ende des Druckbehälters 10 gebracht wird. Solche Anordnungen sind an sich bekannt.

Es ergibt sich, dass die Linearantriebe 12 und ihr Betrieb gemäss der vorliegenden Erfindung die Zuverlässigkeit einer Notabschaltung durch Einführung einiger Steuerstäbe l6 in den Reaktorkern 20 wesentlich erhöht. Die Bauelemente und die Betriebsweise für die beiden Arten von Haltegliedern der Linearantriebe sind voneinander getrennt (distinct) und voneinander verschieden (dissimilar). Die ersten Halteglieder bestehen näralioh (es wird nur auf die obere Klinke 48 und die zugeordneten Bauelemente Bezug genommen, weil die Verhältnisse bei der unteren Klinke 56 ähnlich sind) aus zwei beweglichen Ankern 44 und 46 und einer zweiarmigen Klinke 48 sowie drei Gelenkverbindungen, während die zweiten Halteglieder nur einen einzigen Anker 86 und eine einzige längliche drehbare Klinke 68 besitzen. Beim Betrieb der ersten Halteglieder wird auch eine Gleitbewegung der Anker 44, genutzt, um die Arme der Klinke 48 so zu schwenken, dass sie in Eingriff mit der Oberfläche des Antriebsstabes 26 kommen. Andererseits verlangen die zweiten Halteglieder 66 nur eine Längsbewegung des Ankers 86, um den Nocken einen einzigen Hebel, nämlich die Klinke 68 zu betätigen. Ausserdem ist die Bewegung des Ankers 86 in der grossen Ausnehmung am oberen Ende der Verlängerung J4 des Druckgefässes anders als die Bewegung der Anker 44, 46 in Schlitzen des Gehäuses 52 bei den ersten Haltegliedern. Mehr noch, die Klinken 68 der zweiten Halteglieder können in die Eingriffstellung mit dem Kupplungskopf 72 an einem Ende des Antriebsstabes 26 gebracht werden; dagegen ergreift die Klinke 48 der ersten Halteglieder die gesamte Oberfläche des Antriebsstabes 26 während des ganzen Bewegungsvorganges der Längsrichtung.

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Das sind nur einige Verschiedenheiten zwischen den Bauelementen und der Betriebsweise der beiden Halteglieder der Linearantriebe 12. Wenn noch grössere Unterschiede erwünscht sein sollten, kann auch ein nicht magnetisches Bet'ätigungsglied 70 benutzt werden.

Es sind diese Unterschiede und Verschiedenartigkeiten, die dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit auf ein Minimum zu reduzieren, dass ein einziges Ereignis einen Fehler bei allen Linearantrieben 12 hervorruft, so dass ein Schnellschluss mit Hilfe einer Rückführung der Steuerstäbe 16 in den Atomkern 20 verhindert würde. Mit anderen Worten: Die Wahrscheinlichkeit eines FehlVerhaltens aller Halteglieder aufgrund ihrer Gleichartigkeit (common mode failure) wird auf ein Minimum zurückgeführt, weil jeweils nur ein Teil der Sicherheitssteuerstäbe in der ausgefahrenen Stellung von einem Typ der Halteglieder gehalten wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die eine Hälfte der Sicherheitssteuerstäbe durch den ersten Typ von Haltegliedern gehalten und die andere Hälfte durch den zweiten Typ von Haltegliedern. Die Sicherheit, dass nur eines der Halteglieder für Jeden Linearantrieb betätigt wird, wird durch die Anzeigeglieder 96 erreicht, die positiv anzeigen, dass die ersten Halteglieder ausser Eingriff und die zweiten Halteglieder in Eingriff mit den Steuerstäben sind, die von dem zweiten Typ von Haltegliedern gehalten werden sollen. Für diejenigen Linearantriebe 12, die nur den ersten Typ von Haltegliedern benutzen sollen, kann die Aufwärtsbewegung der Steuerstäbe 26 in geeigneter, nicht dargestellter Weise begrenzt werden, so dass diese Steuerstäbe sich niemals in den Bereich der zweiten Halteglieder bewegen können. Bei denjenigen Steuerstäben 16, die durch die zweiten Halteglieder 66 gehalten werden, kann die Aufwärtsbewegung des Antriebsstabes 26 dadurch begrenzt werden, dass nur soviel Zähne 50 am unteren Ende vorgesehen werden, dass die Klinke 56 den untersten Zahn 112 (Figur 2) des Antriebsstabes 26 betätigt, wenn der Kupplungskopf 72 sich in seiner obersten, in Figur J5 dargestellten Stellung, befindet.

Es ist auch vorteilhaft, dass beim Versagen einer der Typen von Halte-

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gliedern für die Linearantriebe 12 aufgrund eines gleichartigen Versagens bei allen Haltegliedern dieses Typs den Betrieb des anderen Typs von Haltegliedern nicht beeinflusst, weil dort unterschiedliche Bauteile rait unterschiedlicher Wirkungsweise vorhanden sind. Die Wirkungsweise der Linearantriebe in der Weise, wie sie oben beschrieben wurde, stellt auch sicher, dass nur ein Typ von Haltegliedern wirksam werden kann, un die Steuerstäbe in der ausgefahrenen Stellung zu halten. Dies stellt die Erhöhung der Zuverlässigkeit beim Schnellschluss durch den Einbau des zweiten Typs von Haltegliedem sicher.

Die Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Typ zweiter Halteglieder 66 beschränkt, um mit dem Antrieb durch magnetisch betätigte Klinken zusammenzuarbeiten. Es können auch andere Arten von Haltegliedern anstelle des zweiten Typs von Haltegliedern 66 verwendet werden. Dies könnte z.B. vorteilhaft sein, wenn die Erfindung mit verschiedenen Typen von Linearantrieben angewendet wird. Die Erfindung ist auch nicht auf die Benutzung mit Sicherheitssteuerstäben beschränkt, weil zwei Typen von verschiedenen Haltegliedern auch für das Halten der Regelsteuerstäbe während des normalen Reaktorbetriebes benutzt werden können. Dann würde der zweite Type von Haltegliedern auch zum Festhalten eines Teiles der Vielzahl"von Regelsteuerstäben benutzt werden und würde dann auch so eingerichtet sein, dass der zweite Typ von Haltegliedern in den Regelvorgang für die Leistungsabgabe des Reaktorkerns während des normalen Betriebes eingeschlossen ist. Ein Betrieb, der die Auslösung der ersten Halteglieder und einen Eingriff· der zweiten Halteglieder mit ihren Antrieben durchführt, kann dann in ähnlicher Weise erfolgen wie dies oben für die Sicherheitssteuerstäbe beschrieben wurde.

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Claims

BW 688/CE 3455 23.4.75 cl/schu Patentansprüche

1. ) Linearantrieb für die Steuerstäbe von Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antrieb zwei Haltevorrichtungen (48, 56, 64 und 66) unterschiedlicher Bauart und/oder til'irkungsweise zugeordnet sind, von denen jede den Steuerstab in der ausgefahrenen Stellung verriegeln kann.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine (66) der Haltevorrichtungen oberhalb der anderen (48, 56, 64) angeordnet ist.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Haltevorrichtungen mit voneinander unabhängigen Betätigungsgliedern (48, 56 und 70) versehen sind.

4. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung elektromagnetisch betätigter Klinken (48, 56) die Klinke als erste Haltevorrichtung dient.

5· Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Haltevorrichtung am oberen Ende des Antriebsstabes (26) ein Kupplungskopf (72) angebracht ist, der durch Sperrglieder (68) festgehalten werden kann.

6. Kernreaktor mit Linearantrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steuerstäbe (l6) zwei Haltevorrichtungen besitzen. ·

7· Kernreaktor mit Linearantrieben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur diejenigen Steuerstäbe (Sicherungssteuerstäbe l6) zwei Haltevorrichtungen besitzen, die die Ausschaltung des Reaktors (Schnellschluss) steuern.

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8. Kernreaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Fühlglieder (96, 98) vorgesehen sind, die die Stellung der Steuerstäbe (l6) und ihren Eingriff mit den Haltegliedern abtasten.

9- Betriebsverfahren für Kernreaktoren nach einem der Ansprüche 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steuerstäbe (16) zunächst auf die Höhe der ersten Haltevorrichtung 48, 56) gehoben und dann ein Teil davon - vorzugsweise die Hälfte aller Stäbe - über die Höhe der zweiten Haltevorrichtung herausgehoben, dann die zweite Haltevorrichtung in die Eingriffsstellung gebracht und schliesslich diese Steuerstäbe wieder auf die Höhe der zweiten Haltevorrichtung abgesenkt werden.

10. Betriebsverfahren für Kernreaktoren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass durch die Pühlglieder (96, 98) die Abwärtsbewegung der verbleibenden Steuerstäbe (l6) in die Eingriff sstellung signalisiert wird.

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