DE2524847A1

DE2524847A1 - Daempfungsvorrichtung fuer kernreaktorsteuerelemente

Info

Publication number: DE2524847A1
Application number: DE19752524847
Authority: DE
Inventors: William Elwood Taft
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1974-06-04
Filing date: 1975-06-04
Publication date: 1976-01-02
Also published as: JPS515481A; US3980519A

Description

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Dämpfungsvorrichtung für Kernreaktorsteuerelemente.

Die Erfindung bezieht sich auf Steuersysteme für Kernreaktoren, und zwar insbesondere auf Abschaltsysteme für Kernreaktoren, welche die Steuerstäbe solange herausgezogen aus dem Reaktorcore halten, bis ein Abschaltsignal empfangen wird, woraufhin die Steuerstäbe zum Eintritt in den Core freigegeben werden; die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Kombinations-Dämpfungsvorrichtung zur Verlangsamung des Steuerelements, nachdem es in den Reaktorcore eintritt.

Bei vielen Bauarten von Kernreaktoren ist es bekannt, dass zur Steuerung der Ausgangsgröße und des gleichförmigen Brennstoffverbrauchs der Reaktoren Steuerstäbe in den Reaktorcore eingesetzt werden, die ein Neutronen absorbierendes Material tragen. Derartige Steuerstäbe sind in der normalen Betriebs-

509881/0347

art in der Weise angetrieben, daß es möglich ist, eine Feineinstellung vorzunehmen. Es ist aber nicht möglich, beispielsweise in einem Notfall, die Steuerstäbe unter Verwendung der normalen Steuerantriebe anzutreiben, so daß sie in den Reaktorcore hinreichend schnell eintreten.

Es ist in der Technik bekannt, daß Kernreatoren zuverlässige und schnell arbeitende Systeme zum Einsetzen einer Steuerstange in den Reaktorcore unter bestimmten Bedingungen erfordern. Dieses Erfordernis ist von besonderer Wichtigkeit für mit flüssigem Metall gekühlte schnelle Brüterreaktoren (LMFBR). Es wurden bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen angegeben, um die erforderliche Not- oder Abschaltsteuerung für Reaktoren vorzusehen, wie dies beispielsweise den U.S. Patenten 3 535 206 und 3 72 8 219 zu entnehmen ist. Obwohl diese bekannten Systeme eine wirksame Abschaltsteuerung erzeugen und federhydraulische Dämpfsysteme verwendet wurden, so besteht dennoch ein Bedürfnis für eine Vorrichtung, die in der Lage ist, eine Abbremsfunktion am Ende des Abschalthubs der Steuerstange vorzusehen, ohne große Abbremsbeschleunigungskräfte zu erzeugen.

Zusammenfassend kann man sagen, daß die vorliegende Erfindung eine Steuerelement-Abbremsungswirkung (Dämpfer) am Ende des Abschalthubs eines Zusatzsicherungs-Notabschalt-Steuersystems erzeugt. Das Neutronen absorbierende Steuerelement wird am Ende seines Abschalthubs durch zwei Anordnungen verlangsamt. Die erste ist eine einzige Anordnung aus einer sich verjüngenden Stoßstangen/Bremszylinder-Vorrichtung. Die zweite ist eine Reihe von durch Federn getrennten Scheiben, die durch die schließliche Last flachgedrückt werden. Der Dämpfungshub kann somit ohne die Erzeugung großer Abbremsbeschleunigungskräfte (g) erreicht werden.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Dämpfvorrichtung für Kernreaktorsteuerstäbe vorzusehen. Die Erfindung bezweckt ferner, eine Steuerelement-Abbremsvorrichtung anzugeben, die am Ende des Abschalthubs arbeitet. Ferner hat sich die Erfindung

509881/0347

252A847

zum Ziel gesetzt, eine Stoßstangen-Dämpfungs-Kombinationsvorrichtung vorzusehen, die eine Kernreaktorsteuerelement-Abbremsfunktion ausübt. Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, eine Kombinationsvorrichtung anzugeben, in welcher eine sich verjüngende Stoßstangenanordnung das Steuerelement auf eine niedrigere Geschwindigkeit abbremst, wonach eine federhydraulische Dämpfungsvorrichtung einsetzt und die letzte Dämpfung vervollständigt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen teilweise geschnittenen unteren Abschnitt einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Steueranordnung;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilquerschnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, durch welche das neutronenabsorbierende Steuerelement eines Kernreaktors am Ende seines Abschalthubs abgebremst wird, wodurch diese Vorrichtung als eine Dämpfungsvorrichtung oder eine Abbremsvorrichtung wirkt. Die gesamte Dämpfungswirkung wird durch die Kombination von zwei Anordnungen erzeugt. Die erste Anordnung ist eine sich verjüngende Stoßstangen-zu-Bremszylinder-Anordnung, welche das Steuerelement auf eine geringe Geschwindigkeit abbremst. Die zweite Anordnung ist eine federhydraulische Dämpfungsvorrichtung, die eine Reihe von Federn getrennt durch Scheiben aufweist, die unter der schließlichen Last abgeflacht werden, um die Enddämpfung zu vollenden. Die Kombination der beiden Dämpfungswirkungen verwendet die guten Eigenschaften einer jeden, um so die jeweils anderen Beschränkungen auszugleichen, was ein arbeitsfähiges Gesamtdämpfungssystem ergibt.

509881 /03^7

In Fig. 1 ist der untere Abschnitt einer die erfindungsgemäßen Merkmale aufweisenden Steueranordnung dargestellt, die ein Aussengehäuse 10 aufweist, welches einen einen verminderten Durchmesser aufweisenden unteren Endteil 11 besitzt, der sich in eine Reaktorcore-Tragvorrichtung 12 erstreckt. Im oberen Erde des Gehäuses 10 ist eine Verriegelungsvorrichtung 13 befestigt, um einen Kupplungskopf 14 eines Steuerelements 15 zu halten oder freizugeben. Einzelheiten dieser Verriegelungsvorrichtung 13 bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung, können aber beispielsweise der deutschen Patentanmeldung

P entnommen werden; diese Anmeldung wurde am

gleichen Tage wie die vorliegende Anmeldung von der gleichen Anmelderin ein<_ "-eicht, und zwar unter Beanspruchung der Priorität vom 4. Juni 1974 mit dem Aktenzeichen 476,184; der Titel dieser Anmeldung lautet: Verriegelungsvorrichtung mit schneller Freigabe für Reaktorabschaltung; Name des Erfinders: M. L. Johnson. Die Verriegelungsvorrichtung 13 bildet einen Verriegelungsring 16 für im folgenden zu beschreibende Zwecke. Innerhalb des Gehäuses 10 und mit Axialabstand bezüglich der Verriegelungsvorrichtung 13 ist ein Führungsrohr 17 angeordnet, welches mit Gehäuse 10 einen Ring oder Raum 18 bildet, durch den - wie unten diskutiert wird ein Kühlmittel fließt. Ein unteres Endteil 19 des Führungsrohrs 17 ist mit einem kleineren Durchmesser und einer größeren Wandstärke ausgebildet und es ist am Ende mit einem radial vorspringenden Abschnitt 20 versehen, der mit der Coretragvorrichtung 12 zusammenarbeitet, um eine Kühlmittelströmung zwischen Hoch- und Nieder-Druck-Kühlmittel zu verhindern, was im folgenden beschrieben wird. Das Führungsrohr 17 ist am oberen Ende mit einem sich radial nach aussen erstreckenden flanschartigen Glied ausgestattet, welches einen Abwärtsanschlag 21 definiert und am Aussengehäuse 1O befestigt ist. Das Aussengehäuse 10 ist mit einem nach innen ragenden Teil versehen, welcher an das Führungsrohr 17 anstößt und dafür eine Halterung bildet, wobei es gleichzeitig als Blockierglied für Kühlmittelströmung dient. Neutronenabschirmmaterial ist bei 23 und 24 angedeutet und innerhalb des Führungsrohrs 17

509881 /03*7

bzw. des Rings 18 angeordnet, und zwar benachbart zu dem einen verminderten Durchmesser aufweisenden unteren Endteil 19 des Führungsrohrs 17. Spiralförmige Nuten oder Kanäle 25 und 26 sind in Abschirmmaterial 23 bzw. 24 ausgebildet, um eine Kühlmittelströmungsbahn durch dieses Material hindurch vorzusehen. Ein Steuerelement 15 ist beweglich innerhalb von Führungsrohr angeordnet und aus einer zentralen Steuerstangenregion 27, die Neutronen absorbierendes Material enthält, einem Kolben 28 am unteren Ende und einer im ganzen mit 29 bezeichneten und im einzelnen in Fig. 2 dargestellten Dämpfungsvorrichtung am oberen Ende aufgebaut, wobei das obere Ende mit dem Kupplungskopf 14 verbunden ist. Der Kolben 28 hat einen größeren Durchmesser als die Steuerstangenregion 27 und definiert mit Führungsrohr 17 einen Kolbenring 30, wohingegen die Dämpfungsvorrichtung 29 mit dem Führungsrohr 17 einen Dämpfungsring 31 definiert, wobei die Funktion eines jeden der Ringe oder Ringräume im folgenden behandelt wird.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung der Dämpfungsvorrichtung 29 und weist allgemein eine Stoßrammvorrichtung 32 und eine federhydraulische Dämpfungsvorrichtung 33 auf. Die Stoßrammvorrichtung 32 ist um den unteren Abschnitt der Dämpfungsanordnung 33 angeordnet und - wie man in den Fig. 1 und 2 erkennt - weist eine sich verjüngende Oberfläche 34 auf, die mit dem Abwärtsanschlag 21 zusammenarbeitet, um die unten beschriebene Stoßramm-zu-Bremszylinderwirkung hervorzurufen. Die Dämpfungsvorrichtung 33 ist aus einer Serie von miteinander verbundenen Federn 35 und Scheiben oder Platten 36 angeordnet in einer Kammer 37 ausgebildet, welche innerhalb der Stoßrammanordnung 32 ausgeformt ist, wobei eine Tragplatte 38 unterhalb der Feder-Scheiben 35,36 angeordnet ist und die mit einer Stange oder eine Achse 39 in Verbindung steht, welche sich nach oben durch die Federscheiben und durch eine Öffnung 40 in der Stoßrammvorrichtung 32 erstreckt und mit einem Stern 41 verbunden ist, der beweglich innerhalb einer Tragvorrichtung 42, die mit dem Kupplungskopf 14 verbunden ist, angeordnet ist.

509881 /03A7

Während des normalen Betriebs des Reaktors wird das Steuerelement 15 in einer angehobenen Stellung gehalten, und zwar dadurch, daß der Kupplungskopf 14 in einer aktivierten oder betätigten Verriegelungsvorrichtung 13 gehalten wird, wodurch die Steuerstangenzone 27 aus dem Reaktorkern entfernt ist. Beim Eintritt eines Not- oder Abschalt-Zustands wird die Verriegelungsvorrichtung 13 abgeschaltet, wodurch der Kupplungskopf 14 freigegeben wird und das Steuerelement 15 durch die Schwerkraft und durch den hydraulischen auf das Steuerelement einwirkenden Druck in den Reaktor eingesetzt wird, was im folgenden noch beschrieben wird.

Während Abschaltbedingungen (scram-Bedingungen) und vor der durch die Erfindung erzeugten Dämpfungswirkung wird das Steuerelement 15 nach unten innerhalb des Führungsrohrs 17 beschleunigt, und zwar durch Schwerkraft und Druckkräfte am Steuerelementkolben 28. Die Kolbenunterseite ist dem Druck ausgesetzt, der - wie durch die Pfeile angedeutet - zu einem bei 43 angedeuteten einen niedrigen Druck aufv/eisenden Reaktorplenum abgeleitet wird, und zwar über Nuten 25 im-Abschirmmaterial 23 und den einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil 19 des Führungsrohrs 17; die Zone oberhalb des Kolbens 28 umschließt Druck, der zu einem bei 44 angedeuteten Reaktor-Hochdruckplenum führt. Das Kühlmittel vom Hochdruckplenum 44 läuft - wie durch die Pfeile angezeigt - durch Öffnungen 45 in der Kerntragvorrichtung 12 nach oben längs des Rings 18, durch schraubenförmige Nuten im Abschirmmaterial 24 und durch Öffnungen 4 6 im Führungsrohr 17, die benachbart zur Steuerstangenregion 27 unterhalb des vorspringenden Gliedes oder Teils 22 des Aussengehäuses 10 angeordnet sind, und dann schließlich in das Führungsrohr 17 und um Steuerelement 15 herum, um einen hohen Druck an die Oberseite des Kolbens 28 anzulegen. Mit der Verriegelungsvorrichtung so angeordnet, daß Verriegelungsring 16 geschaffen wird, wird eine Strömungseinschränkung gebildet, die ausreichend leckt, um einen normalen Kühlmittelfluß zu gestatten, die aber einschränkend genug ist, um einen Hochdruck innerhalb des Führungs-

509881/0347

rohrs 17 aufrechtzuerhalten, und zwar infolge der größeren Größe des Strömungskanals vom Hochdruckplenum in das Führungsrohr.

Während des nach unten gerichteten Ausfallhubs des Steuerelements 15 muß Kühlmittel oder Strömungsmittel in das Volumen des Gehäuses 10 zwischen der Verriegelungsvorrichtung 13 und dem Steuerelement fließen, um das innerhalb des Führungsrohrs 17 durch das sich bewegende Steuerelement geleerte Volumen wieder aufzufüllen. Bevor die sich verjüngende Stoßrammanordnung 32 in den Innendurchmesser des Abwärtsanschlags 21 eintritt, ist eine große Strömungszone durch die Steuerstangenzone 27 vorgesehen, um die Rückfüllströmung zu liefern. Wenn jedoch die sich verjüngende Stoßrammanordnung 32 in den Innendurchmesser des Abwärtsanschlags 21 eintritt, so wird die Rückfüllströmung fortlaufend durch die sich verjüngende Oberfläche der Stoßrammanordnung vermindert. Diese Verminderung der Rückfüllströmung reduziert den Druck in der Region oberhalb des Abwärtsanschlags 21 und verlangsamt auf diese Weise das Steuerelement 15.

Wegen der an Verriegelungsring 16 vorbeilaufenden Strömung und minimalen praktikablen Ringabständen oder -zwischenräumen für die Stoß ramm anordnung 32 bremst die Stoßrammanordnung das Steuerelement nicht auf eine Endgeschwindigkeit ab, die niedrig genug ist. Nachdem die Stoßrammanordnung 32 das Steuerelement 15 auf eine niedrigere Geschwindigkeit abgebremst hat, übernimmt die federhydraulische Dämpfungsvorrichtung 33 die Funktion und vollendet die schließliche Dämpfung. Die dichtbenachbart angeordneten Scheiben oder Platten 36 sind - wie in Fig. 2 gezeigt- leicht durch Federn voneinander weg vorgespannt und die Kammer 37 ist über Öffnung 40 mit Strömungsmittel oder Kühlmittel gefüllt. Wenn sich das Steuerelement 15 nach unten bewegt, so kommt der Stern 41 mit dem Abwärtsanschlag 21 in Berührung, wodurch bewirkt wird, daß die Tragplatte 38 ihre Abwärtsbewegung beendet, wodurch die Scheiben 36 Oberfläche auf Oberfläche zusammengedrückt werden

509881 /0347

und das ursprünglich dazwischen vorhandene Strömungsmittel ausstossen und dabei eine Dämpfungswirkung erzeugen, so daß die Abwärtsbewegung des Steuerelements 15 angehalten wird, bevor es mit dem Abschirmmaterial 2 3 in Berührung kommt. Wie man aus der Zeichnung erkennt, ist die Tragvorrichtung 42 derart konstruiert, daß sie eine fortgesetzte Abwärtsbewegung des Steuerelements 15 gestattet, nachdem der Stern 41 den Abwärtsanschlag 21 berührt hat. Die Federn 35 besitzen eine Biegungskennlinie, die weich genug ist, um zur Folge zu haben, daß der Stapel aus den Scheiben 36 durch das Gewicht des Steuerelements 15 vollständig zusammengedrückt wird, was das Zurückspringen verhindert und zur Folge hat, daß die Steuerstangenregion 27 gleichmäßig Oberseite und Unterseite innerhalb der Reaktorcorezone der umgebenden Brennstoffanordnungen angeordnet ist.

Die Vorteile der Stoßrammanordnung 32, die in Kombination mit der federhydraulischen Dämpfungsvorrichtung der Dämpfungsvorrichtung 29 arbeitet, besteht darin, daß der Stoßrammteil des Dämpfungshubs die anfänglichen hohen Geschwindigkeiten des Steuerelements auf ein Niveau reduziert, welches für den federhydraulischen Dämpfungsteil des Hubs akzeptabel ist. Die Analyse der federhydraulischen Dämpfungsanordnung ergibt, daß große Bremsbeschleunigungskräfte dann auftreten, wenn ein federhydraulischer Dämpfer die Anfangsgeschwindigkeiten von Steuerelementen für mit flüssigem Metall arbeitende schnelle Brüterreaktoren allein dämpft. Die Kombination beider Dämpfungsfunktionen benutzt die guten Eigenschaften einer jeden, um die Beschränkungen der jeweils anderen auszugleichen, was ein günstiges Gesamtdämpfungssystem ergibt. Die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung hat somit den Vorteil, daß der Dämpfungshub durchführbar ist, ohne daß große Abbrems-g-kräfte erzeugt werden.

509881 /0347

Claims

- 9 PATENTANSPRÜCHE

Steueranordnung für einen Kernreaktor mit einem Steuerelement, welches normalerweise zum Zwecke des Einsetzens in den Reaktorcore durch ein Strömungsmittel enthaltendes Führungsrohr unter Abschaltbedingungen gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dämpfungsvorrichtung am Steuerelement (15) befestigt ist, die aus einer Stoßrammanordnung (32) besteht, welche in Reihenfolge mit einer federhydraulischen Dämpfungsvorrichtung (33) arbeitet, wobei die Stoßrammanordnung (32) eine sich verjüngende Aussenoberflache besitzt, die mit einem Teil des Führungsrohrs (17) zusammenarbeitet und eine Bremszylinderwirkung und eine Abbremsbewegung des Steuerelements hervorruft, und wobei ferner die federhydraulische Dämpfungsvorrichtung (33) ein Glied umfaßt, welches den Teil des Führungsrohrs berühren kann, um dadurch die Dämpfungsvorrichtung zu aktivieren, was die Enddämpfung der Steuerelementbewegung bewirkt.
2. Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die federhydraulische Dämpfungsvorrichtung innerhalb der Stoßrammanordnung angeordnet ist.
3. Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung am oberen Ende einer Steuerstangenregion des Steuerelements angeordnet ist, und wobei die sich verjüngende Aussenoberflache der Stoßrammanordnung radial nach aussen sich verjüngt, und zwar bezüglich einem Endteil der Stoßrammanordnung angeordnet benachbart zu der Steuerstangenzone.
4. Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßrammanordnung ein Ringgehäuse umfaßt, welches die erwähnte sich verjüngende Aussenoberflache aufweist und im Inneren eine Kammer definiert, und wobei der Teil des Führungsrohrs ein Abwärtsanschlagglied definiert, welches einen inneren Ringdurchmesser aufweist, der größer ist als die sich verjüngende Aussenoberflache des Gehäuses, um

509881 /03A7

dazwischen einen abnehmenden Querschnittsring zu bilden, wenn das Gehäuse durch das Abwärtsanschlagglied läuft.
5. Steueranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die federhydraulische Dämpfungsvorrichtung eine Reihe von unter Federdruck stehenden Scheiben aufweist, die innerhalb der Kammer des erwähnten Stoßrammanordnungsgehäuses angeordnet sind, wobei das Gehäuse an entgegengesetzten Enden mit der Ausnahme einer mittig angeordneten Öffnung an einem Ende verschlossen ist, und wobei eine Tragplatte zwischen einem Ende der Kammer und den Scheiben angeordnet ist, und wobei eine Stange mit der Tragplatte in Verbindung steht und sich durch die erwähnte Reihe von Scheiben und aussen durch die Öffnung im Gehäuse erstreckt, und wobei ein Sternglied (41) an der Stange befestigt ist und einen größeren Querschnitt besitzt als das Gehäuse, und wobei der Innenringdurchmesser des erwähnten Abwärtsanschlagsglieds der Kammer Strömungsmittel enthalten kann, wodurch die Abwärtsbewegung der Dämpfungsvorrichtung bewirkt, daß das Sternglied das Abwärtsanschlagsglied berührt, wodurch bewirkt wird, daß die Scheiben zusammengedrückt werden, und zwar durch die Bewegung des Gehäuses bezüglich des Kolbens, und wobei das Strömungsmittel zwischen den Scheiben herausgedrückt und eine Dämpfungswirkung hervorgerufen wird.
6. Steueranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoßrammgehäuse an einem Kupplungskopf des Steuerelements durch eine Tragvorrichtung befestigt ist, die so ausgebildet ist, daß sie eine Bewegung des Sterngliedes und der federhydraulischen Dämpfungsvorrichtung darin aufnimmt.
7. Steueranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von federbelasteten Scheiben aus einer Vielzahl von Scheiben besteht, die zwischen jedem Paar benachbarter Scheiben Federn aufweisen.

509881/0347