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Vorrichtung zum Auswechseln von Stäben eines
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Brennelements eines Kernreaktors Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Auswechseln von Stäben eines Brennelements eines Kernreaktors mit einem vertikal
beweglichen, an seinem unteren Ende einen Greifer tragenden Organ und einem Betätigungsorgan
für den Greifer.
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Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen zum Auswechseln, d.h. Ziehen
und Einsetzen, von Stäben eines Brennelements bekannt, die zwar den jeweiligen Umständen
und Verhältnissen angepaßt sind, die jedoch stets das Ziehen bzw. Einsetzen eines
Stabes ermöglichen.
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Neben Anwendungsfällen, bei denen lediglich das Auswechseln eines
einzigen Stabes erforderlich ist, gibt es auch solche, bei denen das Auswechseln
mehrerer Stäbe durchgeführt werden muß. In diesen Fällen ist das Auswechseln mehrerer
Stäbe nacheinander mit einer der bekannten Vorrichtungen, mit denen lediglich ein
Stab gezogen bzw. eingesetzt werden kann, sehr zeitaufwendig.
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Als Beispiel für einen Fall, in dem mehr als ein Stab ausgewechselt
werden muß, kann das Auswechseln sogenannter Giftstäbe in den Brennelementen eines
Kernreaktors
genannt werden. Diese Giftstäbe sind mit abbrennbaren Neutronengiften gefüllte Stäbe,
die in Brennelementen vorgesehen werden, um den bei frischen Brennelementen vorhandenen
Überschuß an Reaktivität auszugleichen und damit die Konzentration von im Kühlmittel
gelösten Absorbermaterial wie z.B. Bor zu verringern. Um dieses Ziel zu erreichen,
sind die Anzahl bzw. die Zusammensetzung der Giftstäbe in den einzelnen Brennelementen
je nach deren Platz im Kernverband unterschiedlich. Je nach Platz im Kernverband
und den hierdurch gegebenen Unterschieden der Temperatur und der Neutronenflußdichte
ist auch der Abbrand der einzelnen Brennelemente unterschiedlich groß. Aus diesem
Grund bietet es sich an, die Brennelemente nach einer entsprechenden Betriebszeit
des Kernreaktors umzusetzen. Mit der Änderung des Platzes der Brennelemente im Kernverband
ist es zumeist erforderlich, die Zahl und Anordnung der Giftstäbe den neuen Verhältnissen
anzupassen. Zu diesem Zweck werden - beispielsweise bei wassergekühlten Kernreakt-oren
- die Brennelemente einzeln und nacheinander in ein ebenfalls wassergefülltes Wechselbecken
gebracht, wo die Giftstäbe mittels Greif- und Hubvorrichtung einzeln ausgewechselt
werden. Dabei dauert das Auswechseln eines Giftstabes etwa 30 min.. Wenn von z.B.
24 Giftstäben in einem Brennelement und von z.B. 12 Brennelementen in dem Kernverband
ausgegangen wird, so ergeben sich für ein Brennelement ein Zeitaufwand von 2 Stunden
und für sämtliche Brennelemente ein Zeitaufwand von 6 Tagen. Dies ist zugleich,
abgesehen von Nebenzeiten, die Zeit, in der der Kernrekator als Energiequelle nicht
zur Verfügung steht. Wenn
ein solcher Kernreaktor als Antrieb beispielsweise
eines Containerschiffes dient, so ergeben sich allein aus der durch das zeitaufwendige
Auswechseln der Giftstäbe bedingten Liegezeit sehr hohe Liegekosten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu schaffen, mit
dem der bisherige hohe Zeitaufwand zum Auswechseln mehrerer Stäbe eines Brennelements,
wie der Giftstäbe bei dem oben dargestellten Beispiel gemindert bzw. vermieden werden
kann, ohne daß hierdurch die Erfordernisse der Sicherheit beeinträchtigt werden.
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Diese Aufgabe ist bei einer eingangs beschriebenen Vorrichtung nach
der Erfindung dadurch gelöst, daß das vertikal bewegliche Organ mehr als einen Greifer
trägt und daß für alle Greifer ein gemeinsames Betätigungsorgan vorgesehen ist,
wobei mit besonderem Vorteil zwischen dem Betätigungsorgan und (den) einzelnen Greifern
lösbare Kupplungen angeordnet sind. Hierdurch ist es nicht nur ermöglicht, mehrere
Stäbe, gleich ob Brenn-, Brut-, Absorber- oder eben Giftstäbe, eines Brennelements
zugleich zu ziehen bzw. einzusetzen, sondern auch unter den Stäben, je nach ihrer
Position im Brennelement eine Auswahl auszuwechselnder Stäbe zu treffen.
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Eine Ausbildung der Vorrichtung besteht nach der Erfindung darin,
daß die Greifer und das Betätigungsorgan am unteren Ende eines vertikal beweglichen,
mittels eines Antriebmotors o.dgl. verfahrbaren bzw. teleskopartig aus- und einfahrbaren
Tragkorbes
angeordnet sind, daß die Greifer mittels Federkraft in Schließstellung gehalten
sind, daß das Betätigungsorgan - zum Herbeiführen der Offenstellung der Greifer
- der Federkraft entgegengerichtet ist und daß die Kraft des Betätigungsorgans größer
als die Federkraft bemessen ist Durch diese konstruktiv einfache Lösung ist erreicht,
daß von den Greifern erfaßte Stäbe unabhängig von externen Energiequellen festgehalten
werdenund keinesfalls aus den Greifern hinaus auf das Brennelement bzw. bei dem
Beispiel in das Wechselbecken fallen können. Das Entfernen eines solchen Stabes
wäre wegen der notwendig großen Ferne zwischen Bedienungs-und Arbeitsorgan einer
geeigneten Vorrichtung eine außerordentlich schwierige und zeitaufwendige wenn nicht
sogar kaum mögliche Arbeit. Diese erfindungsgemäße Maßnahme stellt somit einen erheblichen
Beitrag zur Sicherheit dar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß das
Betätigungsorgan aus einem Druckmittelzylinder o.dgl., einer mittels des Druckmittelzylinders
gegenüber dem Tragkorb bzw. den Greifern heb- und senkbaren Betätigungsplatte o.dgl.
und daran aufgehangenen Zugelementen besteht, daß die Zugelemente an den Schließelementen
der Greifer befestigt sind, und daß die Schließelemente zugleich das bewegliche
Widerlager für die Federkraft, wie für Schraubendruckfedern, tragen oder darstellen,
insbesondere darin, daß die Zugelemente - einzeln -von der Betätigungsplatte bzw.
die Schließelemente der Greifer von den Zugelementen lösbar und an einem an dem
Tragkorb bzw. einem zu den Schließelementen der Greifer ortsfesten Element, wie
einer
der horizontalen Scheiben des Tragkorbs - bei Offenstellung
der betroffenen Greifer - aufhängbar oder arretierbar ausgebildet sind, bzw. daß
zwischen den Zugelementen und/oder den Schließelementen der Greifer eine entsprechende
lösbare Kupplung angeordnet ist, wobei auch in Ruhestellung des Betätigungsorgans,
wie des Druckmittelzylinders bei den betroffenen Greifern die Federkraft mit Druck
beaufschlagt bzw. die Schraubendruckfeder gespannt und damit diese Greifer in Offenstellung
bleiben, weiter daß an dem Tragkorb, koaxial zu den in Betracht kommenden Stäben
des Brennelements, auf diese gerichtete Steuerstangen mit einem - nach unten weisenden
- Widerlager für die Schraubendruckfeder, einem - nach oben weisenden - Anschlag
für einen entsprechenden Anschlag des zugeordneten Schließelements und einer Anlenkstelle
für die Greifarme angeordnet sind, daß die Greifarme kipphebelartig ausgebildet
sind, daß die Schließelemente in gegenüber den Steuerstangen beweglichen und zu
diesen koaxialen Hülsen o.dgl. bestehen, die innen, ggf.
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an einer ringförmigen Schulter, ein nach oben weisendes - Widerlager
für die Schraubendruckfeder und einen - nach unten weisenden - Anschlag gegenüber
dem Anschlag der Steuerstange aufweisen, deren oberer Abschnitt als Gehäuse für
die Schraubendruckfeder und als Führung gegenüber der Steuerstange dienen kann und
deren unterer Abschnitt einen ringförmigen Innenwulst zum Angreifen an den kipphebelartigen
Greifarmen - oberhalb der Anlenkstelle Offenstellung und unterhalb der Anlenkstelle
Schließstellung des Greifers - aufweist.
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Weiter wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Anlenkstelle
achsfrei ausgebildet ist und in, in einer zu der - geometrischen - Achse der Steuerstange
angenähert senkrechten Ebene gelegenen Auflagerflächen und auf diesen gelagerten
Lagernasen der Greifarme besteht, und/oder daß die unteren Arme der Greifarme über
Klauenabschnitte - zum Angreifen an einem Stab - hinaus verlängert und mit Backen
- zum Entsperren von mit radialgerichteter Vorspannung beaufschlagten Haltefedern
des Stabes -versehen sind, und ggf. daß die die Backen enthaltenden Abschnitte der
Greifarme einen etwa kreisringförmigen Querschnitt sowie zu der gemeinsamen Achse
und zu einer zu der Achse senkrechten Ebene geneigte Flanken aufweisen oder angenähert
wendel-bzw. schraubenförmig ausgebildet sind, derart, daß sich die Kanten der -
axial gerichteten - Haltefedern und die Kanten der die Backen enthaltenden Abschnitte
schneiden.
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Ferner ist erfindungsgemäß unterhalb des Tragkorbes und mit diesem
mittels eines Gestänges o.dgl. starr verbunden eine Führungsplatte mit einer der
Außenkontur des Brennelements entsprechenden Außenschürze und zu den - in Betracht
kommenden - Stäben des Brennelements koaxialen, unten trichterartig ausgebildeten
Führungstüllen etwa in Höhe der Anlenkstellen der Steuerstäbe angeordnet, wodurch
eine - restliche - genaue Orientierung der Steuerstangen und Greifer gegenüber den
Positionen der Stäbe in dem Brennelement erreicht und zusätzliche Führungen bei
Einsetzen von Stäben in und um das Brennelement gegeben sind.
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Um zu dem Beispiel eines Containerschiffes zurückzukehren, mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Vorrichtung können etwa 5/6 der bisher allein durch das Auswechseln
der Giftstäbe in den Brennelementen des als Antrieb dienenden Kernreaktors bedingten
Liegezeit und damit erhebliche Liegekosten, etwa für 5 Tage, eingespart werden.
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Weitere Schutzbegehren ergeben sich aus der Beschreibung und/oder
der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zum Auswechseln von Stäben eines
Brennelements, in der Seitenansicht, teilweise im Schnitt, Fig. 2 einen Ausschnitt
aus Fig. 1 im Bereich II und in vergrößertem Maßstab, Fig. 3 diesen Ausschnitt in
der Draufsicht, Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich IV und in vergrößertem
Maßstab, Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 4 im Bereich V in vergrößertem Maßstab,
und Fig. 6 Details eines an der Vorrichtung angeordneten Greifers.
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Nach Fig. 1 ist oberhalb eines bis zum Wasserspiegel W mit Wasser
gefüllten Wechselbeckens WB ein Koordinatenfahrwerk M angeordnet, an dem eine Vorrichtung
zum Auswechseln von Stäben eines Brennelements 1, das in das Wechselbecken WB gebracht
ist, befestigt ist. Mit dem Koordinatenfahrverk M ist es möglich, die Vorrichtung
über dem Brennelement 1 transversal zu bewegen und auszurichten.
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Nach Fig. 1 bis Fig. 4 besitzt die Vorrichtung ein an dem Koordinatenfahrwerk
M angebrachtes Gehäuse 2, dessen Wände 21 mit Abschirmschichten 22 versehen sind
und das in seinem inneren vier Führungsschienen 23 aufweist, auf denen vertikal
beweglich ein Tragkorb 3 mittels Führungsrollen 31 läuft. Der Tragkorb 3 ist aus
horizontalen Scheiben 32 und 33 sowie vertikalen Streben 34 zusammengesetzt. Zum
Antrieb des Tragkorbes 3 dienen eine in dem Gehäuse 2 axial und radial (Lager 24)
gelagerte und mittels eines Antriebmotors 26 antreibbare Hubspindel 25 und eine
an dem Tragkorb 3 befestigte Spindelmutter 35.
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Nach Fig. 4 sind an den unteren Scheiben 33 des Tragkorbes 3 nach
unten weisende, auf die Stäbe 11 des Brennelements 1 gerichtete und - in Arbeitsstellung
- zu diesen koaxiale Steuerstangen 36 angebracht, an deren unteren Enden sich Greifer
4 befinden, die Greifarme 41 und ein mittels Federkraft, durch eine Schraubendruckfeder
42 in Richtung auf die Schließstellung mit Druck beaufschlagtes Schließelement 43
besitzen.
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Nach Fig. 4 und Fig. 5 sowie Fig. 6 sind an den Steuerstangen 36 bzw.
an einem daran befindlichen Bund ein nach unten weisendes Widerlager 361 für die
Schraubendruckfeder 42 und, ggf. an einem weiteren Bund 362 ein nach oben weisender
Anschlag 363 für einen entsprechenden, nach unten weisenden Anschlag 431 des Schließelements
43 und eine Anlenkstelle 364 für die Greifarme 41 angeordnet.
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Die kipphebelartig ausgebildeten und an der Anlenkstelle 364 gelagerten
Greifarme 41 sind von dem Schließelement 43 zusammengehalten. Die Schließelemente
43 haben die Form gegenüber den Steuerstangen 36 beweglicher und zu diesen koaxialer
Hülsen, in denen an einer ringförmigen Schulter 431 ein nach oben weisendes Widerlager
432 für die Schraubendruckfeder 42 und ein nach unten weisender Anschlag 433 gegenüber
dem Anschlag 363 der Steuerstange 36 vorgesehen sind. Der obere Abschnitt des Schließelements
43 dient zugleich als Gehäuse für die Schraubendruckfeder 42 und als Führung gegenüber
dem korrespondierenden Abschnitt der Steuerstange 36, während der untere Abschnitt
einen ringförmigen Innenwulst 434 zum Angreifen an den Greifarmen 41 aufweist. Bei
dieser Anordnung ist das Schließelement 43 in vertikaler Richtung durch die Schraubendruckfeder
42 mit Druck beaufschlagt, so daß die Anschlagflächen 363, 433 aneinander angelegt
sind und der Innenwulst 434 an den Greif armen 41 unterhalb deren Anlenkstelle 364
an der Steuerstange 36 angreift und der Greifer 4 somit infolge Federkraft geschlossen
ist (Schließstellung). Um das Schwenken der Greifarme 41 zu ermöglichen sind die
Schließelemente 43 mit Längsschlitzen versehen.
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Nach Fig. 2 bis Fig. 4 ist unterhalb der oberen Scheibe 32 des Tragkorbes
3 als Teil eines Betätigungsorgans 5 für die Greifer 4 eine - ggf. an den Streben
34 geführte - Betätigungsplatte 51 angeordnet, die mittels eines auf der oberen
Scheibe 32 befestigten und über eine Druckmittelleitung 52 mit Druck beaufschlagbaren
Druckmittelzylinders 53 in vertikaler Richtung gegenüber 'dem Tragkorb 3 einstellbar
ist. An der Betätigungsplatte 51 sind Zugelemente 54 aufgehangen, deren untere Enden
an den Schließelementen 43 der Greifer 4 befestigt sind.
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Bei dieser Anordnung wird zum Erreichen der Offenstellung der Greifer
4 der Druckmittelzylinder 53 mittels Druckmittel mit Druck beaufschlagt und hierdurch
die Betätigungsplatte 51 aus ihrer unteren, der Ruhestellung gebracht und angehoben.
Damit werden zugleich über die Zugelemente 54 die Schließelemente 43 der Greifer
4 gegen die Federkraft der Schraubendruckfedern 42 angehoben, so daß nunmehr der
Innenwulst 434 oberhalb der Anlenkstelle 364 an den Greifarmen 41 angreift und diese
bzw. der Greifer 4 sich in Offenstellung befinden.
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Um einzelne oder einen Teil der Greifer 4 offen zu halten und damit
die Schließfunktion der Federkraft bei diesen Greifern 4 aufzuheben, sind die Zugelemente
54 von der Betätigungsplatte lösbar und in Offenstellung an der oberen Scheibe 32
des Tragkorbes 3 mittels schwenkbarer Riegel 55 arretierbar - Fig. 2 - . Mit anderen
Worten, die Zugelemente 54 sind wahlweise mit der Betätigungsplatte 51
oder
mit einem gegenüber dem jeweiligen Greifer 4 ortsfesten Gegenstand, hier der oberen
Scheibe 32 bei Offenstellung des Greifers 4 kuppelbar.
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Nach Fig. 5 bzw. Fig. G ist die Anlenkstelle 364 achsfrei ausgebildet.
Sie besteht bei der Steuerstange 36 aus in einer zu deren Achse senkrechten Ebene
gelegenen Auflagerflächen 365und an den Greifarmen 41 angeordneten Lagernasen 411.
Bei ihrer kipphebelartigen Ausbildung schwenken die Greifarme 41 um die Anlenkstelle
364, je nach Angriff des Innenwulstes 434 des Schließelements 43 oberhalb (Offenstellung)
oder unterhalb (Schließstellung) der Anlenkstelle 364.
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Die Greif arme 41 sind über ihre Klauenabschnitte 412 - zum Angreifen
an dem Kopf 111 eines Stabes 11 -hinaus verlängert und mit Backen 413 zum Entsperren
von mit radialgerichteter Vorspannung beaufschlagten Haltefedern 112 des Stabes
11 versehen. Mit diesen Haltefedern 112 sind die Stäbe 11 in der Hülle des Brennelements
gegen Hinausgleiten gesichert.
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Um ein Verkanten der Haltefedern 112 mit den Greiferarmen 41 zu vermeiden,
haben die Backen 413 bzw.
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die diese enthaltenden Abschnitte der Greifarme 41 einen etwa kreisringsektorförmigen
Querschnitt und zu der gemeinsamen Achse und zu einer zu dieser Achse senkrechten
Ebene geneigte Flanken.
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Diese Ausbildung ist insbesondere in Fig. 6 veranschaulicht und zwar
mit einem , um die Anlenkstelle 364 mittels des - nur zur Hälfte dargestellten -
Schließelements
in Schließstellung gebrachten, im Schnitt gezeigten Greifarm 41, einem nach rechts
herausgestellten rundum 900 gedreht dargestellten Greifarm 41 sowie Querschnittsdarstellung
in jeweiliger Höhe der Steuerstange 36 und des Greifarmes 41.
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Schließlich ist noch unterhalb des Tragkorbes 3 und mit diesem mittels
eines - nicht weiter dargestellten - Gestänges o.dgl. starr verbunden eine Führungsplatte
6 mit einer der Außenkontur des Brennelements 1 entsprechenden Außenschürze 61 und
zu den in Betracht kommenden Stäben 11 koaxialen unten trichterartig ausgebildeten
Führungstüllen 62 vorgesehen, die als Orientierungshilfe bei Ausrichten der Vorrichtung
auf ein Brennelement und bei Einführen von Stäben 11 in das Brennelement 1 dient.
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Die gezeigten Ausbildungen gestatten zahlreiche Abwandlungen, u.U.
den Austausch von Zug- durch Druckelemente, innerhalb des offenbarten Erfindungsgedankens.
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Patentansprüche: