DE2801005A1

DE2801005A1 - Schnellstoppeinrichtung fuer einen nuklear-reaktor

Info

Publication number: DE2801005A1
Application number: DE19782801005
Authority: DE
Inventors: Lawrence Eben Minnick
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1977-01-27
Filing date: 1978-01-11
Publication date: 1978-08-03
Also published as: DE2801005C2; FR2379138B1; JPS53122093A; GB1538380A; FR2379138A1; US4158602A; JPS592878B2

Description

PATENTANWÄLTE

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER J. RICHTER F. WERDERMANN

DIPL.-ΙΝβ.
MÜNCHEN

DIPL.-CHEM.

DIPL.-ING.

HAMBURG

20OO HAMBURG 3β Ί Q

Nl EU ER WALL 1O TEL. (O40) 3-1 OO 45 34 OO 56 TELEGRAMME: !NVENTIUS HAMBURG

UNSEREAKTE: E. IHR ZEICHEN:

DH

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT: 27. Januar 1977

(US-Ana. Serial No. 762 972)

BEZSICHNUNGt Schnellstoppeinrichtung für einen Nuklear-Reaktor

ANMEItDER: Electric Power Research Institute 34-12 Hillview Avenue PaIo Alto, Kalif., V.St.A.

ERFINDER: Lawrence E. Minnlck

15046 Cumbra Vista Court

Los Altos Hills, Kalif,,V.St.A.

Kontin: Deutsche

SLb qa ^ 1 / π ft ^ R

Bank AG, Hamburg, Konto-Nr.o/1Q055<fcW2Ü7W0W J PosSfthRkSdtSiamburg, Konto-Nr. '!62080-

201 (BLZ 20010020)

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Die Erfindung betrifft eine Schnellstoppeinrichtung für einen Nuklear-Reaktor, der durch eine Kühlmittelströmung gekühlt wird, sowie das zugehörige Verfahren«

Allgemein handelt diese Erfindung von SteuerStabanordnungen für Kernreaktoren und insbesondere von Wirkungsverbindungen zwischen Steueretäben und Steuerstabsantriebsvorrichtungen.

Einer der schwerwiegendsten Störungsfälle, der in einem Kernkraftwerk auftreten kann, ist der Ausfall des Kühlmittelflusses und darauffolgendes Versagen des Steuersystems bei der Durchführung einer Schnellstillsetzung des Reaktors, Ein Ausfall des Kühlmittelflusses kann entweder von einer Unterbrechung im Rohrleitungssystem oder dem Stillstand einer oder mehrerer Kühlaittelumwälzpumpen herrühren. Dieser Typ eines Störungsfalles ist insofern besonders schwerwiegend, als die im Reaktor erzeugte Wärme nicht abgeleitet werden kann. Setzt der Reaktor seine Wärmeerzeugung fort, so wird ein erheblicher Überdruck in dem Kühlsystem aufgebaut. Außerdem kann diese Wärmeerzeugung, sofern sie nicht durch einen Schnellstopp abgebrochen wird, einen großen Teil des Reaktorkerns zum Abschmelzen bringen.

In den Reaktoren, wo als Primärkühlmittel flüssiges Natrium verwendet wird, wird ein besonderes Problem durch den teilweisen oder vollständigen Auefall des Natriumumlaufs verursacht, wenn der Schnellstopp des Reaktors nicht unverzüglich erfolgt. Bei den gegenwärtigen Ausführungen schneller Brüter-Reaktoren mit Flüssigmetall (liquid metal fast breeder reactors - LMFBR) tritt dann ein Anstieg der Reaktivität ein, der als positiver Natrium-Aussparungs—

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faktor (positive sodium void coefficient) bezeichnet wird und dann eintritt, wenn der Natriumumlauf unterbrochen wird. Dabei kann die Temperatur des Natriums bis zum Siedepunkt ansteigen, woraufhin Natriumdampfeinschlüsse gebildet werden, daraus ergeben sich eine erhöhte Reaktivität, erhöhte Energie, gesteigerte Siedevorgänge und die Möglichkeit schwerwiegender Polgen. Dieser Anstieg der Reaktivität oder Reaktionsfähigkeit tritt auf, weil - wenn auch gering - die Neutronenabsorptionswirkung von Natrium nicht gleich null ist. Jeglicher Verlust von Natrium aus dem Kern bewirkt eine Verschiebung des Neutronen-AbSorptionsspektrums und steigert die Anzahl der Neutronen. Diese Verschiebung steigert ihrerseits die Einfangwahrscheinlichkeit für Neutronen durch die spaltbaren Atome im Brennstoff.

Viele Organisationen, Regierungsdienststellen und Unternehmen haben das Problem der Herabsetzung der Wahrscheinlichkeit des Ausfalls des Kühlmittelumlaufs auf ein Minimum untersucht. iSin beträchtlicher Entwicklungsaufwand ist über einen Zeitraum vieler Jahre getrieben worden, um sowohl der öffentlichkeit, als auch den verschiedenen Zulassungsbehörden eine maximale Sicherheit dafür zu bieten, daß diese Art von Ausfall vermieden werden kann.

Bisher hatte man bei der zuverlässigsten und einfachsten vorgeschlagenen Anordnung das hydraulische Halten von Absorberkugeln aus Tantal durch die Strömung des Primärkühlmittels in einer Säule oberhalb des Reaktorkerns in Betracht gezogen. Im Pail der Minderung des Kühlmittelflusses fallen diese Kugeln, die einen hohen Absorptionskoeffizienten für Neutronen aufweisen,

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in den Hochflußbereich des Kerns und setzen den Reaktor rasch still.

Wenn auch der Einsät» hydraulisch gehaltener Absorberkugeln eine selbsttätig wirkende und zuverlässige Stillsetzvorrichtung für einen Reaktor ergibt, so bestehen doch viele, dieser Vorrichtung innewohnende Einschränkungen. So werden beispielsweise die Absorberkugeln hydraulisch durch den Durchfluß dee Primärkühlmittels in einer Lage gehalten, die wesentlich oberhalb des Hochflußbereichs des Kerns liegt. In dieser Lage können die Absorberkugeln nicht während des normalen Betriebe bewegt werden, um die Neutronenflußmenge zu regulieren. Ferner werden die Absorberkugeln lediglich durch den Primärkühlmitteldurchfluß durch die Säule gesteuert. Daher fügen die Absorberkugeln der Anlage jedesmal Reaktivität hinzu, wenn die Hauptumwälzpumpen für das Kühlmittel gestartet werden, und der Primärkühlmittelumlauf einsetzt. Weiterhin setzen die hydraulisch gehaltenen Absorberkugeln nur dann den Reaktor still, wenn der Durchfluß des Primärkühlmittels abnimmt. Die Absorberkugeln können weder durch die Bedienperson des Reaktors, noch durch eine der anderen Sicherheitseinrichtungen zur Ausführung eines Reaktor-Schnellstopps gesteuert werden. Schließlich ist ein beträchtlicher Prüfungsaufwand erforderlich, um das genaue Verhalten der Tantalkugeln unter der tatsächlichen Betriebsbedingungen des Reaktors, mit Abfluß und Verschleiß, nachzuweisen.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Einrichtung zur Stillsetzung eines Reaktors zu schaffen, die die Einschränkungen und Nachteile nach dem vorbekannten Stande der Technik beseitigen und sowohl der Öffentlichkeit als auch

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den Zulassungsbehörden für Reaktoren die größtmögliche Sicherheit dafür bieten, daß diese Einrichtung in jeglicher Notfallsituation betriebsfähig ist, dabei soll diese Schnellstoppeinrichtung unmittelbar durch einen Ausfall des Kühlmittelflusses in Gang gesetzt werden und ohne elektrische Schaltungen, Fühler oder Stabantriebsvorrichtungen selbsttätig wirken und auch durch eine herkömmliche Stabantriebsvorrichtung andererseits zur Einleitung eines Schnellstoppvorganges gesteuert werden können, sowie zur Steuerung der Höhe des Neutronenflusses bei Betrieb mit normaler Leistung, insbesondere beim Anfahren und Stillsetzen des Reaktors, eingesetzt werden können, ferner soll die Schnellstoppeinrichtung nach der Erfindung zuverlässig einen Reaktor-Schnellstopp bei Auftreten eines schweren Erdbebens ausführen.

Die zur Lösung der gestellten -Aufgabe vorgeschlagene, erfindungsgemäße Schnellstoppeinrichtung für Reaktoren der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß sie

(a) einen Steuerstab in dem genannten Nuklear-Reaktor, mit einer Dichtungsfläche, wobei dieser Steuerstab in den Neutronen-Hochflußbereich des Reaktors einführbar ist und ein hohes Neutronen-Absorptionsvermögen aufweist, und

(b) eine in dem genannten Nuklear-Reaktor befindliche Trennplatte mit einer Ausnehmung umfaßt, wobei eine Druckdifferenz durch den iluß eines Kühlmittels durch den Reaktor über dieser Trennplatte aufgebaut wird, die ebenfalls eine Dichtungsfläche um die Ausnehmung herum aufweist, wobei diese Dichtungsfläche die Dichtungsfläche des Steuerstabes ergänzt, daß die Dichtungeflächen an dem Steuerstab bzw an der Trennplatte durch die durch den Kühlmittelfluß entwickelte Druckdifferenz

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zusammenhaltbar sind, daß die genannte Trennplatte im Reaktor derart angeordnet ist, daß eine Verminderung der Kühlmittelströmung eine entsprechende Verminderung der Druckdifferenz bewirkt, und damit den Eintritt des Steuerstabes in den Neutronen-Hochflußbereich des Reaktors.

Im Betrieb entwickelt der normale Durchfluß des Kühlmittels durch den Reaktor eine hinreichende Druckdifferenz an der Trennplatte und an der Dichtung des Steuerstabs, um diesen letzteren gegen die Trennplatte zu drücken und oberhalb des Neutronen-Hochflußbereichs des Kerns zu halten. Wenn der Durchfluß des Primärkühlmittels vermindert wird, oder wenn die Druckdifferenz an der Trennplatte hinreichend abfällt, so fällt der Steuerstab aufgrund seiner Schwerkraft, und es findet der Schnellstopp des Reaktors statt. Der Schnellstopp des Reaktors kann ebenfalls auf eine Steuerung durch die abwärts gerichtete Bewegung der Antriebsstange des Steuerstabes erfolgen, was die Trennung der Dichtungsflächen voneinander bewirkt. Bei einem schweren Erdbeben wird ein Öchnellstopp des Reaktors ausgeführt, weil eine seitlich gegenüber der Trennplatte verlaufende .Bewegung des Steuerstabs , bedingt durch die unterschiedliche Massenträgheit von Trennplatte und bteuerstab, bewirkt» daß sich die Dichtungsflächen voneinander trennen.

Weitere vorteile und Merkmale der .Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und anhand der beigefügten Zeichnungen. Ss zeigen:

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Fig. 1: eine schematische, seitliche Teilschnittansicht eines herkömmlichen schnellen Brüter-Reaktors mit Flüssigmetall-Umlauf,

Fig. 2:· eine schaubildliche Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Steuerstabanordnung zum Einsatz bei dem Reaktor nach Fig. 1,

. 3' eine schaubildliche Ansicht des zerlegten oberen Teilbereichs der Steuerstabanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4-s eine seitliche Teilschnittansicht der Steuerstabanordnung nach Fig. 2,

Fig. 5^S eine Darstellung einer Abwälzung der Oberfläche einer Steuerkurve, die sich an der inneren Oberfläche der Seitenwand der Steuerstabanordnung nach Fig. 4 befindet, und

Fig. 6 schematische Darstellungen eines Reaktors im Schnitt bis 12 zur Veranschaulichung der Arbeitsweise und der Merkmale der Erfindung*

Fig. 1 veranschaulicht die Anordnung der Baugruppen in einem herkömmlichen, schnellen Brüter-Reaktor mit Flüssigmetall. Der Reaktor schließt ein Reaktorgefäß M- ein, das einen Wärmeschirm 6, eine Vielzahl von Brennstoffträgereinheiten 10 und das den Reaktor durchfließende Primärkühlmittel enthält. Im Reaktor wird teilweise angereichertes Uran (U-235) oder Plutonium (Pu-239) als Brennstoff

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eingesetzt, und das Kühlmittel ist typischerweise Natrium bei atmosphärischem Druclc. Der Brennstoff befindet sich im Kern, angedeutet durch die Bezugsziffer 8, und wird von denjenigen Brennst off trägereinh eit en 10 getragen, die diesen Bereich durchsetzen. Eine an Uran arme Ummantelung umgibt den Kern.

Nach Pig. 1 wird das flüssige Natrium durch Einlaßstutzen 12, 12' in das Reaktorgefäß 4 gepumpt. Das durch den Einlaßstutzen 12 eintretende Natrium gelangt in eine untere Vorkammer 13 und strömt an den Brennstoffträgereinheiten 10 hindurch, die den Bereich des Kerns 8 durchsetzen. Das durch den Einlaßstutzen 12' eintretende Natrium durchströmt die radialen Ummantelungs-Trägereinheiten 10'· Alle diese Trägereinheiten 10,10* geben das Natrium an eine obere Vorkammer 14 ab, wo es durch einen Auslaßstutzen 15 aus dem Reaktor abfließt. Durch eine Pufferzone inerten Gases 16, die sich im oberen Bereich des Reaktorgefäßes 4 befindet, wird das flüssige Natrium im wesentlichen auf atmosphärischem Druck gehalten.

Bei einem schnellen Brüter-Reaktor mit Flüssigmetall-Umlauf enthalten typischerweise zehn Prozent der Trägereinheiten Steueretäbe, und die anderen Trägereinheiten enthalten entweder Brennstoff oder radiale Ummantelungs-JSlemente. Pig. 2 veranschaulicht eine der Trägereinheiten, die einen Steuerstab 22 enthält. Diese Trägereinheit schließt ebenfalls eine Hülle 20 von hexagonaler Form und eine Antriebsstange 24 für den Steuerstab ein, die diesen Bteuerstab 22 in bezug auf den Kern 8 anhebt oder absenkt. Die Antriebsstange 24 des oteuerstabs 22 ist mit einer (nicht dargestellten} öteuerstabs-Antriebsvorrichtung von herkömmlicher aus-

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führung verbunden. Typischerweise ist die Hülle 20 aus Edelstahlblech hergestellt und bildet einen Kanal, durch welchen das Natrium fließt. Durch einen Führungsstutzen 26, der die seitliche Lage der Trägereinheit in bezug auf eine (nicht dargestellte) horizontale Trägerplatte festlegt, wird die Trägereinheit abgeschlossen.

Nun wird auf Pig. 2 bis Fig. 4 bezug genommen, demnach ist der Steuerstab 22 von hexagonaler Querschnittsform und frei innerhalb der Hülle 20 bewegbar. Der Steuerstab 22 besteht aus einer Vielzahl langgestreckter, ein Mittel zur Abbremsung enthaltender Bremsstäbe 28 mit kreisförmigem Querschnitt. Jeder Bremsstab 28 ist aus Borkarbid (B^CJ) gefertigt und wird durch Stifte 29 starr zwischen einer oberen und einer unteren Halterung JO, 52 gehalten. Diese halterungen sind starr zueinander angebracht oder gehalten durch ein senkrechtes Trägerrohr 34·» das von den Bremsstäben 28 uageben ist. Nach Fig. 4 weist die obere Halterung 50 einen nach oben vorspingenden Ring auf, der eine Dichtungsfläche 48 für den Steuerstab bildet, wie im weiteren ausführlich beschrieben wird.

Bs wird nunmehr auf Fig. 4 bezug genommen, demnach schließt die Hülle 20 der Trägereinheit eine Trennplatte 40 ein, die den Oberteil der Trägereinheit bildet. Di· Trennplatte 40 besitzt eine Ausnehmung 41, die von der Antriebsstange 24 des Steuerstabs 22 durchsetzt wird. Uo die Ausrichtung des Steuerstabs 22 und der Innenseite der Hülle 20 zueinander aufrechtzuerhalten, weist die Antriebsstange 24 eine Vielzahl von Zentrierflügeln 42 auf, die beim Aufsetzen des Steuerstabs 22 auf die Trennplatte 40 mitwirken. Ferner schließt die Trennplatte 40 einen nach unten vorspringenden

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Ring ein, der bei 46 eine Dichtungsfläche bildet. Dies4^Üdtftfirtgsflache 46 greift formschlüssig in die entsprechende Dichtungsfläche 46 ein, die sich auf der oberen Halterung 30 befindet. Wenn, wie in Pig. 4- veranschaulicht, die beiden Dichtungsflächen 46, 48 miteinander in Eingriff gebracht werden, so wird eine strömungsmitteldichte Abdichtung hergestellt.

Die sich ergänzenden Dichtungsflächen 46, 4-8 sind leicht abgerundet, um eine seitliche Verschiebung des Steuerstabs 22 gegenüber der Trennplatte 4O zu unterbinden, die infolge einer normalen Vibration auftreten könnte. Eine solche seitliche Verschiebung könnte die Abdichtung unterbrechen und bewirken, daß der Steuerstab 22, wie unten genauer beschrieben, nach unten fällt.

Nach Fig. 4· wird der Steuerstab 22 innerhalb der Hülle 20 durch eine Vielzahl seitlich angeordneter Hebezapfen 38 angehoben oder abgesenkt. Die Hebezapfen 38 weisen einen kreisförmigen Querscnitt auf und greifen in eine Steuerkurve ein, die sich auf der Innenfläche der seitlichen Wandung des senkrechten Trägerrohrs 34-befindet. Fig. 5 ist eine Darstellung dieser Steuerkurve als Abwälzung der inneren zylinderförmigen Oberfläche des Trägerrohrs 34. Der Bewegungsablauf der Hebezapfen an der Steuerkurve entlang wird weiter unten beschrieben.

Wean Natrium durch den Reaktor nach Fig. 1 gepumpt wird, so tritt es in das Reaktorgefäß 4- durch einen der Einlaßstutzen 12, 12', ein. Das durch den Einlaßstutzen 12 eintretende Natrium gelangt in die untere Vorkammer 13 und strömt an den den Brennstoff enthaltenden Trägereinheiten 10 hindurch. Das durch den Einlaßstutzen

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12' eintretende Natrium strömt an den Trägereinheiten die das Material der radial angeordneten Ummantelung enthalten. Alle !Prägereinheiten 10, 10' geben Natrium in die obere Vorkammer 14 ab, und von dort strömt das Natrium aus dem Reaktor, durch den Auslaßstutzen 15· Der Durchfluß des Natriums an den Trägereinheiten vorbei bewirkt einen Druckabfall, und gemäß Fig. 1 ist der Druck P. in der unteren Vorkammer 13 wesentlich höher als der Druck P- in der oberen Vorkammer 14. Bei einem herkömmlichen schnellen Brüter-Reaktor mit Flüssigmetall-Umlauf liegt die Druckdifferenz zwischen P^ und P₂ typischerweise bei etwa 7 kg/cm (100 psi).

Das Natrium, das die Trägereinheit 10 mit dem Steuerstab 22 durchfließt, tritt in die Hülle 20, um den Führungsstutzen 26 herum, ein (siehe Fig. 2). Die Strömung ist in der Hülle 20 aufwärts gerichtet, geht um den Steuerstab 22 herum und tritt an der Ausnehmung 41 aus (siehe Fig. 4). Die Ausnehmung 41 führt direkt zu der oberen Vorkammer 14. Wenn der Steuerstab 22 gegen die Trennplatte 40 angelegt wird, so wird zwischen den Dichtungsflächen 46, 48 eine ströaungsmitteldichte Abdichtung hergestellt, und die Druckdifferenz zwischen P^ und Pp über die Trägereinheit ist hinreichend groß, um den Steuerstab 22 in seiner Lage festzuhalten,

Fig. 6-12 sind scheraatische Darstellungen eines Reaktors im Schnitt zur Veranschaulichung der Arbeitsweise bei der bevorzugten Ausführungsform "der Erfindung, Jede Abbildung stellt drei nebeneinanderliegende Trägereinheiten dar, die den Bereich des Kerns bei 8 durchsetzen. Die beiden äußeren Trägereinheiten enthalten die .Brennstoffelemente bei 8, und die innen angeordnete Trägereinheit beherbergt den öteuerstab 22« Bei Jeder der äußeren Trägereinheiten sind die Ummanteltungsbereiche diejenigen Bereiche,

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die sich ober- und unterhalb des Kerns 8 nach Pig. 1 befinden. In allen drei Trägereinheiten gelangt das Primärkühlmittel von der unteren Vorkammer 15, nach Fig» 1, in den unteren Bereich der jeweiligen Trägereinheit und strömt an ihrem oberen Bereich aus, in die obere Vorkammer 14 hinein. Das Vorhandensein dieser Strömung ist durch Pfeile in den Darstellungen angedeutet.

Insbesondere zeigt Fig. 6 den Reaktor im Zustand einer Stillsetzung. Dabei ist der Steuerstab 22 gegenüber dem Brennstoff angeordnet und damit in einer Stellung zur Absorption der höchstmöglichen Anzahl von Neutronen. Der Steuerstab 22 wird von der Antriebsstange 24 und den Hebezapfen 38 gehalten. Ss findet ein Primärkühlmitteldurchfluß durch die Steuerstab-Trägereinheit statt, dieser Durchfluß tritt am unteren Teil ein und tritt durch die Ausnehmung 41 aus. Der Steuerstab 22 wird in seiner Lage durch eine (nicht dargestellte) Stabsantriebsvorrichtung gehalten, die Jede weitere, abwärts gerichtete Bewegung der Antriebsstange 24 unterbindet.

Fig. 7 stellt die Wirkungsweise des Steuerstabes 22 bei der Regelung der Leistung und des Neutronenflusses in dem Reaktor dar· Der Steuerstab 22 kann gegenüber dem Brennstoff durch Anheben und Absenken der Stab-Antriebsstange 24 bewegt werden. Die Lage dee Steuerstabs 22 in bezug auf den Brennstoff steuert den Neutronenfluß und damit die Höhe der Leistung. Der Steuerstab 22 ist wie nach Fig. 6 gehalten, und das Kühlmittel fließt durch die Trägereinheit 10 und an der Ausnehmung 41 heraus.

In Fig. 8 wird das Verfahren zur Festlegung des Steuerstabs 22

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an der Trennplatte 40 gezeigt. Die Anstriebsstange 24 für den Steuerstab 22 und die Hebezapfen 38 heben den Steuerstab 22 solange an, bis die Dichtungsflächen 46, 48 miteinander in Eingriff gelangen. Diese Dichtungsflächen bilden eine strömungsmitteldichte Grenzschicht, und es fließt kein Kühlmittel mehr an der Ausnehmung 41 nach außen. Die Druckdifferenz P₁-P₂ über der Trennplatte 40, die durch die Strömung des Primärkühlmittels durch den Reaktor hervorgerufen wird, hält, wie in Fig. 8 gezeigt, den Steuerstab 22 in seiner Stellung fest.

Nachdem der Steuerstab 22 fest gegen die Trennplatte 40 angelegt worden ist, kann die Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 in die in Fig. 9 gezeigte Stellung abgesenkt werden. Fig. 9 veranschaulicht die normale Betriebsart der bevorzugten Ausführungsform. Die Hülle 20 der Steuerstab-Trägereinheit ist abgedichtet, und der Durchfluß des Primärkühlmittels durch die Ausnehmung 41 ist blockiert. Die Druckdifferenz P^-P₂ ^{über den} Reaktor hält die Dichtungeflächen 46 und 48 zusammen. Somit bleibt der Steuerstab 22 oben und aus dem Kern entfernt.

Die Darstellungen in Fig. 10 bis 12 zeigen drei Verfahrensweisen, nach denen ein Schnellstopp des Reaktors durch die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung eingeleitet werden kann. Bei der Darstellung nach Fig. 10 leitet ein Ausfall de's Primärkühlmittelumlaufs durch den Reaktor den Schnellstopp ein. Vor dem Ausfall des Durchflusses waren der Steuerstab 22 und seine Antriebsstange 24 so eingestellt, wie in Fig. 9 gezeigt. Das bedeutet, daß die Hebezapfen derart eingestellt waren, daß sie nicht die abwärts gerichtete Bewegung des Steuerstabs selbst

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2ÖÜ iüüb einschränkten. Wenn ein Ausfall des Kühlmittelumlaufs eintritt, so fällt die Druckdifferenz P^-P₂ über den Reaktor automatisch ab. Da es lediglich der Druckunterschied über die Trennplatte 40 ist, der den Steuerstab 22 oben hält, so fällt dieser nun durch die Schwerkraft, wie in Pig. 10 angedeutet. Eine Bewegung der Stab-Antriebsstange 24 ist nicht erforderlich. Der Steuerstab 22 fällt nach unten, bis die Hebezapfen 38 die obere Halterung 30 des Steuerstabes 22 erfassen (siehe Fig. 4), oder bis dieser auf einer herkömmlichen Halterung zur Auflage kommt. Die Hebezapfen sind derart angeordnet, und der Steuerstab 22 ist derart dimensioniert, daß dieser Steuerstab 22 gegenüber dem Brennstoff, wie in Fig. 6 veranschaulicht, zur Auflage kommt (Ruhestellung). Dieser selbsttätig ausgeführte Bewegungsablauf setzt den Reaktor still.

Nach Fig. 11 wird der Schnellstopp eingeleitet, wenn einer der Sicherheitskreise oder die Bedienperson des Reaktors die (nicht dargestellte) Antriebsvorrichtung für die Ausführung des Schnellstoppe steuert bzw. bedient. Beim Erhalten dieses Befehls läßt die Stabantriebsvorrichtung die Stab-Antriebsstange 24 los, und diese fällt durch die Wirkung der Schwerkraft oder bewegt sich unter Einwirkung einer Federkraft nach unten. Dies ist die herkömmliche Art der Einleitung eines Schnellstopps· Wenn die Antriebsstange 24 des Steuerstabs entweder herabgefallen oder nach unten geführt worden ist, greifen die Hebezapfen 38 in die untere Halterung 32 des Steuerstabs 22 ein, und die Dichtungsflächen 46 und 48 werden voneinander getrennt. Diese Situation ist in Fig. 11 veranschaulicht. Wenn die Dichtungsflächen 46, 48 voneinander getrennt sind, wird die Druckdifferenz über der Trennplatte 40 abgebaut, und der Kühlaittelfluß wird durch die Trägereinheit

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hindurch wiederhergestellt. Sodann fällt der Steuerstab 22 durch die Wirkung der Schwerkraft und kommt gegenüber dem Brennstoff, wie in Fig. 6 veranschaulicht, zur Ruhe. Diese Art des Schnellstopps kann auch dadurch eingeleitet werden, daß man die Stabantriebsvorrichtung die Stab-Antriebsstange 24 abwärts antreiben läßt und dabei die Dichtungsflächen 46, 48 voneinander trennt.

Fig« 12 stellt dar, wie der Reaktor schnell gestoppt werden kann, wenn er einer starken, seitlich gerichteten Beschleunigung oder einem Impuls ausgesetzt wird, wie man ihn bei einem Erdbeben erfährt. Typischerweise bewirkt eine starke seitliche Beschleunigung, daß der Steuerstab 22 gekippt wird oder sich seitlich bewegt und damit die Dichtungsflächen 46, 48 zwingt, sich leicht voneinander zu trennen. Der Fluß des Primärkühlmittels aus der Ausnehmung 41 wird dann wiederhergestellt, und die Druckdifferenz beseitigt. Der Innendurchmesser des senkrechten Trägerrohrs 34 und die Antriebsstange 24 des Steuerstabs sind derart ausgelegt, daß diese Art der Bewegung ermöglicht wird.

Es ist zu beachten, daß bei der bevorzugten Ausführungsform das Problem eines Schnellstopps des Reaktors bei einem schweren Erdbeben dadurch gelöst wird, daß die obere Reaktorstruktur gegenüber dem Kern bewegt wird. Eine solche Yerschiebungsbewegung könnte verhindern, daß die Steuerstabs-Antriebsstange herabfällt und/oder die Stabantriebsvorrichtung einen herkömmlichen Steuerstab freigibt und diesen fallen läßt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird dieses Problem dadurch gelöst, daß der Antrieb der Antriebsstange 24 des Steuerstabs 22 nicht mehr dazu erforderlich ist, einen Schnellstopp einzuleiten. Der Schnellstopp wird unmittelbar

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und anordnungsbedingt durch die Einwirkung des Brdbebens selbst ausgelöst· Somit ist das Ansprechen des Steuerstabs eine anordnungseigene Reaktion auf den Erdbebenvorgang selbst.

Unter Bezugnahme auf Pig, 5 kann eine Steuerkurve 50 zum Einsatz gebracht werden, um die Flexibilität in der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes durch Schaffung einer Vorrichtung zur Unterbrechung der Abdichtung zu verbessern, ohne dabei den Durchfluß des Natriums zu mindern. Pig. 5 ist eine Abwälzung der inneren Oberfläche des senkrechten Trägerrohrs 34· und veranschaulicht die erhabene Oberfläche der Steuerkurve 50, wobei einer der Hebezapfen 58 nacheinanderfolgend über die verschiedenen Flächen der Steuerkurve 50 geführt wird. Wenn insbesondere die Antriebsstange 24 für den Steuerstab 22 diesen selbst stützt, wie in Pig. 6 gezeigt, oder den Steuerstab 22, wie in Fig. 1 veranschaulicht, anhebt, so greift der Hebezapfen 58 in die Steuerkurve beim Punkt 52 ein. Wenn der Steuerstab 22 abdichtend gegen die Trennplatte 40 gedrückt, und die Antriebsstange 24- bis zu ihrer, in Fig. 9 veranschaulichten Stellung abgesenkt ist, so bewegt sich der Hebezapfen 58 von Punkt 52 bis zu dem Punkt 5*. Wenn sich der Hebezapfen 58 beim Punkt 54 befindet, so ist er an dea Steuerstab 22 nicht mehr senkrecht im JSingriff. Der Druckunterschied zwischen P. und P₂ an der Trennplatte 40 drückt den öteuerstab 22 gegen die Trennplatte 40 und hält, gemäß Fig. 4, die beiden Dichtungsflächen 46, 48 zusammen.

Wenn das JSreignis eines Durchflußausfalls des Kühlmittels eintritt, so fällt die Druckdifferenz zwischen P₁ und P₂ effektiv auf null ab, und durch die Wirkung der Schwerkraft fällt der

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Steuerstab 22 nach unten. Nach Fig. 5 bleibt der Hebezapfen 38 in seiner Höhenstellung, und die Steuerkurve 50 bewegt sich abwärts, bis der Hebezapfen 38 beim Punkt 56 in die Steuerkurve 50 eingreift. Der senkrechte Abstand zwischen den Punkten 54 und 56 ist derart, daß der Steuerstab 22 gegenüber dem Brennstoff, wie in Pig. 6 gezeigt, in seine Ruhelage gelangt«

Wenn ein Schnellstopp voa Bedienpersonal oder einer der Sicherheitseinrichtungen des Reaktors ausgelöst wird, so wird durch die abwärts gerichtete Bewegung der Antriebsstange 24 des Steuerstabs die Abdichtung zwischen der Trennplatte 40 und dem Steuerstab 22 unterbrochen. Nach Fig.5 bewegt sich der Hebezapfen 38 abwärts, von seiner Stellung bei» Punkt 54, zu seiner Stellung beim Punkt 58, wo er in die Steuerkurve eingreift.

Die zwischen der Trennplatt· 40 und dem Steuerstab 22 bestehende Abdichtung kann auch ohne Unterbrechung der Strömung unterbrochen werden, und ohne, daß der Steuerstab 22 herabfallen muß. Das bedeutet» daß der Betriebsfall der Reaktorsteuerung, wie er in Fig. 9 dargestellt ist, zu den Betriebsfall übergeleitet werden kann, wie er in Tig· 7 gezeigt. Um diese Überleitung auszuführen, kann der Steuerstab 22 voa Punkte 54- bis zum Punkt 56 angehoben werden, und dann bis zum Punkte 60 abgesenkt werden. Der Bewegungsablauf des Hebezapfens 358 ist durch Pfeile in Fig. 5 angedeutet. Wenn der Hebezapfen 38 auf die Steuerkurvenfläche bein Punkt 60 auftrifft, so kann die bestehendeAbdichtung durch eine weitere, abwärts geführt* Bewegung der Antriebsstange 24 dee Steuerstabs unterbrochen werden; Dann fällt der Steuerstab 22 herab und greift

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am Punkt 62 am Hebezapfen J8 ein, wo er dann aufgehängt durcn die Antriebsstange 24· des Steuerstabs 22 verbleibt· Der waagerechte Abstand zwischen den Punkten 60 und 62 ist gering, und die Bewegung des Steuerstabs 22 beeinträchtigt im wesentlichen die Höhe der Leistung nicht.

Außer den bei der bevorzugten Ausführungsform eingesetzten, leicht abgerundeten Dichtungsflächen 46, 48 nach Fig. 4· zieht die Erfindung auch die Abänderung der Kontur der Dichtungsflächen zur Erfüllung anderer Entwurfskriterien in Betracht. Es können Konturen sowohl mit konkavem als auch mit konvexem Querschnitt, dreieckförmige Querschnitte und messerartige Kanten eingesetzt werden. Außerdem kann die Kontur ganz fortgelassen, und eine flache Oberfläche zur Abdichtung verwendet werden.

Bs sollte beachtet werden, daß die Erfindung nicht verlangt, daß die Dichtung strömungsmitteldicht sein muß, wenn auch die Dichtungsflächen 46, 48 in der bevorzugten Ausführungsform eine dichte Abdichtung bilden. So können beispielsweise die Bremsstäbe 28 nach Pig. 2 einen gewissen Kühlmitteldurchfluß erfordern, um die von ihnen erzeugte Wärme abzuführen. Somit kann eine kleine Ausnehmung bei der Steuerstabanordnung erforderlich sein, um zu ermöglichen, daß das Kühlmittel die Bremsstäbe erreichen kann, wenn der Steuerstab 22 abdichtend anliegt, wie nach Fig. 9· Wenn auch diese kleine Ausnehmung zuläßt, daß ein Kühlmittelstrom effektiv über die Trennplatte strömt, so ist diese Ausnehmung klein genug ausgelegt, derart, daß die Druckdifferenz zwischen P^ und P₂ nicht wesentlich vermindert wird.

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Die Erfindung sieht auch die Schaffung eines Polgestabes vor, der unterhalb des Steuerstabs 22 nach Fig. 2 befestigt wird, um die leere Stelle im Reaktor auszufüllen, die durch das Entfernen des Steuerstabs 22 verursacht wird. Der Folgestab hat dieselbe Form wie der Steuerstab und wird in den Bereich des Kerns 8 nach Fig. 1 angehoben, wenn der Steuerstab aus dem Kern gezogen wird. Der Folgestab ist aus demselben Wrkstoff wie die Ummantelung hergestellt und steigert dadurch den Brütungsgang und den "Wert" oder den Wirkungsgrad des Steuerstabs. Die Hinzufügung des Folgestabs beeinträchtigt nicht die Abdichtung zwischen den Dichtungsflächen 46, 48, weil die Druckdifferenz P^-P₂ ^{über die} Trennplatte 40 hinreichend hoch ist, um sowohl den Steuerstab 22, als auch den Folgestab gegen die Trennplatte zu halten.

Venn auch die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit einem schnellen Brüter mit Flüssigmetall beschrieben worden ist, so wird geltend gemacht, daß die Erfindung auf jeden vergleichbaren Kernreaktor angewendet werden kann.

Wenn auch die beste Art zur Ausführung der Erfindung hier gezeigt und beschrieben worden ist, so wird augenscheinlich, daß Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne sich davon zu entfernen, was als Gegenstand der Erfindung angesehen werden soll.

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e e r s e i I e

Claims

Patentansprüche

( 1.) Schnellstoppeinrichtung für einen Nuklear-Reaktor, der durch eine Kühlmittelströmung gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie

(a) einen Steuerstab (22) in dem genannten Nuklear-Reaktor (4) mit einer Dichtungsfläche (48), wobei dieser Steuerstab in den Neutronen-Hochflußbereich (8) des Reaktors (4) einführbar ist und ein hohes Neutronen-Absorptionsvermögen aufweist, und

(b) eine in dem genannten Nuklear-Reaktor (4) befindliche Trennplatte (40) mit einer Ausnehmung (41) umfaßt, wobei eine Druckdifferenz (P_-1-P₂) durch den Fluß eines Kühlmittels durch den Reaktor (4) über dieser Trennplatte (40) aufgebaut wird, die ebenfalls eine Dichtungsfläche (46) um die Ausnehmung (41) herum aufweist, wobei diese Dichtungsfläche (46) die Dichtungsfläche (48) des Steuer-stabes (22) ergänzt, daß die Dichtungsflächen (46, 48) an dem Steuarstab (22) bzw. an der Trennplatte (40) durch die durch den Kühlmittelfluß entwickelte Druckdifferenz (P^-Pp) zusammenhaltbar sind, daß die genannte Trennplatte (40) im Reaktor (4) derart angeordnet ist, daß eine Verminderung der Kühlmittelströmung eine entsprechende Verminderung der Druckdifferenz (P^-P₂) bewirkt, und damit den Bintritt des Steuerstabes (22) in den neutronen-Hochflußbereich (8) des Reaktors (4).

2. Schnellstoppeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Antriebsstange (24) einschließt, die mit dem Steuerstab (22) verbunden ist, derart, daß diese Antriebsstange (24) bewirken kann, daß der Steuerstab (22) schnell in den Neutronen-

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Hochflußbereich (8) des Reaktors (4) einführbar ist zum Schnellstopp dieses letzteren.

5. Schnellstoppeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Verbindung der Antriebsstange (24-) mit dem Steuerstab (22) einschließt> derart, daß der Steuerstab (22) in seitlicher Richtung verschiebbar ist gegenüber der Trennplatte (40), und eine Verminderung der Druckdifferenz (P.-Pp) erhalten wird, um zu bewirken, daß der Steuerstab (22) in den Neutronen-Hochflußbereich (8) des Reaktors (4) eintritt.

4. Schnellstoppeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Bewegungsführung des Steuerstabs (22) gegenüber dem weutronen-Hochflußbereich (8) äes Reaktors (4) einschließt, derart, daß die Höhe des fleutronenflusses beim Betrieb des Keaktors (.4) steuerbar ist.

5. Schnellstoppeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel einschließt, die einen Teil der Dichtungsflächen (46, 48) bilden, zur Zentrierung des Steuerstabes (22) in bezug auf die Ausnehmung (41) in der Trennplatte (40).

6. Schnellstoppeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Verbindung des Steuerstabs (22) mit der Antriebsstange (24) einschließt, die ermöglichen, daß der Steuerstab (22) in den Neutronen-Hochflußbereich (8) des Reaktors (4) sowohl unabhängig, als auch bei der Steuerung äer Antriebsstange (24) eintritt.

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7. Schnellstoppeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Folgestab einschließt, der an dem Steuer-

den
stab (22) befestigt ist und'in dem Kern beim Herausziehen des

Steuerstabes (22) gebildeten leeren Raum ausfüllt.

8. Verfahren zur Steuerung des Neutronenflusses in einem Nuklear-Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

(a) die Einschränkung eines Teils des Kühlmittelflusses durch den Reaktor (4),

(b) die Entwicklung einer Druckdifferenz (I^-Pp^ innerhalb des Reaktors (4) durch diesen eingeschränkten Kühlmittelfluß,

(c) die Fernhaltung eines Steuerstabes (22) von dem Neutronen-Hochflußbereich (8) des Reaktors (4) durch Einsatz der genannten Druckdifferenz (P.-P₂), und

(d) die Verminderung der genannten Druckdifferenz (P.-P₃) zur

Freigabe des Steuerstabes (22) zur Ausführung von Bewegungen in bezug auf den genannten Neutronen-Hochflußbereich (8).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Verminderung der Druckdifferenz (P^-I^ bei der Verminderung des Kühlmittelflusses durch den Reaktor wodurch die Einführung des Steuerstabes (22) in den Neutronen-Hochflußbereich (8) bewirkt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Verminderung der Druckdifferenz (P^-P₂) den Vorgang der Verminderung dieser Druckdifferenz auf einen Steuerbefehl hin einschließt, derart, daß der Steuerstab (22) schnell in den Neutronen-Hochflußbereich (8) eingeführt wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

es ferner den Schritt der Führung der Bewegung de» Steuerstabs (22) in bezug auf den Neutronen-Hochflußbereich (8) dee Reaktors (4) einschließt, um im Betrieb die Höhe des Neutronenflusses zu regeln.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Verminderung der Druckdifferenz (P₁-P₂) durch eine seitlich gerichtete Beschleunigung des Reaktors (4) bewirkbar ist.

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