DE2801005C2

DE2801005C2 - Vorrichtung zur Reaktivitätssteuerung

Info

Publication number: DE2801005C2
Application number: DE2801005A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Eben Los Altos Hills Calif. 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: 1982-03-18
Also published as: JPS53122093A; DE2801005A1; US4158602A; FR2379138B1; JPS592878B2; FR2379138A1; GB1538380A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs I.

Bei einer bereits bekannten Vorrichtung dieser Gattung (GB-PS 10 66 014) ist die Kupplung zwischen Steuerstab und Antriebsstange eine hydraulische. Der Steuerstab ist axial verschiebbar auf der Innenseite des Steucrstabgehauses geführt. Sobald die Kühlmittelströmung einen bestimmten Wert unterschreitet, fällt der Steuerstab in den Reaktorkern ein und löst damit eine Schnellabschaltung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer der eingangs genannten Gattung entsprechenden Vorrichtung die Auslösung einer Schnellabschaltung, auch in Abhängigkeit von einer seitlichen Bewegung des Reaktors durch starke äußere Kräfte, wie sie beispielsweise von einem Erdbeben verursacht werden können, to zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Möglichkeiten zu einer vorteilhaften weiteren Ausger5 staltung einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt F i g. 1 eine schematische seitliche Teilschnittansicht eines schnellen Brüterreaktors mit Flüssigmetallumlauf,

Fig.2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines Steuerstabes nebst Steuerstabgehäuse zur Verwendung bei einem Reaktor nach F i g. 1,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des teilweise auseinandergezogen dargestellten oberen Teils des Steuerstabs nach F i g. 2,

Fig.4 einen Vextikalschnitt durch die Anordnung nach F i g. 2,

F i g. 5 die Darstellung einer Abwälzung der Kulissenführung auf der Innenfläche eines Trägerrohrs des Steuerstabs nach F i g. 4 und

Fig.6 bis 12 schematische Darstellungen eines den Steuerstab gemäß den Fig.2 bis 5 aufweisenden Reaktors im Schnitt zur Veranschaulichung der Arbeitsweise.

In Fig. 1 ist die Anordnung der wesentlichen Teile eines schnellen Brüter-Reaktors mit Flüssigmetallumlauf gezeigt. Das Reaktorgefäß 4 ist mit einem Wärmeschirm 6 versehen. Es umschließt eine Vielzahl -ίο von Einheiten 10, 10', die voii dem Flüssigmetall durchflossen werden. In dem Reaktor wird angereichertes Uran (U-235) oder Plutonium (Pu-239) als Brennstoff verwendet. Als Kühlmittel ist Natrium bei atmosphärischem Druck geeignet Der Brennstoff befindet sich in dem Kern 8 und wird von Einheiten 10 getragen, die diesen Bereich durchsetzen. Der Kern ist von einer an Uran armen Ummantelung umgeben.

Das flüssige Metall wird durch die Einlaßstutzen 12, 12' in das Reak'orgefäß 4 gepumpt. Das durch den Einlaßstutzen 12 eintretende Metall gelangt in eine untere Kammer 13 und strömt zentral zwischen den Einheiten 10 hindurch, die den Kern 8 durchsetzen. Das durch den Einlaßstutzen 12' eintretende Metall durchströmt die Einheiten 10' der radialen Ummantelung. Von allen Einheiten 10,10' wird das Metall in eine obere Kammer abgegeben, von wo es durch einen Auslaßstutzen 15 aus dem Reaktor abfließt. Das an den Einheiten vorbeiströmende Flüssigmetall bewirkt einen Druckabfall, so daß der Druck P, in der unteren Kammer 13 wesentlich größer als der Druck Pj in der oberen Kammer 14 ist. Bei einem herkömmlichen schnellen Brüter mit Flüssigmetallumlauf liegen die Druckdifferenzen zwischen P\ und Pi bei etwa 7 bar. Durch eine Pufferzone aus inertem Gas 16 im oberen Bereich des h*> Reaktorgefäßes 4 wird das flüssige Metall im wesentlichen auf atmosphärischem Druck gehalten.

Bei einem schnellen Brüter mit Flüssigmetallumlauf enthalten etwa 10% der Einheiten Steuerstäbe. Die

anderen Einheiten enthalten entweder Brennstoff oder Ummantelungselemente. Fig.2 veranschaulicht eine der Einheiten mit einem darin enthaltenen Steuerstab 22. Diese Einheit weist ein Steuerstabgehäuse 20 mit hexagonalem Querschnitt und eine Antriebstange 24 für den Steuerstab auf, die diesen Steuerstab gegenüber dem Kern 8 anhebt oder absenkt. Die Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 ist mit einer (nicht dargestellten) Steuerstabantriebsvorrichtung verbunden. Das Steuerstabgehäuse 20 kann aus Edelstahlblech hergestellt sein. Es bildet einen Kanal für das durchfließende Metall. Ein Führungskegel 26 legt die Einheit 10 in bezug auf eine (nicht dargestellte) horizontale Trägerplatte seitlich fest

Wie in F i g. 2 bis F i g. 4 gezeigt, ist der Steuerstab 22 frei innerhalb des Steuerstabgehäuses 20 bewegbar. Der Steuerstab 22 besteht aus einer Vielzahl langgestreckter Absorberstäbe 28 mit kreisrundem Querschnitt. Jeder Absorberstab 28 wird durch Stifte 29 starr zwischen einer oberen und einer unteren Halterung 30, 32 gehalten. Diese Halterungen sind starr mit einem Trägerrohr 34 verbunden, das von den Absorberstäben 28 umgeben ist Nach F i g. 4 weist die obere Halterung 30 einen nach oben vorspringenden Ring mit einer Dichtungsfläche 48 auf.

Wie F i g. 4 zeigt, wird das Steuerstabgehäuse 20 nach oben durch eine Trennplatte 40 abgeschlossen. Die Trennplatte 40 hat eine zentrale öffnung 41, die von der Antriebsstange 24 durchsetzt wird. Um die Ausrichtung des Steuerstabes 22 und der Innenseite des Gehäuses 20 aufrechtzuerhalten, weist die Antriebsstange 24 Zentrierflügel 42 auf, die beim Aufsetzen des Steuerstabs 22 auf die Trennplatte 40 als Führung wirken. Ferner befindet sich an der Trennplatte 40 ein nach unten vorspringender Ring, der eine Dichtungsfläche 46 bildet Die Dichtungsfläche 46 paßt formschlüssig in die Dichtungsfläche 48 der oberen Halterung 30. Wenn, wie Fig,4 zeigt, die beiden Dichtungsflächen 46, 48 in Eingriff gebracht werden, bilden sie einen strömungsmitteldichten Abschluß.

Die Dichtungsflächen 46,48 sind als leicht abgerundete PaBflächtin ausgebildet, um eine seitliche Verschiebung des Steuerstabs 22 gegenüber der Trennplatte 40 zu verhindern, die sonst infolge Vibration möglich wäre. Eine seitliche Verschiebung könnte die Abdichtung unterbrechen und zur Folge haben, daß der Steuerstab 22 nach unten fällt.

Der Steuerstab 22 wird innerhaib des Gehäuses 20 durch mehrere seitlich an der Antriebsstange 24 angeordnete Hebezapfen 38, welche Teil einer mechanischen Kupplung sind, angehoben oder abgesenkt. Die Hebezapfen 38 haben einen kreisrunden Querschnitt und greifen in eine Kulissenführung auf der Innenseite des Trägecrohres 34 ein. F i g. 5 zeigt die Abwälzung der zylindrischen Innenfläche des Trägerrohrs 34.

Das Flüssigmetall, das die Einheit 10 mit dem Steuerstab 22 durchströmt, tritt in das Gehäuse 20, um den Führungskegel 26 herum, ein (siehe F i g. 2). Die Strömung ist in dem Gehäuse 20 nach oben gerichtet, umgeht den Steuerstab 22 und tritt an der öffnung 41 aus (siehe F i g. 4). Die Öffnung 41 führt direkt zu der oberen Kammer 14. Wenn der Steuerstab 22 gegen die Trennplatte 40 anliegt, besteht zwischen den Dichtungsflächen 46,48 ein slrömungsmitteldichter Abschluß. Die Druckdifferenz zwischen P\ und P2 über die Trägereinheit ist dann hinreichend groß, um den Steuerstab 22 in μ seiner Lage festzuhalten.

F i g. 6 bis 12 zeigen schematische Darstellungen eines Reaktors im Schniti zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Vorrichtung zur Reaktivitätssteuerung. Jede Figur zeigt drei Einheiten 10, die den Kern 8 durchsetzen. Die beiden äußeren Einheiten enthalten Brennstoff, dagegen die mittlere einen Steuerstab 22. Bei jeder äußeren Einheit sind die Ummantelungsbereiche diejenigen Bereiche, die sich ober- und unterhalb des Kerns 8 nach F i g. 1 befinden. In allen drei Einheiten gelangt das Flüssigmetall von der unteren Kammer 13 nach Fig. 1 in den unteren Bereich der jeweiligen Einheit und strömt an ihrem oberen Bereich in die obere Kammer 14 aus. Die Strömung ist durch Pfeile angedeutet

F i g. 6 zeigt den Reaktor im abgeschalteten Zustand. Dabei ist der Steuerstab 22 gegenüber dem Brennstoff 8 angeordnet Er befindet sich damit in der Stellung maximalen Reaktivitätseinflusses, bei der die größtmögliche Anzahl von Neutronen absorbiert wird. Der Steuerstab 22 wird von der Antrieb.sstange 24 durch die Hebezapfen 38 gehalten. Es findet ein Flüssigmetalldurchfluß durch die Steuerstab-Einheit statt Die Durchfiußströmung tritt am unteren Teil ein und durch die Öffnung 41 der Trennplatte aus. Der Steuerstab 22 wird in seiner Lage durch eine (nicht dargestellte) Antriebsvorrichtung gehalten, die eine weitere Bewegung der Antriebsstange 24 nach unten verhindert

Fig 7 zeigt die Wirkungsweise des Steuerstabes 22 bei der Regelung des Neutronenflusses in dem Reaktor. Der Steuerstab 22 kann gegenüber dem Brennstoff 8 durch Anheben und Absenken der Antriebsstange 24 bewegt werden. Die Lage des Steuerstabes 22 relativ zu dem Brennstoff 8 steuert den Neutronenfluß und damit die Leistung. Der Steuerstab 22 wird, wie in Fig.6 dargestellt, gehalten, und das Flüssigmetall fließt durch die Einheit 10 und durch die Öffnung 41 heraus.

F i g. 8 veranschaulicht die Festlegung des Steuerstabes 22 an der Trennplatte 40. Die Antriebsstange 24 hebt mittels der Hebezapfen 38 den Steuerstab 22 an, bis die Dichtungsflächen 46, 48 in Eingriff gelangen. Die Dichtungsflächen bilden dann den strömungsmitteldichten Abschluß, über den kein Flüssigmetall mehr durch die Öffnung 41 nach außen fließen kann. Die Druckdifferenz P\ — Pi an der Trennplatte 40, die durch die Strömung des Flüssigmetalls durch den Reaktor hervorgerufen wird, hält wie in Fig.8 gezeigt, den Steuerstab 22 in seiner Stellung fest.

Sobald der Steuerstab 22 auf dies; Weise an der Trennplatte 40 festgehalten wird, kann die Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 in die in F i g. 9 gezeigte Stellung abgesenkt werden. F i g. 9 veranschaulicht die normale Betriebsstellung, wenn der Steuerstab als Sicherheitsreserve dient Das Steuerstabgehäuse 20 ist abgedichtet, und dor Durchfluß des Flüssigmetalls durch die öffnung 41 der Trennplatte blockiert Die Druckdifferenz P\-p7 längs des Reaktors hält die Dichtungsflächen 46, 48 zusammen. Somit bleibt der Steuerstab 22 in seiner oberen Lage, d. h. außerhalb des Kernbereichs 8.

Fig. 10 bis 12 zeigen drei Möglichkeiten zur Einleitung einer Schnellabschaltung bei einem solchen Reaktor. GemäF Fig. 10 wird die Schnellabschaltung bei Ausfall des Flüssigmetallumlaufs durch den Reaktor eingeleitet. Vor dem Ausfall des Durchflusses nehmen der Steuerstab 22 und die Antricbsst'inge 24 die in F i g. 9 gezeigte Lage ein, durch die eine Abwärtsbewegung des Steuerstabes nicht behindert wird. Bei Ausfall des Flüssigmetall,daufs fällt die Druckdifferenz P\ — Pj über den Reaktor automatisch ab, und da der Steuerstab 22 nur durch den Druckunterschied auf beiden Seiten

der Trennplatte 40 hochgehalten wurde, fällt der Steuerstab nun infolge seiner Schwerkraft nach unten, wie in Fig. IO angedeutet. Dazu bedarf es keiner Bewegung der Stabantriebsstange 24. Der Steuerstab 22 fällt nach unten, bis die Hebezapfen 38 die obere s Halterung 30 des Steuerstabes erfassen (siehe die Darstellung in F i g. 4), oder bis der Steuerstab auf einer (nicht dargestellten) besonderen Abstützung bekannter Art in herkömmlicher Weise zur Auflage kommt. Der Steuerstab 22 mit den Hebezapfen ist so bemessen, daß der Steuerstab 22, wie in Fig.6 veranschaulicht, gegenüber dem Brennstoff 8 in seine Ruhelage gelangt.

Nach F i g. 11 kann die Schnellabschaltung auch durch Steuerung der (nicht dargestellten) Antriebsvorrichtung mittels einer Sicherheitsschaltung oder von seilen einer Bedienungsperson eingeleitet werden. Aufgrund eines solchen Steuerkommandos wird die Stabantriebsstange 24 von der Antriebsvorrichtung losgelassen und bewegt sich infolge Einwirkung der Schwerkraft oder auch einer zusätzlichen Federkraft nach unten, wie es der herkömmlichen Art der Einleitung eines Schnellstopps entspricht. Wenn die Antriebsstange 24 des Steuerstabs nach unten fällt, drückt sie diesen nach unten, so daß die Dichtungsflächen 46, 48 voneinander getrennt werden. Dadurch wird die Druckdifferenz an der Trennplatte 40 2=, abgebaut und der Flüssigmetallfluß durch die Trägereinheit wiederhergestellt. Der Steuerstab 22 kommt, wenn er aufgrund der Schwerkraft nach unten fällt, gegenüber dem Brennstoff in der durch Fig.6 veranschaulichten Lage zur Ruhe.

Fig. 12 veranschaulicht die Möglichkeit der selbsttätigen Auslösung der Schnellabschaltung, wenn der Reaktor eine seitliche Bewegung durch starke äußere Kräfte erfährt, wie z. B. bei einem Erdbeben. Eine starke seitliche Beschleunigung des Steuerstabs 22 hat zur Folge, daß dieser innerhalb des Steuerstabgehäuses 20 um seine Dichtungsfläche 48 kippt und dadurch die Trennung der Dichtungsflächen 46, 48 einleitet. Auf diese Weise wird der Fluß des Flüssigmetalls durch die öffnung 41 der Trennplatte 40 wiederhergestellt und die Druckdifferenz beseitigt Der Innendurchmesser des senkrechten Trägerrohrs 34 und die Antriebsstange 24 sind so bemessen, daß sie eine solche Bewegung erlauben.

Bei einem schweren Erdbeben wird also die Schnellabschaltung des Reaktors dadurch bewirkt, daß die beweglichen Teile des Reaktors relativ zu dem Kern verlagert werden. Eine solche Verlagerungsbewegung könnte unter Umständen verhindern, daß die Steuerstabantriebsstange herabfällt bzw. die Stabantriebsvorrichtung den Steuerstab freigibt und fallenläP Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß der Ani.ieb der Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 nicht mehr benötigt wird, die Schnellabschaltung einzuleiten, da die durch das Erdbeben verursachte seitliche Bewegung selbst zur Auslösung der Schnellabschaltung genügt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kupplung zwischen Steuerstab und Antriebsstange und deren Wirkungsweise werden durch F i g. 5 veranschaulicht F i g. 5 zeigt die Kontur einer Kulissenführung 50 als Abwälzung der inneren Oberfläche des Trägerrohrs 34, wobei nacheinander jeweils einer der Hebezapfen 38 über jeweils eine der verschiedenen Flanken der Kulisse geführt wird. Wenn die Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 diesen selbst hochhält, wie in F i g. 6 gezeigt, oder den Steuerstab 22, wie in F i g. 7 veranschaulicht, noch weiter anhebt, so greift der Hebezapfen 38 beim Punkt 52 ein. Wenn der Steuerstab 22 abdichtend gegen die Trennplatte 40 gedrückt und die Antriebsstange 24 bis zu ihrer in F i g. 9 veranschaulichten Stellung abgesenkt ist, bewegt sich der Hebezapfen 38 vom Punkt 52 bis zu dem Punkt 54. Der Druckunterschied zwischen P\ und Pi an derTrennplatte 40 drückt in diesem Fall den Steuerstab 22 gegen die Trennplatte 40 und hält gemäß Fig.4 die beiden Dichtungsflächen 46,48 zusammen.

Bei einem Ausfall des Flüssigmetalldurchflusses fällt die Druckdifferenz zwischen P\ und Pt praktisch auf Null ab. und durch die Wirkung der Schwerkraft fällt der Steuerstab 22 nach unten. Nach F i g. 5 bleibt der Hebezapfen 38 dann in der von ihm eingenommenen Höhenlage und die Kulisse 50 bewegt sich abwärts, bis der Hebezapfen Ϊ8 beim Punkt 56 in die Kulisse 50 eingreift. Der senkrechte Abstand zwischen den Punkten 54 und 56 ist so groß, daß der Steuerstab 22, wie in Fig.6 gezeigt, in seine Ruhelage gegenüber dem Brennstoff gelangt.

Wird eine Schnellabschaltung durch Steuerung von Seiten des Bedienungspersonals oder einer Sicherheitsschaltung des Reaktors ausgelöst, so wird durch die Abwärtsbewegung der Antriebsstange 24 des Steuerstabes & die Abdichtung zwischen der Trennplatte 40 und dem Steuerstab 22 unterbrochen. Nach F i g. 5 bewegt sich der Hebezapfen 38 aus seiner Stellung beim Punkt 54 nach unten i>n seine Stellung beim Punkt 58. wo er in die Kulisse eingreift.

Die Abdichtung zwischen der Trennplatte und der Steuerstab 22 kann auch für einen Übergang zur üblichen Neutronenflußregelung (F i g. 7) unterbrochen werden. Um diesen Obergang auszuführen, wird die Antriebsstange 24 mit den Hebezapfen 38 vom Punkt 54 bis zum Punkt 56 angehoben und dann bis zum Punkt 60 abgesenkt. Der Bewegungsablauf eines Hebezapfens 38 ist durch Pfeile in Fig. 5 angedeutet. Wenn der Hebezapfen 38 beim Punkt 60 der Kulisse auftrifft, wird die Abdichtung durch eine weitere Bewegung der Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 nach unten unterbrochen. Der Steuerstab 22 fällt dann nach unten und greift am Punkt 62 am Hebezapfen 38 an, wo er dann an der Antriebsstange 24 hängend verbleibt. Der Abstand zwischen den Punkten 60 und 62 ist gering, so daß die Höhe der Leistung durch die Bewegung des Steuerstabes 22 kaum verändert wird.

Anstelle der vorzugsweise verwendeten leicht abgerundeten Dichtungsflächen 46, 48 nach Fig.·? können auch Konturen der Dichtungsflächen mit dreieckförmigen Querschnitten oder messerartigen Kanten eingesetzt werden. Auch kann die Kontur ganz fortgelassen und je eine flache Dichtungsfläche verwendet werden.

Für den Fall, daß die Absorberstäbe 28 einen gewissen Flüssigmetalldurchfluß erfordern, um die von ihnen erzeugte Wärme abzuführen, kann eine kleine Durchflußöffnung an der Steuerstab-Einheit vorgesehen werden, so daß die Absorberstäbe auch dann gekühlt werden, wenn der Steuerstab 22 am oberen Ende des Steuerstabgehäuses anliegt Die öffnung muß klein genug bemessen sein, so daß die Haltekraft nicht wesentlich vermindert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Reaktivitätssteuerung eines durch eine Kühlmittelströmung gekühlten Kernreaktors mit einem neutronenabsorbierenden Steuerstab, der in einem länglichen, von dem Kühlmittel durchströmten, von oben in den Reaktorkern hineinragenden Steuerstabgehäuse zwischen einer Endstellung maximalen Reaktivitätseinflusses im Reaktorkern und einer Endstellung minimalen Reaktivitätseinflusses oberhalb des Reaktorkerns für die betriebsmäßige Leistungssteuerung mit Hilfe einer an diesen gekuppelten Antriebsstange bewegbar ist und der in der Endstellung minimalen Reaktivitätseinflusses mit einer an seinem oberen Ende vorgesehenen Dichtungsfläche aufgrund der von der Kühlmittelströmung längs des Steuerstabgehäuses abfallenden Druckdifferenz an einer passenden, zurp Verschließen einer Strömungsöffnung dienendes Dichtungsfläche derart tragend angepreßt ist, daß bei Erniedrigung der Tragkraft ein Schnelleinwurf des Steuerstabes zur Endstellung maximalen Reaktivitätseinflusses erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstab (22) in der durch die Druckdifferenz gehaltenen Endstellung von der Antriebsstange (24) entkuppelt ist, daß das Steuerstabgehäuse (20) den Steuerstab (22) mit einem Abstand umgibt, der eine Kippung des Steuerstabes um seine Dichtungsfläche (48) zuläßt, und daß die Kippung eine Trennung der Dichtungsffdchen (46, 48) bewirkt, so daß die Tragkraft unter den Kiim Ha?:£n erforderlichen Wert sinkt.

2. Vorrichtung nach Anspru Si 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsfläche (48) des Steuerstabes (22) an einem ringförmigen Vorsprung der Stirnfläche des oberen Steuerstabendes ausgebildet ist und daß die damit zusammenwirkende Dichtungsfläche (46) an einem ringförmigen Vorsprung einer die obere Endwand des Steuerstabgehäuses (20) bildenden Trennplatte (40) mit einer zentralen Öffnung (41) angeordnet ist, wobei die Öffnung (41) von der Antriebsstange (24) und bei Trennung der Dichtungsflächen (46,48) zugleich von der Kühlmittelströmung durchsetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden ringförmigen Vorsprünge ineinander passende, sich gegenseitig führende Querschnittskonturen aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstab (22) zur Kupplung einen axialen Hohlraum mit einer in dessen Wandung vorhandenen Kulissenführung (50) aufweist und daß die Antriebsstange (24) an ihrem unteren Ende quergerichtete Hebezapfen (38) aufweist, die in die Kulissenführung (SO) eingreifen.