DE2815424A1

DE2815424A1 - Sicherheitsvorrichtung fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE2815424A1
Application number: DE19782815424
Authority: DE
Inventors: Roland Jacquelin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1978-04-10
Publication date: 1978-10-19
Also published as: DE2815424C2; US4233115A; GB1583306A; FR2387495A1; FR2387495B1; IT7867844A0; BE865945A; IT1108625B; JPS53129797A; ES468781A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs ].

Bei Kernreaktoren, insbesondere bei Kernreaktoren mit schnellen Neutronen, 'deren Kern mit Hilfe von zirkulierendem Flüssigmetall, im allgemeinen Natrium, gekühlt wird, wobei der Kern einen inneren Brennbereich und einen äußeren Bereich, der den inneren Bereich umgibt, aufweist, werden Sicherheitsvorrichtimgen vorgesehen.

Die Sicherheitskontrolle derartiger Kernreaktoren und insbesondere das sofortige Anhalten der Kernreaktion im Falle von Störungen der verschiedensten Art, die eventuell während des Betriebs auftreten können, erfordern den Einsatz von sicheren und wirksamen Mitteln, welche in herkömmlicher Weise aus Elementen bestehen, die die Neutronen absorbieren und geeignet sind, innerhalb kürzester Zeit in den Kern und insbesondere in den Brennraum vorzudringen, wobei diese absorbierenden Elemente in geeigneter Weise im Kern verteilt sind und ihre Zahl für das sofortige Anhalten der Kernreaktion ausreicht.

In der französischen Patentanmeldung Nr. 7339717 ist bereits eine Sicherheitsvorrichtung beschrieben, die ein Absorptions-Aggregat enthält, das mit einem Stützkopf versehen ist, der seinerseits mittels einer lösbaren Verbindung mit dem unteren Ende einer axial beweglichen vertikalen Steuerstange verbunden ist. Hierbei kann das Absorptions-Aggregat nach der Trennung der lösbaren Verbindung mittels seines Gewichts in einer Führung aus einer erhöhten Position in eine tiefere Position innerhalb eines begrenzten Durchgangs durch den Kern des Reaktors gleiten, und zwar durch ein offenes Gehäuse, das an seinem oberen Ende offen

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und in dem Kern zwisehen anderen Gehäusen, die nuklearen Brennstoff enthalten, angeordnet ist.

Für diese bekannte Vorrichtung ist kennzeichnend, daß die trennbare Verbindung zwischen dem Kopf des absorbierenden Elements und dem Ende der Steuerstange in der oberen Lage des Elements am oberen Teil und mindestens teilweise am unteren Teil des offenen Gehäuses vorgesehen ist, wobei das absorbierende Element in dieses Gehäuse hineinragt, und zwar in den Mantel bereich des Kerns, also außerhalb des inneren Bereichs.

Vorzugsweise wird die trennbare Verbindung mit Hilfe des Ankers eines Elektromagneten realisiert, welcher am unteren Ende der Steuerstange angeordnet ist, wobei das absorbierende Element in gegliederter Form mittels absorbierender Kettenglieder ausgeführt ist. Diese Kettenglieder sind miteinander verbunden und unter dem Kopf des Elements angeordnet, der in seiner unteren Verbindungsstel 1 ur.g im Kern mit einem inneren Anschlag des Gehäuses zusammenwirkt, wobei vorzugsweise am Ende des Wegs ein Dämpfungssystem vorgesehen ist.

Nun kann eine solche besondere Sicherheitsvorrichtung von ihrem Funktionsprinzip her immer noch Schwachstellen aufweisen. In der Tat ist es möglich, daß einer der denkbaren Zwischenfälle, der ein sofortiges Fallenlassen des absorbierenden Elementes erforderlich macht, sowohl aus einer Unterbrechung der Kühlung des Kerns infolge einer Blockierung der Pumpen für den Kühlkreislauf mit dem Flüssigmetall, als auch gleichzeitig aus einem Versagen der Steuerung des Elektromagneten besteht, wodurch das absorbierende Element freigegeben wird. Obgleich die Wahrscheinlichkeit, daß ein zweifaches Versagen der Sicherheitsvorrichtung zur selben

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Zeit praktisch Null ist, ist es dennoch notwendig, eine Sicherheitsvorrichtung vorzusehen, die ein automatisches Fallen des absorbierenden Elements jedenfalls dann sicherstellt, wenn ein anomaler Temperaturanstieg des Flüssig-Metal1s auftritt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung für Kernreaktoren zu schaffen, die allein auf anomale Temperaturerhöhungen im Reaktor anspricht.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemaßen Lösung bewirkt der Temperaturanstieg des flüssigen Metalls, der durch die Beendigung der Kühlung des Kerns - aus welchen Gründen auch immer - entsteht, daß das metallische Organ auf den Kopf des absorbierenden Elements einwirkt und/oder auf die Steuerstange, wodurch es ihre sofortige Trennung verursacht. Dabei ist ein sicheres und automatisches Funktionieren gewährleistet, und die Temperatur, bei welcher sich das absorbierende Element ablöst, kann leicht als Funktion der Ausgangsstellung des Organs eingestellt werden.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das metallische Organ ein Mantel, der von der Steuerstange getragen wird und der das Ende dieser Stange mit einem gewissen Spielraum umgibt, wobei sein Rand mit dem Kopf des absorbierenden Elements abschließt.

Bei einer anderen Ausführungsform ist das metallische Organ ein Zapfen, der in der Steuerstange axial angeordnet ist und durch den Anker des Elektromagneten hindurchgeht.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.l eine schematische Schnitt-Darstellung des Kerns eines schnellen Reaktors mit einer axial beweglichen Steuerstange für die Positionssteuerung eines absorbierenden Elements; Fig.2 eine vergrößerte Detai1-Ansicht des Endes der Steuerstange und des Kopfes des absorbierenden Elements einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung; Fig.3 eine Ansicht entsprechend der Ansicht der Fig.2, die eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt.

In der Fig.l ist mit der Bezugsziffer 1 der schematisch dargestellte Kern eines Atomreaktors bezeichnet, und zwar vorzugsweise eines Reaktors, der mit schnellen Neutronen arbeitet, wobei dieser Kern in eine hinreichende Menge 2 eines zur Kühlung bestimmten Flüssigmetalls - im allgemeinen Natrium - eingetaucht ist, das sich im Innern eines ( hier nicht dargestellten ) Behälters befindet.

Die Grenzschicht des Natriums in dem Behälter wird durch ein Polster 3 eines neutralen Gases bedeckt, während dieser Behälter in seinem oberen Teil durch eine horizontale Schutzplatte 4 verschlossen ist, die eine untere Metallplatte 5 und eine ausreichend dicke Schicht 6 eines schlitzenden Materials, z.B. Beton, aufweist. Im Innern des Kerns 1 sind in bekannter Weise die spaltbaren und ergiebigen Stäbe vorgesehen, die zur Einleitung und Aufrechterhaltung einer nuklearen Reaktion notwendig sind, wobei diese Stäbe in der Zeichnung nicht dargestellt sind, um letztere übersichtlich zu halten. Es ist nur das obere offene Ende eines Gehäuses 7 gezeigt, das zwischen den anderen Stäben des Kerns ange-

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ordnet ist und die gleiche geometrische Form wie diese hat; im Innern dieses Gehäuses 7 gleitet ein absorbierendes Element 8. Dieses Element 8 ist an seinem oberen Teil mit einem Kopf 9 ausgestattet, der die Verbindung des Elements 8 mit dem unteren Teil einer axialen Steuerstange 10 ermöglicht. Die Einzelheiten oer Realisierung des absorbierenden Elements 8 entsprechen vorzugsweise denjenigen, die bereits in der französischen Patentanmeldung 73 39 717 beschrieben und dargestellt sind.

Die Verbindung zwischen der axialen Steuerstange 10 und dem Kopf 9 des absorbierenden Elements 8 ist trennbar und wird mit Hilfe eines Elektromagneten sichergestellt, um, wie in der oben zitierten Patentanmeldung erklärt, ein plötzliches Fallen des Elements 8 in das Gehäuse 7 zu ermöglichen,, indem einfach die Stromzufuhr zu dem Elektromagneten unterbrochen wird. Unabhängig von dem Funktionieren dieser Siche'rheitsvorrichtung kann die Stange 10 von dem Gehäuse 7 weggeschoben" werden, indem diese Stange 10 im Innern eines Führungsrohrs 12 gleitet und an ihrem'oberen Ende ein Steuersystem 13 enthält, welches hier aus einer Schraubenmutter 14 besteht, die in eine mit einem Schraubengewinde 15 versehene Stange eingreift.

Selbstverständlich könnte man in diesem Fall jedes andere gleichwertige Steuerungssystem einsetzen, beispielsweise einen Zahnrad-Zahnstangen-Mechanismus.

Die Schraubenmutter 14 weist seitlich einen Keil 16 auf, der in einer'Nut 17 des Führungsrohrs 12 gleitet, um die Rotationsbewegung der mit einem Gewinde versehenen Stange 15 in eine axiale Verschiebungsbewegung für die Stange 10 umzuwandeln. Die aus dem Führungsrohr 12 und der Stange 10 bestehende Einheit wird durch einen Deckel 18 gehalten, welcher in eine

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geeignete Öffnung eingreift» die in der Schutzplatte ' 4 vorgesehen ist. " _ .. ■ ...

Die Fig.2 zeigt in größerem Maßstab das untere Ende der Steuerstange 10, welches mit einem Elektromagneten 11 ausgestattet "ist. Dieser ist - unter Beibehaltung eines angemessenen Zwischenraums - von einem koaxialen· Hantel 19 umgeben, der aus einem Material (Metall oder Legierung) hergestellt ist,-das.einen Ausdehnungskoeffizienten'besitzt, welcher erheblich größer ist als der Ausdehnungskoeffizient des für den Kern des Elektromagneten verwandten Materials, Das untere Ende 20 des Mantels 19 fluchtet mit dem Kopf des Elements 8 derart, daß bei normaler Funktionsweise der Magnetanker 21 einen Luftspalt 22 ausspart, der dazu dient, das Halten des Elements 8 zu gewähr!eisten. Auf diese Weise veranlaßt jeder Temperaturanstieg in dem Reaktorkern, der beispielsweise durch einen Stillstand der Pumpen des Flüssigmetall-Kreislaufs hervorgerufen wird, eine Zunahme der Längsabmessungen des Mantels 19» so daß dessen Ende auf den Kopf 9 des absorbierenden Elements 8 drückt, wodurch seine Verbindung mit dem Anker 21 aufgehoben und das Fallen dieses Elements in das Gehäuse 7 ausgelöst wird. Selbstverständlich kann die Temperatur für das Auski inke-n des Elements 8 leicht als Funktion der Ausgangs lage des Mantels 19 und der Größe des Luftspalts 22 des Elektromagneten geregelt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform, die in der Fig,3 dargestellt ist, ist das metallische Organ, welches von dem Elektromagneten 11 gehalten wird, als Axialstange 23 ausgebildet, die durch den Anker 29 des . Elektromagneten hindurchgeht, um wiederum auf dem

35- K«pf 9 des absorbierenden Elements 8 aufzuliegen und, v/ie bei dem vorangegangenen Beispiel, als Fo!ge eines

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Temperaturanstiegs die Trennung der Verbindung mit der Steuerstänge und das Fallen in den Kern auszulösen.

Bei einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform braucht man den Mantel oder den axialen Zapfen nicht mehr um den bzw. in dem Elektromagneten vorzusehen, sondern auf dem Kopf des absorbierenden Elements selbst, um in gleicher Weise die Trennung der Stange und dieses Elements herbeizuführen.

- Es ist zu beachten, daß immer genügend Spielraum 30 (Fig.2) zwischen dem Mantel 19 und dem Elektromagneten 11 gelassen wird, um im umgekehrten Fall ein ausreichendes Zurückziehen des Mantels beim Absinken der Temperatur sicherzustellen.

Das Verhältnis zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Elektromagneten, vorzugsweise ARMCO-Eisen oder ein sehr reines elektrolytisches Eisen, und dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Mantels oder des' axialen Zapfens, welcher sich in dem Elektromagneten befindet, ist gleich oder nahe bei Z₃ wobei diese Koeffizienten in der Größenordnung von Irnm pro Meter und pro 10O⁰C für das ARMCO-Eisen und 2mm pro Meter und pro 100°C für den Edelstahl der Art 316L sind. Unter diesen Voraussetzungen wird ein zylindrischer Mantel von 500 mm Länge eine Ausdehnung von mehr als 5/10 mm in Bezug auf die Ausdehnung des Elektromagneten aufweisen, wenn die Temperatur des Flüssigmetalls von der normalen Arbeitstemperatur von 545⁰C auf etwa 645 C steigt, ein Wert, der bei weitem ausreicht, um die Trennung des Elektromagneten von dem absorbierenden Element zu gewährleisten, und zwar mit einer ausreichend kurzen Reaktionszeit.

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Mit der Erfindung wird also eine Sicherheitsvorrichtung von sehr einfacher Konzeption geschaffen, die ein vollautomatisches und sicheres Funktionieren für den Fall eines durch einen mangelhaften Durchfluß um den Kern herum bedingten oder auf eine andere Ursache zurückzuführenden Temperaturanstiegs gewährleistet.

Es ist im übrigen festzuhalten, daß das Fehlen des Durchflusses oder die Verringerung der Durchsatzmenge des Flüssigmetalls nicht nur eine Ausdehnung des metallischen Organs, welches mit der Steuerstange verbunden ist und an den Kopf des absorbierenden Elements stößt, hervorruft, sondern auch eine Vergrößerung des scheinbaren Gewichts des Organs sowie eine Verringerung der tragenden Kraft des Elektromagneten als Folge des Abfalls seiner magnetischen Eigenschaften, wobei diese Faktoren zusammenwirken und so in gleicher Weise die Trennung der Steuerstange und des Elements bewirken.

Wenngleich die Erfindung anhand verschiedener Beispiele erläutert wurde, so ist sie doch keineswegs auf diese Beispiele beschränkt. Wesentlich ist vielmehr, daß zwischen zwei Bauelementen bei normaler Temperatur eine Kopplung besteht und daß diese Kopplung bei anomaler Temperatur sehr schnell gelöst wird. Statt eines Elektromagneten könnte dementsprechend z.B. auch ein ausreichend starker Dauermagnet oder ein anderes über ein magnetisches oder elektrisches Feld wirkendes Mittel vorgesehen v/erden.

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L e e r s e i f e

Claims

Pat 102-CA/78 COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE 29, rue de la Federation 75015 Paris Frankreich SICHERHEITSVORRICHTUNG FÜR KERNREAKTOREN Patentansprüche

1. Sicherheitsvorrichtung für Kernreaktoren, v/eiche ein absorbierendes Element mit einem Stützkopf aufweist, der mittels einer trennbaren Verbindung, welche durch den Anker eines Elektromagneten bewirkt wird,

mit dem Ende einer axial beweglichen Steuerstange verbunden ist, wobei diese Verbindung so ausgelegt ist, daß das absorbierende Element im Falle einer Trennung auf Grund seines Gewichts in einem offenen Gehäuse gleitet, das sich in einem begrenzten Durchgang des Reaktorkerns befindet, dadurch gekennzeichnet, daß

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INSPECTED

die Steuerstange (10) mit einem metallischen Organ (19,23) verbunden ist, dessen Ausdehnungskoeffizient wesentlich größer als der des Ankers (21,29) des Elektromagneten (11) ist, wodurch es im Falle eines Temperaturanstiegs einen Druck zur Trennung des Kopfes (9) des absorbierenden Elements (8) von der Steuerstange (10) ausübt.

2. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Organ ein Mantel

(19) ist, der von der Steuerstange (10) getragen wird und der das Ende dieser Stange (10) mit einem gewissen Spielraum umgibt, wobei sein Rand mit dem Kopf (9) des absorbierenden Elements (8) abschließt. 15

3. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Organ ein Zapfen (23) ist, der in der Steuerstange (10) axial angeordnet ist und durch den Anker (29) des Elektromagneten (11) hindurchgeht.

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