DE2822918B2

DE2822918B2 - Halterungsstange für einen Neutronenabsorberstab in einem Kernreaktor

Info

Publication number: DE2822918B2
Application number: DE2822918A
Authority: DE
Inventors: Edwin Leopold Los Altos Calif. Zebroski (V.St.A.)
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1980-04-03
Also published as: NL7805941A; DE2822918C3; JPS5823914B2; BE867575A; FR2401493A1; JPS543690A; US4227967A; GB1573598A; IT7824072A0; DE2822918A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halterungsstange für einen Neutronenabsorberstab in einem Kernreaktor, die mindestens teilweise der Temperatur des Primärkühlmittels des Kernreaktors ausgesetzt ist. Eine derartige Halterungsstange ist beispielsweise aus der US-PS 39 76 543 bekannt.

Es ist weiterhin bekannt, die durch eine Temperaturerhöhung des Kühlmittels bewirkte unterschiedliche Längenausdehnung zweier Materialien zur Verringerung der Reaktivität eines Kernreaktors heranzuziehen (vgl.US-PS3»76 543).

Der Erfindung lieg; die .ufgabe zugrunde, eine Halierungsstange der eingangs genannten'Gattung zu schaffen, bei der die durch einen" "emperaturanstieg des Kühlmittels bewirkte Verschiebung des Neutronenabsorbers so angepaßt ist, daß die dadurch bedingte Reaktivitätsänderung den Temperaturanstieg rückgängig macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe der in dem Patentanspruch 1 angegeben Merkmale gelöst.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines schnellen Brutreaktors mit Flüssigmetallkühlung,

Fig. 2 ein Teilweise im Schnitt gehaltener seitlicher Aufriß einer Halterungsstange für einen Neutroncnabsorberstab im Reaktor von F i g. I und

Fig.3 einen Querschnitt entlang der Linie J-J von Fig. 2.

Der in F i g. I dargestellte schnelle Brutreaktor mit Flüssigmetallkühlung umfaßt einen Kernbereich 8, in dem sich mehrere Brennelemente IO befinden. Die vom Reaktor erzeugte Leistung wird durch mehrere Neutronenabsorberstäbe 12 gesteuert, die vermittels eines Antriebs 14 in bezug auf den Kern angehoben und abgesenkt werden. Der Reaktorkern befindet sich innnerhalb eines Behälters 16, der seinerseits von einer Primärabschirmung 18 umgeben ist. Der Reaktor wird durch Umwälzung von flüssigem Natrium gekühlt, das durch einen Einlaßstutzcn 20 in den Behälter 16 eingeleitet wird. Das flüssige Natrium gelangt vom Einlaßstutzen 20 zu einer unterhalb der Brennelemente 10 befindlichen Sammelkammer und durchströmt dann den Kern nach oben, wobei die durch die Spaltreaktion erzeugte Wärme auf das Kühlmittel übertragen wird. Das erhitzte Kühlmittel tritt an einem Auslaßstiitzen 22 aus. Die vom Kühlmittel mitgeführte Wärme wird entweder an einen (hier nicht dargestellten) Wärmetauscher oder an einen Dampfgenerator abgegeben.

In F i g. 2 ist ein Teil einer Halterungsstange 28 eines Neutronenabsorberstabs 12 dargestellt, der zur Leistungssteuerung in den Reaktorkernbereich 8 eingefahren bzw. aus diesem herausgezogen wird.

Der Antrieb 14 kann die Halterungsstange 28 freigeben, um den Neutronenabsorberstab bei Schnellschluß des Reaktors schnell in den Kern einsetzen zu

to können.

Der Neutronenabsorberstab 12 weist einen Mantel 31 aus rostfreiem Stahlblech auf, der einen Kanal für die Natriumumwälzung bildet Der Mantel bildet außerdem ein Gehäuse führ mehrere langgestreckte, neutronenabsorbierende Stäbe 32. Der Neutronenabsorber in diesen Stäben 32 ist z. B. Borkarbid (B₄C).

Der dem Kühlmittel ausgesetzte Teil der Halterungsstange 28 weist eine Unterbrechung mit einer Überbrückung 34 auf. Die Überbrückung 34 besteht aus mehreren koaxialen Rohren 36, 36' unterschiedlicher Durchmesser. Die Rohrachsen sind parallel der Bewegungsrichtung der Halterungsstange 28 und des Absorberstabs 12 ausgerichtet. Die sich infolge Wärmeausdehung stark dehnende Überbrückung 34 verstärkt ihre Wärmeausdehung dadurch, daß die Rohre abwechselnd unterschiedliche lineare Wärmeausdehungskoeffizienten aufweisen und endseitig abwechselnd miteinandner verbunden sind.
Die Rohre 36 sind in das Kühlmittel eingetaucht und ihre Verbindungen weisen mehrere öffnungen 38 auf, durch welche hindurch das Kühlmittel zwischen die Rohre einströmen und in direkter Abhängigkeit von seiner Temperatur eine Längenänderung der Rohre hervorrufen kann. Die in F i g. 2 mit dem Bezugszeichen 36 versehenen Rohre sind aus einem Werkstoff mit einem hohen Wärmeausdehungskoeffizienten <\i. und die übrigen Rohre 36' sind aus einem Werkstoff mit einem niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten ixi hergestellt.

Wie aus Fi g. 2 ersichtlich, beheld das innerste Rohr 36 aus dem Werkstoff mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten λι, und dieses Rohr 36 ist an seinem oberen Ende mit dem oberen Teil der Halterungsstange 28 verbunden. An seinem unteren Ende ist dieses inerste Rohr mit dem nächstgrößeren Rohr 36' verbunden, das aus dem Werkstoff mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten (X₂ hergestellt ist. Dieses zweite Rohr ist an seinem oberen Ende in Nähe der Verbindung zwischen dem innersten Rohr und dem oberen Teil der Halterungsstange 28 mit dem nächstgrößeren Rohr 36 verbunden. Die folgenden, jeweils größeren Rohre bestehen abwechselnd aus dem Werkstoff mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Werkstoff mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten und sind endseitig abwechselnd an ihren oberen bzw. an ihren unteren Enden miteinander verbunden.

Die Rohre 36 mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten /%\ bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten <ti von 10—12 χ 10 ⁶, während die Rohre 36' einen Wärmeausdehnungskoeffizienten <xi von etwa 0,9x10-' haben, wobei die Längenzunahme pro Längeneinheit und pro Grad Celsius angegeben ist.

Die Verstärkungswirkung der sich infolge Wärmeausdehnung stark dehnenden Überbrückung 34 läßt sich wie folgt mathematisch darstellen, wobei angenommen wird, daß sämtliche Rohre 36,36' die Länge L aufweisen.

Es läßt sich nun zeigen, daß für N Zylinder 36 aus einem Werkstoff mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten ä| und für N— 1 Zylinder 36' aus einem Werkstoff mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten cn die Gesamtdehnung AL des Teils ausdrückbar ist durch folgende Gleichung

Δ L=[N(«i-cx₂) +Oi₂]LAT,

in welcher <x\ > »i und Δ Tdie Temperaturänderung ist

Die in F i g. 2 dargestellte Überbrückung 34, welche auch als »Wärmeausdehungsverstärker« bezeichnet werden kann, läßt sich in mancher Hinsicht mit Schwingungsperiodenkonstanthaltesystemen für Pendeluhren vergleichen. So weisen beispielsweise einige Pendeluhren aus dem 19. Jahrhundert zum Temperaturausgleich dienende mechanische Vorrichtungen auf. Diese Vorrichtungen verlagern ein Gegengewicht entlang der Hauptachse des Pendeltragarms und gleichen Längenänderungen des Tragarms aufgrund von Temperaturschwankungen aus. Diese Pendelkompensationsvorrichtungen umfassen typischerweise ein mechanisches joch und zwei Gruppen einander paralleler Stangen von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das Joch steht abwechselnd mit den Stangen in beiden Gruppen in Eingriff und bildet somit einen Wärmeausdehungsverstärker.

Die als Wärmeausdehnungsverstärker dienende Überbrückung 34 ist der Temperatur des aus dem Reaktor austretenden Kühlmittels ausgesetzt, da sie sich innerhalb des Reaktors in einer Höhe unterhalb des Auslaßstuizens 22 für das Natrium-Kühlmittel befindet. In Abhängigkeit von dem Betrag an zum Ausgleich eines Temperaturanstiegs erforderlich negativer Reaktivität sind ein oder mehrere Halterungssumgen 28 mit einer derartigen Überbrückung versehen. Die Neutronenabsorberstäbe bei weichen eine Überbrückung 34 mit Wärmeausdehungsverstärkung in der Halterungsstange 28 angeordnet ist, werden in gleicher Weise verlagert wie die übrigen Neutronenabsorberstäbe.

Tritt beim Betrieb ein Kühlmittelverlust auf, beispielsweise durtu Bruch einer Rohrleitung des Kühlmitteluniwälzsystems, durch Ausfall einer Umwälzpumpe oder das Schließen eines Ventils im Kühlmittelumwälzkreis, so führt das Kühlmittel die vom Reaktor erzeugte Wärme nicht länger ab. Da der Reaktor weiterhin Wärme mit praktisch der gleichen Leistung wie vor dem Ausfall der Kühlmittelumwälzung erzeugt, steigt die Temperatur des Kühlmittels an.

Der Temperaturanstieg des Kühlmittels bewirkt eine Längenausdehnung der Überbrückung 34 mit Wärmeausdehungsverstärkung. wodurch sich der Absorberstab 12 weiter in den Kernbereich 8 des Reaktors verlagert. Aufgrund dieser Verlagerung des Absorbers werden mehr Neutronen im Reaktor absorbiert, so daß die Leistung entsprechend verringert wird. Die Verlagerung de* Absorbers in den Kern ist direkt proportional dem Temperaturanstieg.

Die Überbrückung 34 steht in inniger Wärmeleitungsverbindung mit dem Kühlmittel und spricht auf die Temperatur des Kühlmittels an der Stelle an, an der das Kühlmittel aus dem Reaktor austritt Wenn der Kühlmittelpegel bei Aufhören der Kühlmittelumwälzung abfällt, überträgt das Kühlmittel seine Wärme durch Konvektion auf die Überbrückung 34. Sobald die Primärkühlmittelumwälzung im wesentlichen zum Erliegen kommt, werden die Zylinder 36, 36' entweder durch Wärmeleitung oder durch natürliche Konvektion erwärmt

Bei einem Unfall mit Ausfall der Kühlmittelumwälzung schalten Schnellabschaltvorrichtungen den Reaktor ab, so daß es normalerweise nicht zu einer nennenswerten Leistungs- oder Temperatursteigerung kommen kann. Durch die Erfindung läßt sich die Betriebssicherheit erhöhen, da in Falle eines Ausfalls der Schneiiabschaitvorrichtungen utr Reaktor durch Einsetzen der Absorberstäbe in den Reaktorkern aufgrund der Wärmeausdehung der Überbrückung 34 abgeschaltet wird.

Dobei ist anzumerken, daß es für einige Reaktorausführungen nicht erforderlich ist, die Absorberstäbe 12 völlig in den Kernbereich einzuführen. Bei derartigen Reaktoren ist ausreichend, die Reaktorleistung aut einen niedrigen Leistungspegel vor. weniger als 15% der vollen Reaktcrleistung zu verringern. Bei diesem niedrigen Leistungspegel läßt sich die Wärmelast durch natürliche Konvektion des Kühlmittels und vermittels eines kleinen Notfall-Wärmeableiters abführen.

Eine Ausbildung des Schalterstrangs nach der Erfindung eignet sich besonders für einea schnellen Brutreaktor mit Flüssigmetallkühlung, weil ein derartiger Reaktor normalerweise entweder einen sehr kleinen negativen oder leicht positiven Reaktivitätsten'peratur-

koeffizienten aufweist. Durch die Überbrückung 34 in Kombination mit .dem Absorberstab 12 läßt sich ein r.jgativer Reaktivitätstemperaturkoeffizient erbringen. Dieser stabilisiert den Reaktor während seines Betriebs. Die Arbeitsweise des Brutreaktors korrigiert sich somit selbsttätig, da bei Steigerung der Temperatur des Primärkühlmittels der Absorberstab weiter in den Kern eingefahren und dadurch eine negative Reaktivität bewirkt wird.

Die Erfindung ermöglicht es, das Ansteigen der Temperatur äußerst gering zu halten und die Nennleistung überschreitende Leistungsspitzen abzubauen, ohne daß dazu der Reaktor abgeschaltet zu werden braucht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Halterungsstange für einen Neutronenabsorberstab in einem Kernreaktor, die mindestens teilweise der Temperatur des Kühlmittels des Kernreaktors ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kühlmittel ausgesetzte Teil der Halterungsstange (28) eine Unterbrechung mit einer Überbrückung (34) aufweist, daß die Überbrückung aus mehreren, koaxial zueinander angeordneten Rohren oder parallel zueinander angeordneten Stangen besteht, die abwechselnd jeweils an ihrem einen oder anderen Ende miteinander verbunden sind und daß benachbarte Rohre bzw. Stangen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.