DE2822918C3 - Halterungsstange für einen Neutronenabsorberstab in einem Kernreaktor - Google Patents
Halterungsstange für einen Neutronenabsorberstab in einem KernreaktorInfo
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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-PS 39 76 543).
Der Erfindung liegt die Au.gabe zugrunde, eine Halterungsstange der eingangs genannten Gattung zu
schaffen, bei der die durch einen Ti. nperaturanstieg 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 Neutronenabsorberstab im Reaktor von Fig.! und
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 von
Fig. 2.
Der in Fig. 1 dargestellte schnelle Brutreaktor mit Flüssigmetallkühlung umfaßt einen Kernbereich 8. in
dem sich mehrere Brennelemente 10 befinden. Die vom Reaktor erzeugte Leistung wird durch mehrere
Neutronenabsorberstäbe 12 gesteuert, die vermittels einris Antriebs 14 in bezug auf den Kern angehoben und
abgesenkt werden. Der Reaktorkern befindet sich innnerhalb eines Behälters 16, der seinerseits von einer
Priinärabschirmung 18 umgeben ist. Der Reaktor wird durch Umwälzung von flüssigem Natrium gekühlt, das
durch einen Einlaßstutzen 20 in den Behälter 16 eingeleitet wird^ Das flüssige Natiium 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 Auslaßstutzen 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 Reaktorkembereich 8 eingefahren bzw. aus diesem herausgezogen wird.
Der Antrieb 14 kann die Halterungsstange 28 freigeben, um den Neutronenabsorberstab bei Schnellschluß
des Reaktors schnei! in den Kern einst-izen zu
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 m;t 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 i-nd endseitig abwechselnd miteinandner verbunden sind.
Die Rohre 36 sind in das Kühlmittel eingetaucht und ihre Verbindungen weisen mehrere Öffnungen 38 auf,
durch weiche hindurch das Kühlmittel zwischen die Rohre einströmen und in direkter Abhängigkeit von
seiner Temperatur eine Längenänderung der Rohre hervorrufen kann. Die in Fi g. 2 mit dem Bezugszeichen
36 versehenen Rohre sind aus einem Werkstoff mit einem hohen Wärmeausdehungskoeffizienten αι. und
die übrigen Rohre 36' sind aus einem Werkstoff mit einem niedrigen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
%2 hergestellt.
Wie aus F i g. 2 ersichtlich, besteht das innerste Rohr 36 aus dem Werkstoff mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
«ι. 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 nä<
hstgrößeren Rohr 36' verbunden, das aus dem Werkstoff mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
\2 hergestellt ist. Dieses zweite Rohr ist an seinem oberen Ende in Nähe der Verbindung
zwischen dem inneisten Rohr und dem oberen Teil der Halterungssiange 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 Wärmeausdehnungs
koeffizienten <%, bestehen vorzugsweise aus einem
Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten <xi
von 10— 12x1 Ch6, während die Rohre 36' einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten «2 von etwa 0,9 χ 10~6 haben, Wobei die Längenzunahme pro
Längeneinheit und pro Grad Celsius angegeben ist.
Die Verstärkungswirkung der sich infolge Wärmeausdehnilng
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 αϊ
und für N-1 Zylinder 36' aus einem Werkstoff mit dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten «2 die Gesamtdehnung AL des Teils ausdrückbar ist durch folgende s
Gleichung
Δ L=[N {οίχ - Bi2)+CC2]L Δ Τ,
in welcher χι > x2 und Δ Tdie Temperaturänderung ist
Die in Fig.2 dargestellte Überbrückung 34, welche
auch als »Wärmeausdehungsverstärker« bezeichnet werden kann, läßt sich in mancher Hinsicht mit
Schwingungsperiodenkonstanthaltesystemen für Pendeluhren vergleichen. Sc 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 Pendelkompensat'onsvorrichtungen
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 austi etenden Kühlmittels ausgesetzt, da sie sich
innerhalb des Reaktors in einer Höhe unterhalb des Auslaßstutzens 22 für das Natrium-Kühlmittel befindet.
In Abhängigkeit von dem Betrag an zum Ausgleich eines Temperaturanstiegs erforderlich negativer Reaktivität
sind ein oder mehrere Halterungsstangen 28 mit einer derartigen Überbrückung versehen. Die Neutronenabsorberstäbe
bei welchen eine Überbrückung 34 mit Wärmeausdehungsverstärkung in der Hal'erungsstange
28 angeordnet ist, werden in gleicher Weise verlagert wie die übrigen Neutronenabsorberstäbe.
Tritt beim Betrieb ein Kühlmittelverlust auf, beispielsweise durch Bruch einer Rohrleitung des Kühlmittelumwälzsystems,
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 des Absorbers in den Kern ist direkt proportior.al
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 im i alle eines Ausfalls
der Schneliabschaltvorrichtungen der Reaktor durch
Einsetzen der Absorberstäbe in den Reaktorkern aufgrund der Wärmeausdehung der Überbrückung 34
abgeschaltet wird.
DaLci 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 auf einen niedrigen Leistungspegel von weniger als 15%
der vollen Reaktorleistung zu verringern. Bei diesem niedrigen Leistungspegel läßt sich die Wärmelast durch
natürliche Konvektion des Kühlmittels und vermittels eines kleinen Notfall-Wärmeabieiters abführen.
Line Ausbildung des Schalterstrangs nach der Erfindung eignet sich besonders für einen schnellen
Brutreaktor mit Flüssigmetallkühlung, weil ein derartiger Reaktor normalerweise entweder einen sehr kleinen
negativen oder leicht positiven Reaktivitätstemperaturkoeffizienten aufweist. Durch die Überbrückung 34 in
Kombination mit -dem Absorberstab 12 läßt sich en negativer 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.
Hierai 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- 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.
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