DE2831028A1

DE2831028A1 - Vorrichtung zur ausloesung der notabschaltung in einem kernreaktor

Info

Publication number: DE2831028A1
Application number: DE19782831028
Authority: DE
Inventors: Richard Croissant Noyes; Douglas Wilburn Stuteville; Shakir Uz Zaman
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1977-08-30
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1979-03-15
Also published as: GB1559770A; US4167443A; IT7827100A0; BE870028A; IT1098415B; JPS5447092A; NL7808888A; CA1103816A; DE2831028B2; FR2402281A1; DE2831028C3

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. 06095/USA

betreffend:

"Vorrichtung zur Auslösung der Notabschaltung in einem Kernreaktor"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auslösung der Notabschaltung in einem Kernreaktor. Bei der Notabschaltung wird neutronenabsorbierendes Matalal in den Kern eines Kernreaktors eingeworfen, und die Vorrichtung soll ansprechen auf die Geschwindigkeit des Druckabfalls, der eintritt, wenn die Kühlmittelumwälzung versagt.

Bei allen Bauarten von Leistungskernreaktoren strömt ein Reaktorkühlmittel durch das leistungserzeugende Core oder den Kern des Reaktors, umdie dort erzeugte Wärme abzuführen. Wenn die Kühlmittelströmungsrate oder der Kühlmitteldurchsatz zu niedrig wird, relativ zu dem Leistungspegel im Kern, tritt ein Gefahrenfall ein, weil der Kern so heiß werden kann, daß der Brennstoff selbst beschädigt werden kann.

Das Anlagensicherheitssystem ist mit einer Instrumentierung versehen, um einen zu niedrigen Kühlmitteldurchsatz festzustellen, und um aus Sicherheitsgründen neutronenabsorbierende Stäbe in den Reaktorkern einzuwerfen, um so die Leistungserzeugung im Kern zu beenden. Insbesondere bei Reaktoren, die ausgelegt sind_; mit einem

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schnellen Neutronenenergiespektrum zu arbeiten (schnelle Reaktoren), und bei denen eine hohe Leistungsdichte vorliegt, ist es wesentlich, daß das Sicherheitsabsorptionsmaterial außerordentlich schnell eingeführt oei einem Schnellabfall des Kühlmitteldurchsatzes. Es ist bei einem solchen Reaktortyp wünschenswert, eine Methode für das Einwerfen des Absorbermaterials in den Reaktorkern zu schaffen, die nicht auf der Instrumentierung beruht, sondern sich selbst automatisch im Ansprechen auf einen schnellen Abfall der Kühlmittelströmungsrate betätigt. Es ist jedoch wichtig, daß ein solches System keine Notabschaltung bei normalen, von dem Leistungspegel abhängigen Schwankungen des Kühlmitteldurchsatzes bewirkt.

Die normale Durchflußrate bei einem flussigmetallgekühlten Reaktor ist etwa proportional dem Leistungspegel und der normale Kühlmitteldruck darf sich an jeder Stelle des Reaktors mit dem Durchsatz ändern. Ein schneller Ausfall der Kühlmittelumwälzung führt zu einem sofortigen Abfall des Kühlmitteldruckes im gesamten Reaktor. Die Geschwindigkeit der Druckänderung mit einem Ausfall der Strömung ist typischerweise bekannt aus Berechnungen oder Messungen, doch wurde dieses Wissen bisher nicht verwendet, um eine selbstbetätigte Notabschaltung bei einem flüssiggekühlten Reaktor zu schaffen.

Dagegen sind solche Vorrichtungen bei gasgekühlten Reaktoren bekannt, bei denen der Kühlmitteldruck selbst anstatt der Durchsatz der wichtigste Sicherheritsparameter ist. Eine bekannte Vorrichtung, die auf die Änderung des Druckes in einem gasgekühlten Reaktor anspricht, ist in GB-PS 872 092 offenbart. Diese Vorrichtung umfaßt eine Kombination aus einer Meßkammer und einem Betätigungsfaltenbalg, gefüllt mit Gas, das über eine kleine Öffnung der Kammer in Durchflußverbindung mit dem Kühlgas stellt, das außerhalb der Kammer strömt. Eine schnelle Druckabfalländerung führt dazu, daß der Betätigungsfaltenbalg expandiert infolge der Unfähigkeit des Druckes innerhalb der Kammer sich schnell über die Öffnung auszugleichen. Die Faltenbalgexpansion betätigt einen Auslösemechanismus, um Absorbermaterial in den Reaktorkern ein-

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zuwerfen. Wenn eine solche Vorrichtung in einem flüssiggekühlten Reaktor eingesetzt würde, so ergäbe das Vorhandensein von Flüssigkeit sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kammer allenfalls eine sehr kleine Faltenbalgbetätigungsbewegung, und daß selbst bei einem sehr hohen Druckabfall. Bei Flüssigkühlung nämlich würde die Inkompressibilität des Kühlmittels die Wirksamkeit der Vorrichtung verhindern. Dies trifft ganz besonders zu bei flüssigmetallgekühlten Reaktoren, wo die maximale Druckänderung selbst bei totalem Durchsatzausfall nur etwa 0,15 bar/sec beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der oben genannten GB-PS 827 092, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der in einem flüssiggekühlten Kernreaktor die Notabschaltung automatisch auslösbar ist.

Anspruch 1 definiert die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung und die Unteransprüche definieren bevorzugte Einzelheiten.

Zusammengefaßt weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung einen Betätigungsfaltenbalg in Durchflußverbindung mit einer Meßkammer auf, die beide in einer Kuhlmittelstromungsstrecke innerhalb des Reaktors angeordnet sind. Die Meßkammer ihrerseits ist in Duchflußverbindung mit Kühlmittel in dem Strömungspfad über eine den Durchfluß begrenzende öffnung. Erfindüngsgemäß ist eine neuartige Speicherung potentieller Energie innerhalb der Meßkammer vorgesehen zum Einwirken auf die Innenseite des Betatigungsfaltenbalges bei Auftreten einer übermäßig schnellen Druckänderung außerhalb der Kammer. Hierfür ist ein expandierbarer Raum innerhalb der Kammer vorgesehen, der mit einer auf eine Membran wirkenden vorgegebenen Gasmasse gefüllt ist. Der Druck des eingeschlossenen Gases hat die Tendenz, die Innenseite des Betatigungsfaltenbalges auf einem höheren Druck zu halten, während einer längern Zeit nach einem schnellen Druckabfall außerhalb der Kammer, als dies bei der bekannten Vorrichtung der Fall ist. Der Gasraum verhindert, daß der Kammerdruck

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schnell das Gleichgewicht erreicht, nachdem nur eine kleine Flüssigkeitsmenge aus der Kammer durch die den Durchfluß begrenzende Öffnung abgeflossen ist, wie dies bei Verwendung der bekannten Vorrichtung der Fall wäre.

Die in dem Gasraum gespeicherte potentielle Energie kann direkt auf den Betätigungsfaltenbalg einwirken durch Anschließen des Betätigungsfaltenbalges an den Gasraum oder in alternativer Ausführungsform kann der Betätigungsfaltenbalg an den Flüssigraum innerhalb der Kammer angeschlossen sein, und der Druck des Gasraumes wirkt indirekt auf den Betätigungsfaltenbalg. In beiden Ausführungsformen führt die Aufrechterhaltung eines höheren Druckes innerhalb des Betätigungsfaltenbalges relativ zu dem schnellabfallenden Druck außerhalb des Betätigungsfaltenbalges dazu, daß der Betätigungsfaltenbalg expandiert und eine Schubstange soweit bewegt, daß der Auslösemechanismus für den Absorbereinwurf betätigt wird. Die Expansion des Betätigungsfaltenbalges unter normalen Betriebsbedingungen jedoch wird verhindert, indem man den Begtätigungsfaltenbalg mit einer Federkonstante relativ zu der der Membran versieht, wodurch eine gewünschte Betätigungsschwelle bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit des Druckabfalls geschaffen wird.

Ausführungsformen für die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht, teilweise geschnitten,

einen Abschnitt der Sicherheitsbaugruppe in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 zeigt maßstäblich gegenüber Fig. 1 vergrößert eine alternative Ausführungsform.

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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile kommen am deutlichsten zum Tragen bei Verwendung in einem flüssigmetallgekühlten Kernreaktor. Demgemäß werden nachstehend zwei Ausführungsformen für diesen Fall beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine typische Sicherheitsbaugruppe 10 für einen flüssigmetallgekühlten Kernreaktor (nicht dargestellt), bestehend aus einem Leitungsrohr 12, in dem eine Mehrzahl von Absorberstangen 14 angeordnet ist, die neutronenabsorbierendes "Gift" enthalten, wie B.C. Die Absorberstangen 14 sind in starrem Abstand voneinander gehalten und an ihren oberen Enden an einer Verbindungsplatte 16 festgelegt, an der andererseits eine Zentralsäule 20 befestigt ist. Die Absorberstangen 14, die Verbindungsplatte 16 und die Zentralsäule 20 bilden gemeinsam das Absorberbündel 22, das gleitbeweglich innerhalb des Leitungsrohres 12 angeordnet ist und sich im oberen Abschnitt des Reaktors befindet derart, daß die Absorberstangen 14 normalerweise aus den leistungserzeugenden Bereich oder Kern des Reaktors herausgezogen sind. Das Absorberbündel 22 wird oberhalb des Kerns gehalten durch einen Absorberbündelauslösemechanismus 24, der wahlweise den Kopf 18 hält oder losläßt, der sich am oberen Ende der Zentralsäule 20 befindet.

Der Zweck dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung besteht darin, den Auslösemechanismus 24 bei Auftreten eines übermäßigen Abfalls der Reaktorkühlmitteldurchflußrate durch den Kern rapid auszulösen. In der dargestellten Ausführungsform wird der Auslösemechanismus betätigt durch eine Aufwärtsverschiebung des Schaftes 26 durch die Betätigungsschubstange 28. Die erfindungsgemäß ausgebildete Baugruppe befindet sich innerhalb der Zentralsäule 20 und - wie nachstehend beschrieben bewirkt sie die erforderliche Aufwärtsbewegung der Betätigungsschubstange 28 im Ansprechen.. auf die Geschwindigkeit der Druckänderung, die einen exzessiven Kühlmitteldurchsatzabfall begleitet. Zwar ist in FIG: 1 ein mechanischer Auslösemechanismus 24 dargestellt, doch läßt sich die Erfindung auch mit irgendeinem anderen Auslösemechanismus kombiniert!, der durch eine

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Linearbewegung irgendeines Bauteils betätigbar ist.

Die Zentralsäule 20 weist Trennwände 29, 30 auf, welche eine Meßkammer 32 begrenzen, die ihrerseits unterteilt ist in einen Gasraum 34 und einen Kühlmittelraum 36 durch eine expandierbare impermeable Membran, etwa den Faltenbalg 38. Der Gasraum 34 enthält eine festgelegte Gasmasse, vorzugsweise ein inertes Gas, wie Argon. Die Kammerwandung weist im Bereich des Kühlmittelraumes 36 eine durchflußbegrenzende Öffnung 40 auf, die nach außerhalb bezüglich der Zentralsäule 20 führt. Die Trennwand 29, welche eine der Kammerwandungen im Bereich des Gasraumes 34 bildet, weist eine Öffnung 42 auf, die in einen Betätigungsfaltenbalg 44 mündet, an dem die Schubstange 28 befestigt ist.

Während des normalen Reaktorbetriebes strömt metallisches flüssiges Kühlmittel, wie Natrium, nach oben durch das Leitungsrohr 12 mit einer Durchflußrate proportional dem Durchsatz durch den Reaktorkern. Die Kühlmitteldurchsatzrate ändert sich normalerweise mit dem Leistungspegel und demgemäß ändert sich auch der Druck des Kühlmittels an irgendeinem Punkt im Reaktor warnend des Normalbetriebes. Während das Kühlmittel durch das Leitungsrohr 12 außerhalb der Zentralsäule 20 strömt, bleibt der Druck innerhalb des Kühlmittelraumes 36 im Gleichgewicht mit dem Kühlmitteldruck außerhalb der Kammer 32 infolge Zu- und Abströmung durch die öffnung 40. Der Gasdruck im Gasraum 34 wird ebenfalls im Gleichgewicht mit dem Kühlmittelraumdruck gehalten infolge Wirkung des kompensierenden Faltenbalges 38. Obwohl der Gasraum 34 in Durchflußverbindung mit dem Betätigungsfaltenbalg 44 steht, spannt die Feder 48 den Betätigungsfaltenbalg derart vor, daß die Bewegung des Kompensationsfaltenbalges 38 anstatt die des Betätigungsfaltenbalges 44 das Druckgleichgewicht zwischen Kammer 32 und dem Kühlmittel außerhalb der Kammer aufrecht erhält. Diese Vorspannung kann auch durch eine entsprechende Steife des Betätigungsfaltenbalges selbst erreicht werden.

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Im Falle eines auf eine Störung zurückzuführenden Verlustes der Kühlmittelpumplexstung wird der Druck außerhalb der Kammer 32 mit viel größerer Geschwindigkeit abfallen als während der normalen Leistungspegelanderungen. Etwas Kühlmittel aus dem Kühlmittelraum 36 fließt durch die öffnung 40 ab, jedoch nicht schnell genug, um den Druck innerhalb des Gasraumes 34 in entsprechendem Maße zu verringern, Der Kompensationsfaltenbalg 38 expandiert mit dem Druckabfall in der Kühlmittelkammer 36, doch auch der Betätigungsfaltenbalg 44 expandiert und verschiebt dabei die Schubstange 28 soweit, daß der Auslösemechanismus 24.betätigt wird.

Die Expansion des Betätigungsfaltenbalges 44 beruht vor allem auf der potentiellen Energie, die in dem Gasraum 34 gespeichert ist und direkt auf die Innenseite des Betätigungsfaltenbalges 44 einwirkt, so daß sich eine pneumatische dämpferartige Wirkung ergibt. Wegen der Druckverbindung über die Löcher 50 ist der Druck auf die Außenseite des Betätigungsfaltenbalges 44 derjenige, den das Reaktorkühlmittel außerhalb der Zentralsäuie 20 aufweist. Wegen der erheblich verringerten Durchflußrate in dem Leitungsrohr 12 liegt eine größere Druckdifferenz zwischen dem Gasraum 34 und dem kombinierten Druck des Reaktorkühlmittels und der Federwirkung 48 vor, als zwischen dem' Gasraum 34 und dem Kühlmittelraum 36. Bei einer vorgegebenen Rate des Druckabfalls wird deshalb die Betätigungsdruckschwelle zwischen dem Betätigungsfaltenbalg 44 und dem Kühlmittel außerhalb der Kammer überschritten.

In Fig. 2 sind die funktionsgleichen Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 markiert, jedoch mit einem Indexstrich versehen. Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die potentielle Energie in dem Gasraum 34" indirekt auf den Betätigungsfaltenbalg 44' wirkt. In dieser Ausführungsform befindet sich die Meßkammer 32' oberhalb der Absorberstangen 14' und wird begrenzt durch die

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Trennwand 29' und die Verbindungsplatte 16". Die durchflußbegrenzende Öffnung 40' in der Verbindungsplatte 16 erlaubt es dem Kühlmittel, die Kühlmittelkammer 36' zu füllen, deren Begrenzung identisch ist mit der Innenbegrenzung der Kammer 32'· Ein Postament 52, das an der Verbindungsplatte 16' befestigt ist, trägt den Gasraum 34', der die Form eines umfangreichen Faltenbalges besitzt. Der Betätigungsfaltenbalg 44' ist an den oberen Abschnitt des Kühlmittelraumes 36' angeschlossen und steht in Durchflußverbindung mit diesem. Die Außenseite des Betätigungsfaltenbalges 44' steht in Kontakt mit dem Reaktorkühlmittel, das durch das Leitungsrohr 12' strömt.

Die normalen Veränderungen des Reaktorkühlmitteldruckes werden aufgefangen durch Zu- und Abfluß durch die Öffnung 40 und die kompensierende Expansion bzw. Kontraktion des Volumens des Gasraumes 34'. Der Betätigungsfaltenbalg 44' bewegt sich erst dann, wenn die Druckdifferenz zwischen der Innenseite und Außenseite des Betätigungsfaltenbalges 44' eine Schwelle überschreitet, bestimmt durch die Federkonstante des BEtätigungsfaltenbalges 44' relativ zu der des Kompensationsfaltenbalges, der den Gasraum 34' umschließt. Bei einem sehr schnellen Druckabfall kann das Kühlmittel durch die öffnung 40' nicht schnell genug abströmen, um Druckgleichgewicht in dem Kühlmittelraum 36' zu schaffen. Obwohl der Druck in dem Kühlmittelraum 36' tendenziell zusammen mit dem Reaktorkühlmitteldruck außerhalb der Kammer 32' abfällt, übt die potentielle Energie im Gasraum 34' hinreichenden Druck auf das Kühlmittel in dem Kühlmittelraum 36' im Bereich des Betätigungsfaltenbalges 44' aus, um eine hinreichende Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Betätigungsfaltenbalges 44' aufrechtzuerhalten, welche Druckdifferenz die Verschiebung der Schubstange 28' bewirkt. Auf diese Weise wird der Schaft 26' weit genug betätigt, um den (nicht dargestellten) Auslösemechanismus zu betätigen.

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Die dargestellten Ausführungsformen dienen primär dazu, den Reaktor vor den Folgen des Ausfalls der Kühlmittelumwälzung zu schützen. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung spricht aber natürlich auf eine vorgegebene Druckabfallgeschwindigkeit an, unabhängig von deren Ursache.

Die Beziehungen von Größe und Form der Räume, Größe und Steife der Faltenbälge, Größe der Öffnung und Masse des Gases sind alle Konstruktionsgrößen, die man wählen wird in Abhängigkeit von der Größe des Leitungsrohres, den Betriebs- und Ubergangsdruckkennwerten des Reaktorsystems und dem Typ des zu betätigenden Notabschaltauslösemechanismus. Die vorstehenden Erläuterungen sollten aber dem Fachmann ermöglichen, die für das jeweilige Reaktorsystern zutreffenden und gewünschten Daten zu ermitteln.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1] Vorrichtung zum Betätigen einer Notabschaltung eines Kernreaktors bei schnellem Kühlmitteldruckabfall mit einer Meßkammer, die bei einer Differenz zwischen dem Kammerinnen- und -außendruck bewegliche Wandungsteile in Wirkverbindung mit einem Betätigungsmechanismus aufweist, wobei die Kammer außen mit dem Reaktorkühlmitteldruck beaufschlagt ist und der Kammerinnenraum über eine durchflußbegrenzende Öffnung mit dem Raum außerhalb der Kammer in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem flüssigkeitsgekühlten Reaktor innerhalb der Kammer (32, 32') ein gegen das Kühlmittel isolierter, expandierbarer gasgefüllter Speicher (34, 34") vorgesehen ist.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Wandungsteile (44) zugleich den gasgefüllten Speicher (34) begrenzen.
3) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine druckdifferenzbedingte Speicherexpansion über die in der Kammer (34') enthaltene Flüssigkeit auf die beweglichen Wandungsteile (44') übertragbar ist.
4) Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Wandungsteile von einem Faltenbalg (44, 44') gebildet sind.

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5) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der expandierbare gasgefüllte Speicher
(34, 34') von mindestens einem Faltenbalg (38, 44, 44') begrenzt ist.
6) Vorrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gasgefüllte Speicher (34) einerseits von dem die beweglichen Wandungsteile bildenden ersten Faltenbalg (44) und andererseits von einem zweiten, gegen das Kühlmittel isolierenden und nachgiebiger als der erste Faltenbalg ausgebildeten
zweiten Faltenbalg (38) begrenzt ist.
7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Faltenbalg eine Vorspannfederanordnung (48) zugeordnet ist.
8) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gasgefüllte Speicher (34') auf seiner gesamten Außenseite dem Druck des in der Kammer (32¹) enthaltenen Kühlmittels ausgesetzt ist.

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