DE2856057A1

DE2856057A1 - Stossdaempfer fuer kernreaktorregelstaebe

Info

Publication number: DE2856057A1
Application number: DE19782856057
Authority: DE
Inventors: Howard John Luetzow
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 1977-12-28
Filing date: 1978-12-23
Publication date: 1979-07-05
Also published as: FR2413756B1; FR2413756A1; US4229256A; CA1106084A; JPS5491699A; SE7813309L

Description

DR. -ING. OtPL.-IN<5. M. SC. J. PU.-PI IYS. OJ. JIPL-PHYS

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE [N STUTTGART

A 43 158 b Anmelder: UOP INC.

k - I63 TEN UOP PLAZA

21.Dezember 1978 ALGONQUIN & MT.PROSPECT ROADS

DES PLAINES, ILL. U.S.A.

Beschreibung: Stossdämpfer für Kernreaktorregelstäbe

Die Erfindung betrifft einen Stossdämpfer für einen Regelstab in einem flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor, mit einem den Regelstab umgebenden, in der Nähe seines geschlossenen unteren Endes mit mindestens einer Querschnittsverjüngung versehenen Rohr.

Es ist bekannt, zur Einstellung bzw. Regelung der Betriebsbedingungen von Kernreaktoren Regelstäbe vorzusehen, wie dies beispielsweise in den US-PSen 3 562 109, 3 773 617, 3 98O 519, 3 992 255 und 4 028 18O beschrieben ist. Die Kernreaktoren weisen zu diesem Zweck in ihrem Kern typischerweise ein Gitter von an ihrem unteren Ende geschlossenen Rohren auf, welche Reaktor-Kühlflüssigkeit enthalten und zivischen den Brennstäben angeordnet sind. In den genannten Rohren sind die Regelstäbe mit einem der Absorption von Neutronen dienenden Material teleskopartig angeordnet. Die Regelstäbe sind dabei mittels eines Zwangsantriebes oder unter dem Einfluss der Schwerkraft von einer oberen Stellung, in der sich ihr absorptionsfähiger Teil ausserhalb des Gebiets eines intensiven Neutronenflusses im Reaktor befindet, und einer unteren Stellung, in der sich ihr absorptionsfähiger Teil in der Zone intensiven Neutronenflusses des Reaktors befindet, beweglich.

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Im allgemeinen können die Regelstäbe abgesenkt werden, um den Reaktionsablauf im Kernreaktor in entsprechendem Maße zu verlangsamen. Aus Sicherheitsgründen sind die Regelstäbe aber auch so gehaltert, dass sie alle gleichzeitig freigegeben werden können und dann unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten fallen, um eine sofortige "Abschaltung" des Reaktors herbeizuführen. Um in einem solchen Notfall den Stoss beim Auftreffen der Regelstäbe auf das geschlossene untere Ende des sie umschliessenden Rohres zu dämpfen, sind die Rohre üblicherweise mit eingebauten Stossdämpfereinrichtungen versehen. Dabei besteht die vielleicht einfachste Form eines Stossdämpfers darin, dass man an dem Rohr eine Verjüngung in Form eines Halses vorsieht, so dass der Regelstab bis zum Erreichen des Halses schnell nach unten fallen kann, während seine weitere Abwärtsbewegung dadurch gebremst wird, dass die vom unteren Teil des fallenden Regelstabes verdrängte Flüssigkeit im geschlossenen unteren Endbereich des Rohres nunmehr durch den engen Spalt zwischen der Aussenwand des Regelstabes und der Innenwand des Halses gedrückt werden muss. Andererseits werden bei einer einzigen derartigen Verjüngung in dem Regelstabrohr ziemlich hoheRealtt'ions- Entwickelt, die unerwünscht sind. In der bereits erwähnten US-PS 3 562 109 wird nun vorgeschlagen, zur Verringerung der Bremskräfte an dem Regelstabrohr mehrere Hälse vorzusehen, derart, dass die Fallgeschwindigkeit des Regelstabes nicht mehr sehr abrupt sondern im Verlauf mehrerer Schritte verringert wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Reaktionskräfte relativ gleichmässig aufzufangen, während der Regelstab einen längeren Fallweg durchläuft. Während das Vorhandensein mehrerer Verjüngungen

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ein problemloses Auffangen der Kräfte ermöglicht, ist diese vorbekannte Konstruktion andererseits verhältnismässig teuer und insofern nachteilig, als im Bereich der länglichen Hälse die Möglichkeit besteht, dass hier Fremdkörper eingeklemmt werden, die ein Absinken des Regelstabes behindern.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Stossdämpfer für Regelstäbe bzw. ein verbessertes Regelstabrohr vorzuschlagen, mit dessen Hilfe die Fallgeschwindigkeit der Regelstäbe in der gewünschten Weise steuerbar ist, während gleichzeitig die Reaktionskräfte, die vom Regelstabrohr aufgefangen werden müssen, auf ein Minimum reduziert werden, wobei überdies die Möglichkeit, dass Fremdkörper ζμ einem Verklemmen der Regelstäbe führen, auf ein Minimum reduziert ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Stossdämpfer der eingangs beschriebenen Art gelöst, welcher gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Querschnittsverjüngung durch mindestens einen in axialer Richtung umlaufenden, wendelförmig gewellten Innenwandbereich des Rohres gebildet ist.

Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass das Fallen des Regelstabes mit jedem Gang der Wellung, welcher vom unteren Ende des Regelstabes erreicht wird, stärker gedämpft wird, da sich einerseits die Länge des axialen Spalts zwischen dem Regelstab und dem Rohr vergrössert und andererseits der wendeiförmige durch die Wellung gebildete Kanal für die Flüssigkeit immer länger wird.

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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ferner der Innendurchmesser des gewellten Innenwandbereiches an dessen unterem Ende kleiner als an dessen oberen Ende, so dass der Ringspalt zwischen dem Regelstab und dem Rohr zunehmend kleiner wird und folglich die an dem fallenden Regelstab angreifende Bremskraft zunehmend grosser.

Vorzugsweise ist erfindungsgemäss'das Regelstabrohr ferner im Bereich der QuerschnittsVerjüngungen als Wellrohr ausgebildet, derart, dass dem wendelförmig gewellten Innenwandbereich ein entsprechend wendelförmig gewellter Aussenwandbereich entspricht, welcher in der für die Herstellung von Wellrohren üblichen Technik durch an der Aussenwand eines zunächst glatten Rohres angreifende Rollenanordnungen hergestellt werden kann. Dabei wird ein zunehmend kleinerer Innendurchmesser des gewellten Bereichs durch ein zunehmend tieferes Einprägen von Ringen bzw. Wellen von der Aussenseite des Rohres bewirkt, wobei die Änderung der Einprägtiefe schrittweise oder kontinuierlich erfolgen kann.

Erfindungsgemäss kann die letztlich an dem Regelstab wirksame Bremskraft durch die Zahl der wendelförmig gewellten Innenwandbereiche, durch die Steigung und Tiefe der wendeiförmigen Wellung und gegebenenfalls durch zwischen wendelförmig gewellten Innenwandbereiche liegende glatte Rohrbereiche entsprechenden Durchmessers in der gewünschten Weise beeinflusst werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder

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sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer vorbekannten Regelstabrohr-Anordnung, bei der das Regelstabrohr als Stossdämpfer und Bremsvorrichtung für einen fallenden Regelstab wirksam ist und

Fig. 2

bis 6 Seitenansichten, teilweise im Schnitt, verschiedener bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemässer Regelstabrohre.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine vorbekannte Regelstabrohr-Anordnung 10 mit einem Regelstabrohr, welches nachstehend der Einfachheit halber als Rohr 12 bezeichnet wird und welches von einer gitterartigen Anordnung in der Brennstabzelle eines Kernreaktors durch mehrere Stützfinger 14 gehaltert wird. Das Rohr 12 besitzt einen oberen Teil 12', welcher einen wesentlich grösseren Innendurchmesser aufweist als ein Regelstab 18, der teleskopartig in das Innere des Rohres 12 eingesetzt ist. Ein unterer Teil 12" des Rohres 12 besitzt einen stark verringerten Innendurchmesser, der nur wenig grosser ist als der Aussendurchmesser des Regelstabes 18, so dass sich zwischen diesem und der Innenwand des Rohrteils 12" ein enger Ringspalt 19 ergibt. Typischerweise beträgt der Aussendurchmesser des Regelstabes 18 etwa 9,68 mm, während der Innendurchmesser des Teils 12' des Rohres 12 typischerweise etwa 10,08 mm beträgt. Da Wasser oder ein anderes Kühlmittel 13 sowohl innerhalb als auch ausserhalb des Rohres 12 vorhanden ist und da das untere Ende des Rohres 12 durch einen Verschluss 20 verschlossen ist,

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muss das Kühlmittel offensichtlich durch den Ringspalt 19 nach oben ausweichen, wenn es durch die Abwärtsbewegung des Regelstabes 18 aus dem unteren Teil 12" des Rohres 12 verdrängt wird, Dabei ermöglichen ein oder mehrere Öffnungen 22 im oberen Teil 12' des Rohres 12 ein Ausweichen des Kühlmittels in die Reaktorkammer, so dass das Kühlmittel nicht vollständig in den oberen Teil 12' des Rohres gedrückt werden muss.

Wie eingangs erläutert, ist ein Regelstabrohr mit einer einzigen Verjüngung in Form eines Halses l6, wie es Fig. 1 zeigt, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Halses 16 und im unteren Teil 12" des Rohres beträchtliche radiale Kräfte auftreten, wenn der Regelstab 18 in einem Notfall herabfällt. Ausserdem besteht wegen der geringen Spaltbreite des Ringspalts 19 eine gewisse Gefahr, dass sich dort ein Fremdkörper zwischen dem Rohr und dem Regelstab verklemmt und die Fallbewegung des Regelstabes zumindest in unerwünschter Weise .verlangsamt.

Bei der erfindungsgemässen Konstruktion gemäss Fig. 2 bis 6 wird dagegen nicht nur eine Verteilung der auftretenden Kräfte auf ein grösseres Zeitintervall beim gesteuerten Abbremsen des Regelstabes erreicht, sondern darüber hinaus die Möglichkeit für ein Verklemmen vermieden, da Fremdkörper ohne weiteres in die vertieften Teile der einzelnen Wellen ausweichen können, wobei als weiterer Vorteil noch hinzukommt, dass die erfindungsgemässe Konstruktion in der Herstellung billiger ist.

Im einzelnen zeigt Fig. 2 ein Rohr 212, bei dem zwischen den

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einzelnen Wellengängen 215 eine konstante Steigung Pp vorhanden ist. Die Wellengänge haben jedoch in einem ersten Bereich ab zwischen Punkten A und B einen ersten Innendurchmesser dp,in einem zweiten Bereich bc zwischen dem Punkt B und einem Punkt C einen zweiten Innendurchmesser d'p und in einem dritten Bereich cd zwischen dem Punkt C und einem Punkt D einen dritten Innendurchmesser d"p, wobei die Innendurchmesser bei einem Aussendurchmesser des Regelstabes von 9,68 mm (wie gemäss Fig. 1) beispielsweise folgende Werte haben: dp = 10,78 mm; d'_? = 10,67 mm und d"_? = 10,00 mm. Wenn in dem Rohr 212 gemäss Pig. 2 ein Regelstab l8 nach unten fällt, dann wird er langsam abgebremst, wenn sein unteres Ende nacheinander die einzelnen Wellengänge 215 zwischen den Punkten A und B erreicht. Die dabei verdrängte Flüssigkeit kann dabei sowohl durch den schmalen Ringspalt zwischen dem Regelstab und den am weitesten innenliegenden Teilen der Wellengänge 215 entweichen, als auch durch den wendeiförmigen Kanal, der durch die Wellengänge 215 gebildet wird. Der Regelstab v/ird dann noch stärker abgebremst, wenn er in den zweiten Bereich bc eintritt, wo der gewellte Innenwandbereich einen noch kleineren Innendurchmesser aufweist. In dem dritten Bereich cd wird die Bremswirkung dann noch einmal verstärkt. Allgemein kann man sagen, dass der wendelförmig gewellte Innenwandbereich sich nur über einen kleinen '· Teil der Gesamtlänge des Rohres 212 erstreckt. Wenn beispielsweise das Rohr 212 eine Länge von etwa 3₅89 m aufweist, dann können die drei Bereiche ab, bc, cd des gewellten Innenwandbereichs jeweils eine Länge von etwa 0,18 m aufweisen.

Das abgewandelte Rohr 312 gemäss Fig. 3 besitzt eine Wellung,

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der Wellengänge 315 eine konstante Steigung P, und eine konstante Tiefe bzw. einen konstanten Innendurchmesser d-, aufweisen. Um nun die gleiche Gesamt-Bremswirkung bzw. die gleiche Stossdämpfung zu erreichen wie bei dem Rohr gemäss Fig. 2, sollte der Innendurchmesser d, irgendwo zwischen d'p und d"p des Rohres gemäss Fig. 2 liegen. Bei dieser Ausgestaltung wird die von dem Rohr in der Nähe des ersten V/ellenganges 315 zunächst zu absorbierende Energie allerdings beträchtlich grosser als bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2.

Fig. 4 zeigt ein weiteres abgewandeltes Rohr 412 gemäss der Erfindung, welches insofern mit dem Rohr 312 gemäss Fig. 3 ähnlich ist, als wieder eine konstante Steigung Pj. und eine konstante Tiefe bzw. ein konstanter Innendurchmesser d-. vorgesehen sind. Zwischen gewellten Bereichen mit den Wellengängen 415 liegen jedoch alternierend glatte Rohrbereiche 417 grösseren Durchmessers, die allein keine Abbremsung des Regelstabes bewirken würden.

Das in Fig. 5 gezeigte Rohr 512 gemäss der Erfindung besitzt einen gewellten Bereich mit Wellengängen 515 konstanter Tiefe, deren Steigung sich jedoch von - einem Wert P₁- auf einen Wert ρ» vepinjet. Da bei dieser Ausführungsform bei jedem einzelnen Wellengang ein Bremsimpuls erzeugt wird, der die Fallgeschwindigkeit des Regelstabes noch weiter verringert, führt die zunehmend geringere Steigung, wenn sie entsprechend bemessen ist, dazu, dass die einzelnen Bremsimpulse an dem Regelstab in gleichen zeitlichen Abständen angreifen.

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Das in Pig. 6 gezeigte Rohr 6l2 gemäss der Erfindung ist demjenigen gemäss Fig. 2 insofern ähnlich, als die Wellengänge 615 wieder eine konstante Steigung aufweisen. Die Tiefe der Wellengänge bzw. der Innendurchmesser verrigertsich jedoch gleichmässig von einem Wert dg bis zu einem Wert d'g. Auf diese Weise wird im Vergleich zu den anderen Ausführungsbeispielen bei vorgegebener maximaler Belastung auf dem kürzesten Wege eine maximale Energxeabsorption beim Abbremsen eines herabfallenden Regelstabes erreicht.

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Claims

DR.-ING. DIPL.-ING. M. SC. PI=L-PHVS. OR. CIPU-PH YS. HÖGER - STELLRECHT - G-R1ESSBACH - HAECKER PATENTANWALTS IN STUTTGART A 43 158 b Anmelder: UOP INC. k - I63 TEN UOP PLAZA 21.Dezember 1978 ALGONQUIN & MT.PROSPECT ROAD: DES PLAINES, ILL. U.S.A. Patentansprüche :

1. Stossdämpfer für einen Regelstab in einem flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor, mit einem den Regelstab umgebenden, in der Nähe seines geschlossenen unteren Endes mit mindestens einer Querschnittsverjüngung versehenen Rohr, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverjüngung durch einen in axialer Richtung verlaufenden, wendelförmig gewellten Innenwandbereich des Rohres (212 bis 612) gebildet ist.

2. Stossdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des gewellten Innenwandbereichs an dessen unterem Ende kleiner als an dessen oberen Ende ist.

3. Stossdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des gewellten Innenwandbereichs von oben nach unten zunehmend kleiner ist.

4. Stossdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des gewellten Innenwandbereichs in der Mitte desselben grosser als am unteren Ende und kleiner als am oberen Ende desselben ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Stossdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Wellung des Innenwandbereichs von oben nach unten zunehmend kleiner ist.

6. Stossdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in axialer Richtung durch glatte Innenwandbereiche (417) grösseren Durchmessers voneinander getrennte _s wendelförmig gewellte Innenwandbereiche vorgesehen sind»

7. Stossdämpfer nai^Vr> einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet_s dass das Rohr im Bereich des mindestens einen wendelförmig gewellten Innenwandbereichs als Wellrohr ausgebildet ist.

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