DE3033591C2 - Puffereinrichtung zum Bremsen eines in einem Kernreaktor vertikal angeordneten Linear-Bewegungsantriebs - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

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— daß der Pufferkolben (41) einen oberen Flansch (46), Jer auf einem Abschnitt (47) mit vermindertem Durchmesser r'er Pufferwelle (29) gleitet, und einen unteren Flansch (43) aufweist, der auf einem Abschnitt M4) mit vergrößertem Durchmesser der Pufferwelle (29) gleitet, wobei axial zwischen den Flanschen (43,46) ein Ringraum (48) zwischen der Pufferwelle (29) und dem Pufferkolben (41) gebildet ist,

— daß die Pufferwelle (29) zwischen ihren Abschnitten (44, 47) unterschiedlicher Durchmesser eine Schulter (51) bildet, an der der obere Flansch (46) des Pufferkolbens (41) im Scr-Heßzustand dichtend anliegt,

— daß die langgestreckte Bohrung (31) im Bereich der kleinen radialen Bremslöcher (54(l)-54(9)) einen oberen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und im Bereich der radialen Bohrung (59) einen unteren Abschnitt mit größerem Durchmesser aufweist und

— daß in der langgestreckten Bohrung (31) der Pufferwelie (29) zwischen dem oberen und unteren Abschnitt ein Sperrstopfen (56) angeordnet ist.

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2. Puffereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nahe oberhalb der Schulter (51) der Pufferwelle (29) ein radialer Strömungskanal (53) durch die Pufferwelle (29) hindurchführt, der in axialen Ausnehmungen (52) im Abschnitt (47) mit vermindertem Durchmesser der Pufferwelle (29) mündet.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Puffereinrichtung zum Bremsen eines in einem Kernreaktor vertikal angeordneten Linear-Bewegungsantriebs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten Kernreaktoren, beispielsweise beim Kernkraftwerk Dresden Nuclear Power Station bei Chicago, Illinois, weist der Reaktorkern eine Anzahl im Abstand angeordneter Brennelemente auf, die in einer Gruppierung angeordnet sind, die eine Kettenkernspaltung ermöglicht Der Kern ist in einem Druckbehälter in ein Arbeitsfluid, beispielsweise Leichtwasser, eingetaucht, welches sowohl als Kühlmittel wie auch als Neutronenmoderator dient. Zwischen den Brennelementen können Steuerstäbe wahlweise in und aus dem Kern gefahren werden, wobei der Neutronenfluß und dadurch die Kernleistung durch Einfangen von Neutronen durch das neutronenabsorbierende Material in den Steuerstäben gesteuert werden kann.

Während des normalen Kraftbetriebs des Reaktors ist eine größere Anzahl Steuerstäbe, beispielsweise die Hälfte oder mehr, aus dem Reaktorkern gezogen. Die übrigen Steuerstäbe sind in verschiedenem Maße eingefahren, um die Reaktorleistung zu steuern.

Wenn es erforderlich wird, den Reaktor plötzlich abzuschalten, werden die Steuerstabantriebe betätigt, um alle Steuerstäbe schnell mit ihrer ganzen Länge in den Kern einzufahren. Dieser Vorgang wird normalerweise als Schnellabschaltung bezeichnet

Bei der Schnellabschaltung erfolgt eine schnelle Beschleunigung dei Antriebe und Steuerstäbe sowie ein Einfahren mit hoher Geschwindigkeit und infolgedessen ein schnelles Abbremsen der bewegten Massen am Ende des EinfahrbuJbes. Beispielsweise kann die Schnellabschaltgeschwindigkeit bei bekannten Systemen 150 cm/ Sekunde betragen. Solche Steuerstabantriebe weisen gewöhnlich eine Dämpfer- oder Puffervorrichtung (siehe US-PS 30 20 888) auf, wie beispielsweise hydraulische Puffer, um eine übermäßige mechanische Aufprallbeanspruchung der Antriebsvorrichtung zu verhindern.

Eine Puffereinrichtung der eingangs genannten Art ist in der DE-OS 27 05 836 beschrieben. Dort trägt ein hohles Rohr einen hohlen Haup\ oder Antriebskolben, welcher für eine Linear-Bewegung in den Zylinder eingepaßt ist. Im Antriebskolben und Hohlrohr befindet sich ein Anschlagskolbenrohr und an dessen oberem Ende ein Anschlagkolben. Dichtringe sind zwischen dem Antriebskolben und dem Anschlagkolbenrohr sowie zwischen dem Antriebskolben und dem Zylinder angeordnet.

Der bekannte Dämpfer weist eine Reihe von vertikal mit Abstand angeordneten Fluidöffnungen im Anschlagkolbenrohr, gerade unterhalb des Anschlagkolbens, nahe dem Ende des Bewegungsweges des Antriebskolbens auf. Diese öffnungen werden fortschreitend verschlossen, wenn der Antriebskolben sich dem Ende seines Hubes nähert. Dadurch wird der Strömungswiderstand des aus dem Hohlrohr ausströmenden Fluids progressiv erhöht, wodurch eine entsprechende Bremskraft auf den Antriebskolben ausgeübt wird.

Hierbei erzeugen die Verzögerungskräfte eine relativ hohe Druckdifferenz an den Dichtringen. Neuere Vorschriften für schnellere Schnellabschaltzeiten erfordern eine noch größere Beschleunigung und höhere Einfahrgeschwindigkeit beispielsweise in der Größenordnung von 300 cm/Sekunde. Dadurch ergeben sich höhere Verzögerungskräfte und infolgedessen noch größere Druckdifferenzen an den Dichtringen, wodurch die Gefahr eines frühzeitigen Versagens der Dichtringe besteht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Puffereinrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß sie den hohen Drücken beim Schnellabschalten moderner Kernreaktoren sicher standzuhalten vermag.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere dari.i, daß in der Puffereinrichtung vor einer Schnellabschaltung ein Strömungsmittel, wie beispielsweise Wasser, in dem Pufferzylinder abgedichtet eingeschlossen ist.

Hierbei sorgt der Eingriff des oberen Pufferkolbenflansches mit der Pufferwelienschulter für eine selbstdichtende Wirkung. Wenn der Pufferkolben bei einer Schnellabschaltung durch den Antriebskolben in den Pufferzylinder geschoben wird, muß das Strömungsmittel sich entlang gewundenen und in gewünschter Weise bemessenen Strömungskanälen entspannen, wobei der Strömungswiderstand bei fortschreitender Verschiebung des Pufferkoibens in den Pufferzylinder zunimmt. Durch die fornischlüssigen Eingriffe der verschiedenen Teile der Puffereinrichtung gemäß der Erfindung können höhere Drücke mit der erforderlichen Sicherheit beherrscht werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Längsschnitt-Ansicht einer vereinfachten Antriebsvorrichtung und

F i g. 2 eine Längsschnitt-Ansicht einer Antriebs-Puffer- oder Dämpfervorrichtung.

In F i g. 1 ist ein stark vereinfachter Steuerstabantrieb dargestellt, der eine Puffer- oder Bremsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Wie dargestellt, weist der Antrieb !1 einen Haupt-Antriebszylinder 12 auf, der ein unteres Flanschteil 13 besitzt, durch welches er in einem Gehäuserohr 14 getragen wird, das (zum Beispiel mittels Schweißen) in einem Loch oder einer Öffnung im Boden 16 eines Druckbehälters oder dergleichen befestigt ist.

Ein Linear-Bewegungsantrieb oder Haupt-Antriebskolben 17 ist bewegbar im Haupt-Antriebszylinder 12 angeordnet und mit Kolbenringdichtungen 18 versehen. Ein Indexrohr 21 verbindet den Antriebskolben 17 mit einem Kupplungspaßstück 19 für den Steuerstabantrieb. Das Indexrohr 21 weist eine Serie voneinander mit Abstand angeordneter Rastkerben 22 auf, die von (hier nicht dargestellten, jedoch im US-Patent 30 20 887 gezeigten) Rasten in Eingriff genommen werden, um das Indexrohr 21 schrittweise zu positionieren.

In die Bohrung des Indexrohres 21 ist ein Anschlagkolben 23 eingepaßt, der mit Kolbenringdichtungen 24 versehen ist. Der Anschlagkolben 23 wird durch Verbindung mit einem Anschlagkolbenrohr 26, das an seinem unteren Ende in einer Bohrung im unteren Ende des Hauptantriebszylinders 12 angebracht und mittels eines Stopfens 27 verschlossen ist, in einer festen Stellung gehalten. Kolbenringe 35 bilden eine Flüssigkeitsdichtung zwischen dem Anschlagkolbenrohr 26 und dem Antriebskolben 17. Der Anschlagkolben 23 ist mit dem oberen Ende des Anschlagkolbenrohres 26 über eine Puffer- oder Bremsvorrichtung 28 verbunden, die im folgenden unter Bezug auf F i g. 2 beschrieben ist. Die Vorrichtung 28 weist einen Pufferbolzen 29 auf, welcher eine Bohrung 31 und ein Querloch 32 aufweist, die einen Flüssigkeitsdurchgang zwü.-hen dem Inneren des Anschlagkolbenrohres 26 und einem Ringraum 33 zwischen dem Kolbenrohr 26 und dem Indexrohr 21 bilden. Die Arbeitsweise des Antriebs 11 ist kurz wie folgt: Für eine Aufwärtsbewegung wird eine Druckflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, durch eine Aufwärts-Antriebs-Leitung 34 zum Boden des Antriebskolbens 17 geführt Gleichzeitig ist eine Abwärts-Antriebs-Leitung 36 für einen geringeren Druck geöffnet. Wenn das Druckwasser den Antriebskolben 17 nach oben treibt,

ίο wird das Wasser im Ringraum 33 durch das Querloch 32 und die Bohrung 31 im Kolbenrohr 26 nach unten und aus der Leitung 36 getrieben.

Für eine Abwärtsbewegung des Antriebs steht die Aufwärts-Antriebs-Leitung 34 unter geringem Druck, während der Abwärts-Antriebs-Leitung 36 Druckwasser zugeführt wird. Das Druckwasser strömt durch das Kolbenrohr 26, die Bohrung 31 und das Querloch 32 zum Ringraum 33, in dem es zwischen dem Anschlagkolben 23 und der Oberseite des Antriebskolbens 17 unter Druck gesetzt wird, um den Antriebskolben 17 nach unten zu treiben.

Üblicherweise erfolgt die Abwärtsbewegung des Antriebes (zum Herausziehen des Steuerstabes) schrittweise (Rastkerbe für Rastkerbe) und mit geringer Geschwindigkeit Andererseits erfolgt der Antrieb nach oben (zum Einfahren des Steuerstabes) manchmal (wie beispielsweise beim Schnellschluß) durch eine kontinuierliche Bewegung hoher Geschwindigkeit Wenn der Antriebskolben 17 sich dem Anschlagkolben 23 am Ende des Antriebskolbenhubes nähert, ist es bei dieser schnellen Einfahrbewegung erforderlich, die Antriebskolbenbewegung zu bremsen und zumindest den wesentlichen Teil der kinetischen Energie der bewegten Teile abzuführen, um eine übermäßige mechanische Stoßbeanspruchung des Antriebssystems zu vermeiden. Zu diesem Zweck dient die Puffervorrichtung 28, deren Aufbau und Arbeitsweise nun unter Bezugnahme auf F i g. 2 beschrieben wird.
Der zuvor erwähnte Pufferbolzen 29 ist εη seinem unteren Ende mit dem oberen Ende des Anschlagkolbenrohres 26, beispielsweise mittels eines Bolzens, verbunden Am oberen Ende des Pufferbolzens 29 ist, beispielsweise mittels eines Bolzens 38, der Anschlagkolben 23 angebracht. Der Pufferbolzen 29 weist eine abgesetzte Bohrung 31 auf, die sich von seinem offenen Ende am Boden über einen wesentlichen Teil seiner Länge zu einem geschlossenen Ende nahe seiner Oberseite erstreckt.

Ein sich nach unten erstreckender, offen endender Rand des Anschiagkolbens 23 bildet einen Pufferzylinder 39. Ein ringförmiger Pufferkolben 41 weist einen inneren und sich nach außen erstreckenden unteren Flansch 43 auf, dessen Innenfläche einen Gleitsitz des einen größeren Durchmesser aufweisenden Teils 44 des Pufferbolzens 29 bildet. An seinem oberen Ende weist der Pufferkolben 41 ^nen sich nach innen erstreckenden oberen Flansch 46 auf, dessen Innendurchmesser so groß ist, daß ein Gleitsitz mit dem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Teil 47 des Pufferbolzens 29 gebildet wird. Der Ini.endurchmesser des Hauptkörpers des Pufferkolbans 41 ist so, daß ein Ringraum 48 für eine Flüssigkeitsströmung gebildet wird.

Eine Feder 49 im Pufferzyiinder 39 drückt den Pufferkolben 41 aus dem Zylinder, wodurch der obere Flansch 46 in Eingriff mit einer Schulter 51 gedrückt wird, die vom Durchmesserübergnng des Pufferbolzens 29 gebildet wird. Dieser Eingriff schafft eine Dichtung, die das Wasser im Zylinder 39 zurückhält.

Nahe seinem Durchmesseriibergang weist der Pufferbolzen 29 eine ringförmige Ausnehmung 52 auf, die zum Durchströmen einer Flüssigkeit über ein Querloch 53 mit der Bohrung 31 des Pufferbolzens 29 verbunden ist. Um die gewünschte Bremswirkung zu erzeugen, ist eine Reihe axial beabstandeter öffnungen oder Bremslöcher 54(1)—54(9) im einen kleineren Durchmesser aufweisenden Teil 47 des Pufferbolzens 29 im Zylinder 39 ausgebildet, weiche Flüssigkeitsströmungswege zwischen dem Inneren des Zylinders 39 und dem oberen Teil der ι ο Bohrung 31 des Pufferbolzens 29 bilden.

Ein beispielsweise mittels eines Bolzens 57 befestigter Sperrstopfen 56 verhindert eine direkte Fluidströmung vom oberen zum unteren Teil der Bohrung 31. Durch den Sperrstopfen 56 wird zusammen mit dem Anliegen des Kolbenflansches 46 gegen die Schulter 51 das für die Bremswirkung erforderliche Wasser im Pufferzylinder 39 zurückgehalten. Dieses Einschließen des Wassers im Pufferzylinder 39 ist erforderlich, um ein schnelles Verdampfen bei bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen und infolgedessen einen Verlust an Wasser zu vermeiden. Wie in F i g. 1 gezeigt ist, wird das Einfahren des Antriebs 11 durch Zuführen von unter Druck stehendem Wasser über die Aufwärts-Antriebs-Leitung 34 erreicht, wobei in der Abwärts-Antriebs-Leitung 36 ein geringer Druck herrscht, der über das Kolbenrohr 26 mit der Bohrung 31 der Pufferbolzens 29 in Verbindung steht.

Ohne den Sperrstopfen 56 könnte das Wasser im Pufferzylinder 39 somit einem plötzlichen Druckverlust von beispielsweise in der Größenordnung von 35 bar ausgesetzt sein. Wenn das Wasser zu diesem Zeitpunkt eine Temperatur von 120°C oder mehr hat, tritt ein schnelles Verdampfen und infolgedessen ein Verlust von Pufferwasser ein. Das Abdichten des Pufferzylinders 39 in der beschriebenen Weise verhindert dieses Problem.

Die Arbeitsweise der Puffer- oder Bremsvorrichtung 28 und weitere EiiiZcihciicri sind wie ioigt: Wenn der Haupt-Antriebskolben 17 sich beim Einfahren des Antriebes wie zuvor beschrieben dem Ende seines Hubes nähert, kommt die obere ringförmige Fläche (in F i g. 2 mit 58 bezeichnet) des Haupt-Antriebskolbens 17 mit dem unteren Flansch 43 des Pufferkolbens 41 in Eingriff und treibt den Pufferkolben 41 in den Pufferzylinder 39. Dadurch wird der Flansch 46 des Pufferkolbens 41 von seinem Sitz auf der Schulter 51 abgehoben, und das Wasser kann aus dem Zylinder, anfänglich durch die Ausnehmung 52 und dann durch die Löcher 54(1) bis 54(9) entweichen. Der Strömungsweg ist wie folgt: Durch die Löcher 54(1) bis 54(9) zum oberen Teil der Bohrung 31, durch das Querloch 53 nach außen in den Ringraum 48, dann durch eine Querbohrung 59 zum Bodenteil der Bohrung 31 und danach nach unten in das Anschlagkolbenrohr 26. Wenn der Pufferkolben 41 weiter in den Pufferzylinder 39 getrieben wird, bedeckt sein oberer Flansch 46 der Reihe nach aufeinander folgend die Bremslöcher 54(1) bis 54(8). Dadurch wird der Strömungswiderstand des Wassers aus dem Pufferzylinder progressiv erhöht, wodurch die kinetische Energie der bewegten Teile verbraucht und die erforderliche Bremswirkung erzielt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Puffereinrichtung zum Bremsen eines in einem Kernreaktor vertikal angeordneten Linear-Bewegungsantriebs (17) nahe seinem Hubende mit folgenden Merkmalen:

— in einem Verbindungsrohr (21) ist ein Pufferzylinder (39) angeordnet, in dem unter Ausbildung eines oberen Ringraumes eine Pufferwelle (29) koaxial angeordnet und am oberen Ende befestigt ist,

— in dem Ringraum zwischen Pufferzylinder (39) und Pufferwelle (29) ist ein Pufferkolben (41) verschiebbar angeordnet, der durch eine Feder (49) nach unten vorgespannt ist,

— in der Pufferwelle (29) ist eine langgestreckte Bohrung (31) ausgebildet, die am oberen Ende geschlossen und am unteren Ende offen ist,

— eme radiale Bohrung (59) führt im unteren Teil der Bohrung (3l) durch die Pufferweiie (29) hindurch,

— mehrere relativ kleine radiale Bremslöcher (54(l)-54(9)) in der Pufferwelle (29) bilden Strömungskanäle zwischen dem oberen Teil der Bohrung (31) und ά 2m oberen Ringraum,