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In Kernreaktoren einbaubares Instruenti-e-rungselement mit
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Meßsondenantrieb Die vorliegende Erfindung betrifft ein in Kernreaktoren
einbaubares Instrumentierungselement mit Meßsondenantrieb, insbesondere für die
Neutronenflußinstrumentierung bei Hochtemperaturreaktoren. Kernreaktoren müssen
zu ihrer aber wachung und sicheren Handhabung mit einer Vielzahl von Meßsonden für
die verschiedensten Messungen ausgestattet werden. Da viele der Meßsonden einen
längeren Aufenthalt in der Nähe des Reaktorkerns nicht überstehen und daher nur
bei Bedarf zur Messung eingefahren werden, sind diese Meßsonden oftmals mit einem
Antriebssystem ausgestattet. Es sind Antriebe bekannt, bei denen ein Seilzug auf
eine Trommel aufgewickelt wird, eine Gewindestange ein- und ausgefahren wird, sowie
pneumatische Antriebe. Für die Messung der Leistungsverteilung an Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktoren
wird eine große Zahl von Meßinstrumenten zur Detektion des schnellen Neutronenflusses
vorgesehen. Diese Meßinstrumente, beispielsweise Spaltkammern, brauchen dabei nicht
bis in den Kugelhaufen gefahren zu werden; vielmehr genügen für die AusmeSsung des
oberen Bereichs des Reaktorkerns nach Untersuchungen der Anmelderin (Konzept für
die Nuklearinstrumentierung und Heißgastemperaturprofilmessung beim Otto-Hochtemperatur-Kugelhaufenreaktor,
G.H. Lohnert und H.G. Spillekothen, Fachtagung Nr. 8/6, NUCLEX '75) Messungen im
Deckenreflektor. Für die Messung selbst und deren physikalische Interpretierbarkeit
ist dabei wesentlich, daß nur der schnelle (nicht aber der thermische) Neutronenfluß
erfaßt wird. Schwierigkeiten bereite bei den bisherigen Uberlegungen aber das Ein-
und Ausfahren der Meßinstrumente, da eine komplizierte Antriebsmechanik und gekrümmte
Führungsrohre vorgesehen
werden mußten. Da im Deckenreflektor auch
die Absorberstäbe und oberhalb der Cavernendecke deren Antrieb systeme untergebracht
sind, erschien zunächst ein Einfahren der Neutronenflußinstrumentierung von oben
aus Platzgründen nicht realisierbar.
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Allerdings ist zwischen den Absorberstäben noch etwas platz, so daß
bei Verwendung eines sehr kompakten Antriebssystems doch ein Einbringen der Meßsonden
von oben möglich ist, was aus wartungstechnischen und statischen Gründen sehr vorteilhaft
erscheint.
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In bisher vorgeschlagenen Fällen ist das Antriebssystem meist oberhalb
der Cavernendecke angebracht und/oder es müssen bewegliche Teile durch Heliumdichtungen
hindurch geführt werden. Abgesehen von den Heliumdicht.ungsproblemen ist auch bei
Wartungsarbeiten eine Demontage der Antriebssysteme meist nötig. Darüber hinaus
ist der Platzbedarf von den bisher bekannten Sondenantrieben recht groß und für
den sehr kompakt gebauten Hochtemperaturreaktor nachteilig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher folgende Aufgabenstellung zugrunde:
Es soll eine möglichst kompakte, platzsparende Vorrichtung zum Ein- und Ausfahren
einer Meßsonde, insbesondere einer Neutronenflußmeßsonde, eingebaut werden. Dabei
soll die mechanische Störanfälligkeit, insbesondere durch Vermeidung-von mechanisch
belasteten Dichtungen, gering sein und das Antriebssystem redundant ausgelegt werden.
Von entscheidender Bedeutung ist auch die Wartungsfreundlichkeit der Vorrichtung
und die mögliche Auswechselbarkeit ohne großen Aufwand.
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Zur Lösung dieser Aufgaben wird ein- ganz neue.s Komzept gemäß dem
Hauptanspruch vorgeschlagen. In Analogie zu den
üblichen Reaktorelementen
(Absorberstäben, Brennelementen oder ähnlichem) wird ein Instrumentierungselement
vorgeschlagen, in welches der Meßsondenantrieb integriert ist und welches keine
mechanisch belasteten Dichtungen braucht.
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Dabei wird davon ausgegangen, daß die üblichen Wechselflaschen, welche
zur Wartung der anderen Reaktorkernelemente dienen, auch für dieses Instrumentierungselement
geeignet sind. Demgemäß besteht ein solches Instrumentierungselement mit Meßsondenantrieb
also aus einem Hüllrohr und in diesem angeordneten Åntriebssystem, Meßsondenführungsstange
und Meßsonde. Das Instrumentierungselement ist komplett ein-und ausbaubar und unterschreitet
die für die Handhabungsgeräte zulässigen Maximalmaße. Bei Wartungsarbeiten entfällt
daher das lästige Abmontieren des Antriebssystems, wie es bei bisher vorgeschlagenen
Instrumentierungen nötig wäre.
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In Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 2 vorgeschlagen, das
Antriebssystem für die Meßsondenführungsstange aus einem oder. mehreren übereinander
angeordneten-Linearmotoren zu bauen. Linearmotoren eignen sich in besonderer Weise
für einen solchen Antrieb, da sie keine beweglichen mechanischen Teile aufweisen
und daher wenig störanfällig sind. Außerdem ist ihre Steuerung besonders einfach.
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Wegen des geringen geforderten Durchmessers der Vorrichtung kann der
Linearmotor nicht beliebig groß gewählt werden, so daß gegebenenfalls mehrere kleine
übereinander angeordnete Motoren notwendig sind (Linearmotor = Wanderfeld Induktionsmotor).
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Als besonder geeignet haben sich die im Anspruch 3 vorgeschlagenen
Polysölenoid-Motoren erwiesen, da sie besonders geeignet sind, eine in ihrem Inneren
verlaufende Stange anzutreiben. Gemäß Anspruch 3 werden aus Redundanzgründen zwei
solche Polysolenoid-Motoren übereinander angeordnet, von denen jeder für sich für
den Antrieb der Meßsondenführungsstange im Normalfall ausreicht. Auf diese Weise
kann der Antrieb auch bei Ausfall eines der beiden
Motoren gewährleistet
werden, bzw eine Reservekraft bei kleineren Störungen mobilisiert werden.
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Da insbesondere bei der Neutronenflußmessung der Detektor nicht längere
Zeit im Inneren des Reflektors bleiben soll, muß eine untere Meßlage und eine obere
unbelastete Ruhelage der Meßsonde vorgesehen werden. Zur Fixierung dieser beiden
Lagen sind in Anspruch 4 eine Anschlagplatte für die untere Meßlage und eine Haltevorrichtung
für die obere Ruhelage vorgesehen.. Am oberen Ende des Instrumentierungselementes
ist eine entsprechende Klauenvorrichtung mit Auslösemechanik angebracht, mit der
die Meßsondenführungsstange und Meßsonde festgehalten werden können, ohne daß die
Linearmotoren ständig in Betrieb sein müssen. Ein Auslösemechanismus, vorteilhafterweise
durch einen Elektromagneten betätigt, gibt die Haltevorrichtung frei, wenn die Sonde
in den Kern eingefahren-werden soll.
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Für den Fal-l eines Versagens des Antriebssystems sieht der Anspruch
5 zur Vermeidung von Schäden an Meßsonde und Meßsondenführungsstange eine Dämpfungsfeder
zwischen der Anschlagplatte und dem Antriebssystem vor. Zur Dämpfung eines freien
Falls der Meßsonde kann auch die Entstehung eines Gaspolsters am unteren Ende des
Meßschachtes dienen, wozu dann gegebenenfalls Zusatzeinrichtungen vorzusehen wären.
Solche dynamischen Dämpfungen durch Gas oder Flüssigkeitspolster sind bei Abschaltstäben
bekannt.
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Der Anspruch 6 beschreibt die Kabelführung des Meßkabel.s und der
Stromversorgung des Antriebssystems. Um ein Knicken des Meßkabels beim Hin- und
Herfahren der Sonde zu vermeiden, wird dieses zunächst durch das Innere der Sondenführungsstange
bis oberhalb der Anschlagplatte verlegt und folgt dann entlang einer weichen Spiralfeder
bis zur hellumdichten Durchführung am oberen Ende des Instrumentierungselementes.
Auf diese Weise wird ein Knicken
des Meßkabels vermieden und auch
eine Behinderung der Haltevorrichtung durch ein dazwischen geklemmtes Kabel ausgeschlossen.
Zur Vermeidung von induzierten Störungen im Meßkabel wird das Kraftkabel zur Stromversorgung
des Antriebs systems außerhalb der Meßleitung am Rande des Hüllrohres verlegt und
gegebenenfalls abgeschirmt. Die Meßleitung und das Kraftkabel werden durch Heliumdichtungen
nach außen geführt. Eine Unterbrechung der Meßleitung durch störanfällige Kontakte
wird somit vermieden. Eine Funktionsprüfung der Meßgeräte ist auch in Ruhelage möglich.
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Gemäß Anspruch 7 wird das gesamte Instrumetierungselement in einem
Panzerrohr untergebracht, welches in seiner äußeren Form den Ausmaßen des Instrumentierungselementes
angepaßt ist. Zur Vermeidung von Primärhelium-Leckagen ist das Instrumentierungselement
mit Heliumdichtungen zwischen Panzerrohr und Hüllrohr versehen. Diese Ausgestaltung
fördert ein problemloses Auswechseln bzw. Warten des Instrumentierungselementes.
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Mit diesem Instrumentierungselement können verschiedene Arten von
Meßinstrumenten in die.Nähe des Kern eingefahren werden, der Anspruch 8 sieht einen
Spezialfall vor, nämlich das .Einfahren eines Netronenflußmessers in den Deckenreflektor.
Der Neutronenflußmesser ist empfindlich gegen hohe thermische Belastungen, Aktivierung
der Detektorbauteile und Bruteffekte und soll daher nicht besonders lange in der
Meßposition bleiben. Daher ist das Antriebssystem für diese Meßsonde besonders geeignet,
da- es ein schnelles Ein- und Ausfahren ermöglicht. Besonders für diese Messung
ist die erfindungsgemäße Antriebsform von großem Vorteil, da ein schneller Antrieb
die Lebensdauer der Sonde verlängert und schnell Meßergebnis.se liefert.
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Zur weiteren Verminderung der thermischen Belastung der Meßsonde wird
nach Anspruch 9 vorgesehen, die Meßsonde
durch Kühlmittel zu kühlen,
welches durch Kanäle in den Meßbereich einströmt.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die vorliegende Erfindung
mit ihren einzelnen Ausgestaltungen folgende Vorteile mit sich bringt: Durch die
kompakte Bauweise des Instrumentierungselementes gibt es kein her ausstehendes Gestänge
oder irgendwelche Raumprobleme oberhalb der Cavernendecke im Steuerstabantriebsraum.
Wegen der wenigen mechanisch beweglichen Teile ist eine Beschädigung des Antriebsmechanismusses
durch Reibung unter Heliumatmosphäre weitgehend ausgeschlossen.
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Durch die Verwendung von Linearmotoren wird der Platzbedarf auf ein
Minimum reduziert, eine große Kraftreserve vorgesehen und gleichzeitig dem Redundanzprinzip
Rechnung getragen. Das Ariebssystem erreicht eine grobe und leicht regelbare Hubgeschwindigkeit,
welche von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer der Meßsonde ist. Durch
die Heliumdichtung gibt es eine unterbrechungsfreie Signalsherausführung, wodurch
die Störanfälligkeit verringert wird. Insgesamt zeichnet sich das erfindungsgemäße
Instrumentierungselement durch große Wartungsfreundlichkeit aus.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und zwar zeigt Fig. 1 die Platzverhältnisse oberhalb der Cavernendecke und Fig.
2 zeigt das Instrumentierungselement mit ausgafahrener Meßsonde. In Fig. 3 ist das
Instrumentierungselement mit eingefahrener Meßsonde dargestellt. Fig. 4 stellt das
Gesamtkonzept der Neutronenfluß instrumentierung dar.
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In der Fig. 1 sind grob die Platzverhältnisse oberhalb der Cavernendecke
20, welche aus Spannbeton besteht, dargestellt. Zwischen den Steuerstabantriebssystemen
23 steht nur ein kleiner Kreis 21 zur Unterbringung eines Instru-
mentierungselementes
zur Verfügung. Diese Begrenzungen sind für die Unterbringung des gesamten Instrumentierungssystems
einschließlich Antrieb vorgegeben. Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele,
die in den vorgegebenen Raumgrenzen unterbringbar sind und- nicht in störender Weise
aus der Cavernendecke überstehen. Eine Spaltkammer 1 , die zur Detektion des schnellen
Neutronenflusses dient, ist an einer Meßsondenführungsstange 2 befestigt.
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Die Meßsoffdenführungsstange 2 weist an ihrem oberen Ende eine Anschlagplatte
4 und eine Haltevorrichtung 5 auf, welche zur Arretierung der Meßsondenführungsstange
in der Meßposition bzw der. Ruhelage dienen. Ein Meßkabel 3 führt im Inneren des
Meßsondenführungsstange nach oben.bis zur Oberkante der Anschlagplatte 4 und von
dort aus weiter entlang einer Spiralfeder 6 bis es oben durch eine Dichtung 7 aus
dem Instrumentierungselement herausgeführt wird. Eine Dämpfungsfeder 8 dämpft den
Anschlag der Meßsondenführungsstange in der unteren Meßlage, so daß auch bei Ausfall
des Antriebssystems keine Beschädigung der Vorrichtung zu befürchten ist.
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Eine Klauenvorrichtung 9 mit einer Auslösemechanik 10 greift in die
Haltevorrichtung 5 der Meßsondenführungsstange und hält diese in der Ruhelage fest
bzw. löst die Halterung der Ruhelage aus. Die Betätigung der Auslösemechanik 10
erfolgt. elektromagnetisch. Zum Antrieb der Meßsondenführungsstange dienen zwei
übereinander angeordnete Polysolenoid-Motoren 11 durch deren inneren Kanal die Meßsondenführungsstange
2 verläuft. Die Motoren werden über ein Kraft- und Steuerkabel 12, welches ebenfalls
durch eine Dichtung 7 nach außen geführt ist, versorgt. Das ganze Antriebssystem
11 und die Meßsondenführungsstange 2 sind in einem Hüllrohr 14 untergebracht, welches
seinerseits in einem Panzerrohr 15, welches in dem Spannbeton der Cavernendecke
20 gelagert ist, wobei Dichtungen 13 ein Austreten von radioaktivem Helium aus dem
Panzerrohr verhindern. Das ganze
Instrumentierungselement kann
aus dem Panzerrohr komplett herausgezogen werden, wobei es mit den üblichen Wechselflaschen
gehandhabt wird. Da die Meßsonde 1 sehr temperaturempfindlich ist, kann eine Kühlung
durch Kühlmittel, welches durch Kanäle 16 strömt, vorgesehen werden. Wie aus Fig.
3 zu ersehen ist kann die Meßsonde fast ganz in das Instrumentierungselement hineingezogen
werden.
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Zur Veranschaulichung des Gesamtkonzeptes der Neutronenflußinstrumentierung
im Deckenreflektor eines Hochtemperaturreaktors ist in Fig. 4 ein Längsschnitt durch
den oberen Teil eines Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktors gezeigt. In der Cavernendecke
20 befindet sich eine Vielzahl von Durchführungen 24 in welchen die Steuerstäbe
22 geführt werden. Die Antriebssysteme 23 der Steuerstäbe ragen über die Cavernendecke
hinaus und beanspruchen den größten Teil des dort verfügbaren Platzes. Der Anschauung
halber wurde hier nur ein Antriebssystem gezeichnet.
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Zwischen diesen Antriebssystemen 23 bleibt, wie in Fig. 1 veranschaulicht,
ein geringer Platz 21 für die Unterbringung von Instrumentierungselementen. Diese
Instrumentierungselemente sind nun so in die Cavernendecke 20 eingebaut, daß sich
die Meßsonden in ausgefahrenem Zustand gerade in der Meßposition im Deckenreflektor
25 befinden. In eingefahrenem Zustand befinden sich die Detektoren dann in der für
die Lebensdauer unbedenklichen Ruhelage. Da eine Neutronenflußmessung an vielen
Stellen des Deckenreflektors durchgeführt werden muß, wird eine Vielzahl von solchen
Instrumentierungselementen eingebaut.
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Trotzdem ergeben sich keine Probleme mit der Statik und dem über der
Cavernendecke verfügbaren Platz.
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