DE3140272A1

DE3140272A1 - "abschaltsystem fuer kernreaktoren"

Info

Publication number: DE3140272A1
Application number: DE19813140272
Authority: DE
Inventors: Martin Howard Pittsburgh Pa. Cooper; James Donald Greensburg Pa Mangus
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-10-15
Filing date: 1981-10-10
Publication date: 1982-07-22
Also published as: JPS6412352B2; JPS5796290A; FR2492150A1; GB2085642B; FR2492150B1; US4405558A; GB2085642A

Description

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Abschaltsystem für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft ein Abschaltsystem für Kernreaktoren mit Regeleinrichtungen, welche ein Neutronen absorbierendes Material in einer Lage über dem Reaktorkern mit Hilfe eines elektromagnetischen Verriegelungsmechanismus im erregten Zustand festhält.
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Bei allen Kernreaktoren ist eine Schnellabschaltun'g vorgesehen, um die Kernreaktion im Gefahrenfall schnell reduzieren zu können. Diese Reduzierung der Kernreaktion wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß ein Neutronen absorbierendes Material in den Reaktorkern eingefahren wird. Das Abschaltsystem soll daher einfach und zuverlässig sein und eine schnelle Einführung des Neutronen absorbierenden Materials in den Kern des Kernreaktors möglich zu machen, damit die kernreaktion rasch unterdrückt werden kann. Grundsätzlich werden hierfür Regelstäbe benutzt, die mit Hilfe mechanischer Einrichtungen in den Reaktorkern abgesenkt und aus diesem herausgezogen werden können. Dadurch läßt sich die Reaktion im Kern sehr fein einstellen. Bei einer Gefahrensituation werden die Regelstäbe freigegeben, so daß sie im freien Fall in den Kern fallen und die Kernreaktion so schnell wie möglich verringern bzw. den Reaktor abschalten. Dieses Abschaltsystem erweist sich als sehr zuverlässig, jedoch wurden weitere Sicherungssysteme vorgeschlagen, um eine Abschalt-Redundanz zu schaffen. Die Vorschläge für dieses zusätzliche Sicherungssystem sind derart, daß es selbsttätig und aus sich heraus wirksam wird.

Als alternative Methode ist es auch bekannt, Kugeln aus Neutronen absorbierendem Material zu verwenden, welche in einem Behälter oberhalb des Reaktorkerns angeordnet sind. Dieses System umfaßt einen Rückhaltemecha

nismus

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nismus, mit welchem eine diskrete Menge der Kugeln freigegeben werden können, die sowohl magnetisch sind als auch Neutronen absorbierende Eigenschaften haben. Dieser Rückhaltemechanismus umfaßt zumindest zwei magnetische Polstücke entgegengesetzter Polarität, die die Kugeln freigeben, wenn eine Entmagnetisierung eintritt. In diesem Fall können die Kugeln im freien Fall in den Kern des Reaktors fallen. Wenn bei diesem System die Magnetisierung der Polstücke aus welchem Grund auch immer verloren geht, fallen die Neutronen absorbierenden Kugeln in den Reaktorkern und unterdrücken bzw. verringern die Kernreaktion.

·.

Es ist ein weiteres Verfahren bekannt, welches den Effekt der Entmagnetisierung eines Materials bei einem bestimmten Temperaturwert ausnutzt, welcher unter dem Begriff Curie-Effekt bekannt ist. Wenn dieses Material über den Curie-Punkt hinaus erwärmt wird, verliert es seine magnetische Eigenschaften und löst die Regeleinrichtung aus. Bei dieser Regeleinrichtung wird das Neutronen absorbierende Material von einem Magnet zurückgehalten, dessen Magnetfeld über ein Joch geführt ist. Dieses Joch besteht aus einem ferromagnetis.chen Material, dessen Curie-Punkt bei einem kritischen Temperaturniveau liegt und welches vom Reaktorkühlmittel direkt oder indirekt umspült wird. Sobald das Kühlmittel das kritische Niveau erreicht, erwärmt sich das Joch über den Curie-Punkt hinaus, so daß es seine magnetische Eigenschaften verliert und das Neutronen absorbierende Material freigibt, so daß es in den Reaktorkern fallen kann. Sobald das Joch abkühlt, erhält es seine magnetischen Eigenschaften zurück, so daß erneut eine magnetische Verriegelung möglich ist. Die Schwierigkeiten bei diesem System bestehen'darin, daß das Material verhältnismäßig lange erwärmt werden muß. bis der Curie-Punkt erreicht ist, bei welchem die Entriegelung stattfindet. Dies ergibt sieh aufgrund der notwendigen Massen. Das langsame Ansprechen des Curie-Materials kann jedoch dazu führen, daß der Kernreaktor nicht schnell genug anspricht by.w. abgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Abschaltsystem für Kernreaktoren zu schaffen, bei welchem eine Abschaltung unter Verwendung einer magnetischen Verriegelung rasch möglich ist, wenn die Temperatur des

Kühlmittels

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Kühlmittels einen bestimmten vorgegebenen Wert übersteigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Thermowiderstand im Stromversorgungskreis zum Verriegelungsmechanismus vorgesehen und dem Kühlmittel derart ausgesetzt ist, daß ein Ansteigen der Kühlmitteltemperatur den Widerstandswert des Thermowiderstandes erhöht, und daß das Ansteigen des Widerstandswertes des Thermowiderstandes eine Verringerung des Magnetflusses in dem elektromagnetischen Verriegelungsmechanismus bewirkt und den Verriegelungsmechanismus öffnet, so daß das Neutronen absorbierende Material in den Reaktorkern eingeführt werden kann.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durch die elektromagnetische Abschaltung ist ein rasches Ansprechen auf eine Erhöhung der Kühlmitteltemperatur gewährleistet, ohne daß dabei der Vorteil der wiederholten Verwendbarkeit der elektromagnetischen Verriegelungseinrichtung verloren geht. '

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte seitliche Schnittansicht eines Kernreaktors,

■ Fig. 2 einen Schnitt durch die magnetische Verriegelung in einem Regelstabantrieb im eingerasteten Zustand,

Fig. 3 einen Schnitt durch die magnetische Verriegelung im ausgerasteten

Zustand, ' .

■ Fig. 4 eine Thermofühleranordnung in Datendarstellung.

Der in Fig. 1 dargestellte Kernreaktor 10 umfaßt einen Druckbehälter 12 mit einem Zulauf 14 und Ablauf 16 für das während des Betriebs über den Be-35

halter

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halter 12 zirkulierte Kühlmittel 20. Dieses Kühlmittel besteht vorzugsweise • aus einem flüssigen Metall wie z.B. flüssigem Natrium. Im Kern 18 ist. ein Zentralbereich 22 vorhanden, in welchem die Hauptreaktion abläuft.

Der Kern 18 umfaßt ferner eine Vielzahl von Brennstabbündeln 24, wie sie allgemein bekannt sind. Die Brennstabbündel 24 sind an einem unteren Kernträger 26 abgestützt, welcher über Abstützungen 28 auf dem Bodenbereich des Behälters 12 aufliegt. Durch den unteren Kernträger 26 wird ein Einlaufvolumen 30 begrenzt. Ein Verbindungsrohr 32 steht mit dem Einlauf 14 in Verbindung und mündet in dieses Einlaufvolumen 30, um das.Kühlmitte!

zuzuführen. Die Brennstabbündel 24 sind mit Kühlmittelbohrungen 34 am unteren Ende versehen, so daß das Kühlmittel aus dem Einlaufvolumen 30 in die Brennstabbündel 24 eingeführt werden kann. In den Brennstabbündeln fließt das Kühlmittel nach oben und tritt an der Oberseite aus. Auf diese Weise werden die Brennstabbündel 24 gekühlt und die Wärme abgeleitet.

Innerhalb des Druckbehälters 12 und ebenfalls innerhalb des Kernes 18 sind ■ eine Vielzahl von Regeleinrichtungen 36 angebracht. Diese Regeleinrichtungen 36 sind grundsätzlich.in derselben Weise wie die Brennstabbündel 24 angeordnet, jedoch bieten sie die Möglichkeit, die nicht dargestellten Regelstäbe in den Kern für K.ontrollzweeke ein- und auszufahren.

In den Fig. 2, 3 ..und 4 ist ein Regelstabantriebsmechanismus 38 gezeigt, welcher' in einem Gehäuse 40 angeordnet ist. Ein Antriebsteil 42 greift in das Gehäuse' und besteht aus einem zylindrischen Metallteil, welcher an seinem unteren Ende mit einem Verriegelungsmechanismus verbunden ist, und an seinem oberen Ende am nicht dargestellten Antriebsmechanismus hängt. Der Verriegelungsmechanis'mus 44 umfaßt einen oberen ferromagnetischen Teil 46 mit einer Innenbohrung 48. Diese Innenbohrung ermöglicht, daß das Kühlmittel 20 durch den Regelstabantriebsmeehanismus 38 nach oben fließt. Im oberen ferromagnetisehen Teil 46 ist eine Spulenwicklung 50 derart ange- · ordnet, daß sie die Innenbohrung 48 umschließt. Diese Spulenwicklung 50 ist mit einer elektrischen Instrumentation und einer Versorgungsquelle verbunden, die außerhalb des Druckbehälters 12 liegt, der von hermetisch abgedichteten Anschluß leitungen 52 für diesen Zweck durchsetzt ist. Mit dem -

oberen

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oberen elektromagnetischen Teil 46 ist ein erstes Kontaktstück 54 verbunden, welches in Form einer konischen Scheibe um den oberen ferromagnetischen Teil 46 herum angeordnet ist, so daß es koaxial zur Innenbohrung 48 verläuft.
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In den Fig. 2 und 3 ist ferner ein unteres ferromagnetisches Teil 56 dargestellt, welches in vertikaler Richtung verschiebbar auf dem oberen ferromagnetischen Teil 46 angeordnet ist. Mit dem unteren ferromagnetisehen Teil 46 ist ein zweites Kontaktstück 58 einstückig derart ausgebildet, daß es mit dem oberen Kontaktstück 54 in formschlüssigem Eingriff steht. Bei der Erregung der Spulenwicklung 50 wird das erste Kontaktstück 54 am zweiten Kontaktstück 58 aufgrund der entstehenden magnetischen Feldstärke festgehalten, d.h. das obere ferromagnetische Teil 46 wird mit dem unteren ferromagnetisehen Teil 56 magnetisch verrastet. Mit dem unteren ferromagnetisehen Teil 56 ist eine Vielzahl von Regelstäben 60 verbunden, welche aus einem Neutronen absorbierenden Material bestehen. Diese Stäbe können in die Regeleinrichtung 36 eingeführt und abgesenkt werden, wenn sich das untere ferromagnetische Teil 46 vom oberen ferromagnetischen Teil 56 löst. Am unteren ferromagnetisehen Teil 56 ist ein zylindrisches Führungsrohr 62 befestigt, welches die Regelstäbe 60 umschließt und als Führung beim Absenken dieser Stäbe dient. Das zylindrische Führungsrohr 62 wird zusammen mit dem unteren ferromagnetischen Teil 56 in einer Hülse 64 geführt, die innerhalb des Gehäuses 40 angeordnet ist und beim Absenken bzw. Anheben der Regelstäbe eine genaue Ausrichtung gewährleistet.

Der Antriebsteil 42 umfaßt ferner einen rohrförmigen^ Teil 66 , der derart angeordnet ist, daß die Ansehlußleitungen 52 darin untergebracht werden können. Mit dem Antriebsteil 42 und insbesondere dem rohrförmigen Teil ist eine Vielzahl von Rohrleitungsanschlüssen 68 verbunden, so daß Kanäle entstehen, durch welche das Kühlmittel in den rohrförmigen Teil 66 hinein- und herausfließen kann. Im Bereich der Leitungsführung der Ansehlußleitungen 52 ist innerhalb des rohrförmigen Teiles 66 ein Temperaturfühler 70 angebracht, welcher im Strömungsweg des durch die Rohrleitungsanschlüsse 68 geführten Kühlmittels liegt. Der Temperaturfühler 70 spricht auf die

Temperatur

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Temperatur des Kühlmittels 20 an, so daß der Fühler im wesentlichen auf der Betriebstemperatur des Kühlmittels gehalten wird.

In Fig. 4 ist der Temperaturfühler 70 dargestellt, welcher aus einem Thermowiderstand 72 besteht, der über elektrische Anschlußleitungen 74 mit der Spulenwicklung 50 einerseits und mit der elektrischen Instrumentierung des Reaktors außerhalb des Druckbehälters 12 andererseits verbunden ist. Als Thermowiderstand kann beispielsweise ein Thermistor Verwendung finde, der mit ansteigender Temperatur einen ansteigenden Widerstand zeigt. Die Verwendung eines Thermo Widerstandes 72 hat den Vorteil, daß dieser sehr viel rascher auf die Kühlmitteltemperatur anspricht als dies bei einem Material unter Ausnutzung des Curie-Effektes der Fall ist.Wenn deshalb die Temperatur des Kühlmittels ein vorgegebcmes Niveau übersteigt, steigt entsprechend der Widerstand des Therrhowiderstandes 72 bis zu einem Punkt an, wo der über die Leitungen 74 zu der Spulenwicklung übertragene Strom so weit reduziert wird, daß der elektromagnetische Verriegelungsmechanismus öffnet. Damit wird der untere ferromagnetische Teil 56 freigegeben und kann zusammen mit den daranhängenden Regelstäben aufgrund der eigenen Schwere in den Reaktorkern fallen. Dadurch wird der Reaktor abgeschaltet. Wenn die Temperatur des Kühlmittels wieder auf einen geringen Wert abfällt, verringert sich auch entsprechend der Widerstand des Thermowiderstandes 72, so daß der in den Leitungen 74 fließende Strom seinen normalen Wert wieder annehmen kann. Zu diesem Zeitpunkt kann der Antriebsteil 42 so weit abgesenkt werden, daß das erste Kontaktstück 54 mit dem zweiten Kontaktstück 58 in Berührung kommt. Wenn entsprechend die Spulenwicklung 50 über die Anschlußleitungen stärker erregt wird, verrasten sich die Kontaktstücke aufgrund dos wirksamen elektromagnetischen Feldes, womit der untere ferromagnetische Teil 56 mit dem oberen ferromagnetischen Teil 46 magnetisch verrastet ist.

■ Im Normalbetrieb befindet sich der Regelstabantriebsmechanismus 38 in dem in Fig. 2 dargestellten Zustand,- wobei der obere ferromagnetische Teil 46 mit dem unteren ferromagnetischen Teil 56 in Eingriff steht und diese elektromagnetisch zusammengehalten werden. Das Kühlmittel 20 fließt kontinuier-.

lieh

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lieh durch den Druckbehälter und dabei von unten nach oben durch das Gehäuse 40 sowie die Innenbohrung 48 und ferner den Regelstabantriebsmechanismus 38. Ferner durchsetzt das Kühlmittel 20 die Anschlußleitungen 68 und kommt damit in Berührung mit dem Temperaturfühler 70. Durch den kontinuierliehen Kühlmittelfluß nimmt der Thermofühler 40 dieselbe Temperatur wie das Kühlmittel 20 an, d.h. auch der Thermowiderstand 72 befindet sich auf der Temperatur des Kühlmittels 20. Unter normalen Betriebsbedingungen ergeben sich Temperaturen für das Kühlmittel und den Thermowiderstand 72, welche dafür sorgen, daß der elektrische Widerstand des Thermowiderstandes 72 verhältnismäßig niedrig ist. Somit fließt genügend Strom über die Leitungen 74 zur Spulenwieklung 50, um den magnetischen Verriegelungsmechanismus aufgrund des erzeugten Magnetflusses geschlossen zu halten. Wenn jedoch die Temperatur des Kühlmittels 20 über ein vorgegebenes Niveau ansteigt, nimmt auch der Widerstandswert des Thermowiderstandes 72 entsprechend rasch zu. Bei einem derartigen raschen Anwachs des Widerstandswertes ergibt sich ein verhältnismäßig großer und schneller Abfall des elektrischen Stromes über die Leitungen 74 zur Spulenwieklung 50. Dieser Stromabfall bedingt eine entsprechende Verringerung des Magnetflusses im Verriegelungsmechanismus 44, so daß dieser öffnet. Sobald dies der Fall ist, fallen der untere ferromagnetische Teil 56 und die daran befestigten Regelstäbe ab, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die abfallenden Regelstäbe dringen in den Kern des Reaktors ein und unterdrücken entsprechend die Kernreaktion. Auf diese Weise läßt sich der Kernreaktor sicher automatisch abschalten.

Sobald die Kühlmitteltemperatur wieder auf einen annehmbaren Wert zurückgeht, ergibt sich . eine Verringerung des Widerstandswertes des Thermowiderstandes 72, so daß der Strom zur Spulenwieklung 50 entsprechend ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Antriebsteil 52 abgesenkt werden, damit das erste Kontaktstück 54 mit dem zweiten Kontaktstück 58 in Berührung kommt. Durch das Ansteigen des Magnetflusses entsprechend der ansteigenden Erregung werden die beiden Kontaktstücke magnetisch miteinander verrastet. Mit Hilfe des Antriebsteils 42 kann der obere ferromagnetische Teil 46 und damit auch der untere ferromagnetische Teil 56 angehoben werden, um die Regelstäbe aus dem Kern herauszuziehen.

Claims

Patentansprüche

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Abschaltsystem für Kernreaktoren mit Regeleinrichtungen, welche ein' Neutronen absorbierendes Material in einer Lage über dem Reaktorkern mit Hilfe eines elektromagnetischen Verriegelungsmechanismus im erregten Zustand festhält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Thermowiderstand (72) im Stromversorgungskreis (74) zum Verriegelungsmechanismus (44) vorgesehen und dem Kühlmittel (20) derart ausgesetzt ist, daß ein Ansteigen der Kühlmitteltemperatur den Widerstandswert des Thermowiderstandes (72) erhöht,

und daß das Ansteigen des Widerstandswertes des Thermowiderstandes (72) eine Verringerung des Magnetflusses in dem elektromagnetischen .Verriegelungsmechanismus (44) bewirkt und den Verriegelungsmechanis. öffnet, so daß das Neutronen absorbierende Material in den Reaktorkern eingeführt werden kann.
2.) Abschaltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ' daß das Neutronen absorbierende Material (60) aus einer Anzahl von Regelstäben besteht, welche geführt in den Reaktorkern fallen, wenn der elektromagnetische Verriegelungsmechanismus (44) öffnet.

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3.) Abschaltsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturempfindliche Thermowiderstand (72) in einer Entfernung vom elektromagnetischen Verriegelungsmechanismus (44) angeordnet und vom Kühlmittelfluß umströmt ist.
4.) Abschaltsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bi,s 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Verriegelungsmechanismus (44) einen oberen ferromagnetischen Teil (46) und einen unteren ferromagnetischen Teil (56) umfaßt,

daß der untere ferromagnetische Teil (56) mit den Regelstäben (60) verbunden ist und auf den oberen ferromagnetischen Teil aufsehiebbar ist, daß der obere ferromagnetische Teil (46) mit einer· Spulenwicklung (50) umgeben ist,' welche über Anschlußleitungen (74) mit dem Thermowiderstand (72) in Verbindung steht und daß der bei Betriebstemperatur über den Thermowiderstand zur Spulenwicklung fließende elektrische Strom ausreicht, um ein magnetisches Feld derart zwischen dem oberen und unteren ferromagnetischen Teil aufzubauen, daß die Regelstäbe im erregten Zustand der Spulenwicklung über dem Reaktorkern festgehalten werden.

· 5.) . Abschaltsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere ferromagnetische Teil (46) mit einer Innenbohrung (48) versehen ist, über welche das Kühlmittel zum Thermowiderstand (42) fließt.