DE3341540C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abschalteinrichtung für einen Kernreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Einrichtung ist aus der GB 20 85 642 A bekannt.

Aus der US-PS 39 76 540 ist eine Abschalteinrichtung bekannt, bei der ein Neutronenabsorber über einer elektromagnetischen Kupplung gehalten wird. Der Magnet ist mit einem Joch aus ferromagnetischem Material ausgestattet, dessen Curie-Temperatur der kritischen Temperatur des Reaktors entspricht und das in Kontakt mit dem Reaktorkühlmittel steht. Wenn das Kühlmittel die Curie-Temperatur überschreitet, verliert das Joch seine magnetische Leitfähigkeit, wodurch der Magnetkreis unterbrochen, die Kupplung gelöst und der Neutronenabsorber in den Kernbereich des Reaktors abgesenkt werden. Eine ähnliche Einrichtung, bei der Neutronen absorbierende Stäbe an einer elektromagnetischen Kupplung über dem Kernbereich hängen, ist in der EP 00 24 783 A2 beschrieben. Auch hier ragen Magnetjoche aus ferromagnetischem Material in das Reaktorkühlmittel oberhalb des Kernbereichs, so daß bei Überschreiten der Curie-Temperatur die Kupplung gelöst wird, wodurch die Absorberstäbe durch ihr Eigengewicht in den Kernbereich fallen und der Reaktor abgeschaltet wird. Da die elektromagnetische Kupplung bei Normalbetrieb den gewichtigen Neutronenabsorber bzw. die schweren Neutronenabsorberstäbe zu tragen hat, müssen die Magnetjoche massiv ausgeführt werden. Dies führt zu relativ langen Aufheizzeiten, bis das ferromagnetische Material den Curie-Punkt erreicht hat und die Kupplung anspricht.

Zur Verkürzung der Ansprechzeit ist es aus der eingangs genannten GB 20 85 642 A bekannt, in den Stromkreis zur Energieversorgung der die Neutronenabsorber haltenden elektromagnetischen Kupplung ein temperaturempfindliches Widerstandselement zu schalten, dessen Gehäuse dem Kühlmittel des Reaktors ausgesetzt ist. Steigt die Kühlmitteltemperatur über einen vorherbestimmten Wert an, so erhöht sich der Widerstand des Widerstandselements, wodurch die Stromversorgung der elektromagnetischen Kupplung und damit deren Magnetfluß so stark reduziert werden, daß die Kupplung löst und die Neutronenabsorber in den Kernbereich gelangen. Widerstandselemente sind jedoch für Schaltzwecke der hier geforderten Art nicht sonderlich gut geeignet, da sie keinen definierten Schaltpunkt haben. Dies kann zu Unsicherheiten für das Auslösen der elektromagnetischen Kupplung führen, da deren Magnetfeld nicht mehr spontan bei einem Temperaturanstieg zusammenbricht, wie dies beim Einsatz der vorerwähnten thermomagnetischen Materialien grundsätzlich der Fall ist, sobald diese Materialien die Curie-Temperatur erreicht haben.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Abschalteinrichtung der zuletzt erörterten, gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, daß das Ansprechen der Schaltereinheit bei definierten Kühlungsstörfällen zu einer sofortigen Unterbrechung des Stromkreises für die elektromagnetische Kupplung der Abschaltabsorbereinheit führt.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen von Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen dieser Lösung.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltereinheit hat das thermomagnetische Sensorelement eine relativ geringe Masse und damit eine kurze Aufheizzeit. Bei Erreichen der Curie-Temperatur wird der Stromkreis für elektromagnetische Kupplung spontan unterbrochen, wodurch die Absorberelemente praktisch gleichzeitig mit dem Störungsereignis ausgelöst werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert:

Fig. 1 zeigt den Prinzipaufbau der Curiepunkt-gesteuerten Schaltereinheit,

Fig. 2 zeigt eine erste Einbauvariante der Schaltereinheit nach Fig. 1 in einem Reaktor,

Fig. 3 zeigt eine zweite Einbauvariante der Schaltereinheit nach Fig. 1 in einem Reaktor,

Fig. 4 zeigt ein Versuchsmodell einer erfindungsgemäßen Curiepunkt-gesteuerten Schaltereinheit,

Fig. 5 zeigt im Diagramm den Verlauf der magnetischen Anziehungskraft zwischen Sensorelement und Schaltgewicht in Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen diesen Elementen.

Die in Fig. 1 dargestellte Curiepunkt-gesteuerte Schaltereinheit (im folgenden wird diese Einheit stets mit CSSE abgekürzt) beruht auf der thermomagnetischen Eigenschaft eines ferromagnetischen Materials. Bei Erwärmung dieses Materials auf seine spezifische Curie-Temperatur wird es paramagnetisch und verliert praktisch seine magnetische Leitfähigkeit. Es gibt zahlreiche Materialien sowie Legierungen auf Eisenbasis, z. B. Silizium- und Nickeleisen, die diese Eigenschaft bei unterschiedlichen Curie-Temperaturen T_C aufweisen. Für den mit der Erfindung durchgeführten Versuch wurde eine 70prozentige Nickeleisenlegierung gewählt, deren Curiepunkt von ca. 610°C den Schaltpunkt der CSSE bedeutet. Die stationäre Betriebstemperatur beträgt ca. 560°C.

Der funktionelle Aufbau der CSSE gemäß Fig. 1 ist wie folgt:

Ein Dauermagnet 1 bildet mit einem weichmagnetischen Gehäuse 2, einem Schaltgewicht 3 und einem Jochteil 4 einen Magnetkreis. Als Magnetwerkstoff für den Dauermagnet 1 wird AlNiCo 450 mit einer Curie-Temperatur T_C=860°C gewählt, da mit diesem bereits Bestrahlungserfahrungen vorliegen. Mit Hilfe einer Shuntbrücke 5 als Nebenschluß läßt sich parallel zum eigentlichen magnetischen Nutzfluß Φ_H′ ein definierter Streufluß Φ_S aufbauen. Dadurch kann ein bestimmter Nutzflußanteil Φ_H′ für das Schaltgewicht 3 eingestellt werden. Das Schaltgewicht 3 schließt im angezogenen Zustand elektrische Kontakte eines Stromkreises 6 für die elektromagnetische Kupplung der Abschaltabsorber-Einheit. Ein (NiFe-)Sensorelement 7 befindet sich direkt im magnetischen Nutzflußanteil Φ_H′ und ist eine Verlängerung des Gehäuses 2, das im Einsatz vom flüssigen Natrium umgeben ist. Erfährt das Sensorelement 7 eine Temperaturerhöhung über seinen Curiepunkt, so wird der magnetische Nutzfluß Φ_H′ im Sensorelement 7 unmittelbar unterbrochen, und annähernd der gesamte magnetische Nutzfluß Φ_H wird praktisch nur noch über den Nebenschluß, d. h. über die Shuntbrücke 5 geleitet. Gleichzeitig fällt das Schaltgewicht 3 ab und unterbricht den Stromkreis 6 der magnetischen Kupplung der Abschaltabsorber-Einheit, was zwangsläufig zum Abfall der Abschaltabsorber-Einheit aufgrund ihres Eigengewichtes führt.

Zur konstruktiven Ausführung wird noch folgendes angemerkt:

Der Dauermagnet 1 sitzt in einem Magnetführungsring 10 und ist mit diesem in das Gehäuse 2 eingelassen. Dieses Gehäuse 2 ist als einseitig geschlossener Zylinder ausgebildet. Der Magnetführungsring 10 steht etwas über den Dauermagneten 1 über und dient in diesem Bereich als Aufnahme für den Jochteil 4, der in der durch die Endbereiche des Magnetführungsrings 10 und des Gehäuses 2 definierten Ebene flanschartig verbreitert bis nahe an das Gehäuse 2 heranreicht. Diese flanschartige Verbreiterung bildet auf den Magnetkreis bezogen einen Shunt 5.

Die Längen des Jochteils 4 und des Sensorelements 7 sind etwa aufeinander abgestimmt. Das Sensorelement 7 ist insoweit als rohrförmiges Gebilde realisiert und bildet - in der Verlängerung des Gehäuses 2 - quasi eine Ummantelung für das Jochteil 4 einschließlich Shuntbrücke 5.

Im Endbereich des Jochteils 4 und damit auch des rohrförmigen Sensorelements 7 ist eine Kontakthalteplatte 8 vorgesehen, die starr mit dem Jochteil 4 verbunden ist und somit ortsfest lagert. Diese Kontakthalteplatte 8 hält die elektrischen Verbindungsleitungen des Stromkreises 6 im gegeneinander isolierten Zustand, d. h. der Stromkreis 6 ist unterbrochen, solange die von der Kontakthalteplatte 8 gehaltenen Verbindungsleitungen nicht über an der zugänglichen Seite der Kontakthalteplatte 8 überstehende Kontakte 9 galvanisch verbunden werden. Die genannten Verbindungsleitungen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel von der Abschlußseite des Gehäuses 2 parallel zum Gehäuse 2 und zum Sensorelement 7 zur Kontakthalteplatte 8 geführt, die an der Gegenseite diese Verbindungsleitungen mit (z. B. Wolfram-)Kontakten 9 verbindet.

Zur Vervollständigung der CSSE kann für das Jochteil 4 eine zusätzliche Hilfsspule 15 vorgesehen werden, die im Bedarfsfall für den Aufbau eines Sekundärmagnetkreises sorgt. Dessen Richtung kann - je nach Polung der Spule 15 - gleich- oder gegensinnig zum dauermagnetischen Nutzfluß Φ_H′ im Sensorelement 7 eingestellt sein. Bei gleichsinnigem Verlauf wird dieser dauermagnetische Nutzfluß Φ_H′ soweit verstärkt, daß das abgefallene Schaltgewicht 3 zurückgeholt werden kann. Andernfalls kann durch umgekehrte Polung der Hilfsspule 15 die Schaltfunktion der CSSE leicht getestet werden.

Die genannte galvanische Verbindung der Kontakte 9 wird im normalen Betriebszustand des Reaktors über das Schaltgewicht 3 hergestellt. Dieses Schaltgewicht 3 ist als zylindrisches magnetisches Teil ausgeführt, das einen Ringflansch aufweist. Die eine Stirnseite des Schaltgewichts 3 liegt dem Jochteil 4 in einem definierten Abstand δ (Luftspalt) gegenüber. In dieser Normalstellung überbrückt der Ringflansch des Schaltgewichts 3 die Kontakte 9 des Stromkreises 6; gleichzeitig ist der Magnetkreis über diesen Ringflansch geschlossen und das Schaltgewicht 3 wird mit einer bestimmten Anziehungskraft F an das Jochteil 4 gekoppelt.

Das Schaltgewicht 3 ist in einer Keramik-Führungsbuchse 11 geführt, die in einem konzentrischen Ring 12 mit Bodenteil 13 gelagert ist. Über die Länge des Schaltgewichts 3 und des Bodenteils 13 reicht eine Hülse 14, die in Verbindung mit dem Sensorelement 7 und dem Gehäuse 2 die CSSE als geschlossene zylindrische Einheit erscheinen läßt.

Der Ringflansch des Schaltgewichts 3 liegt in einer Ringnut der Hülse 14 und kann bei einer Unterbrechung des magnetischen Nutzflußanteils Φ_H′ im Sensorelement 7 (im Störungsfall) abfallen, womit der Stromkreis 6 unterbrochen wird.

Anhand der Fig. 2 und Fig. 3 soll die Anwendung der erfindungsgemäßen CSSE 20 erläutert werden. Die beiden gezeichneten Einbauvarianten sind folgendermaßen aufgebaut:

Eine dreigliedrige Abschaltabsorber-Einheit 21 mit B₄C ist mittels einer elektromagnetischen Kupplung 22 an einem Absorber-Gestänge 23 aufgehängt. Die inhärent sichere Abschaltung bei einem Ansteigen der Natriumtemperatur am Reaktorkern-Austritt wird nun dadurch ausgelöst, daß der Stromkreis 6 zur elektromagnetischen Kupplung mittels der Curiepunkt-gesteuerten selbsttätig wirkenden Schaltereinheit (CSSE) 20 unterbrochen wird. Diese CSSE 20 enthält als Temperaturfühler das zuvor beschriebene Sensorelement aus thermomagnetischem Material, das beim Erreichen seiner Curie-Temperatur die öffnende Schaltfunktion auslöst. Nach Unterbrechen des Stromkreises für die magnetische Kupplung 22 fällt die Abschaltabsorber-Einheit 21 zwangsläufig durch ihr Eigengewicht ab.

Gemäß Fig. 2 ist die CSSE 20 direkt in der Aufhängung der Abschaltabsorber-Einheit 21 integriert. Im Zentrum der Position der Abschaltabsorber-Einheit 21 wird ein Kleinbündel 24 aus 7 Brennstäben untergebracht. Der aus diesem Bündel 24 austretende Natriumstrom umströmt das Sensorelement 7 der CSSE 20, bevor er sich mit dem relativ kalten Natrium zur Absorberkühlung vermischt. Die Absorberstäbe 21 sind ringförmig um das Brennstab-Kleinbündel 24 herum angeordnet.

Gemäß Fig. 3 ist die CSSE 20 räumlich unabhängig von der Abschaltabsorber-Einheit 21 über einem ausgewählten Brennelement 25 angeordnet. Dies könnte mittels eines eigenen Stopfens erfolgen, oder die CSSE 20 wird in die Instrumentierungsplatte integriert. Die Abschaltabsorber-Einheit 21 besteht in diesem Fall aus gelenkig miteinander verbundenen Stabbündeln, die ein ausreichend großes Spiel zum Hüllkasten aufweisen.

Zur Funktionsweise der in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Konfiguration soll - bezugnehmend auf die Beschreibung zu Fig. 1 - an dieser Stelle nur auf folgendes verwiesen werden:

Die CSSE 20 ist jeweils unmittelbar über Brennelementen 24 bzw. 25 eines Reaktorkerns 26 angeordnet und zwar derart, daß der bei einem Störfall ausströmende heiße Strom quasi kanalisiert das zylindrische Gebilde CSSE 20 umströmt. Das zentrale Schaltelement, in Form des thermomagnetischen Sensorelements, wird aufgrund seiner relativ geringen Masse schnell bis zu seiner Curie-Temperatur erwärmt. Damit wird der magnetische Kreis unterbrochen und das Schaltgewicht fällt ab. Damit nun ist der Stromkreis 6 unterbrochen und die magnetische Kupplung ohne Strom. Daraufhin gibt das Absorber-Gestänge die Abschaltabsorber-Einheit frei; sie fällt in den Reaktorkern und unterbricht den Reaktorbetrieb.

In Fig. 4 ist ein Versuchsaufbau einer CSSE dargestellt. Als Dauermagnet 1 wird ein ringförmiger AlNiCo 450-Magnet mit diametraler Magnetisierungsrichtung verwendet. Seine magnetische Flußdichte beträgt im offenen Zustand 0,14 Vs/m²; im eingebauten Zustand wird der Arbeitspunkt bei B_M=0,45 Vs/m² und H_M=4770 A/m angenommen. Bei dem Versuch wurde ein fester Luftspalt von δ=0,23 mm eingestellt.

Der weitere Aufbau der CSSE entspricht im wesentlichen dem Aufbau gemäß Fig. 1.

Der Dauermagnet 1 ist in einer isolierenden Halterung 10′ gelagert, die in einem Gehäuse 2 steckt. An das Gehäuse 2 schließt das ringförmige Sensorelement 7 an, das das Jochteil 4 einschließt, das eine Hilfsspule 15 aufweist. Das Gehäuse 2 schließt etwa in der Ebene der Halterung 10′ ab und geht hier in das Sensorelement 7 über. In dieser Ebene ist auf die Halterung 10′ der Shunt 5 aufgesetzt, der an das Jochteil 4 anschließt und den Streufluß Φ_S definiert.

Das Sensorelement 7 ragt in eine zylindrische Führung 16, in welcher nach Art der Führungsbuchse 11 aus Fig. 1 auch das Schaltgewicht 3 lagert. Im normalen Betriebszustand liegt das Schaltgewicht 3 an den Kontakten 9 des Stromkreises für die magnetische Kupplung der Abschaltabsorber-Einheit an. Der Luftspalt δ zwischen Jochteil 4 und Schaltgewicht 3 bestimmt die Kraft F, mit der das Jochteil 4 und Schaltgewicht 3 gegeneinander gehalten werden.

Fig. 5 zeigt den in einer Versuchsanordnung gemäß Fig. 4 gemessenen Verlauf der Kräfte F als Funktion des Luftspaltes δ. Hierbei sind die Versuchsergebnisse für die CSSE nach Fig. 4 angegeben für die Fälle ohne Shunt () mit Shunt (Δ) und mit Shunt aber ohne Sensorteil (○).

Zum Testen der Schaltfunktion wurde eine kleine Hilfsspule mit 100 Windungen (Cu-Draht: ⌀ 0,4 mm) verwendet.

Bei einem Schaltweg von ca. 1,3 mm wurde eine Stromstärke von 1,3 A (U=1,8 V) benötigt, um das abgefallene Schaltgewicht (ca. 0,56 N) zurückzuholen. Zum Öffnen des Schaltgewichts ist nur eine geringe Stromstärke von ca. 0,2 A erforderlich.

Zusammenfassend wird nochmals folgendes bemerkt: Die Abschalteinrichtung (inhärent sicheres Abschaltsystem) besteht aus zwei Einheiten: einer Ab­ schaltabsorber-Magnetkupplungs-Einheit und einer Curie­ punkt-gesteuerten selbsttätigen Schaltereinheit (CSSE). Das System arbeitet selbsttätig nach dem Prinzip der Curiepunkt-Steuerung. Das heißt, bei Curiepunkt-Überschreitung eines Sensormaterials wird die Abschaltfunktion selbsttätig ausgelöst. Dieses System zeichnet sich - im Vergleich zu den bekannten Systemen - durch eine relativ kurze Ansprechzeit aus, was in der geringeren aufzuheizenden Masse des CSSE-Fühlers (Sensorelement) begründet ist. Zwei Ausführungsvarianten des Gesamtsystems werden aufgrund der flexiblen Einsatzmöglichkeit der CSSE vorgeschlagen. Sie unterscheiden sich durch die Systemanordnungen. In der ersten Ausführung (Fig. 2) wird die CSSE in Absorberstabposition direkt in der Aufhängung der Abschaltabsorber-Einheit integriert. Dabei wird die Natrium-Austrittstemperatur eines zentral untergebrachten 7-Stab-Kleinbündels als Fühlgröße der CSSE definiert. In der zweiten Ausführung (Fig. 3) kann die CSSE räumlich unabhängig von der Abschaltabsorber-Einheit über einem beliebigen Brennelement angeordnet werden. Die Austrittstemperatur dieses Brennelementes ist hier direkte Fühlgröße der CSSE. Als Sensormaterial ist eine 70prozentige Nickeleisenlegierung NiFe 70/30 mit einer Curie-Temperatur T_C=610°C vorgesehen.

Claims (5)

1. Abschalteinrichtung für einen Kernreaktor, bei der die Temperatur des Kernbereichs des Kernreaktors mittels einer temperaturempfindlichen Schaltereinheit überwacht wird, die im Falle des Überschreitens eines Temperaturgrenzwertes den Stromkreis für eine elektro-magnetische Kupplung unterbricht, die im normalen Betriebszustand eine Abschaltabsorbereinheit oberhalb des Kernbereichs hält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinheit (20) ein thermomagnetisches Sensorelement (7) aufweist, daß im normalen Betriebszustand als Zwischenglied zwischen einem Dauermagneten (1) und einem den Stromkreis (6) für die elektro-magnetische Kupplung überbrückenden Schaltgewicht (3) zusammen mit dem Dauermagneten (1) und dem Schaltgewicht (3) einen geschlossenen Magnetkreis (ΦH′) bildet, und das im Störungsfall bei Überschreiten von dessen Curie-Temperatur den Magnetkreis (ΦH′) unterbricht, wodurch das Schaltgewicht (3) abfällt und den Stromkreis (6) für die elektro-magnetische Kupplung (22) unterbricht.

2. Abschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinheit konstruktiv wie folgt ausgebildet ist:

• a) der Dauermagnet (1) mit einem magnetischen Jochteil (4) ist in ein einseitig geschlossenes zylindrisches Gehäuse (2) aus magnetischem Werkstoff eingesetzt,
• b) an das zylindrische Gehäuse (2) ist in Form eines rohrförmigen Gebildes das Sensorelement (7) angesetzt, das das Jochteil (4) umgibt,
• c) an das Sensorelement (7) schließt ein zylindrisches Bodenteil aus unmagnetischem Material (13) an, in welchem das Schaltgewicht (3) geführt ist, das im normalen Betriebszustand den magnetischen Kreis vom Dauermagneten (1) über das Gehäuse (2) und das Sensorelement (7) und das Jochteil (4) schließt und an einer Kontakthalteplatte (8) des Jochteils (4) für den Stromkreis (6) anliegt, und das im Störungsfall abfällt und den Stromkreis (6) unterbricht.

3. Abschalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Jochteil (4) in dem in der Ebene des Endes des Gehäuses (2) liegenden Bereich flanschartig zu einer Shuntbrücke (5) verbreitert ist und über die

• a) im normalen Betriebszustand ein definierter magnetischer Streufluß (Φ_S) und
• b) im Störungsfall nahezu der gesamte magnetische Nutzfluß (Φ_H) fließt.

4. Abschalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Jochteil (4) eine Hilfsspule (15) für den Aufbau eines Sekundärmagnetkreises aufweist, der gleich- oder gegensinnig zum Nutzfluß (Φ_H′) des Dauermagneten (1) im Sensorelement (7) einstellbar ist.

5. Abschalteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das thermomagnetische Sensorelement (7) aus einer 70%igen Nickeleisenlegierung (NiFe 70/30) mit einer Curie-Temperatur von T_C=610°C besteht.