DE3622051A1 - Kernreaktor mit hydraulisch betaetigten steuerstabbuendeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft mit leichtem Wasser gekühlte und moderierte Kernreaktoren und insbesondere Druckwasser­ kernreaktoren. Genauer gesagt betrifft die Erfindung Kern­ reaktoren mit einem mit einem Verschlußdeckel versehenen Druckbehälter, einem Reaktorkern, bestehend aus neben­ einander vertikal in dem Behälter angeordneten Brennelement­ kassetten, Steuerstabbündeln, die mit Mechanismen versehen sind, die es ermöglichen sie vertikal zwischen einer tiefen Lage, in der sie im Kern eingetaucht sind und einer hohen Lage, in der sie sich außerhalb des Kerns befinden, ver­ schoben werden können und mit einer am Behälter befestigten inneren Struktur, die oberhalb des Kerns angeordnet ist und Führungsorgane für die Steuerstabbündel aufweist.

Eine solche Anordnung ist aus der EP-A 54 788 bekannt, wonach die besagten Mechanismen Zylinder und hydraulische Kolben-Zylinder-Einheiten aufweisen, die oberhalb des Deckels angeordnet sind. Eine solche Anordnung hat Nach­ teile. Sie erhöht die Anzahl der aktiven Organe, die ober­ halb des Druckbehälters plaziert sind. Sie erzeugt hohe thermische Verluste und erfordert den Einsatz langer Be­ tätigungsstangen.

Wenigstens bestimmte Steuerstabbündel bestehen aus Stäben, die ein neutronenabsorbierendes Material enthalten, was es ermöglicht, den Reaktor zu steuern und/oder dessen Sicherheitsfunktion zu gewährleisten. Die Steuerstabbündel werden im allgemeinen jeweils mittels eines elektromechani­ schen Mechanismus betätigt, der in einer oberhalb des Deckels angeordneten Hülse enthalten und mit einer Verlängerung versehen ist, die den Deckel in abgedichteter Weise durchquert. Es sind ebenfalls Reaktoren bekannt, die zusätzlich zu den Bündeln aus Absorberstäben Bündel aus Stäben einer anderen Art aufweisen, die z. B. dazu verwendet werden, das Energiespektrum der Neutronen im Kern zu modifizieren. Diese letzteren Bündel können ins­ besondere aus Stäben bestehen, die ein brütbares Material enthalten. Dieselbe Brennelementkassette kann mit einem Bündel des ersten Typs und einem Bündel des zweiten Typs versehen sein. Die Bündel des zweiten Typs sind im allge­ meinen vorgesehen, um während des Beriebs des Reaktors die eine oder andere ihrer beiden Extremlagen einzunehmen. Es wurde vorgeschlagen, denselben Mechanismus zur Steuerung der beiden Bündel zu verwenden (FR-A-2 537 764). Ein Nach­ teil dieser Lösung besteht darin, daß zwischen den Bewe­ gungen der beiden Bündel Interferenzen auftreten können.

Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, eine unabhängige hydrau­ lische Steuerung für den zweiten Bündeltyp zu verwenden, in dem als Antriebsdruck der Druck verwendet wird, der im Inneren des Druckbehälters herrscht. Wenn jedoch eine koaxiale Montage erfolgt, ergibt sich daraus eine relativ komplexe Einrichtung. Wenn zwei Mechanismen Seite an Seite montiert werden, gelangt man nicht zu einer perfekten Symmetrie und die Anzahl der Durchbrüche durch den Deckel verdoppelt sich. Keine der bekannten Lösungen ist somit vollständig befriedigend, insbesondere wenn Steuerstab­ bündel auf einem großen Teil der Brennelementkassetten vorgesehen werden sollen. Die große Anzahl der Durchbrüche führt darüber hinaus zu großen thermischen Verlusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kernreaktor der oben beschriebenen Art mit hydraulischen Steuermechanis­ men für diejenigen Bündel, die einfach zwischen einer ihrer Extremlagen in die andere verschoben werden, anzugeben, bei dem die erforderlichen Durchbrüche auf einfache Durch­ gänge einer Kanalisation reduziert werden. Ferner sollen die thermischen Verluste reduziert werden, die Steuer­ mechanismen vereinfacht und die Montage erleichtert werden.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Danach betrifft die Erfindung einen gattungsgemäßen Kern­ reaktor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die mit den Steuerstäben verbundenen Mechanismen zum Verschieben der Stäbe zwischen zwei Extremlagen jeweils einen vertikal angeordneten Zylinder aufweisen, der zur inneren Struktur des Reaktors gehört und mit einem Kolben, an dem eine Stabgruppe hängt, die zu einem Bündel gehört oder dieses bildet, eine Arbeitskammer begrenzt, die über eine den Deckel durchquerende Leitung und ein Verbindungsventil mit einem Raum verbunden ist, der mit einem niedrigeren Druck beaufschlagt ist, als der, der im Druckbehälter herrscht.

Aufgrund dieser Anordnung befindet sich kein aktives Element des hydraulischen Steuermechanismus außerhalb des Druck­ behälters.

Jedes mit einer Kassette verbundene Bündel kann in mehrere Gruppen, oder Untergruppen unterteilt sein, wobei die Gruppen in gleichförmige Sektoren um die Achse der Kassette verteilt und jeweils mit einem Zylinder versehen sind, der eine eigene Arbeitskammer begrenzt und die Zen­ trierung der Führungskarten der Stäbe der Gruppe sicher­ stellt. Bei einer rechteckigen Brennelementkassette werden vorzugsweise Bündel verwendet, die aus vier Gruppen bestehen. Die Arbeitskammern der vier verbundenen Zylinder können an ein und dasselbe Ventil angeschlossen sein, was zu einer simultanen Betätigung der Gesamtheit der Gruppen führt, jedoch die Anzahl der erforderlichen Leitungen pro Brennelementkassette, die den Deckel durchqueren müssen, auf eins reduziert. Es kann ebenfalls pro Zylinder eine Leitung und ein Ventil vorgesehen werden.

Jeder Zylinder und jeder darin enthaltene Kolben weisen im allgemeinen zusammenwirkende Verriegelungsorgane für den Kolben und damit für die Stabgruppe, die von ihm ge­ tragen wird, zur Verriegelung in der oberen Lage, auf. Diese Verriegelungsorgane dienen im allgemeinen zum automa­ tischen Ankuppeln am Hubende. Die Verriegelungsorgane können durch eine getrennte Steuerung, z. B. einer elektro­ magnetischen Steuerung, lösbar sein, oder einfach so kali­ briert sein, daß sie unter der Einwirkung einer Kraft, die sich zu dem Gewicht einer Stabgruppe addiert und durch Beaufschlagung der Arbeitskammer mit einem Überdruck ausge­ übt wird, sich lösen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung einer besonderen Ausführungsform in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Schnitt durch einen Teil eines Kernreaktors nach einer Aus­ führungsform, bei der mindestens bestimmte Brennelementkassetten ein Steuerstabbündel aufweisen, das elektromechanisch betätigt wird und ein zweites Steuerstabbündel, das hydraulisch betätigt wird, wobei die relative Anordnung der beiden Bündel zu­ einander der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht wahrheitsgetreu wiedergegeben ist,

Fig. 2 eine in Realität mögliche Anordnung zweier Bündel im Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2.

Der Kernreaktor, von dem ein Teil in Fig. 1 gezeigt ist, weist einen Druckbehälter 10 auf, der durch einen Deckel 12 verschlossen ist mit einem Rohrleitungssystem (nicht gezeigt) für den Ein- bzw. Auslaß des Leichtwassers, das das Kühlmittel und den Moderator darstellt. Eine Hülle 14 bildet gleichermaßen den Träger des Reaktorkerns und ist am Druckbehälter 10 befestigt. Sie begrenzt mit dem Druckbehälter einen absteigenden Wasserlauf für das Wasser, das von den Eingangsrohren herrührt. Der Druckbehälter weist ebenfalls eine Trägerstruktur für die inneren oberen Einrichtungen des Reaktors auf. Diese Struktur 16 bildet einen Kasten und weist zwei aneinandergefügte Platten 18 und 20 auf, die an ihren Rändern mittels Verankerungs­ elementen, die weiter unten beschrieben werden, miteinan­ der verbunden sind.

Oberhalb des Reaktorkerns ist eine obere Platte 22 des Kerns angeordnet. Der Kern besteht aus einer Aneinander­ reihung vertikaler Brennelementkassetten 24. Im folgenden sei angenommen, diese Brennelementkassetten würden einen quadratischen Querschnitt aufweisen und ein Brennstabbündel beinhalten, wobei die Brennstäbe an den Kreuzungspunkten eines ebenfalls quadratischen Gitters angeordnet seien, und wobei einige dieser Kreuzungspunkte des Gitters durch Führungsrohre belegt sind oder einfach Führungsrohre und Brennstäbe aus diesen Lagen entfernt sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Brennelementkassette 24 weist einer­ seits ein Steuerstabbündel eines ersten Typs auf, das mit einem progressiv arbeitenden elektromagnetischen Klinken­ mechanismus bekannter Art versehen ist. Andererseits weist die Brennelementkassette 24 ein Bündel eines zweiten Typs mit hydraulischer Steuerung auf. Die beiden Bündel werden in einer Führung verschoben, die aus zwei Hülsen 26 und 28 besteht. Die Hülse 26, die zwischen den Platten 18 und 20 angeordnet ist, bildet eine Zwischenwand, die die Platten verbindet und die Steifigkeit der Trägerstruktur 16 erhöht. Die Hülse 28 ist an der Platte 20 aufgehangen. Sie endet in unmittelbarer Nähe der oberen Platte 22 des Kerns, indem sie durch nicht gezeigte Stifte zentriert wird.

Das Bündel des ersten Typs besteht gewöhnlicherweise aus Stäben, die ein neutronenabsorbierendes Material enthalten ohne neue Spaltungen zu provozieren (Stäbe, die oft "schwarze" oder "graue" Stäbe, je nach dem Grad der Absorption, genannt werden). Die Stäbe sind an einem Kopf 30 aufgehangen, der mittels nicht gezeigter Organe an einer Steuerstange 32 befestigbar ist, die wiederum mit dem elektromechanischen Mechanismus 34 verbunden ist, der oberhalb des Deckels 12 angeordnet ist. Die Stange durchquert den Deckel durch eine Dichthülse 36.

Die bis hierhin beschriebene Anordnung ist im ganzen klassisch und es ist daher nicht notwendig, sie im Detail zu beschreiben. Das beispielsweise in den Fig. 2 und 3 gezeigte Bündel weist zwölf Stäbe 38 auf, die mit dem Kopf 30 über eine kreuzförmige Struktur, bzw. eine "Spinne" 40 verbunden sind. Die Absorberstäbe 38 werden im Inneren der Hülle 26 und dem Inneren des oberen Teils der Hülle 28 durch Keile 42 geführt, die entlang der Hülse (Fig. 2) verteilt sind. In dem unteren Teil der Hülse 28, unterhalb einer Zwischenwand 44 sind die Absorberstäbe 38 einzeln durch Rohre 46 geführt, die an der Zwischenwand 44 befestigt sind. Unterhalb der Zwischenwand 44 weist die Hülse 28 große seitliche Öffnungen auf, die es dem aus der Brenn­ elementkassette austretenden Wasser erlauben, in den Sammler­ raum zu strömen, der oberhalb der oberen Platte des Kerns 22 vorgesehen ist und der oft "Austrittsvolumen" genannt wird. Das Wasser zirkuliert somit entlang der mittels der Pfeile f angedeuteten Richtungen zum Ausgangsrohr­ system, das nicht gezeigt ist. Eine vollständigere Beschrei­ bung dieser Montage läßt sich der FR-PS 21 68 564 entnehmen.

Das Bündel des zweiten Typs ist in vier identische Gruppen oder Unterbündel unterteilt, die gleichmäßig um die Achse der Hülse 26 verteilt angeordnet sind. Jedes Unterbündel und jeder zugehörige Verschiebemechanismus sind identisch. Im folgenden wird nur eine Untergruppe 48 beschrieben. Sie weist einen Kopf 50 auf, an dem die Stäbe 52 befestigt sind. Diese Stäbe können insbesondere brütbares Material oder ein inertes Material mit geringer Neutronenabsorption aufweisen, das es ermöglicht, das Energiespektrum der Neutronen im Kern zu modifizieren. Sie können ebenfalls aus einem absorbierenden Material bestehen, das sich von dem der Bündel des ersten Typs unterscheidet oder aus spaltbarem Material, das einen anderen Anreicherungsgrad aufweist, als das in den Stäben der Kassetten 24 enthaltene Material.

Die Stäbe der Unterbündel 48 sind unterhalb der Zwischenwand 44 durch Rohre 53 geführt, die den Rohren 46 ähnlich sind.

Der Verschiebemechanismus eines jeden Unterbündels weist einen Zylinder 54 auf. Dieser Zylinder hat einen an der Platte 18 befestigten Kopf und einen rohrförmigen Körper, der sich bis zur Zwischenwand 44 erstreckt, an der er befestigt ist. Die Zwischenwand 44 weist Öffnungen auf, die das Innere des rohrförmigen Körpers mit dem Kernvolumen verbindet.

In dem Zylinder 44 ist ein mehrstufiger Kolben 56 montiert, der mit Dichtabschnitten 58 versehen ist und der zusammen mit dem Zylinder 54 eine Arbeitskammer 60 begrenzt. Der Kopf 50 ist über ein Gelenk 62 an dem Kolben 56 aufgehangen. Die Arbeitskammer 60 ist mit dem Außenraum des Druckbe­ hälters über eine Leitung mit zwei Abschnitten 64 und 66 verbunden. Der Abschnitt 64 ist an der Platte 18 be­ festigt und erstreckt sich von letzterer aus nach oben. Der Abschnitt 66 durchquert den Deckel 12. Die Abschnitte 64 und 66 tragen die Elemente einer gleitenden Verbindungs­ manschette 68, die mindestens eine relative Dichtigkeit sicherstellt. In der Praxis genügt es eine abgestufte Riffelung vorzusehen, um eine ausreichende Dichtheit zu gewährleisten. Jeder Leitungsabschnitt 65 ist mit einem Ventil 70 verbunden, das es erlaubt, den Abschnitt zu isolieren oder ihn an einen inneren Behälter 72 anzuschließen, in dem ein Druck herrscht, der niedriger ist als der Druck im Reaktor.

Der Zylinderkopf und der Kolben 56 tragen zusammenwirkende Verriegelungsorgane für das Unterbündel in der oberen Lage. Die in den Fig. 1 und 3 gezeigten Organe weisen mehrere elastische Finger 74 auf, die jeweils mit einem Verriegelungsvorsprung versehen ist, der sich mit einer Hülse 76 verhaken kann, die auf dem Zylinder angebracht ist. Diese Hülse kann in zwei Lagen drehbar angeordnet sein, gemäß einer bekannten und hier nicht gezeigten An­ ordnung. Das Eingreifen des Endstücks mit geringem Durch­ messer des Kolbens in eine Öffnung des Zylinderkopfes garantiert am Hubende des Kolbens eine Zentrierung, die unter günstigen Bedingungen erfolgt.

Ein Klappenpaar 78 und 80, von denen eine vom Kolben und die andere vom Zylinderkopf getragen werden, ermöglichen den unteren Teil des Zylinders mit der Arbeitskammer 60 und den oberhalb der Platte 18 gelegenen Bereich miteinander in Verbindung zu bringen, während das Unterbündel in der oberen Lage ist. Die beiden Klappen werden jeweils mittels Federn in ihrer Schließstellung gehalten. Die Klappe 78 wird durch einen Schieber 82 verlängert, der am oberen Hubende des Kolbens mit dem beweglichen Teil der Klappe 80 in Berührung kommt und die erzwungene Öffnung der beiden Klappen bewirkt.

Die Stäbe der Unterbündel 48 sind mit Führungsorganen versehen, die zusätzlich zu den Rohren 53, die eine stetige Führung im unteren Teil der Hülse 28 gewährleisten, unter­ brochene Führungsorgane aufweisen. Diese Führungsorgane können verschiedenartig ausgebildet sein. Sie müssen im allge­ meinen teleskopisch aufgebaut sein, derart, daß sie den Kolbenweg nach unten im Zylinder nicht begrenzen. Die beispielsweise in Fig. 3 gezeigten Führungsorgane weisen eine erste Stangengruppe 84 auf, wobei die Stangen am kreuzförmigen Kopf 50 befestigt sind und in einer Platte 86 gleiten. Diese Platte ist selbstgleitend in dem Zylinder 54 angeordnet. Sie weist Öffnungen auf, in denen die Stäbe der Unterbündel 48 gleiten. An der Platte 86 ist eine zweite Führungsstangengruppe 88 befestigt, deren Stangen in einer Platte 90 gleiten.

Die beiden Stangengruppen (die Stangen 84, die am Kopf 50 befestigt sind und die Stangen 88, die an der Platte 90 befestigt sind) befinden sich jeweils auf der gleichen Höhe, wenn der Kopf des Bündels, der nach unten geführt ist, die beiden Platten 90 und 86 oberhalb der Zwischenwand 44 aufeinandergelegt hat. Die beiden Stangengruppen 84 und 88 sind somit in bestimmten Rohren der kontinuierlichen Führungsvorrichtung gelagert, die zu diesem Zweck vorge­ sehen sind. Die Durchlässigkeit der Platten 86 und 90 hinsichtlich des langsamen aufsteigenden Kühlmittelflusses ist derart, daß lediglich die unteren Enden der Stangen, die dazu dienen den Stangenhub (Fig. 3) zu begrenzen, das Anheben der Platten gewährleisten.

Um die Funktionsweise der oben beschriebenen Ausführungs­ form zu erläutern, genügt es kurz anzugeben, wie das Anheben und das Absenken eines Unterbündels erfolgt. Während ein Unterbündel sich in der unteren Position befindet, genügt es die zugehörige Arbeitskammer 60 an den Behälter 72 anzuschließen, um dessen Anheben zu bewirken. Der Druckunter­ schied, der sich zu beiden Seiten des Kolbens 56 einstellt, bewirkt das Anheben des Unterbündels. Die Öffnungen in der Zwischenwand 44 können derart dimensioniert werden, daß sie die Hebegeschwindigkeit begrenzen. Während der Kolben in der Nähe seiner Verriegelungsposition ankommt, öffnen sich die Klappen 78 und 80, was den Druckunterschied weiter vermindert. Wenn das Einhaken erfolgt ist, genügt es das Ventil 70 zu schließen.

Um das Ausklinken der Unterbündel und deren Absenken zu bewerkstelligen, sind mehrere Lösungen denkbar. Insbesondere kann das Ventil 70 einen dritten Weg aufweisen, der es erlaubt, den Abschnitt der Leitung 66 an einen Behälter anzuschließen, der mit einem Behälter verbunden ist, der mit einem größeren Druck beaufschlagt ist als der Druckbe­ hälter 10, derart, daß eine Kraft erzeugt wird, die die elastische Verriegelungswirkung der Finger 74 übersteigt. Das Unterbündel sinkt dann unter der Wirkung seines Eigen­ gewichts ab.

Claims (9)

1. Kernreaktor mit einem Druckbehälter (10), der mit einem Verschlußdeckel (12) versehen ist, einem Reaktorkern, der nebeneinander in dem Druckbehälter angeordnete vertikale Brennelementkassetten (24) aufweist, mit Steuerstabbündeln, die mit Mechanismen versehen sind, die deren vertikale Verschiebung zwischen einer unteren Lage, in der die Stäbe in den Kern eingetaucht sind und einer oberen Stellung, in der die Stäbe außerhalb des Kerns liegen, ermöglicht und mit einer an dem Druck­ behälter befestigten inneren Struktur (16), die oberhalb des Reaktorkerns angeordnet ist und Führungsorgane für die Bündel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Bündeln eines ersten Typs verbundenen Mechanismen jeweils einen vertikalen Zylinder (54) aufweisen, der der inneren Struktur des Reaktors zuge­ ordnet ist und mit einem Kolben (56), an dem eine Stab­ gruppe aufgehangen ist, die zu einem Bündel gehört oder dieses bildet, eine Arbeitskammer (60) umgrenzt, die mittels einer den Deckel durchquerenden Leitung (64, 66), und einem Verbindungsventil (70) mit einem Raum (72) verbunden ist, in dem ein niedrigerer Druck herrscht als in dem Druckbehälter.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder und der Kolben miteinander zusammen­ wirkende mechanische Verriegelungsorgane aufweisen, zum Verriegeln des Kolbens in der oberen Lage.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben und der Zylinder Klappen (78, 80) tragen, die mit elastischen Schließorganen versehen sind und so angeordnet sind, daß sie sich in der oberen Lage des Bündels wechselseitig öffnen und die Arbeitskammer (60) mit dem Inneren des Druckbehälters in Verbindung setzen.

4. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung einen am Zylinder befestigten Abschnitt und einen Abschnitt aufweist, der den Deckel durchquert, wobei beide Abschnitte durch eine Gleitmanschette mit­ einander verbunden sind.

5. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Struktur einen Kasten aufweist, der von dem Druckbehälter getragen wird, wobei der Kasten eine obere Platte und eine untere Platte aufweist, die mittels Verbindungshülsen (26) miteinander verbunden sind, wobei jede Hülse den oberen Teil der Bündelführung bildet, deren unterer Teil zwischen dem Kasten und der oberen Platte des Reaktorkerns angeordnet ist.

6. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stabgruppe mit Führungsorganen versehen ist, die am Kolben befestigte Stangen aufweisen, die in Führungsplatten (86, 90) gleiten, die in dem Zylinder zentriert angeordnet sind.

7. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Bündel des ersten Typs mehrere Gruppen aufweist, die regelmäßig um eine entsprechende Brenn­ elementkassette herum angeordnet und jeweils mit dem Kolben eines Zylinders verbunden sind, der gegebenen­ falls unabhängig von den anderen an ein Steuerventil (70) angeschlossen ist.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens bestimmte der Brennelementkassetten zusätzlich zu einem Bündel des ersten Typs ein Bündel eines zweiten Typs aufweisen, das aus Stäben besteht, die durch einen elektromagnetischen Mechanismus zwischen den Zylindern der Gruppen verschiebbar sind.

9. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe der Gruppen ein Material enthalten, mit dem das Energiespektrum der Neutronen im Reaktorkern variiert werden kann.