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Hydraulischer oder pneumatischer Antrieb für Regelstäbe von Atomkernreaktoren
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb für Regelstäbe
von Atomkernreaktoren mit einem in einem Führungskanal bewegbaren, stabförmigen
Kolben, an dem der Regelstab befestigt ist, und einem vom Antriebsmittel durchströmten
Spalt zwischen Kolben und Kanalwand. Es sind elektrohydraulische Antriebe bekannt,
bei denen die Regelstäbe hydraulisch bewegt und elektromagnetisch oder mechanisch
in ihrer Regelstellung gehalten werden. So wird beispielsweise bei einem bekannten
hydraulischen Antrieb ein mit dem Regelstab und mit einem elektromagnetisch fixierbaren
Metallstabbündel gekuppelter Kolben in einem Führungskanal bei der Erregung eines
Elektromagneten in seiner Stellung gehalten und bei Entregung des Magneten durch
das Antriebsmittel aufwärts oder abwärts bewegt. Bei diesen bekannten Antrieben
ist der Führungskanal ein Teil eines Reaktorkühlmittel-Nebenkreislaufes, in dem
eine Kühlmittelströmung eingestellt werden kann, die durch betriebsmäßig im Hauptkreislauf
auftretende Druckunterschiede verursacht ist. Bei einem anderen bekannten hydraulischen
Antrieb sind ein mit dem Regelstab gekuppelter Kolben und ein diesen umgebender
Hilfskolben vorgesehen, der zur Weiterbewegung des Regelstabes betätigt werden muß,
damit in den ersten Kolben eingreifende und dadurch den Regelstab in seiner Stellung
haltende Verriegelungselemente außer Eingriff gebracht werden. Auch bei diesem Antrieb
dient das Reaktor-Kühlmittel als Antriebsmittel. Diesen Antrieben haften :die Nachteile
an, daß sie aufwendige und kostspielige Konstruktionen darstellen und daß eine Einstellung
des Regelstabes in eine bestimmte Regelstellung mit Schwierigkeiten verbunden ist.
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Nach einem nichtvorveröffentlichten Vorschlag wird die Menge des durch
die Führungskanäle strömenden Antriebsmittels durch Schieber beeinflußt, die in
einem mit den Regelstäben verbundenen, kolbenartigen Hohlkörper angeordnet sind
und von außen durch eine elektromagnetische Steheinrichtung bewegt werden. Hierfür
sind Elektromagnete erforderlich, die außerhalb der Führungskanäle längsverschiebbar
angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen oder
pneumatischen Antrieb für Regelstäbe zu schaffen, der unter Verwendung einfacher
Mittel konstruiert ist und der den Regelstab in seiner jeweiligen Einstellung unabhängig
von Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit des Antriebsmittels -hält. Gemäß
der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine der beiden den Spalt bildenden
Wandungen ein gezahntes Längsschnittprofil hat und das entsprechende Profil der
anderen Wandung mit mindestens einem in den Spalt ragenden Vorsprung versehen ist.
Mit Vorteil läßt sich in bekannter Weise das Reaktor-Kühlmittel als Antriebsmittel
für den Regelstabantrieb verwenden, wobei die Führungskanäle einen Teil eines Nebenkreislaufes
bilden, in dem eine Kühlmittelströmung durch betriebsmäßig im Hauptkreislauf auftretende
Druckunterschiede verursacht ist. Durch Einstellung der pro Zeiteinheit durch den
Führungskanal strömenden Menge des Antriebsmittels wird der Stab entweder gehoben
oder in der Schwebe gehalten. Bei völliger Drosselung sinkt der Stab infolge seines
Eigengewichtes. Die im Reaktorgefäß liegenden Teile des Antriebs sind wenig störanfällig,
weil sie einfach konstruiert sind und keine mechanisch bewegten Einzelteile enthalten.
Gegen kleine Druckschwankungen ist das System verhältnismäßig unempfindlich. Die
bei größeren Druckschwankungen eintretenden Abweichungen von der Sollmenge können
durch eingebaute Drosselklappen korrigiert werden.
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An Hand der Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel eines Antriebssystems
für einen Regelstab darstellen, soll die Erfindung näher erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt schematisch einen Atomkernreaktor mit einem Regelstabantrieb;
F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines Führungsrohres und den Kopfteil
eines Regelstabes; F i g. 3 bis 6 zeigen verschigdene Ausführungsformen und Zuordnungsarten
der Eindrehungen und der Ansätze;
F i g. 7 bis 10 zeigen die Spaltbreite
in Abhängigkeit von der Stellung des Regelstabes; F i g. 11 stellt einen Steuerschieber
mit drei Schaltstellungen dar, und F i g. 12 bis 14 zeigen die einzelnen Schaltstellungen
des Steuerschiebers.
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In F i g. 1. ist ein Kernreaktor 1 mit einem Kühlmittel-Primärkreislauf
und einem Antriebssystem für Regelstäbe dargestellt. Der Primärkreislauf enthält
Ventile 2, eine Kühlmittelpumpe 3 und einen Wärmetauscher 4. Die Spaltzone 5 des
Reaktors ist von Kühlkanälen 6 durchzogen, in die Brennelemente 7 eingesetzt sind.
Ein Absorberstab 8 befindet sich in einem Führungsrohr 9, das mit einer unteren
öffnung 10 und einer oberen Öffnung 11 versehen ist. Das Führungsrohr 9 ist mit
seinem oberen Ende aus dem Reaktor herausgeführt und ragt mit seinem unteren Ende
in einen mit dem Kühlmittel gefüllten Raum unterhalb der Spaltzone 5. Durch die
untere Öffnung 10 verbindet das Führungsrohr zusammen mit einer an die obere Öffnung
11 angeschlossenen Leitung 13 den Raum 12 unterhalb der Spaltzone mit einem
ebenfalls vom Kühlmittel erfüllten Raum 14 oberhalb der Spaltzone. Auf diese Weise
ist ein Kühlmittelnebenkreislauf gebildet. Im Zuge der Leitung 13 sind ein Schieber
15 und eine Drosselklappe 17 angeordnet, denen ein weiterer Schieber 16 und eine
Drosselklappe 18 parallelgeschaltet sind. Durch den Strömungswiderstand in den Kühlkanälen
6 entsteht im Raum 12 ein höherer Druck als im Raum 14. Durch den Druckunterschied
entsteht bei geöffneten Schiebern 15 oder 16 eine Druckausgleichsströmung im Nebenkreislauf.
Auf einem Abschnitt des Führungsrohres, .der etwa der Höhe der Spaltzone entspricht,
sind radiale Eindrehungen 19 in gleichmäßigen Abständen angeordnet, während
am oberen Ende des Regelstabes 8 beispielsweise vier bundartige Ansätze
20 vorgesehen sind. Der Abstand zwischen den bundartigen Ansätzen entspricht
der Teilung der Eindrehungen im Führungsrohr.
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An den F i g. 3 bis 6 lassen sich die hydraulischen Vorgänge im Führungsrohr
verfolgen. Da die hydraulischen Vorgänge zwischen jeder der Eindrehungen 19 bzw.
der dazwischen stehengebliebenen zylindrischen Teile 21 und den bundartigen
Ansätzen 20 , dieselben sind, ist jeweils nur ein Ansatz 20 dargestellt.
Unter der Voraussetzung, daß die Druckdifferenz zwischen den Räumen 1.2 und
14 wesentlich größer ist als die Verluste im Nebenkreislauf, baut sich bei
geöffnetem Schieber eine zum Heben des Regelstabes ausreichende Strömung auf. Es
sei zunächst angenommen, daß nur ein Schieber, beispielsweise der Schieber
16, vorhanden ist.
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Für die Abwärtsbewegung des Regelstabes ist der Schieber geschlossen,
so daß im Führungsrohr keine Strömung entstehen kann. Infolgedessen sinkt der Regelstab
durch sein Eigengewicht nach unten, wobei das Kühlmittel durch den Ringspalt a verdrängt
wird: In der in F i g. 3 gezeichneten Stellung (schmaler Ringspalt) wird sich der
Stab langsamer bewegen als in der in F i g. 5 dargestellten Stellung (breiter Ringspalt).
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Für die Aufwärtsbewegung des Regelstabes wird der Schieber vollkommen
geöffnet. Die im Führungsrohr einsetzende Strömung staut sich an dem Ansatz 20,
da der schmale Ringspalt nach F i g. 3 nicht in der Lage ist, die Kühlmittelmenge
abzuführen. Dadurch wird der Stab gehoben, wobei sich der Ringspalt über die in
F i g. 4 gezeichnete Breite bis zur Erreichung des Maximums nach F i g. 5 vergrößert.
Jedoch ist auch dieser Ringspalt nicht in der Lage, die Durchflußmenge abzuführen.
Der Regelstab wird aufschwimmen, wobei sich der Ringspalt, wie in F i g. 6 gezeigt,
wieder verkleinert.
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Damit der Regelstab in einer bestimmten Stellung in der Schwebe gehalten
wird, muß der Schieber in eine Stellung gebracht werden, die zwischen der Schaltstellung
»geschlossen« und »vollkommen geöffnet« liegt. Bei richtiger Einstellung des Schiebers
muß die Breite des Ringspaltes zwischen den in F i g. 4 und 5 gezeigten Ringspaltbreiten
liegen, so daß die zugeführte Durchflußmenge gerade vollständig abgeführt wird.
Wenn der Regelstab in einer der in F i g. 3 oder 6 gezeichneten Stellung steht,
wird er durch die Strömung in den Bereich der nächst höher gelegenen Eindrehung
gehoben und nimmt dort eine feste Lage ein. Bei kleinen Druckschwankungen pendelt
der Ansatz 20 des Regelstabes um sehr kleine Beträge im Bereich der Eindrehung.
Zur Vereinfachung der Schiebereinstellung sind nach F i g. 1 zwei auf verschiedene
Durchflußmenge bemessene Schieber 15 und 16 vorgesehen. Bei Betätigung des Schiebers
15 und geschlossenem Schieber 16 wird der Stab aufwärts bewegt, bei Betätigung
des Schiebers 16 und geschlossenem Schieber 15 wird der Stab in der
Schwebe gehalten. Wenn mit erheblichen Druckschwankungen im Kühlmittelkreislauf
zu rechnen ist, ist es empfehlenswert, jedem Schieber eine Drosselklappe
17 bzw. 18 zuzuordnen, welche die jeweils erforderliche Durchflußmenge
selbsttätig konstant hält. Die Schieber 15 und 16 können beispielsweise elektromagnetisch
betätigt werden.
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F i g. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch das Führungsrohr
9 mit eingesetztem Regelstab B. Im Führungsrohr sind Rillen 22 von
halbkreisförmigem Querschnitt angebracht. Die zwischen den Rillen stehengebliebenen
Teile 23 haben etwa dieselbe Breite wie die Rillen. Eine Rille 22 und ein Teil
23 bilden eine Teilung. Jeder Teilung im Führungsrohr ist im Kopfende des
Regelstabes, das gegenüber dem Regelstab verdickt ist, eine ebenfalls halbkreisförmige
Eindrehung 24 zugeordnet. Bei Lagenänderung muß der Regelstab um mindestens eine
Teilung bewegt werden. Damit das Kopfende des Regelstabes sich im Führungsrohr nicht
verklemmen kann, ist der Regelstab mit Führungsschienen 25 versehen. Weitere Ausführungsbeispiele
für die Eindrehungen im Führungsrohr und die Ansätze am Regelstab zeigen F i g.
7 bis 10. So können die Eindrehungen 25 beispielsweise dreieckige oder trapezförmige,
halbkreisförmige oder rechteckige Querschnitte haben. Die Breite b der Eindrehungen
und die Breite c der stehengebliebenen zylindrischen Teile 26 können beliebig gewählt
werden. Die gleichen Formen wie für die Eindrehungen im Führungsrohr können auch
für die Eindrehungen 24 im Kopfende des Regelstabes verwendet werden. Die
Teilung im Kopfende des Regelstabes kann der Teilung im Führungsrohr entsprechen
oder ein Vielfaches davon sein, wie beispielsweise in F i g. 8 angedeutet. Es ist
selbstverständlich auch möglich, im Führungsrohr mindestens einen bundartigen Ansatz
anzubringen und auf einem der zum Regeln erforderlichen Strecke entsprechenden Abschnitt
des Regel-Stabes in gleichmäßigem Abstand zueinander Eindrehungen anzuordnen. Mindestbreite
und Zahl der
Ringspalte sind den jeweiligen hydraulischen Verhältnissen
anzupassen. Die Eindrehungen und die Ansätze können radial angeordnet oder als Gewinde
ausgeführt sein. Im letzteren Falle kann durch Anbringung von axialen Gleitschienen
zwischen Kopfende des Regelstabes und Führungsrohr eine evtl. störende radiale Strömung
in den Gewindegängen unterbunden werden. Diese axialen Gleitschienen können gleichzeitig
als Verdrehsicherung dienen.
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Für die Eindrehungen nach F i g. 7 können beispielsweise folgende
Abmessungen gewählt werden: Spaltbreite a etwa 0,1 bis 0,3 mm, Breite c etwa 1 bis
5 mm, Breite b etwa 2 bis 4 mm.
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An Stelle der beiden nach F i g. 1 verwendeten Schieber 15 und 16
kann beispielsweise auch ein Steuerschieber für drei Schaltstellungen nach F i g.
11 verwendet werden. In einem zylindrischen Gehäuse 27 sind zwei Kolben 28, 29 auf
einer gemeinsamen Achse 30 angeordnet, die mit zwei Magnetankern 31, 32 verbunden
ist. Der Anker 31 ist beweglich auf der Achse 30 angeordnet. Der Mindestabstand
zwischen den beiden Ankern 31 und 32 ist durch einen abgesetzten Teil
36 der Welle festgelegt. Die beiden Anker sind zwei voneinander unabhängig
einschaltbaren Magnetspulen 33 und 34 zugeordnet. Das zylindrische Gehäuse 27 ist
durch eine Rohrleitung 37 mit dem Führungsrohr und durch zwei Rohrleitungen 38 und
39 mit dem Primärkreislauf verbunden. Die Rohrleitung 38 hat den gleichen Querschnitt
wie die Rohrleitung 37, während die Rohrleitung 39 einen kleineren Querschnitt hat,
der so bemessen ist, daß die Durchflußmenge gerade ausreicht, den Regelstab in der
Schwebe zu halten. Außerdem ist eine Feder 40 vorgesehen, die den Schieber
bei Abschaltung und bei Ausfall der beiden Magnete in die in F i g. 12 dargestellte
Lage bringt. In dieser Lage ist das Kühlmittelzuführungsrohr 37 durch den Kolben
29 versperrt. Wird der Elektromagnet 33 eingeschaltet, so wird die Welle 30 so weit
nach rechts verschoben, daß der Kolben 29 die Rohrleitung 38 sperrt. Das Kühlmittel
strömt jetzt, wie durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet, durch die Rohrleitung
39 ab (F i g. 13). Bei der in F i g. 14 dargestellten Stellung des Schiebers ist
die Magnetspule 34 eingeschaltet, und der Kolben 28 verschließt die Rohrleitung
39. Infolgedessen strömt das Kühlmittel durch die Rohrleitung 38 ab. Dadurch wird
der Regelstab gehoben. Die Schieber können auch auf andere Weise betätigt werden,
z. B. elektromotorisch.