DE1244977B - Hydraulische Einrichtung zum Steuern der Reaktivitaet von Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G21d

Deutsche KL: 21g-21/31

Nummer: 1 244 977

Aktenzeichen: B66112 VIIIc/21;

Anmeldetag: 27. Februar 1962

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Einrichtung zum Steuern der Reaktivität von Kernreaktoren, welche aus den innerhalb eines Druckgefäßes angeordneten, den Kern durchsetzenden und über diesen hinaus zur Bildung von Vorratsbehältern verlängerten, vertikalen, oben und unten innerhalb des Reaktordruckgefäßes endenden Führungsrohren besteht, in denen neutronenabsorbierende Steuerelemente zwischen einer Position, in der sie vollständig in den Reaktorkern eingefahren sind, und einer zweiten Position, in der sie sich vollständig außerhalb des Reaktorkerns befinden, gleiten, die vom Reaktorkühlmittel durchströmt werden und die an einem Ende offen sind, und welche Mehrwegventile aufweist, die den auf einer Seite der Steuerelemente befindlichen Innenraum der Führungsrohre wahlweise mit einem außerhalb des Reaktorkerns angeordneten Sammelbehälter oder mit dem Innenraum des Reaktordruckgefäßes zu verbinden gestatten.

Die Reaktivitätsregelung von Kernreaktoren erfolgt häufig mittels sogenannter Regelstäbe, welche durch ihre vertikale Verschiebung eine Steuerung der Reaktivität bewirken. Jedoch sind hierzu teuere Antriebsvorrichtungen erforderlich, abgesehen davon, daß außerdem an die Regelstäbe hohe Anforderungen bezüglich der Toleranzen gestellt werden, um zu vermeiden, daß sich die Stäbe innerhalb der Stabführung bzw. im Regelkanal verfangen.

Ferner ist es bekannt, für sogenannte Notabschaltungen kugelförmig ausgebildete Absorberwerkstoffe zu verwenden, die in den Kern eingeführt werden, wenn eine solche plötzliche Abschaltung des Reaktors erforderlich wird. Derartige kugelförmig ausgebildete neutronenabsorbierende Elemente können aber in vorteilhafter Weise nicht nur zur plötzlichen Notabschaltung, sondern auch zur geregelten Steuerung der Reaktorreaktivität benutzt werden. Hierbei ist es bekannt, Führungsrohre vorzusehen, welche den Reaktorkern in gleichmäßiger Verteilung über den Querschnitt durchsetzen und über diesen nach oben hinaus verlängert sind. Auf diese Weise ist es möglich, daß die in den Führungsrohren befindlichen neutronenabsorbierenden Steuerelemente zwei verschiedene Positionen einnehmen können, und zwar eine im eingefahrenen Zustand und die andere Position, in der sie sich vollständig außerhalb des Reaktorkerns befinden. Die Steuerelemente gleiten also im Bereich dieser beiden Positionen in Abhängigkeit von den Betriebs-Verhältnissen des Reaktors auf und ab.

Außerdem ist es bekannt, zur Bewegung der Hydraulische Einrichtung zum Steuern der
Reaktivität von Kernreaktoren

Anmelder:

The Babcock & Wilcox Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr. E. Karstedt,

Oberhausen, Lipperheidstr. 30

Als Erfinder benannt:

Donald Carroll Schluderberg,

John Walker Ryon, Lynchburg, Va. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. Februar 1961 (92 281)

neutronenabsorbierenden Steuerelemente in zweckmäßiger Weise das Reaktorkühlmittel zu verwenden, wobei ein Mehrwegventil vorgesehen ist zur Umsteuerung des gleichzeitig als hydraulisches Antriebsmittel dienenden Reaktorkühlmittels. Diese Mehrwegventile können den auf einer Seite der Steuerelemente befindlichen Innenraum der Führungsrohre wahlweise mit einem außerhalb des Reaktorkerns angeordneten Sammelbehälter oder mit dem Innenraum des Reaktordruckgefäßes verbinden.

Die Erfindung bezweckt eine konstruktive Verbesserung und somit Vereinfachung des Betriebes solcher Kernreaktoren. Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß jedes der unten offenen Führungsrohre oben durch ein Mehrwegventil verschlossen und in der Verbindungsleitung zum Sammelbehälter eine Pumpe angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine konstruktive Einsparung, da die Mehrwegventile unmittelbar auf den Führungsrohren angeordnet sind und keine zusätzlichen Leitungen erforderlich sind außer der für das Druckmedium zur Einregulierung der neutronenabsorbierenden Steuerelemente in den Führungsrohren. Von Vorteil ist ferner gegenüber den bekannten Konstruktionen, daß jedes Führungsrohr mit einem Mehrwegventil ausgerüstet ist, so daß eine individuelle Regelung möglich ist. Die in der Verbindungsleitung zum Sammelbehälter des Druck-

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mediums angeordnete Pumpe dient einer weitgehenden Regelung beim Ein- und Ausfahren der neutronenabsorbierenden Steuerelemente.

Weitere Vorteile und Merkmale der neuen Einrichtung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen hervor, die Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darstellen, ohne daß hierauf die Erfindung beschränkt ist. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Kernreaktor,

Fig. la einen vergrößerten Schnitt durch eine die neutronenabsorbierenden Steuerelemente aufnehmende Leitung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 einen Grundriß zur Verdeutlichung der Anordnung der die Absorberelemente aufnehmenden Leitungen,

F i g. 4 einen anderen Grundriß,

Fig. 5 ein Schema einer Ventilanordnung zur Verwendung bei den in F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen.

In Fig. 1 ist mit 10 der eigentliche Kernreaktor bezeichnet, der einen Kern 12 aufweist, wobei unterhalb dieses Kerns 12 eine untere Füllkammer 13 a und oberhalb des Kerns 12 eine obere Füllkammer 13 b vorgesehen ist. In dem Kern 12 sind Brennstoffelemente 14 vorgesehen, wobei das Kühlmittel unter Druck in den Reaktor 10 durch den Einflußstutzen 16 strömt und nach Eintritt in die Füllkammer 13 a, nach Durchfließen des Kerns 12, in die Füllkammer 13 b eintritt, von wo es dann über den Ausflußstutzen 18 zu einem entsprechend ausgebildeten Wärmeaustauscher geführt wird, der, da er nicht erfindungswesentlich ist, in der Zeichnung nicht dargestellt wurde. In diesem Wärmeaustauscher wird die von dem Kühlmittel bei Durchströmen des Kerns 12 abgeführte Wärme abgegeben.

Innerhalb des Reaktors 10 sind weiterhin eine Anzahl von Führungsrohren 20 angeordnet, die sich aus je einem innerhalb des Kerns 12 befindenden ersten Abschnitt 22 und einem darüber angeordneten zweiten Abschnitt 24 zusammensetzen, wobei der Leitungsabschnitt 24 in axialer Verlängerung des ersten Abschnittes 22 vorgesehen ist und sich bis in die obere Füllkammer 13 b erstreckt. Vorzugsweise ist der Leitungsabschnitt 24 etwas langer ausgebildet als der Abschnitt 22.

Jedes der Führungsrohre 20 enthält eine Vielzahl kugelförmiger Körper 26, die im nachfolgenden als neutronenabsorbierende Steuerelemente bezeichnet werden. Der Durchmesser dieser Steuerelemente 26 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Abschnittes 22 bzw. des Abschnittes 24, so daß sich die Kugeln frei in dieser Leitung bewegen können. Die Steuerelemente 26 enthalten ein stark neutronenabsorbierendes Material in einer ausreichenden Menge, um damit den Kern unterkritisch zu halten, wenn sich sämtliche Elemente innerhalb des ersten Abschnittes 22 befinden. Die Steuerelemente 26 selbst können sowohl massiv als auch hohl sein, wobei das neutronenabsorbierende Material in oder auf dem Körper des Elementes vorgesehen sein kann oder sich als gesonderte Masse, z. B. als ein Gas oder ein Pulver, innerhalb des kugelförmigen Elementes befindet. Gemäß einer besonderen Ausführungsform besteht das kugelförmige Element aus 1,5% Bor in rostfreiem Stahl und ist mit einer Chromplattierung auf der Außenseite versehen. Es ■ sind so viele Elemente vorgesehen, um den Abschnitt 22 im wesentlichen damit zu füllen, wobei der Abschnitt 24 der Führungsrohre 20 etwas langer ausgebildet ist, um derart zu ermöglichen, daß sämtliche sich in dem Abschnitt 22 befindenden Elemente in dem Abschnitt 24 aufgenommen werden können, so daß sich dann keinerlei neutronenabsorbierendes Material innerhalb des Kerns 12 des Reaktors befindet.

Das zur Bewegung der kugelförmigen Elemente erforderliche Druckmedium wird über einen Stutzen 28 am unteren Ende des Abschnittes 22 oder durch einen Stutzen 30 am oberen Ende des Leitungsabschnittes 24 eingeführt. Sowohl der erste als auch der zweite Stutzen sind derart ausgebildet, daß sie gleichzeitig die Führungsrohre so verschließen, daß ein ungewolltes Austreten der Steuerelemente aus den Führungsrohren nicht möglich ist, aber dabei derart ausgebildet, beispielsweise hohl, daß der Fluß durch diese Stutzen nicht abgesperrt wird. Die ersten Stutzen 28 sind so ausgebildet, daß sie ein Kühlmittel von der unteren Füllkammer 13 α aufnehmen können oder in diese Füllkammer 13 α austragen, während die zweiten Stutzen 30 jeweils mit einem Mehrwegventil 34 verbunden sind. Erfindungsgemäß ist jedes der unten offenen Führungsrohre 20 oben durch ein Mehrwegventil 34 verschlossen.

Außerhalb des Reaktors 10 liegt ein Sammelbehälter 40, der eine bestimmte Menge des gleichen Mediums, wie es als Kühlmittel für den eigentlichen Reaktor verwendet wird, aufnehmen kann. Eine Verbindungsleitung 44 schließt ferner an einem Ende an den Sammelbehälter 40 an und steht am anderen Ende mit einem Sammler 45 in Verbindung, welcher eine Anzahl Stichleitungen 46 aufweist, die den Sammler 45 mit den Eintritten 36 der Ventile 34 verbinden. Eine Pumpe 47, die in die Leitung 44 eingeschaltet ist, fördert das Druckmedium aus dem Sammelbehälter zu den Mehrwegventilen 34, und zwar mit einem Druck, der höher liegt als der des eigentlichen Kühlmittels für den Reaktor. Der Sammelbehälter 40 ist weiterhin mit einer mit 48 bezeichneten Zuführungsleitung versehen. Außerdem ist es möglich, in die Leitung 44 ein Druckregelungsventil einzubauen, um derart den erforderlichen Druck zum Bewegen der Absorberelemente steuern zu können.

Beim normalen Betrieb des Reaktors wird das Kühlmittel durch den Stutzen 16 eingeführt, durchströmt den Reaktorkern und fließt durch den Stutzen 18 zu einem entsprechenden Wärmetauscher. Normalerweise strömt hierbei das Kühlmittel durch die Brennelemente 14, wobei jedoch ein Teil des Kühlmittels auch durch die Führungsrohre 20 strömt, da die Stutzen 28 an ihrem unteren Ende offen sind.

Vor dem Anfahren des Reaktors liegen alle neutronenabsorbierenden Steuerelemente im ersten Abschnitt 22 der Führungsrohre 20. Bevor der Kern kritisch wird, muß gewöhnlich zumindest einer der ersten Abschnitte von den Steuerelementen entleert werden, um derart eine Kettenreaktion zu schaffen und aufrechtzuerhalten, wobei es möglich ist, daß während des Reaktorbetriebes weitere Abschnitte entleert werden, um derart eine erhöhte Leistung zu erbringen. Auch ist es möglich, daß die Abschnitte wieder mit Steuerelementen gefüllt werden müssen, um derart die Leistung zu drosseln. Wenn die

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Kettenreaktion entweder unter normalen Betriebs- rohre 20 mit Abschnitten 24 und Kanälen 22 vor-.

Verhältnissen oder auf Grund einer Notabschaltung gesehen, die mit kugelförmigen Absorberelementen

angehalten werden soll, dann müssen die Absorber- 26 gefüllt sind. Die Führungsrohre sind ebenfalls,

elemente aus dem zweiten Abschnitt der Leitungen wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, mit

wieder in die ersten Abschnitte gelangen, damit der 5 einem Eintrittsstutzen 28 und einem Austrittsstutzen

Kern unterkritisch wird. Zusätzlich wird während 30 ausgerüstet.

des Reaktorbetriebes ein Kühlmittel dauernd über Die Leitung 150 fördert ein Druckmedium zu den

die Steuerelemente geleitet, und zwar gleichgültig, Leitungen 152 und 154, wobei die Leitung 152 mit

in welchem Abschnitt der Führungsrohre 20 sich die Stichleitungen 156 ausgerüstet ist, die jede mit dem

Steuerelemente befinden, um derart die in und an io Eintritt 36 eines Mehrwegventils 34 verbunden ist.

den kugelförmigen neutronenabsorbierenden Steuer- Die Leitung 154 ist ebenfalls in eine Anzahl von

elementen gebildete Wärme abzuführen. Stichleitungen 158 aufgeteilt, welche mit den Stutzen

Bei Beginn des Betriebes sind die Mehrwegventile 28 in Verbindung stehen. Druckregelventile 160 und 34 derart eingestellt, daß der Austritt 38 geschlossen 162 sind in den Leitungen 152 bzw. 154 angeordnet, und die Eintritte 36 geöffnet sind, so daß das Kühl- 15 Ein Austrittssammler 164 mit einem Entlastungsmittel aus dem Sammelbehälter 40 in die Führungs- ventil 166 ist an einem Ende mit der Leitung 154 rohre 20 gelangt. Da das Kühlmittel aus dem verbunden und steht an seinem anderen Ende mit Sammelbehälter einen höheren Druck als das Kühl- einem Sammelbehälter 168 in Verbindung. Austrittsmittel in der unteren Füllkammer 13 α hat, strömt rohre 170 münden an einem Ende in die Austritte 38 dieses Kühlmittel nach unten durch die Führungs- 20 der Ventile 34 und am anderen Ende in den Ausrohre 20 und mischt sich in der unteren Füllkammer trittssammler 164.

13 α mit dem eigentlichen Kernkühlmittel, wobei Die in F i g. 2 dargestellte Einrichtung arbeitet im

dieses Kühlmittelgemisch dann nach oben durch den wesentlichen entsprechend wie die in Fig. 1 dar-

Kern 12 über und durch die Brennelemente 14 und gestellte. Das Druckmedium bewegt die Steuer-

dann durch den Austritt 18 zum Wärmeaustauscher 25 elemente 126 und trägt sie innerhalb des Abschnittes

strömt. 124 und strömt gleichzeitig über die Elemente, um

Um die Kettenreaktion einzuleiten, werden die deren Wärme abzuführen. Die Druckregelventile 160 Steuerelemente 26 wenigstens aus einem der Füh- und 162 haben die Aufgabe, eine Druckdifferenz rungsrohre 20 aus dem ersten Abschnitt 22 in den herzustellen, so daß der Förderdruck in der Leitung zweiten Abschnitt 24 dadurch gebracht, daß der Ein- 30 152 höher als der in der Leitung 154 ist.
tritt 36 geschlossen und der Austritt 38 des Mehr- In den F i g. 3 und 4 sind zwei Ausführungswegventils 34 geöffnet wird. Durch die Strömung des formen der Anordnung der Führungsrohre innerKühlmittels, welches im Teil 13 α einen höheren halb des Reaktorkerns dargestellt. Beim Reaktor 10 a Druck als im Teil 13& des Kernreaktors aufweist, der Fig. 3 werden die Führungsrohre 20a an werden nunmehr die Absorberelemente aus dem 35 Schnittpunkten der Strömungskanäle um die Brennersten Abschnitt 22 in den zweiten Abschnitt 24 der elemente 14 α angeordnet, während im Reaktor 10 b Führungsrohre eingebracht. Wird die Strömung des nach F i g. 4 eine Anzahl Führungsrohre 20 b innerKühlmittels durch die Führungsrohre 20 aufrecht- halb jedes der Brennelemente 14 b angeordnet ist. erhalten, werden die Absorberelemente in ihrer an- Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 kann eine viel gehobenen Lage gehalten. 40 genauere Regelung der Reaktivität innerhalb des

Ist es erforderlich, die Leistung des Reaktors Reaktors von den einzelnen Brennelementen erreicht herunterzuregeln, so werden die Führungsrohre 20, werden. Über diese Darstellungen hinaus sind weiterin welchen sich die Absorberelemente in dem Ab- hin eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben, die schnitt 24 befinden, dadurch umgeschaltet, daß die Führungsrohre 20 innerhalb des Reaktorkerns vor-Mehrwegventile 34 so geschaltet werden, daß der 45 zusehen.

Austritt 38 geschlossen und der Eintritt 36 geöffnet In F i g. 5 ist ein Mehrwegventil 34 dargestellt, wird, um das unter einem höheren Druck als das welches an Stelle einer Vielzahl von Mehrwegeigentliche Kühlmittel stehende Medium aus dem ventilen gemäß F i g. 1 und 2 verwendet werden Sammelbehälter 40 in die Führungsrohre 20 einzu- kann. Der Ventilkörper 34 ist in eine Oberkammer führen. Hierdurch gelangen die sich im oberen Ab- 50 270 und eine Unterkammer 272 durch eine vertikal schnitt 24 der Führungsrohre 20 befindenden Ab- bewegbare Trennwand 274 eingeteilt, die einen sorberelemente 26 in die unteren Abschnitte 22. mediendichten Abschluß der Ventilwand bildet. Das

Durch die wahlweise Einstellung und Zwischen- Medium mit dem höheren Druck wird zu der Oberregelung der Mehrwegventile 34 kann die Lage der kammer 270 durch den Eintritt 276 gefördert, wäh-Absorberelemente innerhalb der einzelnen Leitungen 55 rend die Unterkammer 272 durch den Austritt 278 für jeden gewünschten Reaktorzustand beliebig ein- in das Innere des Druckbehälters ähnlich wie der geregelt werden. Austritt 38 des Ventils 34 gemäß F i g. 1 mündet.

In der F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform Wahlweise kann die Unterkammer in einen Sammel-

der Einrichtung dargestellt, bei welcher für die Be- behälter 168 durch ein Ventil 34 münden, wie dies wegung der Absorberelemente ein gesonderter 60 in F i g. 2 dargestellt ist. Bei beiden Anordnungen

Druckmediumkreis vorgesehen ist, der beispielsweise entsteht ein Druckabfall in dem Führungsrohr 20, so

Stickstoff enthält. Gemäß der Ausführungsform in daß die Steuerelemente darin nach oben gefördert

F i g. 1 enthält der Reaktor 10 einen Kern 12, der werden können, wenn die Leitung zur Unterkammer

zwischen der Eintrittsfüllkammer 13 α und der Aus- 272 offen ist. Rohre 280 sind an einem Ende mit trittsfüllkammer 13 b angeordnet ist und Brenn- 65 den Führungsrohren 20 verbunden und an ihrem

elemente 14 enthält und außerdem mit einem Kühl- anderen Ende mit den Öffnungen 282, die mit der

mitteleintritt 16 und einem Kühlmittelabführungs- Oberkammer 270 oder der Unterkammer 272 des

stutzen 18 ausgerüstet ist. Ebenfalls sind Führungs- Ventils 34 in Verbindung stehen. Betätigungsvorrich-

tungen 283, die an die Trennwand 274 durch die Welle 286 angeschlossen sind, verlagern dieselbe innerhalb des Ventils. Je nach der Lage der Trennwand 274 werden die Rohre 280 entweder mit der Ober- oder Unterkammer 270 bzw. 272 verbunden, so daß hierdurch die Strömungsrichtung durch die Führungsrohre 20 eingeregelt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Führungsrohre 20 a und 20 6 mit der Oberkammer und die Führungsrohre 20 c, 20 d und 20 e mit der Unterkammer 272 verbunden.

In den Zeichnungen sind die Leitungen vertikal und in ihrer ganzen Länge ausgerichtet dargestellt, jedoch ist es selbstverständlich auch möglich, die Leitungen schraubenförmig auszubilden oder aber die Leitungen so vorzusehen, daß sie innerhalb des Kernbereiches vertikal ausgerichtet sind und der Abschnitt 24 beispielsweise horizontal oder im wesentlichen horizontal vorgesehen wird. Eine gewisse Anzahl der kugelförmigen Absorberelemente kann für die kommerzielle Erzeugung von Spezialisotopen eingesetzt werden. Die Absorberelemente können auch zylindrische, sphärische oder ähnliche Form haben, wobei sie sich aber frei durch die Leitung bewegen können.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hydraulische Einrichtung zum Steuern der Reaktivität von Kernreaktoren, welche aus den innerhalb eines Druckgefäßes angeordneten Kern durchsetzenden und über diesen hinaus zur Bildung von Vorratsbehältern verlängerten, vertikalen, oben und unten innerhalb des Reaktordruckgefäßes endenden Führungsrohren besteht, in denen neutronenabsorbierende Steuerelemente zwischen einer Position, in der sie vollständig in den Reaktorkern eingefahren sind, und einer zweiten Position, in der sie sich vollständig außerhalb des Reaktorkerns befinden, gleiten, die vom Reaktorkühlmittel durchströmt werden und die an einem Ende offen sind, und welche Mehrwegventile aufweist, die den auf einer Seite der Steuerelemente befindlichen Innenraum der Führungsrohre wahlweise mit einem außerhalb des Reaktorkerns angeordneten Sammelbehälter oder mit dem Innenraum des Reaktordruckgefäßes zu verbinden gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der unten offenen Führungsrohre (20) oben durch ein Mehrwegventil (34) verschlossen und in der Verbindungsleitung (44) zum Sammelbehälter (40) eine Pumpe (47) angeordnet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 052 000,

   091 246;
   französische Patentschriften Nr. 1 240 419,

   1249 011.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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