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Antriebsanordnung für einen Kontrollstab eines gas- oder wassergekühlten
Kernreaktors Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für Kontrollstäbe
von gas- oder wassergekühlten Kernreaktoren, die in einem im Deckel des Reaktortanks
befestigten Führungsrohr untergebracht ist und aus getrennten, auf eine Hubstange
wirkenden Antrieben für den Regelhub und den Schnellabschalthub des an derHubstange
angekuppelten Kontrollstabes dient. Derartige Kontrollstabanordnungen sind mitferngesteuertenAntriebsvorrichtungen
für die Regelung des Kernreaktors und mit einer davon völlig getrennten, im Notfalle
auslösbaren Antriebsvorrichtung für die Schnellabschaltung versehen. Der Antrieb
für die Schnellabschaltung muß völlig unabhängig von anderen Schaltgliedern über
eine eigene Kraftquelle verfügen, die auch auf Grund des Ausfalles von Kupplungen
oder dergleichen übertragungselementen in jedem Falle auch dann zur Wirksamkeit
gebracht werden kann, wenn die Energieversorgung gestört ist.
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Es sind Antriebsanordnungen für Kontrollstäbe gas- oder wassergekühlter
Kernreaktoren bekannt, die aus einem durch den Deckel des Reaktordruckgefäßes hindurchführenden
Führungsrohr, aus zwei getrennten, eine an den Kontrollstab angekuppelte Hubstange
verschiebenden Antrieben für den Regel-und den Schnellabschalthub und einer im Sinne
des Abschalthubes vorgespannten, innerhalb des Führungsrohres angeordneten und sich
mit dem einen Ende auf ein an der Hubstange befestigtes Widerlager abstützenden
Schraubenfeder bestehen.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine in einem stabförmigen
Führungsrohr unterzubringende Vorrichtung zu schaffen, die einen elektromotorisch
angetriebenen Regelantrieb und einen Federantrieb für die Schnellabschaltung in
der Weise zusammenfaßt, daß der selbständige und unabhängige Federkraftantrieb in
betriebssicherer Weise unter Abkuppeln des Kontrollstabes von den Regelantriebsgliedern
zur Wirkung gebracht werden kann.
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Ausgehend von solchen bekannten Vorrichtungen besteht die Erfindung
darin, daß das zweite Widerlager, an dem das andere Ende der Schraubenfeder anliegt,
einer der beiden relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbaren Bauteile
eines durch den Regelhubantrieb im Führungsrohr in axialer Richtung in seiner Gesamtheit
bewegten zweiteiligen Kolbens ist, der über eine mit Hilfe der auf den Kolben einwirkenden
Druckdifferenz betätigte, lösbare Kupplung im Normalbetrieb mit der Hubstange verbunden
ist.
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Unabhängig von der Größe des Regelhubes bzw. der Stellung des Kontrollstabs
im Reaktorkern ist die Antriebsfeder für den Schnellabschaltantrieb stets gleich
stark zwischen einem an der Kontrollstab-Hubstange befestigten Widerlager und einem
zweiten, lösbar mit der Hubstange gekuppelten Widerlager eingespannt, welches mit
einem in einem Zylinder geführten Verstellkolben in Verbindung steht. Der Verstellkolben
ist betriebsmäßig druckmittelbeaufschlagt und dadurch gegenüber dem Verstellstück
dauernd in einer bestimmten Endlage gehalten. In dieser Lage ist die Kupplung zwischen
der Hubstange und dem Verstellkolben stets eingerückt. Die Anordnung ist so getroffen,
daß der Verstellkolben jeder Bewegung des durch den Regelantrieb bewegten Verstellstückes
folgt. Dies geschieht dadurch, daß der Verstellkolben bei einer Regelhubbewegung
entgegen der Druckkraft des Druckmittels von dem Bewegungsgetriebe formschlüssig
mitgenommen und daher zwangläufig verstellt wird, während die Verstellbewegung des
Kolbens in entgegengesetzter Richtung kraftschlüssig unter der Druckwirkung des
den Kolben beaufschlagenden Mediums geschieht, so daß der Kolben der Bewegung des
Verstellstückes folgt. Da die Hubstange mit dem Kontrollstab betriebsmäßig gekuppelt
ist, wird die Regelbewegung über diese Stange auf den Kontrollstab übertragen.
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Um den Kontrollstab zuverlässig und betriebssicher im Falle einer
Schnellabschaltung einzufahren, ist es erforderlich, die Kupplung zwischen der Hubstange
und dem Federwiderlager zu lösen. Bei Verwendung einer an sich bekannten Kugelkupplung,
bei der die die Hubstange mit dem Federwiderlager kuppelnden Kugelkörper durch einen
Relativhub des Verstellkolbens in einen Ringraum austreten, wird die Auslösung der
Kupplung durch die Relativverschiebung des Verstellkolbens gegenüber dem Versteilstück
hervorgerufen. Durch das Ausrücken der Kupplung wird der dauernd in Bereitschaft
befindliche
Federantrieb auf das mit der Kontrollstabstange verbundene
Federwiderlager wirksam und treibt den Kontrollstab in den Reaktorkern.
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Bei Normalbetrieb ist der Verstellkolben dauernd mit einem Druck beaufschlagt,
der 5 bis 10 atü höher ist als der Reaktordruck. Dadurch wird der Verstellkolben
stets in einer Endstellung zum Verstellkörper gehalten, in der die Kupplung zwischen
Hubstange und Federwiderlager eingerückt ist.
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Wenn die Schnellabschaltung in Tätigkeit gesetzt werden soll, ist
eine Relativverschiebung zur Auslösung der Kupplung erforderlich, was durch Umschalten
des den Verstellkolben beaufschlagenden Druckmediums auf die andere Kolbenfläche
geschieht. Dadurch verläßt der Kolben seine die Kupplung in Einrückstellung haltende
Endlage.
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Als Druckmittel wird zur Beaufschlagung des Verstellkolbens Druckwasser
oder Gas von einem um 5 bis 10 atü höheren Druck als dem Reaktordruck verwendet.
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Infolge der Druckdifferenz von 5 bis 10 atü gegenüber dem auf die
andere Kolbenfläche wirkenden Druck wird durch das Druckmittel die dauernde Einhaltung
derjenigen Endlage des Verstellkolbens gegenüber dem Verstellkörper sichergestellt,
in der die Kupplung zwischen dem Verstellkolben und der Regelstabhubstange in eingerückter
Stellung gehalten wird. Weiterhin wird durch diese Druckbeaufschlagung auch gewährleistet,
daß der Verstellkolben jeder Bewegung des Verstellkörpers folgt.
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Bei wassergekühlten Kernreaktoren ist die der druckbeaufschlagten
Fläche des Verstellkolbens abgewandte Kolbenfläche betriebsmäßig mit unter Reaktordruck
stehendem Kühlwasser beaufschlagt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß im Falle
der Schnellabschaltung beim Einleiten des hochgespannten Druckwassers zur Relativverschiebung
des Verstellkolbens, um die Kupplung mit der Zugstange auszulösen, der Raum über
dem Verstellkolben bereits mit Druckwasser gefüllt ist, so daß der Verstelldruck
ohne zeitliche Verzögerung wirksam wird.
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An der Hubstange des Regelstabes sind einer oder mehrere, in einem
Zylinder geführte, das in diesem Zylinder geführte Druckmedium über drosselnde Durchtrittsöffnungen
oder Kanäle verdrängende Dämpfungskolben angebracht. Durch die Dämpfung der Hubstange
wird erreicht, daß diese nach dem schlagartigen Einwirken des Druckmittels auf den
Verstellkolben zunächst momentan ihre Lage beibehält und dadurch bei der Relativbewegung
des Ver- ; stellkolbens ein Auslösen der Kupplung ermöglicht.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Verstellkolben um den Auslösehub der
Kupplung zwischen der Kontrollstabstange und dem Verstellkolben relativverschiebbar
mit dem Verstellstück verbunden ist, welches als Mutterstück einer motorisch angetriebenen
Kugelumlauf-Verstellspindel ausgebildet ist. Das Verstellstück ist durch die Kugelumlaufspindel
geführt und weist an seiner Außenseite Führungsmittel, Nuten od. dgl. auf, in denen
um den Kupplungsauslösehub längsverschiebbar Verbindungselemente, beispielsweise
eine rohrartige Hülse, gelagert ist. Mit dieser Hülse ist der Verstellkolben starr
verbunden, so daß er gegenüber dem Verstellstück um den Auslösehub axial verschiebbar
ist. Auf Grund der Druckbeaufschlagung behält er jedoch gegenüber dem Verstellstück
stets die zum Eingerückthalten der Kupplung notwendige Endlage bei. Die Ausbildung
ist so getroffen, daß die im Bereich der Befestigung des Führungsrohres am Deckel
des Reaktortanks gelagerte und mit dem Antriebsmotor in Verbindung stehende Kugelumlaufspindel
an ihrem anderen Ende in einem Lagerstück gelagert ist, welches mittels Verbindungsstäben
mit dem ersten Lager verbunden ist, die durch entsprechende Durchbrüche, Führungen
od. dgl. des Verstellstückes hindurchgeführt sind und zugleich als Gleitführung
für dieses dienen.
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In einer Hohlbohrung der Kontrollstabstange ist ein Betätigungsstab
geführt, der zur Auslösung der Kupplung zwischen Kontrollstabstange und KontroIlstabkörper
dient. Diese Vorrichtung ermöglicht es, in einfacher Weise die Kupplung zwischen
dem Kontrollstabkörper und der Kontrollstabstange durch Einführen eines Druckstabes
zu lösen, was erforderlich ist, um beim Wechsel des Brennelementes die Antriebsvorrichtung
aus dem Reaktortank auszubauen und für den Wechselvorgang benötigten Raum zu schaffen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Antriebsanordnung ist in der Zeichnung
schematisch dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen
Querschnitt durch den Teil des Reaktortanks, in dem ein Regelstab eingeordnet ist,
F i g. 2 den oberen Teil einer Antriebsanordnung für einen Kontrollstab, F i g.
3 den unteren Teil der Antriebsanordnung nach F i g. 2.
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Im Reaktortank 1 befindet sich der Reaktorkern 2, welcher aus Brennelementen
und Regelstäben gebildet ist. Der Regelstab 3 ist mittels einer Kupplung 4 an die
Hubstange 5 angekuppelt.
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An der Hubstange 5 ist ein Dämpfungskolben 6 angebracht, der im Dämpfungszylinder
7 geführt ist. Die Antriebsfeder 8 für den Scbnellabschalthub stützt sich auf ein
in F i g. 1 nicht näher dargestelltes, von dem Dämpfungskolben 6 gebildetes und
mit der Hubstange 5 verbundenes Widerlager.
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Das obere Widerlager 9 der Antriebsfeder 8 ist mittels einer Kupplung
10 mit der Hubstange 5 lösbar verbunden.
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Außerdem ist das obere Federwiderlager 9 im Verstellkolben
11 um einen Betrag »a« verschiebbar gelagert. Mit dem Verstellkolben 11 starr
verbunden ist eine Verbindungshülse 1.2, die an ein Verstellstück 13 so angekuppelt
ist, daß sie ebenfalls die Relativverschiebung »a« ausführen kann.
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Der Reaktortank 1 ist bis zur Niveauhöhe H mit Kühlflüssigkeit gefüllt.
Ferner ist auch der Innenraum des Führungsrohres mit Kühlflüssigkeit gefüllt, die
über die Leitung 15 aus dem Behälter 16 zugeführt wird. Beim normalen Betrieb ist
das Dreiwege-Ventil 17 so geschaltet, daß der Behälter 16 mit der Leitung 15 verbunden
ist.
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In dem Behälter 18 befindet sich eine Druckflüssigkeit, deren Druck
um 5 bis 10 atü höher ist als der Druck im Reaktortank. Über die Leitungen 19, 20,
in die das Ventil 21 eingeschaltet ist, wird der Verdrängungsraum 7 mit der
hochgespannten Druckflüssigkeit beaufschlagt, so daß der diesen Raum abschließende
Verstellkolben 11 stets nach oben in eine der Endlagen bezüglich der Relativverschiebbarkeit
»a« gedrängt wird.
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Die normale Regelung des Reaktors geschieht durch den RegeIantriebsmotor
22, der die Kugelumlaufspinde123# antreibt, die im Hauptlager 23a
gleitend
geführt ist. Diese ist in dem als Spindelmutter dienenden Verstellkörper 13 geführt,
welcher die Verstellbewegung über die Verbindungshülse 12 auf dem Verstellkolben
11. überträgt. Auf Grund der Druckbeaufschlagung aus dem Druckbehälter 18 liegt
die Verbindungshülse 12 stets in der oberen Endlage des Relativhubes »a« an, so
daß die Hubstange 5 bei einer nach oben gerichteten Hubbewegung des Verstellkörpers
13 stets nachgeführt wird.
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Soll eine Schnellabschaltung durchgeführt werden, so wird gleichzeitig
das Ventil 21 geschlossen und das Dreiwege-Ventil 17 umgestellt, so daß aus
dem Druckflüssigkeitsbehälter 18 das Druckmittel über die Leitungen 24 und 15 auf
die andere Seite des Verstellkolbens 11 geleitet wird, wobei dieser eine Abwärtsbewegung
um den Relativhub »a« ausführt, während gleichzeitig die Hubstange 5 infolge der
Dämpfungswirkung momentan ihre Lage beibehält. Dadurch wird die Kupplung 10 ausgerückt
und die Hubstange 5 vom Verstellkolben 11 entkuppelt. Nun kann die Antriebskraft
der Feder 8 wirksam werden, die die Hubstange 5 mit dem Kontrollstab 3 in den Reaktorkern
2 hineinstößt.
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In den F i g. 2 und 3 sind Einzelheiten der Antriebsanordnung dargestellt.
Das Führungsrohr 14 ist mittels eines Flansches 14 a mit dem Reaktordeckel 25 verschraubt,
wobei außerdem noch der Flansch 22 a des Antriebsmotors 22 mit angeschraubt ist.
Der Läufer 22b des Motors treibt die Kugelumlaufspindel 23 an, deren Mutterstück
als Verstellkörper 13 ausgebildet ist. An ihrem unteren Ende ist die Kugelumlaufspindel
23 in einem Lagerstück 26 gelagert, welches mittels mehrerer Verbindungsstäbe 27
gehalten ist. Die Verbindungsstäbe 27 durchdringen entsprechende Bohrungs- bzw.
Ausnehmungen des Verstellkörpers 13. Sie wirken zugleich als Führungen für die Gleitstücke
13 a.
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Mittels der Verbindungshülse 12 steht der Verstellkörper 13 mit dem
Verstellkolben 11 in Verbindung. Die Hülse 12 ist starr am Kolben 11 befestigt und
vermag mittels ihrer Ansätze 12a in einer Ringnut 13 b des Verstellkörpers
eine Relativbewegung »a« auszuführen. Mittels der Leitung 20 wird hochgespanntes
Druckmittel aus dem Behälter 18 (F i g. 1) in den Verdrängungsraum 7 eingeführt,
so daß es auf die untere Fläche 11a des Verstellkolbens wirkt, der dadurch stets
in der dargestellten oberen Lage gehalten wird.
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Mittels der Leitung 15 steht der obere Raum 28
mit dem
unter Reaktordruck stehenden Druckwasserbehälter in Verbindung, so daß die obere
Kolbenfläche 11 b unter einem niedrigeren Druck steht als die untere 11 a.
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Im Verstellkolben 11 um den Betrag »a« axial verschiebbar ist das
obere Federwiderlager 9 gehalten, auf welches sich die Antriebsfeder 8 abstützt,
die auf das untere Widerlager 29 wirkt, welches über die Teile 30, 31 und 32 mit
der Hubstange 5 verbunden ist. Das Teil 30 ist zugleich als Verdrängungskolben
6 ausgebildet, der im Verdrängungsraum 7 gleitet.
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Die Hubstange 5 ist mit einer Ringnut 5 a versehen, in die
Kugeln 10 eingreifen, die in Bohrungen 10a des oberen Federwiderlagers 9 geführt
sind. Wenn bei Druckumschaltung das hochgespannte Druckmittel auf die obere Kolbenfläche
11 b wirkt, führt der Verstellkolben 11 einen Relativhub um das Maß »a« durch, während
die Hubstange 5 auf Grund der Dämpfungswirkung des Dämpfungskolbens 6 noch ihre
momentane Lage beibehält. Dadurch können die Kupplungskugeln 10 in die Ringnut
10 b eintreten und geben die Hubstange 5 frei. Unter Wirkung der Federkraft
wird diese nunmehr nach unten abgestoßen, so daß der an die Hubstange angekuppelte
Kontrollstab 3 in den Reaktorkern 2 eingefahren wird.
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Im unteren Teil der Anordnung ist noch eine Sicherung gegen willkürliches
Herausfallen des Regelstabes 3 aus dem Reaktorkern angeordnet, welche beispielsweise
bei Anordnung des Reaktors auf einem Schiff in Betracht kommt.
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Die Sicherung besteht aus konzentrisch zur Hubstange 5 unter einem
Neigungswinkel angebrachten Bohrungen 33 mit darin geführten Kugeln 34, die bei
Schräg- oder Kopflage des Reaktors infolge ihrer Schwerkraft in der Abschaltstellung
sich in einer an der Hubstange 5 angebrachten Ringnut 5 b selbsthemmend festsetzen,
so daß diese in entgegengesetzter Bewegungsrichtung gesperrt ist. Der Kontrollstabkörper
3 ist mittels einer an sich bekannten Kupplung 4 an das untere Ende der Hubstange
5 lösbar angekuppelt. Die Kupplung 4 kann mittels eines Druckstabes 35 gelöst werden,
der in einer Bohrung der Hubstange 5 geführt ist.