DE1464795A1 - Kernreaktor mit Reaktivitaetssteuerung - Google Patents

Description

Priorität; vom 20. Dezember 1963 in Schweden unter der Anmeldungsnummer 14380/63

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung der Reaktivität von Kernreaktoren mit Zwangsumlauf und zwar insbesondere von Reaktoren des Druckwassertyps.

In Kernreaktoren, la denen das Kühlmittel durch Pumpen durch den Reaktorkern hindurohgepresst wird, muß die Reaktivität des Reaktors im Falle einer Herabsetzung oder eines Ausfallens der Kühlung sofort herabgesetzt werden, um den Temperaturanstieg im Reaktor in Grenzen zu halten. Zu diesem Zweck sind Einrichtungen bekannt, die das Einschieben von Neutronenabsorbern zur Senkung der Reaktivität durch Übertragung von Impulsen des Kühlmittelstromes bewirken. So ist ein Kernreaktor bekannt mit ZwangskUhlmittelzirkulation, bei welchem das Kühlmittel aufwärts durch den

Reaktorkern strömt, mit einer Einrichtung zur Steuerung der Reakti-

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vitat des Kernreaktors, welcher wenigstens ein Hauptrohr enthält, das sich teils in den Reaktorkern und teils darüber erstreckt und welches mit wenigstens einem Neutronen absorbierenden, frei auf und ab beweglichen Körper in dem Rohr versehen ist. Eine derartige Vorrichtung arbeitet nach Art eines Zweipunkt-Schalters und ist von dem Bestehen und der Stärke der KUhlmittelzirkulation abhängig, ohne daß eine feinfühlige Steuerung der Reaktivität des Reaktors möglich wäre.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Reaktivitätssteuerung für einen Kernreaktor mit Zwangskühlmittelumlauf zu schaffen, die selbsttätig und verlässlich arbeitet und es gestattet, den Nennwert der Reaktivität von Hand frei wählbar und stetig einzustellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß sich das untere Ende des Rohres in den Reaktorkern öffnet, während das obere verschlossen ist, daß zwischen den Enden dieses Rohres ein Verzweigungsrohr angeschlossen ist, und dessen freies Ende in eine Zone niedrigeren Druckes in dem Zirkulationssystem des Kernreaktors ragt, als er am offenen, unteren Ende des Hauptrohres herrscht und daß das Verzweigungsrohr eine verstellbare Drosselstelle für die durchströmende Flüssigkeit enthält. Gemäß dieser Einrichtung nach der Erfindung kann durch Verstellen der Drosselstellen die Lage der Kugeln in dem Rohr und damit der Nennwert der Reaktivität von Hand frei und stetig eingestellt werden und es wird insofern ein

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sicherer Betrieb und eine einwandfreie Abschaltung im Gefahren» fall gewährleistet, als bei Zusammenbruch der Druckdifferenz durch Auefall der Kühlmitteleinepeisung automatisch auf miniaale Reaktivität abgeschaltet wird, d.h. die Neutronen absorbenden Kugeln sich nach unten in den Reaktorkern bewegen. Weiterhin wird vorteilhafterweise der Arbeitspunkt der Anlage selbsttätig in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Temperaturträgers bzw. des durch diese bedingten Druckes eingestellt. Regelungsteohnisoh handelt es sich um eine Störgrößenaufschaltung, bei der der Gegensteuerbefehl und die zu dessen Ausführung erforderliohe Hilfsenergie zum Verschieben des oder der Absorptionskörper direkt aus der Störgröße, d.h. den Schwankungen des Ktthlmittelstromes entnommen wird, so daß sie unabhängig von jeglichen störanfälligen Hilfsenergien ist und somit eine Sicherung gegen thermische Überlastung einwandfrei gewährleistet wird. Dabei arbeitet die Reaktivitätssteuerung naoh der Erfindung praktisch rUckwirkungsfrei d.h. der Ktthlmittelstrom wird nicht beeinträchtigt.

Ein bevorzugtes AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Fig. 1 einen zentralen, vertikalen Schnitt durch eine Kernreaktoreinheit und

Fig. 2 eine teils geschnittene Einzelansioht der Reaktiv!tätest euereinriohtung naoh der Erfindung.

Die in Fig. 1 sohematisoh dargestellte Reaktoreinheit 1st ein

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sogenannter Kompaktreaktor 1 mit einem Wärmeaustauscher 7. Der Reaktor hat einen zylindrischen Druoktank 2 mit ebenem Deckel 9. Der Kern des Reaktors ist mit gestrichelten Linien dargestellt. Der Druckbehälter enthält eine Pumpe 11 mit Antriebsmotor 12 und eine Trennwand in Form eines Rohres Ih₁ das sich vom Deckel 9 nach unten durch den Reaktorkern hinduroh erstreckt und etwa in Höhe der Pumpe 11 endet. An den Druckbehälter 2 ist außerdem ein Rohr 15 angeschlossen, das an eine Druck erzeugende Einrichtung, die nicht dargestellt ist, angeschlossen ist, mittels derer in bekannter Weise der Druck in dem Druckbehälter aufrechterhalten wird.

Der Wärmeaustauscher 7 weist einen zylindrischen Druckbehälter β auf, dessen Boden 9 gleichzeitig den Deckel des Reaktors bildet; dieser Behälter 8 liegt koaxial zum Druckbehälter des Reaktors. Der Deckel 9 ist gleichzeitig ein Rohrboden, da an ihm eine Mehrzahl von U-förmigen Rohren 10 befestigt ist. Ein Ende jedes Rohres ist an demjenigen Teil des Rohrbodens befestigt, der innerhalb der rohrförmigen Trennwand 14 im Reaktorgehäuse liegt. Das andere Ende jedes Rohres 1st an dem darum herumliegenden, ringförmigen Teil des Rohrbodens befestigt. Der Wärmeaustauscher ist mit einer Leitung 16 zur Zuführung ▼on Wasser und einer Leitung 17 für den Austritt von Dampf ▼ersehen und enthält einen ersten Wasserabscheider 18 bekannter Bauart. Der obige Teil 20 des Wärmeaustauschers wirkt als Dampfdom und enthält einen zweiten Wasserabscheider 19 sowie einen Boden 26 für das ausgeschiedene Wasser; dieser Boden ist mit einer Auslassleitung 27 versehen. Der Rohrboden 9 ist zwisohen den beiden Druckbehältern für den Reaktor und für den '

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Wärmeaustauscher Mittels an diesen Behältern vorgesehener Flansche und mittels Schrauben 5 festgeklemmt. Eine Radialbewegung zwischen de« Rohrboden und den Flanschen ist, beispielsweise durch Rollenlager 21, ermöglicht.

Eine Anzahl von Zirkonlegierungsrohren 30, von denen in der Zeichnung zwei dargestellt sind, verlaufen nach unten in das Reaktorherz hinein bis etwa zu dessen Unterkante, wo sie mit der Kühlmittelströmung von der Druckseite der Pumpe 11 her in Verbindung stehen. Diese Rohre 30 liegen innerhalb der rohrförmigen Trennwand 14 und erstrecken sich bis zu einen gewissen Abstand oberhalb des Reaktorherzes. In jedem Rohr ist eine Anzahl von Absorptionskörpern in Form von Borstahl-Kugeln 32 vorgesehen; diese Kugeln haben eine größere Dichte als das Kühlmittel. Beide Enden des Rohres 30 haben Öffnungen, deren Durohmesser etwas kleiner sind als diejenigen der Kugeln 32, deren Durchmesser wiederum etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres 30. Infolgedessen können sich die Kugeln 32 in de« Rohr 30 frei nach oben und unten bewegen.

Die Pumpe 11 drückt das Druckwasser durch den Reaktor und die Rohre in Richtung der eingezeichneten TeUe. Bei normaler Kühlini ttelzirkulat ion hält die in dem Rohr 30 durch den Druckabfall in dem Rohr erzeugte Strömung die Kugeln 32 oben im oberen Teil des Rohres. Bei Verringerung oder vollständiger Unterbrechung der Kühlmittelzirkulation wird aber der Druckabfall über das Rohr 30 kleiner oder fällt vollkommen weg, und die Borstahl-Kugeln 32 bewegen sich dann nach unten in den unteren Teil des

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Rohres 30 hinein, der innerhalb des Reaktorherzes liegt, so daß der Reaktor in seiner Reaktivität vermindert oder gänzlich abgeschaltet wird. Durch Anbringung von (nicht dargestellten) hydraulischen Ventilen an den oberen Enden der Rohre 30 ist es möglich, den Reaktor unter Beibehaltung der Kühlung absichtlich abzuschalten, indem einfach diese Ventile geschlossen werden.

Die Vorteile der beschriebenen Einrichtung sind offensichtlich. Die Einrichtung ist verlässlich, weil sie unmittelbar auf das Fehlen einer Kühlung anspricht, und zwar unabhängig von Impulsübertragungseinrichtungen. Es wird auch Raum gespart, weil die Anzahl von Leitungshindurchführungen in den Reaktortank herabgesetzt wird, und weil die Rohre für die Absorptionskörper nioht gerade sein müssen.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem eine Feineinstellung der Reaktivität des Reaktors möglich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Rohr 30, das im übrigen die gleiche Längserstreckung hat wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, an seinem oberen Ende geschlossen. Im Abstand unterhalb des oberen Endes des Rohres ist eine Querleitung 35 angeschlossen, die durch die Wand des Rohres 14 und aus dem Reaktorbehälter 2 herausgeführt ist und über eine verstellbare Drosselstelle 36 und ein Abschaltventil 37 an eine Leitung 38 angeschlossen ist, die wiederum durch den Behälter 2 hindurohgeührt ist bis zum Innenraum des Reaktors, und zwar auf der Niederdruckseite der Trennwand lh. In dem Rohr 30 sind

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wiederum Borstahl-Kugeln vorgesehen, und das Spiel zwischen den Kugeln und de« Rohr oberhalb der Anschlußstelle der Leitung 35 ist groß genug dafür, daß sich die Kugeln leicht in dem Wasser bewegen können, während das Spiel unterhalb dieser Anschlußstelle klein ist, so daß die in diesen Rohrbereich liegenden Kugeln die oberhalb davon liegenden Kugeln tragen können.

Infolge dieser Anordnung ist es möglich, durch Verstellung der Drosselstelle 36 die Lage der Kugeln in dem Röhr und damit die Reaktivität des Reaktors zu verändern. Wenn der Widerstand der Drosselstelle 36 herabgesetzt wird, bewegen sich die Kugeln 32 nach oben, und umgekehrt. Bei Ausbleiben der Kühlung, beispielsweise infolge Ausfallens der Pumpe verschwindet der Druckabfall über die Rohre 30, 35 und 38, und die Kugeln 32 bewegen sich nach unten in den unteren Teil des Rohres, wodurch sie zur Abschaltung des Reaktors beitragen. Das Abschaltventil 37 dient demselben Zweck wie die in Verbindung mit dem ersten Ausfuhr ungsbei spiel erwähnten hydraulischen Ventile. Da in diesem Falle zum Zweck einer Stabilität des Reaktors Kugeln mit geringer Neutronenabsorptionskapazität, d.h. mit kleiner Reaktivität säquivalenz, verwendet werden, wird die Steuereinrichtung in geeigneter Weise vervollständigt durch Einrichtungen gemäß Fig. 1, bei denen die Reaktivitätsäquivalenz der Absorptionskörper beträchtlich größer sein kann.

Die vorstehend beschriebenen Einrichtungen können in vielerlei Beziehung abgewandelt werden. Die Absorberkörper können beispielsweise die Form von geraden Zylindern haben. Auch 1st es

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natürlich möglich, die erfindungsgemäße Einrichtung auch in anderen Reaktoren als der beschriebenen Reaktortype zu verwenden. Es muß nur in jedem Fall ein Zwangsumlauf des Kühlmittels vorhanden sein. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch bei gasgekühlten Reaktoren verwendet werden, jedoch kann es in diesem Fall erforderlich sein, Absorptionskörper mit geringerer Dichte zu verwenden.

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Claims (2)

-. Q — PATENTANSPRÜCHE

1. Kernreaktor mit Zwangs-KUhlstiitelzirkulation, bei welchem das Kühlmittel aufwärts durch den Reaktorkern strömt, Mit einer Einrichtung zur Steuerung der Reaktivität des Kernreaktors, welohe wenigstens ein Hauptrohr enthält, das sich teils in den Reaktorkern und teils darüber erstreckt und welche mit wenigstens einen, Neutronen absorbierenden, frei auf und ab beweglichen Körper in den Rohr versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich das untere Ende des Rohres (30) in den Reaktorkern öffnet, während das obere verschlossen ist, daß zwischen den Enden dieses Rohres (30) ein Verzweigungsrohr (35) angeschlossen ist, und dessen freies Ende in eine Zone niedrigeren Druckes in den Zirkulationssystem des Kernreaktors ragt, als er am offenen, unteren Ende des Hauptrohres 30 herrscht und daß das Verzweigungsrohr (35) eine verstellbare Drosselstelle (36) für die durchströmende Flüssigkeit enthält.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronen absorbierende Körper eine Vielzahl von in dem Hauptrohr (30) übereinander angeordneten Kugeln (32) eines Neutronen absorbierenden Materials enthält.

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