DE2801005C2 - Vorrichtung zur Reaktivitätssteuerung - Google Patents
Vorrichtung zur ReaktivitätssteuerungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs I.
Bei einer bereits bekannten Vorrichtung dieser Gattung (GB-PS 10 66 014) ist die Kupplung zwischen
Steuerstab und Antriebsstange eine hydraulische. Der Steuerstab ist axial verschiebbar auf der Innenseite des
Steucrstabgehauses geführt. Sobald die Kühlmittelströmung
einen bestimmten Wert unterschreitet, fällt der Steuerstab in den Reaktorkern ein und löst damit eine
Schnellabschaltung aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer der eingangs genannten Gattung entsprechenden
Vorrichtung die Auslösung einer Schnellabschaltung, auch in Abhängigkeit von einer seitlichen Bewegung des
Reaktors durch starke äußere Kräfte, wie sie beispielsweise von einem Erdbeben verursacht werden können,
to zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst
Möglichkeiten zu einer vorteilhaften weiteren Ausger5
staltung einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine schematische seitliche Teilschnittansicht eines schnellen Brüterreaktors mit Flüssigmetallumlauf,
Fig.2 eine perspektivische, teilweise geschnittene
Darstellung eines Steuerstabes nebst Steuerstabgehäuse zur Verwendung bei einem Reaktor nach F i g. 1,
F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des teilweise auseinandergezogen dargestellten oberen Teils des
Steuerstabs nach F i g. 2,
Fig.4 einen Vextikalschnitt durch die Anordnung nach F i g. 2,
F i g. 5 die Darstellung einer Abwälzung der Kulissenführung auf der Innenfläche eines Trägerrohrs des
Steuerstabs nach F i g. 4 und
Fig.6 bis 12 schematische Darstellungen eines den
Steuerstab gemäß den Fig.2 bis 5 aufweisenden Reaktors im Schnitt zur Veranschaulichung der
Arbeitsweise.
In Fig. 1 ist die Anordnung der wesentlichen Teile
eines schnellen Brüter-Reaktors mit Flüssigmetallumlauf gezeigt. Das Reaktorgefäß 4 ist mit einem
Wärmeschirm 6 versehen. Es umschließt eine Vielzahl -ίο von Einheiten 10, 10', die voii dem Flüssigmetall
durchflossen werden. In dem Reaktor wird angereichertes Uran (U-235) oder Plutonium (Pu-239) als Brennstoff
verwendet. Als Kühlmittel ist Natrium bei atmosphärischem Druck geeignet Der Brennstoff befindet sich in
dem Kern 8 und wird von Einheiten 10 getragen, die diesen Bereich durchsetzen. Der Kern ist von einer an
Uran armen Ummantelung umgeben.
Das flüssige Metall wird durch die Einlaßstutzen 12,
12' in das Reak'orgefäß 4 gepumpt. Das durch den Einlaßstutzen 12 eintretende Metall gelangt in eine
untere Kammer 13 und strömt zentral zwischen den Einheiten 10 hindurch, die den Kern 8 durchsetzen. Das
durch den Einlaßstutzen 12' eintretende Metall durchströmt die Einheiten 10' der radialen Ummantelung.
Von allen Einheiten 10,10' wird das Metall in eine obere Kammer abgegeben, von wo es durch einen Auslaßstutzen
15 aus dem Reaktor abfließt. Das an den Einheiten vorbeiströmende Flüssigmetall bewirkt einen Druckabfall,
so daß der Druck P, in der unteren Kammer 13 wesentlich größer als der Druck Pj in der oberen
Kammer 14 ist. Bei einem herkömmlichen schnellen Brüter mit Flüssigmetallumlauf liegen die Druckdifferenzen
zwischen P\ und Pi bei etwa 7 bar. Durch eine
Pufferzone aus inertem Gas 16 im oberen Bereich des h*>
Reaktorgefäßes 4 wird das flüssige Metall im wesentlichen auf atmosphärischem Druck gehalten.
Bei einem schnellen Brüter mit Flüssigmetallumlauf enthalten etwa 10% der Einheiten Steuerstäbe. Die
anderen Einheiten enthalten entweder Brennstoff oder Ummantelungselemente. Fig.2 veranschaulicht eine
der Einheiten mit einem darin enthaltenen Steuerstab 22. Diese Einheit weist ein Steuerstabgehäuse 20 mit
hexagonalem Querschnitt und eine Antriebstange 24 für
den Steuerstab auf, die diesen Steuerstab gegenüber dem Kern 8 anhebt oder absenkt. Die Antriebsstange 24
des Steuerstabes 22 ist mit einer (nicht dargestellten) Steuerstabantriebsvorrichtung verbunden. Das Steuerstabgehäuse
20 kann aus Edelstahlblech hergestellt sein.
Es bildet einen Kanal für das durchfließende Metall. Ein Führungskegel 26 legt die Einheit 10 in bezug auf eine
(nicht dargestellte) horizontale Trägerplatte seitlich fest
Wie in F i g. 2 bis F i g. 4 gezeigt, ist der Steuerstab 22
frei innerhalb des Steuerstabgehäuses 20 bewegbar. Der Steuerstab 22 besteht aus einer Vielzahl langgestreckter
Absorberstäbe 28 mit kreisrundem Querschnitt. Jeder Absorberstab 28 wird durch Stifte 29 starr zwischen
einer oberen und einer unteren Halterung 30, 32 gehalten. Diese Halterungen sind starr mit einem
Trägerrohr 34 verbunden, das von den Absorberstäben 28 umgeben ist Nach F i g. 4 weist die obere Halterung
30 einen nach oben vorspringenden Ring mit einer Dichtungsfläche 48 auf.
Wie F i g. 4 zeigt, wird das Steuerstabgehäuse 20 nach oben durch eine Trennplatte 40 abgeschlossen. Die
Trennplatte 40 hat eine zentrale öffnung 41, die von der Antriebsstange 24 durchsetzt wird. Um die Ausrichtung
des Steuerstabes 22 und der Innenseite des Gehäuses 20 aufrechtzuerhalten, weist die Antriebsstange 24 Zentrierflügel
42 auf, die beim Aufsetzen des Steuerstabs 22 auf die Trennplatte 40 als Führung wirken. Ferner
befindet sich an der Trennplatte 40 ein nach unten vorspringender Ring, der eine Dichtungsfläche 46 bildet
Die Dichtungsfläche 46 paßt formschlüssig in die Dichtungsfläche 48 der oberen Halterung 30. Wenn, wie
Fig,4 zeigt, die beiden Dichtungsflächen 46, 48 in
Eingriff gebracht werden, bilden sie einen strömungsmitteldichten Abschluß.
Die Dichtungsflächen 46,48 sind als leicht abgerundete
PaBflächtin ausgebildet, um eine seitliche Verschiebung
des Steuerstabs 22 gegenüber der Trennplatte 40 zu verhindern, die sonst infolge Vibration möglich wäre.
Eine seitliche Verschiebung könnte die Abdichtung unterbrechen und zur Folge haben, daß der Steuerstab
22 nach unten fällt.
Der Steuerstab 22 wird innerhaib des Gehäuses 20
durch mehrere seitlich an der Antriebsstange 24 angeordnete Hebezapfen 38, welche Teil einer mechanischen
Kupplung sind, angehoben oder abgesenkt. Die Hebezapfen 38 haben einen kreisrunden Querschnitt
und greifen in eine Kulissenführung auf der Innenseite des Trägecrohres 34 ein. F i g. 5 zeigt die Abwälzung der
zylindrischen Innenfläche des Trägerrohrs 34.
Das Flüssigmetall, das die Einheit 10 mit dem Steuerstab 22 durchströmt, tritt in das Gehäuse 20, um
den Führungskegel 26 herum, ein (siehe F i g. 2). Die Strömung ist in dem Gehäuse 20 nach oben gerichtet,
umgeht den Steuerstab 22 und tritt an der öffnung 41 aus (siehe F i g. 4). Die Öffnung 41 führt direkt zu der
oberen Kammer 14. Wenn der Steuerstab 22 gegen die Trennplatte 40 anliegt, besteht zwischen den Dichtungsflächen
46,48 ein slrömungsmitteldichter Abschluß. Die
Druckdifferenz zwischen P\ und P2 über die Trägereinheit
ist dann hinreichend groß, um den Steuerstab 22 in μ
seiner Lage festzuhalten.
F i g. 6 bis 12 zeigen schematische Darstellungen eines
Reaktors im Schniti zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Vorrichtung zur Reaktivitätssteuerung.
Jede Figur zeigt drei Einheiten 10, die den Kern 8 durchsetzen. Die beiden äußeren Einheiten enthalten
Brennstoff, dagegen die mittlere einen Steuerstab 22. Bei jeder äußeren Einheit sind die Ummantelungsbereiche
diejenigen Bereiche, die sich ober- und unterhalb des Kerns 8 nach F i g. 1 befinden. In allen drei Einheiten
gelangt das Flüssigmetall von der unteren Kammer 13 nach Fig. 1 in den unteren Bereich der jeweiligen
Einheit und strömt an ihrem oberen Bereich in die obere Kammer 14 aus. Die Strömung ist durch Pfeile
angedeutet
F i g. 6 zeigt den Reaktor im abgeschalteten Zustand. Dabei ist der Steuerstab 22 gegenüber dem Brennstoff 8
angeordnet Er befindet sich damit in der Stellung maximalen Reaktivitätseinflusses, bei der die größtmögliche
Anzahl von Neutronen absorbiert wird. Der Steuerstab 22 wird von der Antrieb.sstange 24 durch die
Hebezapfen 38 gehalten. Es findet ein Flüssigmetalldurchfluß durch die Steuerstab-Einheit statt Die
Durchfiußströmung tritt am unteren Teil ein und durch
die Öffnung 41 der Trennplatte aus. Der Steuerstab 22 wird in seiner Lage durch eine (nicht dargestellte)
Antriebsvorrichtung gehalten, die eine weitere Bewegung der Antriebsstange 24 nach unten verhindert
Fig 7 zeigt die Wirkungsweise des Steuerstabes 22
bei der Regelung des Neutronenflusses in dem Reaktor. Der Steuerstab 22 kann gegenüber dem Brennstoff 8
durch Anheben und Absenken der Antriebsstange 24 bewegt werden. Die Lage des Steuerstabes 22 relativ zu
dem Brennstoff 8 steuert den Neutronenfluß und damit die Leistung. Der Steuerstab 22 wird, wie in Fig.6
dargestellt, gehalten, und das Flüssigmetall fließt durch die Einheit 10 und durch die Öffnung 41 heraus.
F i g. 8 veranschaulicht die Festlegung des Steuerstabes 22 an der Trennplatte 40. Die Antriebsstange 24
hebt mittels der Hebezapfen 38 den Steuerstab 22 an, bis die Dichtungsflächen 46, 48 in Eingriff gelangen. Die
Dichtungsflächen bilden dann den strömungsmitteldichten Abschluß, über den kein Flüssigmetall mehr durch
die Öffnung 41 nach außen fließen kann. Die Druckdifferenz P\ — Pi an der Trennplatte 40, die durch
die Strömung des Flüssigmetalls durch den Reaktor hervorgerufen wird, hält wie in Fig.8 gezeigt, den
Steuerstab 22 in seiner Stellung fest.
Sobald der Steuerstab 22 auf dies; Weise an der Trennplatte 40 festgehalten wird, kann die Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 in die in F i g. 9 gezeigte
Stellung abgesenkt werden. F i g. 9 veranschaulicht die normale Betriebsstellung, wenn der Steuerstab als
Sicherheitsreserve dient Das Steuerstabgehäuse 20 ist abgedichtet, und dor Durchfluß des Flüssigmetalls durch
die öffnung 41 der Trennplatte blockiert Die Druckdifferenz P\-p7 längs des Reaktors hält die
Dichtungsflächen 46, 48 zusammen. Somit bleibt der Steuerstab 22 in seiner oberen Lage, d. h. außerhalb des
Kernbereichs 8.
Fig. 10 bis 12 zeigen drei Möglichkeiten zur Einleitung einer Schnellabschaltung bei einem solchen
Reaktor. GemäF Fig. 10 wird die Schnellabschaltung
bei Ausfall des Flüssigmetallumlaufs durch den Reaktor eingeleitet. Vor dem Ausfall des Durchflusses nehmen
der Steuerstab 22 und die Antricbsst'inge 24 die in F i g. 9 gezeigte Lage ein, durch die eine Abwärtsbewegung
des Steuerstabes nicht behindert wird. Bei Ausfall des Flüssigmetall,daufs fällt die Druckdifferenz P\ — Pj
über den Reaktor automatisch ab, und da der Steuerstab 22 nur durch den Druckunterschied auf beiden Seiten
der Trennplatte 40 hochgehalten wurde, fällt der Steuerstab nun infolge seiner Schwerkraft nach unten,
wie in Fig. IO angedeutet. Dazu bedarf es keiner Bewegung der Stabantriebsstange 24. Der Steuerstab 22
fällt nach unten, bis die Hebezapfen 38 die obere s Halterung 30 des Steuerstabes erfassen (siehe die
Darstellung in F i g. 4), oder bis der Steuerstab auf einer
(nicht dargestellten) besonderen Abstützung bekannter Art in herkömmlicher Weise zur Auflage kommt. Der
Steuerstab 22 mit den Hebezapfen ist so bemessen, daß der Steuerstab 22, wie in Fig.6 veranschaulicht,
gegenüber dem Brennstoff 8 in seine Ruhelage gelangt.
Nach F i g. 11 kann die Schnellabschaltung auch durch
Steuerung der (nicht dargestellten) Antriebsvorrichtung mittels einer Sicherheitsschaltung oder von seilen einer
Bedienungsperson eingeleitet werden. Aufgrund eines solchen Steuerkommandos wird die Stabantriebsstange
24 von der Antriebsvorrichtung losgelassen und bewegt sich infolge Einwirkung der Schwerkraft oder auch
einer zusätzlichen Federkraft nach unten, wie es der herkömmlichen Art der Einleitung eines Schnellstopps
entspricht. Wenn die Antriebsstange 24 des Steuerstabs nach unten fällt, drückt sie diesen nach unten, so daß die
Dichtungsflächen 46, 48 voneinander getrennt werden. Dadurch wird die Druckdifferenz an der Trennplatte 40 2=,
abgebaut und der Flüssigmetallfluß durch die Trägereinheit wiederhergestellt. Der Steuerstab 22 kommt, wenn
er aufgrund der Schwerkraft nach unten fällt, gegenüber dem Brennstoff in der durch Fig.6 veranschaulichten
Lage zur Ruhe.
Fig. 12 veranschaulicht die Möglichkeit der selbsttätigen
Auslösung der Schnellabschaltung, wenn der Reaktor eine seitliche Bewegung durch starke äußere
Kräfte erfährt, wie z. B. bei einem Erdbeben. Eine starke seitliche Beschleunigung des Steuerstabs 22 hat zur
Folge, daß dieser innerhalb des Steuerstabgehäuses 20 um seine Dichtungsfläche 48 kippt und dadurch die
Trennung der Dichtungsflächen 46, 48 einleitet. Auf diese Weise wird der Fluß des Flüssigmetalls durch die
öffnung 41 der Trennplatte 40 wiederhergestellt und die Druckdifferenz beseitigt Der Innendurchmesser des
senkrechten Trägerrohrs 34 und die Antriebsstange 24 sind so bemessen, daß sie eine solche Bewegung
erlauben.
Bei einem schweren Erdbeben wird also die Schnellabschaltung des Reaktors dadurch bewirkt, daß
die beweglichen Teile des Reaktors relativ zu dem Kern verlagert werden. Eine solche Verlagerungsbewegung
könnte unter Umständen verhindern, daß die Steuerstabantriebsstange herabfällt bzw. die Stabantriebsvorrichtung
den Steuerstab freigibt und fallenläP Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß der Ani.ieb der
Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 nicht mehr benötigt wird, die Schnellabschaltung einzuleiten, da die
durch das Erdbeben verursachte seitliche Bewegung selbst zur Auslösung der Schnellabschaltung genügt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kupplung
zwischen Steuerstab und Antriebsstange und deren Wirkungsweise werden durch F i g. 5 veranschaulicht
F i g. 5 zeigt die Kontur einer Kulissenführung 50 als Abwälzung der inneren Oberfläche des Trägerrohrs 34,
wobei nacheinander jeweils einer der Hebezapfen 38 über jeweils eine der verschiedenen Flanken der Kulisse
geführt wird. Wenn die Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 diesen selbst hochhält, wie in F i g. 6
gezeigt, oder den Steuerstab 22, wie in F i g. 7 veranschaulicht, noch weiter anhebt, so greift der
Hebezapfen 38 beim Punkt 52 ein. Wenn der Steuerstab 22 abdichtend gegen die Trennplatte 40 gedrückt und
die Antriebsstange 24 bis zu ihrer in F i g. 9 veranschaulichten Stellung abgesenkt ist, bewegt sich der
Hebezapfen 38 vom Punkt 52 bis zu dem Punkt 54. Der Druckunterschied zwischen P\ und Pi an derTrennplatte
40 drückt in diesem Fall den Steuerstab 22 gegen die Trennplatte 40 und hält gemäß Fig.4 die beiden
Dichtungsflächen 46,48 zusammen.
Bei einem Ausfall des Flüssigmetalldurchflusses fällt die Druckdifferenz zwischen P\ und Pt praktisch auf Null
ab. und durch die Wirkung der Schwerkraft fällt der Steuerstab 22 nach unten. Nach F i g. 5 bleibt der
Hebezapfen 38 dann in der von ihm eingenommenen Höhenlage und die Kulisse 50 bewegt sich abwärts, bis
der Hebezapfen Ϊ8 beim Punkt 56 in die Kulisse 50
eingreift. Der senkrechte Abstand zwischen den Punkten 54 und 56 ist so groß, daß der Steuerstab 22, wie
in Fig.6 gezeigt, in seine Ruhelage gegenüber dem Brennstoff gelangt.
Wird eine Schnellabschaltung durch Steuerung von Seiten des Bedienungspersonals oder einer Sicherheitsschaltung des Reaktors ausgelöst, so wird durch die
Abwärtsbewegung der Antriebsstange 24 des Steuerstabes & die Abdichtung zwischen der Trennplatte 40 und
dem Steuerstab 22 unterbrochen. Nach F i g. 5 bewegt sich der Hebezapfen 38 aus seiner Stellung beim Punkt
54 nach unten i>n seine Stellung beim Punkt 58. wo er in
die Kulisse eingreift.
Die Abdichtung zwischen der Trennplatte und der Steuerstab 22 kann auch für einen Übergang zur
üblichen Neutronenflußregelung (F i g. 7) unterbrochen werden. Um diesen Obergang auszuführen, wird die
Antriebsstange 24 mit den Hebezapfen 38 vom Punkt 54 bis zum Punkt 56 angehoben und dann bis zum Punkt 60
abgesenkt. Der Bewegungsablauf eines Hebezapfens 38 ist durch Pfeile in Fig. 5 angedeutet. Wenn der
Hebezapfen 38 beim Punkt 60 der Kulisse auftrifft, wird die Abdichtung durch eine weitere Bewegung der
Antriebsstange 24 des Steuerstabes 22 nach unten unterbrochen. Der Steuerstab 22 fällt dann nach unten
und greift am Punkt 62 am Hebezapfen 38 an, wo er dann an der Antriebsstange 24 hängend verbleibt. Der
Abstand zwischen den Punkten 60 und 62 ist gering, so daß die Höhe der Leistung durch die Bewegung des
Steuerstabes 22 kaum verändert wird.
Anstelle der vorzugsweise verwendeten leicht abgerundeten Dichtungsflächen 46, 48 nach Fig.·? können
auch Konturen der Dichtungsflächen mit dreieckförmigen Querschnitten oder messerartigen Kanten eingesetzt
werden. Auch kann die Kontur ganz fortgelassen und je eine flache Dichtungsfläche verwendet werden.
Für den Fall, daß die Absorberstäbe 28 einen gewissen Flüssigmetalldurchfluß erfordern, um die von
ihnen erzeugte Wärme abzuführen, kann eine kleine Durchflußöffnung an der Steuerstab-Einheit vorgesehen
werden, so daß die Absorberstäbe auch dann gekühlt werden, wenn der Steuerstab 22 am oberen
Ende des Steuerstabgehäuses anliegt Die öffnung muß klein genug bemessen sein, so daß die Haltekraft nicht
wesentlich vermindert wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Reaktivitätssteuerung eines
durch eine Kühlmittelströmung gekühlten Kernreaktors mit einem neutronenabsorbierenden Steuerstab,
der in einem länglichen, von dem Kühlmittel durchströmten, von oben in den Reaktorkern
hineinragenden Steuerstabgehäuse zwischen einer Endstellung maximalen Reaktivitätseinflusses im
Reaktorkern und einer Endstellung minimalen Reaktivitätseinflusses oberhalb des Reaktorkerns
für die betriebsmäßige Leistungssteuerung mit Hilfe einer an diesen gekuppelten Antriebsstange bewegbar
ist und der in der Endstellung minimalen Reaktivitätseinflusses mit einer an seinem oberen
Ende vorgesehenen Dichtungsfläche aufgrund der von der Kühlmittelströmung längs des Steuerstabgehäuses
abfallenden Druckdifferenz an einer passenden, zurp Verschließen einer Strömungsöffnung
dienendes Dichtungsfläche derart tragend angepreßt ist, daß bei Erniedrigung der Tragkraft ein
Schnelleinwurf des Steuerstabes zur Endstellung maximalen Reaktivitätseinflusses erfolgt, dadurch
gekennzeichnet, daß der Steuerstab (22) in der durch die Druckdifferenz gehaltenen
Endstellung von der Antriebsstange (24) entkuppelt ist, daß das Steuerstabgehäuse (20) den Steuerstab
(22) mit einem Abstand umgibt, der eine Kippung des Steuerstabes um seine Dichtungsfläche (48)
zuläßt, und daß die Kippung eine Trennung der Dichtungsffdchen (46, 48) bewirkt, so daß die
Tragkraft unter den Kiim Ha?:£n erforderlichen Wert
sinkt.
2. Vorrichtung nach Anspru Si 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtungsfläche (48) des Steuerstabes (22) an einem ringförmigen Vorsprung der
Stirnfläche des oberen Steuerstabendes ausgebildet ist und daß die damit zusammenwirkende Dichtungsfläche
(46) an einem ringförmigen Vorsprung einer die obere Endwand des Steuerstabgehäuses
(20) bildenden Trennplatte (40) mit einer zentralen Öffnung (41) angeordnet ist, wobei die Öffnung (41)
von der Antriebsstange (24) und bei Trennung der Dichtungsflächen (46,48) zugleich von der Kühlmittelströmung
durchsetzt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden ringförmigen
Vorsprünge ineinander passende, sich gegenseitig führende Querschnittskonturen aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstab (22) zur
Kupplung einen axialen Hohlraum mit einer in dessen Wandung vorhandenen Kulissenführung (50)
aufweist und daß die Antriebsstange (24) an ihrem unteren Ende quergerichtete Hebezapfen (38)
aufweist, die in die Kulissenführung (SO) eingreifen.
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