DE3005574C2 - - Google Patents
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- F16K3/22—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution
- F16K3/24—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members
- F16K3/26—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members with fluid passages in the valve member
- F16K3/265—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with sealing faces shaped as surfaces of solids of revolution with cylindrical valve members with fluid passages in the valve member with a sleeve sliding in the direction of the flow line
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Description
Die Erfindung betrifft ein selbstbetätigendes und selbstverriegelndes
Strömungsabsperrventil. Insbesondere betrifft
die Erfindung die Verwendung eines solchen Ventils
in einem Kernreaktor eines Typs, bei dem eine Vielzahl
von strömungsgestützten Absorptionselementen für ein
sicheres Abschalten des Reaktors vorgesehen ist.
Es besteht auf verschiedensten Gebieten ein Bedürfnis nach
einem selbstbetätigenden und selbstverriegelnden Strömungsabsperrventil.
Insbesondere benötigt man solche Ventile
bei Kernreaktoren, bei denen eine Vielzahl von strömungsgestützten
Neutronen-Absorptionselementen zum Zwecke der
sicheren Abschaltung des Reaktors vorgesehen ist. Bisher
wurden Kernreaktoren bei einem Störfall typischerweise
dadurch abgeschaltet, daß man Steuerstäbe durch die Decke
des Kerns einführte. Das Absenken der Stäbe in den Kern
oder das Herausfahren der Stäbe aus dem Kern geschieht
auf mechanischem Wege, z. B. mit Hilfe eines Motors und
über Kupplungsgetriebe od. dgl. In einem Notfall wird
die Kupplung außer Eingriff gebracht, und die Steuerstäbe
fallen in den Kern hinein und schalten den Reaktor ab.
Ein solches System hat eine Reihe von Nachteilen. Einmal
besteht die Gefahr, daß mechanische Antriebsvorrichtungen,
wie Kupplungen, nicht außer Eingriff gebracht werden können.
Zum anderen besteht die Gefahr, daß es in den Kanälen,
durch die die Steuerstäbe eingeführt werden müssen, zu
Deformationen kommt. In einem solchen Fall werden die
Steuerstäbe festgeklemmt, und eine vollständige Einführung
der Steuerstäbe in den Kern ist nicht möglich. Aus diesem
Grunde ist in diesen Fällen ein Abschalten des Reaktors
nicht möglich. In jüngster Zeit wird daher erhöhte Aufmerksamkeit
einem anderen Reaktortyp geschenkt, bei dem eine
Vielzahl von strömungsgestützten Neutronen-Absorptionselementen
vorgesehen ist. Diese fallen unter dem Einfluß
der Schwerkraft in den Kern, sobald die Strömung eines
Strömungsmediums abgeschaltet wird. Der Reaktor kann daher
auf einfachste Weise durch Unterbrechung der Strömung
abgeschaltet werden. Naturgemäß wird der Reaktor auch
automatisch abgeschaltet, wenn die Strömung des Strömungsmediums
unvorhergesehenerweise unterbrochen wird.
Die US-PS 32 28 847 beschreibt ein Reaktorsteuersystem
mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Neutronenflusses.
Die Steuereinrichtung umfaßt ein Innenrohr, das
sich von einer inaktiven Region des Reaktors in die aktive
Region erstreckt, sowie ferner ein Außenrohr, das
das Innenrohr mit Abstand umgibt. Das Außenrohr weist ein
geschlossenes Ende auf, und das Innenrohr weist in Nachbarschaft
zum geschlossenen Ende des Außenrohrs, jedoch
im Abstand von diesem, ein offenes Ende auf. Neutronenabsorptionsteilchen
sind zwischen dem Innenrohr und dem
Außenrohr eingeführt und können sich unter der durch die
Strömung ausgeübten Krafteinwirkung entlang des Rohrs bewegen.
Unter dem Einfluß der Strömung des Strömungsmediums
werden die Neutronenabsorptionsteilchen aus der aktiven
Region des Reaktors herausbewegt. Wenn die Strömung abgeschaltet
wird, so fallen sie unter dem Einfluß der Schwerkraft
in die aktive Region zurück.
Die US-PS 32 57 286 beschreibt eine kugelförmige Steuereinrichtung
für einen Kernreaktor. In dem Kernreaktor ist
eine Anzahl von langgestreckten Rohrleitungen angeordnet,
so daß ein erster Abschnitt einer jeden Rohrleitung im
Reaktorkern angeordnet ist, während ein sich anschließender
zweiter Abschnitt außerhalb des Kerns angeordnet ist.
Jede der Rohrleitungen enthält eine Anzahl von einzelnen
Körpern, deren jeder ein Material mit einem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt
enthält. Die Bewegung der Neutronenabsorptionskörper
innerhalb der Rohrleitungen wird mit
Hilfe eines Druckströmungsmediums gesteuert, welches am
Ende einer jeden Rohrleitung eingeführt werden kann. Auf
diese Weise können die Neutronenabsorptionskörper selektiv
positioniert werden, so daß sie entweder im ersten
Abschnitt oder im zweiten Abschnitt der Rohrleitung positioniert
sind. Durch Änderung der Lage der Absorptionskörper
kann man den Reaktor anfahren oder abschalten, oder
man kann während des Reaktorbetriebs die Reaktivität
steuern.
Die US-PS 33 47 747 beschreibt ein Steuersystem für einen
Kernreaktor. Der Reaktor enthält eine Anzahl von mit seitlichem
Abstand voneinander angeordneten, vertikalen Durchgängen
in der Region des Kerns. Diese sind über die gesamte
Querschnittsfläche des Kerns verteilt. Jeder Durchgang
oder Kanal umfaßt einen unteren Abschnitt, welcher sich
im wesentlichen über die gesamte Höhe des Kerns erstreckt,
sowie einen oberen Abschnitt, welcher sich über dem Kern
in das Reaktorgefäß erstreckt. In jedem Kanal oder jeder
Rohrleitung ist eine bewegliche Einrichtung angeordnet
oder eingeschlossen, welche ein Gift enthält. Sie ist von
einer unteren Position innerhalb der Region des Kerns in
eine obere Position des Kanals oder der Rohrleitung über
dem Kern bewegbar. Aufgrund der Schwerkraft wird diese
das Gift enthaltende Einrichtung in ihre untere Position
gebracht. Aufgrund einer Strömung, welche in dem Kanal oder
der Rohrleitung nach oben gerichtet wird, gelangt die
das Gift enthaltende Einrichtung von der unteren Position
in die obere Position.
Die US-PS 40 76 583 beschreibt ein weiteres Steuerverfahren
für einen Kernreaktor, bei dem eine Vielzahl von langgestreckten
Rohrleitungen sich durch den Reaktorkern und
über diesen hinaus erstreckt. Eine Vielzahl von Neutronenabsorptionselementen
ist innerhalb der Rohrleitungen angeordnet.
Während des normalen Betriebs des Reaktors bilden
diese Neutronenabsorptionselemente ein Schichtbett in dem
Abschnitt der Rohrleitungen, welcher über dem Kern liegt.
Dieser Abschnitt der Rohrleitung, in dem das Schichtbett
bei normalem Betrieb vorliegt, ist mit einem Strömungsnebenweg
versehen. Hierdurch kann auf einfache Weise sichergestellt
werden, daß einerseits alle Absorptionselemente
bei normalem Betrieb zuverlässigerweise ein Schichtbett
bilden und außerhalb des Kerns angeordnet sind, während
andererseits der Druckabfall des durch das Schichtbett
strömenden Strömungsmediums während des normalen Betriebs
ein Minimum aufweist.
Alle die beschriebenen Einrichtungen bieten erhebliche Vorteile
hinsichtlich der Zuverlässigkeit im Vergleich mit
der alleinigen Verwendung von Steuerstäben. Diese Systeme
bedürfen jedoch noch einer Reihe von Verbesserungen. Insbesondere
ist es wichtig, beim Abschalten die Strömung des
Strömungsmediums vollständig zu unterbrechen, wenn bei
der Abschaltung die Absorptionselemente aufgrund der
Schwerkraft in den Kern herabfallen müssen. Eine gewisse
Restströmung des Strömungsmediums, auch wenn diese unterhalb
des unteren Grenzwertes für einen sicheren Betrieb
des Reaktors liegt, kann im Sinne einer Verzögerung des
Herabfallens der Absorptionselemente wirken. Im Falle eines
vollständigen Zusammenbruchs der Stromversorgung wirken
die Trägheitskräfte einer Zentrifugalpumpe noch weiter
fort und verursachen auch nach dem Zusammenbruch der
Stromversorgung eine gewisse Strömung, und zwar noch zu
einem Zeitpunkt, zu dem die Stromversorgung vollständig
unterbrochen ist und der Durchsatz des Strömungsmediums
unter einen Wert gefallen ist, bei dem der Reaktor abgeschaltet
werden muß. Es besteht daher ein Bedürfnis nach
einem selbstbetätigenden Strömungsabsperrventil in der
Strömung des Strömungsmediums. Ein solches Ventil sollte
automatisch in den Schließzustand übergehen, sobald die
Strömung des Strömungsmediums unter einen vorbestimmten
Wert abgefallen ist. Durch ein solches Ventil könnte die
Zeitspanne, während der die Neutronenabsorptionselemente
in den Reaktorkern hineinfallen, erheblich verringert
werden, so daß die Abschaltsicherheit erhöht werden könnte.
Ferner sollte eine solche Ventileinrichtung vorteilhafterweise
auch selbstverriegelnd sein. Hierdurch könnte
verhindert werden, daß der Reaktor unbeabsichtigterweise
wieder anfährt, wenn nach dem Absinken der Strömung unter
einen bestimmten Wert und nach dem Abschalten des Reaktors
noch Druckstöße oder erratische Strömungen auftreten.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Strömungsabsperrventil,
welches einerseits selbstbetätigend ist und andererseits
in abgesperrter Position auch selbstverriegelnd.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Strömungsabsperrventil
in Verbindung mit Kernreaktoren des Typs, bei dem eine
Vielzahl von strömungsgestützten Absorptionselementen für
die sichere Abschaltung des Reaktors vorgesehen ist, verwendbar.
Allgemein umfaßt das erfindungsgemäße Absperrventil
ein im wesentlichen vertikales, langgestrecktes Gehäuse
mit einer darin angeordneten Lochplatte. Die Löcher in der
Lochplatte erlauben einen Strom des Strömungsmediums von
einem Ende des Gehäuses zum anderen. Ein im wesentlichen
vertikales, langgestrecktes Düsenbauteil ist ebenfalls in
dem Gehäuse angeordnet und an diesem befestigt. Das Düsenbauteil
weist an seinem unteren Ende eine Öffnung auf,
durch die Strömungsmedium eintreten kann. Ferner weist das
Düsenbauteil in Nachbarschaft zu seinem oberen Ende Öffnungen
auf, durch die Strömungsmedium austritt. Ferner
weist das Düsenbauteil zwei Dichtungselemente mit sich radial
nach außen und nach unten erstreckenden Dichtungsflächen
auf, deren eines über und deren anderes unter den
Öffnungen im oberen Bereich angeordnet ist. Das Düsenbauteil
ist von den Wandungen einer langgestreckten Strömungsabsperrhülse
umgeben, welche in Nachbarschaft zu ihrem oberen
Ende eine Öffnung für das Strömungsmedium aufweist.
Die Hülse umfaßt ferner zwei Dichtungselemente mit sich
radial nach innen und nach oben erstreckenden Dichtungsflächen.
Diese Dichtungselemente sind mit der Hülse verbunden.
Eine Dichtungsfläche befindet sich unterhalb der
Öffnung für das Strömungsmedium und die andere in Nachbarschaft
zum oberen Ende der Hülse. Die Hülse kann eine
obere, offene Position einnehmen, in der die Strömung des
Strömungsmediums durch die Düsenöffnungen im wesentlichen
nicht behindert wird. Ferner kann die Hülse eine Schließposition
einnehmen, in der die Dichtungsflächen der Hülse
und der Düse aneinander angreifen, derart, daß die aneinander
angreifenden Dichtungsflächen und die Wandungen der
Hülse die Strömung des Strömungsmediums durch die Öffnungen
behindern oder verhindern. Die Hülse kann zwischen diesen
beiden Positionen bewegt werden. Ferner wirken die Dichtungselemente
der Düse und der Hülse derart zusammen, daß
eine größere Fläche dem Druck des Strömungsmediums im
Sinne einer abwärtsgerichteten Kraft ausgesetzt ist, im
Vergleich zur Fläche, welche dem Druck des Strömungsmediums
im Sinne der Ausübung einer aufwärtsgerichteten Kraft ausgesetzt
ist. Sobald das Ventil die Schließposition einnimmt,
wirkt jede Steigerung des Drucks des Strömungsmediums
im Sinne einer Aufrechterhaltung der Schließposition
des Ventils. Ferner umfaßt das Ventil ein Ausgleichselement,
welches oberhalb der Strömungsabsperrhülse angeordnet
ist und an dieser befestigt ist. Das Ausgleichselement
berührt die Lochplatte, wenn die Hülse eine Öffnungsposition
einnimmt. Andererseits versperrt das Ausgleichselement
die Strömung des Strömungsmediums durch
eine vorbestimmte Strömungsfläche der Öffnungen der Lochplatte,
so daß ein Druckabfall über die Lochplatte und
das Ausgleichselement zustande kommt. Der Druckabfall reicht
gerade aus, das Ausgleichselement und die Strömungsabsperrhülse
bei einer vorbestimmten, minimalen Strömung des
Strömungsmediums zu unterstützen. Wenn die Strömung des
Strömungsmediums unter einen vorbestimmten Wert abfällt,
so sinkt auch der Druckabfall über das Ausgleichselement
auf einen Wert, welcher nicht mehr ausreicht, die Strömungsabsperrhülse
in der Öffnungsposition zu halten, so
daß sie nun unter dem Einfluß der Schwerkraft in die
Schließposition bewegt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Absperrventil
ferner ein Kolbenelement, welches sich vom oberen
Ende des Düsenbauteils nach oben erstreckt und um eine ausreichende
Strecke in die Strömungsabsperrhülse hineinerstreckt,
so daß bei der Bewegung der Hülse von der offenen
Position in die Schließposition der oberste Bereich des
Kolbenbauteils sich über die Strömungsöffnung in der Strömungsabsperrhülse
hinausbewegt, so daß das nun darin eingeschlossene
Strömungsmedium eine Dämpfungskraft ausübt,
welche die Schließbewegung der Strömungsabsperrhülse
dämpft und einen hydraulischen Stoß verhindert oder auf
ein Minimum herabsetzt. Bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfaßt ein Ventil ferner eine mechanische
Einrichtung zur Bewegung der Strömungsabsperrhülse zwischen
der offenen Position und der Schließposition.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen
näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch eine typische, mit
Absorptionskugeln gefüllte Säule eines Kernreaktors, welche
mit dem erfindungsgemäßen Ventil ausgerüstet ist, und
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des erfindungsgemäßen
Ventils.
Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Säule, die
mit hydraulisch unterstützten Neutronen-Absorptionselementen
gefüllt ist. Diese Säule ist mit dem erfindungsgemäßen
Ventil ausgerüstet, und zwar bei einer besonders bevorzugten
Anwendung dieses Ventils in Verbindung mit einem Kernreaktor
des Typs, bei dem eine Vielzahl von hydraulisch
unterstützten Neutronen-Absorptionselementen vorgesehen ist.
Die Säule hat eine Außenkonfiguration, welche im wesentlichen
gleich der Außenkonfiguration der Brennelemente ist,
die in dem Kern des Reaktors angeordnet sind. Der Reaktorkern
umfaßt im allgemeinen eine Vielzahl von Brennelementen;
Absorptionssäulen und Steuerstäben, welche ebenfalls
aus Neutronenabsorptionsmaterial bestehen. Die Säule 10
umfaßt ein Gehäuse 12 mit einer unteren und einer oberen
Lochplatte 14 bzw. 16. Diese definieren eine Retentionszone
18, welche einen Körper oder ein Schichtbett von
Neutronen-Absorptionselementen 20 enthält. In der Zeichnung
sind diese Absorptionselemente in der Position während
des normalen Reaktorbetriebs gezeigt. Wie in der
US-PS 40 76 583 genauer erläutert, wird das Schichtbett
der Neutronen-Absorptionselemente durch das hydraulische
Strömungsmedium unterstützt, so daß es sich oberhalb und
außerhalb der Reaktorkernzone befindet. Ferner befindet
sich im Gehäuse 10 und in der Retentionszone 18 ein
Nebenstromrohr 22 für das Strömungsmedium. Dieses Rohr 22
umfaßt eine Vielzahl von Öffnungen 24, durch die ein Teil
des Strömungsmediums, welches in das Schichtbett aus
Neutronen-Absorptionselementen 20 eintritt, das Bett umgehen
kann. Durch diese Anordnung wird einerseits sichergestellt,
daß die Neutronen-Absorptionselemente zuverlässig
außerhalb der Kernzone gehalten werden. Andererseits
wird hierdurch sichergestellt, daß der Druckabfall
über das Schichtbett auf einem Miniumum gehalten wird.
Über den Neutronen-Absorptionselementen ist das erfindungsgemäße
Ventil angeordnet. Dieses ist in Fig. 1 mit einem
Kreis 2 umgeben und in Fig. 2 im Detail gezeigt. Das Ventil
ist in der normalen Betriebsposition, d. h. der Öffnungsposition,
gezeigt. Dabei strömt das Strömungsmedium
durch das Gehäuse 12 aufwärts und aus dem oberen Ende heraus.
Ferner enthält das Gehäuse 12 ein Gewichtsbauteil 26
für die mechanische Bewegung des erfindungsgemäßen Ventils
aus einer Öffnungsposition in eine Schließposition und
umgekehrt. Das Gewichtsbauteil 26 wird durch einen Elektromagneten
28 und einen Magneten 29 mit einer Curie-Punktlegierung
in seiner Stellung gehalten. Diese sind an
einer langgestreckten Stange 30 befestigt. Während des
normalen Betriebs wirken diese Bauelemente derart zusammen,
daß das Gewichtsbauteil 26 bewegt werden kann und
das erfindungsgemäße Ventil in die Öffnungs- oder in die
Schließposition bringt. Falls das hindurchströmende Strömungsmedium
eine bestimmte, maximale, erwünschte Temperatur
übersteigt, z. B. im Falle einer vorübergehenden übermäßigen
Leistung, gibt der Magnet 29 mit der Curie-Punktlegierung
automatisch das Gewichtsbauteil 26 frei, welches
wiederum das erfindungsgemäße Ventil schließt, so daß die
Neutronen-Absorptionselemente rasch in den Reaktorkern
fallen und den Reaktor abschalten. Alternativ kann auch
der Elektromagnet 28 entregt werden, so daß das Gewichtsbauteil
26 herabfallen kann.
In der Nähe eines unteren Endes des Nebenstromrohrs 22
und unterhalb der Lochplatte 14 ist vorteilhafterweise
ein selbstanhebendes Strömungsabsperrventil 32 vorgesehen,
welches eine Schleppplatte 34 aufweist. Während des normalen
Betriebs wirkt das am Ventil 32 vorbeiströmende Strömungsmedium
auf die Schleppplatte 34 ein und hebt das Ventil
von einer geöffneten Position in eine Schließposition,
so daß im wesentlichen das gesamte Strömungsmedium durch
die Lochplatte 12 strömt. Wenn die Strömung des Strömungsmediums
unter einen vorbestimmten Wert abfällt, so fällt
das Ventil in eine Öffnungsposition zurück, so daß das
Strömungsmedium nun durch nichtgezeigte Öffnungen im unteren
Ende des Nebenstromrohrs 22 fließen kann. Durch
die sich absenkende Säule von Neutronen-Absorptionselementen
wird nun das Strömungsmedium verdrängt, und dieses
verdrängte Strömungsmedium kann nun durch die nichtgezeigten
Öffnungen am Boden des Nebenstromrohrs und durch das
Nebenstromrohr entweichen. Die Neutronenabsorptionselemente
fallen daher rascher in die Kernzone hinein als bei
Abwesenheit eines solchen Strömungsventils 32. Die erforderliche
Fläche der Schleppplatte ist natürlich eine Funktion
des erwünschten Durchsatzes für die Betätigung sowie
des Gewichts des Ventils. Die Fläche kann mathematisch
oder experimentell bestimmt werden. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist die Dichtungsanordnung bei dem Strömungsventil
32 im wesentlichen ein Spiegelbild der Dichtungsanordnung
des erfindungsgemäßen Ventils, welches im
folgenden näher erläutert wird.
Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Ventil in vergrößerter
Schnittdarstellung. Dabei ist das Ventil in Schließposition
gezeigt, und zwar so, als ob es durch das Gewichtsbauteil
26 in dessen gestrichelter Position in diese
Schließposition bewegt worden wäre. Bei dieser Ausführungsform
bildet das Gehäuse 12 einen Teil des erfindungsgemäßen
Ventils. Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine im wesentlichen
vertikale, langgestreckte Düsenanordnung 36 vorgesehen.
Diese umfaßt ein Einlaßbauteil 38, das z. B. mit
Hilfe einer Vielzahl von Befestigungsschrauben 40 am Gehäuse
12 befestigt ist. Die Düsenanordnung 36 umfaßt ferner
ein im wesentlichen vertikales Düsengehäuse 42, das
in seinem oberen Endbereich eine Vielzahl von Öffnungen 44
aufweist. Die Düsenanordnung 36 umfaßt Dichtungselemente
oberhalb und unterhalb der Öffnungen 44, z. B. eine sich
nach abwärts und außen erstreckende Dichtungsfläche 46 am
Düsengehäuse 42 und eine sich nach außen und abwärts erstreckende
Dichtungsfläche 48 an einem Stellring 50. Der
Stellring 50 ist auf das Düsengehäuse 42 aufgeschraubt
und erlaubt eine vertikale Verstellung.
Ferner befindet sich in dem Gehäuse 12 eine Strömungsabsperrdüsenanordnung
52 mit Wandungen 54, welche das Düsengehäuse
42 umgeben. Der obere Bereich der Wandungen 54
ist mit mindestens einer Strömungsöffnung 56 für das Strömungsmedium
versehen. Die Strömungsabsperrhülsenanordnung
52 umfaßt ferner zwei Dichtungselemente 58 und 60, deren
eines unter der Strömungsöffnung 56 und deren anderes in
Nachbarschaft zum unteren Ende der Wandung 54 angeordnet
ist. Die beiden Dichtungselemente umfassen Dichtungsflächen,
welche sich radial nach innen und nach oben erstrecken.
Wenn gemäß der Zeichnung das Ventil in der
Schließposition steht, so wirken die Dichtungselemente 46
und 58 und die Dichtungselemente 48 und 60 derart zusammen,
daß eine größere Fläche dem Druck des Strömungsmediums
im Sinne der Ausübung einer abwärtsgerichteten Kraft
ausgesetzt ist, im Vergleich zu der Fläche, welche dem
Druck des Strömungsmediums im Sinne einer aufwärtsgerichteten
Kraft ausgesetzt ist. Dies hat zur Folge, daß das
Ventil, sobald es einmal die Schließposition einnimmt,
bei einer Steigerung des Drucks des Strömungsmediums in
der Schließposition gehalten wird. Die Absperrhülsenanordnung
52 umfaßt ferner ein Ausgleichsglied 62. Wenn
die Hülse die Öffnungsposition einnimmt, so berührt dieses
Ausgleichsglied 62 eine Lochplatte 64 mit einer Vielzahl
von Öffnungen 66, welche eine Strömungsfläche für
das hindurchströmende Strömungsmedium bildet. Wenn das
Ausgleichselement 62 anliegt, so wird hierdurch eine ausreichende
Strömungsfläche bedeckt oder verschlossen, so
daß bei einer Strömung des Strömungsmediums durch das Gehäuse
ein Druckabfall über das Ausgleichselement stattfindet.
Dieser Druckabfall reicht gerade aus, um die Absperrhülse
bei einer vorbestimmten, minimalen Durchflußrate in
Öffnungsposition zu halten. Die Strömungsfläche, welche
durch das Ausgleichselement 62 abgedeckt werden sollte,
kann leicht aus folgender Gleichung errechnet werden:
wobei W das Gewicht der Hülsenanordnung bedeutet; a die
nichtbedeckte Strömungsfläche der Öffnungen bedeutet; Q
die erwünschte minimale Strömungsrate darstellt, bei der
das Ventil geschlossen werden soll; und C f den Düsenkoeffizienten
der Öffnungen bezeichnet. Der Düsenkoeffizient
ist u. a. eine Funktion der Gestalt der Öffnungen und
der Dicke der Platte. Der Wert des Düsenkoeffizienten kann
von einem Durchschnittsfachmann leicht durch Routineversuche
ermittelt werden.
Vorteilhafterweise umfaßt das erfindungsgemäße Ventil auch
eine mechanische Einrichtung, um die Strömungsabsperrhülse
in eine Öffnungsposition bzw. eine Schließposition zu
bewegen. Ein Beispiel einer solchen mechanischen Einrichtung
ist in Fig. 2 gezeigt. Sie umfaßt ein Verbindungselement
68, welches verschiebbar mit dem Gewichtsbauteil 26
verbunden ist, um so eine mechanische Bewegung zwischen
der Öffnungsposition und der Schließposition zu erlauben.
Das Gewichtsbauteil hat ein ausreichendes Gewicht zur
Überwindung der Retentionskraft, welche durch den Druckabfall
über das Ausgleichselement 62 hervorgerufen wird.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist ferner ein Kolbenelement
70 vorgesehen, welches über dem Düsengehäuse 42 angeordnet
und mit diesem verbunden ist. Wenn während des
Betriebs die Strömungsabsperrhülsenanordnung 52 von der
oberen Öffnungsposition in eine untere Schließposition
bewegt wird, so wird das darin enthaltene Strömungsmedium
leicht durch Strömungsöffnungen 56 verdrängt, bis die oberste
Fläche des Kolbens 70 über die oberste Öffnung hinausbewegt
ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Strömungsfläche
für das verdrängte Strömungsmedium auf einen erwünschten,
minimalen Wert verringert. Dieser minimale Wert ist festgelegt
durch den Zwischenraum zwischen dem Kolbenelement
70 und dem Innendurchmesser der Hülsenwandungen 54 der
Strömungsabsperranordnung 52.
Das erfindungsgemäße Ventil wurde für eine für Versuchszwecke
gebaute Neutronenabsorptionssäulenanordnung konstruiert
und in diese eingebaut, wie in den Fig. 1 und 2
gezeigt. Die Strömung des Strömungsmediums durch die Säulenanordnung
wurde auf verschiedene Durchsätze verringert,
und die Zeitdauer bis zu einem im wesentlichen vollständigen
Herabfallen der Neutronen-Absorptionselemente in
die Kernzone wurde gemessen, und zwar einmal mit und einmal
ohne die erfindungsgemäße Ventilanordnung. Es wurde
festgestellt, daß die Zeitdauer für das Herabfallen sämtlicher
Elemente in die Kernzone im wesentlichen konstant
ist und etwa 4 bis 6 Sekunden beträgt, wenn man das erfindungsgemäße
Ventil verwendet. Ohne das Ventil variiert
diese Zeitdauer beträchtlich, und zwar je nach dem Durchsatz,
bis zu dem die Strömung verringert wird. In einigen
Fällen, in denen die Strömung langsam auf Null herabgesetzt
wird, betrug die Zeitspanne bis zum Herabfallen
sämtlicher Elemente in die Kernzone bis zu 20 Sekunden
und mehr. Dieses Beispiel demonstriert daher den Nutzen
des erfindungsgemäßen Ventils.
Es ist schwierig, eine Neutronen-Absorptionssäulenanordnung
derart zu konstruieren, daß die Elemente stets in
die Kernzone hinabfallen, wenn die Strömung unter etwa
50% des Betriebsdurchsatzes der Konstruktion gesenkt wird.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils ist es ohne
weiteres möglich, das Ausgleichselement derart zu konstruieren,
daß das Ventil bei jedem erwünschten, minimalen
Durchsatz geschlossen wird. Darüber hinaus ist der Schließpunkt
in hohem Maße reproduzierbar. Somit ist das erfindungsgemäße
sich selbst betätigende Ventil äußerst zuverlässig.
Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform des Ventils
beschrieben. Dieses Ventil ist auf allen Gebieten
einsetzbar, auf denen ein sich selbst betätigendes und
sich selbst verriegelndes Ventil erwünscht ist. In einigen
Fällen kann es erwünscht sein, ein nachgiebiges Material
an den Dichtflächen vorzusehen, um im Bereich dieser
Flächen die Leckströmung im wesentlichen auf Null zu senken.
Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann jedoch eine gewisse Leckströmung
nicht nur in Kauf genommen werden, dies ist sogar
erwünscht. Wenn das erfindungsgemäße Ventil in Verbindung
mit einem Reaktor verwendet wird, so kommt es zu
einer beträchtlichen Abklingwärme in den Absorberelementen,
und es ist erwünscht, eine gewisse Strömung des Strömungsmediums
durch die Säule aufrechtzuerhalten, auch
wenn das Ventil die Schließposition einnimmt. Man kann daher
die Dichtungsflächen derart ausbilden, daß auch in
der Schließposition noch eine erwünschte Leckströmung
stattfindet.
Claims (8)
1. Selbstbetätigendes und selbstveriegelndes Strömungsabsperrventil,
insbesondere für Kernreaktoren mit
einer Vielzahl von strömungsgestützten Neutronen-Absorptionselementen,
für das sichere Abschalten des Reaktors,
gekennzeichnet durch
ein im wesentlichen vertikales, langgestrecktes Gehäuse (12) für die Strömung des Strömungsmediums;
eine Lochplatte (64) in dem Gehäuse (12), deren Löcher (66) eine Strömung des Strömungsmediums von einem Ende des Gehäuses (12) zum anderen gestatten;
ein im wesentlichen vertikales, langgestrecktes, im Gehäuse (12) angeordnetes und an diesem befestigtes Düsenbauteil (36) mit einer unteren Öffnung für den Eintritt des Strömungsmediums und mit Öffnungen (44) im Bereich des oberen Endes für das Ausströmen des Strömungsmediums und mit zwei Dichtungselementen (46, 48) mit sich radial nach außen und abwärts erstreckenden Dichtungsflächen, deren eine über und deren andere unter den Öffnungen (44) angeordnet ist;
eine langgestreckte, in dem Gehäuse (12) angeordnete und das Düsenbauteil (36) umgebende Strömungsabsperrhülse (52) mit mindestens einer Öffnung (56) für die Strömung des Strömungsmediums im oberen Bereich der Hülse (52) und zwei Dichtungselementen (58, 60) mit sich radial nach innen und oben erstreckenden Dichtungsflächen, welche mit der Hülse (52) verbunden sind, und deren eines unter der Strömungsöffnung (56) liegt und deren anderes im Bereich des unteren Endes der Hülse (52) liegt, wobei die Hülse (52) zwischen einer oberen Öffnungsposition, in der die Öffnungen (44) des Düsenbauteils (36) im wesentlichen nicht für einen Durchtritt des Strömungsmediums versperrt sind, und einer Schließposition, in der die Dichtungselemente (46, 48, 58, 60) der Hülse (52) und des Düsenbauteils (36) aneinander angreifen, bewegbar ist, wobei die aneinander angreifenden Dichtungsflächen der Dichtungselemente (46, 48, 58, 60) und die Wandungen der Hülse (52) die Strömung des Strömungsmediums durch die Öffnungen (44) versperren, und wobei die Dichtungselemente (46, 48, 58, 60) derart zusammenwirken, daß eine größere Fläche dem Druck des Strömungsmediums im Sinne der Einwirkung einer abwärtsgerichteten Kraft ausgesetzt ist, im Vergleich zur Fläche, welche dem Druck des Strömungsmediums im Sinne einer aufwärtsgerichteten Kraft ausgesetzt ist, derart, daß das Ventil einmal in seiner geschlossenen Position durch eine Erhöhung des Drucks des Strömungsmediums in der geschlossenen Position gehalten wird; und
ein Ausgleichselement (68), welches über der Strömungsabsperrhülse (52) angeordnet ist und mit dieser verbunden ist und die Lochplatte (64) berührt, wenn die Hülse (52) ihre Öffnungsposition einnimmt, so daß die Strömung des Strömungsmediums durch eine vorbestimmte Strömungsfläche der Öffnungen (66) der Lochplatte (64) verhindert wird, derart, daß ein Druckabfall über die Lochplatte (64) und das Ausgleichsbauteil (68) zustande kommt, welcher gerade ausreicht, das Ausgleichsbauteil (68) und die Strömungsabsperrhülse (52) bei einem vorbestimmten minimalen Durchsatz des Strömungsmediums zu unterstützen, derart, daß bei einem Abfall der Strömung des Strömungsmediums unter einen vorbestimmten Wert der Druckabfall über das Ausgleichsbauteil (68) nicht mehr ausreicht, die Strömungsabsperrhülse (52) in der Öffnungsposition zu halten, so daß sie unter dem Einfluß der Schwerkraft in die Schließposition gelangt.
ein im wesentlichen vertikales, langgestrecktes Gehäuse (12) für die Strömung des Strömungsmediums;
eine Lochplatte (64) in dem Gehäuse (12), deren Löcher (66) eine Strömung des Strömungsmediums von einem Ende des Gehäuses (12) zum anderen gestatten;
ein im wesentlichen vertikales, langgestrecktes, im Gehäuse (12) angeordnetes und an diesem befestigtes Düsenbauteil (36) mit einer unteren Öffnung für den Eintritt des Strömungsmediums und mit Öffnungen (44) im Bereich des oberen Endes für das Ausströmen des Strömungsmediums und mit zwei Dichtungselementen (46, 48) mit sich radial nach außen und abwärts erstreckenden Dichtungsflächen, deren eine über und deren andere unter den Öffnungen (44) angeordnet ist;
eine langgestreckte, in dem Gehäuse (12) angeordnete und das Düsenbauteil (36) umgebende Strömungsabsperrhülse (52) mit mindestens einer Öffnung (56) für die Strömung des Strömungsmediums im oberen Bereich der Hülse (52) und zwei Dichtungselementen (58, 60) mit sich radial nach innen und oben erstreckenden Dichtungsflächen, welche mit der Hülse (52) verbunden sind, und deren eines unter der Strömungsöffnung (56) liegt und deren anderes im Bereich des unteren Endes der Hülse (52) liegt, wobei die Hülse (52) zwischen einer oberen Öffnungsposition, in der die Öffnungen (44) des Düsenbauteils (36) im wesentlichen nicht für einen Durchtritt des Strömungsmediums versperrt sind, und einer Schließposition, in der die Dichtungselemente (46, 48, 58, 60) der Hülse (52) und des Düsenbauteils (36) aneinander angreifen, bewegbar ist, wobei die aneinander angreifenden Dichtungsflächen der Dichtungselemente (46, 48, 58, 60) und die Wandungen der Hülse (52) die Strömung des Strömungsmediums durch die Öffnungen (44) versperren, und wobei die Dichtungselemente (46, 48, 58, 60) derart zusammenwirken, daß eine größere Fläche dem Druck des Strömungsmediums im Sinne der Einwirkung einer abwärtsgerichteten Kraft ausgesetzt ist, im Vergleich zur Fläche, welche dem Druck des Strömungsmediums im Sinne einer aufwärtsgerichteten Kraft ausgesetzt ist, derart, daß das Ventil einmal in seiner geschlossenen Position durch eine Erhöhung des Drucks des Strömungsmediums in der geschlossenen Position gehalten wird; und
ein Ausgleichselement (68), welches über der Strömungsabsperrhülse (52) angeordnet ist und mit dieser verbunden ist und die Lochplatte (64) berührt, wenn die Hülse (52) ihre Öffnungsposition einnimmt, so daß die Strömung des Strömungsmediums durch eine vorbestimmte Strömungsfläche der Öffnungen (66) der Lochplatte (64) verhindert wird, derart, daß ein Druckabfall über die Lochplatte (64) und das Ausgleichsbauteil (68) zustande kommt, welcher gerade ausreicht, das Ausgleichsbauteil (68) und die Strömungsabsperrhülse (52) bei einem vorbestimmten minimalen Durchsatz des Strömungsmediums zu unterstützen, derart, daß bei einem Abfall der Strömung des Strömungsmediums unter einen vorbestimmten Wert der Druckabfall über das Ausgleichsbauteil (68) nicht mehr ausreicht, die Strömungsabsperrhülse (52) in der Öffnungsposition zu halten, so daß sie unter dem Einfluß der Schwerkraft in die Schließposition gelangt.
2. Strömungsabsperrventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch ein Kolbenbauteil (70), welches sich vom
oberen Ende des Düsenbauteils (36) nach oben in die Strömungsabsperrhülse
(52) erstreckt, und zwar um eine solche
Strecke, daß bei der Bewegung der Hülse (52) von der Öffnungsposition
in die Schließposition der oberste Bereich
des Kolbenbauteils (70) sich an der Strömungsöffnung (56)
der Strömungsabsperrhülse (52) vorbeibewegt und eine
Dämpfungskraft auf die Schließbewegung der Strömungsabsperrhülse
(52) ausübt.
3. Strömungsabsperrventil nach einem der Ansprüche 1
oder 2, gekennzeichnet durch eine Betätigungseinrichtung
(26-30) für die Bewegung der Strömungsabsperrhülse
(52) in die Öffnungsposition bzw. Schließposition.
4. Strömungsabsperrventil nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch eine langgestreckte Stange (30), welche
lösbar mit einem Gewichtsbauteil (26) verbunden ist, das
ein ausreichendes Gewicht für die Bewegung der Strömungsabsperrhülse
(52) in die Schließposition aufweist.
5. Strömungsabsperrventil nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stange (30) über mindestens einen
Magneten (28, 29) lösbar mit dem Gewichtsbauteil (26) verbunden
ist.
6. Strömungsabsperrventil nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Magnet (28, 29) eine Curie-Punktlegierung
umfaßt.
7. Strömungsabsperrventil nach einem der Ansprüche 5
oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (30) mit
dem Gewichtsbauteil (26) über zwei Magnete (28, 29) lösbar
verbunden ist, deren einer ein Curie-Punktlegierungsmagnet
und deren anderer ein Elektromagnet ist.
8. Verwendung des Strömungsabsperrventils nach einem
der Ansprüche 1 bis 7, in einem Kernreaktor mit einer
Vielzahl von seitlich voneinander angeordneten, vertikalen
Neutronen-Absorptionssäulen, welche im Reaktorkern
angeordnet sind und sich aus diesem heraus erstrecken und
deren jede eine Vielzahl von Neutronen-Absorptionselementen
enthält, die bei normalem Reaktorbetrieb hydraulisch
unterstützt außerhalb des Reaktorkerns gehalten werden,
wobei das sich selbst betätigende und sich selbst verriegelnde
Strömungsabsperrventil vorzugsweise jeweils am
oberen Ende der Neutronen-Absorptionssäule angeordnet
ist.
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