DE1173595B - Abschaltvorrichtung fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/31

Nummer: 1173 595

Aktenzeichen: U 6327 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 7. Juli 1959

Auslegetag: 9. Juli 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abschaltvorrichtung für Kernreaktoren mit einem lotrecht in dem Reaktorkern angeordneten Rohr, an dessen oberem Ende ein Vorratsbehälter für schüttfähiges Material aus neutronenabsorbierenden Teilchen, wie Kugeln, angeordnet ist, und mit einer Anordnung zum Herstellen einer Verbindung zwischen Vorratsbehälter und Rohr, bei deren Betätigung die neutronenabsorbierenden Teilchen in das Rohr einfließen.

Bei Kernreaktoren ist es allgemein üblich, eine Notabschaltung vorzusehen, die aus Steuer- oder Regelstäben besteht, die in den Reaktorkern fallen können oder durch andere Antriebsmittel in den Kern hineingebracht werden. Die Regelstäbe enthalten ein Material, das eine hohe Neutronen-Absorptionsfähigkeit hat oder bestehen aus diesem Material. Wenn jedoch das Druckgefäß birst, beispielsweise beim Auftreten einer Erschütterung durch Erdbeben, so kann der Kern aus seiner Lage gebracht werden, ao was wiederum zu einem Versagen dieser Art der Notabschaltung führen könnte. Es ist daher erwünscht, eine zweite Vorrichtung zur Notabschaltung vorzusehen, die in Tätigkeit gesetzt werden kann, wenn die normale Notabschaltung versagen sollte.

Die Wahl eines geeigneten neutronenabsorbierenden Mittels für diese zweite Abschaltvorrichtung wird durch die Verhältnisse bestimmt, die man im Fall ihres Einsatzes antrifft. Wenn der Kühlmittelumlauf unterbrochen wird und hohe Temperaturen entstehen, die leicht den Reaktorkern verformen, so bringt die Verwendung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums Gefahren mit sich, die als zu groß angesehen werden müssen, als daß die Wahl auf sie fallen könnte. Bei Verwendung eines Gases kann es vorkommen, daß eine für die beabsichtigte Wirkung ausreichende Konzentration nicht zu erreichen ist, wenn der Kern verformt worden ist und das Gas aus dem Kern austreten kann. Eine geeignete Flüssigkeit würde wahrscheinlich bei den abnorm hohen Temperaturen sieden, die in solchen Notfällen entstehen können, wenn von der zweiten Abschaltvorrichtung Gebrauch gemacht werden muß. Das dabei entstehende Gas hat selbst dann, wenn es Neutronen gut absorbiert, die zuvor genannten Nachteile. Die Wahl des Materials scheint daher auf einen festen Stoff beschränkt zu sein, der in den Reaktorkern auch dann eingebracht werden kann, wenn er sich verformt. Außerdem ist die Betätigung der zweiten Abschaltvorrichtung vorzugsweise unabhängig von dem Druckbehälter vorzunehmen, so daß sie selbst dann erfolgen kann, wenn der Druckbehälter geborsten ist.

Abschaltvorrichtung für Kernreaktoren

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eisernerstr. 227

Als Erfinder benannt:
Everett Long,

Frank Geoffrey Greenhalgh,
Laurence Hack, London

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 8. Juli 1958 (21808),
vom 24. Juni 1959

Es sind bereits Abschaltvorrichtungen für Kernreaktoren bekannt, bei denen als neutronenabsorbierendes Mittel Kugeln verwendet werden. Dabei ist es bekannt, im Reaktorkern ein Rohr einzusetzen, in das zum Abschalten des Reaktors die Kugeln aus einem oberhalb des Rohres liegenden Vorratsbehälter hineinfallen. Um die Kugeln bei Wiederinbetriebnahme des Reaktors aus dem Rohr zu entfernen, ist es bekannt, am unteren Ende des in den Reaktorkern fest eingebauten Rohres eine Entnahmeöffnung vorzusehen, aus der die Kugeln beim Öffnen durch die Schwerkraft herausfallen. Die Kugeln müssen bei dieser bekannten Vorrichtung dann durch außerhalb des Reaktors liegende Vorrichtungen wieder in den Vorratsbehälter zurückgeführt werden.

Bei dieser bekannten Vorrichtung besteht durch die Notwendigkeit der Rückführung der Kugeln außerhalb des Reaktors ein erheblicher Zeitaufwand, bis die Abschaltvorrichtung erneut betriebsbereit ist. Dies kann insbesondere, wenn beim Wiederanfahren des Reaktors ein den Abschaltvorgang notwendig machender Fehler nicht völlig beseitigt ist, zu einer erheblichen Gefahr führen.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Abschaltvorrichtung zu schaffen, die unmittelbar nach der Entnahme der neutronenabsorbierenden Teilchen aus dem im Reaktorkern liegenden Rohr wieder betriebsbereit ist. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Rohr durch

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den Vorratsbehälter hochziehbar ist und an seinem unteren Ende einen lösbaren Verschluß aufweist, der nur in einer bestimmten Stellung des Rohrendes im Vorratsbehälter geöffnet ist, in der die im Rohr befindlichen neutronenabsorbierenden Teilchen in den Vorratsbehälter zurückfließen. Durch diese Vorrichtung wird ein Rückführen der Teilchen außerhalb des Reaktors, d. h. von einem unterhalb des Abschaltrohres liegenden Sammelbehälter in den Vorrats-

Wie aus den Fig. 1 bis 4 hervorgeht, ist dort die Konstruktion der Abschaltvorrichtung in der Anwendung auf einen Kernreaktor mit einem Graphitmoderator dargestellt, in dem im wesentlichen senkrechte Kanäle für die üblichen Regel- oder Abschaltstäbe vorgesehen sind. Ein derartiger Kanal 1 in dem Moderator 2 weist an dem oberen Ende einen Beschickungstiegel 3 auf, dessen unteres Ende in den erweiterten Oberteil 4 eines langen Rohres 5 ragt,

behälter am oberen Ende des Rohres, unnötig, und io dessen unteres Ende wiederum durch einen Stopfen 6 die neutronenabsorbierenden Teilchen können prak- verschlossen ist und welches auf einem Block 7 ruht, tisch unmittelbar nach Ausfahren des herauszieh- der sich auf dem unteren Ende des Reaktorkernes abbaren Rohres aus dem Reaktorkern erneut in das stützt. Der Teil 4 des Rohres 5 hat innen eine Er-Abschaltrohr eingefüllt werden. Die Vorrichtung ist Weiterung 8 zur Aufnahme des unteren Endes eines außerdem außerordentlich einfach im Aufbau und 15 Magazines, das mit dem Bezugszeichen 9 versehen betriebssicher. ist. Das Magazin 9 weist einen Flansch 10 auf, der

Vorzugsweise ist im Vorratsbehälter ein axial mit auf dem Beschickungstiegel 3 aufsitzt, einen Iängdem Abschaltrohr im Reaktorkern fluchtender Rohr- liehen rohrförmigen Teil 11, der innen in dem Bestutzen angeordnet, der kurz oberhalb des Vorrats- schickungstiegel 3 sitzt, sowie ein Endstück 12 von behälters endet und durch den das herausziehbare 20 verjüngtem Außendurchmesser, das in der Erweite-

Rohr nach oben ausgefahren werden kann, wobei der lösbare Verschluß des herausziehbaren Rohres während des Ausfahrens aus dem Reaktorkern zuerst durch Anliegen an der Innenseite eines koaxialen,

rung 8 des Rohrteils 4 sitzt. Das übrige Magazin besteht aus einem Behälter 13 mit Leitrinnen 14, die zu vier Auslaßrohren von rechtwinkligem Querschnitt führen, die fast bis zu einem rechten Winkel (s. ins-

im Reaktorkern festliegenden Abschaltrohres und 25 besondere Fig. 1) gebogen sind und öffnungen 16

dann durch Anliegen an dem Rohrstutzen im Vorratsbehälter in Schließstellung gehalten wird, wobei der Verschluß aufgehoben wird, wenn die Verschlußvorrichtung über den Rohrstutzen hinaus ausgefahren wird.

Die Verschlußvorrichtung besteht vorzugsweise aus einer oder mehreren Verschlußklappen, deren Bodenbewegung derart ist, daß in Schließstellung ihre freien Außenkanten so weit über den Umfang des

haben, die zu einem Mittelrohr 17 führen, das sich sowohl ober- als auch unterhalb der Öffnungen 16 erstreckt. Über den Umfang verteilt angeordnete Abstützansätze 18 für das obere Ende des Rohres 17 befinden sich an der Wandung des Behälters 13. Der Behälter 13 ist mit einer Kappe 19 versehen, auf der sich ein durchbohrter Zapfen 20 befindet, der so gestaltet ist, daß er mit dem üblichen Greifer zusammenwirken kann. An dem Flansch 10 des Maga-

15 angebracht. Das Joch 23 eines jeden Polschuhpaares 22 ist mit Spulen 24 versehen, die darauf auf gewickelt sind.

In dem Rohr 5 befindet sich ein Innenrohr 26, dessen oberes Ende etwas unter dem Teil 4 liegt und mit einem verdickten Teil 27 versehen ist, der für das Zusammenwirken mit dem Greifer vorgesehen ist. Das Innenrohr 26 sitzt mit Spiel in dem Rohr 5 und

herausziehbaren Rohres vorragen, daß sie durch An- 35 zines 9 sind vier Elektromagnete 21 mit Polschuhen liegen an dem koaxialen Abschaltrohr bzw. dem 22 an jeder Seite des gebogenen Teiles der Rohre Rohrstutzen im Behälter in Schließstellung gehalten
werden. Die oder jede der Klappen ist vorzugsweise
so ausgebildet, daß sie in Öffnungsstellung als Führungsflächen für die neutronenabsorbierenden Teil- 40
chen bei deren Zurückfließen in den Vorratsbehälter
dienen.

Der Vorratsbehälter ist mit dem herausziehbaren Rohr wenigstens über eine Öffnung in Verbindung.

Ferner ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ma- 45 ist nach dem unteren Ende zu mit gegenüberstehen-

gnetfeldes quer zu der Öffnung oder den Öffnungen den aufklappbaren Klappen 28 und 29 versehen, die

vorgesehen, wobei die neutronenabsorbierenden Teil- getrennt bei 30 bzw. 31, wie aus F i g. 3 hervorgeht,

chen aus einem magnetischen Material bestehen oder schwenkbar angebracht sind oder auf demselben

ein solches enthalten, derart, daß die Teilchen gegen Drehzapfen 32 sitzen, wie aus Fig. 4 hervorgeht,

die Wirkung der Schwerkraft an einem Einfließen in 50 Die Klappen 28 und 29 sind so eingerichtet, daß sie

das herausziehbare Abschaltrohr gehindert sind, so- im geschlossenen Zustand nicht wesentlich über den

lange das Magnetfeld vorhanden ist, während sie nach Außendurchmesser des Rohres 26 hinausragen, aber

Aufhebung des Magnetfeldes durch ihre Schwerkraft in der geöffneten Stellung über diesen Durchmesser

in das Abschaltrohr fallen. hinausgehen. Das Endstück des Rohres 26 geht über

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie bei- 55 die Klappen 28 und 29 hinaus und hat einen Endspielsweise wiedergebenden Zeichnung näher er- stopfen 33, der an dem Stopfen 6 des Rohres 5 in läutert werden. Von den Zeichnungen zeigt der Arbeitsstellung des Rohres 26 anliegt. Das Rohr

Fig. 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung im 26 kann aus dem Rohr5 in das Rohr 17 gezogen

Längsschnitt, werden und durch den Greifer in eine Stellung, die

F i g. 2 einen Grundrißschnitt nach der Linie II-II 60 in strichpunktierten Linien in F i g. 1 dargestellt ist,

der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab gegenüber wobei die Klappen 28 und 29 während des Heraus-

F i g. 1, Ziehens aus dem Rohr in der Schließstellung gehalten

F i g. 3 eine Schnittansicht der Öffnungsklappen im werden, aber nach Passieren des oberen Endes des

vergrößerten Maßstab zu F i g. 1, Rohres 17 in die Stellung aufklappen, die in strich-

Fig. 4 eine Ansicht wie Fig. 3 einer abgeänder- 65 punktierten Linien in Fig. 1 dargestellt ist.

ten Ausführungsform und Die Abschaltvorrichtung arbeitet wie folgt:

Fig. 5 eine Ansicht wie Fig. 1 einer weiteren Der Magazinbehälter 13 wird mit einer großen

abgeänderten Ausführungsform. Anzahl Borstahlkugeln gefüllt, die zweckmäßiger-

weise einen Durchmesser von 3 mm haben (von denen einige in Fig. 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 34 versehen sind). Das Auslaufen der Kugeln durch die Rohre 15 und die Öffnungen 16 in das Innere des Mittelrohres 17 wird so lange verhindert, wie die Spulen 24 unter Strom stehen und ein magnetisches Feld zwischen den Polschuhpaaren 22 erzeugen. Wenn die Betätigung der Löschvorrichtung erforderlich wird, werden die Spulen 24 stromlos gemacht, wodurch das magnetische Feld zusammenbricht und die Kugeln 34 aus dem Magazinbehälter 13 durch die Rohre 15 und Öffnungen 16 in das Mittelrohr 17 und von dort in das Rohr 26 fallen können, wobei ein Herausfallen aus diesem Rohr durch die geschlossenen Klappen 28 und 29 verhindert wird. Die Kugeln 34 bilden eine Säule in dem Rohr 26 und wirken in gleicher Weise wie ein fester Löschstab vom gleichen Durchmesser und gleicher Höhe hinsichtlich der Absorbierung von Neutronen und des Löschens. Wenn die Löschvorrichtung außer Betrieb gesetzt werden soll, so wird das Rohr 26 an seinem Teil 27 durch den üblichen Greifer erfaßt und nach oben in die mit strichpunktierten Linien in F i g. 1 dargestellte Stellung gezogen, wobei die Klappen 28 und 29 in die geöffnete Stellung fallen, sobald as die durch das Mittelrohr 17 auf sie ausgeübte Schließwirkung aufhört, worauf die Klappen 28 und 29 es den Kugeln 34 ermöglichen, aus dem Rohr 26 herauszurollen, und sie in den Magazinbehälter 13 leiten. Das verlängerte Endstück des Rohres 26 bedeckt die Öffnungen 16 und verhindert, daß Kugeln 34 in das Mittelrohr 17 rollen. Inzwischen sind die Spulen 24 wieder unter Strom gesetzt worden, so daß das Magnetfeld wieder entsteht und die Kugeln 34 in dem Magazinbehälter 13 hält. Das Rohr 26 wird in seine Arbeitsstellung in dem Reaktorkern zurückgebracht, wobei die Klappen 28 und 29 selbsttätig geschlossen werden, wenn sie wieder in das Rohr 17 gelangen und in der Schließlage dadurch gehalten werden, daß sie die Wandung des Rohres 17, die Bohrung des Teiles 11 und die Wandung des Rohres 5 nacheinander berühren, wenn das Rohr 26 herabgelassen wird.

Nichtmagnetische Teilungsplatten 25 sind radial zu dem Mittelrohr 17 angeordnet, um die Rohre 15 in einer Ebene (s. Fig. 2) zu halbieren. Ihr Zweck besteht darin, den magnetischen Fluß, der durch die Polschuhpaare 22 entsteht, auf eine begrenzte Fläche durch Teilung der Kanäle unmittelbar über den Polschuhen 22 zu begrenzen. Als Anhalt für oder als allgemeiner Hinweis auf geeignete Abmessungen des Magazinbehälters 13 und des Durchmessers des Innenrohres 26 können folgende Angaben dienen: Die Höhe des Magazinbehälters 13 kann 35 cm betragen und soviel Kugeln enthalten, daß eine 4,26 m hohe Kugelsäule in dem Innenrohr 26 entsteht.

Bei einer (nicht dargestellten) abgeänderten Ausführungsform können die Auslaßöffnungen 16 mit den Rohren 15, mit denen sie in Verbindung stehen, gestaffelt, anstatt auf gleicher Höhe — wie es in F i g. 1 dargestellt ist — angeordnet werden. Diese Lösung dient im Vergleich zu der dargestellten Konstruktion zur Bildung eines nach unten in dem Rohr gerichteten Kugelstromes, wenn die Vorrichtung betätigt wird, und ermöglicht bei Bedarf die Verwendung von Kugeln größeren Durchmessers. Bei der in Fig. 5 dargestellten abgeänderten Ausführungsform ähnelt die Vorrichtung der an Hand von F i g. 1 und 4 beschriebenen, nur hat das Magazin eine runde Öffnung 40 in dem Mittelrohr 17, die nur durch diametral entgegengesetzte Teile 41 der Wandung des Rohres 17 unterbrochen ist (wobei nur ein Teil in F i g. 5 dargestellt ist). Pole 42 und 43 eines elektrischen Ringmagneten 44 sind an jeder Seite des konischen Kanals 45 angeordnet, der zu der öffnung führt. Leitkörper 46 aus nichtmagnetischem Material sind in dem Kanal 45 in einer Flucht mit den Teilen 41 vorgesehen und dienen zur Abstützung der Polstücke 42, die in einem Gehäuse 47 angeordnet sind, welches das Mittelrohr 17 umgibt. Die Polschuhe 43 ruhen auf einem Polschuhträger 48, der an dem Flansch 10 des Magazins 9 befestigt ist. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie die an Hand von Fig. 1 bis 4 beschriebene. Diese Ausführungsform ermöglicht die Verwendung von Kugeln größeren Durchmessers (bis zu 6 mm).

In einem energieliefernden Kernreaktor werden soviel Einheiten der Abschaltvorrichtung verwendet, daß ein sicheres Abschalten gewährleistet ist. Es ist vorteilhaft, eine Konzentration der Vorrichtungen in dem Mittelbereich des Kernes vorzusehen. Bei einem typischen Beispiel wurden bei einem Kern von 9,45 m Durchmesser mit 1696 Kanälen für Brennstoffelemente und 48 Kontrollstäben zehn Einheiten der beschriebenen Vorrichtung verwendet.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Abschaltvorrichtung für Kernreaktoren mit einem lotrecht in dem Reaktorkern angeordneten Rohr, an dessen oberem Ende ein Vorratsbehälter für schüttfähiges Material aus neutronenabsorbierenden Teilchen wie Kugeln angeordnet ist, und mit einer Anordnung zum Herstellen einer Verbindung zwischen Vorratsbehälter und Rohr, bei deren Betätigung die neutronenabsorbierenden Teilchen in das Rohr einfließen, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (26) durch den Vorratsbehälter (9) hochziehbar ist und an seinem unteren Ende einen lösbaren Verschluß (28, 29, 30, 31) aufweist, der nur in einer bestimmten Stellung des Rohrendes im Vorratsbehälter (9) geöffnet ist, in der die im Rohr befindlichen neutronenabsorbierenden Teilchen (34) in den Vorratsbehälter (9) zurückfließen.

2. Abschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorratsbehälter (9) ein axialverlaufender Rohrstutzen (17) angeordnet ist, dessen oberes Ende kurz über der Oberseite des Behälters endet und durch welchen das herausziehbare Rohr (26) verschiebbar ist, und daß der lösbare Verschluß des herausziehbaren Rohres (26) während des Herausziehens aus dem Reaktorkern (2) zuerst durch Anliegen an der Innenseite eines koaxialen von dem Vorratsbehälter (9) in den Reaktorkern (2) verlaufenden Rohres (5) und dann durch Anliegen an dem axial im Vorratsbehälter (9) liegenden Rohrstutzen (17) in Schließstellung ist und der Verschluß automatisch öffnet, wenn er oberhalb des Rohrstutzens (17) zu liegen kommt, wo der durch das Anliegen an die Innenseite der Rohre erzeugte Anpreßdruck nicht mehr vorhanden ist.

3. Abschaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß wenigstens eine schwenkbare Verschlußklappe

(28, 29) aufweist, die so groß ist, daß ihre freien Ränder sowohl in Schließstellung als auch in der geöffneten Stellung so weit über den Umfang des herausziehbaren Rohres (26) hinausragen, daß sie durch Anliegen an dem koaxialen Rohr (5) und dem im Vorratsbehälter liegenden Rohrstutzen (17) in Schließstellung gehalten werden, und in der geöffneten Stellung oberhalb des Rohrstutzens (17) ein Zurückfallen des schüttfähigen Materials in das Rohr verhindern.

4. Abschaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe oder Klappen (28,29) in Öffnungsstellung als Führungsflächen für die in den Vorratsbehälter (9) fallenden neutronenabsorbierenden Teilchen dienen.

5. Abschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (9) mit wenigstens einer öffnung (16) zum Rohr

(26) hin versehen ist, daß eine Vorrichtung (21, 22,23,24) zum Erzeugen eines Magnetfeldes quer zu der öffnung oder den öffnungen (16) vorgesehen ist, und daß die neutronenabsorbierenden Teilchen (34) aus einem magnetischen Material bestehen oder ein solches enthalten, so daß die Teilchen (34) bei vorhandenem Magnetfeld gegen die Wirkung der Schwerkraft am Einfließen in das herausziehbare Rohr (26) gehindert werden, daß sie aber nach Abschalten des Magnetfeldes durch die Wirkung der Schwerkraft in das herausziehbare Rohr (26) einfließen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 052 000,
1026451;

USA.-Patentschrift Nr. 2773 823;
britische Patentschrift Nr. 791 011;
»Nucleonics«, Bd. 16, 1958, Heft 5, S. 86.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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