DE1514442C - Einrichtung zur Regelung von Kern reaktoren - Google Patents

Description

Zur Leistungsregelung von Kernreaktoren bedient man sich in fast allen Fällen neutronenabsorbierender Stoffe, die in gesteuerter Weise in den Reaktorkern eingeführt werden. Meistens werden zu diesem Zweck sogenannte Absorberstäbe verwendet. Diese wirken aber nur dann gleichmäßig absorbierend auf den ganzen Reaktorkern, wenn sie vollständig eingefahren sind. Sind sie nur teilweise eingefahren, so wirken sie einseitig.

Im Kern eines Reaktors ist aber von Natur aus die Neutronenflußdichte und damit die Wärmeerzeugung in der Kernmitte am größten und fällt nach den Rändern hin ab. Aus thermischen und wirtschaftlichen Gründen wäre eine über das ganze Kernvolunien gleichmäßige Wärmeerzeugung wünschenswert. Dies wäre aber nur möglich, wenn die absorbierenden Stoffe sich in gesteuerter Weise in die zentralen Zonen des Reaktorkernes einbringen ließen.

Aus der französischen Patentschrift 1 258 757 ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung bekanntgeworden, nach der kugelförmige Absorberkörper über gesonderte Führungskanäle in den Reaktorkern eingeführt werden. Dabei weisen diese Führungskanäle jedoch erst nach Durchführung durch den Reaktorkern außerhalb des eigentlichen Druckbehälters Sperrvorrichtungen auf, durch die die Absorberkugeln in den Kanälen festgehalten werden. Das bedeutet, daß nicht allein die kritischen Zonen im Reaktorkern mit Absorbermaterial beaufschlagt weiden können, sondern daß der gesamte Kanal auch unterhalb der Zonen stärksten Neutronenflusses mit Absorbermaterial gefüllt ist, so daß sich auch hier eine unterschiedliche axiale Flußverteilung wie beim Einfahren von festen Steuerstäben ergibt.

Die gleichen Nachteile ergeben sich bei einer Regeleinrichtung, wie sie in der britischen Patentschrift 983 938 beschrieben ist, da diese Einrichtung im wesentlichen der oben beschriebenen entspricht.

Zur Vergleichmäßigung des Neutronenflusses ist ferner in der deutschen Auslegeschrift 1111 306 eine Vorrichtung beschrieben, nach der die Rohre für das Absorbermedium als Rohrschlangen ausgebildet sind, deren Schleifenäste und Krümmungsschenkel in verschiedenen Bereichen des Reaktorkerns unterschiedliche, der Neutronenflußdichte in diesen Bereichen angepaßte Abstände voneinander haben. Mit dieser Vorrichtung ist zwar auch eine gewisse Vergleichmäßigung zu erreichen, eine direkte Ansteuerung der kritischen Zonen ist jedoch auch damit nicht zu erreichen. .

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, mit der allein die Zonen stärksten Neutronenflusses mit Absorbermaterial versorgt werden. Dabei wird ebenfalls von einer Regeleinrichtung nach dem Neutronenabsorptionsprinzip Gebraucli gemacht, die durch Schwerkraft pneumatisch oder hydraulisch in gesonderten Führungskanälen innerhalb des Reaktorkerns bewegbare, kugelförmige Absorberkörper sowie eine Dosiereinrichtung für die Abstirberkörper oberhalb des Reaktorkerns verwendet.

Die Erfindung bestellt dabei darin, daß innerhalb der aktiven Zone des Reaktorkerns au den Führungskanälen Sperrvorriclituiigen angeordnet sind, die die Absorberkörper in ilen Zonen stärksten Neutronenfhisscs sammeln und die Abgabe lediglich einzelner Absnrbcrkürp.T umöt;lidicn. Durch clic Anzahl dor Kugeln und damit auch durch die I.iinue der Ahsorberkugelschichtung in der aktiven Zone des Reatorkerns wird die Reaktivität derart beeinflußt, daß eine gegenüber den bisherigen Verfahren bessere und symmetrischere Flußverflachimg eintritt, wodurch eine möglichst gleichmäßige Wärmeentbindung in den Kühlkanälen über das gesamte Volumen des Reaktors erreicht werden kann.

Die Sperrvorrichtungen für die Absorberkugeln weisen je zwei an den Enden eines mittig drehbar gelagerten Kipphebels befestigte und in die jeweiligen. Führungskanal seitlich einfahrbare Schieber auf, die zu keinem Zeitpunkt einen freien Durchgang der angesammelten Absorberkörper durch die Führungskanal zulassen.

Zur besseren Beeinflussung des Neutronenffusses ist es ferner vorteilhaft, wenn die FührungskoniÜe spiralig oder wendelförmig im Innern des Reaktorkerns angeordnet sind und daß die Ganghöhe und der Durchmesser der einzelnen Windungen in Zonen höherer Neutronenflußdichte derart bemessen ist, daß dort eine erhöhte Menge von Absorberkörpern untergebracht ist. Außerdem ist es möglich, daß die Führungskanäle die einzelnen Kühlkanäle wendelförmig umgeben.

An Hand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 den Gesumföufbau einer Regeleinrichtung,

Fig. 2 die wendeiförmige Anordnung der Füh rungskanäle und

Fig. 3 bis 6 verschiedene Ausführungsformen der Sperrvorrichtungen.

F i g. 1 zeigt schematisch eine mögliche Einrichtung zur Regelung. Die Regelkanäle 3 erstrecken sich hierbei geradlinig vertikal durch den Reaktorkern 2. Der Einfachheit halber wurde nur ein Regelkanal dargestellt. Die Reaktorkesselwandung selbst ist mit 1 versinnbildlicht. Die Bewegung der Absorberkugeln 4 erfolgt pneumatisch oder hydraulisch, wobei jedes beliebig geeignete Gas (z. B. He oder CO₂) oder jede beliebig geeignete Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Schmelzen) verwendet werden kann, desgleichen die Betätigung der Sperrvorrichtung 5 innerhalb des Reaktorkernes.

Der Ablauf des Verfahrens ist etwa folgender: Im Einfüllstutzen 8 befindet sich eine Anzahl von Absorbcrkugeln 4, über ein Ventil 9 gelangt eine Anzahl von ihnen zunächst in eine Bereitschaftsstcllung oberhalb des Reaktorkcssels 1. Diese wird ermöglicht durch die beiden elektromagnetisch betätigbaren Schieber 23 und 24. Für das Einfüllen in den Reaktorkern wird zunächst der Schieber 23 geöffnet, so daß eine begrenzte Zahl von Kugeln in den Zwischenraum zwischen Schieber 23 und 24 gelangen. Sodann wird der Schieber 23 wieder geschlossen, der Schieber 24 geöffnet, so daß die im Zwischenraum befindlichen Absorberkugeln in den Reaktorkern gelangen. Dort wird ihre [.agc durch das Absperrorgan 5 fixiert. Dieses Absperrorgan 5, für dessen Konstruktion in den F i g. 3, 4, 5 und (i einige Beispiele gezeigt, sind, besitzt ebenfalls zwei Sperrkörper 51 und 52, deren Betätigung mechanisch gegeneinander derart verriegelt ist, daß in keinem Augenblick in dem Regelkanal 3 ein freier Durchgang für die Kugeln herrsch!. fiin solcher Durchgang muß aus Sicherheitsgründen unbedingt vermieden werden, da eine plötzliche I.cistimgsexkiiisioii des Reaktois zur Zerstörung des-

selben führen könnte. Zu Beginn des Reaktorbetriebes wird die Anzahl der Absorberkugeln im Inneren des Reaktorkernes größer sein als nach dem eingespielten Betrieb, da zunächst eine Kompensation der Überschußreaktivität des Reaktors bis zur Ausbildung der Gleichgewichtsvergiftung notwendig ist. Der mit dem Aufbau dieser Vergiftung im Inneren des Reaktorkernes notwendige Abbau der Absorberinenge im Regelkanal 3 erfolgt durch schrittweises Betätigen der Absperrvorrichtung 5, wobei ähnlich wie bei uen elektromagnetisch betätigten Schiebern 23 und 24 jeweils die zwischen den Sperrkörpern 51 und 52 befindlichen Kugeln schrittweise aus dem Reaktorkessel entlassen werden. Diese sammeln sich dann vor den elektromagnetischen Schiebern 18 und 19 an, von denen sie wiederum schrittweise in das Förderrohr 2L gelangen. In diesem werden sie von dem aus dem Rohr 22 kommenden Gas- bzw. Flüssigkeitsstrom erfaßt und nach oben befördert, wo sie über eine Weiche 10 wiederum in die .Vorratsposition oberhalb der elektromagnetischen Sperrglieder 23 und 24 gelangen. Der Förderstrom wird dabei durch das Gebläse bzw. die Pumpe 17 erzeugt. Die Weiche 10 ist für jenen Fall vorgesehen, daß radioaktiv gewordene Absorberkörper zunächst nicht weiterverwendet werden sollen, sie werden dann über die Abklingstrecke 11, in der sie eine Zeitlang verbleiben, über den ebenfalls elektromagnetischen Schieber 12 einem nicht dargestellten Sammelbehälter zugeführt. Das Absperrorgan 5 ist in den F i g. 3 und 4 näher dargestellt, wobei in F i g. 3 der obere und in F i g. 4 der untere Sperrkörper in den Regelkanal eingefahren ist. Die Betätigung dieser Einrichtung 5 geschieht nun mit Hilfe eines Druckstoßes. Zu diesem Zweck ist ein Druckkessel 14 vorgesehen, der über den Kompressor 16 und die Leitung 20, die mit dem Regelkanal in Verbindung steht, aufgeladen wird. Wird nun das Magnetventil 13 kurzzeitig betätigt, so gelangt ein Druckstoß auf die Vorratsabsorberkörper 4, pflanzt sich längs der Kugelsäule fort und gelangt gegen den Sperrkörper 51. Dieser stellt für den Regelkanal eine starke Drosselstelle dar, so daß sich der Druckstoß ins Innere des Gehäuses 58 fortpflanzt und dort gegen den drehkolbenartig eingebauten Flügel 54 wirkt. Damit wird gegen den Druck der Feder 57 der untere Sperrkörper 52 vorgeschoben. Der obere bleibt jedoch noch an Ort und Stelle, da er an dein drehbaren Arm 55 befestigt ist, der wiederum über eine Feder gelenkig gegenüber dem drehkolbenartigen Bauteil angeordnet ist. Mit zunehmender Drehung dieses Bauteiles wird schließlich der Arm 55 unter der Sperrklinke 51 nach unten gleiten können. In diesem Moment ist aber bereits der Sperrkürper 52 in Sperrstellung angelangt. Diese Verzögerung der Bewegung des oberen Sperrkörpers 51 ist notwendig, damit der möglichst volle Strömungsdruck der Druckwelle auf dem Drehkolbeiiflügel 54 lastet, bis die Schaltung durchgeführt ist. Nach diesem Abgleiten der Kugeln 4 bis zum unteren Sperrkörper 52 dreht sich der drehkolbenartige Flügel 54 nach dem Abklingen des Druckstoßes infolge tier Wirkung der Feder 57 wieder in die Ursprungslage zurück, wobei der Ann 55 an der Sperrklinke 53 vorbeigleitcn kann, da diese z. B. ähnlich wie die Sperrklinke einer Tür ausgebildet ist. Dadurch werden die beiden nach diesem Beispiel abgesunkenen Kugeln (s. Fig. 4), freigegeben und können den Reaktorkern verlassen. Hin erneuter Druckstoß würde eine Wiedurholung dieses Vorganges auslösen. Für den Fall, daß die Vorratssäule der Absorberkugeln 4 oberhalb der magnetischen Absperrorgane 24 und 23 ein zu großes Strömlingshindernis darstellen sollte bzw. der Druckstoß nicht so hoch wie für diesen Fall notwendig gemacht werden kann, ist es zweckmäßig, eine geeignete Leitung 25 mit dem Ventil 15 vorzusehen, die unterhalb dieser Vorratssäule von Ahsorberkugeln in den Regelkanal einmündet.

ίο An Stelle des geraden Regelkanals nach dieser Figur kann aber auch beispielsweise ein schraubenförmiger Regelkanal bzw. eine Anzahl von schraubenförmigen Regelkanälen entlang von Kühlkanälcn des Reaktorkernes gemäß Fig. 2 vorgesehen sein. Der Regelkanal ist hier mit 31 bezeichnet, er ist um das Kühlkanalrohr 28 herumgewickelt, in dessen Inneren sich Brennelemente 29 befinden. Je nach Konstruktion der Kühlkanalwandung kann selbstverständlich auch dieser Regelkanal im inneren des Kühlkanals angeordnet sein. In diesem Falle wird es zweckmäßig sein, den Querschnitt des Regelkanals zu verringern, da dadurch sein mechanischer Einbau sowie seine Wirkung auf Grund der günstigeren Verteilbarkeit, über den Rcaktorquerschnitt gesehen, verbessert werden kann. In der Mittelzone des Kühlrohres, also auch des Reaktorkernes ist die Ganghöhe bzw. die Steigung der Regelkanals kleiner gehalten, so daß damit an Zonen stärkeren Neutronenflusses auch mehr absorbierendes Material-zur Verfügung steht. Hier ist es auch ohne Schwierigkeit möglich, die Absperrorgane für die Kugeln 5 außerhalb des Reaktorkernes anzubringen, da durch die große Ganghöhe der Regelkanäle außerhalb der Zentralzone des Reaktorkernes nur eine geringfügige Absorptionswirkung eintritt, deren Einseitigkeit — selbst wenn die Absorberkugeln die Regelkanäle in der unteren Hälfte des Reaktorkernes ganz ausfüllen — jedoch praktisch vernachlässigt werden dürfte bzw. auch durch eine entsprechende Ausbildung des Aufbaues des Reaktorkernes von vornherein ausgeglichen werden kann. Da den Reaktorkern eine Vielzahl derartiger Regclkanäle gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 durchziehen und der Reaktorkessel möglichst wenig durchbrochen werden sollte.ist es zweckmäßig, innerhalb des Reaktorkessels eine Verteilereinrichtung z. B. in Gestalt eines mehrwegigen Ventils anzuordnen, mit deren Hilfe es möglich ist, den jeweils ausgewählten Regelkanal mit zusätzlichen Absorberkugeln zu versorgen. Nach dem Austritt der Regclkanäle aus dem Reaktorkern ist eine Zusammenführiing zum Austrittsrohr, das zu den magnetischen Ventilen 18 und 19 führt, möglich. Zur Kühlung der Absoiberelemente kann ein Bypaß zu Ventil 13 vorgesehen werden, der die Einstellung eines entsprechenden Kühlflusscs gestattet.

Die Fig. 5 zeigt eine Sperreinrichtung 6, die dieselbe Wirkung hat wie die in den F i g. 3 und 4 dargestellte. Durch eine drehbare Wippe 65 sind die Sperrkörper 66 und 67 gelenkig verbunden. Der An-

6u trieb erfolgt pneumatisch oder hydraulisch über die Leitungen 63 und 64, die an die Faltenbälge 61 und 62 angeschlossen sind. Die Faltcnbälge selbst sind wiederum dicht mit den Sperrkörpern 66 bis 67 verbunden. Hin Druckstoß durch die Leitungen 64 bzw. 63 würde eine Ausdehnung der Faltenbälge 61 bzw. 62 bewirken und damit die Bewegung der Sperrkörper 66 bzw. 67 hervoi nifcii. Die Stellung dieser l\örp.:i ist dann ebenfalls wieder so, daß in keinem

Claims (4)

Augenblick eine volle Freigabe des Regelkanals 3 möglich ist. Die Durchführung der Sperrkörper 66 bzw. 67 durch die· Wandung des Regelkanals braucht dabei nicht gut abgedichtet zu sein, da bei dem Druckstoß eine absolute Abdichtung nicht erforderlich ist. Selbstverständlich können die Faltenbälge auch durch kleine Kolben ersetzt werden. Diese stellen jedoch normalerweise wegen ihres erhöhten Materialbedarfes im Inneren des Reaktorkernes zu große Neutronenabsorber dar. Um einen Begriff von der Größe dieser Einrichtung zu geben, sei erwähnt, daß bei geradlinigen Rohren der Kugeldurchmesser etwa zwischen 1 und 2 cm liegen wird. Bei schraubenförmig gebogenen oder angeordneten Regelkanälen ist der Kugeldurchmesser wesentlich kleiner, er wird nur in der Größenordnung von etwa 2 bis 5 mm liegen. Dementsprechend sind natürlich auch die Hübe dieser Sperrvorrichtungen verschieden, die in beiden Fällen grundsätzlich gleich aufgebaut sein können. F i g. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit einer derartigen Sperrvorrichtung, die im Gegensatz zu der Einrichtung nach Fig. 5 nur eine einzige Versorgungsleitung 74 benötigt. Sie besteht aus einer S-förmigen gebogenen Bourdonröhre, wie sie z. B. aus der Manometertechnik her bekannt ist. An die beiden Enden dieser Röhre 71 sind wieder die beiden Sperrkörper 72 und 73 gelenkig befestigt. Bei Druckgabe streckt sich das Bourdonrohr und erreicht die gestrichelt gezeichnete Stellung. Damit wird der obere Sperrkörper 72 eingefahren und der untere, 73, aus dem Regelkanal ausgefahren. Nach Zurücknahme des Druckes in der Leitung 74 geht die Bourdonröhre auf Grund ihrer eigenen Federkraft in die Ausgangslage zurück. An dieser Stelle sei eingeflochten, daß selbstverständlich auch in Fig. 5 der eine Zylinder oder der eine Faltenbalg durch eine Rückstellfeder ersetzt werden kann. Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, daß ganz verschiedenartige Hinrichtungen vorgesehen werden können. Die Entscheidung über die Größe und das Material der Absorber, die Gestalt der Regelkanäle, also geradlinig oder schraubenförmig bzw. deren Lage zum Reaktorkern bzw. den Kühlkanälen sowie die Auswahl der unter Umständen im Strahlungsbereich liegenden Absperrvorrichtungen muß nach der jeweilig vorliegenden Reaktorkonzeption getroffen werden. In jedem Falle ist es aber mit Hilfe der kugelförmigen Absorberkörper möglich, die Regelung des Reaktors sozusagen vom Inneren des Reaktorkernes her durchzuführen und nicht von seiner Randzone aus, wie es bisher üblich war. Diese Einrichtung ist aber nicht nur zu regelleclinischen Zwecken geeignet, mit ihr können auch ohne jede Umstellung Reaktorabschaltungen vorgenommen werden. Es ist nämlich lediglich notwendig, daß beide Magnetschieber 23 und 24 gleichzeitig zusammen mit dem Ventil 13 geöffnet werden, so daß damit die Regelkanäle im Inneren des Reaktorkernes schlagartig mit Absorberkugeln aufgefüllt werden. Für diesen Fall ίο hat selbstverständlich auch noch die Verteilereinrichtung im Inneren des Reaktorkessels eine besondere Schaltstellung, bei der alle Regelkariäle an die gemeinsame Fülleitung angeschlossen sind. •5 Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung von Kernreaktoren nach dem Neutronenabsorptionsprinzip mit durch Schwerkraft, 'pneumatisch oder hydrau-

ao lisch in gesonderten Führungskanälen innerhalb des Reaktorkerns bewegbaren kugelförmigen Absorberkörpern sowie mit einer Dosiereinrichtung für diese Absorberkörper oberhalb des Reaktorkerns, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der aktiven Zone des Reaktorkerns (2) an den Führungskanälen (3) Sperrvorrichtungen (5) angeordnet sind, die die Absorberkörper (4) in den Zonen stärksten Neutronenflusses sammeln und die Abgabe- lediglich einzelner Absorberkörper (4) ermöglichen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtungen (S) je zwei an den Enden eines mittig drehbar gelagerten Kipphebels (54; 65; 71) befestigt und in die jeweiligen Führungskanäle seitlich einfahrbare Schieber (51, 52; 66, 67; 72, 73) aufweisen, die zu keinem Zeitpunkt einen freien Durchgang der angesammelten Absorberkörper (4) durch die Führungskanäle (3) zulassen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskanäle (3) spiralig oder wendelförmig im Innern des Reaktorkerns (2) angeordnet sind und daß die Ganghöhe und der Durchmesser der einzelnen Windungen in Zonen höherer Neutronenflußdichte derart bemessen ist, daß dort eine erhöhte Menge von Absorberkörpern (4) untergebracht ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskanäle (3) die einzelnen Kühlkanäle (28) wendelförmig umgeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen