DE2448488A1

DE2448488A1 - Digitale anzeigeeinrichtung fuer das anzeigen der position der steuerstaebe eines kernreaktors

Info

Publication number: DE2448488A1
Application number: DE19742448488
Authority: DE
Inventors: James B Reid
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1973-10-17
Filing date: 1974-10-11
Publication date: 1975-04-30
Also published as: IT1024034B; CA1008977A; FR2248581A1; SE7411337L; US3919043A; JPS5065798A; GB1447845A; FR2248581B1

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUEiECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 10. Okt. 1974

Westinghouse Electric· Corporation
rittbLur-ftli, Pa., V. St. A.

Digitale Anzeigeeinrichtung für das Anzeigen · der Position der Steuerstäbe eines Kernreaktors

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigeeinrichtung für das Anzeigen der Position der Steuerstäbe eines Kernreaktors und insbesondere zum Liefern getrennter Anzeigen der Position der Steuerstäbe in dem Reaktorkern.

Eine Art einer SteuerStabeinrichtung für einen Kernreaktor besteht aus einer elektrisch gesteuerten, hydraulisch betätigten Einrichtung, die einzeln Steuerstäbe zwischen zwei Ruhestellungen, eine voll eingefahrene bzw. ausgefahrene Position, bewegt. Jeder Steuerstab besteht aus mindestens einem Neutronen einfangenden Element, das etwa die gleiche Größe wie die Brennstoff stäbe besitzt. Jeder Steuerstab ist mit einer hydraulischen Einrichtung verbunden und bewegt sich in sackartig geschlossenen Führungsrohren innerhalb der Brennstoff-Anordnung. In eingelassener Stellung passen die Neutronen-Einfangelemente in entsprechende Rohre der Brennstoff-Anordnung, während sie sich in zurückgezogener Position in Führungsrohren bewegen. Dies ist dieselbe Anordnung, die in heutigen Druckwasser-Reaktoren verwendet wird, wobei lediglich die Stäbe keine Zwischenstellung

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zwischen der voll eingefahrenen und voll zurückgezogenen Stellung einnehmen können, während in heutigen Ausführungen die Stäbe Zwischenstellungen im Reaktorkern annehmen können. Jede hydraulische Steuerstabeinrichtung ist ein vollkommen unabhängiges System, das die Bewegungen einer einzelnen Antriebsstange und des mit ihr verbundenen Steuerstabs steuert. In diesem Beispiel bilden zwei miteinander verbundene Neutronen-Einfangstäbe einen Steuerstab. Ein derartiges Steuersystem ist beispielsweise in der US-PS 3 519 535 beschrieben.

Verschiedene Typen von Anzeigeeinrichtungen wurden zur Verwendung bei derartigen Steuersystemen in Betracht gezogen, um die relative Position der Steuerstäbe in dem Reaktorkern zu überwachen. Die erste in Betracht gezogene Anzeigeeinrichtung bestand aus einem auf einem C-förmigen Kern mit einer in Reihe mit einer Sekundärwicklung geschalteten Hilfsspule gewickelten Transformator, wobei die Pole des C-Kerns durch das Antriebsstangen-Gehäuse verliefen und mit dem Gehäuse verschweißt waren. Der Magnetkreis wurde durch Abwesenheit oder Anwesenheit der magnetischen Antriebsstange geöffnet oder geschlossen, die als ein Teil des magnetischen Kreises verwendet wurde. Wenn die Antriebsstange anwesend und damit der magnetische Kreis geschlossen war, war die Sekundärspannung aufgrund der Transformatorwirkung groß. Wenn die Stange abwesend war, war die Sekundärspannung aufgrund des magnetischen Widerstandes und der Wirkung einer Hilfsspule klein, die vorgesehen war, die Sekundärspannung abzugleichen. Diese Einrichtung besitzt zwei grundsätzliche Nachteile aufgrund des Kurzschluß-Effektes des nicht magnetischen metallischen Antriebsstangen-Gehäuses auf den Transformator, der zur Unzuverlässigkeit und Wirkungslosigkeit führt. Zunächst muß er durch ein sinusförmiges Signal mit niedriger Frequenz, zum Beispiel 10 Hz, erregt werden, wodurch irgendein Frequenz-Wandler als Quelle erforderlich ist. Dann

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wird die Zuverlässigkeit bezüglich des Erhaltens guter Ausgangs-Signalgrößen aufgrund des Kurzschluß-Effektes direkt durch den' effektiven Widerstand der kurzgeschlossenen Windung "bewirkt, der bekannterweise nicht temperaturstabil ist. Es wurden verschiedene andere Magnetkreis-Einrichtungen mit wachsender Komplexität vorgeschlagen, um diese Probleme zu überwinden. Besten-

*
falls brachten diese Änderungen ohne eine vollständige Lösung

des Problems. .

Eine weitere Art der Anzeige der Position der Steuerstäbe für derartige Anwendungen besteht in einer Einrichtung mit variabler magnetischer Kopplung. Hierbei wird eine Reihe von Spulen über dem Steuerstab-Gehäuse angeordnet. Abwechselnde Spulen werden in Reihe geschaltet, um eine Primär- und eine Sekundärwicklung zu bilden. Die Primärwicklung wird von einer Wechselstrom-Quelle gespeist. Da die Antriebsstange aus einem magnetischen nichtrostenden Stahl und das Antriebsstangen-Gehäuse aus einem nicht magnetischen nichtrostenden Stahl hergestellt wird, ist die induktive Kopplung zwischen den beiden Wicklungen und daher die Spannung, die über der Sekundärwicklung auftritt, eine Funktion des Einsatzes der Antriebsstange.

Der größte Nachteil der Anzeigeeinrichtung mit variabler magnetischer Kopplung ist ihre Empfindlichkeit bezüglich Temperaturänderungen. Die magnetischen Eigenschaften der Antriebsstange und daher die Kopplung zwischen den Wicklungen ist stark temperaturabhängig. Da das Antriebsstahgen-Gehäuse aus einem hoch leitfähigen Metall hergestellt ist, wird hierdurch weiter das Arbeiten mit diesem System beschränkt, da das Antriebsstangen-Gehäuse als Kurzschluß-Wicklung mit einer Windung wirkt. Der größte Teil der der Primärwicklung zugeführten Leistung wird in Form eines Wirbelstroms verbraucht, der in der Wand des Antriebsstangen-Gehäuses fließt. Ferner erfordert eine derartige

* Verbesserungen

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Einrichtung die Verwendung von teuren hoch temperaturisolierenden Materialien, um ein Zerstören der Spule zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anzeigeeinrichtung für die Position der Steuerstäbe zu schaffen, die die genannten Nachteile verhindert.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine digitale Anzeigeeinrichtung für das Anzeigen der Position der Steuerstäbe eines Kernreaktors mit einem magnetisierten Abschnitt an der Antriebsstange der Steuerstäbe, einer Vielzahl von HaIl-Effekt-Umwandlern, die in vorbestimmten Abständen untereinander in einer Reihe längs einer Achse parallel zur Achse des Antriebsstangen-Gehäuses in der Nähe des äußeren Umfangs hiervon angeordnet sind, und mit Mitteln, die auf Ausgänge der entsprechenden Umwandler ansprechen, um eine Anzeige der Position des Kontrollstabs im Reaktorbehälter zu liefern. Vorzugsweise wird eine Einrichtung gewünscht, die auf dem Antriebsstangen-Gehäuse und mit Abstand hierzu getragen werden kann, um die Auswirkungen der Hochtemperatur-Umgebung des Gehäuses aufzuheben und die dichte Geschlossenheit hiervon sicherzustellen.

Die Erfindung liefert die gewünschten Eigenschaften durch eine Einrichtung, die Hall-Effekt-Umwandler verwendet, um die relative Lage der Steuerstäbe in dem Reaktorkern in diskreten Stufen anzuzeigen. Die Umwandler sind untereinander in einer Reihe in vorbestimmten Abständen längs des langgestreckten Antriebsstangen-Gehäuses in der Nähe des äußeren Umfangs hiervon angeordnet. Die einzelnen Umwandler sprechen auf die Einwirkung eines magnetischen Feldes, das durch einen magnetischen Abschnitt an einer Antriebsstange erzeugt wird, an, um ein entsprechendes Ausgangssignal zu liefern, wenn sie sich in der Nähe des magnetisierten Abschnitts befinden. Die Ausgänge der

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Umwandler werden als Anzeige der Position der Steuerstäbe in dem Reaktorbehälter und vorzugsweise in digitaler Form angezeigt. Die Reihe der Umwandler kann insbesondere mit Abstand zu dem Antriebsstangen-Gehäuse getragen werden, um eine ausreichende üiermische Isolierung zwischen der Umgebung des Gehäuses und den aktiven Umwandler-Elementen zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch einen Kernreaktor mit dem zugehörigen Steuerstab-Antriebssystem und der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung für die Position der Steuerstäbe.

Figur 2 zeigt schematisch in Form eines Blockdiagramms die elektronischen Teile der Anzeigeeinrichtung.

Figur 3 ist eine graphische Darstellung des Ausgangs der ' Abtastelektronik von Figur 2.

Figur 4 zeigt schematisch einen in der Anzeigeeinrichtung verwendeten Sensor zum Erläutern seiner Wirkungsweise.

Die genaue Kenntnis der Position der Steuerstäbe in einem Kernreaktor ist zur Gewährleistung der Sicherheit und des effektiven Betriebs des Reaktors wichtig. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist das Feststellen der Position der Steuerstäbe in einem Druckwasser-Reaktor deshalb besonders schwierig, weil der Druckbehälter 41 abgeschlossen und dicht gehalten werden muß.' Die Steuerstäbe 72 und die Antriebsstangen 74, die mit ihren entsprechenden Steuerstäben 72 gekoppelt sind, sind mit Wasser

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umgeben, das den Druckbehälter 41 vollkommen füllt. Bei normalen Betriebsbedingungen wird das Wasser auf einer hohen Temperatur und unter Druck gehalten, so daß kein Sieden stattfinden kann.

Die Position der Steuerstäbe 72 muß durch Messungen der Lage von Abtastelementen erfolgen, die außerhalb des Druckbehälters 41 angeordnet sind, da ein mechanisches Eindringen in den Druckbehälter 41 zum Peststellen der Position der Steuerstäbe nicht möglich ist. Der einzige Bereich, in dem derartige Abtastelemente angeordnet werden können, existiert längs des Antriebsstangen-Gehäuses 62. Die Antriebsstangen 74 bewegen sich in ihren entsprechenden Antriebsstangen-Gehäusen 62, die in Form eines dichten, sich in Längsrichtung aufwärts von dem Deckel 42 des Reaktorbehälters erstreckenden Rohrs ausgebildet sind.

Entlang des Antriebsstangen-Gehäuses 62 angeordnete Abtastelemente 56 können lediglich die Position der Antriebsstange feststellen. Normalerweise wird jedoch angenommen, daß die Befestigung der Steuerstäbe 72 an den entsprechenden Antriebsstangen 74 betriebssicher ist und daher die Verschiebung der Antriebsstangen 74 eine genaue Anzeige der Position der entsprechenden Steuerstäbe 72 in dem Reaktor liefert. Bezüglich des Steuerstab-Systems kann auf die US-Anmeldung Nr. 721122 vom 12. April 1968 der Anmelderin hingewiesen werden.

Die erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung für die Position der Steuerstäbe ist insbesondere zum Betrieb in der widrigen thermischen Umgebung des Kernreaktors geeignet, wobei sie keinen direkten Kontakt zu irgendeinem Teil des Reaktors benötigt und mit Abstand hierzu angeordnet werden kann.

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Die Anzeigeeinrichtung umfaßt eine Reihe von untereinander angeordneten HaIl-Eff-ekt-Umwandlern 56, die längs des Antriebsstangen-Gehäuses 62 mit dem hierzu gewünschten Abstand vom Umfang des Gehäuses, wie in Figur 2 gezeigt, angeordnet ist. Die Reihe von Umwandlern■ wird vorzugsweise von einem Teil des Reaktordeckels 42 getragen, um den Eintritt in den Reaktorkern während der Brennstoff-Ergänzung zu erleichtern. Wie in Figur gezeigt, wird die Reihe 56 durch eine Abstützung 58 getragen, die am oberen und unteren Ende des Antriebsstangen-Gehäuses 62 befestigt ist. Der Luftspalt 60, der zwischen der Reihe von Sensoren und dem Gehäuse besteht, unterstützt die thermische Isolierung der Sensoren gegenüber der nachteiligen Umgebung des Reaktorbehälters. Eine zusätzliche thermische Isolierung kann zwischen den Urawandlern und dem Gehäuse angeordnet werden, um die Betriebssicherheit der Sensoren weiter zu vergrößern. Ein Abschnitt 46 der Antriebsstange 74 ist magnetisiert, während die einzelnen Sensoren 10 auf die Nähe des von dem magnetisierten Teil erzeugten magnetischen Feldes ansprechen, um entsprechende Ausgangssignale zu liefern. In derzeitigen Druckwasser-Reaktor-Ausführungen bestehen die Antriebsstangen aus magnetischem, nichtrostendem Stahl. Daher ist- zwischen dem magnetisierten Teil und dem übrigen Teil der Stange zur Verhinderung der Magnetisierung der gesamten Stange ein magnetisch isolierendes Material 48 angeordnet. In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform besteht der magnetisierte Teil aus einem magnetisch-harten Material und ist am Führungsende der Antriebsstange befestigt, die sich in das Antriebsstangen-Gehäuse erstreckt. Der magnetisierte Teil kann jedoch auch an einer anderen Stelle der Antriebsstange angeordnet sein, die sich im hauptsächlichen Teil ihrer Bewegung in dem Antriebsstangen-Gehäuse befindet.

Die Wirkungsweise des Sensors wird nachfolgend in bezug auf Figur 4 erläutert. Ein Potential 18 wird an den beiden Sei-

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ten 20 und 22 eines elektrisch leitenden Materials (einschließlich Halbleiter) erzeugt, wodurch ein Elektronenstrom gebildet wird, der Aquipotentiallinien 14 in dem Material 12 erzeugt. Bei Abwesenheit eines magnetischen Feldes ist das Potential an den gegenüberliegenden Seiten 24 und 26 des Materials Null. Wenn dagegen ein magnetisches Feld etwa durch den Magneten 46 ■eingeführt wird, ändert sich der Weg der Elektronen durch das Material, wobei ein Potential zwischen den Punkten 24 und 26 erzeugt wird, das durch geeignete Mittel, beispielsweise ein Amperemeter 16, gemessen werden kann. Diese Erscheinung ist als Hall-Effekt bekannt und wurde neuerdings so weit verfeinert, daß eine genügende Empfindlichkeit gegeben ist, um eine meßbare Größe am Ausgang 16 zu erhalten. Wenn der Magnet 48 seinen linearen Weg durchläuft, sprechen die einzelnen Sensoren an und liefern einen Ausgang entsprechend der relativen Position des Magneten. Soweit keine Induktionsspulen oder permeable magnetische Kreise verwendet werden, können die Sensoren in einem Abstand von dem Gehäuse abhängig von der Stärke des Magnetfeldes und der Empfindlichkeit der Sensoren angeordnet werden. Auf diese Weise kann eine größere thermische Isolierung zwischen den Umwandlern und der Reaktorumgebung vorgesehen werden, wodurch die Ansprechbarkeit und Effektivität der verwendeten Elemente vergrößert wird.

Die Ausgangssignale der Sensoren werden in bekannter Weise durch eine Abtastelektronik 28 zu einer Anzeigeeinrichtung 30 im Multiplex-Betrieb gegeben. Eine beispielhafte logische Multiplex-Folge von Digitalsignalen, die von der Abtastelektronik geliefert wird, ist in Figur 3 dargestellt. Ein Anfangsimpuls 32 ist codiert, um den Beginn jeder neuen Abtastung anzuzeigen und dient zum Synchronisieren der Bildspur des Bildschirms einer Kathodenstrahl-Röhre. Das Zeitintervall ABC...N des Sensor-Ausgangsimpulses, das auf dem Bildschirm erscheint,

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zeigt die Position des magnetischen Abschnitts 46 an. Ein neuer Synchronisationsimpuls 32 wird nach jedem Abtasten erzeugt, um eine neue Bildspur auf dem Bildschirm 30 zu beginnen. Dementsprechend besteht der Hauptausgang der Abtasteinrichtung in einer Impulsfolge, wie in Figur 3 gezeigt, die aus einem startenden Synchronisierungsimpuls besteht, dem später wenigstens ein weiterer Impuls folgt, der in einem zeitlichen Rahmen liegt, der durch die Abtastelektronik und den Sensor 10 unter dem Einfluß des magnetischen Abschnitts 46 gebildet wird. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, sind der Abstand der Umwandler und die Länge und Stärke des magnetischen Abschnitts der Antriebsstange derart gewählt, daß wenigstens ein Sensor zu jedem Zeitpunkt unter dem Einfluß des Magneten steht. Insbesondere sollten ein oder zwei Sensoren gleichzeitig beeinflußt werden. Wenn sich zwei Sensoren»unter dem Einfluß des magnetischen Ab-. Schnitts befinden, kann eine Redundanz erreicht werden, während noch ein diskreter Ausgang beibehalten werden kann, der die Position der Antriebsstange anzeigt.

Eine derartige Anzeigeeinrichtung besitzt eine verbesserte Genauigkeit und eine geringere Temperaturabhängigkeit als bisher bekannte Einrichtungen. Zusätzlich ermöglicht die Einfachheit der Einrichtung eine entsprechende Kosteneinsparung ohne Verlust der Redundanz oder Betriebssicherheit.

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Claims

Patentansprüche

JDigitale Anzeigeeinrichtung für das Anzeigen der Position der Steuerstäbe eines Kernreaktors, gekennzeichnet durch einen magnetisierten Abschnitt (46) an der Antriebsstange (74) der Steuerstäbe (72), eine Vielzahl von Hall-Effekt- ' Umwandlern (10), die in vorbestimmten Abständen untereinander in einer Reihe längs einer Achse parallel zur Achse des Antriebsstangen-Gehäuses (62) in der Nähe des äußeren Umfangs hiervon angeordnet sind, und durch Mittel (28, 30), die auf Ausgänge der entsprechenden Wandler (10) ansprechen, um eine Anzeige der Position des Steuerstabs (72) im fieaktorbehälter (41) zu liefern.
2. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierte Abschnitt (46) ein Ganzes mit der Antriebsstange (74) am Führungsende hiervon bildet, das sich in das Antriebsstangen-Gehäuse erstreckt.
3. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierte Abschnitt (46) aus einem magnetisch-harten Material besteht.
4. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abschnitt (46) von der übrigen Antriebsstange (74) magnetisch isoliert ist.
5. Anzeigeeinrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsausdehnung des magnetischen Abschnitts (46) in Richtung der Antriebsstange (74) und der im Abstand zueinander angeordneten Umwandler (10) so bemes-

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sen ist, daß nur ein Umwandler (10) von dem magnetischen Feld des magnetisierten Abschnitts (46) in einem Zeitpunkt wesentlich beeinflußt wird.
6. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Umwandlern (10) mit Abstand zu dem Antriebsstangen-Gehäuse (62) angeordnet ist.
7. Anzeigeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Umwandler (10) gegenüber dem Antriebsstangen-Gehäuse (62) thermisch isoliert ist.
8. Anzeigeeinrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandler (10) entsprechend ein Ausgangssignal liefern, wenn sie sich in einem solchen Maße in der Nähe eines magnetisierten Abschnitts (46) befinden, daß sie unter einen wesentlichen Einfluß seines magnetischen Feldes gelangen, und daß Mittel zum Multiplex-Betrieb der Umwandler- Ausgangs signale und Mittel zum Anzeigen der Mehrkanal-Ausgangssignale in Digitalform vorgesehen sind.

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