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Einrichtung zur individuellen Einstellung der Kühlmitteldurchflussmenge in einem Kernreaktor
Die Erfindung bezieht sich auf Kernspaltungsreaktoren, bei denen die Kühlung durch Zirkulation eines Mediums durch Kanäle erfolgt, in denen sich die Brennelemente befinden.
Es ist bekannt, dass für ein einwandfreies Arbeiten eines Reaktors dieser Art für jeden Kanal eine sehr genaue Regelung der Durchflussmenge des in ihm zirkulierenden Kühlmittels erforderlich ist. Wenn nämlich die Durchflussmenge durch einen Kanal zu gering ist, erwärmen sich die in diesem Kanal befindlichen Brennelemente aussergewöhnlich stark und es können schwerwiegende Störungen auftreten, beispielsweise örtliche Brände, ein Platzen der die Brennelemente einschliessenden Hülsen und ein Freiwerden von sehr gefährlichen Spaltprodukten usw. Wenn hingegen der Durchfluss an Kühlmedium zu gross ist, wird der thermodynamische Wirkungsgrad des Kühlsystems und damit der Gesamtwirkungsgrad der Anlage ungünstig.
Ferner muss man für jeden Kanal eine Justierung der Regelung des Kühlmitteldurchflusses vorsehen, die von Zeit zu Zeit neu eingestellt wird. Man kann nämlich im Laufe des Betriebs eines Meilers eine Änderung der Kurve beobachten, die in den verschiedenen Punkten des Reaktors den Neutronenfluss darstellt, da im Meilerkern am meisten Spaltprodukte anfallen.
Da ferner die Kanäle eines Atomreaktors nicht überall in denselben thermischen und nuklearen Verhältnissen verlaufen und da der Aufbau eines Meilers ganz allgemein heterogen ist, ändern sich die körperlichen Eigenschaften jedes Kanales (Wärmeausdehnung, Wigner-Wachstumbzw.-effekte, Formände- rungen der Behälter für die Brennelemente usw. ) verschieden, was unvorhergesehene Änderungen des Durchflusses nach sich zieht, denen Rechnung getragen werden muss.
Schliesslich ist zu bemerken, dass es praktisch unmöglich ist, eine automatische oder eine Fernsteuerung dieser notwendigen einzelnen Nachstellungen ins Auge zu fassen, da Atommeiler in der Praxis im allgemeinen einige tausend Kanale enthalten und die Anzahl der Durchbrüche in dem den Meiler umgebenden Mantel viel kleiner ist, als die Anzahl der Kanäle. In der Praxis soll dieser Mantel von möglichst wenig Öffnungen mit möglichst geringem Querschnitt durchsetzt werden, um die Bedingungen zu erfüllen, die einerseits durch die Festigkeit der Materialien und anderseits durch die Erfordernisse einer guten Abdichtung gegeben sind.
In mit Kanälen versehenen Kernreaktoren ist im allgemeinen an wenigstens einem Ende jedes Kanales ein Bauelement vorhanden, das "Verschluss" genannt wird. Dieser Verschluss dient zur Einstellung der longitudinalen Lage und eventuell zur Halterung der Brennelemente im Falle senkrecht verlaufender Kanale und soll ausserdem eine Zirkulation des Kühlmediums erlauben.
Eine bekannte Lösung dieser Regelungsprobleme für die Kühlmittelzirkulation in derartigen Reaktoren besteht darin, die einzelnen Verschlussstücke als Steuerorgane für die Durchflussmenge zu verwenden, indem in ihrer Ebene Durchlassöffnungen mit bestimmten Querschnitten vorgesehen sind. Ein schwerwiegender Nachteil dieser Anordnung besteht aber darin, dass zur Einregelung der Durchflussmenge eines Kanales das Verschlussstück demontiert werden muss, wobei im Falle von vertikalen Kanälen die Brennelemente aus diesem Kanal entfernt werden müssen.
Durch die Erfindung soll eine Einrichtung zur individuellen Regelung des Kühlmitteldurchflusses für
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die Kanäle eines Kernreaktors angegeben werden, die die vorstehend genannten Nachteile nicht besitzt und die ein sehr bequemes Einstellen der Regelung des Durchflusses in einen beliebigen Kanal ermöglicht.
Gemäss der Erfindung ist eine Einrichtung zur individuellen Steuerung der Kühlmitteldurchflussmenge in Kanälen eines von einem Mantel umgebenen Kernreaktors, deren Verlängerungen von entsprechenden Steuerkanälen gebildet werden, die dem Kühlmittel einen bestimmten Durchlassquerschnitt darbieten, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerorgane in den Steuerkanälen durch irgendwelche an sich bekannte fernsteuerbare Ein-und Ausklinkorgane entfernt und eingesetzt werden können ; dass ferner im Inneren des
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hin im Inneren des Mantels an sich bekannte Transportvorrichtungen vorgesehen sind, durch die ein Steuerorgan von einem beliebigen Steuerkanal in ein beliebiges Magazin und umgekehrt überführt werden kann.
Anschliessend soll nun in Verbindung mit den Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung zur Steuerung des Kühlmitteldurchflusses in einem Kanal eines Kernreaktors beschrieben werden. Dabei zeigt :
Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch den unteren Teil eines Kernreaktors, der mit der Einrichtung gemäss der Erfindung ausgerüstet ist ; Fig. 2 einen schematischen Schnitt in grösserem Massstabe durch das Ende eines Reaktorkanales, der ein Verschlussorgan und ein Steuerorgan gemäss der Erfindung zeigt. Die Fig. 3, 4, 5 und 6 zeigen eine Möglichkeit, wie ein derartiges Steuerorgan eingesetzt und wieder entfernt werden kann.
In Fig. 1 ist der untere Teil eines Reaktors 1 mit beispielsweise vertikalen Kanälen dargestellt, bei dem das Beschicken und Entladen in bekannter Weise von unten geschieht.
Der aktive Teil des Reaktors wird von einem festen Sockel 2 getragen. Jeder vertikale Kanal 3, der in einem Moderatormaterial 4, üblicherweise Graphit, vorgesehen ist, enthält Behälter 5 mit spaltbarem
Material. Die Brennelemente 5 werden in den einzelnen Kanälen durch ein Verschlussstück 6 getragen und gehalten.
Die einzelnen Verschlussstücke 6, welcher bekannten Art sie auch seien, sind in einem Metallteil 7 arretiert, der zwischen dem Moderator 4 und dem Sockel 2 liegt und der in Verlängerung der einzelnen
Kanäle jeweils einen Kanal 7 a aufweist.
Die Befestigung des Verschlusses 6 in dem Metallteil 7 wird beispielsweise durch versenkbare Rasten bewirkt, die an dem Verschlussstück 6 angelenkt sind und in Nuten des Teiles 7 eingreifen.
In Fortsetzung des Kanales 3 und des Kanales 7a nach unten erkennt man in Fig. 1 eine gebogene Röhre 10, die im Bereich einer sphärischen Kalotte 11 an der Unterseite des Sockels 2 mündet. Ein Sam- melrohr 12, dessen Stellung beliebig durch eine bekannte, jedoch nicht dargestellte Anordnung gesteuert werden kann, ermöglicht den Zugang zum Ende der jeweiligen Röhren 10 zum Beschicken oder Entladen.
Das Steuerorgan 15 gemäss der Erfindung, das im einzelnen nebst dem Verschlussorgan 6 in Fig. 2 dargestellt ist, besteht aus einem zylindrischen Metallkörper, der an seinem unteren Ende zur Handhabung mit einer Kappe 14 versehen ist, wobei er dem Kühlmittel einen freien Durchtritt gewährt. Am oberen Ende des Steuerorganes 15 ist eine Kappe 16 angeordnet, die Öffnungen 13 mit bestimmtem Querschnitt aufweist.
Gemäss der Erfindung ist das Steuerorgan 15 entfernbar : Zu diesem Zweck ist es mit versenkbaren Sperrklinken 18 versehen, entsprechend den Klinken 8 in dem Verschlussstück 6. Die Klinken 18 greifen in Nuten 17 ein, ähnlich den Befestigungsnuten 9 des Verschlusses 6.
Die an der Kappe 16 durch Nieten 25 befestigten Federn 24 drücken die Klinken 18 nach aussen. Die Kappe 16 ist mit dem Körper des Steuerorganes 15 durch Nieten 26 verbunden.
Im Inneren des Steuerorganes 15 befindet sich eine verschiebbare Hülse 27 und im Inneren der Hül- se 27 sind durch Nieten 28 drei Federn 19 in gleichem Abstand befestigt. Die Federn 19 sind so geformt, dass sie sich durch Längsschlitze im Körper 15 nach aussen erstrecken, wobei die Hülse 27 in bezug auf den Körper 15 nach unten geschoben ist, wie dies in den Fig. 3 und 5 gezeigt ist.
Die Kappe 14 ist am unteren Ende des Körpers des Steuerorganes 15 durch Nieten 29 befestigt.
Wenn das Steuerorgan 15 in die zum Kühlmittelumlauf gehörende Röhre 10 oder in die sie im Teil 7 verlängernde Röhre 7a gebracht ist, wobei die Kappe 16, die die Sperrklinken 18 trägt, dort zuerst eintritt, bewirkt eine abwechselnde Bewegung des Regelorganes nach vorwärts und zurück ein Hin- und Hergleiten der Hülse 27. Diese Hülse 27 entriegelt dadurch die Sperrklinken 18, während das Regelorgan nach oben geschoben ist (Fig. 3) oder verriegelt in vorgeschobener Lage die Sperrklinken, wenn das Regelorgan nach unten geschoben ist (Fig. 4).
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Dabei stützen sich die Federn 19 unter dem Einfluss der Reibung an der Innenwand der Röhren 10 oder 7a ab und bewirken dadurch eine Verzögerung der Verschiebung der Hülse 27 in Längsrichtung in bezug auf den Körper 15, je nachdem, in welcher Richtung das Regelorgan verschoben wird. Bei allen Verschiebungen des Regelorganes nach vorne (in Richtung des in Fig. 3 eingezeichneten Pfeiles) werden die Sperrklinken 18 freigegeben und können nach aussen schwenken, bei einer Rückzugbewegung des Regelorganes hingegen (Fig. 4) werden sie daran gehindert, auch wenn sich der Durchmesser der Bahn erweitert (beispielsweise bei bündigen oder sich erweiternden Stössen, infolge des für ein Funktionieren notwendigen Spiels, bei Verschlussorganen usw.).
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass man zum Einhängen eines Regel- oder Steuerorganes 15 dieses mittels eines nicht dargestellten Betätigungsorganes, beispielsweise eines Kolbens in die Röhre 10 und anschlie- ssend in die Röhre 7a einführt. Die unter dem Druck der Feder 24 stehenden Sperrklinken 18 schleifen an den Wänden der Röhre 10 und 7a, ebenso wie die Federn 19 der Hülse 27, die an der unteren Kappe 14 anliegen.
Wenn die Anschlagflächen 30 der Klinken 18 die Höhe der Nuten 17 erreichen, spreizen sich die Klinken 18 nach aussen. Wird nun die Bewegungsrichtung umgekehrt, so bleibt das Regelorgan 15 an seinen Sperrklinken hängen und das Betätigungsorgan wird allein zurückgezogen.
Für ein einwandfreies Arbeiten ist unter diesen Umständen eine verhältnismässig genaue Steuerung der Verschiebungen über die Nuten hinaus erforderlich. Um den Spielraum für die Wege zu vergrössern, wird jenseits des Sitzes 17 eine Aufbohrung 17a (Fig. 2 und 5) des Durchmessers zwischen dem der Röhre 7a und dem der Nut 17 derart vorgesehen, dass die Sperrklinken 18 beim Zurückziehen des Organes nicht mehr durch die Hülse 27 verriegelt werden können. Das Ausspreizen der Klinken 18 in dieser Erweiterung 17a mit dem mittleren Durchmesser ist in Fig. 6 dargestellt.
Der dadurch erreichte Spielraum kann beträchtlich sein ; er ist übrigens nur durch die Länge des Regelorganes begrenzt, denn wenn dieses vollständig in die Erweiterung 17a eintritt, können die Klinken 18 in der zurückgezogenen Stellung nicht verriegelt werden, die Stirnseite der Hülse 27 schlägt nämlich beim Zurückziehen an die Schulter 31 der am weitesten ausgeschwenkten Klinke an und die Federn 19 sind entspannt und schleifen nicht mehr an der Wand der Erweiterung 17a.
Um ein Regelorgan 15 zu entfernen (Fig. 3 und 4), lässt man dieses durch ein Betätigungsorgan, beispielsweise einen Kolben, suchen. Wenn der Kolben das Organ erreicht hat, verschiebt er es zuerst nach oben ; die Sperrklinken 18 folgen dem Profil der Ausnehmung 17a und der Abschrägung 32 (Fig. 2) und gelangen nun in das folgende Rohrstück 7b, das denselben Durchmesser besitzt, wie das Rohrstück 7a. Die Federn 19 schleifen an dem Rohrstück 7a. Beim Zurückziehen verriegelt die Hülse 27 die Sperrklinken 18 in der zurückgezogenen Stellung, so dass ein Zurückziehen hinter die Nuten 17 ohne ein Einrasten der Sperrklinken 18 möglich ist.
Schliesslich sind gemäss der Erfindung im Inneren des Reaktors (Fig. l) in dessen Sockel 2 Speicher vorgesehen, die als Magazine für die auswechselbaren Regelorgane 15 dienen. Diese Magazine werden von Röhren 33 gebildet, die vorzugsweise an der Peripherie des Sockels 2 angeordnet sind und auf der sphärischen Kalotte 11 so münden, dass sie durch das Sammelrohr 12 zugänglich sind.
Diese Magazine 33 sind in ihrer gesamten Länge mit Nuten 34 versehen, die den Nuten 17 entsprechen, die zur Halterung der Regelorgane in den Stücken 7 dienen.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung wird folgendermassen verwendet :
Nachdem der Reaktor mittels des verstellbaren Rohres 12 mit Brennstoff beschickt ist und die Verschlussstücke 6 in die unteren Enden der einzelnen Kanäle 3 eingesetzt sind, wird das Rohr 12 unter das Magazin 33 gebracht, das Regelorgane des gewünschten Kalibers enthält, d. h. deren Durchtrittsöffnungen dem gewünschten Kühlmitteldurchfluss entsprechen.
Nachdem eines dieser Regelorgane aus dem Magazin, wo es sich befindet, ausgeklinkt wurde, wird es nach einer entsprechenden Verstellung des Rohres 12 in den Teil 7 eingeführt, der sich unten an dem in Betracht kommenden Kanal 3 befindet, und durch Freigeben der Sperrklinken 18 arretiert.
Wenn man beim Betrieb des Reaktors feststellt, dass der Kühlmitteldurchfluss in einem Kanal schlecht bemessen ist (Temperatur im Kanal zu niedrig oder zu hoch) oder wenn man aus irgendeinem andern Grunde den Durchfluss ändern will, wird die Leistung des Reaktors herabgesetzt und darauf das in dem betreffenden Kanal befindliche Regelorgan mit Hilfe des Rohres 12 ausgeklinkt. Dieses Organ wird dann in das Magazin eingesetzt, das solche gleichen Kalibers enthält und anschliessend wird aus einem andern Magazin eines mit einem verschiedenen Kaliber ausgeklinkt und in das Unterteil des Kanals eingesetzt, dessen Regelung justiert werden soll.
Dieses Verfahren ist also aussergewöhnlich einfach und erfordert weder ein Entladen der Brennelemen-
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te des Kanals, noch eine vollständige Stillegung des Reaktors : Es ist im Gegensatz dazu fast unerlässlich, dass sich der Meiler im Betrieb befindet, um sofort die Auswirkungen der ausgeführten Änderungen feststellen zu können. In der Praxis genügt eine Herabsetzung der Leistung beispielsweise um 5calo, um zu vermeiden, dass sich der Kanal während gewisser Verfahrensschritte gefährlich erhitzt, während denen der Kühlmitteldurchfluss in diesem Kanal gestört ist, sei es infolge der Anwesenheit des Rohres 12 in seiner Verlängerung, sei es infolge eines jederzeit möglichen Irrtums bei der Auswahl des Kalibers des neu eingesetzten Regelorganes.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur individuellen Einstellung der Kühlmitteldurchflussmenge von Kanälen in einem von einem Mantel umgebenen Kernreaktor, wobei die Verlängerungen der Kanäle durch entsprechende Steuerkanäle gebildet werden, die mit Steuerorganen bestückt sind, die dem Kühlmittel einen bestimmen Durchlassquerschnitt darbieten, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerorgane (15) derart in den Steuerkanälen (7a) angeordnet sind, dass sie mit Hilfe von an sich bekannten, fernsteuerbaren Einund Ausklinkvorrichtungen (18, 19, 27) entfernt und eingesetzt werden können, dass ferner im Inneren des Mantels Magazine (33) vorgesehen sind, die dieselbe Form besitzen wie die Steuerkanäle, wobei in diesen Magazinen jeweils Steuerorgane mit einem bestimmten, genau bemessenen Durchlassquerschnitt gespeichert sind,
und dass weiterhin im Inneren des Mantels an sich bekannte Beförderungsmittel (12) vorgesehen sind, um ein Steuerorgan von einem beliebigen Steuerkanal in ein beliebiges Magazin bringen zu können oder umgekehrt.