DE1153467B - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Reaktivitaet eines Kernreaktors - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 18287 Vmc/21g

ANMELDETAG: 26. J A N U A R 1959

BEKANNTMACHUNG
OER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER

AUSLEGESCHRIET: 29. AUGUST 1963

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Reaktivität eines Kernreaktors durch Relativbewegungen zwischen zumindest einem Regelelement, das die Reaktivität in Abhängigkeit von dem auf das Element auftreffenden Fluß aktiver Neutronen andert, und wenigstens zwei innerhalb des Reaktorkerns gebildeten Zonen mit unterschiedlich großer Flußdichte aktiver Neutronen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Regelverfahrens.

Die Regelung oder Steuerung eines Kernreaktors, d.h. die regelnde Überwachung der Energieerzeugung, die Änderung des Leistungsniveaus und die Sicherung des einwandfreien Reaktorbetriebes — die eine Aufgabe von entscheidender Bedeutung darstellt — erfolgt im allgemeinen durch Beeinflussung des Neutronenflusses im Reaktorkern; ein bestimmtes Leistungsniveau wird z. B. durch die Einstellung eines dem betreffenden Leistungsmveau proportionalen Neutronenfiusses erzielt.

Man wirkt auf den Neutronenfluß im Reaktorkern meist dadurch ein, daß man einen die Neutronen absorbierenden Stoff tiefer in den Kern einführt oder aus ihm herauszieht. Die hierzu verwendeten Organe werden allgemein »Regelstäbe« genannt. Durch die Bewegungen derartiger Regelstäbe wird der effektive Multiplikationsfaktor der Neutronenerzeugung, d. h. die »Reaktivität« des Reaktors, geändert.

Bei der Ausarbeitung eines Entwurfes für die Regelvorrichtungen eines Kernreaktors ergaben sich zahlreiche Schwierigkeiten, wenn man die zwingenden Forderungen der eigentlichen Regelung oder Steuerung des Reaktors den weiteren technischen Anforderungen an die Ausführung des Kernreaktors anpassen muß. Es sei hierzu nur auf die folgenden Punkte hingewiesen: Unterbringung und zweckmäßige Anordnung einer größeren Zahl von Regelstäben, die den betrieblichen Bedingungen angepaßt werden müssen; Berücksichtigung des für die Regelstäbe benötigten Raumes, wenn sie aus dem Reaktorkern herausgezogen sind; Beachten einer vollkommenen Dichtigkeit der Schutzumhüllungen und eine geeignete Ausbildung von Durchführungen für die Bewegungsmechanismen der Regelstäbe; die Anordnung und Unterbringung von Sicherheitseinrichtungen usw.

Bei einem Kernreaktor, in dem thermische Neutronen wirksam sind, erfolgt die Regelung der Reaktivität des Reaktors üblicherweise mittels Neutronen absorbierender Stäbe, deren Verschiebungsweg in der gleichen Größenordnung legt wie die Abmessungen desjenigen Bereiches des Reaktorkernes, in dem die Vervielfachung der Neutronen erfolgt. Dies bedingt Verfahren und Vorrichtung

zur Regelung der Reaktivität

eines Kernreaktors

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique,
Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 29. Januar 1958 (Nr. 756 980)

Jacky Weill, Saint-Could, Seine-et-Oise

(Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden

bei Kernreaktoren, die unter Überdruck stehen und in einem druckfesten Behälter untergebracht sind, oft einen Beweguogsraum, der innerhalb des zur Verfügung stehenden Raumes im Druckbehälter nur unter großen Schwierigkeiten unterzubringen ist; weitere Schwierigkeiten ergeben sich hinsichtlich der Ausbildung der Abdichtungen und des Strahlenschutzes.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, hat man die Neutronen absorbierenden Regelorgane bereits als schwenkbare Scheiben, Arme oder »Säbel« ausgebildet, die bei ihrer Schwenkbewegung in das Innere des Reaktorkernes hinein- oder aus ihm herausbewegt werden. Derartige Regelorgane bedingen das Vorhandensein relativ ausgedehnter Schlitze in dem Reaktorkern, die die mechanische Festigkeit des Reaktorkernaufbaues in unerwünschter Weise beeinträchtigen. Um die Regelorgane oder ihre aktiven Teile möglichst vollständig aus dem Reaktorkern entfernen oder herausschwenken zu können, wird immer noch ein größerer Raum innerhalb des Reaktor-Druckgefäßes benötigt; die notwendigen Steuerbewegungen der Regelorgane haben relativ große Amplitude.

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Nach einem nicht vorveröffentüchten Vorschlag er- das Absorbemiaterial für weitere Spaltungsreaktionen

folgt die Regelung eines Kernreaktors durch zumin- vollkommen verloren wären.

dest ein innerhalb des Reaktorkernes angeordnetes Bei einem Reaktor, in dem die Auslösung der

Regelelement, dessen Relativbewegungen gegenüber Spaltprozesse durch schnelle Neutronen erfolgt, und wenigstens zwei innerhalb des Reaktorkernes gebilde- 5 die Regelelemente aus Kernbrennstoff bestehen, bei-

ten Zonen mit unterschiedlich großer Flußdichte ak- spielsweise aus Uran 235, ändert man die Reaktivität

tiver Neutronen die Reaktor-Reaktivität in Abhängig- des Reaktors, indem man eine mehr oder weniger

keit von dem auf das Element .auftreffenden Fluß große Masse aus »schwarzem« spaltbarem Material

aktiver Neutronen ändert. als Abschirmung vor den Kernbrennstoff des Regel-

Der'diesem älteren Vorschlag entsprechende Regel- io elementes bringt.

mechanismius weist sich überdeckend gegeneinander Der große Vorteil des vorliegenden Verfahrens bewegbare Absorber- oder Moderatorelemente auf, gegenüber den bisher bekannten Regelungsverfahren deren Lageänderung eine Einstellung der Reaktivität besteht darin, daß es sich praktisch bei sämtlichen durch Änderung der Absorption, der Moderierung Reaktortypen anwenden läßt und die für die Regeoder der Leckverluste gestattet. So werden beispiels- 15 lung erforderlichen Zonen unterschiedlich großer weise als Regelorgane zwei ineinanderschiebbare Ab- Flußdichte unmittelbar durch den Kernbrennstoff des sorberrohre vorgesehen, die mit Ausschnitten ver- Reaktors selbst geschaffen werden, der nur derart ansehen sind, welche sich beim axialen Verschieben geordnet oder gestaltet sein muß, daß er für die ak- oder Verdrehen der Rohre gegeneinander Schachbrett- tiven Neutronen, d. h. die im Reaktor Spaltprozesse artig mehr oder weniger überdecken, so daß der so auslösenden Neutronen, weitgehend undurchlässig ist. Durchtritt der Neutronen bzw. ihr Abströmen nach Eine Vorrichtung zur Durchführung des Regelaußen mehr oder weniger gehindert wird. Das Ab- Verfahrens gemäß der Erfindung ist demnach im decken der einzelnen Absorber- oder Moderator- wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das oder flächen kann auch durch ein gegenseitiges Verdrehen die Abschirmelemente aus im Reaktorkern verwendeder mit Ausschnitten versehenen Rohre erzielt wer- 25 tem Kernbrennstoff bestehen. Das Abschirmelement den. Als Absorbermatierial wird Thorium oder kann zur Verbesserung seiner Kühlung unterteilt, ins-Uran 238 verwendet, so daß durch die eingefangenen besondere blattförmig gespalten sein. Wie bereits Neutronen in diesen Stoffen neues Spaltmaterial er- oben erwähnt, kann das Regelelement beispielsweise zeugt werden kann. An Stelle von zylindrischen Ab- bei Reaktoren mit thermischen Neutronen aus einem sorberelementen können auch plattenartige, gegen- 30 die aktiven Neutronen absorbierendem Material beeinander bewegbare Elemente benutzt werden. stehen; bei Reaktoren mit schnellen Neutronen kann

Bei einer derartigen Ausbildung der Regelorgane das Regelelement selbst aus Kernbrennstoff sein,

genügen relativ kleine Bewegungsamplituden, um eine Durch die Anordnung zahlreicher, mit geringem

Regelwirkung zu erzielen, so daß außerhalb des Re- Abstand nebeneinander angeordneter Abschirmungen

aktorkernes kein größerer Raumbedarf besteht und 35 aus »schwarzem« Kernbrennstoff und eine entspre-

die Betätigungsvorrichtungen ihrerseits ebenfalls chende Unterteilung des Regelelementes lassen sich

kleine Abmessungen erhalten können. die für die Aussteuerung der Reaktor-Reaktivität er-

Die vorliegende Erfindung macht ebenfalls für die forderlichen Bewegungsamplituden auf die Größen-Durchführung der Regelung der Reaktivität Gebrauch Ordnung weniger Zentimeter verringern, so daß sich von Relativbewegungen zwischen zumindest einem 40 die erforderlichen geringen Regelwege mit Hilfe von Regelelement, das die Reaktivität in Abhängigkeit Betätigungsvorrichtungen mit relativ kleinen Abmesvon dem auf das Element auftreffenden Fluß aktiver sungen, beispielsweise mit verformbaren Membranen Neutronen ändert, und wenigstens zwei innerhalb des oder hydraulischen Zylindern beherrschen lassen. Die Reaktorkernes gebildete Zonen mit unterschiedlich Konstruktionen werden einfach. Man kann auch großer Flußdichte aktiver Neutronen; erfindungsge- 45 irgendwelche anderen mechanischen Betätigungsvormäß werden jedoch die Zone oder Zonen mit klei- richtungen verwenden, die wegen der kleinen Bewenerer Neutaonenfhißdichte durch die Abschirmung gungsamplitoden ohne Schwierigkeiten eine Lösung mittels zumindest eines entsprechend angeordneten der Probleme der Abdichtungen der räumlichen An-Eleanentes aus »schwarzem« Kernbrennstoff ge- Ordnung und des ausreichenden Schutzes gestatten,
schaffen. 50 Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in der

Unter »schwarzem« Kernbrennstoff ist nach dem Zeichnung einige Ausführunigsbeispiele von nach dem

üblichen Sprachgebrauch Kernbrennstoff zu ver- neuen Verfahren arbeitenden Regelvorrichtungen in

stehen, der grundsätzlich an den Spaltprozessen in- ganz schematischer Form veranschaulicht; es zeigt

nerhalb des Reaktors teilnimmt, aber entweder wegen Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Anordnung

seiner Dicke oder wegen seiner Dichte verhindert, 55 der Abschirmungen und der wirksamen Teile eines

daß aktive Neutronen durch ihn hindurchdringen. Regelelementes im axialen Längsschnitt, bei der die

Bei einem Reaktor, in dem thermische Neutronen Neutronen absorbierenden Elemente gegenüber dem die Spaltprozesse auslösen, können die Regelelemente fest angeordneten Kernbrennstoff verschoben werden, aus einem Absoribermaterial, d. h. aus nicht spalt- Fig. 2 einen Querschnitt einer anderen Ausfühharen Stoffen bestehen, die Neutronen — Vorzugs- 60 rungsform, bei der die Regelung durch eine Schwenkweise thermische Neutronen — absorbieren, wie Cad- bewegung von Regelelementen durchgeführt wird,
mium und Bor, gegebenenfalls auch aus Thorium Fig. 3 einen Querschnitt durch eine dritte Ausfüh- oder Uran 238, die lediglich Neutronen einfangen, bar gelagert sind. Auf diese Weise hat eine Schwenkaber keine Spaltungsreaktionen zeigen. In der Darstellung der Fig. 1 sind Brennstoff-

Nach dem vorliegenden Verfahren wird die Aktivi- 65 elemente 1, 2, 3 und 4 in Form von Rohren oder

tat des Reaktors dadurch geändert, daß man mittels Ringen aus Uran in regelmäßigen axialen Abständen

der Abschirmung aus Kernbrennstoff mehr oder we- über die gesamte Höhe der (selbst nicht dargestellten)

niger Neutronen abfängt, die bei ihrem Auf treffen auf »aktiven« Reaktorzone verteilt dargestellt, in der

eine Vervielfachung der Neutronen erfolgt, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Brennstoffelementen in derjenigen Richtung liegen, in der sich sämtliche Brennstofistäbe erstrecken.

Durch eine Verschiebung, deren größte Weglänge gleich dem lichten Abstand zwischen den Uranelementen 1, 2, 3 und 4 ist, kann das absorbierende Material, das ebenfalls in einzelnen, mit axialem Abstand voneinander bzw. in »Traubenform« angeordneten zylindrischen Elementen 5, 6, 7 und 8 untergebracht ist, aus einer Stellung, in der seine Wirksamkeit beinahe Null ist (bei der Stellung innerhalb der Uranelemente) bis in eine Stellung bewegt werden, in der seine Wirksamkeit ein Maximum erreicht (Zwischenstellung zwischen den Uranelementen).

In der Fig. 2 ist ein anderes Beispiel dargestellt, bei der das Neutronen absorbierende Regelelement aus zylindersektorförmigen Platten 9 und 10 besteht, die um eine parallel zu der allgemeinen Anordnung der Brennstoffelemente liegende Achse 11 geschwenkt werden können. Die Achse 11 fällt ungefähr mit der Achse von zwei halbzylindrischen Brennstoffplatten 12 und 13 zusammen, die aus Kernbrennstoff bestehen, der gegenüber thermischen Neutronen vollständig absorbierend wirkt und »schwarzer« Brennstoff genannt wird.

Bei dieser Anordnung ergibt eine einfache Schwenkung des Regelelementes um 45° eine Veränderung der wirkenden Neutronenabsorption des Regelmaterials von einem Minium bis zu einem Maximum.

In der durch die Fig. 3 veranschaulichten dritten Ausführungsform ist der »schwarze« Brennstoff seinerseits gegenüber dem Neutronen absorbierenden Material beweglich. Die Figur läßt erkennen, daß der Regelstab aus einem fest angeordneten Zylinder 14 besteht, dessen Achse parallel zur allgemeinen Anordnung der Brennstoffelemente des Kernreaktors liegt. Der Kernbrennstoff ist jeweils in vier Zylindersegmente 15, 16, 17 und 18 unterteilt, von denen die beiden ersten fest und die beiden letzteren beweglich bzw. um die Achse der gesamten Anordnung schwenkbar gelagert sind. Auf diese Weise hat eine Schwenkbewegung der Segmente 17 und 18 aus der in der Fig. 3 dargestellten Lage die Wirkung, daß das absorbierende Material allmählich bis zu einem bestimmten Grade freigelegt wird und seine Neutronenabsorption von einem Minimum, bei dem sie fast Null ist, bis zu einem Maximum anwächst.

Die vorliegende Erfindung kann auch für die Regelung oder Steuerung von auf der Wirkung von schneilen Neutronen beruhenden Kernreaktoren verwendet werden, wenn die Neutronen absorbierenden Elemente der oben erläuterten Beispiele durch Elemente aus Kernbrennstoff ersetzt werden, die je nach ihrer jeweiligen Lage mehr oder weniger an den Spaltungsreaktionen beteiligt werden.

Schließlich kann das Problem der Kühlung der aus »schwarzem« Kernbrennstoff bestehenden Elemente, in sehr einfacher Weise dadurch gelöst werden, daß man diese Elemente aufspaltet oder unterteilt, um ihren Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium des Kernreaktors zu verbessern.

Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Regelung der Reaktivität eines Kernreaktors durch Relativbewegungen zwischen zumindest einem Regelelement, das die Reaktivität in Abhängigkeit von dem auf das Element auftreffenden Fluß aktiver Neutronen ändert, und wenigstens zwei innerhalb des Reaktorkeirns gebildeten Zonen mit unterschiedlich großer Flußdichte aktiver Neutronen, dadurch gekennzeich net, daß die Zone oder Zonen mit kleinerer Neutronenflußdichte durch die Abschirmung mittels zumindest eines entsprechend angeordneten Elementes aus schwarzem Kernbrennstoff geschaffen werden..

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement aus im Reaktorkern verwendeten Kernbrennstoff besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement zur Verbesserung seiner Kühlung unterteilt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement blattförmig gespalten ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus einem die aktiven Neutronen absorbierenden Material besteht.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus Kernbrennstoff besteht.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Relativbewegung zwischen Regelelement und Abschirmelement für kleine Relativbewegungen ausgelegt sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus gleichachsig angeordneten, jeweils mit bestimmten axialen Abständen voneinander angeordneten Zylindern besteht, daß das Abschirmelement aus einer Reihe von gleichachsigen, koaxial zu den Zylindern und in gleichen axialen Abständen wie diese voneinander angeordneten Rohrabschnitten besteht, und daß die Zylinder in Achsenrichtung innerhalb der Rohrabschnitte relativ zu diesen bewegbar sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmelement aus zwei zylinderf örmig gekrümmten Platten besteht, deren konkave Seiten einander zugewendet und deren zugehörige Zylinderachsen parallel zueinander sind, und daß jeweils die beiden einander gegenüberstehenden Ränder der Platten längsgerichtete Durchtrittsöffnungen für plattenförmige, gebogene Teile des Regelelementes begrenzen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement aus zwei Platten besteht, welche an zwei Schwenkarmen sitzen, die ihrerseits um eine parallel zu den Achsen der Abschirmungsplatten hegende Achse schwenkbar sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement ein fest angeordneter Zylinder ist, während das Abschirmelement aus zwei einander gegenüberliegenden zylinderförmig in bezug auf die gemeinsame Achse gekrümmten festen Platten und zwei weiteren, ebenfalls einander gegenüberliegenden und in bezug auf die gemeinsame Achse gekrümmten, aber um diese Achse schwenkbaren Platten besteht, die aus einer Stel-

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lung, in der sie den Zwischenraum zwischen den »Proceedings of the International Conference on

Rändern der festen Platten abschirmen, in eine the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Bd. 2, 1956,

weitere Stellung bewegbar sind, in der sie diese S. 467 und 468;

Zwischenräume freigeben. »The Engineer«, Bd 200, 1955, S. 190 und 191.

In Betracht gezogene Druckschriften: ¹^ Betracht gezogene ältere Patente:

Österreichische Patentschrift Nr. 166 668; Deutsches Patent Nr. 1049 014.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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