CH622122A5

CH622122A5 -

Info

Publication number: CH622122A5
Application number: CH273377A
Authority: CH
Inventors: Kingsley F Graham; Raj Gopal
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1976-03-05
Filing date: 1977-03-04
Publication date: 1981-03-13
Also published as: ES456552A1; SE433142B; US4079236A; JPS52107496A; FR2343313A1; SE7702473L; CA1079419A; BE852092A; IT1076374B; GB1580126A; FR2343313B1; DE2708648A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Leistungsverteilung längs einer vorgegebenen Achse des Core in einem Atomreaktor, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Druckwasserreaktoren sind in der Regel Neutronenab-sorptionelemente innerhalb des Kühlmittels mit einer kontrollierten veränderlichen Konzentration vorgesehen, um den Reaktionsablauf und damit die Wärmeerzeugung innerhalb des Core, wenn erforderlich, zu modifizieren. Zusätzlich dazu sind Regelstäbe zwischen dem Brennelementbündel angeordnet, die in der Richtung ihrer Längsachse innerhalb des Core verschiebbar sind, um den Reaktionsablauf im Core und damit die abgegebene Leistung steuern zu können. Es gibt drei verschiedene Arten der Regelstäbe, die für diesen Zweck Verwendung finden, u. z. Teillängen-Regelstäbe, Vollängen-Regelstäbe und Regelstäbe zum Abschalten des Reaktors. Die Teillängen-Regelstäbe und die Vollängen-Regelstäbe sind derart angeordnet, dass sie schrittweise in das Core und aus dem Core bewegt werden können und den Reaktionsablauf entsprechend ihrer Eintauchtiefe beeinflussen.

Als Nebenprodukt der Kernspaltung, u. z. infolge eines Betazerfalls des radioaktiven Jod entsteht Xenon. Dieses Xenon hat wegen des grossen Neutronenabsorptionsquerschnittes einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsverteilung innerhalb des Core und die Regelung des Reaktionsablaufes. Die Beeinflussung des Reaktionsablaufes erfolgt in der Regel in direkter Abhängigkeit von der Regelung im Gegensatz zu Xenon, dessen Konzentration innerhalb des Core schwierige Probleme für die Reaktorsteuerung auslöst, da es eine verhältnismässig lange Nachwirkzeit hat und eine Zeitdauer bis zu mindestens 20 Stunden nach einer Leistungsänderung benötigt, um Werte zu liefern, die einem eingeschwungenen Zustand entsprechen.

Die radiale Leistungsverteilung des Core ist verhältnismäs-

3 622 122

sig leicht vorhersagbar, u. z. wegen der beschriebenen Anord- ziertem Leistungsniveau betrieben wird, damit diese Spitzen nung der Brennelemente und der Positionierung der Regel- die unter Berücksichtigung ausreichender Sicherheit festgeleg-stäbe, die symmetrisch radial über das Core verteilt sind. Die ten Amplituden nicht übersteigen. Diese Begrenzungen wer-axiale Leistungsverteilung kann im Reaktorbetrieb stark den auferlegt aufgrund der gegenwärtigen nicht ausreichenden schwanken. Diese axiale Leistungsverteilung im Core hat bis- s Kernaussensysteme, welche nicht in der Lage sind, das Leiher beim Reaktorbetrieb Schwierigkeiten in vieler Hinsicht stungsniveau im Zentrum des Core festzustellen. Es können bereitet. Üblicherweise wird das Kühlmittel durch die Brenn- jedoch auch scharfe Änderungen der axialen Leistungsvertei-elementbündel vom unteren Bereich des Core zum oberen lung mit kurzzeitiger Natur während langer Laständerungen

Bereich geführt, so dass sich ein Temperaturgradient in axialer auftreten, in Abhängigkeit von dem tieferen Eintauchen der Richtung im Core einstellt. Änderungen in der Kernspaltungs- io Regelstäbe bei reduzierten Leistungsniveaus. Schliesslich kön-rate, welche temperaturabhängig ist, ändern daher die axiale nen sich grosse Änderungen der Xenonkonzentration beim Leistungsverteilung. Dazu kommt, dass die axiale Variation der Zurückkommen der Leistung ergeben, die zu den erwähnten Leistungsverteilung die axiale Xenonverteilung ändert, was axialen Leistungsschwingungen führen. Auch kann die Verwen-sich weiterhin verstärkend auf die Änderung der Leistungsver- dung nicht geeigneter Teillängen-Regelstäbe zu forcierten teilung längs der Achse des Core auswirkt. Dies kann dazu füh- is axialen Leistungsverteilungen führen, welche mit den gegen-ren, dass durch das Xenon eine schwingungsförmige Änderung wärtigen Kernaussendetektoreinrichtungen nicht leicht identi-der Leistungsverteilung in axialer Richtung ausgelöst wird, fizierbar sind. Es ist ferner möglich, dass sich vergrösserte welche zu einem späten Zeitpunkt der Core-Lebenszeit instabil Heisskanalfaktoren ergeben (wobei es sich um heisse punktför-werden kann und nicht mehr korrektiv beeinflussbar ist. mige Bereiche handelt, welche innerhalb der Kühlkanäle zwi-

Schliesslich kann das Einführen der Regelstäbe von oben in das2o sehen dem Brennelementbündel auftreten) und eine Verringe-Core ohne entsprechende Berücksichtigung des vergangenen rung der Nennleistung des Reaktors erforderlich machen, um Betriebsverlaufes im Reaktor eine weitere Verschlechterung den scharfen Übergängen und/oder den normwidrigen Lei-bezüglich der axialen Leistungsspitzen auslösen. stungsverteilungen entgegenzuwirken. Schliesslich existiert

Die Änderung der vom Reaktorcore abgegebenen Lei- gegenwärtig kein Schutz gegen scharfe axiale Leistungs-stung, die benötigt wird, um sich der Änderung der ausgangssei-25 Schwankungen bzw. Einschnürungen mit einer schmalen axia-tigen elektrischen Leistung einer Generatoranlage anzupassen, len Versetzung.

wird auch als Lastfolge bezeichnet. Ein Programm zur Lastfol- Aufgrund vieler normwidriger Betriebsbedingungen, die gesteuerung, wie es von Reaktoranbietern empfohlen wird, ver- bei dem Betreiben eines Atomreaktors während Lastfolgen wendet die Vollängen-Regelstäbe, um die vom Xenon ausgelö- auftreten, empfehlen viele Reaktorhersteller den Betrieb bei sten räumlichen axialen Leistungsschwingungen zu kontrollie- 30 einer konstanten Ausgangsleistung, ohne die Lastfolgekapazi-ren und die axiale Leistungsverteilung zu steuern. Änderungen tät auszunützen. Dieser Mangel an Anpassbarkeit des Reaktor-des Reaktionsablaufes, die den Änderungen in der Xenonkon- betriebes begrenzt seine Nützlichkeit, so dass gleichzeitig auch zentration zugeordnet sind, werden in der Regel durch entspre- mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke notwendig chende Änderung der Konzentration der Neutronenabsorp- sind, um die Fähigkeit der Anpassung an Laständerungen des tionselemente innerhalb des Core-Kühlungsmittels oder des 35 Netzes beizubehalten.

Moderators kompensiert Bei dieser Betriebsart werden die Um eine effektive Lastfolgekapazität vorzusehen, ist eine

Teillängen-Regelstäbe verschoben, um die axiale Versetzung im wesentlichen konstante axiale Lastverteilung während des innerhalb eines geforderten Bandbereiches von typischer gesamten Lastbetriebes aufrecht zu erhalten. Es wurde bereits

Weise etwa ± 15% aufrecht zu erhalten. Die axiale Versetzung vorgeschlagen, dieses Problem dadurch zu lösen, dass eine im ist ein nützlicher Parameter, um die axiale Leistungsverteilung 40 wesentlichen symmetrische axiale Xenonverteilung aufrecht zu messen und wird durch nachfolgende Gleichung definiert: erhalten wird. Jedoch zur wirksamen Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten axialen Flussverteilung bzw. eines Axiale Versetzung = axialen Flussprofils ist ein Überwachungssystem erforderlich,

das die Möglichkeit bietet, die axiale Flussverteilung innerhalb

Pt-Pb 45 des Core zu rekonstruieren, so dass Änderungen möglichst pt + pb exakt kompensiert werden können, bevor eine nachteilige

Xenonverteilung auftritt.

wobei Pt und Pb den Bruchteil der Leistung bezeichnen, der in Es sind bereits Überwachungssysteme für den Fluss im Kern-

der oberen Hälfte und der unteren Hälfte des Core erzeugt innenbetrieb bekannt (US-PS 3 932 211), die ein verhältnismäs-wird, wobei diese Leistung in der Regel durch eine Kernaussen-50 S'S genaues Abbild der axialen Flussverteilung liefern. Diese messanordnung mit jeweils zwei axial aufeinander ausgerichte- Kerninnendetektoren sind dem hohen Fluss im Core ausgesetzt ten Detektoren gemessen wird, und die Messanordnungen und unterliegen daher einem raschen Verschleiss, wenn sie kon-

längs dem Umfang des Reaktors verteilt angeordnet sind. Es sequent für den erwähnten Zweck verwendet werden. Derar-werden keine Anstrengungen gemacht, um die innere axiale tige Detektoren werden in der Regel verwendet, um Flussver-Lastverteilung im Core abgesehen von der Aufrechterhaltung 55 teilungskarten beim Anlaufen des Reaktors zu erstellen, oder in der axialen Versetzung innerhalb des geforderten Bandes auf- periodischen Abständen später Kernaussendetektoren zu kalirecht zu erhalten. Die Teillängen-Regelstäbe werden verscho- brieren. Diese Kerninnendetektoren dienen auch dem Zweck, ben, um die axiale Versetzung unabhängig von der zuvor fest- Flussverteilungskarten herzustellen, nachdem verhältnismässig gelegten axialen Versetzung im eingeschwungenen Zustand zu grosse Regelstabverschiebungen ausgelöst wurden. Ein effekti-minimalisieren bzw. zu verringern. Dieses Verfahren löst eine 60 ves Überwachungssystem für das Core erfordert, dass kontinu-konstante Fluktuation der axialen Versetzung während des ierlich eine Karte für die axiale Flussverteilung im Core erstellt ungedämpften Lastfolgebetriebes aus, was zu einer Anzahl von werden kann. Es wurden für diesen Zweck Kernaussendetekto-unerwünschten Betriebsbedingungen führt. So kann eine axiale ren bereits verwendet, da sie als zuverlässiger anzusehen sind Leistungseinschnürung, was sich in Form einer grossen axial upd geringerem Fluss, einer geringeren Temperatur sowie zentrierten Leistungsspitze darstellt, mit einer geringen axialen65 einer geringeren Druckbeanspruchung auf der Aussenseite des Versetzung bzw. der axialen Versetzung 0 auftreten. Derartige Druckbehälters ausgesetzt sind.

Leistungsspitzen stellen eine ungünstige Beeinflussung der Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren

Reaktorleistung dar und erfordern, dass der Reaktor mit redu- und eine Einrichtung zu schaffen, mit der die Überwachung der

622122 4

Leistungsverteilung längs einer vorgegebenen Achse des Core detektoren innerhalb der Kühlmittelleitungen und den Kern-

im Atomreaktor möglich ist aussendetektoren 32 für die Neutronen gemäss Fig. 1 erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeich- ,^e Kernaussendetektoren 32' und 32" gemäss Fig. 1 sind nenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst. d.rei bzw. vier Flussabschnitten zugeordnet, welche gleichmas-

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand 5 sl§ lan§s der vertikalen Achse des Core verteilt angeordnet von weiteren Ansprüchen sind. Während normalerweise die Kernaussendetektoren,

Mit Hilfe der Erfindung lassen sich in vorteilhafter Weise welche um das Core herum für den Normalbetrieb symme-

die eingangs erwähnten Nachteile überwinden und die kontinu- trisch angeordnet sind, alle dieselbe Anzahl der axialen ierliche Erstellung von Flussverteilungskarten ermöglichen, um Abschnitte aufweisen, trifft dies für die Kernaussendetektoren anhand der daraus ablesbaren Werte eine genauere Steuerung 10 ^2' und ?2" nicht zu, welche zur Erläuterung von zwei Ausfüh-

des Reaktors insbesondere bezüglich seiner Lastfolgekapazität rungsbeispielen gemäss der Erfindung herangezogen werden,

zu ermöglichen. Da. mit dem Aufteilen der Kernaussendetektoren über die

Die Erfindung wird näher erläutert anhand der nachfolgen- axiale Erstreckung des Core in drei, vier oder eine unbegrenzte den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung Anzahl von Abschnitten dem Problem des Nebenflusses in mit der Zeichnung Es zeigen: 15 benachbarte axiale Bereiche nicht abgeholfen wird, sieht die

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Atomreak- Erfindung vor, dass die von den Detektoren abgegriffenen tors, an dem zwei verschiedene Ausführungsformen eines Signale zur Rekonstruktion der Flussverteilung über die

Überwachungsgerätes gemäss der Erfindung Verwendung fin- gesamte axiale Erstreckung des Core verwendet werden. Diese

(jgjj. Nebenflusseinwirkung kann auf ein Minimum verringert wer-

Fig. 2 eine schematische Ansicht auf das Core, aus der die 20 d?n>wenn ein Aufbau gemäss Fig. 3 verwendet wird, bei dem relative örtliche Zuordnung von Brennelementen sowie Regel- die von den Detektoren erfassten Abschnitte axial gegeneinan-

stäben und Kernaussendetektoren hervorgeht; der versetzt sind. . „ , _ ,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht auf eine Radialebene 2 ist schematisch eine Draufsicht auf das Reaktor-

des Core und die relative Zuordnung von zwei verschiedenen core 18 eines Druckwasserreaktors dargestellt. Die Core-Posi-

Ausführungsformen von Kernaussendetektoren gemäss der 25 ti°nen ^ u"d ^4 identifizieren den Ort, an welchem im Vollast-

Erfindung- betrieb Vollängen-Regelstäbe und Teillängen-Regelstäbe

Fig. 4A, 4B, 4C, 4D und 4E die graphische Darstellung der angeordnet sind. Die verbleibenden Core-Positionen 20 sind in axialen Flussverteilung für verschiedene Positionen der Teillän- der Brennelementen belegt, wobei jedoch einige gen-Regelstäbe sowie der Vollängen-Regelstäbe innerhalb des Positionen für weitere Kontrollzwecke reserviert sind.

Core- 3o Während dem Lastbetrieb wird die Leistungsverteuung im

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer Pufferschaltung, Core mit Detektoren überwacht, die sich an einer Vielzahl von um die Detektormesswerte in Ausgangsspannungen umzufor- Kernaussenpositionen 46,48,50 und 52 befinden, welche sym-

men. metrisch um den Umfang des Druckbehälters herum verteilt

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur sind- Jeder Detektor liefert eine für den zugeordneten Qua-

Verarbeitung der Ausgangsspannungen gemäss Fig. 5, um die 35 drant des Core entsprechende Flussinformation. Obwohl bei der

Flussamplitude an einer axialen Koordinate des Core zu ermit- beschriebenen Ausführungsform das Core in vier Quadranten tejn. unterteilt ist, denen m den corediagonalen Detektoren

Fig. 7 eine schematische Schaltung des Fxy-Generators zugeordnet sind, ist es auch möglich, die Quadranten durch die gemäss Fig 6. Anordnung der Detektoren in den Koordinatenachsen zu defi-In Fig. 1 ist schematisch ein Druckwasserreaktor darge- 40 nieren> welch.e den Richtungspositionen 0°, 90°, 180° und 270° stellt, bei dem die Erfindung Verwendung finden kann, um die zugeordnet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der axiale Flussverteilung bzw. die axialen Flussprofile innerhalb von dem Detektor in der Kernaussenposition 52 gemessene des Core genauer zu überwachen, um Schwierigkeiten zu ver- Fluss repräsentativ für die in dem durch die 0 -Achse und die meiden, die bisher beim Betrieb von derartigen Reaktoren auf- 270°-Achse begrenzten Core-Quadrant erzeugte Leistung. Die getreten sind. Der Reaktor umfasst einen Druckbehälter 10, der « 0°-Achse und die 270°-Achs e teilt jeweils die horizontale Ebene mit einem Druckbehälterdeckel 12 verschlossen ist und dem der In ^ dargestellten Draufsicht und ist zu unterscheiden Druck im Primärkreislauf standhält. Das Kühlmittel fliesst im vo" der vertikalen Core-Achse, über welche die axiale Flussver-Druckbehälter über Kühlmitteleinläufe 16 zu und wird über teilung gemessen wird. Aufgrund der symmetrischen Anord-Kühlmittelausläufe 14 abgeführt, die einstückig in der Wan- nung der Core-Komponenten ergibt sich, dass die Leistung m dung des Druckbehälters ausgebildet sind. Innerhalb des 50 jedem Quadrant repräsentativ für die Leistung m jedem der Druckbehälters 10 befindet sich das Core 18, das in Verbindung anderen Quadranten ist. Daraus leitet sich ab, dass, obwohl mit Fig. 2 erläutert wird und hauptsächlich aus einer Vielzahl über viele Abschnitte verteilte undin den Kernaussenpositio-von bekleidenden Brennelementen besteht, welche in einem nen ^6» ^ und ^ angeordnete Detektoren 32' und 32" vorBündel 20 angeordnet sind handen sind, für das Verständnis des Verarbeitungsverfahrens

Bei der Erzeugung der thermischen Energie innerhalb des 35 der Detektorausgangssignale nur die Verhältnisse in einer

Core stellen die Eintauchtiefe der Teillängen-Regelstäbe sowie Kernaussenposition betrachtet werden müssen, da die Verar-

der Vollängen-Regelstäbe, der Verbrennungsablauf des Core, beitung in den übrigen Kernaussenpositionen in derselben das Leistungsniveau des Reaktors und die Xenonverteilung Weise erfolgt. ... • , r, . • j _

wichtige Parameter dar, die die axiale Flussverteilung beein- ^ is*- schematisch ein axialer Schnitt durch das Core flussen. Ohne eine konstante Überwachung der axialen Fluss- 60 ^ dargestellt, bei dem auf der einen Seite drei Detektoren 32"

Verteilung über die gesamte axiale Erstreckung des Core würde symmetrisch verteilt angeordnet sind, wobei der obere Detek-

es erforderlich sein, den Verlauf jedes dieser Parameter genau *°.r mit T, der mittlere Detektor mit M und der untere Detektor zu überwachen und zu kennen, um in der Lage zu sein, eine im mit B bezüglich der Verteilung über die axiale Längserstrek-

wesentlichen flache axiale Flussverteilung zu bewirken, damit kung des Core bezeichnet sind. Auf der anderen Seite des Core man eine Lastfolgefähigkeit erreicht. Diese wichtigen Pararne- 65 sind vier Detektoren 32' angeordnet, deren Positionen von ter werden von den Informationen abgeleitet, die man von dem oben nach unten mit a, b, c und d bezeichnet sind.

Anzeigesystem für die Regelstabposition (US-PS 3.858 191) den Grundsätzlich kann gemäss der Erfindung der Wert des kerninneren thermoelektrischen Elementen, den Temperatur- Flusses in jeder Koordinate längs der axialen Erstreckung des

5

622122

Core von der Summe der entsprechenden elektrischen Ausgangssignale ermittelt werden, indem diese Signale eine algebraische Modifikation durch eine vorher festgelegte Konstante erfahren, welche man durch eine anfängliche Berechnung und durch eine periodische Nachberechnung während der Lebens- 5 zeit des Core entsprechend der Brennstofferschöpfung erhält. Diese Konstanten hängen weitgehend von den physikalischen Verhältnissen der Anlage ab und ändern sich daher einerseits von Reaktoranlage zu Reaktoranlage und andererseits von Brennstoffzyklus zu Brennstoffzyklus. io

Gemäss der Erfindung werden die axialen Leistungskurven des Core aus den Ansprechwerten der Kernaussendetektoren mit Hilfe einer Fourier-Reihe der Sinusfunktionen ermittelt, deren Grenzwerte durch die extrapolierte axiale Länge des Core bestimmt sind. Aufgrund der Messergebnisse von den den 15 einzelnen Abschnitten zugeordneten Detektoren, können bei drei Abschnitten drei Ausdrücke einer Fourier-Serienauflösung errechnet werden, wogegen bei vier Detektorabschnitten vier Ausdrücke und bei n Detektorabschnitten n Ausdrücke errechnet werden können. Die axiale Leistungsverteilung wird durch 20 die nachfolgende Gleichung beschrieben:

®z = CiSinZ + C2SinZ + CsSinZ + ... + C„Sin(nZ)

(1)

wobei Z = 0 der extrapolierte Grenzwert am oberen Ende des 25 Core und Z = 7t (180°) der extrapolierte Grenzwert am unteren Ende des Core ist.

Die Faktoren C erhält man von den Ansprechwerten der den Sektoren zugeordneten Detektoren. Der erste Schritt besteht darin, die Detektoransprechwerte mit dem Leistungs- 30 anteil zwischen den axialen Abschnitten des Core zu korrelieren. Allgemein gilt, dass die Detektorströme für einen Kernaus-sendetektor 32" mit drei Detektorabschnitten die Abhängigkeit von der Leistung durch nachfolgende Gleichungen beschreiben: 35

Lj = An P7 + A12 Pm + A13 Pb LM = A21 PT + A22 Pm + A23 PB Lb = A31 Pt + A32 Pm + A33 Pg

(2)

(3)

41

(4)

lt

a11

a12

a13

pt

=

a21

a22

a23

X

pm lb

a31

a32

a33

pb

Detektoren 32' und die Leistung der axial zugeordneten Abschnitte des Core, welche von einem Kerninnen-Flussmess-system während der Kalibrierung der Konstanten erhalten werden, miteinander in Beziehung setzen. Die Werte PT, Pm und PB kann man entweder von einem fest eingebauten Kernin-nen-Flussmesssystem erhalten, wobei die einzelnen Detektoren im oberen und mittleren sowie unteren Bereich des Kernes fixiert sind, oder von einem einfahrbaren Kerninnen-Flussmess-system ableiten, wie dies durch das US-PS 3 858 191 bekannt ist.

Um die genauen Werte der Matrixelemente Ay zu erhalten, . sollten diese Matrixelemente an die beobachteten Detektorströme und die axiale Leistungsverteilung für fünf verschiedene Flussverteilungen, wie z. B. den Flussverteilungen gemäss den Fig. 4A, 4B, 4C, 4D und 4E, angepasst werden. In Fig. 4A ist die Flussverteilung dargestellt, wie man sie von einem verschiebbaren Kerninnen-Flussmesssystem erhält, wenn alle Regelstäbe aus dem Core entfernt sind. Die Flussverteilung gemäss Fig. 4B ergibt sich, wenn im Bodenbereich des Core Teillängen-Regel-stäbe vorhanden sind. Die Flussverteilung gemäss Fig. 4C stellt sich ein, wenn Teillängen-Regelstäbe und/oder Vollängen-Regelstäbe teilweise in den oberen Teil des Core eingesetzt sind. Der Verlauf der Flussverteilung gemäss Fig. 4D ergibt sich, wenn im axialen Zentrumsbereich des Core Teillängen-Regelstäbe angeordnet sind. Die in Fig. 4E dargestellte Flussverteilung ergibt sich, wenn Teillängen-Regelstäbe am unteren Teil des Core und ferner Regelstäbe am oberen Teil des Core eingesetzt sind. Die Flussverteilungskurven gemäss den Fig. 4A bis 4E erhält man üblicherweise bei den Probelauf- bzw. Einlaufmessungen eines Reaktors.

Die Gleichung (5) lässt sich allgemein für n-Detektoren umschreiben und für die axiale Leistung in jedem Abschnitt des Core in Abhängigkeit von den Detektorströmen lösen:

-1

wobei PT gleich der Leistung im oberen Drittel des Core, PM gleich der Leistung im mittleren Drittel des Core und Pb gleich der Leistung im unteren Drittel des Core ist. Die Faktoren Ay 45 sind konstante Koeffizienten für eine gegebene Detektorinstallation. Dabei sind ij ganzzahlige Grössen, welche Werte zwischen eins und n annehmen. Im vorliegenden Fall ist n gleich drei entsprechend der Anzahl der den Abschnitten zugeordneten Detektoren. Die Gleichungen (2), (3) und (4) können in 50 Matrixform umgeschrieben werden, wodurch sich nachfolgende Gleichung ergibt:

1

T) 1—1

1

L1

C\J (X,

L2

P3

L3

• • •

8

Au

X

#

0

A

pn

1

G

1

(6)

dabei ist [Ay]"1 die invertierte Matrix, welche die Detektorwerte mit den Core-Leistungen korreliert.

Die Fourier-Koeffizienten Cn erhält man durch Auflösen der nachfolgenden Gleichung:

(5) pt = px

•V 4 (z) a:

Die Elemente Ay der Matrix kann man erhalten, indem man die ermittelten Detektorströme mit der beobachteten axialen Leistungsverteilung aufgrund von Kerninnenkarten in Beziehung bringt. Dabei ist Lr der erhaltene Wert vom Detektor T, 65 Lm der erhaltene Wert vom Detektor M und LB der erhaltene Wert vom Detektor B. Eine entsprechende Matrix vierter Ordnung kann die Signale von den vier Abschnitten zugeordneten

P« " P2 ì

_fZ3

^ (z) dr

PB - P3 * Pn Ä \

Jn-1

n

: (7)

; (8)

(z) dz (9)

622122

6

wobei für auf drei axiale Abschnitte verteilte Detektoren P„ = P3 = Pb ist. In Matrixform ergeben sich die Koeffizienten in Abhängigkeit von den Leistungen aus der nachfolgenden Gleichung:

-1

n

Q

ij n

(10)

oder in Abhängigkeit von den Detektorströmen «L» durch die folgende Gleichung:

Anzahl von Koordinaten verlegt werden, die ausreichen, um eine aussagekräftige Punktrepräsentation der axialen Flussverteilung innerhalb des Core zu erhalten. Das Core kann z. B. in 25 Punktkoordinaten unterteilt werden, wobei die erste und letzte Koordinate mit der axialen Begrenzung des Core zusammenfällt. Für diesen Fall kann die Matrix Ay auf 100 Elemente erweitert werden, wenn in der axialen Anordnung vier Detektoren Verwendung finden. Die Matrixelemente erhält man in der gleichen Weise, wie vorausgehend beschrieben, durch Messen der Leistung in jeder Punktkoordinate unter Verwendung eines in den Kern einführbaren Systems zum Ermitteln der Flussverteilung entsprechend der fünf Kurven gemäss Fig. 4. Die Anzahl der Flussverteilungskurven, welche für die Errechnung benötigt wird, entspricht der Anzahl der verwendeten Detektoren, jedoch werden fünf Flussverteilungskurven gemäss Fig. 4 empfohlen, um die Genauigkeit der Berechnung sicherzustellen. Die Matrixelemente Ay erhält man aus der gleichzeitigen Auflösung für jeden Punkt unter Verwendung der gemessenen Werte aufgrund der einzelnen Flussverteilungskurven. Die allgemeine Matrix, welche eine Lösung für 25 Koordinatenpunkte der axialen Flussverteilung im Core gibt, lautet:

-1

1

1—1

0

_ —

-1

— —

-1

!

1—1

l

C\J

0

L2

°3 *

•

QU

X

AiJ

X

L3

O •

•

_Cn_

1

c

1

30

(11)

wobei

40

1 !"

qìj= j [los ■cos (j*zi+i)3

(12)

und wobei Z, die Grenzen zwischen axialen Kernabschnitten sind, welche den Kernbereichen entsprechen, über die die Kernleistung P; errechnet wird.

Die Matrix [Qy]"1 ist die invertierte Matrix Q. Auf diese Weise erhält man die Fourier-Koeffizienten von den Detektorströmen der Abschnitte und den festliegenden Matrizes Q"1 und A_1. Es sei hervorgehoben, dass die invertierten Matrizes nur während der Errechnung des Systems ermittelt werden müssen und entweder positiv oder negativ sein können. Die Ausgangssignale von Kernaussendetektoren in vier Abschnitten werden in identischer Weise unter Berücksichtigung einer Matrix vierter Ordnung bearbeitet. Die Gleichung für Qy ist die gleiche. Im Betrieb kann nach der Berechnung der Wert des relativen Flusses an jedem Punkt innerhalb des Core in Abhängigkeit von den Werten an den Kernaussendetektoren bestimmt werden, indem die interessierenden axialen Koordinaten für Z in die Gleichung (1) eingesetzt werden. Im praktischen Einsatz werden die Ergebnisse elektronisch ermittelt, wie nachfolgend beschrieben wird.

Um die Verarbeitung der Ausgangssignale der Detektoren zu vereinfachen, kann, gemäss der Erfindung, ein alternierendes Verfahren zu dem beschriebenen verwendet werden. Die axiale Erstreckung des Core kann bildlich in eine bestimmte

55

60

P1

II

A. .

ij

L1 •

•

_p25

L

n

(13)

35 wobei i als ganze Zahl die Werte zwischen 1 und 25 annimmt und j eine ganze Zahl ist, die zwischen 1 und n variiert, wobei n die Anzahl der mit Detektoren bestückten Abschnitte ist. Daraus ergibt sich, dass die Leistung in jedem Koordinatenpunkt gleich der Summe der mit einer entsprechenden korrespondierenden Konstanten multiplizierten Detektorausgangssignale ist. Dieses Verfahren der Verarbeitung der Detektorausgangssignale vereinfacht die Schaltkreise ganz beträchtlich, welche notwendig sind, um die Flussinformation für jeden Punkt zu ermitteln. Sobald man die Punktrepräsentation erhal-45 ten hat, kann die gesamte axiale Flussverteilung innerhalb des Core rekonstruiert werden. Es sei hervorgehoben, dass beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Matrixelemente Ay in der Gleichung (13) von den konstante Grössen darstellenden Matrixelementen Ay in Gleichung (11) verschieden sind. 50 Aufgrund der physikalischen Eigenschaften vieler Reaktoren ist die maximale Grösse für Kilowatt/Längeneinheit (spezif. Stableistung) eines jeden Brennelementes innerhalb des oberen Core-Bereiches stärker begrenzt als in anderen Bereichen des Core. Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass im oberen Bereich des Core die Kühlmitteltemperatur höher als in darunterliegenden Bereichen ist, und dass die Unfallkriterien aufgrund von Kühlmittelverlust eine geringere Kilowattlëistung/ Längeneinheit im oberen Bereich eines jeden Brennelementes erfordern, um die Folgen eines Unfalles zu minimalisieren. Um maximale Leistungsabgabe einzuhalten, ist es deshalb wünschenswert, die Flussverteilung innerhalb des oberen Bereich des Core mit engeren Grenzen zu überwachen, als dies für die Flussverteilung im übrigen Bereich des Core der Fall ist. Dementsprechend können gemäss einer bevorzugten Ausfüh-65 rungsform der Erfindung die Punktkoordinaten, in welchen der Fluss berechnet wird, im oberen Bereich des Core enger beieinander angeordnet sein, als dies in dem übrigen Bereich des Core der Fall ist. Bei einer Kernaussendetektoranordnung 32"

7 622122

mit den Detektoren für die Abschnitte T, M und B und dem seits und der untere Abschnitt des Core vom oberen Abschnitt beschriebenen Verfahren zur Signalverarbeitung, werden die andererseits nicht beeinflusst wird.

Ausgangssignale LT, LM und LB über Trennverstärker 34 Durch experimentelle Versuche wurde bestätigt, dass das gemäss Fig. 5 geführt, an deren Ausgang die Spannungen Vi, V2 Verfahren und die Einrichtung gemäss der Erfindung eine sehr und V3 zur Verfügung stehen. Diese Spannungen werden elek- 5 gute Korrelation der beiden durch die Kernaussendetektoren trisch weiterverarbeitet, um die Messwerte für den Fluss an und die Kerninnendetektoren festgestellten Flussverteilungen jeder der gewünschten Koordinaten zu erhalten. Die veränder- ergeben.

baren Widerstände 36 dienen der Kalibrierung der Detektor- Auf diese Weise lässt sich eine zuverlässige Bestimmung ausgangssignale. Jeder der Detektorausgänge ist ferner an der mittleren Leistung in jeder Koordinate längs der Achse des einen Summenverstärker 36 angeschlossen, um ein Leistungs- 10 Core von den Kernaussendetektoren ableiten. Somit erhält signal zu erzeugen, das dazu benutzt werden kann, um die Fluss- man für das Brennstoffelement eine mnittlere axiale und messungen zu normalisieren, damit die erhaltenen Signale mit lineare X-Y-Leistungsdichte in Kilowatt/Längeneinheit des den für den Betrieb der Anlage normalerweise verwendeten Brennelementes (spezifische Stableistung) als Funktion der Einstellwerten verglichen werden können. axialen Position. Sobald man diese Information hat, können Für jede Koordinate, für welche ein Flusswert ermittelt 15 mehrere Ausgangssignale dazu benutzt werden, um eine feiwird, werden die entsprechenden Ausgangsspannungen der nere Steuerung der Betriebsparameter aufzubauen. Als Beiden Abschnitten zugeordneten Detektoren an einstellbare Ver- spiel hierfür sei gegeben:

stärker 54 übertragen, deren Verstärkung so eingestellt ist, dass a) Die Grösse Fz (mittlerer axialer X-Y-Scheitelfaktor)

sie dem passenden kalibrierten Wert des Matrixelementes Ay kann errechnet und numerisch bzw. analog zur Anzeige entspricht. Die Detektorausgangsspannung multipliziert mit 20 gebracht werden. Durch die Multiplikation mit einem ange-

der entsprechenden Verstärkung des Verstärkers 54, wird nommenen Scheitelf aktor Fxy für den ungünstigsten Fall und einem Summenverstärker 56 zugeführt, der den mittleren Lei- durch Addition maximaler Fehlergrenzen kann der ungünstig-

stungswert über die X-Y-Ebene dieser axialen Koordinate zur ste Fall für den Scheitelfaktor der nuklearen Leistungsdichte Fq

Verfügung stellt. Der mittlere Leistungswert jeder Koordinate zur Anzeige gebracht werden.

wird dann mit einem entsprechenden Scheitelfaktor Fxy multi- 25 b) Die axiale lineare Leistungsdichte bzw. die spezifische pliziert, der einen durch den Hersteller des Reaktors eingestell- Stableistung in Kilowatt/Längeneinheit kann auf einem Bild-

ten Parameter darstellt. Dieser Wert wird in einem Grenzde- schirm oder einer anderen analogen Anzeige sichtbar darge-

tektor 62 mit einem Einstellwert für die maximal zulässige Lei- stellt werden, wobei wiederum durch Multiplizieren mit dem stung der betreffenden axialen Position verglichen. Beim Über- Scheitelfaktor Fxy für den ungünstigsten Fall und durch Addie-

schreiten des Grenzwertes wird ein Alarm ausgelöst, woraus 30 ren der Fehlergrenzen die lineare Leistungsdichte in Kilowatt/

erkennbar wird, dass der in dem identifizierten Kernbereich Längeneinheit für das heisse Brennelement zur Darstellung zulässige Leistungswert überschritten ist. Die mittlere Leistung kommen kann.

Pav kann auch in einer entsprechenden Einheit 64 zur Anzeige c) Es können Alarmsituationen ausgelöst werden, wenn ein gebracht oder gespeichert werden. voreingestellter maximaler Wert für den vorstehenden Fall (a)

Der Wert des Scheitelfaktors Fxy hängt von der Anzahl der 35 und/oder (b) überschritten wird.

Regelstäbe in einer entsprechenden axialen Koordinate ab. Ein d) Die Wärmeübertragungskorrelationen liefern schärfere passender Wert für diesen Scheitelfaktor Fxy wird der Verviel- Grenzen für die lineare Leistungsdichte bei grösseren Richthö-facherstufe 60 gemäss Fig. 6 vom Scheitelwert-Generator 58 hen im Core aufgrund höherer Kühltemperaturen und/oder zugeführt, der entsprechend der Schaltung gemäss Fig. 7 aufge- Leerstellen (Dampfblasen). Mit diesem System kann die spezifi-baut ist. An einen Decoder 66 werden Eingangssignale ange- 40 sehe Grenzstableistung in Abhängigkeit von der axialen Posi-legt, die die Regelstabposition kennzeichnen und angeben, ob tion verändert werden. Damit können Signale für den Schutz in der entsprechenden axialen Koordinate die Regelstäbe mit der Anlage ausgelöst werden, die vom Übersteigen dieses Teillängen vorhanden sind oder ob zwei Regelgruppen wirk- Grenzwertes abhängig sind. Mit dem Übersteigen voreinge-sam sind. Normalerweise werden zwei Regelgruppen nur bei stellter Grenzen für die spezifische Stableistung können einem über 50% liegenden Leistungsbetrieb verwendet. Ein 45 Signale für den Rücklauf der Turbinen und für die Reaktorab-derartiges Indikationssystem für die Regelstabposition ist Schaltung erzeugt werden. Desgleichen kann beim Überschrei-durch das US-PS 3 858 191 bekannt. Mit der Möglichkeit drei ten der spezifischen Grenzstableistung eine AT-Schutzmass-unabhängige Regelstabgruppen in jeder beliebigen axialen nähme ausgelöst werden, wobei diese Schutzmassnahme entKoordinate wirksam sein zu lassen, gibt es acht mögliche Kom- weder ein digitales Signal oder eine in ein analoges Signal binationen und dementsprechend acht mögliche Scheitelfakto- so umgewandelte Signalgrösse sein kann, um einen direkten ren für den Fluss. Der Decoder 66 ermittelt den richtigen Schei- Anschluss an das AT-Schutzsystem (Schutzsystem zur Überwa-telfaktor und schliesst über Torschaltungen entsprechende chung der Aufheizspanne) bereits im Betrieb befindlicher Anla-Funktionsgeneratoren 68 an die Vervielfacherstufe 60 an. gen zu ermöglichen.

Experimentelle Ergebnisse haben bestätigt, dass durch das Festlegen der Anfangskonstanten, z. B. für Kernaussendetekto- 55 Auf diese Weise können Reaktoren mit grösserer Annäheren mit drei Bereichen, die A-Matrixelemente A,i3 und A3i1 rung an die Grenzspezifikationen und damit mit grösserem gleich 0 gesetzt werden können. Dieses Ergebnis stellt sich ein, Wirkungsgrad betrieben werden und ferner wird ein Lastfolge-da der obere Abschnitt des Core vom unteren Abschnitt einer- betrieb möglich.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims

622122 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Überwachung der Leistungsverteilung längs einer vorgegebenen Achse des Core in einem Atomreaktor, gekennzeichnet durch die Schritte: Anordnung von mindestens drei Flussdetektoren an kernäussern Stellen in vertikaler 5 Anreihung, wobei jeder der Flussdetektoren ein für den an der bezüglichen Stelle gemessenen Fluss repräsentatives elektrisches Signal liefert, Überwachen der Leistung im Innern des Core an einer Anzahl Stellen längs der genannten Achse mittels mindestens einem den kerninnern Fluss messenden Detek- i o tor, wobei die Anzahl der kernäussern Flussdetektoren gleich oder kleiner als die Anzahl der Stellen ist, an welchen die Leistung im Innern des Core gemessen wird, Korrelieren der bezüglichen elektrischen Ausgangssignale mit den Leistungswerten an den genannten kerninnern Stellen zur Berechnung i 5 von Koeffizienten, mit welchen die Werte bezüglicher elektrischer Ausgangssignale für jede der momentan gemessenen Stellen zu multiplizieren sind, Betätigung der mindestens drei Flussdetektoren zur Erzielung korrespondierender elektrischer Ausgangssignale zur Einleitung der momentanen Mes- 20 sung, Multiplizieren der Werte der bezüglichen elektrischen Ausgangssignale mit den errechneten Koeffizienten für jede der genannten Stellen, Summieren der so für jede Messstelle erhaltenen Werte aus Ausgangssignal und Multiplikationskoeffizient zur Erzeugung eines Leistungssignals, das für die Leistung 25 an der bezüglichen Stelle repräsentativ ist, und Vergleichen des Leistungssignals mit einem Referenzpegel, der der zulässigen maximalen Leistung für jede der genannten Stellen entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass beim Vergleichen des Leistungssignals mit dem Referenz- 30 pegel das Leistungssignal mit einem Leistungsscheitelfaktor multipliziert wird, der sich in Abhängigkeit von der Position der Regelstäbe im Core ändert, und dass das durch die Multiplikation erhaltene Produkt mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird. 35

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen zwei benachbarten Stellen, an welchen die Leistung durch den den kerninnern Fluss messenden Detektor überwacht wird, längs der vorgegebenen Achse unterschiedlich gewählt werden. «

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass die genannten Stellen am einen Ende der Achse näher beieinander liegen als am andern Ende der Achse.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass die Abstände zwischen zwei benachbarten der genannten 45 Stellen progressiv von einem Ende der Core-Achse zum andern zunehmen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Stellen, an welchen die Leistung durch den den kerninnern Fluss messenden Detektor über- 50 wacht wird, in gleichen Abständen längs einer Achse verteilt angeordnet sind, die parallel zur vorgegebenen Achse verläuft.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens drei in einer vertikalen Anreihung auf der Aussenseite des Reaktorkerns 55 angeordnete Flussdetektoren, die in Abhängigkeit vom an einer zugeordneten Stelle gemessenen Fluss ein elektrisches Ausgangssignal liefern; mindestens einen kerninnern Detektor zur Überwachung der Leistung an einer Anzahl von Stellen im Innern des Core, die längs einer vorgegebenen Achse angeord- 60 net sind, wobei die Anzahl der kernäussern Flussdetektoren gleich oder kleiner als die Anzahl der Stellen ist, an welchen die Leistung im Innern des Core durch den kerninnern Detektor überwacht wird; Mittel zum Korrelieren der bezüglichen elektrischen Ausgangssignale mit den Leistungswerten an den 65 genannten kerninnern Stellen zur Berechnung von Koeffizienten, mit welchen der Wert des bezüglichen elektrischen Ausgangssignals für jede der momentan gemessenen Stelle zu multiplizieren sind; Mittel zur Verarbeitung der bezüglichen elektrischen Ausgangssignale der genannten mindestens drei Flussdetektoren, welche Ausgangssignale jeweils bei der momentanen Messung auftreten, durch Multiplizieren des Wertes des bezüglichen Ausgangssignals mit dem für jede der genannten Stellen errechneten Koeffizienten; Mittel zum Summieren der so verarbeiteten elektrischen Ausgangssignale zur Erzeugung eines Leistungssignals, das für die Leistung an der bezüglichen Stelle repräsentativ ist; und Mittel zum Vergleichen des Leistungssignals mit einem Referenzpegel, der der zulässigen maximalen Leistung für jede der genannten Stellen entspricht.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Vergleichen des Leistungssignals mit dem Referenzpegel Vervielfacherstufen enthalten, welche das Leistungssignal mit einem Scheitelfaktor multiplizieren, der sich in Abhängigkeit von der Position der Regelstäbe im Reaktorcore ändert, und dass ein Grenzwertdetektor vorhanden ist, um das durch die Multiplikation erhaltene Produkt mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel zur Lieferung eines von der Position der Regelstäbe im Reaktorcore abhängigen Signals; eine Vielzahl von Funktionsgeneratoren, welche jeweils einen Scheitelfaktor in Abhängigkeit von einer der Anzahl verschiedener Leistungsverteilungen liefert, die sich in Abhängigkeit von der Position der Regelstäbe im Core ändern; und eine Anzahl Torschaltungen, welche in Abhängigkeit von dem die Position des Regelstabs anzeigenden Signal den Scheitelfaktor zu den Vervielfacherstufen übertragen.