DE1104630B - Kernreaktor mit je einem Regelkreis fuer den Neutronenfluss und den Kuehlmitteldurchfluss - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Kernreaktoren mit einem Kern, in dem Wärme durch Kernspaltung erzeugt wird, wobei der Kern mit Bohrungen oder Kanälen für den Durchfluß von fluidem Kühlmittel versehen ist, um dem Kern Wärme zu entziehen, mit einem als geschlossene Schleife ausgebildeten Regelkreis, um den Neutronenfluß in dem Kern auf einem von einem ersten Bezugssignal bestimmten Wert zu halten, und mit einem als geschlossene Schleife ausgebildeten Regelkreis, um den Kühlmitteldurchfluß auf einer von einem zweiten Beizugssignal abhängigen Stärke zu halten.

Solche Kernreaktoren können beispielsweise in Atomkraftwerken verwendet werden. Fluides Kühlmittel, wie unter Druck stehendes Kohlendioxyd, kann, nachdem es dem Reaktorkern Wärme entzogen hat, zu einer oder mehreren Dampfaufnahmeeinheiten geleitet werden, in denen die von dem fluiden Kühlmittel abgegebene Wärme zur Erzeugung von Dampf zwecks Ausnutzung in einer Turbogeneratoranlage verwendet wird. Im besonderen für Anwendungsfälle dieser Art kann es erwünscht sein, die abgegebene Energie des Kernreaktors in selbsttätiger oder halbautomatischer Weise über einen Niveaubereich einzustellen.

Es ist bekannt, in einem Kernreaktor eine Regelanordnung vorzusehen, die zwei geschlossene als Schleifen ausgebildete Regelkreise zum Regeln des Neutronenflusses bzw. des Kühlmitteldurchflusses aufweist, wobei der Kühlmitteldurchfluß in Abhängigkeit von dem Neutronenfluß geregelt wird, um die Aus-Strömtemperatur des Kühlmittels konstant zu halten. Um das Leistungsniveau des Reaktors zu variieren, wird der Bezugspegel in der einen geschlossenen Schleife geändert, um den Neutronenfluß auf einen bestimmten Wert einzustellen. Dies ändert die Aus-Strömtemperatur des Kühlmittels, und die andere geschlossene Schleife stellt dann selbsttätig den Kühlmitteldurchfluß ein, um seine Temperatur auf seinen früheren Wert zurückzubringen, wobei der Bezugspegel für die andere geschlossene Schleife durch eine Messung der Ausströmtemperatur hergestellt wird.

Nun ist es weder leicht noch zweckmäßig, die Kühlmitteltemperatur innerhalb des Reaktorkerns zu messen. Daher ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung einer verbesserten Regelanordnug, bei der diese Schwierigkeit vermieden ist.

Dies wird erfindungsgemäß bei Reaktoren der eingangs angegebenen Art dadurch erreicht, daß gemeinsame Regelvorrichtungen vorgesehen sind, um das erste und zweite Bezugssignal so zu entwickeln, daß sie eine vorherbestimmte Beziehung zueinander haben, wobei die Anordnung so> getroffen ist, daß die Temperaturen in dem Kern und im besonderen in dem Kühlmittelströmungskreis über einen Leistungsniveau-Kernreaktor mit je einem Regelkreis

für den Neutronenfluß
und den Kühlmitteldurchfluß

Anmelder:

The General Electric Company Limited,
London

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg,

München 27, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 1. Oktober 1956

Roy Jackson Smith, Erith, Kent (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

bereich des Kernreaktors im wesentlichen konstant bleiben oder nur geringen Änderungen unterworfen sind.

Die Aufrechterhaltung von konstanter Temperatur über einen Energieniveaubereich bedeutet, daß der Reaktor einem Minimum an Wärmestoßbeanspruchung unterworfen ist und somit maximale Betriebssicherheit gewährleistet wird. Die vorbestimmte Beziehung kann einfach ein konstantes Verhältnis zwischen dem Neutronenfluß und dem Kühlmitteldurchfluß sein. Damit die Temperaturen genauer konstant bleiben, wenn das Energie- oder Leistungsniveau geändert wird, kann aber auch das Verhältnis bei einer Reihe von genau gleichen vorbestimmten Werten und nicht nur bei einem einzigen solchen Wert aufrechterhalten werden.

Obgleich es möglich sein würde, nur einen unabhängigen Steuerkreis, beispielsweise für den Neutronenfluß, zu verwenden und den Kühlmitteldurchfluß davon gemäß der vorbestimmten Beziehung abhängig zu machen, wird vorzugsweise eine Anordnung mit zwei getrennten, als geschlossene Schleifen ausgebildeten, selbsttätigen Regelkreisen für diese beiden Parameter wegen der dadurch erhaltenen besseren Eigenstabilität verwendet. Die Regelvorrichtung zum Aufrechterhalten einer vorbestimmten Beziehung zwischen den beiden Parametern kann dann gekuppelte

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oder Mehrgangpotentiometer aufweisen, wobei ein Potentiometer jedem geschlossenen Schleifenkreis zugeordnet und die Anordnung so getroffen ist, daß jeder Parameter durch den entsprechenden Kreis auf einen Wert eingestellt wird, der durch die Einstellung des diesem zugeordneten Potentiometers bestimmt ist.

Bei der Anwendung eines solchen Kernreaktors in einem Atomkraftwerk kann es erwünscht sein, die automatische Regelung um eine weitere Stufe auszudehnen. So kann die Regeleinrichtung selbst entweder abhängig von dem Dampfdruck in dem Turbinenabschnitt der Turbogeneratoranlage oder in Abhängigkeit von der abgegebenen elektrischen Leistung geregelt werden. In diesem letztgenannten Fall, der besonders erwünscht ist für ein Atomkraftwerk, das Elektrizität für das öffentliche Netz liefert, kann das Kraftwerk der gestellten Anforderung in vollautomatischer Weise entsprechen, wobei die abgegebene Energie des Kernreaktors so eingestellt wird, daß sie der an die Kraftstation gestellten Anforderung innerhalb der durch die Leistungsfähigkeit des Kraftwerks bedingten Grenzen entspricht.

Ein Kernreaktor und ein Atomkraftwerk, das einen solchen Reaktor enthält, werden nun als Beispiel an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1, die in die Fig. la, Ib und 1 c unterteilt ist, ein Schaltbild von Einrichtungen zur Regelung des Kernreaktors,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Erweiterung der Regelanlage zur Verwendung in einem Atomkraftwerk,

Fig. 3 ein Schaltbild eines frequenzempfindlichen Netzwerks und der zugehörigen Einrichtungen zur Verwendung in der erweiterten Regelanlage nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine abgeänderte Ausführungsform des frequenzempfindlichen Netzwerks.

Nach Fig. 1 sind Potentiometer 1 und 2 in Mehrgangbauart über eine Welle 3 gekuppelt, die über Getriebekästen 4 und 5 und einen Leistungsschreiber 6 von einem Dreiphasenmotor 7 betätigt wird. Vorwärts- und Rückwärtssteuerung des Motors wird über einen Kippschalterhebel 8 bewirkt, der so bewegt werden kann, daß er entweder die Arbeitswicklung 9 eines Schaltschützes 10, das den Motor anordnungsgemäß in Vorwärtsrichtung antreibt, oder die Arbeitswicklung 11 eines Schaltschützes 12 erregt, das anordnungsgemäß den Motor in Rückwärtsrichtung antreibt. Der Motor 7 hat eine begrenzte maximale Drehzahl, so daß die maximale Änderung des Leistungsniveaus, die durch ihn in der Minute bewirkt werden kann, auf 5 °/o des vollen Wertes begrenzt ist. Der Leistungsschreiber 6 und der Kippschalterhebel 8 sind in einer bevorzugten Lage in der Nähe der Reaktorbedienungsperson angeordnet, und die Mehrgangpotentiometer 1 und 2, die in dieser Weise betätigt werden, bilden die Regelvorrichtungen zum Aufrechterhalten einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem Neutronenfluß in dem Reaktor und dem Durchfluß des Kühlmittels. Die Art und Weise, in der die Mehrgangpotentiometer 1 und 2 diese Regelung bewirken, wird nun beschrieben.

Die Einstellung des Potentiometers 1 bestimmt den Wert des Neutronenflusses, der in dem Reaktor erw-ünscht ist; d. h., falls der Wert des Neutronenflusses geändert werden soll, ist es erforderlich, dieses Potentiometer über den Dreiphasenmotor 7 auf den erforderlichen Wert einzustellen, wobei das Potentiometer 2 entsprechend durch die Mehrgangwelle 3 geändert wird. Der Neutronenfluß wird dann so eingestellt, daß er der neuen Einstellung des Potentiometers 1 durch einen als geschlossene Schleife ausgebildeten Kreis entspricht, der als selbsttätiger Flußregler bezeichnet wird und allgemein das Bezugszeichen 13 erhalten hat. Ein Verstärker, der sich in dem selbsttätigen Flußregler 13 befindet, liefert eine stabile Spannung für das zugeordnete Potentiometer 1, und ein Erdleitungskontrollrelais 14, das die Schaltschütze für die endgültig abgegebene Leistung im Falle eines Versagens der Versorgung oder eines Kabelbruches öffnet, ist ebenfalls vorhanden. Der Eingang zu dem selbsttätigen Flußregler 13 wird von einer Ionisationskammer 15 abgeleitet, die nahe dem Reaktorkern liegt und den Neutronenfluß mißt. Die Ionisationskammer

15 speist auch ein lineares Leistungsregistriergerät 16

16 über einen Verstärker 17.

Innerhalb des Flußreglers 13 wird der Eingang von der Ionisationskammer 15 mit der Einstellung des den gewünschten Fluß betreffenden Potentiometers 1 verglichen. Das dadurch erhaltene Abweichungssignal wird durch einen Verstärker geschickt, der elektronische Stufen, denen Magnetstufen folgen, und Netzwerke zur Stabilisierung der Phasenvoreilung aufweist. Der Ausgang von dem Fluß regler 13 verläuft zu einem Motor 18, der an einer 400-Hz-Zweiphasenstromquelle arbeitet, die von den Magnetverstärkerstufen abgeleitet ist. Diese Versorgungsquelle ist zweiphasig, und während die Steuerphase 19 von einem Gegentakt-Magnetverstärker genommen wird, wird die Bezugsphase20 von einem in einer Richtung arbeitenden Verstärker genommen, um zu vermeiden, daß ein übermäßiger Strom fließt, wenn sich der Motor im Ruhezustand befindet. Diese Anordnung ist auch insofern vorteilhaft, als sie die genaue Phasendifferenz von 90° zwischen den Phasenwicklungen 19 und 20 aufrechterhält. Als andere Möglichkeit könnte das Abweichungssignal an ein Paar polarisierte Relais angelegt werden, welche die Versorgung des Motors 18 steuern.

Der Motor 18 ist so eingerichtet, daß er einen Induktionsregler, der sich in einem Niederfrequenzgenerator 21 befindet, über eine ausrückbare Kupplung 22 und ein Getriebe 23 antreibt. Andererseits ist auch eine Handregelung vorhanden, wobei ein Handmotor 28, der bei 50' Hz mit drei Phasen in gleicher Weise wie der Motor 18 über ein Getriebe 25 und eine ausrückbare Kupplung 26 arbeitet, um den in 21 enthaltenen Induktionsregler anzutreiben. Ein zweiter Kippschalterhebel 27 ist so angeordnet, daß er über Arbeitswicklungen 28, 29 anderer Schaltschütze 30, 31 in der Versorgungsquelle 32 auf den Motor 24 in analoger Weise wirkt, wie bereits im Falle des Kippschalterhebels 8, der die Potentiometerwelle 3 betätigt, beschrieben ist. Die Wahl des selbsttätigen Betriebes oder des Handbetriebes erfolgt über einen Schalter 33, dessen Aufwärtsbewegung bewirkt, daß die Kupplung 22 des selbsttätigen Kreises in den Kreis für das Erdleitungskontrollrelais 14 und die Schaltschütze für den Motor 18 eingeschlossen wird, während seine Abwärtsbewegung die dem Handbetrieb entsprechende Kupplung 26 einrückt.

Der in 21 enthaltene Induktionsgenerator dient dazu, dieF'requeiiz einer Niederfrequenzerzeugungsschaltung zu ändern, die ihrerseits eine Winde zum Einstellen des Ausmaßes regelt, in dem allgemein mit 34 bezeichnete Regulierstäbe in den Reaktorkern eingesetzt oder aus diesem entfernt werden. Diese Regulierstäbe bestehen aus neutronenabsorbierendem Stoff, und ihre Bewegung ist so eingerichtet, daß sie den Neutronenfluß innerhalb des Reaktors ändern. Sie werden durch zwei wechselweise arbeitende Motoren 18, 24 über die Magnetkupplungen 22, 26 in Bewegung gesetzt.

Es ist ein zweiter und vollständig getrennter, als aktorleistung, die durch die Änderung des Neutronengeschlossene Schleife ausgebildeter Kreis für die Zir- flusses oder des Kühlmitteldurchflusses bewirkt wird, kulation des fluiden Kühlmittels vorhanden, der dem viel langsamer als die Ansprechzeit eines Regelkreises Potentiometer 2 zugeordnet ist. Ein von der Ein- ist. Während die hier beschriebene Schaltung so entstellung des Potentiometers 2 für den gewünschten 5 wickelt ist, daß sie über den Bereich von 25 bis 100% mittleren Kühlmitteldurchfluß abhängiges Signal wird der vollen Reaktorleistung arbeitet, kann die Überan eine Wicklung 35 eines Differentialrelais 36 ge- deckung eines weiteren Bereichs erforderlichenfalls liefert, das auch aus zwei polarisierten Relais bestehen möglich sein.

kann, deren Kontakte in Differentialschaltung ge- Die Mehrgangpotentiometer 1 und 2, welche die geschaltet sind. Ein weiteres Signal, welches den tat- io samte Regelvorrichtung umfassen, sind normalerweise sächlichen Kühlmitteldurchfluß darstellt, wird von linear, so daß die vorbestimmte Beziehung, die zwieinem Schleif draht 37 abgenommen, der als sogenannte sehen dem Neutronenfluß und dem Kühlmitteldurch- »slave«-Einrichtung in einem Registriergerät 38 für fluß aufrechterhalten wird, die einfache Form eines den gesamten Kühlmitteldurchfluß wirkt, das von einer konstanten Verhältnisses zwischen diesen beiden Vorrichtung 39 gespeist wird, die so angeordnet ist, 15 Parametern annimmt. Dieses konstante Verhältnis ist daß sie den Ausgang von Durchfluß messenden Vor- einer Handtrimmung durch einen Trimmregler 44 richtungen 40 summiert, die mit den Kühlmittel- unterworfen, der in dem Kreis zum Regeln des Kühlumwälzern verbunden sind. Dieses Signal von dem mitteldurchflusses enthalten ist. Der Regler 54 wirkt Schleif draht 37 durchläuft eine weitere Wicklung 41 so, daß er den Wert der gewünschten Kühlmitteldes Relais 36, die der Wicklung 35 entspricht. Jeder 20 durchflußeinstellung an dem Potentiometer 2 mit BeUnterschied in den von den Wicklungen 35, 41 er- zug auf das Flußpotentiometer 1 ändert, zeugten Kräften bewirkt, daß sich der Anker 42 des Die Aufrechterhaltung eines festen Neutronenfluß-

Relais 36 bewegt und einen der beiden Kontakte 43, 44 Kühlmitteldurchfluß-Verhältnisses ergibt nur kleine schließt. Diese Kontakte 43, 44 betätigen eines von Temperaturänderungen in den Bohrungen oder einem Paar Relais 45, 46, die normalerweise in dem 25 Kanälen, die den Kühlmittelkreis in dem Reaktorkern Steuerpult der Reaktorbedienungsperson angeordnet bilden, wenn das Energieniveau des Kernreaktors sind. Die Relais 45, 46 betätigen Phasenschieber 47, über den angegebenen Bereich variiert wird. Die Redie miteinander gekuppelt und mit Gittergleichrichtern aktorbedienungsperson ist mit einer einfachen Über-48 verbunden sind, welche die Versorgung zu den wachung der Arbeitsweise der Regelvorrichtung durch Kühlmittelumwälzern 49 steuern und somit die Dreh- ₃₀ das Neutronenfluß - Kühlmittel durchfluß - Registrierzahl regeln. Das eine Relais 45 wirkt so, daß es eine gerät 50 versehen, die natürlich unschätzbar ist, wenn Phasenvoreilung erzielt, während das Relais 46 eine die automatische Regelung durch Handregelung er-Phasenverzögerung herbeiführt. Die Einstellung des setzt wird. Um die Temperaturen in noch genauerer toten Bereichs der Anlage wird durch Überbrückung Weise konstant zu halten, ist es jedoch möglich, die der Relaiswicklung 35, 41 bewirkt. Zusätzlich zu der ₃₅ Anordnung so zu treffen, daß das Verhältnis der beiden gekuppelten selbsttätigen Arbeitsweise der Phasen- Parameter bei einer Serie von genau gleichen vorschieber 47, wie bereits beschrieben wurde, können bestimmten Werten aufrechterhalten wird, die verdiese Phasenschieber als eine Gruppe durch eine Hand- schiedenen Reaktorenergiepegeln entsprechen, und steuerung an dem Pult der Reaktorbedienungsperson nicht nur bei einem einzigen solchen vorbestimmten eingestellt werden, oder sie können individuell von ₄₀ Wert. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch bewirkt Reaktorschalttafelsteuerungen betätigt werden. werden, daß wenigstens eines der Potentiometer 1, 2

Ein Neutronenfluß-Kühlmitteldurchfluß-Registrier- nichtlinear gemacht wird.

gerät 50 ist zur Kontrolle der effektiven Arbeitsweise Die Mehrgangwelle 3 ist verlängert, so daß sie weider Regelvorrichtung vorhanden. Es ist in Form einer tere gekuppelte oder mehrgängige Präzisionspoten-Widerstandsbrücke ausgebildet, deren Eingänge von 45 tiometer 55, 56, 57, 58 antreibt, welche Sicherheits-, einem sogenannten »slave«-Schleifdraht 51 in dem Registrier- und Meldegetriebe betätigen. Das Potenlinearen Leistungsregistriergerät 16 und einem gleich- tiometer 55 ist einem Leistungsabweich-Registrierartigen Draht 52 in dem Kühlmittel-Gesamtdurchfluß- gerät 59 zugeordnet, dem es auch seine Speisung entRegistriergerät 38 abgeleitet sind. Die Skala auf dem nimmt. Der Reaktorfluß wird mit einer Ionisations-Neutronenfluß-Kühlmitteldurchfluß-RegistriergerätSO _so kammer 60, die der Kammer 15 entspricht, gemessen; ist über genaue Volleistungswerte symmetrisch, wobei der Meßwert geht durch einen Vorverstärker 61 und die Einheiten, in denen es geeicht ist, willkürlich sind. wird in dem Leistungsabweich-Registriergerät 59 mit Allgemein mit 53 bezeichnete Kreise sind auch vor- einer mittleren Einstellung des gewünschten Neutronenhanden, um ein Meldeorgan zu betätigen oder danach flusses verglichen, der durch das Signal von dem den Reaktor im Falle eines übermäßigen Neutronen- ₅₅ Mehrgangpotentiometer 55 dargestellt ist. Falls die fluß-Kühlmitteldurchfluß-Verhältnisses auszuschalten. Leistung, wie sie durch den gemessenen Neutronen-Zusammengefaßt sind zwei getrennte, als ge- fluß dargestellt ist, zu weit von der Mitteleinstellung schlosseneSchleife ausgebildeteRegelkreise vorhanden, abweicht, werden anordnungsgemäß allgemein bei 62 einer für die Stabilisierung des Neutronenflusses und dargestellte Meldekreise von Kontakten auf einem Bedaher für die Reaktorleistung, der andere für die Sta- 60 reich betätigt, der beispielsweise ±2% betragen kann, bilisierung des Durchflusses des Kühlmittels. Die die in dem anzeigenden Teil des Registriergerätes 59 beiden selbsttätigen Kreise sind im wesentlichen un- vorgesehen sind. Dieses Registriergerät 59 dient somit abhängig, jedoch in solchem Ausmaß kombiniert, daß als eine Anzeige für die Reaktorbedienungsperson hin-Einstellungen des gewünschten Neutronenflusses und sichtlich der genauen Funktion der gesamten selbstdes Kühlmittels durch die Potentiometer 1 bzw. 2 65 tätigen Regelanlage. Die übrigen drei Potentiometer über die Mehrgangwelle 3 gekuppelt sind, so daß eine 56, 57, 58 stellen die Ausschaltpegeleinstellung der einzige Regelvorrichtung gebildet wird, die schließ- entsprechenden Abschaltverstärker 63,64,65 ein. Diese lieh von dem Kippschalterhebel 8 betätigt wird. Die arbeiten in gleicher Weise wie die Leistungsabweich-Regelung erfolgt mittels Motor, und die maximale Anordnung und werden mit Signalen von Ionisations-Motordrehzahl ist derart, daß die Änderung der Re- 70 kammer-Flußmessern 66, 67, 68 über Verstärker 69,

70, 71 gespeist. Wenn der Unterschied zwischen dem gemessenen Neutronenfluß und der Abschaltniveaueinstellung', die von der Einstellung jedes Potentiometers abgeleitet wird, ausreichend groß ist, wird jedoch in diesem Fall ein akustisches Meldeorgan in Gang gesetzt, und Abschaltkreise setzen anordnungsgemäß den Reaktor still. Ein Abschaltgrenzanzeiger 72 kann über einen Wählschalter 73 mit einem der Abschaltverstärker 63, 64, 65 verbunden sein. Der Zweck der Schaffung von drei solchen Verstärkern besteht darin, zu gewährleisten, daß der Reaktor nicht unnötigerweise stillgesetzt wird. Die Kreise können ^o angeordnet sein, daß die Abschaltung nur bewirkt wird, wenn zwei dieser Verstärker einen zu großen Flußunterschied anzeigen. Somit enthält eine geeignete Anordnung drei Paare Kontakte A₁A₂, B₁B₂, C₁Cp wobei jedes Paar von dem Ausgang eines anderen Verstärkers betätigt wird. Die Kontakte A₁ und B₂, B₁ und C₂, C₁ und A₂ sind in parallelen Paaren verbunden, und diese sind in Reihe über die Melde- und Abschaltkreise geschaltet.

Eine vollständige Handübersteuerung ist für die beiden als geschlossene Schleife ausgebildeten, selbsttätigen Regelkreise für den Neutronenfluß bzw. den Kühlmitteldurchfluß vorgesehen. Im Falle des Neutronenflußkreises wird diese Handübersteuerung durch Bewegung des Schalters 33 in einer Richtung bewirkt, die in dem Schaltbild nach unten verläuft, worauf die Betätigung des Handhebels 27 folgt. Für den Kühlmitteldurchflußkreis gibt die Bewegung eines Schalters 74 in Aufwärtsrichtung eine selbsttätige Regelung, während die Afovärtsbewegung dieses Schalters einen Handhebel 75 in den Kreis bringt, dessen Bewegung eines der Relais 45, 46 betätigt. Zur Einleitung selbsttätiger Regelung durch Aufwärtsbewegung der Schalter 33, 74 muß jedoch die erwünschte Leistungseinstellung an dem Register 6 zuerst innerhalb von 1% der Reaktorleistung liegen. Das lineare Leistungs-Registriergerät 16 muß auf dem genauen Bereich sein und kann erforderlichenfalls eine Ablesung zeigen, die mehr als einem bestimmten Leistungsniveau entspricht, falls es nicht erwünscht ist, auf selbsttätige Regelung unterhalb von beispielsweise' 25% der vollen Leistung zu gehen. Das Leistungsabweich-Registriergerät 59 muß auch in dem genauen Bereich sein. Zusätzliche Sicherheitsmessungen gewährleisten, daß selbsttätige Regelung nicht eingeleitet werden kann, falls nicht die Kraftversorgung zu der selbsttätigen Ausrüstung, einschließlich des Potentiometers 1 zur Einstellung des gewünschten Flusses, in Funktion ist und auch die Sicherheitsregulierstäbe, die nur im Notfall in den Reaktorkern gesenkt werden, vollständig herausgezogen sind.

Eine selbsttätige Regelanordnung wie die oben beschriebene Anordnung hat mehrere Vorteile. Die Regelvorrichtung mit Mehrgangpotentiometer vermindert wesentlich die von der Reaktorbedienungsperson verlangte Geschicklichkeit, da Änderungen des Niveaus der abgegebenen Leistung in einfacher und sicherer Weise bewirkt werden können. Erforderlichenfalls können voreingestellte Verminderungen des Neutronenflusses und des Kühlmitteldurchflusses als andere Möglichkeit vorgenommen werden, um die Abschaltung des Reaktors zu vervollständigen. Der Neutronenfluß-Regelkreis vermeidet eine· unnötige Stillsetzung des Reaktors während der Bedienung »unter Belastung«, wenn eine beträchtliche Änderung der Reaktionsfähigkeit auftreten kann, im besonderen, wenn Brennstoffelemente eingesetzt oder ausgestoßen werden. Falls ein einziger Kühlmittelumwälzer bei Vollast oder Teillast versagt, wird der gesamte Durchfluß des Kühlmittels durch den Kühlmitteldurchfluß-Regelkreis aufrechterhalten, bis die Reaktorbedienungsperson die Leistung auf das entsprechende Niveau vermindert hat. Handdrehzahlregelung jedes Umwälzers ist auch durch eine Bedienungsperson in dem zentralen Steuerraum möglich, so daß Ausgleich für verschiedene Kennwerte einzelner Umwälzer erforderlichenfalls bewirkt werden kann.

ίο Zuvor ist erklärt worden, daß die Erfindung im Zusammenhang mit Atomkraftwerken besondere Bedeutung hat. In einem solchen Kraftwerk wird das fluide Kühlmittel, nachdem es dem Reaktorkern Wärme entzogen hat, anordnungsgemäß an eine oder mehrere Dampferzeugungseinheiten geleitet, wo die von dem fluiden Kühlmittel abgegebene Wärme verwendet wird, um Dampf zwecks Verwertung in einer Turbogeneratoranlage zu erzeugen. Es würde durchaus möglich sein, die in Fig. 1 dargestellte Regelanlage in einem Atomkraftwerk ohne weitere Abänderung zu verwenden, wobei eine Kraftwerkbedienungsperson irgendeine gewünschte Änderung des Leistungsniveaus durch Betätigung des Kippschalterhebels 8 bewirkt, die sich in einem Pult in dem zentralen Steuerraum des Werkes befindet. Jedoch kann eine Erweiterung der Regelanlage zur Verwendung in einem Atomkraftwerk erwünscht sein, so daß die Arbeitsweise des Kraftwerkes weitgehend oder vollständig automatisch ist.

So wird in üblichen mit Kohle gespeisten, dampfgetriebenen Kraftwerken ein Drehzahlregler dem Turbinenabschnitt der Turbogeneratoranlage zugeordnet. Wenn die Turbinendrehzahl abfällt, öffnen die Turbinenregler anordnungsgemäß Einlaßventile, so daß mehr Dampf eintritt, und tragen somit dazu bei, die an das Werk gestellte Anforderung zu erfüllen. Eine solche Anordnung kann in einem Atomkraftwerk verwendet werden, und ein von der entstehenden Dampfdruckänderung erhaltenes Signal kann benutzt werden, um die vorher beschriebene Regelvorrichtung selbsttätig zu steuern. Beispielsweise würde dann mit Bezug auf Fig. 1 der Hebel 8 durch eine Anordnung ersetzt werden, die ermöglicht, daß das Signal den Motor 7 betätigt. Der Druck an einem Niederdruckbehälter kann mit einem gewünschten Druck verglichen werden, und ein Signal, das den Fehler oder die Differenz darstellt, kann in einen Dreiniveaustufenregler eingeführt werden, dessen Ausgang den Motor 7 in einer solchen Richtung antreibt, daß die Abweichung vermindert wird.

Eine andere und in weitergehendem Maße selbsttätige Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. In dieser Anordnung wird die Regelvorrichtung selbst automatisch von einem Signal gesteuert, das von dem elektrischen Ausgang der Turbogeneratoranlage abhängt, so daß die abgegebene Leistung des Reaktors eingestellt wird, um der an das Kraftwerk gestellten Anforderung innerhalb der durch die Leistungsfähigkeit des Werkes bedingten Grenzen zu entsprechen.

So beeinflußt die Frequenz der abgegebenen elektrischen Leistung ein frequenzempfindliches Netzwerk 76, das den Hebel 8 ersetzt, und ein Abweichungssignal wird erzeugt, das die \^rorrichtung 77 regelt, wobei der Neutronenfluß regler 78 und der Kühlmitteldurchflußregler 79 wie vorher regeln und diese ihrerseits den Betriebszustand des Kühlmittels bestimmen, wenn es zu den Dampferzeugungseinheiten 80 strömt. Bei 80 entstandener Dampf strömt dann zu Turbinen 81 und Wechselstromgeneratoren 82, deren Ausgang das frequenzempfindliche Netzwerk 76 beeinflußt, so

daß ein vollständiger Arbeitszyklus hergestellt ist. Ein Abfall der Frequenz der elektrischen Leistung verursacht einen Anstieg des Energieniveaus des Kernreaktors und umgekehrt.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer solchen erweiterten Regelanlage einer Bauart, die mit der in Fig. 1 dargestellten. Regeleinrichtung verwendet werden könnte. Nach Fig. 3 hat ein Transformator 83 eine Primärwicklung, die von der elektrischen Ausgangsleistung 84 der Turbogeneratoranlage gespeist wird. Der Transformator83 hat eine doppelt gewickelte Sekundärwicklung, die ein allgemein mit 85 bezeichnetes frequenzempfindliches Netzwerk speist. Ein Abschnitt 86 der Sekundärwicklung des Transformators 83 hat eine Mittelanzapfung und ist mit Drosseln 87 in Reihe geschaltet, die von einem Kondensator 88 überbrückt sind. Gleichrichter 89 verlaufen von entgegengesetzten Seiten des Kondensators 88 zu weiteren in Reihe geschalteten Kondensatoren 90 mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt 91. Parallel zu den Kondensatoren 90 liegen in Reihenschaltung ein Potentiometer 92, das mit der Welle 3 gekuppelt ist, so daß die Einstellung seines Abgriffpunktes 93 einen eingestellten Reaktorenergiepegel darstellt, und eine weitere Anordnung aus zwei von der Bedienungsperson eingestellten, gekoppelten, veränderbaren Widerständen 94. Der andere Abschnitt 95 des Transformators 83 ist an einem Ende mit dem Mittelabgriff des Abschnitts 86 verbunden, während das andere Ende sowohl zu dem Verbindungspunkt 91 der Kondensatoren 90 als auch zu polarisierten Relais 96,97 verläuft, die in Reihe mit dem Potentiometerabgriff 93 geschaltet sind.

Bei einer bestimmten Frequenz, die dadurch eingestellt werden kann, daß die Einstellung der veränderbaren Widerstände 94 geändert wird, wird die Spannung an dem Verbindungspunkt 91 der Kondensatoren 90 gleich der Spannung an dem Abgriff 93 des Potentiometers 92 sein. Wenn sich die Frequenz des elektrischen Ausganges 84 der Turbogeneratoranlage ändert, wird dieses Gleichgewicht gestört, so· daß ein Abweichungssignal in Form eines elektrischen Stromes erzeugt wird durch die polarisierten Relais 96, 97. Diese Relais 96, 97 betätigen Kontakte 98, 99. Ein Umschalter 100 hat eine Hebeltaste 101, die bei Bewegung in Abwärtsrichtung den Motor 7 unter die Regelung des frequenzempfindlichen Netzwerks 85 durch die Schaltschütze 10,12 setzt, die Arbeitswicklungen 9j 11 haben, die nun anordnungsgemäß durch Schließung der Kontakte 98, 99 erregt werden. Falls die Frequenz des elektrischen Ausgangs 84 zunimmt, wird somit ein Abweichungssignal erzeugt, das das polarisierte Relais 96 veranlaßt, seinen Kontakt 98 zu betätigen. Dies erregt die Arbeitswicklung 11 des Schaltschützes 12, wodurch der Motor 7 in umgekehrter Richtung angetrieben wird, so daß der Leistungspegel auf einen Wert vermindert wird, bei dem der Unterschied in den Spannungen zwischen dem Potentiometerabgriffspunkt 93 und dem Verbindungspunkt 91 der Kondensatoren 90 vernachlässigbar ist. Wenn die Hebeltaste 101 des Umschalters 100 in Aufwärtsrichtung bewegt wird, wird die Regelvorrichtung auf Handbetrieb durch eine Hebeltaste 102 zurückgebracht die dem Hebel 8 in Fig. 1 entspricht.

Es ist bekannt, daß die Frequenz des elektrischen Ausgangs 84 eines Kraftwerks häufigen und schnellen kleinen Änderungen zusätzlich zu den langfristigen Abweichungen unterworfen ist. Es ist nicht erforderlich, daß die Regelanordnung kleineren augenblicklichen Frequenzänderungen entsprechen muß, und tatsächlich können solche Änderungen beträchtliche Abnutzung der Einrichtung hervorrufen. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung würde gegenüber solchen Änderungen zusätzlich zu den verhältnismäßig langfristigen Frequenzänderungen empfindlich sein, für deren Anzeige sie entwickelt ist. Aus diesem Grunde kann es zweckmäßig sein, die Bauart des verwendeten frequenzempfindlichen Netzwerkes abzuändern. Eine mögliche abgeänderte Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt.

Nach Fig. 4 wird der elektrische Ausgang 84 wiederum an die Primärwicklung eines Transformators 103 angeschlossen, der in diesem Falle eine einzige Sekundärwicklung 104 hat, zwischen die zwei parallele Kreise geschaltet sind. Der erste Kreis umfaßt eine parallele abgestimmte Anordnung, die einen Kondensator 105 und eine Induktivität 106 enthält, die in Reihe mit einer Spulet eines Doppelmagnet-Wirbelstrom-Scheibenrelais (nicht dargestellt) geschaltet ist. Der zweite Kreis, der parallel zu der Sekundärwicklung 104 geschaltet ist, besteht aus zwei Potentiometern 107, 108, die durch Ballastwiderstände 109 zu Einstellzwecken parallel geschaltet sind. Das Potentiometer 108 wird von der Bedienungsperson eingestellt, wobei die Einstellung eine besondere Ausgangsleistung bei einer bestimmten festen Frequenz darstellt, z. B. Vollastausgang bei 50 Hz. Das Potentiometer 107 ist mit den anderen Potentiometern auf der Welle 3 in gleicher Weise wie das Potentiometer 92 in Fig. 3 in Mehrgangbauart ausgebildet oder mechanisch gekuppelt, so daß seine Einstellung eine Anzeige des Energieniveaus des Kernreaktors liefert. Wenn der elektrische Ausgang 84 der obenerwähnten festen Frequenz entspricht, wird die Einstellung der Potentiometer 107, 108 identisch sein. Bei einer anderen Frequenz ist die Differenz zwischen den Einstellungen der Potentiometer 107, 108 eine direkte Funktion des Ausmaßes, in dem sich die Frequenz des elektrischen Ausganges von der festen Frequenz unterscheidet.

Eine zweite Wicklung B des Wirbelstrom-Scheibenrelais ist über Impedanzen 110, 111 zwischen die Abgriffpunkte der Potentiometer 107, 108 geschaltet. An weiteren Einzelheiten umfaßt das Relais eine genietete Metallscheibe, die sich zwischen Luftspalten der beiden hufeisenförmigen Elektromagnete bewegen kann, die mit den Wicklungen A bzw. B bewickelt und deren Stirnflächen teilweise schraffiert sind. Unter Gleichgewichtsbedingungen suchen die beiden Magnete die Scheibe in entgegengesetzten Richtungen zu drehen, und ein an der Scheibe angebrachter Kontaktarm läuft in einer zentralen Stellung. Wenn die Erregung einer Wicklung^ oder B vermindert wird, dreht sich der Kontaktarm mit der Scheibe in eine der beiden Endstellungen, wo er anordnungsgemäß Kontakte schließt, welche die Regelvorrichtung betätigen. Somit schließen die Kontakte vorzugsweise die Kreise von Übertragungsrelais, welche dieselben Funktionen ausführen wie die polarisierten Relais 96 und 97 in Fig. 3. Diese Übertragungsrelais sind auch mit Kontakten 112,113 versehen, die parallel zu den Impedanzen 110, 111 geschaltet sind, so daß beim Schließen der Kontakte des Hauptscheibenrelais eine ausreichende Vergrößerung der Hysterese des Relaiseinstellstroines bewirkt wird, um zu gewährleisten, daß die Kontakte geschlossen bleiben, bis eine definitive Änderung der Einstellung der Einheit vorgenommen worden ist. Dies gewährleistet, daß der Hauptrelaiskontaktarm nicht um das eine oder andere seiner Enden in Querrichtung vibriert.

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Die Bewegung der Wirbelstromscheibe des Relais wird mittels einer Zugfeder gesteuert, so daß die Scheibe bei sehr kleinen Abweichungen nicht abweicht oder umläuft. Irgendwelche Schwingungen in der Scheibenbewegung infolge kleiner augenblicklicher Schwankungen der Ausgangsfrequenz können weiterhin dadurch vermindert werden, daß die Anordnung so getroffen wird, daß die Wirbelstromscheibe zwischen den Polen eines hufeisenförmigen Permanentmagnets verläuft. Wiederum dadurch, daß gewährleistet wird, daß sich der Kontaktarm um einen merklichen Betrag drehen muß, bevor er eine extreme Position erreicht und die entsprechenden Kontakte schließt, ist es möglich, mit Sicherheit zu erreichen, daß eine solche Schließung nicht bei kleineren Frequenzänderungen der elektrischen Ausgangsleistung von dem Turbogenerator bewirkt wird.

Claims (23)

Patent a nsprcche: 20

1. Kernreaktor mit einem Kern, in dem Wärme durch Kernspaltung erzeugt wird, wobei der Kern mit Bohrungen oder Kanälen für den Durchfluß von fmidem Kühlmittel versehen ist, um dem Kern Wärme zu entziehen, mit einem als geschlossene Schleife ausgebildeten Regelkreis, um den Neutronenfluß in dem Kern auf einem von einem ersten Bezugssignal bestimmten Wert zu halten, und mit einem als geschlossene Schleife ausgebildeten Regelkreis, um den Kühlmitteldurchfluß auf einer von einem zweiten Bezugssignal abhängigen Stärke zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß gemeinsame Regelvorrichtungen vorgesehen sind, um das erste und zweite Bezugssignal so zu entwickeln, daß sie eine vorherbestimmte Beziehung zueinander haben, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Temperaturen in dem Kern und im besonderen in dem Kühlmittelströmungskreis über einen Leistungsniveaubereich des Kernreaktors im wesentlichen konstant bleiben oder nur geringen Änderungen unterworfen sind.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen Regelvorrichtungen ein Paar gekuppelte Potentiometer aufweisen, von denen je eines jedem als geschlossene Schleife ausgebildeten Regelkreis zugeordnet ist, und daß die Anordnung so getroffen ist, daß der Neutronenfluß und der Kühlmitteldurchfluß jeweils von dem entsprechenden als geschlossene Schleife ausgebildeten Regelkreis in Abhängigkeit von dem Wert eingestellt wird, der durch die Einstellung des diesem Kreis zugeordneten Potentiometers bestimmt ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang von dem geschlossenen Schleifenkreis, der für den Neutronenfluß vorgesehen ist, ein Abweichungssignal ist, das aus dem Vergleich des innerhalb des Reaktorkerns vorhandenen Neutronenflusses mit der Einstellung des zugeordneten Potentiometers abgeleitet ist, und dieses Abweichungssignal anordnungsgemäß die Bewegung von Regulierstäben aus neutronenabsorbierendem Material in den oder aus dem Reaktorkern steuert.

4. Kernreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Kühlmitteldurchfluß vorgesehene geschlossene Schieifenkreis ein Relais oder Relais mit Wicklungen aufweist, die mit Signalen gespeist werden, die von dem tatsächlichen Kühlmitteldurchfluß bzw. der Einstellung des zugeordneten Potentiometers abhängig sind, wobei das oder die Relais so angeordnet sind, daß sie Kontakte betätigen, welche die Drehzahl von Umwälzern für das Kühlmittel regeln.

5. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Handübersteuerung für jeden geschlossenen Schleifenkreis vorgesehen ist.

6. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche gekuppelte oder Mehrgangpotentiometer für die Einstellung von Sicherheits-, Registrier- oder Meldegetrieben vorgesehen sind.

7. Kernreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes Verhältnis zwischen dem Neutronenfluß und dem Kühlmitteldurchfluß die vorbestimmte Beziehung bildet.

8. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrgangpotentiometer linear sind.

9. Kernreaktor nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein Neutronenfluß-Kühlmitteldurchfluß-Registriergerät zur Überwachung der tatsächlichen Arbeitsweise der Regelvorrichtung.

10. Kernreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronenfluß-Kühlmitteldurchfluß-Registriereinrichtung eine Widerstandsbrücke ist, deren Eingänge von »slave«-Schleifdrähten in Registriereinrichtungen entnommen sind, die an den beiden geschlossenen Schleifenkreisen angebracht sind, und daß die Skala des Neutronenfluß-Kühlmitteldurchfluß-Registriergerätes über den genauen Volleistungswert symmetrisch ist.

11. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte konstante Verhältnis einer Handtrimmung unterworfen ist.

12. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von genau gleichen Verhältniswerten zwischen dem Neutronenfluß und dem Kühlmitteldurchfluß die vorbestimmte Beziehung bildet.

13. Kernreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6 und 12, dadurch gekennzeichnet daß wenigstens eines der Mehrgangpotentiometer nichtlinear ist.

14. Kernreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtungen so angeordnet sind, daß sie über einen Motor betätigt werden, dessen maximale Drehzahl so begrenzt ist, daß die Änderungsgeschwindigkeit des Energieniveaus des Kernreaktors begrenzt wird.

15. Atomkraftwerk mit einem Kernreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das fluide Kühlmittel, nachdem es dem Reaktorkern Wärme entzogen hat, anordnungsgemäß zu einer oder mehreren Dampferzeugungseinheiten geleitet wird, wo von dem fluiden Kühlmittel abgegebene Wärme zur Erzeugung von Dampf zwecks Anwendung in einer Turbogeneratoranlage verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtungen selbst automatisch von einem Signal gesteuert werden, das von dem Dampfdruck in dem Turbinenabschnitt der Turbogeneratoranlage abhängt, wobei der genannte Turbinenabschnitt in Abhängigkeit von einem oder mehreren Drehzahlreglern in im wesentlichen üblicher Weise arbeitet.

16. Atomkraftwerk mit einem Kernreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, in dem das fluide Kühlmittel, nachdem es dem Reaktorkern Wärme entzogen hat, anordnungsgemäß zu einer oder mehreren Dampferzeugungseinheiten geleitet wird, wo von dem fluiden Kühlmittel abgegebene Wärme verwendet wird, um Dampf zwecks Ausnutzung in einer Turbogeneratoranlage zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtungen selbst automatisch von einem Signal abhängig von dem elektrischen Ausging der Turbogeneratoranlage derart gesteuert werden, daß die abgegebene Energie des Kernreaktors eingestellt wird, um der an das Kraftwerk gestellten Anforderung innerhalb der durch die Leistungsfähigkeit des Werkes bedingten Grenzen zu entsprechen.

17. Atomkraftwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal ein Abweichungssignal ist, das von einem frequenzempfindlichen Netzwerk entnommen wird, das so eingerichtet ist, daß es in Abhängigkeit von der Frequenz des elektrischen Ausgangs der Turbogeneratoranlage betätigt wird, und daß die Anordnung so getroffen ist, daß ein Abfall der Frequenz des elektrischen Ausgangs eine Erhöhung des Energieniveaus des Kernreaktors verursacht.

18. Atomkraftwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzempfindliche Netzwerk über einen Transformator von dem genannten elektrischen Ausgang gespeist wird und einen abgestimmten oder frequenzdiskriminierenden Kreis, ein Potentiometer, dessen Einstellung von der Regelvorrichtung abhängig ist, um das eingestellte Reaktorenergieniveau darzustellen, und eine weitere Potentiometer- oder veränderbare Widerstandsanordnung aufweist, die von der Bedienungsperson des Werkes eingestellt wird und das Gleichgewicht oder den Nullabweichungssignalzustand des Netzwerkes bestimmt.

19. Atomkraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Abweichungssignal ein elektrischer Strom ist, der zwischen zwei Punkten in dem frequenzempfindlichen Netzwerk fließt und anordnungsgemäß polarisierte Relais zur Einstellung der Regelvorrichtungen in Richtung eines Anstieges oder einer Abnahme des Reaktor en ergieniveaus betätigt.

20. Atomkraftwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Abweichungssignal so wirkt, daß es keine Betätigung der Regelvorrichtungen bei geringfügigen augenblicklichen Änderungen der Frequenz des genannten elektrischen Ausgangs hervorruft, wobei eine solche Arbeitsweise auf verhältnismäßig langfristige Frequenzänderungen beschränkt ist.

21. Atomkraftwerk nach den Ansprüchen 18 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abweichungssignal durch Bewegung des Kontaktarmes eines Doppelmagnet-Wirbelstrom-Scheibenrelais in eine von zwei Endstellungen geliefert wird, wo von dem Kontaktarm geschlossene Kontakte anordnungsgemäß die Regelvorrichtungen betätigen.

22. Atomkraftwerk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstromscheibe des Relais so angeordnet ist, daß sie zwischen den Polen eines Permanentmagnets verläuft.

23. Atomkraftwerk nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Handübersteuerung für die selbsttätige Regelung der Regelvorrichtung vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
M. A. Schultz, »Control of Nuclear Reactors and Power Plants«, New York, 1955, S. 124.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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