DE1114597B - Verfahren und Einrichtung zur Regelung eines Kernreaktors - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 16858 Vmc/21g

ANMELDETAG: 16. MAI 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

5. OKTOBER 1961

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung eines Kernreaktors durch Steuerung seiner Reaktivität mittels Regelorganen in Abhängigkeit von der Neutronendichte, wobei der Multiplikationsfaktor periodisch geändert wird.

Bei gewissen Anwendungsgebieten nuklearer Reaktoren wird optimale Sicherheit und Anpassungsfähigkeit gefordert. Bei stationären Reaktoren, die mit konstanter Leistungsabgabe arbeiten, können im normalen Betrieb Änderungen der Arbeitsbedingungen auf ein Minimum reduziert werden, so daß die Anpassungsfähigkeit hier keine große Rolle spielt. Bei Reaktoren, die häufig abgeschaltet, wieder angefahren und häufigen und schnellen Leistungsänderungen unterworfen werden sollen, wie dies etwa bei Antriebsreaktoren der Fall ist, bekommt das Problem der Anpassungsfähigkeit ausschlaggebende Bedeutung.

Reaktoren werden bekanntlich dadurch gesteuert, daß man eine Kettenreaktion einleitet und sich dem kritischen Zustand nähert; die Leistung wird dann durch Beeinflussung der Reaktivität in der Nähe des kritischen Zustandes auf den gewünschten Wert gebracht. Genauer gesagt versucht man, nach Erreichen des kritischen Zustandes eine gesteuerte positive Reaktivität einzuführen, um die gewünschte Leistung nach einer möglichst kurzen Zeit, die z. B. durch thermodynamische Effekte gegeben sein kann, zu erhalten. Hierfür ist es jedoch nötig, in jedem Augenblick die Reaktivität des Reaktors zu kennen.

Bei einem bekannten Verfahren wird die Reaktivität des Reaktors mit Hilfe einer Analogrechenmaschine berechnet. Man gibt in diese Rechenmaschine die größtmögliche Anzahl von Parametern ein, die in die Bestimmung der Reaktivität eingehen: Temperatureffekte, Xenon-Effekt, Absorber, Lebensdauer und Geschwindigkeit der Neutronen usw. Man stellt jedoch fest, daß das Problem bald unentwirrbar kompliziert wird. Wenn es auch tatsächlich möglich ist, bestimmte Parameter mit bekannten Abhängigkeiten festzulegen (Lebensdauer der Neutronen und die Daten für die verzögerten Neutronen, die keinen Veränderungen unterliegen; Temperatureffekte und Xenon-Effekt), so ist es doch sehr schwer, die Quellenverteilung, die Einflüsse der Steuerstäbe (lokale Flußdepressionen im besonderen und Änderungen des Flußverlaufes im allgemeinen) zu berücksichtigen, und es ist praktisch unmöglich, allen Absorbern, die sich beispielsweise in den Experimentierkanälen befinden, den Veränderungen des Brennstoffes und ganz allgemein allen zufälligen Reaktivitätsänderungen Rechnung zu tragen.

Es ist ebenfalls bekannt, den unterkritischen Zu-

Verfahren und Einrichtung
zur Regelung eines Kernreaktors

Anmelder:
Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 16. Mai 1957 (Nr. 738 697)

Pierre Le Baud, Petit Clamart, Seine,

Jean Lacour, Deuil La Barre, Seine-et-Oise,

und Victor Raievski, Chatenay Malabrie, Seine

(Frankreich),
sind als Erfinder genannt worden

stand eines Reaktors mit Hilfe einer gepulsten Neutronenquelle zu untersuchen; die Genauigkeit, mit der die negative Reaktivität auf diese Weise bestimmt werden kann, nimmt jedoch mit dem Betrag der Reaktivität ab und wird im kritischen Zustand völlig unbestimmt, so daß hier die Anwendung dieser Methode ausgeschlossen ist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Stärke der gepulsten Quelle groß gegenüber den anderen im Reaktor vorhandenen Quellenstärken sein soll; diese Bedingung erschwert wegen der beachtlichen Stärke der remanenten Quellen die Anwendung in einem Reaktor mit einem Moderator, wie schweres Wasser oder Beryllium, der bereits hohen Flüssen unterworfen war.

Es ist ferner bereits bekannt, die Kettenreaktion in

einem Kernreaktor dadurch zu stabilisieren, daß man den Reaktor periodisch hochfährt und dann wieder praktisch vollständig abschaltet. Es ist weiterhin bekannt, die Reaktivität eines Kernreaktors mit kleiner Amplitude sinusförmig zu modulieren, um das kinetische Verhalten des Reaktors zu messen. Diese Meßwerte dienen dann als Basis für die Auslegung der Servoschleifen bzw. Regelanlagen des Reaktors. Dieses Verfahren dient also zur Festlegung der Kennwerte der Regelstrecke, also beispielsweise der Ansprechzeit, Regelschärfe, die konstruktionsmäßig den Gegebenheiten des Reaktors angepaßt werden müssen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Regelung eines Kernreaktors zur Steuerung seiner Reaktivität mittels Regelorganen in Abhängigkeit von der Neu-

109 707/219

tronendichte unter periodischer Änderung des Multiplikationsfaktors soll erfindungsgemäß der Reaktivität des Reaktors in von Messungen der Übertragungsfunktion eines Reaktors an sich bekannter Weise eine sinusförmige Modulation geringer Amplitude überlagert werden, wobei die Amplitude in der Größenordnung von 0,2°/oo und die Frequenz im Bereich von etwa 0,5 bis 2 Hz liegt und die Regelorgane ausschließlich und unmittelbar in Abhängigkeit von der zwischen der Änderung der Neutronendichte und der Änderung des Multiplikationsfaktors gemessenen Phasenverschiebung gesteuert werden.

Der angegebene Frequenzbereich gewährleistet eine maximale Empfindlichkeit der Phasenverschiebung der Neutronendichte bezüglich einer Veränderung der Reaktivität, der Reaktorbetrieb wird ferner nicht instabil, und es ergeben sich sehr kurze Ansprechzeiten.

Dieses Verfahren besitzt den großen Vorteil, daß in die automatische Steuerung des Reaktors sämtliche Reaktivitätsänderungen, ob zufällig oder nicht, direkt eingehen, wobei das Verfahren mittels einer einfachen Einrichtung verwirklicht werden kann, die keine inneren Veränderungen des Reaktors erfordert. Das vorliegende Steuerverfahren erlaubt ein schnelles Wiederanfahren eines Reaktors mit hohem Fluß nach einem plötzlichen Abschalten aus hoher Leistung. Die schnelle Vergrößerung der Reaktivität, die zur Kompensation der Vergiftung durch Spaltprodukte erforderlich ist, wird dabei kontinuierlich und besonders während des Überschreitens des kritischen Zustandes sicher gesteuert. Auf diese Weise ist ein automatisches Anfahren des Reaktors auf hohen Fluß erreichbar, was besonders bei Antriebsreaktoren, beispielsweise für Schiffe, Unterseeboote, wichtig ist.

Das Verfahren ermöglicht außerdem leicht jeden Reaktor wieder anzufahren, dessen kritischer Zustand durch Veränderung eines beliebigen Parameters, beispielsweise der Beschickung mit Brennstoff, unbekannt ist.

Zur Ausübung des vorliegenden Verfahrens dient vorzugsweise eine Einrichtung, die zwei Hauptkanäle besitzt, nämlich einen Kanal I mit einer periodischen, vorzugsweise sinusförmig Veränderlichen, der Analogmodulationskanal genannt werden soll, und einen Kanal II, der Meßkanal genannt sei.

Es genügt nun, kontinuierlich die zeitliche Verzögerung zwischen den Signalen in den beiden Kanälen I und II zu messen, um die Reaktivitätsänderungen des Reaktors verfolgen zu können. Ein von der Verzögerung abhängiges Signal wird in einem Phasenmesser III in Rechteckimpulse gleicher Frequenz wie die periodische Änderung umgewandelt, wobei die Länge der Impulse gleichen Vorzeichens proportional zur Verzögerung ist.

Dieses Signal kann auf verschiedene Weise von dem Phasenmesser III ausgewertet werden. Zunächst ist es möglich, die Verzögerungszeit durch Amplitudenmodulation mit einer Eichhochfrequenz sehr genau zu messen. Weiterhin ist eine Fernanzeige der reellen Phasenverschiebung an einer die Reaktivität direkt anzeigenden Skala möglich, indem man den Phasenmesser III als Nullinstrument verwendet. Die Verzögerung dient dann als Fehlersignal, um einen Phasenschieber im Kanal I gegenläufig zu steuern, der seinerseits die Fernanzeige der Phase bewirkt.

Der Hauptzweck des vorliegenden Verfahrens besteht jedoch in einer Steuerung, indem man in den Modulationskanal eine bestimmte durch einen Phasengeber vorgeschriebene Verzögerung einführt und den Regelmechanismus der automatischen Steuerung des Kernreaktors direkt steuert.

Die Kombination der beiden letzten Anwendungen erlaubt, die Ansprechzeit des Reaktors nach einer Änderung der Reaktivität, die durch die Steuerung bedingt ist, zu kontrollieren.

Das vorliegende Regelverfahren wird nun — ohne Beschränkung der Allgemeinheit — in seiner Anwendung auf ein Beispiel der Verwirklichung der Regelung eines Kernreaktors durch kontrollierte Steuerung der Reaktivität beschrieben.

Fig. 1 stellt ein allgemeines Schema des Ausführungsbeispiels des Regelverfahrens nach der Erfindung dar;

Fig. 2 zeigt ein detailliertes Schema des Phasenmessers III;

Fig. 3 und 4 stellen schematisch verschiedene Verwendungen der Apparatur dar, die im Rahmen dieses Beispiels beschrieben werden;

Fig. 5 ist ein Prinzipschaltbild des Regelverfahrens.

In diesen Figuren sind lediglich die zum Verständnis des Regelverfahrens notwendigen Elemente aufgeführt, wobei die entsprechenden Elemente dieser Figuren gleiche Bezugszeichen tragen. Die verschiedenen Elemente sind ferner nur im Blockschema und nicht im Detail angeführt, da sie in der Technik wohlbekannt sind.

In Fig. 1 sind die zwei Kanäle I (Modulation) und II (Messung) dargestellt.

In dem Kanal I wird der Multiplikationsfaktor des Reaktors 1 durch Oszillation des Absorbers 2 von konstantem, totalem Neutroneneinfangquerschnitt in einem Gebiet des Reaktors, in welchem ein Flußgradient herrscht, (z. B. mechanisch) moduliert; diese Modulation kann auch· durch Veränderung des Einfangquerschnittes in einem konstanten Fluß erreicht werden.

In einem geeigneten Ausführungsbeispiel ist die Modulation des Multiplikationsfaktors, die durch einen Regelmechanismus 3 ausgeführt wird, sinusförmig; ihre Amplitude beträgt etwa O,l°/oo, und die Frequenz liegt zwischen 0,5 und 2 Hz.

Eine elektromechanische Vorrichtung 4 liefert eine Rechteckspannung, die mit der Bewegung des Absorbers 2 synchron verläuft. Diese Spannung durchläuft einen Phasenschieber 5, der es gestattet, die Phasenbeziehungen zwischen der Rechteckspannung und der Bewegung des Absorbers zu ändern (s. Beschreibung von Fig. 4 und 5); die Rechteckspannung wird außerdem in einem Verstärker 6 verstärkt und in der Stufe 7 in Impulse umgeformt, die sich zur Speisung des Phasenmessers III eignen.

Andererseits wird in dem Kanal II die modulierte Neutronendichte durch eine gegen Gammastrahlen kompensierte Ionisationskammer 8 gemessen; sie ist außerhalb des Einflußbereiches des Absorbers 2 befestigt, damit die allgemeine und nicht die lokale Änderung der Neutronendichte gemessen wird, die auf Flußstörung in der Nähe des Absorbers 2 zurückzuführen ist.

Das in der Ionisationskammer 8 entstehende Signal geht durch den Vorverstärker 9, einen Tiefpaßgleichstromverstärker 10, der mit einer automatischen Kompensation 11 für die Gleichstromkomponente des Signals versehen ist. Diese Gleichstromkomponente ist proportional zur Leistung des Reaktors 1; man

kann somit direkt an das Kompensationselement 11 ein Leistungsanzeigeinstrument 12 anschließen.

Die verstärkte sinusförmige Grundfrequenz wird durch einen Nullpunktdurchgangsverstärker 13 in Impulse verwandelt, die den Abstand der Modulationsperiode besitzen.

Die Rechtecksignale der Kanäle I (Modulation) und II (Messung) werden also in Impulse gleicher Frequenz umgeformt; die Phasenverschiebung zwischen den Impulsen dieser beiden Kanäle ist ein Maß für die Reaktivität des Reaktors 1.

In Fig. 2 empfängt die polarisierte Kippschalteinrichtung bzw. der bistabile Multivibrator 14 (im folgenden kurz »Schalteinrichtung« genannt) des Phasenmessers III die Impulse aus den Kanälen I (Modulation) und II (Anzeige) und liefert während seiner Öffnungszeit, die die gesuchte Phasenverschiebung darstellt, eine gewisse Zahl von Impulsen steilen Anstieges, die von einem Meßsender 15 z. B. mit 1000 Hz geliefert werden. Ein Frequenzuntersetzer 16 gestattet für Näherungsmessungen die Phasenverschiebung mit niedrigeren Frequenzen zu vergleichen.

Andererseits betätigt die Kippschalteinrichtung 14 zwei elektronische Relais 17 a und 17 b mit einstellbarer Zeitkonstante und schließt einen der elektronischen Schalter 18 α oder 18 b.

Die Unsicherheit von n/2 in der Phasenverschiebung, die von der Möglichkeit herrührt, zwischen einem Impuls eines Kanals und dem vorhergehenden oder folgenden Impuls des anderen Kanals zu zählen, wird durch die Schalteinrichtung 19 aufgehoben. Diese wird von einem der beiden Relais 17« oder 17 b betätigt, schließt einen der elektronischen Schalter 20 α oder 20 b, der die Impulse in eine der beiden Zählvorrichtungen (bekannten Typs) für Vorlauf 21a oder Nachlauf 21 b leitet.

Ferner betätigt die Schalteinrichtung 19 den Ausgangsumlegeschalter 22 des Phasenmessers sowie einen der beiden Schalter 23 α oder 23 b, der das Signal zur Wiederherstellung der Anfangsbedingungen bestimmt.

Die in dem Phasenmesser III erhaltenen Signale können auf verschiedene Weise ausgewertet werden:

Sie gestatten zunächst die Phasenverschiebung zu bestimmen (Fig. 3). Um das Verhalten der Phasenverschiebung zu erkennen (Vorzeichen und Amplitude), zählt man während jeder untersuchten Spannungsperiode mit Hilfe einer der beiden Zähler Vorlauf 21a oder Nachlauf 21b sowie des Kreises 24 für kontinuierlichen Betrieb die Anzahl der geeichten Hochfrequenzimpulse oder die der untersetzten Frequenz, die von den Elementen 15 und 16 (Fig. 2) geliefert werden.

Die Einstellung der Anfangsbedingungen für jede Periode geschieht automatisch durch die Rückstellvorrichtung 25 sowie durch einen der beiden Schalter 23<2 oder 23 b, die den Rückstellimpuls auswählen.

Ein Frequenzuntersetzer 26 (der mit dem Frequenzuntersetzer 16 identisch sein kann) und der Ein-Aus-Schalter 27 mit Zeitvorwahl ermöglichen mit einem der beiden Zähler 21a oder 21 b sowie mit der Rückstellvorrichtung 25 die Zählung der Impulszahl während einer gewissen Anzahl von Modulationsperioden, die auf dem Untersetzer 26 angegeben wird. Weiterhin veranlaßt die monostabile Kippschalteinrichtung 28 (im folgenden kurz »Univibrator« genannt) die öffnung eines Schalters 29, der die Zählung nach der gleichen Periodenzahl abbricht, und schließlich erfolgt die Rückstellung automatisch. Dies erlaubt, die Phasenverschiebung genau zu bestimmen, wenn die Wiederholungsfrequenz nicht sehr hoch ist. Wenn die Wiederholungsfrequenz (in gewissen Fällen, die die Anwendung der beschriebenen Apparatur verallgemeinen) höher ist, mißt man die Phasenverschiebung auf analoge Weise unter Verwendung des Schalters 30 für »ein« bis »aus« durch Auszählen der Impulse während einer gewissen Zahl von Perioden,

ίο die von dem Untersetzer 26 angegeben werden, darauf bleibt die Apparatur jedoch unempfindlich bis zu einer manuellen Einstellung auf eine andere Position. Andererseits erhält man eine Fernanzeige 31 (Fig. 4) der Reaktivität, indem man eine Umkehrmethode verwendet: Die Phasenverschiebung zwischen den Kanälen I und II wird auf gewöhnliche Weise durch den Phasenmesser über den elektronischen Umlegeschalter 22 (Ausgang des Phasenmessers III und vorläufiges Steuersignal) geliefert und wird auf einen Regelmechanismus 32 gegeben. Dieser Regelkreis 32 wirkt auf den Phasenschieber 5 von Kanal I dergestalt, daß die vom Phasenmesser III gemessene Phasenverschiebung kompensiert wird, und ist mit dem Fernanzeigeinstrument 31 verbunden, dessen Skala direkt in Reaktivitätseinheiten eingeteilt ist.

Schließlich, und daß ist das Prinzip (Fig. 5) der Steuerung eines Kernreaktors gemäß der Erfindung, folgt die Reaktivität des Reaktors 1 einer vorgegebenen Phasenverschiebung, wenn man in den Kanal I (Modulation) eine durch den Programmgeber 33 gelieferte und auf den Phasenschieber 5 einwirkende Phasenverschiebung einschaltet und die Regeleinrichtung 34 der Steuerung direkt durch das Ausgangssignal des Phasenmessers betätigt. Die Änderung der Reaktivität geschieht durch Kopplung des Programms auf den Kanal II. Die Regeleinrichtung 34 wirkt wie 35 auf Steuerstäbe. Man erhält somit gemäß der Erfindung eine durch die Reaktivität angeregte Steuerung.

In einer besonders geeigneten Anwendung der Erfindung (Fig. 1) befehligt man gleichzeitig die Steuerregeleinrichtung 34 und ein Fernanzeigeinstrument 31 für die reelle Phase des Signals, wodurch man die Verzögerung kontrollieren kann, mit der der Reaktor 1 der durch den Programmgeber 33 vorgeschriebenen Phase folgt. Dieses Fernanzeigeinstrument kann übrigens mit einer Registriervorrichtung (nicht dargestellt) eines bekannten Typs verbunden werden.
Weiterhin sind mehrere Sicherheitssysteme vorgesehen, die jede Möglichkeit des Versagens der Apparatur ausschalten. Diese Systeme, die an Hand von Fig. 1 beschrieben werden, wirken so, daß der Speisekreis 36 der Sicherheitssteuereinrichtung 37 abgeschaltet wird. Dieser führt sofort die Sicherheitsstäbe 38 in den Reaktor 1 ein, der dadurch ausgeschaltet wird.

Die erste Sicherheitsvorrichtung 39, die den Ausschalter 40 betätigt, wird im kontinuierlichen Betrieb durch einen der Zähler 21 α oder 21 b ausgelöst, sobald diese eine maximale Zählrate empfangen, die voreingestellt wird und in jedem Falle einer Reaktivität entspricht, die unterhalb der einer kritischen Rate an prompten Neutronen liegt.
Die zweite Sicherheitsvorrichtung 41, die den Ausschalter 42 betätigt, wird auf gleiche Weise durch das Fernanzeigeinstrument 31 ausgelöst.

Schließlich wird die Sicherheitsvorrichtung 43, die an dem Steuerkreis 44 angebracht ist, immer von

einem Strom in der einen oder anderen Richtung gespeist, denn der elektronische Umlegeschalter 22 am Ausgang des Phasenmessers hat keine Mittelstellung. Wenn die ersten beiden Vorrichtungen versagen, wirkt diese Sicherheitsvorrichtung 43 auf den Ausschalter 45, wenn der Strom unterbrochen ist.

Wenn umgekehrt der Umlegeschalter 22 in einer Stellung blockiert ist, was zu einer fortschreitenden Änderung der Reaktivität in einem Sinne führen würde, wird eine der Sicherheitsvorrichtungen 39 oder ausgelöst, wenn die Reaktivität den vorgewählten Grenzwert erreicht.

Somit sind sämtliche Möglichkeiten zur Steuerung, Kontrolle und Sicherheit durch die beschriebene Apparatur gewährleistet.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Regelung eines Kernreaktors durch Steuerung seiner Reaktivität mittels Regelorganen in Abhängigkeit von der Neutronendichte, wobei der Multiplikationsfaktor periodisch geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktivität des Reaktors in von Messungen der Übertragungsfunktion eines Reaktors an sich bekannter Weise eine sinusförmige Modulation geringer Amplitude überlagert wird, wobei die Amplitude in der Größenordnung von 0,2°/oo und die Frequenz im Bereich von etwa 0,5 bis 2 Hz liegt, und daß die Regelorgane ausschließlich und unmittelbar in Abhängigkeit von der zwischen der Änderung der Neutronendichte und der Änderung des Multiplikationsfaktors gemessenen Phasenverschiebung gesteuert werden.

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Vorrichtung zur sinusförmigen Modulation des Multiplikationsfaktors und einem Detektor zur Messung der Neutronendichte, welcher ein entsprechend der Modulation des Multiplikationsfaktors sinusförmig moduliertes Signal liefert, gekennzeichnet durch eine Modulationsvorrichtung, die zu einem festen Zeitpunkt innerhalb jeder Periode einen ersten Impuls liefert, ferner durch eine Schaltung zum Ausfiltern des sinusförmigen Signals aus dem Ausgangssignal des Detektors, weiterhin durch einen Nulldurchgangsdetektor, der einen zweiten Impuls liefert, wenn das ausgefilterte Signal durch Null geht, ferner durch eine Vorrichtung zur Messung des Zeitintervalls zwischen den beiden Impulsen und eine Vorrichtung zur Steuerung der Regelorgane des Reaktors in Abhängigkeit von der Größe des zwischen den beiden Impulsen verstrichenen Zeitintervalls.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Verschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls, die ein Maß für die Reaktivität darstellt, mit einem programmierten Reaktivitätswert verglichen wird, wobei das Vergleichssignal zur Betätigung der Regelorgane des Reaktors dient.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Zählvorrichtung, die die Perioden einer Normalfrequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls auszählt.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Fernanzeige des Zeitintervalls zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 166 668;
»Nucleonics«, Bd. 10, 1952, H. 8, S. 32 bis 36.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 707/219 9.61