DE1210499B - Schaltungsanordnung zur Messung der Periode von Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int: α.:

G21d

Deutsche KL: 21g-21/31

Nummer: 1210499

Aktenzeichen: C 27682 VIII c/21;

Anmeldetag: 10. August 1962

Auslegetag: 10. Februar 1966

Zur Messung der Periode von Kernreaktoren benutzt man im allgemeinen eine abgeglichene Ionisationskammer für Neutronen, die einen Strom für einen logarithmischen Verstärker liefert. Dieser erzeugt eine Ausgangsspannung, welche dem Logarithmus des Stromes proportional ist, mit der ein Differentialverstärker beaufschlagt wird. Dieser erzeugt eine Spannung, die proportional der nach der Zeit differenzierten, von dem logarithmischen Verstärker erzeugten Spannung ist.

In einer Schaltungsanordnung zur Messung der Periode von Kernreaktoren muß der differenzierende Verstärker eine Integration durchführen können, durch welche die Schwankungen des Ausgangssignals verringert werden. Diese Integration führt bei einem vertretbaren Verhältnis Signal-Grundgeräusch zu einer erheblichen Ansprechzeit. Diese schwankt kontinuierlich und völlig automatisch gemäß der tatsächlichen Periode des Reaktors und nach Maßgabe des Neutronenflusses der Neutronenflußwerte. Die Ansprechzeit ist verhältnismäßig groß, wenn die Neutronenleistung klein ist, und relativ klein, wenn die Neutronenleistung groß ist. Die Ansprechzeit ist ferner um so kleiner, je kleiner die Periode selbst ist.

Unabhängig davon, ob man zur Messung des Neutronenflusses die Impulse zählt, welche die einzelnen Neutronen je Sekunde in einem Zählrohr auslösen, oder ob man den Ionisationsstrom mißt, den die Neutronen in einer Ionisationskammer hervorrufen, wirkt sich die Statistik der Ereignisse in der Ionisationskammer beim Auffangen von Neutronen auf die Schwankungen bei schwachem Neutronenstrom ungünstiger aus als bei starkem Strom. Andererseits ist die Integration der Schwankungen bei langer Periode des Reaktors wirksamer als bei kurzer Periode, weil die Entwicklung des Neutronenflusses dann weniger schnell verläuft und infolgedessen weniger gefährlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bisher bekanntgewordenen Schaltungsanordnungen zur Messung der Periode von Kernreaktoren zu vereinfachen und betriebssicherer zu gestalten.

Die Erfindung geht von einer bekannten Schaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung eines Neutronendetektors, eines logarithmischen Verstärkers und eines differenzierenden Verstärkerkreises aus, der aus einem Operationsverstärker, einem dessen Eingang vorgeschalteten Kondensator und aus einem zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dem Operationsverstärkereingang liegenden Ohmschen Widerstand besteht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem Kondensator zwei parallel im Schaltungsanordnung zur Messung der Periode
von Kernreaktoren

Anmelder:
5

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr. Jander

ίο und Dr.-Ing. Manfred Böning, Patentanwälte,
Berlin 33, Hüttenweg 15

Als Erfinder benannt:
Georges Friedling,

Aix-en-Provenge, Bouches-du-Rhöne;
Christian Vaux, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 11. August 1961 (870 736)

Gegentakt geschaltete Dioden vorgeschaltet sind und daß ein den Operationsverstärker ein- und -ausgang überbrückender Integrationskreis vorgesehen ist.

Vorzugsweise besteht der Integrationskreis aus einem zweiten Kondensator mit geringer Kapazität gegenüber derjenigen des ersten Kondensators, dessen eine Seite direkt an den Operationsverstärkereingang geschaltet ist und dessen andere Seite an den den beiden Stromzweigen eines Spannungsteilers, deren dynamische Widerstände verschieden groß sind, gemeinsame Punkt angeschlossen ist, der parallel zwischen den Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen des differenzierenden Verstärkerkreises liegt.

Die neue Schaltungsanordnung weist in allen gefährlichen Situationen des Reaktors (d. h. bei kurzen Perioden, insbesondere bei mittleren und starken Leistungen) eine kleine Ansprechzeit und ein zufriedenstellendes Verhältnis Signal-Grundgeräusch in allen normalen Situationen des Reaktors (d. h. bei langer oder mittellanger Periode) auf. Das bedeutet, daß alle Sicherheitssysteme, die an die Schaltungsanordnung nach der Erfindung angeschlossen sind, im Falle der Gefahr schnell ansprechen können und daß das Signal der Periode trotzdem bei normalen Betriebsbedingungen des Reaktors infolge der Reduktion der Schwankungen verwendbar bleibt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung, werden aus dem nun folgenden Beschreibungsteil

609 507/275·

hervorgehen, in welchem auf die Zeichnung Bezug genommen ist. In der Zeichnung ist -

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung und

F i g. 2 das Schaltbild für die Schaltungsanordnung. In F i g. 1 ist mit 1 eine Ionisationskammer bezeichnet. Sie ist mit einem Verstärker 2 verbunden, an den sie einen Strom liefert. Die Ausgangsspannung dieses Verstärkers ist proportional dem Logarithmus dieses Stromes und kann z. B. zwischen 0 und ν Volt schwanken. Die Spannung beträgt etwa 10 oder einige 10 Volt, wenn der Eingangsstrom beispielsweise zwischen 10~^ls und 10~⁵ Amp. variiert wird. Mit dieser Spannung wird der Eingang α eines differenzierenden Verstärkerkreises 3 beaufschlagt. Dieser erzeugt an seinem Ausgang b eine Spannung, die proportional zu der nach der Zeit abgeleiteten, von dem logarithmischen Verstärker gelieferten Spannung ist. Der Verstärkerkreis3, der in der Fig. 2 dargestellt ist, weist einen Operationsverstärker 4, einen Kondensator, einen Widerstand 6 und einen Integrator auf, welcher die Schwankungen glättet. Der Verstärker 4 besitzt einen relativ hohen Verstärkungsfaktor, z. B. 30000, und eine Phasenverschiebung von π zwischen seinem Eingang c und seinem Ausgang b. Die eigentliehen Differentiationselemente 5 und 6 bestehen aus einem Kondensator und einem Widerstand. Der Integrator ist in zweifacher Weise, d. h. durch zwei Integrationskreise, realisiert. Einerseits besteht er aus zwei Halbleiterdioden 7 und 8, die parallel gegeneinander und in Serie mit dem Kondensator 5 geschaltet sind. Sie bilden mit diesem Kondensator einen ersten Integrationskreis. Die Integration ist einzig und allein eine Funktion der Periode des Kernreaktors. Der dynamische Widerstand der Dioden wird um so viel schwächer, wie der sie durchquerende Strom größer wird. Er ist also um so viel kleiner, wie die Spannungsänderungen am Punkt« schnell sind. Andererseits weist der Integrator einen Kondensator 9 auf, dessen Kapazität relativ zu derjenigen des Kondensators 5 klein ist, sowie einen Widerstand 6; beide Glieder zusammen bilden den zweiten Integrationskreis. Der Widerstand 6 ist mit den. Punkten b und c des Ausgangs und des Eingangs des Verstärkers 4 verbunden. Ferner sind mit dem Punkt c der Kondensator S und die eine Seite des Kondensators 9 verbunden, dessen andere Seite an einen Punkt d angeschlossen ist, der zu einem Spannungsteiler gehört. Dieser wird einerseits durch einen Widerstand 10, dessen anderes Ende mit dem Punkte verbunden ist, und andererseits durch zwei Zenerdioden gebildet, die in Reihe und gegeneinandergeschaltet sind. Das Spannungsverhältnis des Spannungsteilers schwankt gemäß der Potentialdifferenz zwischen den Punkten α und b. Wenn also die Spannung im Punkt α gegenüber der Spannung im Punkt b sehr negativ wird, leitet die Diode 11, und die Diode 12 beginnt gemäß dem Zenergesetz anzusprechen. Der dynamische Widerstand der Dioden 11 und 12 wird viel kleiner als der Widerstand 10, und die Potentialänderungen im Punkt d nähern sich den Potentialänderungen im Punkt a. Die Kapazität des Kondensators 9 kann gegenüber derjenigen des Kondensators 5 vernachlässigt werden. Der Strom des Kondensators 9 in den Widerstand 6 ist vernachlässigbar klein gegenüber dem Strom des Kondensators 5, so daß der mittlere Wert des Signals der Periode, welches man am Punkt b empfängt, etwa gleich demjenigen Wert ist, den man erhalten würde, wenn der Kondensator 9 nicht vorhanden wäre. Wenn andererseits die Spannung im Punkt α gegenüber der Spannung im Punkt b nur wenig negativ ist, leitet zwar die Diode 11, aber die Diode 12 stellt einen großen dynamischen Widerstand dar. Der dynamische Widerstand der aus den Dioden 11 und 12 bestehenden Anordnung wird also viel größer als der Widerstand 10, und die Potentialänderungen im Punkt d liegen in der Nähe der Potentialänderungen im Punkt b. Was nun die Schwankungen betrifft, so ist der Punkt d vom Punkt α getrennt, wo übrigens die Schwankungen gering sind, und man hat einen Leitungsast, bestehend aus dem Widerstand 10 und dem Kondensator 9, der den Schwankungen entgegenwirkt. Die-Diode 11 ermöglicht es, die Gegenwirkung auf den Fall auszudehnen, bei dem die Spannung im Punkt α gegenüber derjenigen im Punkt b positiv ist. Wählt man aber als Diode 11 eine Zenerdiode und nicht eine gewöhnliche Diode, so erhält man ebenfalls eine sehr schwache Gegenwirkung, wenn die Spannung im Punkt α gegenüber derjenigen im Punkt & sehr positiv ist. Man sieht also, daß die Gegenwirkung durch den Kondensator 9 automatisch gemäß dem Signal und der Amplitude der Spannung zwischen den Punkten α und b schwankt. Wenn die Leistung des Reaktors ansteigt, wird die Spannung im Punkt α mehr und mehr negativ, die Spannung bei b wird positiv, und ihr Wert wird um so viel größer, als die Leistung des Reaktors sich schnell entwickelt. Das bedeutet:

Bei kurzen Perioden wird die Gegenreaktion durch den Kondensator schwach (die Ansprechzeit ist 'also bei kleinen Leistungen kurz). Bei mittleren Perioden ist die Ansprechzeit für mittlere Leistungen kurz. Bei langen Perioden ist die Ansprechzeit nur für große Leistungen kurz.

Die Werte der Elemente sind so gewählt (was jedoch nicht notwendig ist), daß bei kleiner Gegenwirkung durch den Kondensator 9 die erhaltene Gesamtintegration annäherungsweise durch die Elemente 5, 7 und 8 bestimmt wird. Ist andererseits die Gegenwirkung sehr ausgeprägt, so wird die Integration annäherungsweise durch die Elemente 6 und 9 bestimmt. Im ersten Falle -ist die Ansprechzeit von der Größenordnung einiger Zehntelsekunden, im zweiten Fall beträgt sie etwa mehrere Sekunden. Die Widerstände 10 und die Dioden 11 und 12 sind so ausgelegt, daß die Verhältniszahl aus der Summe der dynamischen Widerstände der Dioden und dem Widerstand 10 sehr weit unterhalb des Widerstands des differenzierenden Verstärkerkreises (z. B. unterhalb 1%) liegt für eine hohe Spannung zwischen α und b (z. B. —15 Volt, wobei α gegenüber b negativ ist). Der Widerstand 10 beträgt etwa 30 bis 60 kO, der Kondensator 5 hat eine Kapazität von 0,1 μ¥ und der Kondensator 9 von etwa 0,01 μ¥, der Widerstände beträgt 400ΜΩ. Mit diesen Werten erhält man eine Ansprechzeit, die zwischen 10 und 0,2 Sekunden schwankt, und eine Schwankungsamplitude, die 20_°/₀ der Spannung am Ende der Skala nicht übersteigt. Ähnliche Werte erhält man, wenn man die Dioden 7, 8 durch einen ohmschen Widerstand ersetzt oder die Zenerdiode 11 nicht mit dem Punkt a, sondern mit e verbindet, der zwischen dem Kondensator 5 und den Dioden 7 und 8 liegt, oder wenn man beide Maßnahmen zugleich trifft. Man kann auch zwischen die Zenerdioden 11 und 12 einen ohmschen Widerstand schalten, so daß man die Gegenwirkung oberhalb eines Minimalwertes hält, welcher durch den zusätzlichen Widerstand und den Widerstand 10 bestimmt

ist. Diese letzte Abwandlung ermöglicht es, das Brummen und andere eventuelle Störsignale, die in dem Verstärker, 4 induziert werden, hinreichend zu unterdrücken, so daß sie sich nicht störend auf den Ausgang b auswirken.

Der Kreis ist ziemlich anpassungsfähig, da man nicht eine Variation der Ansprechzeit nach einem präzisen Gesetz sucht, sondern allein eine Verminderung der Ansprechzeit, wenn die Leistung wächst und die Periode des Reaktors sich vermindert.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung der Periode von Kernreaktoren, bestehend aus einer Reihenschaltung eines Neutronendetektors, eines logarithmischen Verstärkers und eines differenzierenden Verstärkerkreises, der aus einem Operationsverstärker, einem dessen Eingang vorgeschalteten Kondensator und aus einem zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dem Operationsverstärkereingang liegenden ohmschen Widerstand besteht, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator zwei parallel im Gegentakt geschaltete Dioden vorgeschaltet sind und daß ein den Operationsverstärkerein- und -ausgang überbrückender Integrationskreis vorgesehen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrationskreis aus einem zweiten Kondensator (9) mit geringer Kapazität gegenüber derjenigen des ersten Kondensators (5) besteht, dessen eine Seite direkt an den Operationsverstärkereingang geschaltet ist und dessen andere Seite an den den beiden Stromzweigen (11, 12 und 10) eines Spannungsteilers, deren dynamische Widerstände verschieden groß sind, gemeinsamen Punkt (d) angeschlossen ist, der parallel zwischen den Eingangsklemmen (0) und den Ausgangsklemmen (b) des differenzierenden Verstärkerkreises (3) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Stromzweig des Spannungsteilers einen zweiten Widerstand (10) aufweist, der am Ausgang Q>) des Operationsverstärkers (3) liegt, und der andere Stromzweig zwei gegeneinandergeschaltete Zenerdioden (11,12) enthält, die am Eingang (a) des differenzierenden Verstärkers (3) hegen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältniszahl aus der Summe der dynamischen Widerstände der Zenerdioden (11, 12) zu dem Wert des zweiten Widerstandes (10) klein ist für eine negative Ausgangsspannung des logarithmischen Verstärkers (2) in der Nähe des zulässigen Maximalwertes für diese Spannung.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältniszahl unter 10 % des Gesamtwiderstandes des differenzierenden Verstärkerkreises liegt.

6. Abänderung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Stelle der beiden vorgeschalteten Dioden ein hochohmiger Widerstand von beispielsweise mehreren 100 Megohm gesetzt ist und/oder daß der Eingang des Spannungsteilers nicht an dem Eingang des differenzierenden Verstärkerkreises, sondern an einem Punkt zwischen den vorgeschalteten Dioden (7,8) und dem dem Operationsverstärker vorgeschalteten Kondensator hegt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Zenerdioden (11,12) des Spannungsteilers ein ohmscher Widerstand gelegt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Die Atomwirtschaft, VI. Jahrgang, 1961, H. 11,

S. 550 bis 554;
Philip's Technische Rundschau, 21. Jahrgang,

1959/60, Nr. 4/5, S. 130 bsi 140.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 507/275 2.66 © Bundesdruckerei Berlin