DE1213934B - Verfahren und Einrichtung zur Messung des UEberschusses an Reaktivitaet bei einem Reaktor im unterkritischen Bereich - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21d

Deutsche Kl.: . 21g-21/31

Nummer: - 1213 934

Aktenzeichen: C 27290 VIII c/21 g

Anmeldetag: 20. Juni 1962 .

Auslegetagt _: 7. April 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Überschusses an Reaktivität bei einem Reaktor im unterkritischen Bereich, bei dem man im Innern des Reaktors eine Neutronenquelle vorsieht und deren Intensität mittels eines Detektors mißt, der die von dieser Quelle ausgesandten Neutronen nachweist, nachdem sie den Reaktor durchlaufen haben, so daß der Detektor eine der Intensität der Neutronenquelle proportionale Spannung liefert, die eine Funktion des Überschusses an Reaktivität ist, und daß man die gewonnene Meßspannung mit einer Bezugsspannung vergleicht, wobei der elektronische Vergleichskreis .ein Signal liefert, wenn die Meßspannung größer als die Bezugsspannung ist.

Die Intensität einer Neutronenquelle nimmt im Laufe der Zeit bekanntlich star.k ab. Um trotzdem den Überschuß an Reaktivität bei einem Reaktor im unterkritischen Bereich einwandfrei messen zu können, ist es bekannt, die sich verringernde Intensität der im Reaktor vorgesehenem Neutronenquelle durch Aufbau einer induzierten Radioaktivität zu kompensieren. Eine derartige Lösung ist jedoch mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es der sich verringernden Intensität der Neutronenquelle auf wesentlich einfachere Weise Rechnung trägt.

- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Bezugsspannung zunächst auf einen Wert einstellt, der der vom Detektor bei einem bestimmten Überschuß an Reaktivität gelieferten Meßspannung entspricht, und daß man die Bezugsspannung mit fortschreitender Zeit mittels einer in Zeiteinheiten geeichten Potentiometereinrichtung entsprechend dem gleichen exponentiellen Gesetz verringert, nach dem die Intensität der Neutronenquelle abnimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus. Es ist sowohl bei Reaktoren mit thermischen Neutronen als auch bei Reaktoren mit schnellen Neutronen anwendbar. Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung kann dabei in vorteilhafter Weise als rasch wirkende Sicherheitseinrichtung des Reaktors dienen.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung zweier zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneter Vorrichtungen hervor.

Fig. 1 und 2 zeigen je ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Potentiometereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren und Einrichtung zur Messung des
Überschusses an Reaktivität bei einem Reaktor
im unterkritischen Bereich

Anmelder:

Commissariat ä PEnergie Atomique, Paris

Vertreter: -,. -;

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Philippe Flachs, Bagneux-sur-Seine, Seine;
Georges Lapicque, Chatenay Malabry, Seine;
Georges Nicolo, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 22. Juni 1961 (865 688)

Es ist zunächst daran zu erinnern, daß bei der Anordnung einer Neutronenquelle der Intensität S im Innern des Reaktors beim unterkritischen Betrieb und bei der Messung des Neutronenstromes Φ an einer Stelle des Reaktors dieser Strom mit dem Wert ρ der gesamten Antireaktivität des Reaktors durch die Gleichung verknüpft ist:

KS

Hierbei ist eine gleichmäßige Verteilung des Neutronenflusses im Reaktorraum angenommen.

Dieser Fluß läßt sich mittels eines Neutronendetektors messen, der einen dem Fluß proportionalen Prozentsatz N zählt.

N=K'-

Die Antireaktivität ρ des Reaktors ist gleich der Antireaktivität Q₁ von allen Elementen, die den Reaktor unterkritisch machen'(Sicherheits-, Kontrollstangen usw.) vermindert um den Überschuß ρ₂ der Reaktivität des aktiven Teils. Wenn man für einen bestimmten Zustand der Elemente den Überschuß an Reaktivität des aktiven Teils kennen will oder sich vergewissern will, daß dieser Überschuß einen

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Maximalwert g_zmax nicht überschreitet, ist es erfor- Schalters 3 ist mit dem einen Ende einer Gesamtheit

derlich, daß der gezählte Prozentsatz?^ unter einem von einunddreißig Widerständen Jl, Jl, /3 .../31

Maximalwert verbunden, die in gleicher Weise, wie vorstehend be-

S schrieben, mit einem Schalter 5 von einunddreißig

Nmax — K ' 5 Positionen verbunden ist, von denen jede einem Tag

j· _t ^{8i Q}*^max des Monats entspricht. Wenn die Summe der Wider-

·.·.... stände / erheblich größer als die der Widerstände M

Man sieht, daß der maximale gezählte Prozentsatz ist, bleiben die- vom Schalter 3 gelieferten Potentiale

mit der Zeit veränderlich ist, auf Grund der Tat- unverändert, und die zwischen der mit dem Schleifer

sache der exponentiellen Abnahme der Intensität 5 io des Schalters S verbundene Klemme 6 und der Masse

der Neutronenquelle. Es ist also erforderlich, dieser auftretende Spannung ist proportional der Summe

Abnahme Rechnung zu tragen, wenn man bei einem der Widerstände, die sich zwischen dieser Klemme

gegebenen Augenblick den gezählten Prozentsatz und der Masse befinden. Aus denselben Gründen,

mit dem in diesem Augenblick maximalen zulässigen wie sie-oben-dargelegt wurden, muß das Verhältnis

vergleichen will. 15 zwischen einerseits den in Reihe liegenden und zwi-

Nach-dem erfindungsgemäßen Verfahren baut man sehen einer beliebigen Klemme und der Masse (ent-

zu diesem Zweck eine Bezugsspannung auf, die in sprechend den /*'_letzten Tagen des Monats) liegen-

Abhängigkeit von der Zeit abnimmt und von Hand den Widerständen und anderseits den zwischen der

gemäß dem gleichen exponentiellen Gesetz, das für Klemme des vorangehenden Tages und der Masse

die radioaktive Strahlungsquelle gilt·, entsprechend 20 (entsprechend V+1 letzten Tagen des Monats) lie*

einer Zeitskala eingestellt werden kann. Wenn man genden Widerständen konstant und gleich

mit T die Halbwertszeit der Strahlungsquelle be- 1 ·

zeichnet, muß die Spannung von der Form ; "J. ' _e~W

£. g- τ ; ' «5 sein, wobei T die Halbwertszeit der Strahlungsquelle,

• · ausgedrückt in Tagen, ist. Man erkennt, daß, falls

sein. Da man die Strahlungsquelle im allgemeinen man an den Schaltern 3 und 5 den η-ten Monat des mit einer ziemlich langen Halbwertszeit wählt, ist es Jahres bzw. den p-ten Tag des Monats einstellt, die bequem und zugleich ausreichend, eine kalender- zwischen der Klemmet» und der Masse auftretende artige Zeiteiohung zu wählen, welche es gestattet, 3° Spannung die Größe · ■

direkt die-Zeit mittels der Angabe des Tages und ■■·.... +30/1)

des Monats des Jahres anzugeben (n-ter Monat, ... *.*.*" r>"'

Jfc-terTäg).'·:".■■ ; ' ' , . . ■ . - - '■'_

Man sieht in Fig. 1 das Schema der Vorrichtung besitzt, wenn man die Halbwertszeit 7" der radio·* für eine Ausführung des Verfahrens der Erfindung 35 aktiven Strahlungsquelle in Tagen ausdrückt,
gemäß einer ersten Ausführungsform. Die äufzu- ·" Der Ausdruck zwischen den Klammern stellt die bauende Spannung erhalt man ausgehend von einer Gesamtzahl der vom Anfang anwählenden Tage dar, Gleichspannungsquelle 1. Ein Teil derselben, welche d..h, die veränderliche Zeit. Die gemäß der Formel mittels eines Potentiometers 2 regelbar ist, wird an die ■

Außenanschlüsse einer Gesamtheit von zwölf in Reihe 40 ■> . .. ·' _JL

geschalteten Widerständen Ml, Ml, M3...M12 "- . k-e-^T'

gelegt, deren Verschiedene Klemmen mit den zwölf . · ·

Anschlüssen eines Schalters 3 verbunden sind, der auf diese Weise aufgebaute Spannung; Welche an den' zwölf Stellungen einnehmen kann, von denen jede Klemmen des Widerstandes 7 auftritt, wird auf einen einSm Monat des Jahres entspricht. Die auf einander- 45 Komparator 8 geleitet, der anderseits die von der folgende Zuordnung;,:der Monate zu einem jeden c Meßkette 9 für den Neutronenstrom gelieferte Span-Anschluß des Schalters wird in der durch den Pfeil nung aufnimmt. ■ " angegebenen Reihenfolge durchgeführt, die einer .- Die Aufgabe des Komparator^ ist es, ein Signal 10 Abnahme des Potentials zwischen der mit dem zu liefern, wenn die von der Meßkette gelieferte Schleifer des Schalters verbundenen Klemme 4 und 50 Spannung größer als die Bezugsspannung ist. Dieses der Masse entspricht. Die Änderung dieses Poten- Signal kann beispielsweise ein Alarmsignal sein öder tials gemäß dem vorher angegebenen exponentiellen ein Verriegelungssystem steuern, welches eine AnGesetz ist an die Wahl der Werte der verschiedenen hebung der Stangen verhindert.
Widerstände Ml, Ml, M3 .. .M12 gebunden. Diese Das Funktionieren der Vorrichtung gemäß der Widerstände werden von Ort'zu Ort, ausgehend von 55 Erfindung', wie sie oben beschrieben wurde, setzt dem Widerstand M12, bestimmt. Das Verhältnis * eine vorangehende Regelung bei der Einbringung der zwischen einerseits den Widerständen, die sich zwi- radioaktiven Strahlungsquelle voraus. Für die Regeschen einer beliebigen Klemme und der Masse (ent- lung wähltman eine Konfiguration des aktiven Teils, sprechend den r letzten Monaten des Jahres) be- die einem Überschuß an Reaktivität entspricht, der finden, und anderseits den Widerständen, die zwi- 60 gleich ■ dem festgelegten Maximalwert ist. Die den sehen der Klemme des vorangehenden Monats und -Reaktor unierkritis'ch machenden Elemente sind def Masse (entsprechend den r+1 letzten Monate* dann in einer bestimmten Position: Maü'setzt mittels des Jahfes) liegen, muß konstant uiid gleich * ■ der beiden Schalter das Datum fest und verschiebt -·. ■ _x ■ . . den Schleifer des Potentiometers2, bis die beiden¹

- ■-·. ■—■■-■- ---γ ' ■ ·■.-"" 65 dem Kompensator zugeleiteten Spannungen gleich

sein, wobei T die Halbwertszeit der.Strahlungsquelle,: ; Es "genügt dann für jede Benutzung der Vorrich'-' ausgedrückt in Monaten ist.. Die Klemme 4 des tung, das Datum mittels :der~;beiden Schalter ein-

zustellen. Für ein und dieselbe Stellung der den Reaktor unterkritisch machenden Elemente liefert der Komparator ein Signal, wenn der Überschuß an Reaktivität größer als der maximal festgelegte Wert ist.

Die Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung ist offensichtlich nicht auf eine bestimmte Stellung der Elemente beschränkt, die den Reaktor unterkritisch machen. Man hat gesehen, daß der gezählte Prozentsatz unter einem Wert

K¹S

Ql — Qzmax

liegen muß, wobei ^₁ die Antireaktivität der Elemente ist, die den Reaktor unterkritisch machen, und zwar bei einer bestimmten Regelung desselben, und wobei U2max der maximal zulässige Wert des Überschusses der Reaktivität des aktiven Teils des Reaktors ist. Wenn man mit ρ' die Antireaktivität für eine andere Stellung der Elemente des Reaktors bezeichnet, laßt sich die Ungleichung

N<

in der Form schreiben:

K¹S

Ql —Qzmax

Man teilt dann das Potentiometer 2 in Abhängigkeit von den Werten für λ in Grade ein, die den verschiedenen Stellungen der Elemente entsprechen. Man sieht, daß es folglich möglich ist, eine Vorrichtung nach der Erfindung im Verlauf der verschiedenen aufeinanderfolgenden Arbeitsgänge zu verwenden, die es gestatten, dem kritischen Zustand des kalten Reaktors näher zu kommen, wobei man auf diese Weise während der verschiedenen Eingriffe weiß, ob der Überschuß an Reaktivität im aktiven Teil unterhalb dem maximal zulässigen Wert liegt.

Man kann die Verwendung der Vorrichtung nach der Erfindung auf den Fall eines heißen Reaktors ausdehnen, d. h. auf einen Reaktor, der seit der Ingangsetzung eine längere Zeit in Betrieb ist, wenn es möglich ist, die Antireaktivität zu beziffern, welche durch die verschiedenen Effekte hervorgerufen ist, die sich aus der Arbeitsweise des Reaktors ergeben. Der im aktiven Teil zulässige Überschuß an Reaktivität muß dann um die aus den verschiedenen Effekten resultierende Antireaktivität verringert werden. Es genügt dann, entsprechende Korrekturen am angegebenen Maximalwert und an den Differenzwerten von λ durchzuführen.

Man erkennt in Fig. 2 eine. Abwandlung der Vorrichtung nach der Erfindung. Diese Abwandlung betrifft die zwischen den beiden strichpunktierten Linien der F i g. 1 befindlichen Teile.

Der Gesamtheit von zwölf Widerständen sind zwei gekoppelte Schalter 11 und 12 mit zwölf Stellungen zugeordnet, die es gestatten, zwischen ihren mit den Schleifern verbundenen Kontakten 13 und 14 nacheinander die an den Klemmen eines jeden der zwölf Widerstände Ml, Ml, M3 .. . M12 auftretenden Spannungen abzunehmen. Ein Schalter 15 mit einunddreißig Stellungen, von denen eine jede einem Tag des Monats entspricht, ist einer Gesamtheit von einunddreißig gleichen und in Reihe geschalteten Widerständen J'l, /'2, /'3 ... /'31 zugeordnet, die zwischen den Klemmen 13 und 14 angeordnet sind. Der Schalter 15 gestattet es, zwischen.der Klemme 16 und der Masse für jede Stellung der gekuppelten Schalter 11 und 12 eine Spannung abzunehmen, die linear von dem Wert des Potentials an der Klemme auf den Wert des Potentials an der Klemme 14 abnimmt.

ίο Die Summe der einunddreißig in Reihe geschalteten Widerstände muß offensichtlich erheblich größer als der größte der zwölf Widerstände sein.

Man sieht, daß das elektrische System eine Bezugsspannung liefert, die gemäß einer gebrochenen Linie abnimmt, die "zwölf .Punkte miteinander verbindet, welche auf einer Exponentialkurve, abgeordnet sind,

wobei die Abszisse regelmäßig anwächst und also dieser Kurve sehr benachbart ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung, wie sie oben beschrieben und dargestellt wurde, ist durch die Einfachheit der Ausführung bemerkenswert sowie durch die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Verwendungen.
Die Alarmspannung, die die Vorrichtung liefert,

as gestattet es, jedes Manöver anzuhalten, welches geeignet ist, dem kritischen Stadium, näher .zu, kommen, wenn der Überschuß an Reaktivität den maximal zulässigen Wert erreicht hat. Die Vorrichtung besitzt darüber hinaus große didaktische Vorteile, da sie

3ö-zugleich den Benutzer über den Wert dieses für den Gang des Reaktors wesentlichen Parameters unterrichtet. ' ' ■"■ :

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des Überschusses an Reaktivität bei einem Reaktor im unterkritischen Bereich, bei dem man im Innern des Reaktors eine Neutronenquelle vorsieht und deren Intensität mittels eines Detektors mißt, der die von dieser Quelle ausgesandten Neutronen nachweist, nachdem sie den Reaktor durchlaufen haben, so daß der Detektor eine der Intensität der Neutronenquelle proportionale Spannung liefert, die eine Funktion des Überschusses an Reaktivität ist, und daß man die gewonnene Meßspannung mit einer Bezugsspannung vergleicht, wobei der elektronische Vergleichskreis ein Signal liefert, wenn die Meßspannung größer als die Bezugsspannung ist, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bezugsspannung zunächst auf einen Wert einstellt, der der vom Detektor bei einem bestimmten Überschuß an Reaktivität gelieferten Meßspannung entspricht, und daß man die Bezugsspannung mit fortschreitender Zeit mittels einer in Zeiteinheiten geeichten Potentiometereinrichtung entsprechend dem gleichen exponentiellen Gesetz verringert, nach dem die Intensität der Neutronenquelle abnimmt.

2. Potentiometereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichspannungsquelle (1) an die beiden Enden eines aus einer Reihenschaltung von zwölf Widerständen (Ml.. .M12) bestehenden Spannungsteilers angeschlossen ist, dessen Widerstände so bemessen sind, daß die

Verhältniszahl, gebildet aus dem Widerstandswert der Widerstände, die den r letzten Monaten des Jahres entsprechen, und dem Widerstandswert der Widerstände, die den (r+1) letzten Monaten, des Jahres entsprechen, konstant gleich

ist, wobei T die Halbwertszeit der Neutronenquelle.in. Monaten ist, daß. diesem ersten Spannungsteiler ein.,zweiter Spannungsteiler über einen zwölf Schaltstellungen aufweisende,n Scnalter(3). parallel, geschaltet, ist, vermittels dessen die. Gleichspannung in durch· die .Widerstände bedingten Stufen variiert wird, daß. der zweite Spannungsteiler, .aus einer Reihenschaltung von einunddreißig Widerständen (/1... /31) besteht, die so bemessen sind, daß die Verhältniszahl, gebildet aus dem··Widerstandswert der den / letzten Tagen des Monats entsprechenden Widerstände und dem Widerstandswert der ,den r'+l letzten Tagen des !,Monats, entsprechenden Widerstände gleich ' - -. .

10

15:

ao

^a5;

. ist, wobei. Γ', die Halbwertszeit'der, Neutronen-. quelle inV.Tagpn ist; und daß. die von diesem . Spannungsteiler, gelieferien Spannungswerte über .. einen-Schalter,(5) ,mit einunddreißig Schaltstufen . einem Komparator (8). zugeführt-werden.

3. Potentiometereinrichtung zur Durchführung

. des Verfahrens; nach,Ansprach 1, dadurch ge-

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kennzeichnet,.- daß eine Gleichspannungsquelle (1) an die beiden Enden eines aus einer Reihenschaltung von zwölf Widerständen (Ml... M12) bestehenden Spannungsteilers angeschlossen ist, dessen Widerstände so bemessen sind, daß die Verhältniszahl, gebildet aus dem Widerstandswert der Widerstände, die den r letzten Monaten des Jahres entsprechen, und dem Widerstands-, wert der Widerstände, die den (r+1) letzten Monaten des Jahres entsprechen, konstant gleich

ist, wobei T die Halbwertszeit der Neutronenquelle in- Monaten ist, daß ferner ein zweiter Spannungsteiler mittels zweier je zwölf Schalt-· Stellungen aufweisender Schalter (11,12) parallel zu demjenigen Widerstand des ersten Spannungsteilers geschaltet ist, der-dem laufenden Monat' entspricht, daß weiterhin der zweite. Spannungsteiler aus einer Reihenschaltung von einunddreißig gleichen' " Widerständen (/'1... /'3I) besteht,' wobei der Gesamtwiderstand dieses zweiten Spannungsteilers groß gegenüber dem größten Widerstand des ersten Spannungsteilers ist, und daß dem zweiten Spannungsteiler ein Schalter (15) mit einunddreißig Schaltstufen zugeordnet· ist, dessen Schaltorgan (16) an einen Komparator (8) angeschlossen ist. ,_r.„. ., _r

In Betracht gezogene Druckschriften:
.M. A. Schultz, »Control of Nuclear Reactors and Power Plants«, !.Auflage, 1955, NewYork/S. 213ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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