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Verfahren zur Regelung einer Kernreaktoranlage und Kernreaktoranlage
zur Ausübung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer
Kernreaktoranlage mit einem geschlossenen Primärkreislauf, in dem ein wärmeübertragendes
Kühlmittel strömt, und einem Sekundärkreislauf, in dem ein Arbeitsmittel strömt,
das in einem die beiden Kreisläufe koppelnden Wärmeübertrager verdampft, und in
dem ein Dampfverbraucher angeordnet ist, wobei die im Reaktorkern durch Kernspaltung
erzeugte Leistung in Abhängigkeit von der dem Dampferzeuger entnommenen Arbeitsdampfmenge
und außerdem die Strömungsgeschwindigkeit des Primärkühlmittels beeinflußt wird.
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Eine Kernreaktoranlage dieser Art ist z. B. aus dem Buch von M. A.
Schultz »Control of Nuclear Reactors and Power Plants«, 2. Auflage, 1961, New York,
S. 261 bis 263, bekannt. Aus diesem Buch ist auch die Umwälzung des Primärkühlmittels
mit einer derart veränderlichen Geschwindigkeit bekannt, daß die Temperaturen des
Kühlmittels, insbesondere dessen Austrittstemperatur, konstant bleiben bzw. bleibt.
Bei einer derartigen Kernreaktoranlage ist es jedoch nur möglich, langsame Änderungen,
insbesondere Erhöhungen der Leistungsabgabe vorzunehmen. Die Erfindung, deren Ziel
es ist, eine rasche Leistungsänderung, insbesondere Leistungserhöhung bei Kernreaktoranlagen
zu ermöglichen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des
Primärkühlmittels unmittelbar in Abhängigkeit von der Anzahl der Spaltungen pro
Zeiteinheit im Reaktorkern beeinf(ußt wird.
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Eine Kernreaktoranlage zur Durchführung des genannten Verfahrens mit
einem Kernreaktor, einem Dampferzeuger, einem Dampfverbraucher sowie Mlitteln zur
Umwälzung des Wärmeträgers, wobei ein Laststeuergerät vorhanden ist, welches direkt
auf einen die Leistungsabgabe des Reaktorkerns bestimmenden Regler einwirkt, ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Umwälzung des Wärmeträgers durch, mindestens
eine Vorrichtung beeinflußt werden, welche die augenblickliche Anzahl der Spaltungen
pro Zeiteinheit im Reaktorkern an Hand von Kernstrahlung mißt.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht es insbesondere, den Dampferzeuger
der Anlage als Wärmespeicher zu einer rascheren Änderung der Leistungsabgabe der
gesamten Anlage heranzuziehen. Bei einer beabsichtigten Leistungserhöhung .wird
der Reaktor sofort auf diese erhöhte Leistung eingestellt. Da die tatsächliche Wärmeentwicklung
im Reaktor jedoch mit bedeutender Verzögerung eintritt, würde bei einer gleichzeitigen
Erhöhung der Geschwindigkeit des Wärmeträgers anfänglich Wärmeträger mit einer niedrigeren
Temperatur in den Dampferzeuger eintreten und diesem Wärme entziehen. Durch das
vorliegende Verfahren wird eine derartige Temperatursenkung vermieden und eine Änderung
der Umwälzgeschwindigkeit des Wärmeträgers erst dann vorgenommen, wenn der Reaktor
die neuen Leistungswerte tatsächlich erreicht hat.
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Es ist dabei möglich, den in den Dampferzeuger eingespeisten Arbeitsmittelmengenstrom
gleichzeitig mit der Änderung des Leistungssollwertes des Reaktors zu ändern. Vorzugsweise
erfolgt jedoch eine derartige Änderung mit Verzögerung gegenüber der Änderung des
Leistungssollwertes des Reaktors. Bei der ersten Maßnahme wird im wesentlichen ein
konstanter Druck im Dampferzeuger eingehalten. Bei der zweiten Maßnahme wird eine
gewisse Drucksenkung zugelassen, dafür jedoch die im Dampferzeuger, gespeicherte
Wärme noch weiter ausgenützt.
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Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispieles erläutert.
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In der Zeichnung ist ein Kernreaktor 1 mit Regelstäben 2 und Leitungen
3 für die Zufuhr und 4 für die Ableitung des Wärmeträgers versehen. Die Rohrleitung
4 führt zu einem Dampferzeuger 5, aus welchem der Wärmeträger durch eine Leitung
6 einem Umwälzorgan7 zugeführt wird, aus welchem es wieder in die Rohrleitung 3
gelangt. Das Umwälzorgan 7
kann wahlweise von einer Dampfturbine
8 oder einem Elektromotor 9 angetrieben werden. Die Regelstäbe 2 werden durch einen
Servomotor 10 betätigt.
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Innerhalb des Dampferzeugers 5 sind zwei Heizflächen angeordnet, die
Heizfläche 11 eines Hochdruck- und die Heizfläche 12 eines Niederdruckdampferzeugers.
Beiden Heizflächen wird das Arbeitsmittel, z. B. Wasser, aus einem Speisebehälter13
durch eine Speisepumpe 14 zugeführt. Aus der Speisepumpe 14 gelangt das Arbeitsmittel
durch eine Rohrleitung 15 zu Drosselorganen 16, 17. Aus dem Drosselorgan 16 gelangt
das Arbeitsmittel in die Heizfläche 11, aus dem Drosselorgan 17 in die Heizfläche
12. Aus der Heizfläche 11 gelangt dann das Arbeitsmittel durch eine Rohrleitung
18 mit einem Drosselorgan 19 in die Turbine 8 und aus dieser durch eine Rohrleitung
20 an eine der Temperatur dieses Arbeitsmittels entsprechende Zwischenstelle der
Heizfläche 12. Aus der Heizfläche 12 wird das Arbeitsmittel durch eine Rohrleitung
21 einem Drosselorgan 22 und einer Turbine 23 zugeführt, welche einen elektrischen
Generator 24 antreibt. Aus der Turbine 23 gelangt das Arbeitsmittel in einen Kondensator
28, aus welchem es durch eine Kondensatpumpe 25 in den Speisebehälter 13 zurückgepumpt
wird. Der Speisepumpe 14 kann ein Vorwärmer 26, der Kondensatpumpe 25 ein Vorwärmer
27 nachgeschaltet sein.
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Das Drosselorgan 22 in der Rohrleitung 21, welches die Arbeitsmittelabgabe
der gesamten Kernreaktoranlage bestimmt, wird mit Hilfe eines durch eine Signalleitung
30 zugeführten Steuersignals betätigt. Dieses Steuersignal ist in an sich bekannter
Weise z. B. von der Drehzahl des Generators abhängig, kann jedoch z. B. auch von
einem Programmgeber geliefert werden. Vor dem Drosselorgan 22 sind in der Rohrleitung
21 ein Mengenmeßgerät 31 sowie ein Druckmeßgerät 32 angeordnet: Das Meßsignal des
Mengenmeßgerätes 31 wird durch eine Signalleitung 33 einem Laststeuergerät 34 zugeführt.
Das Laststeuergerät 34 sendet ein Steuersignal, welches der vom Mengenmeßgerät 31
gemessenen Dampfmenge entspricht, in Signalleitungen 35, 36 und 37. Die Signalleitung
35 führt zu einem Regler 38, welcher den Servomotor 10 der Regelstäbe 2 betätigt.
Die Signalleitungen 36 und 37 führen zu Reglern 40, 41, von denen der eine
das Drosselorgan 16, der andere das Drosselorgan 17 betätigt. Die Regler 40 und
41 werden zusätzlich durch Meßsignale von Temperaturfühlern 42 und
43 beeinflußt, von denen der eine die Temperatur an einer Zwischenstelle
der Heizfläche 11, der andere an einer Zwischenstelle der Heizfläche 12 bestimmt.
Ein. Druckmeßgerät 44 bestimmt die Differenz der Drücke vor und hinter dem Drosselorgan
16 und sendet ein entsprechendes Steuersignal durch eine Signalleitung 45 einem
Regler 46, welcher durch Änderung der Drehzahl der Speisepumpe 14 deren Liefermenge
verändert. Das Druckmeßgerät 32 liefert ein Meßsignal durch eine Signalleitung
47 einem Integrierorgan 48, welches diesen Meßwert mit einem Sollwert,
welcher z. B. durch eine Signalleitung 50 zugeführt werden kann, vergleicht.
Ein dem Integral der Abweichung des Meßwertes des Druckmeßorgans 32 vom Sollwert
entsprechendes Signal wird durch eine Signalleitung 51 einem Multiplizierorgan 52
zugeführt. Das Multiplizierorgan 52 erhält außerdem durch eine Signalleitung 53
das Meßsignal eines Gerätes 54 zur Messung des Neutronenflusses im Reaktor. Das
Multiplizierorgan 52 gibt seinerseits ein durch Multiplikation der ihm zugeführten
Signale gewonnenes Signal durch eine Signalleitung 55 dem Regler 38 weiter. Von
der Signalleitung 55 zweigt eine Signalleitung 56 ab, in welcher sich ein Funktionsgeber
57 befindet. Der Funktionsgeber 57 sendet ein dem Signal aus der Signalleitung 55
zugehöriges Signal in eine Signalleitung 58, die zu einem Regler 60 führt, welcher
das Drosselorgan 19 betätigt. An die Signalleitung 58 ist gleichzeitig auch ein
Temperaturfühler 61, vorzugsweise über ein Integrierorgan 65, angeschlossen, welcher
die Temperatur des Wärmeträgers in der Rohrleitung 4 mißt und ein entsprechendes
Meßsignal dem Regler 60 übermittelt. Die Turbine 8 ist zudem noch mit einem Drehzahlmeßorgan
62 versehen, welches ein entsprechendes Meßsignal durch eine Signalleitung 63 dem
Regler 60 zuführt.
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Eine Laständerung der Turbine 23, sei sie verursacht durch Aufschalten
von Stromabnehmern an die Leitung des Generators 24, oder entspreche sie einem durch
einen Programmgeber im voraus bestimmten Programm, äußert sich durch eine Änderung
der Durchflußmenge des Dampfes im Drosselorgan 22. Eine Änderung dieser Durchflußmenge
wird sofort durch das Mengenmeßorgan 31 festgestellt und ein entsprechendes Steuersignal
dem Laststeuergerät 34 übermittelt. Das Laststeuergerät 34 sendet sofort entsprechende
Signale weiter, von denen eins, das aus der Signalleitung 35, durch den Regler 38
und den Servomotor 10 eine entsprechende Verstellung der Regelstäbe 2 bewirkt. Die
anderen beiden Signale des Laststeuergerätes, die aus den Signalleitungen 36 und
37, bewirken eine Verstellung der Drosselorgane 16 und 17 und damit eine entsprechende
Veränderung der in die Heizflächen 11 und 12 eingespeisten Arbeitsmittelmenge. Eine
Veränderung der Einstellung des Drosselorgans 19 und damit der Drehzahl der das
Umwälzorgan 6 antreibenden Turbine 8 erfolgt jedoch erst dann, bis das Neutronenflußmeßorgan
54 eine der Verstellung der Regelstäbe entsprechende Veränderung des Neutronenflusses
im Reaktor feststellt. Da das NeutronenflußmeßorganÄnderungen unterworfen sein kann,
die z. B. eine Verschiebung dessen Signals herbeiführen, wird dessen Signal durch
das Druckmeßorgan 32 und das Temperaturmeßorgan 61 korrigiert.
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Eine weitere Verbesserung der Anlage kann durch die Verwendung von
Verzögerungsorganen _ erzielt werden, die in den Signalleitungen 36, 37 angeordnet
werden können und in der Zeichnung gestrichelt eingetragen sind. Diese an sich in
der Regeltechnik als Bauelemente bekannten Verzögerungsorgane 70, 71 bewirken, daß
ein vom Laststeuergerät 34 an die Regler 40, 41 gesandtes Signal zeitlich verzögert
wird. Dadurch wird erzielt, daß einer Vergrößerung der Dampfentnahme eine Erhöhung
der Einspeisung erst mit einer bestimmten Verzögerung folgt. Auf diese Weise wird
eine kurzzeitige Drucksenkung zugelassen. welche eine zusätzliche Dampfentwicklung
aus dem im Wärmeübertrager enthaltenen Arbeitsmittel unter Heranziehung der in diesem
gespeicherten Wärme ermöglicht. Auf diese Weise ist es möglich, bei einer plötzlichen
Erhöhung der Last die Wärmekapazität des Wärmeübertragers noch besser auszunützen.
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Beim Laststeuergerät 34 handelt es sich um ein bekanntes, im Kesselbau
verwendetes Organ. Dieses kann in an sich bekannter. Weise anstatt, wie gezeichnet,
vom Damplmengenmeßgerät 31 beeMußt zu werden, auch vom- Dampfdruck (Meßorgan 32)
unter . Zwischenschaltung eines Integral-Reglers beeinflußt werden.
Es
ist auch eine Ausführung möglich, bei welcher das Drosselorgan 22 über einen Regler
von einem Druckmeßgerät, z. B. dem Gerät 32 beeinflußt wird. Auf diese Weise wird
der Druck im Dampferzeuger auf einer gewünschten, z. B. konstanten Höhe gehalten.
Das Laststeuergerät 34 kann dann von Hand, von einem Programmgeber oder nach Maßgabe
einer Leistungsgröße, wie Turbinendrehzahl, elektrische Leistung usw., eingestellt
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