DE1265312B - Verfahren zum automatischen Anfahren eines Kernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

Deutsche KL: 21g-21/31

Nummer: 1265 312

Aktenzeichen: U12850 VIII c/21 g

Anmeldetag: 30. Juni 1966

Auslegetag: 4. April 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Anfahren eines Kernreaktors, bei dem die Meßsignale des augenblicklichen Neutronenflusses Θ, und der augenblicklichen Reaktorperiode τ_; sowie ein für den zu erreichenden Neutronenflußendwert ß_p charakteristisches Signal die Reaktivität des Reaktors über ein aus den drei Größen B₁, τ_;, θ_ρ zusammengesetztes Programm regeln.

Das Anfahren eines Kernreaktors kann auf verschiedenartige Weise geregelt werden. Der einfachste Weg zur Regelung des Anfahrvorganges besteht darin, daß die Reaktorperiode bis zu einem nahe dem Neutronenflußendwert liegenden Flußbereich konstant gehalten und dann auf unendlich gesteigert wird, um einen konstanten Neutronenflußendwert einzuhalten.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die kleinste sichere Reaktorperiode durch das Verhalten während der Zeitspanne bestimmt wird, die dem Beginn der Steigerung der Reaktorperiode unmitteljar vorausgeht. Bei einem niedrigen Flußwert könnte eine wesentlich kürzere Reaktorperiode ohne Gefahr verwendet werden, wodurch erhebliche Zeit während des Anfahrens eingespart würde.

Ein etwas verfeinertes Verfahren zur Regelung der Reaktordynamik während des Anfahrens besteht darin, daß eine verhältnismäßig kurze, aber konstante Reaktorperiode aufrechterhalten wird, bis der Neutronenflußwert den Leistungsbereich erreicht, und dann mit Hilfe einer rückgekoppelten Flußwertinformation die Reaktorperiode ständig erhöht wird. Bei dieser Auslegung würde die Reaktorperiodeninformation die Reaktorperiode bis hinauf in den Leistungsbereich regeln.

Ein weiteres Verfahren zur Regelung des Reaktorbetriebs während des Anfahrens besteht darin, daß in die Regelschleife ein» Rechner eingefügt und die Reaktorperiode als Funktion der Zeit mit Hilfe des Rechners geregelt wird, der entsprechend empirischen Informationen oder theoretischen Berechnungen bezüglich der betreffenden Reaktorausbildung programmiert sein kann.

Dies ist selbstverständlich sehr kostspielig und beraubt das Bedienungspersonal jeglichen Einflusses, was, wie unten erläutert, nicht immer erwünscht ist. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß eine Regelung der Reaktorperiode während des Anfahrens als Funktion nur der Zeit für ein wiederholtes Anfahren nicht zweckmäßig ist, da dann der Neutronenflußrestwert durch zahlreiche Veränderliche bestimmt wird. Aus Sicherheitsgründen ist es vorzuziehen, die Reaktorperiode als Verfahren zum automatischen Anfahren eines
Kernreaktors

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Schwan, Patentanwalt,

8000 München 8, Goerzer Str. 15

Als Erfinder benannt:

Wilbur LyIe Bunch, Richland, Wash. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 13. Juli 1965 (471772)

Funktion des herrschenden Neutronenflusses und nicht allein der Zeit zu regeln.

Ein weiteres Verfahren zum Anfahren eines Reaktors ist das in »Control of Nuclear Reactors an Power Plants« von S c h u 11 z, McGraw-Hill, 1955, S. 241 und 242, beschriebene sogenannte »magic number system«. Bei diesem Verfahren werden Reaktorperioden- und Neutronenflußwertinformationen während des Anfahrens des Reaktors derart kombiniert, daß der Reaktor bis zum Erreichen des Leistungsbereichs mit konstanter Reaktorperiode arbeitet, worauf die Neutronenflußwertinformation ermittelt und dazu verwendet wird, die Reaktorperiode ständig zu erhöhen, während der Neutronenfluß sich dem Flußendwert nähert. Dieses Verfahren erlaubt es jedoch nicht, bestimmte Arbeitskennlinien und Flußendwerteinstellungen unabhängig voneinander zu wählen. Unter Arbeitskennlinie soll dabei vorliegend die Beziehung zwischen dem augenblicklichen Neutronenfluß und der Reaktorperiode verstanden werden, welche das Arbeiten des Reaktors während des Anfahrens beschreibt. Sind bei diesem Verfahren die Konstanten einmal festgelegt, kann das Reaktorperiodenwählsignal nicht geändert werden, ohne auch den Neutronenflußendwert zu beeinflussen.

Ferner ist es aus der USA.-Patentschrift 2 911 344 bekannt, zur Regelung eines Kernreaktors aus dem Neutronenfluß abgeleitete Signale zu verwenden, die proportional der Reaktorleistung, dem Logarithmus

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der Reaktorleistung und der Reaktorperiode sind. Jedes dieser abgeleiteten Signale wird dabei mit Signalen verglichen, die einen vorbestimmten Wert haben, der die Reaktorleistung, den Logarithmus der Reaktorleistung bzw. die Reaktorperiode darstellt. Das aus einem vorgegebenen Bereich herausfallende Differenzsignal zwischen einander entsprechenden Signalen wird benutzt, um eine Lageänderung der Reaktorregelstäbe im Sinne einer Verminderung des Differenzsignals zu bewirken. Auch bei diesem Verfahren erfordert das Anfahren eine unnötig lange Zeitspanne.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen ein Kernreaktor möglichst rasch hochgefahren werden kann. Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem aus den drei Größen O₁, r_t, f~>_p zusammengesetzten Programm der Istwert der Hochfahrzeit τ; (In θ_p - In (9,·) ermittelt wird und mit einem zeitlich konstant vorgegebenen Sollwert der Hochfahrzeit zur Reaktivitätsregelung verglichen wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird also, nachdem der gewünschte Neutronenflußwert θ_ρ festgelegt ist, aus Signalen, die den augenblicklichen Neutronenfluß B₁ und die augenblickliche Reaktorperiode τ,· angeben, ein Wert für die Zeitspanne abgeleitet, die vergehen würde, bis der Neutronenflußendwert erreicht wird, wenn die Reaktorperiode ungeändert auf dem augenblicklichen Wert gehalten würde. Diese vorliegend als Istwert der Hochfahrzeit bezeichnete Größe T₁ ist definiert durch die Beziehung

T₁ = τ. In -^e- = T₁- (In Φ_ρ - In Φ,-)

(1)

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Um eine konstante Hochfahrzeit aufrechtzuerhalten, muß die Reaktorperiode gegen unendlich gehen, wenn der augenblickliche Neutronenfluß sich dem Flußendwert nähert. Das heißt, eine konstante Hochfahrzeit bestimmt eine Arbeitskennlinie in der r,-ln Φ,-Ebene, die hyperbolisch verläuft.

Das Ist-Hochfahrzeitsignal wird mit einem Soll-Hochfahrzeitsignal verglichen, das auf einen vorbestimmten kleinsten Sicherheitswert eingestellt wurde. Das dabei erhaltene Differenzsignal dient der Regelung der Reaktorperiode, d. h., die Regelstäbe werden im Sinne einer Verkleinerung des Differenzsignals verstellt. Wenn der Neutronenfluß in Richtung auf den Leistungsbereich ansteigt, erhöht das durch das Differenzsignal beeinflußte Regelsystem die Reaktorperiode ständig entsprechend der durch die Wahl einer sicheren Hochfahrzeit bestimmten Arbeitskennlinie. Auf diese Weise wird die Anfahrzeit kleinstmöglich gehalten, da die kürzesten sicheren Reaktor-Perioden bei niedrigstem Neutronenfluß zugelassen und entsprechend den Sicherheitserfordernissen größere Reaktorperioden bei höherem Neutronenfluß verwendet werden. Der Neutronenflußendwert und die Arbeitskennlinie können unabhängig voneinander eingestellt werden.

Das Hochfahrzeitsignal eignet sich auch ohne weiteres für eine Instrumentenanzeige, falls das Anfahren von Hand gesteuert werden soll. Die Instrumentenanzeige ermöglicht dem Bedienungspersonal in Verbindung mit der Neutronenflußinformation eine leichtere Erfassung der innerhalb des Reaktors herrschenden Bedingungen, als dies bei der bekannten Anzeige von Reaktorperiode und Neutronenfluß der Fall ist.

Dieses Signal eignet sich ferner hervorragend als Schnellstoppsignal. Das heißt, ein Überschreiten einer vorbestimmten Arbeitskennlinie wird ermittelt und Alarm ausgelöst oder der Reaktor selbsttätig abgeschaltet. Da jede Arbeitskennlinie eine konstante Hochfahrzeit darstellt, kann sie leicht mit einer konstanten Kennzeichnung einer vorbestimmten kleinsten sicheren Hochfahrzeit verglichen werden, um das Vorhandensein gefährlicher Betriebsbedingungen anzuzeigen. Das Hochfahrzeitsignal ist ferner das zweckmäßigste aller möglichen Regel- oder Schnellstoppsignale, da es das einzige Signal ist, das unmittelbar mit der tatsächlichen Zeit in Verbindung gesetzt werden kann, die erforderlich ist, um ein Schnellstopprelais zu betätigen und die Schutzstäbe in den Reaktor hineinzubewegen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung des natürlichen Logarithmus des Neutronenflusses als Funktion der Reaktorperiode für eine durch konstante Hochfahrzeit bestimmte Arbeitskennlinienschar,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Servoregelsystems und

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Schnellstoppsystems für einen Kernreaktor.

Es wurde gezeigt, daß bei positiver Reaktivität der Neutronenfluß (Θ) in einem Kernreaktor mit der Zeit exponentiell ansteigt entsprechend der Gleichung (2): t_

Φ = <P_of^t , (2)

wobei O₀ die ursprüngliche Flußdichte, t die Zeit, F die Basis des natürlichen Logarithmus und τ die Reaktorzeitkonstante ist (d. h. die Zeit, innerhalb deren der Flußwert um den Faktor f ansteigt). Eine vollständigere Analyse findet sich in »Introduction to Nuclear Engineering«, Stephenson, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1954, S. 265. Logarithmiert man beide Seiten der Gleichung (2) und differenziert man mit Bezug auf die Zeit, so folgt

d (In Φ)
dt

(3)

Gleichung (3) läßt erkennen, daß bei Messung des Logarithmus des Flußwerts eines Reaktors und Differentiation nach der Ze¹It die erhaltene Größe umgekehrt proportional zur Reaktorzeitkonstante ist.

Definiert man dann eine Größe, die vorliegend Hochfahrzeit genannt und mit T- bezeichnet ist, als die Zeitspanne, die verstreicht, bis ausgehend von dem vorhandenen Flußwert [C-J₁) ein Soll-Flußwert (f)_p) mit konstanter Zeitkonstante (r) erhalten wird, ergibt sich die folgende Beziehung durch Logarithmierung beider Seiten der Gleichung (2):

T₁ = τ(1η Φ_ρ- In Φ,) = τ In

(4)

F i g. 1 veranschaulicht eine graphische Darstellung, bei der die Reaktorzeitkonstante (τ) in Sekunden als Abszissenwert und der augenblickliche Flußwert (<9;) in Neutronen je cm² je Sekunde in logarithmischer

5 6

Skala als Ordinatenwert aufgetragen sind. Die Hoch- nend für den Reziprokwert der Reaktorzeitkonstante fahrzeit (TD gemäß Gleichung (4) bestimmt vonein- /JA _{chend Gleichung (3) und} zugehörigem ander unabhängige Arbeitskennlinien, die mit den V^T / & &
Bezugszeichen 10, 12 und 14 versehen sind. Wie Text. Das Ausgangssignal des logarithmischen Veroben ausgeführt, bestimmt eine Arbeitskennlinie ein- 5 stärkers 24 dient ferner als das eine Eingangssignal deutig eine Beziehung zwischen dem augenblicklichen des Subtrahierglieds 28. Das andere Eingangssignal 30 Fluß und der Reaktorzeitkonstante. Die Arbeits- des Subtrahierglieds 28 ist eine Gleichspannung entkennlinie 10 nach F i g. 1 zeigt die Abhängigkeit sprechend dem natürlichen Logarithmus des SoIlzwischen dem augenblicklichen Fluß und der Reaktor- Flußendwerts (In θ_ρ). Die Ausgangsspannung des zeitkonstante für eine konstante Hochfahrzeit von io Subtrahierglieds 28 stellt die Differenz zwischen dem 100 Sekunden. Die Arbeitskennlinien 12 und 14 Logarithmus des Soll-Flußendwerts und dem Logastellen die gleiche Beziehung für Hochfahrzeiten von rithmus des Ist-Flußwertes dar. Diese Spannung ist 300 bzw. 600 Sekunden dar. Wird die Hochfahrzeit als stets positiv, da der Ist-Fluß den Soll-Endfluß während Regelparameter für das Anfahren eines Kernreaktors des Anfahrens niemals überschreitet. Die Ausgangsverwendet, kann, wie F i g. 1 erkennen läßt, der 15 spannung des Dividierglieds 32 entspricht dem be-Anfahrvorgang sehr wirkungsvoll gestaltet werden, rechneten Wert der Ist-Hochfahrzeit (T₁) entsprechend da bei sämtlichen Flußwerten zwangläufig die kürzeste Gleichung (4). Der Vergleicher 34 ermittelt das Servo-Zeitkonstante ausgenutzt wird, die einen sicheren fehlersignal, d. h. die Differenz zwischen der Spannung Betrieb gewährleistet. Da die gewünschte Hochfahr- entsprechend einer Soll-Hochfahrzeit (T_p) und der zeit bei dem vorliegenden Verfahren eine Konstante 20 berechneten Ist-Hochfahrzeit (7J). Das Ausgangssignal bildet, kann sie in einem Regelkreis durch einen Gleich- des Vergleichers 34 wird dann mittels des Verstärspannungswert dargestellt werden, was den Vergleich kers 38 verstärkt, der das Stellglied 40 aussteuert, mit einer berechneten Ist- oder augenblicklichen das seinerseits die Bewegung der Stäbe 42 zwecks Hochfahrzeit verhältnismäßig einfach macht. Steuerung der Reaktivität des Reaktors 20 bestimmt.

Das Arbeiten mit der Hochfahrzeit macht von dem 25 Da das Ausgangssignal des Dividierglieds 32 eine Umstand Gebrauch, daß bei einer gegebenen Hoch- die Ist-Hochfahrzeit kennzeichnende Spannung darfahrzeit jedem Flußwert eine bestimmte Zeitkonstante stellt, kann es unmittelbar auf einem Meßinstrument eindeutig zugeordnet ist. Dies bedeutet, daß nach wiedergegeben werden. Zur instrumentellen Anzeige Festlegung eines sicheren Bereichs für das Anfahren ist es jedoch zweckmäßiger, ein Signal zu verwenden, des Reaktors, definiert als die tatsächliche Zeit, die 30 das dem Hochfahrzeitsignal umgekehrt proportional erforderlich ist, um den Reaktor im Notfall abzu- ist. Entsprechend F i g. 2 wird daher das Ausgangsschalten, eine einzige Hochfahrzeitkurve oder eine signal des Dividierglieds 32 einer Umkehrstufe 45 Reihe von Hochfahrzeitkurven den sicheren Arbeits- zugeführt, die das Meßinstrument 46 aussteuert. Wenn bereichen zugeordnet werden können. der Flußwert sich nämlich dem Sollwert nähert, geht

F i g. 2 zeigt einen Kernreaktor 20 mit einem Fluß- 35 ,. ,. ,-,..„ α(ΙηΦ,) , „ , „
messe? 22. Eh₁ logarithmischer Verstärker 24 ist an ^{die die Große} Λγ¹ Erstellende Spannung gegen den Ausgang des Flußmessers 22 angeschlossen und Null, und da diese Größe den Divisor für das Aussteuert ein Differenzierglied 26 sowie ein Subtrahier- gangssignal des Subtrahierglieds 28 nach F i g. 3 darglied 28. Das Subtrahierglied 28 weist einen weiteren stellt, wird das Ausgangssignal des Dividiergliedes 32 Eingang 30 auf, dem ein konstantes Signal entspre- 40 groß und ungenau. Bei Verwendung eines der Größe T₁ chend dem Logarithmus eines vorbestimmten Soll- umgekehrt proportionalen Signals würde die Ruhe-Flußendwertes zugeführt wird. Das Ausgangssignal stellung des Meßinstruments einer unendlichen Hochdes Subtrahierglieds 28 bildet das eine Eingangssignal fahrzeit entsprechen. Das Meßinstrument 46 weist eines Dividierglieds 32, dessen anderes Eingangs- daher eine gegenläufige Skala für Bewegung des signal das Ausgangssignal des Differenzierglieds 26 45 Zeigers im Uhrzeigersinn auf. F i g. 2 zeigt nur eine ist. Das Dividierglied 32 steuert einen* Vergleicher 34. Skala für das Meßinstrument 46. Zweckmäßig wird Dem Vergleicher 34 wird ferner das Ausgangssignal jedoch ein Meßinstrument mit mehreren Skalen eines einstellbaren Spannungsgebers 36 zugeführt, das benutzt, so daß beispielsweise beim Handbetrieb das eine vorbestimmte Soll-Hochfahrzeit (T_p) angibt. Das Bedienungspersonal eine Skala auswählen kann, bei Ausgangssignal des Vergleichers, das ein Servofehler- 50 der die gewünschte Hochfahrzeit eine Ablesung im signal bildet, liegt an einem Verstärker 38 an, der mittleren Skalenbereich ergibt. Bei Handsteuerung seinerseits mit einem Stellglied 40 verbunden ist. würde das Bedienungspersonal die Regelstäbe ständig Das Stellglied 40 betätigt Regelstäbe 42, mittels deren so einstellen, daß die am Meßinstrument abzulesende die Reaktivität des Reaktors 20 derart verstellt wird, Hochfahrzeit ständig auf ihrem konstanten Sollwert daß das Fehlersignal auf dem Wert Null gehalten 55 gehalten wird.

wird. Falls erwünscht, kann das Ausgangssignal des F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines

Dividierglieds 32 einer Umkehrstufe 45 zugeführt wer- speziellen Ausführungsbeispiels einer Schnellstopp-

den, mittels deren für Informationszwecke oder zur anlage für einen Kernreaktor, bei der ebenfalls die

Handsteuerung des Reaktors ein Hochfahrzeitmeß- Steuerung an Hand der Hochfahrzeit erfolgt. Ein

instrument 46 betätigt werden kann. 60 Ist-Hochfahrzeitrechner 50 wird mit einem Meßwert

Bei der Anordnung nach F i g. 2 bestimmt der entsprechend dem augenblicklichen Neutronenfluß Flußmesser 22 den Neutronenfluß im Reaktor 20 und im Reaktor 20 beaufschlagt. Ein weiteres Eingangserzeugt eine Ausgangsspannung proportional dem signal 51 des Ist-Hochfahrzeitrechners 50 ist ein konaugenblicklichen Fluß (6>_;). Das Ausgangssignal des stantes Signal, das den Logarithmus des Soll-Flußlogarithmischen Verstärkers 24 ist infolgedessen eine 65 endwerts (In Φ_ρ) darstellt. Das Ausgangssignal des Spannung entsprechend dem natürlichen Logarithmus Rechners 50 bildet das eine Eingangssignal einer von θ _t. Das Differenzierglied 26 differenziert das Schwell wertstufe 52. Das andere Eingangssignal der In 6>_rSignal: seine Ausgangsspännung ist kennzeich- Schwellwertstufe stellt ein Signal 54 dar, das einer

vorbestimmten sicheren Hochfahrzeit entspricht. Das Ausgangssignal der Schwellwertstufe 52 wird einem Verstärker 56 zugeführt, der seinerseits einen Schnellstoppauslöser 58 steuert. Der Schnellstoppauslöser betätigt Schutzstäbe 60. Der augenblickliche Fluß (Φ,) des Reaktors 20 kann in der oben beschriebenen Weise mittels eines Neutronendetektors ermittelt werden. Der Rechner 50 erzeugt eine Spannung proportional der Ist-Hochfahrzeit (7j) des Reaktors 20, ähnlich wie in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben, Das Eingangssignal 54 der Schwellwertstufe 52 ist eine konstante Spannung, die eine vorbestimmte sichere Hochfahrzeit (T_p) kennzeichnet. Diese Spannung gibt eine Arbeitskennlinie entsprechend F i g. 1 vor. Die Schwellwertstufe 52 stellt fest, ob die Ist-Hochfahrzeit (7]) kleiner als die vorbestimmte sichere Hochfahrzeit (T_p) ist und gibt ein Alarmsignal ab, wenn ein solcher Zustand auftritt. Das Alarmsignal wird im Verstärker 56 verstärkt und betätigt den Schnellstoppauslöser 58, der rasch Neutronenfänger einführt, um den Reaktor 20 durch Einbringen der Schutzstäbe 60 abzuschalten.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum automatischen Anfahren eines Kernreaktors, bei dem die Meßsignale des augenblicklichen Neutronenflusses Φ_; und der augenblicklichen Reaktorperiode r_; sowie ein für den zu erreichenden Neutronenflußendwert Φ_ρ charakteristisches Signal die Reaktivität des Reaktors über ein aus den Größen Φ,-, r_;, Φ_ρ zusammengesetztes Programm regeln, dadurch gekennzeichnet, daß bei diesem Programm der Istwert der Hochfahrzeit τ_; (In Φ_ρ — In Φ,·) ermittelt wird und mit einem zeitlich konstant vorgegebenen Sollwert der Hochfahrzeit zur Reaktivitätsregelung verglichen wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 911344;
   Schultz, »Control of Nuclear Reactors and Power Plants«, I.Auflage, 1955, New York, S. 243.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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