DE2137504A1 - Verfahren und vorrichtung zur statischen messung der unterkritikalitaet eines kernreaktors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur statischen messung der unterkritikalitaet eines kernreaktors

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur statischen Messung der Unterkritikalität eines Kernreaktors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur statischen Messung der Unterkritikalität eines Kernreaktors.
Es ist z.B. beim Beladen oder Umladen der Brennelemente eines Kernreaktors vor allem aus Sicherheitsbedingungen besonders wichtig, den entsprechenden Reaktivitätshub bzw. die Ünterkritikalität des Reaktors laufend überwachen zu können. Dabei werden die Begriffe Kritikalität und Ünterkritikalität in dem Sinne gebraucht, daß. bei einem Multiplikationsfaktor k = 1 von Kritikalität bei einem Multiplikationsfaktor k <1 von Ünterkritikalität gesprochen wird*
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1 ' 2 " 21375CH
Ein wesentlicher Energieanfall tritt beim Kernreaktor auch nach dessen Abschalten auf. Es ist die Nachwärme, die u.a. von der γ- - und A-Strahlung der Spaltprodukte mit einer zeitlichen Verzögerung erzeugt wird.
Eine wichtige Bedingung für den Betrieb von Kernreaktoren ist die Kenntnis des Temperatur-Reaktivitäts-Koeffizienten. Mit Änderungen der Temperatur sind immer auch Änderungen der mikroskopischen und makroskopischen Wirkungsquerschnitte sowie der geometrischen Dimensionen des Reaktors und damit der Reaktivität verbunden. Ob ein Reaktivitätskoeffizient positiv oder negativ ist, kann von vielen Umständen abhängen, wie z.B. von den Einzelheiten der Vorgeschichte, der Betriebsstundenzahl des Reaktors oder wie beim Schnellen Reaktor vom Massenverhältnis zwischen Brennstoff und Kühlmittel.
Eine Reaktivitätsstörung kann aus dem Reaktivitätskoeffizienten und einer Temperaturdifferenz im Reaktorcore ermittelt werden.
Zur Messung der Unterkritikalität eines Kernreaktors sind eine Reihe von statischen und dynamischen Verfahren im Gebrauch, die in Forschungsreaktoren erprobt sind, deren Einsatz in Leistungsreaktoren ungeeignet und teilweise unmöglich ist.
Bei den dynamischen Verfahren handelt es sich darum, in irgendeiner Weise eine Neutronenflußstörung im Core zu erzeugen, sei es durch einen beweglichen Neutronenabsorber oder sei es durch eine bewegliche oder in ihrer Stärke veränderliche Neutronenquelle. Derartige Einrichtungen lassen sich bei Leistungsreaktoren aus konstruktiven Gründen schwer realisieren, auch sind sie aus betrieblichen Gründen unerwünscht. Erst recht bei Schnellen Reaktoren mit ihrem sehr kompakten Kernaufbau sind sie praktisch kaum realisierbar.
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Von den statischen Verfahren ist die Methode der unterkritischen Quellverstärkung im Gebrauch. Dabei wird im Reaktorkern eine künstliche Neutronenquelle eingesetzt und der Neutronenfluß z.B. am Kernrand gemessen. Die Unterkritikalität ergibt sich dann für einen Punktreaktor unter Berücksichtigung eines Eichfaktors aus einer bestimmten Formel. Ein Nachteil dieser Methode ist, daß die Quellstärke1 genau bekannt sein muß.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein zumindest quasi-statisches Verfahren zur Durchführung der Messung der Unterkritikalität anzugeben, mit denen der kritische Zustand eines Leistungsreaktors überwacht werden kann indem eine Reaktivitätsstörung durch Ausnutzung des reaktorphysikalischen Temperatureffektes erzeugt μ ■wird an Stelle sonst üblicher mechnisch bewegter Neutronen-Absorber und keine zusätzlichen, apparativen und meßtechnischen Einrichtungen am Reaktor nötig sind, insbesondere an den Leistungsreaktoren, deren Core beim Brennelementumladen nur schwer mit Zusatzeinrichtungen für diese Messungen auszustatten sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der unterkritische Kernreaktor unter Ausnutzung der Nachwärmeerzeugung auf verschiedene Temperaturen nacheinander eingestellt wird, womit eine Reaktivitätsstörung, deren Größe aus der gemessenen Temperatur änderung und dem bekannten Temperatur-Reaktivitäts-Koeffizienten bestimmbar ist, im Reaktorcore erzeugt wird, daß der Neutronenfluß vor und dessen Änderung nach der Reaktivitätsstörung ψ gemessen und daß hieraus die Unterkritikalität rechnerisch ermittelt wird.
Eine Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß zur Einstellung der verschiedenen Temperaturen der Durchfluß und/oder die Temperatur des Kühlmittels mit den zum Betrieb des Kernreaktors
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4 " 2137 5 Π 4
verwendeten Pumpen und/oder Wärmetauscher variiert wird und daß die Temperaturen mit der KreislaufInstrumentierung und der Neutronenfluß und dessen Änderung mit z.B. einer Anfahrkammer gemessen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden mittels eines Diagrammes nach Fig. 1 und eines schematischen Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 näher erläutert.
Bei dem nach einem Leistungsbetrieb abgeschalteten Reaktor (thermischer oder auch Schneller Reaktor 1 nach Fig. 2) wird die. Nachwärme dazu benutzt, das Core auf verschiedenen isothermen Temperaturen zu fahren. Dazu werden z.B. Kühlpumpen (Pumpen 2. und 3 nach Fig. 2) ein- und ausgeschaltet oder Wärmetauscher (siehe Wärmetauscher 4 nach Fig. 2) zu- und abgeschaltet. Wird angenommen, daß der isotherme Temperatur-Reaktivitäts-Koeffizient Ci? bekannt ist, so kann aus gemessener Temperatur- und Neutronenflußänderung clv71 und ό <J> die Unterkritikalität «ä k ermittelt werden. Es kann weiterhin vorausgesetzt werden, daß zumindest quasi-statische Messungen durchführbar sind und daß die normale Reaktorinstrumentierung hierzu ausreicht.
Dann gilt annähernd die Formel 1 ( unter Annahme eines Punktmodells für das Reaktorcore):
m ^Ak=Z-Tk · β
^x; ζλ ΐί — ο λ. · —tr·-?
wobei gilt: /Cj k = Unterkritikalität,^ k = kleine Reaktivitätsstö-
pl ι
rung,« ] ψ = kleine Flußstörung und^>= Neutronenfluß. Es wird vorausgesetzt, daß im unterkritischen Reaktor eine künstliche Neutronenquelle eingesetzt ist oder daß durch sogenannte Spontanspaltungen im Brennstoff genügend Neutronen für eine Messung entstehen. Die Höhe der Neutronenquellstärke ist für die Messung im Prinzip ohne Bedeutung.
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Die Reaktivitätsstörung ok gem» dieser Formel kann ebenfalls unter Annahme eines Punktmodells mittels der weiteren Formel 2 ermittelt werden:
(2) fk = cp -
Der isotherme Temperaturkoeffizient beträgt z.B. für das gesamte Natrium-2-Gore eines Natrium-2-Reaktors i> k/f J- =5-10 /C°.
Wird durch Zu- und Abschalten der Pumpen eine Temperaturänderung von - 50 C erzeugt und damit ein Rr-aktivitätshub von 5 · 10 , so wird für die relativen Flußänderungen <-'f/dein Verlauf gem. Fig. 1 erhalten, wobei der Quotient von Neutronenflußänderung u f zu Neutronenfluß ψ über der Unterkritikalitätzlk aufgetragen ist.
Die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung nimmt bei Annäherung an den kritischen Zustand zu, was auch wünschenswert ist. Für die Unterkritikalitätsbestimmungen wird beim betrieblichen Umladen bei k =0,95 eine 20 %-ige Genauigkeit angestrebt.
Als Aufwärmegeschwindigkeit wird für den Natr ium-2 -Reaktor nach 3 Monaten Leistungsbetrieb und 3 Tagen Abschaltzeit 0,6 C°/sek. abgeschätzt, wenn die entstehende Nachwärme nicht abgeführt wird. Diese Aufwärmgeschwindigkeit ist einerseits genügend langsam, um Wärmespannungen zu vermeiden und eine gute gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten, andererseits aber schnell genug, um in kurzer Zeit die Messungen durchführen zu können, ύ
In Fig. 2 ist schematisch ein Kreislaufschema aufgezeichnet. Der Kühlkreislauf 6 des Reaktors 1 besteht aus den Zu- und Abführleitungen von dem Wärmetauscher 4, wobei im Zulauf zum Reaktor 1 eine Pumpe 2 eingebaut ist. Der Wärmetauscher 4 enthält auf der Sekundärseite einen weiteren Kühlkreislauf 7, in dem die Pumpe 3 und ein Ventil 5 zum Regeln des Zulaufes der Kühlflüssigkeit zum
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Wärmetauscher 4 eingestellt werden kann. An der Ablaufseite des Kühlkreislaufes vom Reaktor 1 ist ein Temperaturfühler 8 angeordnet, mit dem die Temperatur im Innern des Reaktorcores gemessen werden kann. An einem beliebigen Ort innerhalb der Abschirmung 9 des Reaktorcores kann ein Neutronendetektor 10 (Anfahrkammer) angeordnet sein, mit dem der Neutronenfluß Φ bzw. die
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Neutronenflußanderüng ο γ gemessen wird.
Die Einstellung des Reaktorcores auf z.B. zwei verschiedene Temperaturen Tl und T2 kann durch Veränderung der Pumpleistung der Pumpe 2 bzw. durch Veränderung der Pumpleistung der Pumpe 3 im Sekundärkreislauf bzw. durch Einstellung des Ventils 5 geändert werden. Die Differenz Tl - T2 der Temperaturen, die im Reaktorcore somit einstellbar sind, ergibt die Temperaturdifferenz 0 V nach Formel 2. Das Ventil 5 kann auch im Kühlkreislauf des Reaktors 1 vor oder nach dem Wärmetauscher 4 angeordnet werden.
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Claims (4)

GESELLSCHAFT FUR KERNFORSCHUNG MBH Karlsruhe, PLA 71/31 den 13. Juli 1971 Ga/sch Patentansprüche;
1.^Verfahren zur statischen Messung der Unterkritikalität eines Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß der unterkritische Kernreaktor (1) unter Ausnutzung der Nachwärmeerzeugung nacheinander auf verschiedene Temperaturen { Tl, T2 ) eingestellt ■wird, "womit eine Reaktivitätsstörung (cTk) , deren Größe aus. der gemessen Temperaturänderung ( Tl - T2 =/v ) und dem bekannten Temperatur-Reaktivitätskoeffizienten (c ^> ) bestimmbar ist, im Reaktorcore erzeugt wird, daß der Neutronenfluß (i) vor und dessen Änderung {J'f) nach der Reakt ivitäts störung (Jk) gemessen und daß hieraus die Unterkritikalität (4k) rechnerisch ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterkritikalität (A k) nach der an sich bekannten Formel 4k =ti k · —Fr^ ermittelbar xst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktivitätsstörung (i k) gemäß der an sich bekannten Formel ' v--v ermittelbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der verschiedenen Temperaturen ( Tl, T2 ) der Durchfluß und/oder die Temperatur des Kühlmittels mit den zum Betrieb des Kernreaktors (1) verwendeten Pumpen (2,3) und/oder Wärmetauschern (4) variiert wird und daß die Temperaturen ( Tl, T2 ) mit der KreislaufInstrumentierung (8) und der Neutronenfluß (^?) und dessen Änderung ( mit z.B. einer Anfahrkammer (Neutronendetektor 10) gemessen werden.
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5?
Leersei, te
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