DE2337354A1

DE2337354A1 - Druckwasserreaktor mit verstellbaren steuerstaeben

Info

Publication number: DE2337354A1
Application number: DE19732337354
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Aleite; Heinz-Wilhelm Dr Ing Bock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-07-23
Filing date: 1973-07-23
Publication date: 1975-02-06
Also published as: SE7409516L; SU558655A3; BR7406023D0; BE817800A; ES428493A1; DE2337354C3; IT1017253B; SE418657B; AT370551B; JPS605917B2; GB1480148A; CH571756A5; JPS5042298A; FR2238992B1; ATA519174A; DE2337354B2; FR2238992A1

Description

Druckwasserreaktor mit verstellbaren Steuerstäben.

Die Erfindung betrifft einen Druckwasserreaktor mit verstellbaren Steuerstäben, von denen eine Gruppe zur Einhaltung einer bestimmten Kühlmitteltemperatur und eine zweite Gruppe zur Kompensation der Rückwirkung der Brennstofftemperatur verstellt wird, und mit einer Einspeisung von Deionat oder Borsäure in den Reaktorkern zur Kompensation von Xenonvergiftung und Abbrand. Eine solche Anordnung ist zum Beispiel in dem Aufsatz "Regelung des Kernkraftwerkes" in dem Buch VGB Kernkraftwerksseminar 1970, Seiten 57 bis 64, beschrieben.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Druckwasserreaktor der oben genannten Art so zu verbessern, daß er auch für die größten geplanten und zukünftigen Leistungen geeignet ist. Dabei ist folgendes Problem zu lösen:

Bei Kernreaktoren großer Leistung und damit auch großer Länge des Reaktorkerns kann sich aus der Xenonrückwirkung ein Schwingungsvorgang in der Leistungsverteilung über die Kernhöhe ergeben, der zu örtlichen Überlastungen führt. Eine gesteuerte Einwirkung auf diesen Vorgang wird zugleich dadurch erschwert, daß die Xenonvergiftung die Wirkung von Steuerstäben beeinträchtigen, zum Teil sogar aufheben kann. Vor allem aber handelt es sich um einen Langzeitvorgang, der in seinen späteren Auswirkungen anhand der Augenblickswerte der Leistung und der Leistungsverteilung gar nicht zu übersehen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der genannten Aufgabe besteht darin, daß bei einer Kernhöhe von mindestens 3» 5 m .je mindestens

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eine Meßstelle für die örtliche Leistung im oberen und im unteren Kernbereich vorgesehen ist und daß die Differenz der Meßwerte der Oben- und Unten-Messungen über Langzeitglieder auf einen Stellungs-Sollwertgeber für die eine der beiden Gruppen einwirkt.

Mit den beiden Meßstellen können Differenzen in der axialen Leistungsverteilung, die eine Schwingung anfachen, so rechtzeitig festgestellt werden, daß eine automatische Gegenwirkung möglich ist. Die Gegenwirkung besteht in einer Verstellung von Steuerstäben, wodurch die Leistungsverteilung geändert wird. Sie wird über Langzeitglieder ausgeübt, so daß eine den langsamen Leistungsänderungen gut angepaßte Rückwirkung erhalten wird. Hierbei ist es besonders wesentlich, daß der Stellungs-Sollwert für nur eine der beiden Gruppen vorgegeben wird, damit die andere die durch die Stellungsänderung verursachte Leistungsänderung ausgleichen kann. Dies bedeutet, daß unabhängig von Stellungsänderungen zur Bekämpfung einer ungleichmäßigen Xenonvergiftung die vom Druckwasserreaktor geforderte Leistung beibehalten wird.

In der deutschen Auslegeschrift 1 614 702 wird zwar schon ein Regelsystem für eine Kernreaktoranlage beschrieben, bei dem der Reaktorkern in einzelne Zonen unterteilt ist, deren Leistung für sich gemessen und derart geregelt wird, daß sie dem Durchschnittswert der Zonen gleicht. Hierzu werden die Steuerstäbe der einzelnen Zonen im Falle einer Abweichung aber ebenso wie alle Steuerstäbe des Kernreaktors im Falle einer Leistungsänderung "gleichzeitig und gleichsinnig" verstellt. Deshalb ist der mit der Erfindung bezweckte Ausgleich von insbesondere axialen Xenonschwingungen nicht oder jedenfalls nur mit einer so häufigen Verstellung der Steuerstäbe möglich, daß die Steuerstabantriebe überfordert werden.

Wie gefunden wurde, kommt man erstaunlicherweise zu besonders günstigen Ergebnissen, wenn man mit der Differenz zwischen oberer und unterer Leistung den Sollwertgeber für die Stellung

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der zweiten Gruppe der Steuerstäbe verändert, d.h. der Gruppe, die zur Kompensation der Rückwirkungen der Brennstofftemperatur vorgesehen ist. Die erste Gruppe, die eine bestimmte Kühlmitteltemperatur einzuhalten gestattet, reagiert dann ihrerseits auf die geänderte Leistungsverteilung, so daß, wie gesagt, die Leistungserzeugung insgesamt konstant gehalten wird.

Der Sollwertgeber kann gemäß der weiteren Erfindung so mit der Leistungsdifferenz verkoppelt sein, daß er mit wachsender thermischer Gesamtleistung und abnehmender örtlicher Leistung in der oberen Kernhälfte über Langzeitglieder in Richtung größerer Eintauchtiefen verstellt wird. Dies bedeutet, da3 die tiefer in den Kern eintauchenden Stäbe der zweiten Gruppe ein Ausfahren der Stäbe der ersten Gruppe verursachen, so daß die Leistung in der oberen Kernhälfte wieder erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Leistungsregelung arbeitet um so genauer, je feiner die Meßeinrichtungen für die Leistung gestaltet werden können. Aus diesem Grunde ist es günstig, wenn die beiden Meßstellen zur Inneninstrumentierung des Kerns gehören. Daneben ist es aber auch denkbar, daß man die Leistung mit genügend großer Genauigkeit auf der Außenseite des Reaktordruckbehälters feststellt, z.B. im Hinblick darauf, daß ■an die Außeninstrumentierung durch Wartung, Auswechseln oder dergleichen besonders zuverlässig gestalten und kalibrieren kann.

Die Erfindung kann vorteilhaft mit Steuerstäben verwirklicht werden, die über praktisch die gesamte Kernhöhe mit neutronenabsorbierendem Material belegt sind. Mit anderen Worten gesagt, kann man bei der Erfindung auf sonst übliche Teilsteuerstäbe verzichten, so daß man mit praktisch gleichen Steuerstäbtn für alle Regelfunktionen auskommt. Dies gilt nicht nur für eine gleichmäßige Leistungsverteilung in axialer, sondern auch in radialer Richtung, die das Optimum an Neutronenöko-

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nomie ergibt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei sind in schematischer Darstellung die erfindungsgemäßen Regelmöglichkeiten für einen Druckwasserreaktor gezeigt, der in mechanischer Hinsicht in bekannter Weise aufgebaut ist.

Der Druckwasserreaktor besitzt einen Reaktordruckbehälter 1, in dem der Reaktorkern 2 enthalten ist. Die Kernhöhe H beträgt mehr als 3,5 i, z.B. 3»9 m, da der Druckwasserreaktor für eine Leistung von 1200 HVe ausgelegt ist. An den Reaktordruckbehälter 1 schließt sich ein äußerer Kühlmittelkreis 3 an. Er umfaßt mindestens einen Dampferzeuger 4, durch den das als Primärkühlmittel verwendete leichte Wasser mit einer Hauptkühlmittelpumpe 5 gedrückt wird. Der Dampferzeuger 4 wird von einer Speisewasserleitung 6 mit dem Speisewasser versorgt. Der Dampf wird über eine Leitung 7 zu einer nicht dargestellten Turbine geführt.

Zur Regelung der thermischen Leistung von annähernd 4000 MW, die im Kern 2 des Druckwasserreaktors erzeugt wird, dienen Steuerstäbe mit neutronenabsorbierendem Material, die über die gesamte Kernhöhe H verstellbar sind. Insgesamt sind etwa 50 Steuerstäbe über den annähernd kreisförmigen Querschnitt des Kernes 2 weitgehend gleichmäßig verteilt. Sie sind praktisch gleich ausgebildet, denn ihre aktive, d.h. neutronenabsorbierende Länge ist übereinstimmend ungefähr so groß wie die Kernhöhe H.

Di· Steuerstäbe sind in drei Gruppen gegliedert. Eine erste Gruppe, die durch einen Steuerstab 10 repräsentiert und mit L bezeichnet ist, dient zur Einhaltung einer bestimmten Kühlmitteltemperatur. Sie wird praktisch ausschließlich im oberen Bereich des Reaktorkernes verstellt, wie bei 11 angedeutet ist, und behält eine einmal eingenommene Stellung so weit

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wie möglich bei. Diese erste Gruppe L umfaßt etwa 2/3 bis 3/4 aller Steuerstäbe.

Eine zweite Gruppe ist durch einen Steuerstab 14 repräsentiert. Sie wird mit D bezeichnet und soll Rückwirkungen der Brennstofftemperatur auf die Reaktivität kompensieren. Zu diesem Zweck ist sie über praktisch die gesamte Kernhöhe H verstellbar, wie bei 15 angedeutet ist. Ihre Zahl beträgt etwa 1/10 aller Steuerstäbe.

Durch den Steuerstab 16 ist eine dritte Gruppe X angedeutet, die zur schnellen und/oder örtlichen Ausregelung von Leistungsänderungen gedacht ist, die durch Xenonrückwirkung verursacht werden. Diese Steuerstäbe können eine geringere Reaktivität haben (graue Stäbe). Sie werden einzeln oder in kleinen Gruppen nach Möglichkeit nur voll in den Kern 2 eingefahren, wie bei 17 angedeutet ist. Die Gruppe X umfaßt weniger als 1/4 aller Steuerstäbe.

An den äußeren Kühlmittelkreis 3 sind zwei Meßstellen 20 und 21 gelegt, die die Austrittstemperatur des Kühlmittels aus dem Reaktordruckbehälter 1 und die Temperatur nach dem Passieren des Dampferzeugers 4 feststellen. Daraus wird bei 22 ein mittlerer Vert gebildet, der zur Regelung der Kühlmitteltemperatur dient. Zu diesem Zweck wird der Istwert der Kühlmitteltemperatur mit dem Sollwert eines Sollwertgebers 23 verglichen und auf einen Proportional-Differentialregler (PD-Regler) 25 gegeben. Dieser wirkt über ein Proportionalglied 26 mit Totband mit einer Totbandbreite von ± 1°C auf ein Schrittschaltwerk 28 ein, das die Stäbe 10 der Leistungsbank L verstellt, wie durch die Wirkungslinie 29 angedeutet ist, und das mit Hilfe eines Stellungsmelders 27 die Jeweilige Eintauchtiefe der Leistungsbank L angibt.

Dem Reaktorkern 2 sind unter anderem zwei Meßstellen 30 und 31 für die Messung der örtlichen Leistung im oberen und unteren Kernbereich zugeordnet, die der Übersichtlichkeit

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halber am linken Rand der Zeichnung angedeutet sind. Zu diese« Zweck sind vorzugsweise Neutronendetektoren 32 in nicht weiter dargestellter, bekannter Weise im Kern 2 vorgesehen,, die zur Kerninnenaessung 34 gehören. Ihre Meßwerte, die über Verstärker 33 erfaßt werden, sind die Grundlage einer Berechnung, die in einem sogenannten Abbrandverteilungsregler 35 vorgenommen wird. In Abhängigkeit von dem Anteil der mit der Heßstelle 30 gemessenen örtlichen Reaktorleistung am oberen Kernende an der Gesamtreaktorleistung P_R, die zum Beispiel von einem Rechner 36 aus der Differenz der Kühlmitteltemperaturen bei 20 und 21 und der Drehzahl der Hauptkühlmittelpumpe 5 ermittelt werden kann, sowie unter Berücksichtigung der Stellung der ersten Stabgruppe L, die von dem Stellungsmelder 27 übermittelt wird, erfolgt über ein Langzeitglied 37 eine Beeinflussung des Sollwertes für einen Leistungsverteilungsregler 38. Je größer die gesamte thermische Reaktorleistung Pr und je geringer die Eintauchtiefe der Steuerstäbe 10 der ersten Gruppe L ist, um so größer darf die Leistung in der oberen Kernhälfte sein. Zu diesem Zweck vergleicht der Leistungsverteilungsregler 38, der die beiden Zeitglieder 38a und 38b und in Reihe mit dem letzten ein Proportionalglied 38c mit Totband umfaßt, den vom Abbrandverteilungsregler 35 über das Langzeitglied 37 gegebenen Sollwert mit der Differenz aus den Leistungsmeßwerten der Meßstellen und 31 vom oberer und unterer Kernhälfte. Unter Berücksichtigung des über einen Schalter 39 angeschlossenen, zum Beispiel von Hand oder auch entsprechend dem Abbrand verstellbaren Sollwertgebers 40 für die Stellung der zweiten Steuergruppe D wird danach über ein Proportionalglied mit Totbandglied 41 von i 5 cm ein Schrittschaltwerk 42 in Gang gesetzt, so daß die Steuerstäbe 14 verstellt werden, wenn eine unerwünschte Leistungsverteilung vorliegt oder zu erwarten ist.

Mit dem Schalter 39 kann die Regelung der St euer stäbe 14 der zweiten Stabgruppe D auch von einer Außenmessung 43 abhängig gemacht werden, die zwei durch die Sonden 44 und 45 angedeu-

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tete Meßstellen im oberen und unteren Kernbereich aufweist. Von den durch eine geeignete Summation in den Verstärkern 46 gebildeten Mittelwerten wird die Differenz als Istwert in einem Regler 47 benutzt und über den Schalter 39 auf die auch dem Leistungsverteilungsregler 38 nachgeschalteten Elemente gegeben. Damit können also ebenfalls die Steuerstäbe 14 der Stabgruppe D betätigt werden, wenn die Ungleichmäßigkeiten in der Leistungsverteilung unerwünscht groß werden.

Die nach der Erfindung vorgesehene Verwendung von Steuerstäben zur Vermeidung von Xenonschwingungen kann noch durch die dritte Steuerstabgruppe X und durch die Einspeisung von Deionat oder Borsäure in den Reaktorkern unterstützt werden, die beide zum Ausgleich von Xenonvergiftung und Abbrand beitragen. Hierzu dienen eine Borsäureleitung 48 und eine Leitung 49 für Deionat (reines Wasser), die über eine Kühlmittelpumpe 50 an den Kühlmittelkreis 3 angeschlossen sind. Die zugehörigen Stellventile 51 und 52 werden von einem Regelantrieb 53 geöffnet. Dieser erhält seine Befehle einmal direkt in Abhängigkeit von einem Vergleich des Sollwertes für die Stellung der D-Bank, der in erster Linie von der thermischen Reaktorleistung (Rechner 36) abhängt, mit dem Istwert der Stellung, die von einem dem Schrittschaltwerk 42 zugeordneten Geber 54 geliefert wird. Als weitere Größe kann ein Sollwert von einem Steller 60 vorgegeben werden. Der Regelantrieb 53 kann aber auch unmittelbar von Endstellungsmeldungen eines dem Schrittschaltwerk 56 für die Steuerstäbe 16 der Xenonbank X zugeordneten Stellungsmelders 57 angeregt werden. Dies wird über einen Schalter 58 vorgewählt.

Den Absorberstäben 16 ist ein Proportionalregler mit Totbandglied 55 mit ^± 20 cm vorgeschaltet, so daß sie erst bei größeren Werten betätigt werden, über das Totbandglied 55 wird das erwähnte Schrittschaltwerk 56 angeregt. Von

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diesem abhängig wird über den Stellungsmelder 57 der Regelantrieb 53 angestoßen, wenn die X-Bank bestimmte Grenzwerte erreicht hat.

Di· Heßstellen 3o und 31 gehören entgegen der zeichnerischen Darstellung zur Inneninstrumentierung des Reaktorkernes 2. Sie ■essen also unmittelbar den Neutronenfluß und damit die örtliche Leistung im oberen und unteren Kernbereich. Sie können jeweils mehrere Sonden 32 umfassen. Beim Ausfuhrungsbeispiel sind pro MeßsteUe drei dargestellt, die nach dem 2-von-3-System ausgewertet werden können. Man kann auch die Summe oder eine andere Rechenfunktion, z.B. den zweitgrößten Wert, wählen. Oberhalb einer bestimmten zulässigen Differenz zwischen den beiden letztlich maßgebenden Werten der Meßstellen 30, 31 wird durch eine Verstellung der Steuerstäbe 14 eine Bewegung der Steuerstäbe 10 ausgelöst, da diese auf Grund der Kühlmitteltemperaturregelung in Bewegung gesetzt werden, wenn durch Verstellen der Stäbe 14 die Reaktorleistung geändert wird. Das gleiche gilt für die mit dem Schalter 39 einzustellende Regelung in Abhängigkeit von den Meßwerten der Sonden 44,45 der Außenmessung 43. Auf diese Weise kann man die Differenzen zwischen oberen und unteren Leistungswerten in solchen Grenzen halten, daß keine durch Xenon bedingten Schwingungen entstehen können.

6 Patentansprüche 1 Figur

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Claims

- 9 - VPA 73/9438 Patentansprüche:

( 1J Druckwasserreaktor mit verstellbaren Steuerstäben, von denen eine Gruppe zur Einhaltung einer bestimmten Kühlmitteltemperatur und eine zweite Gruppe zur Kompensation der Rückwirkung der Brennstofftemperatur verstellt wird, und mit einer Einspeisung von Deionat oder Borsäure in den Reaktorkern zur Kompensation von Xenonvergiftung und Abbrand vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kernhöhe von mindestens 3»5 m je mindestens eine Meßstelle (30,31) für die örtliche Leistung im oberen und im unteren Kernbereich vorgesehen ist und daß die Differenz der Meßwerte der Oben- und Unten-Messungen über Langzeitglied (37,38) auf einen Stellungs-Sollwertgeber (40) für die eine der beiden Gruppen (L, D) einwirkt.
2. Druckwasserreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz auf den Sollwertgeber (40) für die Stellung der zweiten Gruppe (D) einwirkt.
3. Druckwasserreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (40) mit wachsender thermischer Gesamtleistung (P_R) und abnehmender örtlicher Leistung in der oberen Kernhälfte über Langzeitglied (37) in Richtung größerer Eintauchtiefen verstellt wird.
4. Druckwasserreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (40) über einen Leistungsverteilungsregler (38) von einem Abbrandverteilungsregler (35) mit zunehmender Eintauchtiefe der ersten Gruppe (4) in Richtung größerer örtlicher Leistung in der oberen Kernhälfte beeinflußt wird.
5. Druckwasserreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßstellen (30,31) zur Inneninstrumentierung des Kerns gehören.

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6» Druckwasserreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Steuerstäbe (10, 14, 16) über praktisch die gesamte Kernhöhe mit neutronenabsorbierendem Material belegt sind.

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