DE2337354C3 - Vorrichtung zur Regelung eines Druckwasserreaktors mit verstellbaren Steuerstäben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung eines Druckwasserreaktors mit einem Reaktorkern, über dessen axiale Höhe Steuerstäbe zum Ausgleich von axialen Neutronenflußunterschieden verstellbar sind, die von mindestens einer Meßstelle für die örtliche Leistung im oberen und unteren Kernbereich erfaßt werden, wobei zur Einhaltung einer bestimmten Kühlmitteltemperatur einerseits und zur Kompensation der Rückwirkung der Brennstofftemperatur auf die Reaktivität de« Reaktorkerns andererseits zwei Gruppen von Steueisläben, die über praktisch die gesamte Kernhöhe mit neutronenabsorbierendem Material belegt sind, so angeordnet sind, daß die erste Gruppe praktisch ausschließlich im oberen Bereich des Reaktor* kerns verstellbar ist, während die zweite Gruppe über praktisch die gesamte Kernhöhe verstellbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist im wesentlichen aus dem »VGB-Kernkraftwerksseminar 1970« S. 57-64 bekannt. Nach der schweizerischen Patentschrift 08 966 soll bei einem Druckwasserreaktor die Xenonvergiftung, die man bei Druckwasserreaktoren in der Regel durch Veränderung der Borsäurekonzentration im Kühlmittel kompensiert, mit besonderen Steuerstäben einer sogenannten Xenonbank kompensiert werden. Dies geschieht, wie in der Patentschrift ausführlich dargelegt ist, in der Weise, daß man die höhere Leistungsentwicklung wegen der beim Abbrennen von Xenon entstehende Verringerung der Xenonvergiftung durch Einfahren der Steuerstäbe beseitigt. Damit will man erreichen, daß die Steuerstäbe der eingangs genannten beiden Steuerstabgruppen unabhängig von Xenoneinwirkungen verstellt werden können, d. h. so, als gäbe es diese nicht

Bei dem aus der schweizerischen Patentschrift 5 08 966 Bekannten ist ferner eine sogenannte Teil-Steuerstabbank vorgesehen, deren Steuerstäbe nur auf e^;ner Teillänge mit Absorbermaterial belegt sind. Sie dient dazu, auf Grund von Innenmessungen des Neutronenflusses im Reaktorkern die Leistungsverteilung über den Reaktorkern zu verbessern. Dabei geht man von der Vorstellung aus, daß örtlich höhere Leistungsdichten nur mit Teilsteuerstäben beeinflußt werden können, weil Steuerstäbe mit einer über die gesamte Kernhöhe reichenden Absorberbelegung ja nicht nur an der zu beeinflussenden Stelle wirksam werden können.

Die zuletzt genannte Auffassung kommt auch in der US-PS 30 81 248 zum Ausdruck, die einen gasgekühlten Kernreaktor beschreibt, bei dem die Neutronenflußverteilung im Moderator durch Teillängenstäbe beeinflußt werden soll. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Patentschrift sind an den Enden eines über die Kernhöhe reichenden Stabes neutronenabsorbierende Abschnitte vorgesehen, damit das Eintauchen von Absorbermaterial am einen Kernende mit einem Ausfahren von Absorbermaterial am gegenüberliegenden Kernende verknüpft ist Damit soll die Flußverteilung beeinflußt werden, ohne daß die Leistungserzeugung insgesamt verändert wird. Die gleiche Wirkung wird bei einem anderen Ausführungsbeispiel der genannten Patentschrift dadurch bfzweckt, daß zwei Teillängenstäbe mit Absorberbelag einmal am unteren Ende des Kernes und zum anderen am oberen Ende des Kernes über eine Kopplung der Antriebe zusammengefaßt sind. Die mit solchen Anordnungen erreichbare Beeinflussung von axialen Schieflasten wird jedoch mit einem sehr großen Aufwand erkauft, weil die Teilstäbe zusätzlich zu den für eine normale Leistungsregelung vorgesehenen Steuerstäbe vorhanden sein müssen.

In der DE-AS 16 14 702 wird ferner ein Regelsystem für eine Kernreaktoranlage beschrieben, bei dem der

so Reaktorkern in einzelne Zonen unterteilt ist. Die Leistung der Zonen wird für sich gentessen und mit Steuerstäben, die nur jeweils einer Zone zugeordnet sind, derart geregelt, daß sie dem Durchschnittswert der Zonen gleicht Die Steuerstäbe einer Zone werden im Fall einer Abweichung ebenso wie bei einer Leistungsänderung »gleichzeitig und gleichsinnig« verstellt. Eine solche Regelung ist jedoch nur möglich, wenn die Steuerstäbe den einzelnen Zonen so zugeordnet werden können, daß sie von gegenüberliegenden Seiten bis höchstens zur halben Kerntiefe eingefahren werden. Bei Steuerstäben, deren Bewegung sich von einer Seite aus über den gesamten Kern erstreckt, ist eine solche Regelung nicht möglich. Sie hat darüber hinaus den Nachteil, daß die Steuerstäbe zahlreicher sein müssen als bei Druckwasserreaktoren der eingangs genannten Art. Daraus ergeben sich vermehrte Störungsquellen, besonders dann, wenn die Steuerslabantriebe häufig betätigt werden müssen.

Die Erfindung hat sich demgegenüber das Ziel gesetzt, die bei großen Kernreaktoren auftretenden axialen Ungleichmäßigkeiten der Leistungsverteilung, die vor allem auf Xenonvergiftungen zurückgehen und zu sogenannten Xenonschwingungen führen können, mit den bei der eingangs genannten Vorrichtung vorhandenen Steuerstäben zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst

Mit den beiden Meßstellen werden Differenzen in der axialen Leistungsverteilung, die eine Schwingung anfachen, so rechtzeitig festgestellt, daß eine automatische Gegenwirkung möglich ist. Diese besteht in einer Verstellung von ohnehin vorhandenen Steuerstäben, wodurch die Leistungsverteilung geändert wird. Dies geschieht über Langzeitglieder, so daß eine den langsamen Leistungsänderungen gut angepaßte Rückwirkung erhalten wird.

Für die Erfindung gemäß Vorrichtung ist es ferner wesentlich, daß* der Stellungssollwert nur für diejenige der beiden Gruppen vorgegeben wird, die über die gesamte Kernhöhe verstellbar ist, damit die andere Bank gezielt im oberen Bereich verstellt wird und damit die durch die Stellungsänderung der anderen Gruppe verursachte Änderung der Gesamtleistung ausgleichen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht zu vergleichen mit einem aus der britischen Patentschrift !2 84 871 bekannten gasgekühlten graphitmoderierten Hochtemperaturreaktor, bei dem die Funktion der Steuerstabbewegungen lediglich darin liegt, die Auslaßtemperatur des Kühlgases bei der gewünschten Durchschnittstemperatur in stetigem Zustand, d. h. ohne Leistungsänderung, festzulegen. Die Anpassung an Laständerungeri erfolgt hier durch Änderung der Kühlmittelmenge. Über die Einwirkung von Xenonvergiftungen oder andere Arten von axialen Ungleichmäßigkeiten in der Leistungsverteilung ist nichts gesagt

Des weiterem unterscheidet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch von einem in der Zeitschrift »Atomwirtschaft«, Juli 1967, Seiten 353 und 354 beschriebenen Siedewasserreaktor, für den angegeben ist, daß beim Ausfahren von Steuerstäben zur Leistungserhöhung dann, wenn man sich der vollen Leistung nähert, durch die gewählte Ausfahrfolge eine Leistungsverteilung gewährleistet sr'm muß, in der radiale und axiale Leistungsfaktoren in den zulässigen Grenzen bleiben. Einmal spielt bei dem bekannten Siedewasserreaktor die durch die Dampfbildung im Kern verursachte Änderung des Moderationsverhältnisses eine ganz ausschlaggebende Rolle, so daß von vornherein andere Regelkonzepte vorgesehen sein müssen, die den Dampfdruck und den Umlauf des Kühlmittels im Druckbehälter berücksichtigen. Zum anderen gibt es bei (fern bekannten Siedewasserreaktor keine Steuerstabbank mit unterschiedlichen Funktionen. Im übrigen werden die Steuerstäbe dort von unten in den Reaktorkern eingefahren, so daß eine Steuerstab· bank, die praktisch ausschließlich im oberen Bereich des Reaktorkerns verstellbar ist, von vornherein unmöglich ist.

Die Leistungsregelung arbeitet um so genauer, je feiner die Meßeinrichtungen für die Leistung gestaltet werden können. Aus diesem Grunde ist es günstig, wenn die beiden Meilstellen zur Inneninstrumentierung des Kerns gehören. Daneoen ist es aber auch denkbar, daß man die Leistung mit genügend großer Genauigkeit auf der Außenseite des Reaktordruckbehälters feststellt.

zum Beispiel im Hinblick darauf, daß man die Außeninstrumentierung durch Wartung. Auswechseln oder dergleichen besonders zuverlässig gestalten und kalibrieren kann.

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

ι ο bekannter Weise aufgebaut ist

Der Druckwasserreaktor besitzt einen Reaktordruckbehälter 1, in dem der Reaktorkern 2 enthalten ist Die Kern höhe //beträgt mehr als 3,5 m, z. B. 3,9 m, da der Druckwasserreaktor für eine Leistung von 1200 MWe 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 Damp; wird über eine Leitung 7 zu einer nicht dargestellten Turl/ine geführt

Zur Regelung der thermischen Leistung von annähernd 4000 MW, die im Kern 2 des DruckwasseTeaktors erzeugt wird, dienen Steuerstäbe mit neutronenabsorbieresdem Material, die über die gesamte Kernhöhe H verstellbar sind. Insgesamt sind etwa 50 Steuerstäbe über den annähernd kreisförmigen Querschnitt des Kerns 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.

Die 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 Reaktorkerns verstellt, wie bei 11 angedeutet ist und behält eine einmal eingenommene Stellung so weit wie möglich bei.

Diese erste Gruppe L umfaßt etwa ²A bis ³A aller Steiierstäbe.

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 Vi₀ aller

Steuerstäbe. Durch den Steuerstab 16 ist eine dritte Gruppe X

so angedeutet, die zur schnellen und/oder örtlichen Ausregelung von Leistungsänderungen gedacht ist, die durch Xenonrückwirkung verursacht werden. Diess 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 '/< aller Steuerstäbe.

An den äußeren Kühlmittelkreis 3 sind zwei Meßstellen 20 und ?1 gelegt, die die Austrittstemperatur

des Kühlmittels aus dem Reaktordruckbehälter i und die Temperatur nach dein Passieren des Dampferzeugers 4 feststellen. Daraus wird bei 22 ein mittlerer Wert 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 ±I'C auf ein Schrittschaltwerk 28 ein. das die Stäbe 10 der Leistungsbank L verstellt, wie durch die Wirkungshnie 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 Kernbi¹.: reich zugeordnet, die der Übersichtlichkeit halber am linken Rand der Zeichnung angedeutet sind. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise Neutronendetektoren 32 in nicht weiter dargestellter, bekannter Weise im Kern 2 vorgesehen, die zur Kerninnenmessung 34 gehören, lihre 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 Meßstelle 30 gemessenen örtlichen Reaktorleistunijj am oberen Kernende an der Gesamtreaktorleistung Pr, die zum Beispiel von einem Rechner 36 aus der Differenz der Kühlmittellemperaturen bei 20 und 21 umd der Drehzahl der Hauptkühlmittelpumpe 5 ermittelt: werden kann, sowie unter Berücksichtigung der Stellung der ersten Stabgruppe /, die von dem Stellungsmelder 27 übermittelt wird, erfolgt über ein Lang2i:itglied 37 eine Beeinflussung des Sollwertes für einen Leistungsverteilungsregler 38. Je größer die gesandte thermische Reaktorleistung Pr und je geringer die Ei titauchtiefe 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 38ft und in Reihe mit dem letzten ein Proportionalglied 38c mit Totband umfaßt, den vom Abbrandvertdlungsregler 35 über das Langzeitglied 37 gegebenen Sollwert mit der Differenz aus den Leistungsmeßwerten der Meßstellen 30 und 31 von oberer und unterer Kernhälfte. Unter Berücksichtigung des über einen Schulter 39 angeschlossenen, zum Beispiel von Hand oder auch entsprechend dem Abbrand verstellbaten Sollwertgebers 40 für die Stellung der zweiten Sfeuergruppe D

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glied 41 von ±5 cm ein Schrittschaltwerk 42 in Gang gesetzt, so daß die Steuerstäbe 14 verstellt werden, wenn eine unerwünschte Leistungsvencilung vorliegt oder zu erwarten ist.

Mit dem Schalter 39 kann die Regelung der Steuerstäbe 14 der zweiten Stabgruppe D auch von einer Außenmessung 43 abhängig gemacht werden, die zwei durch die Sonden 44 und 4S angedeutete Meßstellen im ooeren und unteren Kernbereich aufweist. Von den durch eine geeignet«: 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 nachgeschaUeten Elemente gegeben. Damit können also ebenfalls die Steunrstäbe 14 der .Stabgruppe D betätigt werden, wenn die Ungleichmäßigkeiten in der l.eistungsverteilung unerwünscht groß werden.

Die 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 Endstellungsmeldun gen 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 Totband^ied 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 diesem abhängig wird über den Stellungsmelder 57 der RegelaiKrieb 53 angestoßen, wenn die X-Bank bestimmte Grenzwerte erreicht hat.

Die Meßstellen 30 und 31 gehören entgegen der zeichnerischen Darstellung zur Inneninstrumentierung des Reaktorkerns 2. Sie messen also unmittelbar den Neutronenfluß und damit die örtliche Leistung im oberen und unteren Kernbereich. Sie können jeweils mehrere Sonden 32 umfassen. Beim Ausführungsbeispiel sind pro Meßstelle drei dargestellt, die nach dem 2-von-3-System ausgewertet werden können. Man kann

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

so 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung eines Druckwasserreaktors mit einem Reaktorkern, über dessen axiale Höhe Steuerstäbe zum Ausgleich von axialen Neutronenflußunterschieden verstellbar sind, die von mindestens einer Meßstelle für die örtliche Leistung im oberen und unteren Kernbereich erfaßt werden, wobei zur Einhaltung einer bestimmten Kühlmitteltemperatur einerseits und zur Kompensation der Rückwirkung der Brennstofftemperatur auf die Reaktivität des Reaktorkerns andererseits zwei Gruppen von Steuerstäben, die über praktisch die gesamte Kernhöhe mit neutronenabsorbierendem Material belegt sind, so angeordnet sind, daß die erste Gruppe praktisch ausschließlich im oberen Bereich des Reaktorkerns verstellbar ist, während die zweite Gruppe über praktisch die gesamte Kernhöhe verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kernhöhe (H) von mindestens S₁Sm die Differenz der Meßwerte der oberen Meßstelle (30) und der unteren Meßstelle (31) über Zeitglieder (38a, 3&b) auf einen Stellungs-Sollwertgeber (40) für die Stellung der zweiten Gruppe (D) so einwirkt, daß dieser Stellungssollwert mit wachsender thermischer Gesamtleistung (Pr) und abnehmender örtlicher Leistung in der oberen Kernhälfte in Richtung größerer Eintauchtiefen der zweiten Gruppe (D) verstellt wird, so daß über den Regelkreis (20,21,22) für die Kühlmitteltemperatur eine gegenläufige Bewegung der ersten Gruppe (L) von Steuerstäben ausgelöst wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (40) für die Stellung der zweiten Gruppe (D)über eir..n Abbrandverteilungsregler (35) mit Langzettglied (37) mit zunehmender Eintauchtiefe der ersten Gruppe (L) in Richtung größerer örtlicher Leistung in der oberen Kernhälfte beeinflußt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßsteilen (30,31) zur Inneninstrumentierung des Kerns gehören.