DE2535654C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE-OS 19 48 913 bekannt.

Zur Regelung der Reaktorleistung wird gemäß dieser Druckschrift eine Gruppe von Steuerstäben verwendet, die im wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Reaktorkerns reichen. Mit diesen Steuerstäben werden die relativ kurzfristigen Regelvorgänge durchgeführt. Für langfristige Regelungen, insbesondere hinsichtlich der Einflüsse aufgrund von Spaltproduktvergiftungen (Xenon) erfolgt eine Regelung mittels Borsäurekonzentrationsänderungen im Kühlmittel. Diese letztgenannte Regelung ist aber insofern unzureichend, als sie im wesentlichen nur zur Kompensation solcher Reaktivitätsveränderungen dienen kann, die über die ganze axiale Kernlänge gleichmäßig erfolgen. Dabei handelt es sich im wesentlichen um Abbrandkompensationen. Dadurch, daß die Steuerstäbe zeitweise nur zu einem Teil in den Kern eingefahren sind, entstehen aber auch mittelfristig axiale Ungleichheiten, die wiederum zu einer ungleichmäßigen axialen Verteilung der Xenonvergiftung führen, was wiederum zu unerwünschten axialen Leistungsunterschieden, insbesondere zu unerwünschten örtlichen Leistungsspitzen, z. B. in der oberen Kernhälfte, führt. Beim Stand der Technik wird zur Beseitigung dieser Leistungsspitzen eine weitere Gruppe von Steuerstäben vorgesehen, die nur auf einer Teillänge mit Absorbermaterial belegt sind und die dazu dienen, aufgrund von Innenmessungen des Neutronenflusses im Reaktorkern die Leistungsverteilung über die Kernlänge zu verbessern. Schließlich ist noch eine dritte Gruppe von Steuerstäben vorhanden, die eine verringerte Absorptionsfähigkeit besitzen, aber über die gesamte Kernlänge sich erstrecken. Mit diesen Stäben wird die Reaktivitätsänderung infolge Xenonvergiftung ausgeglichen, die bisher durch Änderung der Borsäurekonzentration erreicht wurde, so daß die Borsäurekonzentration nunmehr nur noch zur Nachregelung des Abbrandes benutzt werden muß. Diese letztgenannten Steuerstäbe werden gemäß dem Stand der Technik auch in voneinander getrennten Regelbaugruppen aufgeteilt, wobei jede Gruppe einen bestimmten Regelbereich übernimmt. Dadurch wird die Regelgenauigkeit erhöht.

Aus der Druckschrift geht jedoch nicht hervor, wie bei Leistungsänderungen im einzelnen erreicht wird, daß die Leistungsverteilung über den Kern verbessert werden kann, insbesondere, daß die Leistungsverteilung stabil bleibt und Leistungsspitzen, die die Reaktornennleistung insgesamt begrenzen, möglichst weitgehend vermieden werden.

Aus der IEEE Transactions on Nuclear Science NS-17 (1970), S.572-580 ist es bereits bekannt, die Leistung an je einer Stelle der oberen und der unteren Hälfte des Reaktorkerns zu messen, aus den gemessenen Werten die Differenz und die Summe zu bilden und bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes durch die Differenz die Teillängenstäbe zur Verbesserung der axialen Leistungsverteilung einzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art anzugeben, welches die betrieblich stabilste axiale Leistungsverteilung gewährleistet und welches dabei auch bei Lastfolgebetrieb axiale Leistungsspitzen vermeidet.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale.

Auf diese Weise wird in verhältnismäßig einfacher Weise und mit geringem gerätetechnischen Aufwand auch bei auftretenden Leistungsänderungen eine ausreichend stabile und gleichmäßige axiale Leistungsverteilung erreicht, bei der die maximal zulässige Leistungsabgabe des Reaktorkerns verringernde örtliche Leistungsspitzen entlang der Kernachse möglichst auch dann klein bleiben, wenn durch mittels der Steuerstäbe vorgenommene Leistungsänderungen (z. B. zur Anpassung an geänderten Netzbedarf), Störungen der axialen Leistungsverteilung auftreten.

In den Unteransprüchen finden sich weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahrensweise.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Atomreaktors;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Reaktorkern zur Darstellung der Anordnung der Brennelemente und der Steuerstäbe, die volle Länge (FL) und die Teillänge (PL) aufweisen;

Fig. 3A, 3B, 3C, 3D und 3E grafische Darstellungen von wichtigen Parametern, die die axiale Leistungsverteilung beeinflussen, wobei beispielhafte Kurven für normale Bezugsleistungsverteilungen und Abweichungen von dieser normalen Leistungsverteilung dargestellt sind, die durch Steuerstabeinführung, Leistungspegelveränderung, Aufbrauchvergangenheit und Xenonverteilung verursacht werden;

Fig. 4A bzw. 4B grafische Darstellungen der Xenon-Konzentrationsveränderungen (Fig. 4A), die vorgegebenen Leistungsveränderungen (Fig. 4B) entsprechen;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der axialen Leistungsverteilung, die einer gegebenen Xenonverteilung und einer gegebenen Steuerstabeinführung entsprechen;

Fig. 6 eine grafische Illustration des typischen Verhaltens der axialen Verschiebung für verschiedene Brennstoffzyklen;

Fig. 7A bzw. 7B einen Vergleich der relativen axialen Leistungsverteilung bei voller Leistung und bei 50% Leistung bei Beginn (Fig. 7A) und beim Ende (Fig. 7B) der Lebensdauer ohne Verwendung von Stäben mit Teillänge;

Fig. 8A bzw. 8B grafische Illustrationen der typischen Steuerstabeinführungen und der entsprechenden Leistungsverteilung während des Betriebes bei Anwendung von Steuerstäben mit Teillänge bei 50%iger Leistung (Fig. 8A) und voller Leistung (Fig. 8B);

Fig. 9 ein grafisches Beispiel einer Leistungseinschnürungsverteilung;

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Einführungsgrenzen für die Steuerungsstäbe mit Teillänge;

Fig. 11 ein grafisches Beispiel des Einführungsziels für die Steuerstäbe von voller Länge bei Aufrechterhaltung einer Drehreservenfähigkeit; und

Fig. 12A und 12B grafische Darstellungen eines Operationsbereichs für die zulässige axiale Verschiebung (Fig. 12A) und der entsprechende Neutronenfluß-Differenzbereich (Fig. 12B).

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines typischen Druckwasserreaktors, der das erfindungsgemäße Verfahren anwenden kann, um Betriebsschwierigkeiten zu vermeiden. Der Reaktor der Fig. 1 umfaßt ein Gefäß 10, das einen Druckbehälter bildet, wenn es durch seine Kopfanordnung 12 verschlossen wird. Das Gefäß besitzt einen Einlaß 16 und einen Auslaß 14 für Kühlmitteldurchfluß, wobei Einlaß und Auslaß durch die zylindrischen Wände des Gefäßes 10 einstückig mit diesen hindurchgeführt sind. Das Gefäß 10 enthält in bekannter Weise einen nuklearen Kern 18 der eingangs beschriebenen Art, der noch genauer in Fig. 2 dargestellt ist und im wesentlichen aus einer Vielzahl von ummantelten nuklearen Brennstoffelementen 20 bestehen, die beträchtliche Wärmemengen erzeugen, abhängig hauptsächlich von der Position der bereits beschriebenen Steuerstäbe von Teillänge 22 und voller Länge 24. Die von dem Reaktorkern 18 erzeugte Wärme wird von dem Kühlmittel, das durch den Einlaß 16 eintritt und durch den Auslaß 14 austritt, von dem Reaktorkern wegtransportiert. Gewöhnlich wird das durch den Auslaß 14 austretende Kühlmittel durch eine Auslaßleitung 26 zu einem Wärmeaustauscher-Dampfgeneratorsystem 28 geleitet, indem das erhitzte Kühlmittel durch Röhren hindurchgeführt wird, die in Wärmeaustausch-Beziehung mit Wasser stehen, das zur Erzeugung von Dampf verwendet wird. Der vom Generator erzeugte Dampf wird gewöhnlich verwendet, um eine Turbine zur Erzeugung von Elektrizität zu treiben. Das Kühlmittel gelangt dann von dem Dampfgenerator 28 durch eine Kühlmittelzweigleitung 30 zum Einlaß 16. Auf diese Weise wird ein geschlossener Primärdampferzeugungskreislauf geschaffen, wobei die Kühlmittelrohre das Gefäß 10 mit dem Dampfgenerator 28 verbinden. Das in Fig. 1 dargestellte Gefäß kann drei derartige geschlossene Kreisläufe aufnehmen, doch sei darauf hingewiesen, daß diese Anzahl von Kraftwerk zu Kraftwerk schwankt. Gewöhnlich werden zwei, drei oder vier Kreisläufe verwendet.

Bei der Produktion von thermischer Energie innerhalb des Reaktorkerns gibt es die folgenden, die axiale Leistungsverteilung beeinflussenden wichtigen Parameter:
Die Tiefe der Steuerstabeinführung von sowohl den Steuerstäben voller Länge als auch den Steuerstäben von Teillänge; die Aufbrauchvergangenheit des Reaktorkerns; der Leistungspegel des Reaktors und die Xenonverteilung. Die Fig. 3A, 3B, 3C, 3D und 3E zeigen die Abhängigkeit der Leistungsverteilung von jedem dieser Parameter.

Fig. 3A zeigt die axiale Leistungsverteilung in einem nuklearen Kern bei voller Leistung, wenn alle Steuerstäbe entfernt sind;

Fig. 3B zeigt die axiale Leistungsverteilung, wenn die Steuerstäbe bis zu ihrer Grenze eingeführt sind;

Fig. 3C zeigt die axiale Leistungsverteilung bis zu einem 20%igen Leistungspegel;

Fig. 3D zeigt die axiale Leistungsverteilung kurz bevor der Brennstoff aufgebraucht ist; und

Fig. 3E zeigt die axiale Leistungsverteilung in einem Reaktorkern, bei dem alle Stäbe entfernt wurden, wenn die Xenonanwesenheit ein Gleichgewichtsstadium erreicht hat, d. h. nach ungefähr 6 Stunden mit konstantem Leistungsbetrieb.

Die Erzeugung von Xenon innerhalb des Reaktorkerns hängt ab von der vorhergehenden Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorkerns und ist daher zu jeder Zeit ein Ergebnis der Betriebsvergangenheit von zumindest den letzten 20 Stunden. Um daher die Xenonverteilung zu erhalten, ist eine genaue Rückverfolgung der Leistungsvergangenheit notwendig. Ein Beispiel für die Änderung der Xenonverteilung während einer beispielhaften Leistungsänderung ist in den Fig. 4A und 4B dargestellt. Aus der grafischen Darstellung ist zu erkennen, daß sich die Xenonkonzentration exponentiell in einer Richtung verändert, die umgekehrt ist zur Richtung der entsprechenden Leistungsveränderung. Aufgrund des exponentiellen Abfalls der Xenonkonzentration ist der sich ergebende Neutronen-Absorptionseffekt kumulativ abhängig von der Gesamtbetriebsgeschichte des Reaktors.

Fig. 5 illustriert beispielhaft eine axiale Leistungsverteilung und die entsprechende Xenonverteilung für die angedeutete Steuerstabeinführung und für eine gegebene Reaktorkernleistungsvergangenheit. Xenon und Steuerstabeinführung sind proportional zu ihrer Neutronenabsorption aufgetragen. Aus der grafischen Darstellung der Fig. 5 wird deutlich, daß die Neutronen-Absorptionsfähigkeit der Steuerstabgruppe ungefähr ein Viertel der Neutronen- Absorptionsfähigkeit des im Kern vorhandenen Xenons ist. Dies bedeutet, daß dann, wenn erst einmal die Xenonverteilung zerstört ist, d. h. abfallend verläuft, wie in dem oberen Reaktorkernabschnitt (Fig. 5) gezeigt ist, was normalerweise als Ergebnis einer früheren abfallenden Leistungsverteilung auftritt, die Stäbe mit Teillänge nicht immer ausreichen, um die gewünschte Leistungsverteilung zu erhalten. Um daher einen möglichst niedrigen Leistungsspitzenfaktor zu erhalten, der die niedrigste lineare Leistungsdichte darstellt und damit Leistungserschwerungen zu vermeiden, sollte die Leistungsverteilung so symmetrisch wie möglich während des Betriebs des Kraftwerks gehalten werden, auch wenn Laständerungen auftreten.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die axiale Verschiebung ein nützlicher Parameter zur Messung der axialen Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorkerns. Wenn der Reaktorkern erfindungsgemäß so betrieben wird, daß die axiale Verschiebung auf einem konstanten Wert gehalten wird, bleibt die Leistungserzeugung stets im Gleichgewicht zwischen den oberen und unteren Teilen des Reaktorkerns, was zu einer symmetrischen axialen Xenonverteilung führt. Dies beseitigt das Auftreten von abgeschrägten Xenonverteilungen mit einer zweiten harmonischen Komponente, die zu einer Schräglage auch der Leistungsverteilung mit seinem relativ langsamen Verschwinden führt.

Reaktoren der in Fig. 1 dargestellten Art umfassen im allgemeinen zwei außerhalb des Kerns angeordnete Kernabschnittsdetektoren 32, die um die Peripherie des Reaktorgefäßes 10 herum angeordnet sind, in Ausrichtung zu der axialen Länge des Reaktorkerns 18, wodurch eine vollständige Information über die axiale Veschiebung erhalten wird. Die Detektoren geben die Durchflußdifferenz, Delta I, die definiert ist als:

Delta I = P _T -P _B

Die Entsprechung zwischen der axialen Verschiebung und der Durchflußdifferenz kann ausgedrückt werden als:
Axiale Verschiebung = Delta I/P,
wobei P die relative Leistung des Reaktors bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert, daß die axiale Verschiebung auf einem konstanten, vorbestimmten Zielwert oder alternativ innerhalb eines schmalen Bandes um diesen Zielwert herum gehalten wird. Vorzugsweise wird der Zielwert der axialen Verschiebung bei voller Leistung, Xenon-Gleichgewicht und mit allen Steuerstäben außerhalb des Brennstoffbereichs des Reaktorkerns gemessen. Dies stellt die stabilste axiale Verteilung dar, und die meisten Flußoszillationen, wenn überhaupt welche vorhanden sind, bewegen sich um diese Verteilung herum.

Der Zielwert der axialen Verschiebung verändert sich langsam als Funktion des Brennstoffaufbrauchs. Fig. 6 zeigt Veränderungen in der axialen Verschiebung für verschiedene Brennstoffzyklen. Es ist daher wünschenswert, den Zielwert der axialen Verschiebung in regelmäßigen Zeitabständen erneut zu messen, um den Brennstoffaufbrauch mit zu berücksichtigen. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, daß der Zielwert der axialen Verschiebung für jeden äquivalenten Voll-Leistungsmonat auf neuesten Stand gebracht wird, indem die axiale Verschiebung bei voller Leistung mit Xenon-Gleichgewicht gemessen wird, wobei alle Steuerstäbe aus dem Reaktionsbereich des Reaktorkerns entfernt sind. Dieses Verfahren, durch Messung den Zielwert auf den neuesten Stand zu bringen, stellt sicher, daß die axiale Leistungsverteilung im stabilsten Zustand während der Lastfolgeoperationen gehalten wird. Wiederum wird dies Verfahren ergänzt durch Verwendung der Ausgänge der außerhalb des Kerns angebrachten Detektoren, um den Wert der axialen Verschiebung zu berechnen.

Beim erfindungsgemäßen Betriebsverfahren werden Stäbe mit Teillänge für die Steuerung der axialen Leistungsverteilung verwendet. Um sicherzustellen, daß die Reaktivitätsreserve erhalten bleibt, das ist die Differenz zwischen der vollen Nennleistung und der gerade entstehenden Leistung, auf die im Falle einer plötzlichen großen Leistungsanforderung gezählt werden kann, sollten die Stäbe voller Länge in diesem Betriebsverfahren viel tiefer eingeschoben sein als es erforderlich ist, ohne die Verwendung von Stäben mit Teillänge. Diese tiefe Einführung der Stäbe voller Länge macht die axiale Verschiebung stark negativ und führt zu einer geneigten Xenonverteilung. Eine ausgeglichene Leistungsverteilung wird erhalten, indem die Stäbe mit Teillänge in den Boden des Reaktorkerns eingeführt werden, wie in Fig. 8A gezeigt. Beim Zurückkehren zu voller Leistung werden die Stäbe voller Länge aus dem Reaktorkern entfernt, um einen Reaktivitätsanstieg zu erhalten, dann werden die Stäbe mit Teillänge zum Zentrum des Reaktorkerns bewegt, um die axiale Verschiebung auf ihrem ursprünglichen Wert zu halten, wie aus den grafischen Darstellungen der Fig. 8B bzw. 8A sich ergibt, die für volle Leistung und 50%iger Leistung Gültigkeit haben. Diese zwei Leistungsverteilungen besitzen die gleiche axiale Verschiebung. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Verteilungen besteht in der dritten Harmonischen der Xenonverteilung, die jedoch ohne schädliche Effekte schnell vergeht.

Somit werden in diesem Betriebsverfahren die Stäbe voller Länge für die Reaktivitätssteuerung verwendet, die mit der Leistungsveränderung verbunden ist, und die Stäbe mit Teillänge zur Steuerung der axialen Verschiebung. Die Reaktivitätsänderung aufgrund des Xenonaufbaus oder -verlustes wird durch das Borsystem gesteuert.

Beim Betrieb mit Stäben von Teillänge wird die Einführung der Stäbe voller Länge gesucht, um ausreichende Reaktivität zu ermöglichen, um auf volle Leistung zurückzukehren, wenn diese Stäbe von dem Reaktorkernbereich zurückgezogen werden, wobei die Stäbe mit Teillänge zum Zentrum des Reaktorkerns bewegt werden. Es sei bemerkt, daß die Einführung der Stäbe voller Länge sich beinahe linear als Funktion der Leistung ändert und auf einem gegebenen Einführungspegel verharrt, wenn der gewünschte Leistungspegel erreicht ist. Dies liegt hauptsächlich daran, daß die Xenonverteilung und der gesamte Stabwert während des Teilleistungsbetriebs genau ausgewogen sind.

Betrieb mit konstanter axialer Verschiebung bei Verwendung von Stäben mit Teillänge liefert niedrige Spitzen und stabile Leistungsverteilung während des gesamten Lastfolgebetriebs mit der Möglichkeit der Reaktion auf irgendwelche plötzlichen gewünschten Leistungsanforderungen.

Während des Betriebs mit konstanter Axialverschiebung bei voller Leistung werden die Stäbe mit Teillänge normalerweise um das Zentrum des Reaktorkerns gehalten, während bei Teilleistung die Stäbe mit Teillänge im allgemeinen um den Boden des Reaktorkerns herum angeordnet sind. Eine tiefere Einführung der Stäbe mit Teillänge entspricht niedrigeren Leistungspegeln des Reaktors. In dieser Hinsicht stellen die Stäbe mit Teillänge ein sehr flexibles Werkzeug für die Steuerung der axialen Leistungsverteilung dar. Jedoch ist einige Vorsicht bei ihrer Verwendung notwendig. Der Hauptnachteil der Stäbe mit Teillänge liegt darin, daß die Einführung der Stäbe voller Länge mit den Stäben mit Teillänge am Boden des Reaktorkerns zusammenfallen und manchmal die axiale Leistungsverteilung "einschnüren". Diese Verteilung besitzt eine kleine axiale Verschiebung, aber eine hohe Leistungsspitze um die Stelle des Zentralkerns herum, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Die außerhalb des Reaktorkerns angeordneten Abschnittsdetektoren sind nicht in der Lage, zwischen einer normalen Leistungsverteilung und einer eingeschnürten Leistungsverteilung zu unterscheiden. Eine eingeschnürte Leistungsverteilung kann während Teilleistungsbetriebs meist zulässig sein, da die Leistungsspitze im allgemeinen unterhalb der zulässigen Leistungsgrenzen liegt, jedoch ist sie während Voll-Leistungsbetrieb nicht zulässig, da die Größe der Leistungsspitze, wenn sie nicht vermindert wird, zu einer Leistungserschwerung führt. Entsprechend dem Betriebsverfahren dieser Erfindung wird eine tiefe Einführung der Stäbe mit Teillänge nur während Teilleistungsbetrieb erforderlich. Daher ist es zweckmäßig, eine tiefe Einführung der Stäbe mit Teillänge während des Betriebs mit voller Leistung zu unterdrücken, um zu verhindern, daß sich möglicherweise eine eingeschnürte Leistungsverteilung ergibt. Fig. 10 zeigt, daß die Einführung der Stäbe mit Teillänge bei voller Leistung auf ungefähr 70% begrenzt werden sollte. Die zulässige Einführung steigt linear auf ungefähr 90% an, wenn die Leistung auf 50% vermindert wird. Jede Einführung der Stäbe von Teillänge über 90% hinaus vermindert die Wirkung der Stäbe mit Teillänge wegen der kleinen Leistungsmenge im extremen unteren Bereich des Reaktorkerns.

Die Einführung der Stäbe voller Länge während des Betriebes mit Stäben von Teillänge soll einem Reaktor eine Drehreservenfähigkeit geben, wobei simultane Bewegung der Stäbe mit Teillänge für eine konstante Axialverschiebungssteuerung angenommen ist. Die erforderliche Einführung der Stäbe voller Länge ist eine Funktion der Reaktorleistung, vorausgesetzt, daß eine Steuerung der axialen Verschiebung erreicht wird. Fig. 11 zeigt einen typischen Verlauf der Einführung von Stäben voller Länge zur Aufrechterhaltung einer Drehreservenkapazität. Diese Einführungskurve wird normalerweise als Soll-Einführungskurve für Stäbe voller Länge bezeichnet und stellt eine Funktion des Kraftwerk-Leistungsdefekts dar, das ist die Reaktivitätsdifferenz, die mit einer Leistungsveränderung verbunden ist. Bei der Ausführung des Betriebsverfahrens gemäß der Erfindung müssen die Reaktorbedienungspersonen die Einführung der Stäbe voller Länge möglichst längs dieser Kurve vornehmen.

Abweichungen von diesen Sollwerten führen zu einer Verschlechterung des Kraftwerk-Wirkungsgrades. Wenn z. B. die Stäbe von voller Länge oberhalb der Soll-Linie gehalten werden, wird die Drehreservenkapazität begrenzt. Bei nicht ausreichender Einführung der Stäbe voller Länge reicht die mit der Stabherausziehung voller Länge verbundene Reaktivität nicht aus, den Reaktor auf volle Leistung zu bringen. Zusätzliche Verdünnung wird damit innerhalb des Borsystems erforderlich, um die gewünschte Leistungsgrenze zu erhalten. Jedoch ist diese Begrenzung nicht sicherheitsbezogen. Als anderes Beispiel sei darauf verwiesen, daß dann, wenn die Stäbe voller Länge unterhalb der Soll-Linie gehalten werden, der Reaktor beim Wiedererlangen der vollen Leistung mit einer relativ tiefen Stabeinführung kritisch wird. Dies macht es erforderlich, die Stäbe mit Teillänge zum Boden des Reaktorkerns zu bewegen, um eine Steuerung für konstante axiale Verschiebung zu erhalten. Wie schon erläutert wurde, ist die Einführung von Stäben mit Teillänge während voller Leistung auf 70% begrenzt, um eine Leistungseinschnürung in der Verteilung zu vermeiden. Infolgedessen neigt die Leistungsverteilung dazu, sich zum Boden des Reaktorkerns hin zu verschieben, was zu einem hohen Spitzenfaktor führen könnte. Dies wird durch die Messung der axialen Verschiebung außerhalb des Kerns erfaßt und wird eine Leistungsminderung notwendig machen. Lastfolgebetrieb mit der besten konstanten axialen Verschiebung wird nur dann erreicht, wenn:

• (1) der Wert der Stäbe mit Teillänge, berechnet auf Basis der Stäbe von voller Länge, gleich oder etwas größer ist als der Wert der Stäbe mit voller Länge; und
• (2) das Borsystem eine ausreichende Fähigkeit besitzt, die Reaktivitätsveränderung zu kompensieren, die mit dem Xenonaufbau und dem Xenonabsinken verbunden ist. Ein Herausziehen der Stäbe voller Länge bis über die Soll- Linie hinaus ist ein Mittel für diese Bedingung, mit dem Nachteil, daß sich die Drehreservenfähigkeit (spinning reserve capability) vermindert.

Wenn der Wirkungswert der Stäbe mit Teillänge, bezogen auf die Länge der Stäbe mit voller Länge, kleiner ist als der Wirkungswert der Stäbe mit voller Länge, wird die axiale Verschiebung während des Teil-Leistungsbetriebs stark negativ, wobei die Einführung der Stäbe mit voller Länge gerade so weit aufrechterhalten wird, daß die Reaktivitätsreserve erhalten bleibt. Unter diesen Bedingungen erreicht die axiale Verschiebung negative Werte bis zu minus 30% während des Teil-Lastbetriebes. Somit wird eine abgeschrägte Leistungsverteilung gebildet, die die gewünschte Xenonverteilung zerstört. Wenn der Reaktor zu voller Leistung zurückkehrt, wird eine hohe Spitze am Boden des Reaktorkerns erzeugt. Dies Problem wird dadurch gelöst, daß die Stäbe voller Länge so weit herausgezogen werden, daß die axiale Verschiebung auf einem konstanten Wert bleibt. Jedoch opfert dieser Betrieb die Reaktivitätsreserve. Die Einführungen der Stäbe voller Länge dienen zu 60% der Erhaltung der Reaktivitätsreserve und zu 40% für die Erhaltung konstanter axialer Verschiebung. Die Differenz hängt mit der Verschlechterung der Reaktivitätsreserve zusammen.

Das Borsystem muß so ausgeführt werden, daß die Verdünnungsfähigkeit die Reaktivitätsveränderungen, die mit dem Xenonaufbau oder mit dem Xenonverlust verbunden sind, ausgeglichen werden. Die Verdünnungsfähigkeit des Borsystems hängt von der Borkonzentration innerhalb des Reaktorkerns ab. Je höher die Borkonzentration ist, desto größer ist die Verdünnungsfähigkeit. Wenn der Reaktorkern sein Lebensdauerende annähert, sinkt die Borkonzentration ab, und das Verdünnungsverfahren wird schwieriger. Die Einführung von Stäben voller Länge wird für die Drehreservenfähigkeit festgelegt durch die geplante Leistung. Jedoch kann wegen dieses Mangels an Verdünnungsfähigkeit, die nach Leistungsverminderung erforderlich ist, um den Xenonaufbau zu kompensieren, die Reaktorleistung nicht auf dem geplanten Pegel gehalten werden, sondern unterliegt einer weiteren Verminderung. Ein Herausziehen der Stäbe voller Länge von der Soll-Linie beseitigt dies Problem, wiederum jedoch auf Kosten der Drehreservenfähigkeit. Es sollte bemerkt werden, daß das Herausziehen der Stäbe voller Länge über die Soll-Linie hinaus immer günstig ist vom Standpunkt der Steuerung der axialen Verschiebung aus, wodurch ein Betrieb mit niedrigem Spitzenfaktor sichergestellt wird. Eine geeignete Planung des Borsystems unter Vorausschau der Einführung der Konzepte der vorliegenden Erfindung vermeidet natürlich derartige Schwierigkeiten.

Um die axiale Verschiebung zu jeder Zeit auf einem konstanten Wert zu halten, ist fortlaufende Aufmerksamkeit des Bedienungspersonals und entsprechende Handlungsweise, beispielsweise eine Betätigung der Stäbe mit Teillänge und des Borsystems, notwendig. Jedoch zeigen experimentelle Ergebnisse, daß doch einige Flexibilität möglich ist, ohne daß die Symmetrie der axialen Xenonverteilung zerstört wird. Analytische Ergebnisse zeigen, daß ein Leerlaufbetrieb von einer Stunde im allgemeinen ein ziemlich stabiles Verhalten während folgender Last ergibt. Jedoch sollte Vorsicht angewendet und sichergestellt werden, daß der Reaktor nicht leerläuft, kurz bevor er auf volle Leistung zurückkehrt. Wenn dies vor dem Zurückkehren auf volle Leistung beachtet wird, ist die Verletzung der Steuerung der axialen Verschiebung während einer Stunde immer noch zulässig.

Der Soll-Wert der axialen Verschiebung, wie er weiter oben für die Steuerung konstanter axialer Verschiebung definiert wurde, ist die axiale Verschiebung bei voller Leistung, Xenon-Gleichgewicht und aus dem Brennstoffbereich des Reaktorkerns herausgezogenen Steuerstäben. Im tatsächlichen Betrieb ist es notwendig, für ausreichende Steuerungsflexibilität gewisse Zugeständnisse zu machen. Experimentelle Untersuchungen wurden durchgeführt, um festzustellen, welche Abweichungen vom Soll- Wert der axialen Verschiebung zulässig sind, ohne daß die Vorteile der Steuerung konstanter axialer Verschiebung verlorengehen.

Basierend auf bisherigen Reaktor-Betriebserfahrungen ist eine größere Abweichung der axialen Verschiebung bei niedrigeren Leistungspegeln zulässig als es bei höheren Leistungspegeln der Fall ist, und zwar vom Standpunkt eines möglichst kleinen axialen Spitzenfaktors F _z bei voller Leistung. Indem man aus der gemessenen Durchflußdifferenz Vorteile zieht, kann ein zulässiges Band axialer Verschiebung definiert werden als konstantes Δ-I-Band. Entsprechend ist die zulässige Abweichung der axialen Verschiebung umgekehrt proportional zum Leistungspegel. Fig. 12A zeigt das Band der axialen Verschiebung als Funktion des Brennstoffaufbrandes entsprechend einem konstanten Δ-I-Band, wie es in Fig. 12B (plus oder minus 5% um einen Wert, der dem Soll-Wert der axialen Verschiebung entspricht) dargestellt ist. Aus Gründen der Erläuterung ist dabei angenommen, daß die axiale Soll-Verschiebung zu Beginn der Lebensdauer minus 10% beträgt, während sie zum Ende der Lebensdauer 0% beträgt.

Es wurden experimentelle Berechnungen durchgeführt, und die Ergebnisse zeigten, daß eine Steuerung von konstanter axialer Verschiebung recht annehmbar ist, selbst wenn der Kern an den Grenzen des Δ-I-Bandes betrieben wird, und daß somit eine günstige Leistungsverteilung garantiert wird, wenn der Reaktor auf volle Leistung zurückkehrt.

Im tatsächlichen Betrieb ist es sehr unwahrscheinlich, daß der Reaktor an diesen extremen axialen Verschiebungen sechs Stunden lang arbeitet, was eine der Kontrollkriterien der Rechnung war. Das Δ-I-Band wird so verwendet, daß immer dann, wenn Δ-I aus dem Band herausläuft, das Bedienungspersonal angewiesen ist, eine entsprechende korrigierende Steuerung vorzunehmem, damit die axiale Verschiebung zum Soll-Wert zurückkehrt. Daher wird die Reaktor-Leistungsfähigkeit auch dann noch aufrechterhalten, wenn der Reaktor an der extremen Abweichung der axialen Verschiebung bis zu sechs Stunden lang betrieben wird.

Der Betrieb mit Steuerstäben von Teillänge besitzt gewisse Vorteile gegenüber dem Betrieb ohne Steuerstäbe mit Teillänge, wie z. B. die Fähigkeit, eine schnelle Veränderung im Leistungspegel zu ermöglichen und auch die Leichtigkeit der Steuerung der axialen Verschiebung. Ein Nachteil dieses Betriebs ist die Aufbrauch- Abschattung, die verursacht wird durch die Verwendung von Stäben mit Teillänge, die nahe der Mitte des Kerns während des Betriebs mit voller Leistung angeordnet sind. Da die Stäbe mit Teillänge als Neutronenabsorber arbeiten, wird der Brennstoff, der von den Teil-Längenstäben abgeschirmt wird, viel weniger schnell aufgebraucht, als der verbleibende Reaktorkern. Dies könnte zu einer hohen Spitze nahe dem Zentrum des Kerns führen, wenn die Stäbe mit Teillänge zurückgezogen werden, wenn ausgedehnter Lastbetrieb durchgeführt wird. Ein Freigeben dieses weniger verbrauchten Brennstoffs, wenn die Teil-Längenstäbe zurückgezogen werden, ist als "Aufbrauch-Abschattung" bekannt. Aufgrund von Versuchsrechnungen wurde ermittelt, daß zwischen 50 und 60% Teil-Längenaufbrauch keine große Verschlechterung des Radialdurchfluß-Spitzenfaktors verursacht. Daher wird erfindungsgemäß empfohlen, den Gebrauch der Steuerungsstäbe von Teillänge auf 60% der jeweils 30 Voll-Leistungstage zu begrenzen.

Begrenzung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens:

• 1. Die Steuerstäbe voller Länge sollten vorzugsweise innerhalb des vorgeschriebenen Bandes verbleiben.
• 2. Das Betriebsverfahren sollte bei akkumuliertem Gebrauch begrenzt sein auf nicht mehr als 60% von jeweils 1000 MWD/MTU (Megawatt-Tage pro metrischer Tonne Uran) durchschnittlichen Kernaufbrauchs.

Erfindungsgemäßes Betriebsverfahren: Anfangsbedingungen

• 1. Das sekundäre Kraftwerk ist bereit, Lastveränderungen aufzunehmen.
• 2. Die Steuerstäbe voller Länge befinden sich im vorgeschriebenen Band. Es wird empfohlen, daß sie sich in automatischem Betrieb befinden.
• 3. Die Steuerstäbe von Teillänge sind eingeführt.
• 4. Die Durchflußdifferenz befindet sich im zulässigen Bereich.

Instruktionen

Bei einer Kraftwerks-Lastminderung wird die Leistung des Reaktors vermindert, und es tritt ein Einschieben der Steuerstäbe gemäß dem lastabhängigen Programm für die Reaktor-Kühlmitteltemperatur auf. Durchflußdifferenz-Grenzen sollten durch Handeinstellung der Stäbe mit Teillänge aufrechterhalten werden, ohne daß die Einschubbegrenzungen für die Stäbe mit Teillänge verletzt werden. Die Stäbe voller Länge sollten automatisch innerhalb des vorgeschriebenen Betriebsbandes verbleiben. Kleine Bor-Konzentrationseinstellungen (Verdünnung oder Anreicherung mit Bor) könnte erforderlich sein, um dieses Erfordernis sicherzustellen.

Wenn die Kraftwerks-Lastverminderung beendet ist oder zu einem früheren Zeitpunkt, wenn die Lastverminderung langsam durchgeführt wurde, beginnen die Steuerstäbe voller Länge eine Aufwärtsbewegung von der erforderlichen Stellung aufgrund des Xenonaufbaus. Hier ist die Borkonzentration anzupassen, um das Erfordernis des Bandes für die Einführung der Stäbe voller Länge aufrechtzuerhalten.

Halte die Durchflußdifferenz innerhalb des gewünschten Bereiches, indem die Steuerstangen mit Teillänge bewegt werden. Wenn die Steuerstangen mit Teillänge ihre Einschubgrenzen erreicht und die Durchflußdifferenz nicht innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen gehalten werden kann, sollte die Verletzungszeit so kurz wie möglich gehalten werden und die Höhe der Verletzung so klein wie möglich sein. Wenn die Dauer der Verletzung sich für eine ausgedehntere Zeitperiode fortsetzt, sollten die Stäbe voller Länge so eingestellt werden, daß die Durchflußdifferenz korrigiert wird.

Bei Erfordernis eines Anstiegs der Kraftwerkslast werden sich die Steuerstäbe voller Länge nach außen zu einer neuen Stellung bewegen. Die Durchflußdifferenz wird durch manuelle Betätigung der Steuerstäbe von Teillänge aufrechterhalten.

Bei höherem Leistungspegel wird der Xenongehalt abnehmen, und die Steuerstäbe voller Länge werden sich in den Reaktorkern hineinbewegen. Die Steuerstäbe voller Länge werden innerhalb des festgelegten Betriebsbandes durch geeignete Anreicherung mit Bor gehalten.

Nach mehreren Stunden bei höheren Leistungspegeln wird der Xenongehalt wieder ansteigen und eine langsame Verdünnung des Moderators wird erforderlich.

Die vorausgegangenen Schritte sollten für zyklische Lastfolgen wiederholt werden. Andere Formen von Laständerungen können die Anwendung von Teilen des vorgenannten Verfahrens erforderlich machen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben eines Atomreaktors mittels einer Steuerung mit zwei Gruppen länglicher Steuerstäbe, die in den Reaktorkern axial hinein- und aus diesem herausfahrbar sind, wobei die Steuerstäbe der einen Gruppe, die der Steuerung der Reaktorleistung durch Änderung ihrer Einfahrtiefe dienen, Vollängenstäbe sind, welche in ihrer Länge der axialen Länge des Reaktorkerns entsprechen und über die gesamte Länge mit neutronenabsorbierendem Material versehen sind, und die Steuerstäbe der anderen Gruppe, die für eine Steuerung der axialen Leistungsverteilung im Reaktorkern vorgesehen sind, Teillängenstäbe sind, deren mit neutronenabsorbierendem Material versehene Länge kürzer als die axiale Länge des Reaktorkerns ist, wobei das Neutronen-Absorptionsvermögen der Teillängenstäbe demjenigen der Vollängenstäbe zumindest gleich ist, ferner mit einem Kühlmittel, das zum Zwecke einer zusätzlichen Steuerbarkeit der Reaktivität eine veränderbare Konzentration an neutronenabsorbierendem Material aufweist, sowie mit einer Meßeinrichtung für den Neutronenfluß und damit die Leistung im Reaktorkern zur Steuerung der axialen Leistungsverteilung des Reaktorkerns mittels der Teillängenstäbe, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (P _T und P _B ) an je einer Stelle der oberen und der unteren Hälfte des Reaktorkerns (18) gemessen wird, daß eine zwischen der oberen und der unteren Reaktionskernhälfte axiale Verschiebung (AV) in der Leistung des Reaktorkerns dadurch ermittelt wird, daß die an der unteren Reaktorkernhälfte gemessene Leistung (P _B ) zum einen von der an der oberen Reaktorkernhälfte gemessenen Leistung (P _T ) subtrahiert und zum anderen zu ihr addiert wird und die Differenz dann durch die Summe dividiert wird, daß die axiale Verschiebung auch bei Laständerungen stets im Bereich eines Sollwerts gehalten wird, welcher der axialen Verschiebung entspricht, die bei voller Leistung mit vollständig herausgefahrenen Steuerstäben (22 und 24) und Xenon- Gleichgewicht ermitteln wird, und daß die Teillängenstäbe (22) in Abhängigkeit von der jeweiligen Reaktorleistung in den Reaktorkern eingefahren werden, dergestalt, daß ihre Einfahrtiefe bei voller Leistung maximal 70% der axialen Länge des Reaktorkerns erreicht und mit abnehmender Reaktorleistung linear bis auf maximal 90% der axialen Reaktorlänge bei 50% der vollen Leistung zunimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert jeweils nach einer Zeitspanne, die einer Betriebszeit von 30 Tagen bei voller Leistung entspricht, erneut bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verschiebung in einem Bereich zwischen plus und minus 5% um den Sollwert gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Neutronen-Absorbtionsvermögen der Stäbe (22) mit Teillänge (P _L ) im wesentlichen gleich ist dem Neutronen-Absorbtionsvermögen eines Vollängenstabes (24), dadurch gekennzeichnet, daß die Teillängenstäbe (22) während einer Betriebszeit verwendet werden, die höchstens 60% einer 30tägigen Betriebszeit mit voller Leistung entspricht.