DE2708648A1

DE2708648A1 - Verfahren und einrichtung zur kernaeusseren ueberwachung der flussverteilung in einem atomreaktor

Info

Publication number: DE2708648A1
Application number: DE19772708648
Authority: DE
Inventors: Raj Gopal; Kingsley F Graham
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-03-05
Filing date: 1977-02-28
Publication date: 1977-09-08
Also published as: JPS52107496A; SE7702473L; GB1580126A; IT1076374B; BE852092A; FR2343313B1; CA1079419A; ES456552A1; FR2343313A1; US4079236A; CH622122A5; SE433142B

Description

FLEUCKAUS 4 VVEHSER PATENTANWÄLTE

München - Hannover 2 7 0 8 O A 8

8 MÖNCHEN 71, 15. Febr. 1977

MelchiorstraOe 42

US83P-1576

Vestinghouse Electric Corp. Gateway Center Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Verfahren und Einrichtung zur kernäußeren Überwachung der Flußverteilung in einem Atomreaktor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kernäußeren Überwachung der Flußverteilung längs einer vorgegebenen Achse des Core in einem Atomreaktor sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Druckwasserreaktoren sind in der Regel Neutronenabsorptionelemente innerhalb des Kühlmittels mit einer kontrollierten veränderlichen Konzentration vorgesehen, um den Reaktionsablauf und damit die Wärmeerzeugung innerhalb des Core, wenn erforderlich, zu modifizieren. Zusätzlich dazu sind Regelstäbe zwischen dem Brennelementbündel angeordnet, die in der Richtung ihrer Längsachse innerhalb des

Fs/gf Core

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Dipl.-Ing. L«o Fleuchaue, München - Dipl.-Ing. WuII Weheer, Hannover

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Core verschiebbar sind, um den Reaktionsablauf im Core und damit die abgegebene Leistung steuern zu können. Es gibt drei verschiedene Arten der Regelstäbe, die für diesen Zweck Verwendung finden, u.z. Teillängen-Regelstäbe, Vollängen-Regelstäbe und Regelstäbe zum Abschalten des Reaktors. Die Teillängen-Regelstäbe und die Vollängen-Regestäbe sind derart angeordnet, daß sie schrittweise in das Core und aus dem Core bewegt werden können und den Reaktionsablauf entsprechend ihrer Eintauchtiefe beeinflussen.

Als Nebenprodukt der Kernspaltung,u.z. infolge eines Betazerfalls des radioaktiven Jod entsteht Xenon. Dieses Xenon hat wegen des großen Neutronenabsorptionsquerschnittes einen signifikanten Einfluß auf die Leistungsverteilung innerhalb des Core und die Regelung des Reaktionsablaufes. Die Beeinflussung des Reaktionsablaufes erfolgt in der Regel in direkter Abhängigkeit von der Regelung im Gegensatz zu Xenon, dessen Konzentration innerhalb des Core schwierige Probleme für die Reaktorsteuerung auslöst, da es eine verhältnismäßig lange Nachwirkzeit hat und eine Zeitdauer bis zu mindestens 20 Stunden nach einer Leistungsänderung benötigt, um Verte zu liefern, die einem eingeschwungenen Zustand entsprechen.

Die radiale.Leistungsverteilung des Core ist verhältnismäßig leicht vorhersagbar, u.z. wegen der beschriebenen Anordnung der Brennelemente und der Positionierung der Regelstäbe, die symmetrisch radial über das Core verteilt sind. Die axiale Leistungsverteilung kann im Reaktorbetrieb stark schwanken. Diese axiale Leistungsverteilung im Core hat bisher beim Reaktorbetrieb Schwierigkeiten in vieler Hinsicht bereitet. Üblicherweise wird das Kühlmittel durch die Brennelementbündel vom unteren Bereich des Core zum oberen Bereich geführt, so daß sich ein

Temperaturgradient 709836/0825

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Temperaturgradient in axialer Richtung im Core einstellt. Änderungen in der Kernspaltungsrate, welche temperaturabhängig ist, ändern daher die axiale Leistungsverteilung. Dazu kommt, daß die axiale Variation der Leistungsverteilung die axiale Xenonverteilung ändert, was sich weiterhin verstärkend auf die Änderung der Leistungsverteilung längs der Achse des Core auswirkt. Dies kann dazu führen, daß durch das Xenon eine schwingungsförmige Änderung der Leistungsverteilung in axialer Richtung ausgelöst wird, welche zu einem späten Zeitpunkt der Core-Lebenszeit instabil werden kann und nicht mehr korrektiv beeinflußbar ist. Schließlich kann das Einführen der Regelstäbe von oben in das Core ohne entsprechende Berücksichtigung des vergangenen Betriebsverlaufes im Reaktor eine weitere Verschlechterung bezüglich der axialen Leistungsspitzen auslösen.

Die Änderung der vom Reaktorcore abgegebenen Leistung, die benötigt wird, um sich der Änderung der ausgangsseitigen elektrischen Leistung einer Generatoranlage anzupassen, wird auch als Lastfolge bezeichnet. Ein Programm zur Lastfolgesteuerung, wie es von Reaktoranbietern empfohlen wird, verwendet die.Vollängen-Regelstäbe, um die vom Xenon ausgelösten räumlichen axialen Leistungsschwingungen zu kontrollieren und die axiale Leistungsverteilung zu steuern. Änderungen des Reaktionsablaufes, die den Änderungen in der Xenonkonzentration zugeordnet sind, werden in der Regel durch entsprechende Änderung der Konzentration der Neutronenabsorptionselemente innerhalb des Core-Kühlungsmittels oder dee Moderators kompensiert. Bei dieser Betriebsart werden die Teillängen-Regelstäbe verschoben, um die axiale Versetzung innerhalb eines geforderten Bandbereiches von typischer Weise etwa - 15% aufrecht zuerhalten. Die axiale Versetzung ist ein nützlicher Parameter, um die axiale Leistungsverteilung zu messen und wird durch nachfolgende Gleichung definiert:

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X - VS83P-1576

Axiale Versetzung - ·

^rt + ^rb

wobei P. und P, den Bruchteil der Leistung bezeichnen, der in der oberen Hälfte und der unteren Hälfte des Core erzeugt wird, wobei diese Leistung in der.Regel durch eine Kernaußenmeßanordnung mit jeweils zwei axial aufeinander ausgerichteten Detektoren gemessen wird, und die Meßanordnungen längs dem Umfang des Reaktors verteilt angeordnet sind. Es werden keine Anstrengungen gemacht , um die innere axiale Lastverteilung im Core abgesehen von der Aufrechterhaltung der axialen Versetzung innerhalb des geforderten Bandes aufrecht zuerhalten. Die Teillängen-Regelstäbe werden verschoben, um die axiale Versetzung unabhängig von der zuvor festgelegten axialen Versetzung im eingeschwungenen Zustand zu minimalisieren, bzw. zu verringern. Dieses Verfahren löst eine konstante Fluktuation der axialen Versetzung während des ungedämpften Lastfolgebetriebes aus, was zu einer Anzahl von unerwünschten Betriebsbedingungen führt. So kann eine axiale Leistungseinschnürung, was sich in Form einer großen axial zentrierten Leistungsspitze darstellt, mit einer geringen axialen Versetzung bzw. der axialen Versetzung auftreten. Derartige Leistungsspitzen stellen eine ungünstige Beeinflußung der Reaktorleistung dar und erfordern, daß der Reaktor mit reduziertem Leistungsniveau betrieben wird, damit diese Spitzen die unter Berücksichtung ausreichender Sicherheit festgelegten Amplituden nicht übersteigen. Diese Begrenzungen werden auferlegt aufgrund der gegenwärtigen nicht auereichenden Kernaußensysteme, welche nicht in der Lage eind, das Leistungen!veau im Zentrum des Core festzustellen

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stellen. Es können jedoch auch scharfe Änderungen der axialen Leistungsverteilung mit kurzzeitiger Natur während langer Laständerungen auftreten, in Abhängigkeit von dem tieferen Eintauchen der Regelstäbe bei reduzierten Leistungsniveaus. Schließlich können sich große Änderungen der Xenonkonzentration beim Zurückkommen der Leistung ergeben, die zu den erwähnten axialen Leistungsschwingungen führen. Auch kann die Verwendung nicht geeigneter Teillängen-Regelstäbe zu forcierten axialen Leistungsverteilungen führen, welche mit den gegenwärtigen Kernaußendetektoreinrichtungen nicht leicht identifizierbar sind. Es ist ferner möglich, daß sich vergrößerte Heißkanalfaktoren ergeben (wobei es sich um heiße punktförmige Bereiche handelt, welche innerhalb der Kühlkanäle zwischen dem Brennelementbündel auftreten) und eine Verringerung der Nennleistung des Reaktors erforderlich machen, um den scharfen Übergängen und/oder den normwidrigen Leistungsverteilungen entgegenzuwirken. Schließlich existiert gegenwärtig kein Schutz gegen scharfe axiale Leistungsschwankungen bzw. Einschnürungen mit einer schmalen axialen Versetzung.

Aufgrund vieler normwidriger Betriebsbedingungen, die bei dem Betreiben eines Atomreaktors während Lastfolgen auftreten, empfehlen viele Reaktorhersteller den Betrieb bei einer konstanten Ausgangsleistung, ohne die Lastfolgekapazität auszunützen. Dieser Mangel an Anpaßbarkeit des Reaktorbetriebes begrenzt seine Nützlichkeit, so daß gleichzeitig auch mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke notwendig sind, um die Fähigkeit der Anpassung an Laständerungen des Netzes beizubehalten.

Um eine effektive Lastfolgekapazität vorzusehen, ist eine im wesentlichen konstante axiale Lastverteilung während des

gesamten

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->f- WS83P-1576

gesamten Lastbetriebes aufrecht zuerhalten. Es wurde bereits vorgeschlagen, dieses Problem dadurch zu lösen, daß eine im wesentlichen symmetrische axiale Xenonverteilung aufrecht erhalten wird. Jedoch zur wirksamen Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten axialen Flußverteilung bzw. eines axialen Flußprofils ist ein Überwachungssystem erforderlich, das die Möglichkeit bietet, die axiale Flußverteilung innerhalb des Core zu rekonstruieren, so daß Änderungen möglichst exakt kompensiert werden können, bevor eine nachteilige Xenonverteilung auftritt.

Es sind bereits Uberwachungssysteme für den Fluß im Kerninnenbetrieb bekannt (US-PS 3 932 211), die ein verhältnismäßig genaues Abbild der axialen Flußverteilung liefern. Diese Kerninnendetektoren sind dem hohen Fluß im Core ausgesetzt und unterliegen daher einem raschen Verschleiß, wenn sie konsequent für den erwähnten Zweck verwendet werden. Derartige Detektoren werden in der Regel verwendet, um Flußverteilungskarten beim Anlaufen des Reaktors zu erstellen, oder in periodischen Abständen später Kernaußendetektoren zu kalibrieren. Diese Kerninnendetektoren dienen auch dem Zweck, Flußverteilungs karten herzustellen, nachdem verhältnismäßig große RegelStabverschiebungen ausgelöst wurden. Ein effektives Überwachungssystem für das Core erfordert,-daß kontinuierlich eine Karte für die axiale Flußverteilung im Core erstellt werden kann. Es wurden für diesen Zweck Kernaußendetektoren bereits verwendet, da sie als zuverlässiger anzusehen sind und geringerem Fluß, einer geringeren Temperatur sowie einer geringeren Druckbeanspruchung auf der Außenseite des Druckbehälters ausgesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, mit der die kernäußere Überwachung der Flußverteilung längs einer gegebenen Achse des Core im Atomreaktor möglich ist.

Diese

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Core in zumindest drei Abschnitte längs der vorgegebenen Achse aufgeteilt wird, daß der Fluß kernaußen an diesen Abschnitten benachbart gelegenen Orten überwacht und gemessen wird, daß die gemessenen Flußwerte bestimmter Positionen in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden, daß die elektrischen Ausgangssignale kalibriert werden, um die in dem zugeordneten Abschnitt des Core entwickelte Leistung zu kennzeichnen, daß die kalibrierten elektrischen Ausgangssignale zur Schaffung eines mittleren Leistungssignals summiert werden, und daß das mittlere Leistungssignal in Gegenüberstellung zur maximal zulässigen Leistungseinstellung überwacht und zur Anzeige gebracht wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, daß zumindest drei auf den zu messenden Fluß ansprechende Detektoren vorhanden sind, die in Abhängigkeit von dem gemessenen Fluß ein elektrisches Ausgangssignal liefern und Jeweils außerhalb des Gore in der Nähe von zumindest drei Abschnitten des Core angeordnet sind, die durch Unterteilung des Core senkrecht zur gegebenen Achse entstehen, daß zumindest drei bezüglich ihrer Verstärkung einstellbare Verstärker vorhanden sind, um die entsprechenden elektrischen Ausgangssignale derart zu kalibrieren, daß sie die Leistungsverteilung in den entsprechenden Abschnitten des Core reflektieren, daß Summierstufen vorhanden sind, um die kalibrierten elektrischen Ausgangssignale zu summieren und ein mittleres Leistungssignal zu schaffen, und daß Einrichtungen zum überwachen des mittleren Leistungssignals in Gegenüberstellung zur maximalen zulässigen Leistungseinstellung vorhanden sind. Veitere Ausgestaltungen der Einrichtung 709836/0825

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zur kernäußeren Überwachung der Flußverteilung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Mit Hilfe der Erfindung lassen sich in vorteilhafter Weise die eingangs erwähnten Nachteile überwinden und die kontinuierliche Erstellung von Flußverteilungskarten ermöglichen, um anhand der daraus ablesbaren Werte eine genauere Steuerung des Reaktors insbesondere bezüglich seiner Lastfolgekapazität zu ermöglichen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Atomreaktors, an dem zwei verschiedene Ausführungsformen eines Überwachungsgerätes gemäß der Erfindung Verwendung finden;

Fig. 2 eine schematische Ansicht auf das Core, aus der die relative örtliche Zuordnung von Brennelementen sowie Regelstäben und Kernaußendetektoren hervorgeht;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht auf eine Radialebene des Core und die relative Zuordnung von zwei verschiedenen Ausführungsformen von Kernaußendetektoren gemäß der Erfindung;

Fig. 4A, 4-B, 4C, 4D und 4-E die graphische Darstellung der axialen Flußverteilung für verschiedene Positionen der Teillängen-Regelstäbe sowie der Vollängen-Regelstäbe innerhalb des Core;

Fig. 5 ein schematischee Schaltbild einer Pufferschaltung, um die Detektormeßwerte in Ausgangsspannungen umzuformen ;

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Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Verarbeitung der Ausgangsspannungen gemäß Fig. 5» um die Flußamplitude an einer axialen Koordinate des Core zu ermitteln;

Fig. 7 eine schematische Schaltung des F Generators

xy

gemäß Fig. 6.

In Fig. 1 ist schematisch ein Druckwasserreaktor dargestellt, bei dem die Erfindung Verwendung finden kann, um die axiale Flußverteilung bzw. die axialen Flußprofile innerhalb des Core genauer zu überwachen, um Schwierigkeiten zu vermeiden, die bisher beim Betrieb von derartigen Reaktoren aufgetreten sind. Der Reaktor umfaßt einen Druckbehälter 10, der mit einem Druckbehälterdeckel 12 verschlossen ist und dem Druck im Primärkreislauf standhält. Das Kühlmittel fließt im Druckbehälter über Kühlmitteleinlaufe 16 zu und wird über Kühlmittelausläufe 14- abgeführt, die einstückig in der Wandung des Druckbehälters ausgebildet sind. Innerhalb des Druckbehälters 10 befindet sich das Core 18, das in Verbindung mit Fig. 2 erläutert wird und hauptsächlich aus einer Vielzahl von bekleidenden Brennelementen besteht, welche in einem Bündel 20 angeordnet sind.

Bei der Erzeugung der thermischen Energie innerhalb des Core stellen die Eintauchtiefe der Teillängen-Regelstäbe sowie der Vollängen-Regelstäbe,der Verbrennungsablauf des Core,das Leistungsniveau des Reaktors und die Xenonverteilung wichtige Parameter dar, die die axiale Flußverteilung beeinflußen. Ohne eine konstante Überwachung der axialen Flußverteilung über die gesamte axiale Erstreckung des Core würde es erforderlich sein, den Verlauf jedes dieser Parameter genau

zu

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zu überwachen und zu kennen, um in der Lage zu sein _} eine im wesentlichen flache axiale Flußverteilung zu bewirken, damit man eine Lastfolgefähigkeit erreicht. Diese wichtigen Parameter werden von den Informationen abgeleitet, die man von dem Anzeigesystem für die Regelstabposition (US-PS 3 858 191) den kerninneren thermoelektrisehen Elementen, den Temperaturdetektoren innerhalb der Kühlmittelleitungen und den Kernaußendetektoren 32 für die Neutronen gemäß Fig. 1 erhält.

Die Kernaußendetektoren 32' und 32" gemäß Fig. 1 sind drei bzw. vier Flußabschnitten zugeordnet, welche gleichmäßig längs der vertikalen Achse des Core verteilt angeordnet sind. Während normalerweise die Kernaußendetektoren, welche um das Core herum für den Normalbetrieb symmetrisch angeordnet sind, alle dieselbe Anzahl der axialen Abschnitte aufweisen, trifft dies für die Kernaußendetektoren 32' und 32" nicht zu, welche zur Erläuterung von zwei Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung herangezogen werden. Da mit dem Aufteilen der Kernaußendetektoren über die axiale Erstreckung des Core in drei, vier oder eine unbegrenzte Anzahl von Abschnitten dem Problem des Nebenflußes in benachbarte axiale Bereiche nicht abgeholfen wird, sieht die Erfindung vor, daß die von den Detektoren abgegriffenen Signale zur Rekonstruktion der Flußverteilung über die gesamte axiale Erstreckung des Core verwendet werden. Diese Nebenflußeinwirkung kann auf ein Minimum verringert werden, wenn ein Aufbau gemäß Fig. 3 verwendet wird, bei dem die von den Detektoren erfaßten Abschnitte axial gegeneinander versetzt sind.

In Fig. 2 ist schematisch eine Draufsicht auf das Reaktorcore 18 eines Druckwasserreaktors dargestellt. Die Core-Positionen 42 und 44 identifizieren den Ort, an welchem im

Vollastbetrieb

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Vollastbetrieb Vollängen-Regelstäbe und Teillängen-Regelstäbe angeordnet sind. Die verbleibenden Core-Positionen 20 sind in der Regel mit Brennelementen belegt, wobei jedoch einige Positionen für weitere Kontrollzwecke reserviert sind. Während dem Lastbetrieb wird die Leistungsverteilung im Core mit Detektoren überwacht, die sich an einer Vielzahl von Kernaußenpositionen 46, 48, 50 und 52 befinden, welche symmetrisch um den Umfang des Druckbehälters herum verteilt sind. Jeder Detektor liefert eine für den zugeordneten Quadrant des Core entsprechende Flußinformation. Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform das Core in vier Quadranten unterteilt ist, denen in den Corediagonalen Detektoren zugeordnet sind, ist es auch möglich, die Quadranten durch die Anordnung der Detektoren in den Koordinatenachsen zu definieren, welche den Richtungspositionen 0°, 90°, 180° und 270° zugeordnet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der von dem Detektor in der Kernaußenposition 52 gemessene Fluß repräsentativ für die in dem durch die O°-Achse und die 270°-Achse begrenzten Core-Quadrant erzeugte Leistung. Die O°-Achse und die 270°-Achse teilt jeweils die horizontale Ebene der in Fig. 2 dargestellten Draufsicht und ist zu unterscheiden von der vertikalen Core-Achse, über welche die axiale Flußverteilung gemessen wird. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Core-Komponenten ergibt sich, daß die Leistung in jedem Quadrant repräsentativ für die Leistung in jedem der anderen Quadranten ist. Daraus leitet sich ab, daß, obwohl über viele Abschnitte verteilte und in den Kernaußenpositionen 46, 48, 50 und 52 angeordnete Detektoren 32' und 32" vorhanden sind, für das Verständnis des Verarbeitungsverfahrens der Detektorausgangssignale nur die Verhältnisse in einer Kernaußenposition betrachtet werden müssen, da die Verarbeitung in den übrigen Kernaußenpositionen in derselben Weise erfolgt.

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In Fig. 3 ist schematisch ein axialer Schnitt durch das Core 18 dargestellt, bei dem auf der einen Seite drei Detektoren 32" symmetrisch verteilt angeordnet sind, wobei der obere Detektor mit T, der mittlere Detektor mit M und der untere Detektor mit B bezüglich der Verteilung über die axiale Längserstreckung des Core bezeichnet sind. Auf der anderen Seite des Core sind vier Detektoren 32' angeordnet, deren Positionen von oben nach unten mit a, b, c und d bezeichnet sind.

Grundsätzlich kann gemäß der Erfindung der Wert des Flußes in jeder Koordinate längs der axialen Erstreckung des Core von der Summe der entsprechenden elektrischen Ausgangssignale ermittelt werden, indem diese Signale eine algebraische Modifikation durch eine vorher festgelegte Konstante erfahren, welche man durch eine anfängliche Berechnung und durch eine periodische Nachberechnung während der Lebenszeit des Core entsprechend der Brennstofferschöpfung erhält. Diese Konstanten hängen weitgehend von den physikalischen Verhältnissen der Anlage ab und ändern sich daher einerseits von Reaktoranlage zu Reaktoranlage und andererseits von BrennstoffZyklus zu Brennstoffzyklus.

Gemäß der Erfindung werden die axialen Leistungskurven des Core aus den Ansprechwerten der Kernaußendetektoren mit Hilfe einer Fourier-Reihe der Sinusfunktionen ermittelt, deren Grenzwerte durch die extrapolierte axiale Länge des Core bestimmt sind. Aufgrund der Meßergebnisse von den den einzelnen Abschnitten zugeordneten Detektoren,können bei drei Abschnitten drei Ausdrücke einer Fourier-Serienauflösung errechnet werden, wogegen bei vier Detektorabschnitten vier Ausdrücke und bei η Detektorabschnitten η Ausdrücke

errechnet

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errechnet werden können. Die axiale Leistungsverteilung wird durch die nachfolgende Gleichung beschrieben:

C„SinZ + C_oSinZ + C,SinZ + ... + C Sin(nZ) (1) \ c. ο η

wobei Z-O der extrapolierte Grenzwert am oberen Ende des Core und Z - TC(180°) der extrapolierte Grenzwert am unteren Ende des Core ist.

Die Faktoren C erhält man von den Ansprechwerten der den Sektoren zugeordneten Detektoren. Der erste Schritt besteht darin, die Detektoransprechwerte mit dem Leistungsanteil zwischen den axialen Abschnitten des Core zu korrelieren. Allgemein gilt, daß die Detektorströme für einen Kernaußendetektor 32" mit drei Detektorabschnitten die Abhängigkeit von der Leistung durch nachfolgende Gleichungen beschreiben;

ΤβΔ Ρ+Δ P+A P (2)

T 11 T 12 M 13 B ^K '

^LM " ^A21 ^PT ^{+ A}22 ^PM ^{+ A}23 ^PB

τ, sA P+A P+A P ( 4 )

^hB ^A31 T 32 M 33 B ^{K J}

wobei Pm gleich der Leistung im oberen Drittel des Core, Pw gleich der Leistung im mittleren Drittel des Core und Pg gleich der Leistung im unteren Drittel des Core ist. Die Faktoren A. . sind konstante Koeffizienten für eine gegebene Detektorinstallation. Dabei sind ij ganzzahlige Größen, welche Werte zwischen eins und η annehmen. Im vorliegenden Fall ist η gleich drei entsprechend der Anzahl der den Abschnitten zugeordneten Detektoren. Die Gleichungen (2), (3) und (4) können in Matrixform umgeschrieben werden, wodurch sich nachfolgende Gleichung ergibt:

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^LB

A₃₁ A₃₂ A

27086A8

13	χ	V
23		^PM
33	^PB

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(5)

Die Elemente A.. der Matrix kann man erhalten, indem man die ermittelten Detektorströme mit der beobachteten axialen Leistungsverteilung aufgrund von Kerninnenkarten in Beziehung bringt. Dabei ist Lm der erhaltene Wert vom Detektor T, L*. der erhaltene Wert vom Detektor M und Lg der erhaltene Wert vom Detektor B. Eine entsprechende Matrix vierter Ordnung kann die Signale von den vier Abschnitten zugeordneten Detektoren 32' und die Leistung der axial zugeordneten, Abschnitte des Core, welche von einem Kerninnen-Flußmeßsystem während der Kalibrierung der Konstanten erhalten werden ₎ miteinander in Beziehung setzen. Die Werte P™,

und

kann man entweder von einem fest eingebauten Kerninnen-Flußmeßsystem erhalten, wobei die einzelnen Detektoren im oberen und mittleren sowie unteren Bereich des Kernes fixiert sind, oder von einem einfahrbaren Kerninnen-Flußmeßsystem ableiten, wie dies durch das US-PS 3 858 191 bekannt ist.

Um die genauen Werte der Matrixelemente A- . zu erhalten, sollten diese Matrixelemente an die beobachteten Detektorströme und die axiale Leistungsverteilung für fünf verschiedene Flußverteilungen, wie z.B. den Flußverteilungen gemäß den Fig. 4A, 4-B, 4C, 4D und 4E, angepaßt werden. In Fig. 4A ist die Flußverteilung dargestellt, wie man sie von einem verschiebbaren Kerninnen-Flußmeßsystem erhält, wenn alle Regelstäbe aus dem Core entfernt sind. Die Flußverteilung gemäß Fig. 4B ergibt sich, wenn im Bodenbereich des Core Teillängen-Regelstäbe vorhanden sind. Die Flußverteilung gemäß Fig. 4C stellt sich ein, wenn Teillängen-Regelstäbe und/oder Vollängen-Regelstäbe teilweise in den oberen Teil des Core eingesetzt sind. Der Verlauf der

Flußvert eilung

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49

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Flußverteilung gemäß Fig. 4D ergibt sich, wenn im axialen Zentrumsbereich des Core Teillängen-Regelstäbe angeordnet sind. Die in Fig. 4E dargestellte Flußverteilung ergibt sich,wenn Teillängen-Regelstäbe am unteren Teil des Core und ferner Regelstäbe am oberen Teil des Core eingesetzt sind. Die Flußverteilungskurven gemäß den Fig. 4-A bis 4-E erhält man üblicherweise bei den Probelauf- bzw. Einlaufmessungen eines Reaktors.

Die Gleichung (5) läßt sich allgemein für n-Detektoren umschreiben und für die axiale Leistung in Jedem Abschnitt des Core in Abhängigkeit von den Detektorströmen lösen:

	^AU	-1	X	ι,	~^Li
*i				^L2
^P2		^L3
P₃
	■ ^Ln
^pn

(6)

dabei ist (a*-il cLie invertierte Matrix, welche die Detek torwerte mit den Core-Leistungen korreliert.

Die Fourier-Koeffizienten C erhält man durch Auflösen der nachfolgenden Gleichung:

P ■ ρ

φ (ζ)

'n-1

(Z) d.

(9)

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wobei

_i0

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wobei für auf drei axiale Abschnitte verteilte Detektoren P_n » P, - Pg ist. In Matrixform ergeben sich die Koeffizienten in Abhängigkeit von den Leistungen aus der nachfolgenden Gleichung:

-1

(10)

oder in Abhängigkeit von den Detektorstromen "L" durch die folgende Gleichung:

~^ci	•	X	— —	-1	X	^Ll
^C2						^L2
^C3			^L3
_^Cn_
	-1

wobei

J Q₀₈ 0.Z₁) - Cos

(11)

(12)

und wobei Z. die Grenzen zwischen axialen Kernabschnitten sind, welche den Kernbereichen entsprechen, über die die Kernleietung P₁ errechnet wird.

Die

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- Υ} - VS83P-1576

Die Matrix LQi-jj ^{ist die} invertierte Matrix Q. Auf diese Weise erhält man die Fourier-Koeffizienten von den Detektorströmen der Abschnitte, und den festliegenden Matrizes Q~ und A . Es sei hervorgehoben, daß die invertierten Matrizes nur während der Errechnung des Systems ermittelt werden müssen und entweder positiv oder negativ sein können. Die Ausgangssignale von Kernaußendetektoren in vier Abschnitten werden in identischer Weise unter Berücksichtigung einer Matrix vierter Ordnung bearbeitet. Die Gleichung für Q. . ist die gleiche. Im Betrieb kann nach der Berechnung der Wert des relativen Flusses an jedem Punkt innerhalb des Core in Abhängigkeit von den Werten an den Kernaußendetektoren bestimmt werden, indem die interessierenden axialen Koordinaten für Z in die Gleichung (1) eingesetzt werden. Im praktischen Einsatz werden die Ergebnisse elektronisch ermittelt, wie nachfolgend beschrieben wird.

Um die Verarbeitung der Ausgangssignale der Detektoren zu vereinfachen, kann, gemäß der Erfindung, ein alternierendes Verfahren zu dem beschriebenen verwendet werden. Die axiale Erstreckung des Core kann bildlich in eine bestimmte Anzahl von Koordinaten verlegt werden, die ausreichen, um eine aussagekräftige Punktrepräsentation der axialen Flußverteilung innerhalb des Core zu erhalten. Das Core kann z.B. in 25 Punktkoordinaten unterteilt werden, wobei die erste und letzte Koordinate mit der axialen Begrenzung des Core zusammenfällt. Für diesen Fall kann die Matrix A. . auf 100 Elemente erweitert werden, wenn in der axialen Anordnung vier Detektoren Verwendung finden. Die Matrixelemente erhält man in der gleichen Weise, wie vorausgehend beschrieben, durch Messen der Leistung in jeder PunktkoOrdinate unter Verwendung eines in den Kern einführbaren Systems zum Ermitteln der Flußverteilung ent-

sprechend

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χχ

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sprechend der fünf Kurven gemäß Fig. 4. Die Anzahl der Flußverteilungskurven, welche für die Errechnung benötigt wird, entspricht der Anzahl der verwendeten Detektoren, jedoch werden fünf Flußverteilungskurven gemäß Fig. 4 empfohlen, um die Genauigkeit der Berechnung sicherzustellen. Die Matrixelemente A.. erhält man aus der gleichzeitigen Auflösung für jeden Punkt unter Verwendung der gemessenen Werte aufgrund der einzelnen FlußVerteilungskurven. Die allgemeine Matrix, welche eine Lösung für 25 Koordinatenpunkte der axialen Flußverteilung im Core gibt, lautet:

-1

^Pl	S	* *
•		^ ^Ln
_^P25_

wobei i als ganze Zahl die Werte zwischen 1 und 25 annimmt und j eine ganze Zahl ist, die zwischen 1 und η variiert, wobei η die Anzahl der mit Detektoren bestückten Abschnitte ist. Daraus ergibt sich, daß die Leistung in jedem Koordinatenpunkt gleich der Summe der mit einer entsprechenden korrespondierenden Konstanten multiplizierten Detektorausgangssignale ist. Dieses Verfahren der Verarbeitung der Detektorausgangssignale vereinfacht die Schaltkreise ganz beträchtlich, welche notwendig sind, um die Flußinformation für jeden Punkt zu ermitteln. Sobald man die Punktrepräsentation erhalten hat, kann die gesamte axiale Flußverteilung innerhalb des Core rekonstruiert werden. Es sei hervorgehoben, daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Matrixelemente AiJ in der Gleichung (13) von den konstante Größen darstellenden Matrixelementen A^. in Gleichung (11) verschieden sind.

Aufgrund

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Aufgrund der physikalischen Eigenschaften vieler Reaktoren ist die maximale Größe für Kilowatt/Längeneinheit (spezif. Stableistung) eines jeden Brennelementes innerhalb des oberen Core-Bereiches stärker begrenzt als in anderen Bereichen des Core.Dies ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß im oberen Bereich des Core die Kühlmitteltemperatur höher als in darunterliegenden Bereichen ist, und daß die Unfallkriterien aufgrund von Kühlmittelverlust eine geringere KilowattleistungAängeneinheit im oberen Bereich eines jeden Brennelementes erfordern, um die Folgen eines Unfalles zu minimalisieren. Um maximale Leistungsabgabe einzuhalten, ist es deshalb wünschenswert, die Flußverteilung innerhalb des Oberen Bereich des Core mit engeren Grenzen zu überwachen, als dies für die Flußverteilung im übrigen Bereich des Core der Fall ist. Dementsprechend können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Punktkoordinaten, in welchen der Fluß berechnet wird, im oberen Bereich des Core enger beieinander angeordnet sein, als dies in dem übrigen Bereich des Core der Fall ist. Bei einer Kernaußendetektoranordnung 32" mit den Detektoren für die Abschnitte T,M und B und dem beschriebenen Verfahren zur Signalverarbeitung, werden die Ausgangssignale Lm, L, und Lg über Trennverstärker 34- gemäß Fig. geführt, an deren Ausgang die Spannungen V., V^ und V, zur Verfügung stehen. Diese Spannungen werden elektrisch weiterverarbeitet, um die Meßwerte für den Fluß an jeder der gewünschten Koordinaten zu erhalten. Die veränderbaren Widerstände 36 dienen der Kalibrierung der Detektorausgangssignale. Jeder der Detektorausgänge ist ferner an einen Summenverstärker 36 angeschlossen, um ein Leistungssignal zu erzeugen, das dazu benutzt werden kann, um die Flußmessungen zu normalisieren, damit die erhaltenen Signale mit den für den Betrieb der Anlage normalerweise verwendeten Einstellwerten verglichen werden können.

Für

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Für jede Koordinate, für welche ein Flußwert ermittelt wird, werden die entsprechenden Ausgangsspannungen der den Abschnitten zugeordneten Detektoren an einstellbare Verstärker 54- übertragen, deren Verstärkung so eingestellt ist, daß sie dem passenden kalibrierten Wert des Matrixelementes A^ . entspricht. Die Detektorausgangsspannung mulipliziert mit der entsprechenden Verstärkung des Verstärkers 54, wird einem Summenverstärker 56 zugeführt, der den mittleren Leistungswert über die X-Y Ebene dieser axialen Koordinate zur Verfügung stellt. Der mittlere Leistungswert jeder Koordinate wird dann mit einem entsprechenden Scheitelfaktor F multi-

xy

pliziert, der einen durch den Hersteller des Reaktors eingestellten Parameter darstellt. Dieser Wert wird in einem Grenzdetektor 62 mit einem Einstellwert für die maximal zulässige Leistung der betreffenden axialen Position verglichen. Beim überschreiten des Grenzwertes wird ein Alarm ausgelöst, woraus erkennbar wird, daß der in dem identifizierten Kernbereich zulässige Leistungswert überschritten ist. Die mittlere Leistung P kann auch in einer entsprechenden Einheit 64- zur Anzeige gebracht oder gespeichert werden.

Der Wert des Scheitelfaktors F hängt von der Anzahl der

xy

Regelstäbe in einer entsprechenden axialen Koordinate ab. Ein passender Wert für diesen Scheitelfaktor F wird der

xy

Vervielfacherstufe 60 gemäß Fig. 6 vom Scheitelwert-Generator 58 zugeführt, der entsprechend der Schaltung gemäß Fig. 7 aufgebaut ist. An einen Decoder 66 werden Eingangssignale angelegt, die die Regelstabposition kennzeichnen und angeben, ob in der entsprechenden axialen Koordinate die Regelstäbe mit Teillängen vorhanden sind oder ob zwei Regelgruppen wirksam sind. Normalerweise werden zwei Regelgruppen nur bei einem über 50% liegenden Leistungsbetrieb verwendet. Ein derartiges Indikationssystem für die Regelstabposition

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Stabposition ist durch das US-PS 3 858 191 bekannt. Mit der Möglichkeit drei unabhängige Regelstabgruppen in jeder beliebigen axialen Koordinate wirksam sein zu lassen, gibt es acht mögliche Kombinationen und dementsprechend acht mögliche Scheitelfaktoren für den Fluß. Der Decoder 66 ermittelt den richtigen Scheitelfaktor und schließt über Torschaltungen entsprechende Funktionsgeneratoren 68 an die Vervielfacherstufe 60 an.

Experimentelle Ergebnisse haben bestätigt, daß durch das Festlegen der Anfangskonstanten,z.B. für Kernaußendetektoren mit drei Bereichen, die A-Matrixelemente A. _x und

A, _Λ gleich 0 gesetzt werden können. Dieses Ergebnis stellt eich ein, da der obere Abschnitt des Core vom unteren Abschnitt einerseits und der untere Abschnitt des Core vom oberen Abschnitt andererseits nicht beeinflußt wird.

Durch experimentelle Versuche wurde bestätigt, daß das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung eine sehr gute Korrelation der beiden durch die Kernaußendetektoren und die Kerninnendetektoren festgestellten Flußverteilungen ergeben.

Auf diese Weise läßt sich eine zuverlässige Bestimnung der mittleren Leistung in jeder Koordinate längs der Achse des Core von den Kernaußendetektoren ableiten. Somit erhält man für das Brennstoffelement eine mittlere axiale und lineare X-Y Leistungsdichte in Kilowatt/Längeneinheit des Brennelementes (spezifische Stableistung) als Funktion der axialen Position. Sobald man diese Information hat, können mehrere Ausgangssignale dazu benutzt werden, um eine feinere Steuerung der Betriebsparameter aufzubauen. Als Beispiel hierfür sei gegeben:

a. Die

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a. Die Größe F₇ (mittlerer axialer X-Y Scheitelfaktor) kann errechnet und numerisch bzw. analog zur Anzeige gebracht werden. Durch die Multiplikation mit einem angenommenen Scheitelfaktor F für den ungünstigsten

xy

Fall und durch Addition maximaler Fehlergrenzen kann der ungünstigste Fall für den Scheitelfaktor der nuklearen Leistungsdichte F zur Anzeige gebracht werden.

b. Die axiale lineare Leistungsdichte bzw. die spezifische Stableistung in KiIowatt/Längeneinheit kann auf einem Bildschirm oder einer anderen analogen Anzeige sichtbar dargestellt werden, wobei wiederum durch Multiplizieren mit dem Scheitelfaktor F für den ungünstigsten Fall und durch Addieren der Fehlergrenzen die lineare Leistungsdichte in KiIowatt/Längeneinheit für das heiße Brennelement zur Darstellung kommen kann.

c. Es können Alarmsituationen ausgelöst werden, wenn ein voreingestellter maximaler Wert für den vorstehenden Fall (a.) und/oder (b.) überschritten wird.

d. Die Wärmeübertragungskorrelationen liefern schärfere Grenzen für die lineare Leistungsdichte bei größeren Richthöhen im Core aufgrund höherer Kühltemperaturen und/oder Leerstellen (Dampfblasen). Mit diesem System kann die spezifische Grenzstableistung in Abhängigkeit von der axialen Position verändert werden. Damit können Signale für den Schutz der Anlage ausgelöst werden, die vom Übersteigen dieses Grenzwertes abhängig sind. Mit dem übersteigen voreingestellter Grenzen für die spezifische Stableistung können Signale für den Rücklauf der Turbinen und für die Reaktorabschaltung erzeugt werden. Desgleichen kann beim Überschreiten der spezifischen

Grenzstableistung

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Grenzstableistung eineΔΤ-Schutzmaßnahme ausgelöst werden, wobei diese Schutzmaßnahme entweder ein digitales Signal oder ein? in ein analoges Signal umgewandelte Signalgröße sein kann, um einen direkten Anschluß an das A T-Schutζsystem (Schutzsystem zur überwachung der Aufheizspanne) bereits im Betrieb befindlicher Anlagen zu ermöglichen.

Auf diese Veise können Reaktoren mit größerer Annäherung an die Grenzspezifikationen und damit mit größerem Wirkungsgrad betrieben werden und ferner wird ein Lastfolgebetrieb möglich.

Patentansprüche ι

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Claims

FLfcuCHAUSÄWbHSER

PATENTANWÄLTE

München - Hannover

8 MÖNCHEN 71, 15. Februar,77

Melchiorstraße 42

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Westinghouse Electric Corp. Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Patentansprüche

Verfahren zur kernäußeren Überwachung der Flußverteilung längs einer vorgegebenen Achse des Core in einem Atomreaktor, dadurch gekennze ichnet, daß das Gore in zumindest drei Abschnitte längs der vorgegebenen Achse aufgeteilt wird, daß der Fluß kernaußen an diesen Abschnitten benachbart gelegenen Orten überwacht und gemessen wird, daß die gemessenen Flußwerte bestimmter Positionen in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden, daß die elektrischen Ausgangssignale kalibriert werden, um die in dem zugeordneten Abschnitt des Core entwickelte Leistung zu kennzeichnen, daß die kalibrierten elektrischen Ausgangssignale zur Schaffung eines mittleren Leistungssignals summiert werden, und daß das mittlere Leistungssignal in Gegenüberstellung zur maximal zulässigen Leistungseinstellung überwacht und zur Anzeige gebracht wird.

.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der relative Flußverlauf längs einer vorgegebenen Achse aus den kalibrierten elektrischen Ausgangssignalen repräsentativ ermittelt und zur Anzeige gebracht wird.

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Dipl -Ing Leo Fleuchajs, Mjncnen - Dipl -Ing WuIt Wehser. Hannover

ORIGINAL INSPECTED

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überwachung des mittleren Leistungssignals dieses mit einem Leistungsscheitelfaktor multipliziert wird, der sich in Abhängigkeit von der Position der Regelstäbe im Core ändert, und daß das durch die Multiplikation erhaltene Produkt mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird.

A-. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der relative Flußwert in jedem Abschnitt des Core längs der gegebenen Achse unabhängig von den gemessenen Flußwerten für eine Anzahl vorgegebener unterschiedlicher Flußverteilungen vorbestimmt wird, daß der vorgegebene Flußwert für jede der verschiedenen Flußverteilungen gleich der Summe der korrespondierenden elektrischen Ausgangssignale gesetzt wird, die mit einer korrespondierenden unbekannten Konstanten multipliziert sind, daß die Gleichungen gleichzeitig zur Ermittlung der Werte jeder der korrespondierenden Konstanten gelöst werden, und daß die in den entsprechenden Abschnitten des Core erzeugte Leistung repräsentierende Signale durch Multiplizieren der entsprechenden elektrischen Ausgangssignale mit ihren zugeordneten Konstanten gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Flußwerte über eine Kerninneninstrumentierung ermittelt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Überwachungspositionen sich in ihrer Verteilung längs der gegebenen Achse ändern.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungspositionen am einen Ende der Achse näher beieinander liegen, als am anderen Ende der Achse.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Uberwachungspositionen progressiv vom einen Ende der Core-Achse zum anderen Ende zunehmen.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennze ichnet, daß die Überwachungspositionen symmetrisch längs einer Achse verteilt angeordnet sind, die parallel zur gegebenen Achse verläuft.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur kernäußeren Überwachung der Flußverteilung längs einer vorgegebenen Achse des Core in einem Atomreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest drei auf den zu messenden Fluß ansprechende Detektoren vorhanden sind, die in Abhängigkeit von dem gemessenen Fluß ein elektrisches Ausgangssignal liefern und jeweils außerhalb des Core in der Nähe von zumindest drei Abschnitten des Core angeordnet sind, die durch Unterteilung des Core senkrecht zur gegebenen Achse entstehen, daß zumindest drei bezüglich ihrer Verstärkung einstellbare Verstärker vorhanden sind, um die entsprechenden elektrischen Ausgangssignale derart zu kalibrieren, daß sie die Leistungsverteilung in den entsprechenden Abschnitten des Core reflektieren, daß Summierstufen vorhanden sind, um die kalibrierten elektrischen Ausgangssignale zu summieren und ein mittleres Leistungssignal zu schaffen, und daß Einrichtungen zum Überwachen des mittleren Leistungssignals in Gegenüberstellung zur maximalen zulässigen Leistungseinstellung vorhanden sind.

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11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Überwachung der mittleren Leistung Vervielfacherstufen umfassen, um das mittlere Leistungssignal mit einem Scheitelfaktor zu multiplizieren, der sich in Abhängigkeit von der Position der Regelstäbe im Reaktorcore ändert, und daß ein Grenzdetektor vorhanden ist, um das durch die Multiplikation erhaltene Produkt mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Einrichtungen vorhanden sind, welche ein von der Position der Regelstäbe im Reaktorcore abhängiges Signal liefern, daß eine Vielzahl von Funktionsgeneratoren jeweils einen Scheitelfaktor in Abhängigkeit von einer aus einer Vielzahl von verschiedenen Flußverteilungen liefert, die sich in Abhängigkeit von der Position der Regelstäbe im Core ändern, und daß eine Vielzahl von Torschaltungen vorhanden ist, welche in Abhängigkeit von dem die Position des Regelstabs anzeigenden Signal den Scheitelfaktor zur Vervielfacheretufe übertragen.

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