DE2715433B2

DE2715433B2 - Verfahren zum Schnellabsenken der Leistung eines Druckwasserreaktors

Info

Publication number: DE2715433B2
Application number: DE2715433A
Authority: DE
Inventors: Stephen James Medway Mass. Bruno; Stephen Alfred Enfield Dunn; Marvin West Hartford Raber
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1977-04-06
Publication date: 1979-07-12
Also published as: FR2349922A1; US4075059A; JPS52132295A; DE2715433A1; ES458261A1; FR2349922B1; GB1577261A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneilabsenken der Leistung eines Druckwasserreaktors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der DE-OS 19 45 044 bekannt ist.

Bekanntlich wird die Leistung von Kernreaktoren durch Einfahren von Steuerstäben vermindert, durch Herausziehen von Steuerstäben erhöht. Dabei ist es bekannt, anstelle des gleichzeitigen Bewegens aller Steuerstäbe um geringe Hübe nur einzelne Steuerstäbe um große Hübe zu bewegen, um ein und dieselbe Leistungsänderung zu erzielen, da auf diese Weise eine Ji) höhere Regelgenauigkeit ermöglicht werden kann. So werden gemäß CH-PS 3 60 141 zur Leistungsabsenkung zuerst die im Reaktorkernquerschnitt innersten Stäbe eingefahren und danach, vorzugsweise in ihrem Bewegungsablauf einander überlappend, weiter außen liegende Gruppen, während umgekehrt zur Leistungserhöhung zuerst die äußersten Stabgruppen gehoben werden und zuletzt die innersten. Die Reihenfolge, in der im Normalbetrieb die Stäbe zwecks Leistungsregelung bewegt werden, wird vom Reaktorkonstrukteur 4<> vorgegeben.

Bei Auftreten bestimmter Notsituationen — Lastabwurf, Speisewasserpumpenausfall oder anderen — erfolgt im allgemeinen eine Notabschaltung des Reaktors. Dies stört den Reaktorbetrieb erheblich und ist oft unerwünscht. Es ist vielmehr erwünscht, den Reaktor bei verminderter Leistung weiter in Betrieb zu halten, falls dies unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit überhaupt vertretbar ist. Aus diesem Grunde werden bei dem aus der DE-OS 19 45 044 bekannten Verfahren ^r>o für die Schnellabsenkung der Reaktorleistung ein oder mehrere Steuerstäbe der normalerweise zur Leistungsregelung verwendeten Steuerstäbe vollständig in den Reaktorkern eingeworfen, während das normale Herunterfahren der Leistung durch stetiges Einfahren der Steuerstäbe erfolgt.

Zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden technischen Aufgabe sind einige Vorbemerkungen notwendig:

Bei einem Kernreaktor sind zwei Faktoren ;'.u bo berücksichtigen, wenn eine beschleunigte Leistungsrsduktion vorgenommen wird, und zwar die Reaktorle:istung und die Leistungsverteilung im Kern. Jedes der zahlreichen Ereignisse, das eine beschleunigte Leistungsreduktion hervorrufen kann, hat einen charakteiistischen Leistungspegel, auf den die Leistung des Reaktors abgesenkt werden muß, damit der Reaktor kritisch bleiben kann, ohne die Sicherheit der Kernreaktoranlage zu gefährden. Beispiele solcher Ereignisse, welche eine beschleunigte Leistungsverringerung erfordern, sind der teilweise oder vollständige Lastabwurf, der Ausfall einer Reaktorkühlmittelpumpe, die Abweichung eines Steuerstabes von der ihm zugeordneten Position (einschließlich eines heruntergefallenen Stabes) und der Ausfall einer Dampferzeugerspeisewasserpumpe. Nachfolgend werden als Beispiel die Konsequenzen bei Ausfall einer Speisewasserpumpe erläutert.
• Bei Ausfall einer von zwei Speisewasserpumpen wird die Strömung des Wassers zu dem Dampferzeuger verringert, da die verbleibende Pumpe nicht in der Lage ist, das gesamte von dem Dampferzeuger benötigte Speisewasser zu liefern. Wenn dies eintritt, »verbraucht« der Dampferzeuger Wasser (indem es verdampft wird) schneller, als das Wasser im Dampferzeuger wieder ersetzt werden kann, was zu einem entsprechenden Absinken des Wasserpegels im Dampferzeuger führt. Diese Situation löst schließlich ein Notsignal aus, das für einen zu niedrigen Wasserpegel im Dampferzeuger repräsentativ ist. Wenn die Reaktorleistung jedoch vorher auf ein entsprechendes Maß zurückgenommen wird, wird auch die Dampferzeugung verringert und eine Reaktor-Notabschaltung wegen eines zu niedrigen Dampferzeugerwasserpegels vermieden.

Es darf unterstellt werden, daß das aus der DE-OS 19 45 044 bekannte Verfahren wohl in der Lage ist, die jeweiligen Leistungsgrenzwerte des Reaktors einzuhalten. Zu berücksichtigen ist aber daneben auch noch die Leistungsverteilung innerhalb des Raktorkerns. Der Einwurf einzelner Steuerstäbe kann nämlich die Leistungsverteilung derart verzerren, daß es sich als notwendig erweist, die Leistung weiter abzusenken, als eigentlich erforderlich wäre, um Beschädigungen insbesondere der Brennstoffstäbe durch lokales Überhitzen zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, das im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannte Verfahren so auszugestalten, daß auch bei Absenkung der Leistung nur um das unbedingt notwendige Maß eine lokale Überhitzung infolge Verzerrung der Leistungsverteilung innerhalb des Kerns vermieden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs.

Zur Erläuterung der vorgeschlagenen Lösung ist auszuführen, daß bei der Auslegung des Leistungssteuersystems für einen bestimmten Reaktortyp darauf geachtet wird, die Steuerstäbe — während des normalen Betriebsablaul's — in einer Reihenfolge zu bestätigen, bei der der Einfluß auf die radiale Leistungsverteilung minimal gehalten wird. Genau diese Reihenfolge wird nun auch bei der Schnellabsenkung der Leistung eingehalten. Die Höhe des verminderten Leistungspegels richtet sich jeweils nach der Art des Ereignisses (z. B. der Größe des Lastabwurfs); aus der Größe der notwendigen Leistungsabsenkung vermag der Fachmann dann die Anzahl der einzuwerfenden Steuerstäbe auf Grund der Betriebsparameter der Kernkraftanlage zu bestimmen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. I ist ein Diagramm, in dem der geforderte Zusammenhang zwischen der mittleren Kühlmitteltemperatur und der Reaktorleistung dargestellt ist, wobei die Steigup." der Kurve mit dem Symbol 5 bezeichne! ist.

F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit des Moderatortemperaturkoeffizienten der Reaktivität von der Borsäurekonzentration,

F i g. 3 zeigt die Brennelementtempsratur in Abhängigkeit von der Realctorleistung mit einer lineraren Annäherung,

F i g. 4 zeigt die Abhängigkeit der Steuerstabreakuvität von der Steuerstabposition sowie eine lineare Näherung dswer Funktion,

Fig.5 zeigt als Blockbild eine Anlage mit den Steuereinrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung und

F i g. 6 ist eine Darstellung ähnlich F i g. 5.

Die Wirksamkeit von Steuerstäben hinsichtlich der Veränderung der Reaktorleistung wird normalerweise als Steuerstabreaktivität ausgedrückt Wenn die Steuerstäbe in den Reaktorkern eingeworfen werden, stabilisiert sich der Reaktor bei einem Leistungspegel und bei einer Temperatur derart, daß die Gesamtreaktivität Null ist Demgemäß muß der Steuerstabreaktivi- 2» tätseffekt ausbalanciert werden durch irgendwelche gleichen, aber entgegengerichteten Effekte. Kurzzeitig gesehen (d.h. über Zeiten, die kleiner oder gleich wenigen Stunden sind), werden diese entgegengesetzten Effekte durch die Verringerung in der mittleren Temperatur des Reaktorbrennstoffes sowie in der mittleren Temperatur des Reaktorkühlmittels hervorgerufen. Diese Änderung der Reaktivität infolge einer Änderung der Brennstofftemperatur wird als Doppkvr-Reaktivitätsänderung bezeichnet, während, die Änderung der Reaktivität infolge einer Änderung der mittleren Kühlmitteltemperatur als Moderator-Reaktivitätsänderung bezeichnet wird. Der Kurzzeitrektivitätsausgleich, der oben beschrieben wurde, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

+ Λ ii_D + <) a _w = 0 ,

(D

6qr die Steuerstabreaktivitätsänderung,
öqd die Doppler-Reaktivitätsänderung und
δρw die Moderator-Reaktivitätsänderung
bedeuten.

Die Steuerstabreaktivität ist aufgrund von genauen Computerberechnungen bekannt, bevor der Reaktor in Betrieb genommen wird und wird natürlich durch Tests zu Beginn des Reaktorbetriebes verifiziert. Deshalb kann der Effekt des Steuerstabeinwerfens bezüglich der Reaktorleistungsverringerung vorhergesagt werden, wenn man die Abhängigkeit der beiden Ausdrücke όρο und OQwvon der Reaktorleistung kennt.

Die mittlere Moderatortemperatur l_w kann beispielsweise gemäß Fig. 1 von der Reaktorleistung B abhängen. Wenn der Reaktor in dieser Weise betrieben wird, dann sind Änderungen der Reaktorleislung direkt mit Änderungen der Moderatortemperatur verbunden; es ist nun nur noch erforderlich, den Einfluß dieser Temperaturänderungen auf die Reaktivität zu berücksichtigen. Dazu benötigt man den Moderalor-Temperaturkoeffizienten der Reaktität:

bO

(2)

Der Moderator-Temperaturkoeffizient der Reaktivität ändert sich signifikant mit dem Abbrand des Reaktorkerns und ist im wesentlichen eine lineare Funktion der Konzentration von Borsäure Cb, die im Reaktorkühlmittel gelöst ist, wie in F i g. 2 dargestellt.

In ähnlicher Weise kann die Veränderung der Reaktivität bei Änderungen der Brennstofftemperatur Ti mittels des Doppler-Koeffizienten der Reaktivität berücksichtigt werden.

Vd =

Die wirksame oder effektive Brennstofftemperatur Tf ist eine Funktion der Reaktorleistung B, wie in F i g. 3 gezeigt Zwar ist diese Funktion nicht linear, doch kann man sie in den meisten Fällen durch einen linearen Verlauf hinreichend annähern.

Damit kann die Leistungsänderung infolge eines Steuerstabeinwerfens wie folgt ausgedrückt werden:

D,- — K () Oft ,

worin

Bj- = Reaktorleistung nach Einwerfen des Steuerstabs.,
Bj = ursprüngliche Reaktorleistung und

K - ^Λ ^B

Λ. —

Λ η,, ,) ,j „.

YhTf f>ij_D~\~^x Λ_β Λ T_n
~ [. Λ β Λ 7^J ⁺ Tf_w Λ.,,,.

⁼[5·^οΓ^+Γΐ;·»'·

Da der Moderator-Temperaturkoeffizient;·» im wesentlichen eine lineare Funktion der gelösten Borkonzentration C_B ist, kann er wie folgt ausgedrückt werden:

worin /< und // Konstanten sind.
. Demgemäß ergibt sich

= /i + S"¹ 3',γ¹ ,

worin /ί eine Konstante ist.

Mit der obigen Gleichung kann Gleichung (4) umgeformt werden zu:

«κ

= B₁ -[fi + S-' (// + ι/ C₈)"¹] Λ ,,„ . (8)

Wenn die Änderung der Steuerstabreaktivität öqr (vgl. F i g. 4) bekannt ist, und die Reaktorleistung B, sowie die gelöste Borkonzentration Cb gemessen b5 werden, kann man Brberechnen.

F i g. 5 zeigt als Blockbild eine Anlage, die von den

VCrSteheiid «»f-Jät,«at-tori 7iifimmonliönnnn /"l*»U..n· ..-.U

macht. Der Druckwasser-Reaktor 10 enthält einen Kern

18, gesteuert von Steuerstäben 20, die ihrerseits betätigt werden von Steuerstabkontrollmechanismen 22. Das Kühlmittel zirkuliert durch den Kern 18, wobei der Kern gekühlt und das Kühlmittel aufgeheizt wird. Dieses erhitzte Primärkühlmittel wird dann durch Dampferzeuger 12 geführt, wo es in Wärmeaustausch mit einem Sekundärkühlmittel gelangt, das durch die Sekundärseite der Dampferzeuger 12 zirkuliert. Nach dem Wärmetausch mit dem Sekundärkühlmittel wird das Primärkühlmittel wieder durch die Reaktorkühlmittel- ι« pumpen 19 zurück in den Reaktor 10 und zurück zum Reaktorkern 18 rezirkuliert.

Das Sekundärkühlmittel — üblicherweise Wasser — wird durch die Turbine 14 geführt, dann kondensiert und zum Dampferzeuger 12 mittels der Dampferzeugerspeisewasserpumpen 16 rezirkuliert.

Das Betätigungssystem für die Leistungsschnellabsenkung gemäß Fi g. 5 erfaßt die Borkonzentration des Primärkühlmittels durch einen Borkonzentrationsanalysator 28 (Boronometer). Das System erfaßt außerdem die mittlere Leistung des Reaktorkerns 18 durch einen Neutronenflußdetektor 30 und mißt die Position der Steuerstäbe 20 durch den Steuerstabpositionsdetektor 24. Ein Beispiel für diese Erfassung von Ereignissen, die eine Leistungsschnellabsenkung erforderlich machen, ist in F i g. 5 durch einen Dampferzeugerspeisewasserpumpenmonitor 26 dargestellt.

Wenn also eine der Speisewasserpumpen 16 für den Dampferzeuger ausfällt, muß die Leistung des Reaktorkeriis 18 schnell auf einen Wert herabgesetzt werden, der unter dem zulässigen Wert B_m liegt, wie er bei einem derartigen Pumpenausfall festgelegt ist.

Das Signal vom Monitor 26 gelangt zu einem Ereignismonitor 54, der sofort ein Einwurfsignal erzeugt, das dem Steuerstabantriebsmechanismus 22 zugeführt wird, um das Auslösen eines ersten Satzes von Steuerstäben 20 zu bewirken. Dieses Auslösesignal entsperrt auch die UND-Gatter 60 und 60', so daß zweite und dritte Sätze von Steuerstäben 20 ebenfalls eingeworfen werden können, falls das notwendig ist.

Der Rest des in F i g. 5 dargestellten Systems hat die Aufgabe festzustellen, ob das Einführen des ersten Satzes von Steuerstäben in den Reaktorkern 18 hinreichend ist, um die Reaktorleistung auf einen Wert unterhalb der zulässigen Leistung B_m abzusenken und gegebenenfalls das Auslösen zusätzlicher Sätze von Steuerstäben zu bewirken. Der Ereignismonitor 54 liefert ein Signal für die zulässige Leistung B_n. Ein Summierglied 56 subtrahiert die berechnete Endleistung Bn, die nach Einführen des ersten Satzes zu erwarten ist, von dem Signal B_n. Die dem Summierglied 56 vorgeschaltete Vorrichtung hat die Aufgabe, die Endleistung Bn zu berechnen. Dazu wird das Signal Cbin dem Element 32 mit einer Konstanten η multipliziert und zu dem Produkt eine Konstante μ addiert, um den Moderator-Temperaturkoeffizienten γ wzu erhalten.

Der inverse Wert der Neigung der Kurve aus F i g. 1 fS~'), wie er durch das Element 36 vorgegeben ist, wird dann im Element 34 dividiert durch den Moderatorkoef fizienten γ w- Das Element 36 kann aus einem einfachen eo Potentiometer bestehen, das ein Signal proportional dem Kehrwert der Neigung der Fi g. 1 fS-¹) liefert. Das resultierende Signal wird dann in dem Addierkreis 38 zu einer Konstanten (ßj addiert, die von einem Potentiometer 40 geliefert wird. Die resultierende Größe (ß + S~iyw~i) wird dann im Element 42 mit der Steuerstabreaktivrtätsänderang der ersten Regelstabgruppe multipliziert Die Steuerstabreaktivitätsände- rung wird durch Multiplikation der Position der ersten Regelstabgruppe mit einer entsprechenden Konstanten (Kr\) im Element 44 berechnet.

Das resultierende Signal AB_a\ aus dem Element 42 ist repräsentativ für die Leistungsänderung, die durch das Einfügen des ersten Satzes von Stäben hervorgerufen wird. Diese Leistungsänderung wird dann von der Reaktorleistung ß, in der Subtrahiereinheit 50 subtrahiert. Die Leistung ß, wird kontinuierlich von dem Neutronenflußdetektor 30 und einer an sich bekannten Schaltung 52 bestimmt. Das Resultat der Subtraktion der zu erwartenden Leistungsänderung AB„\ von der Reaktorleistung ß, ist die Reaktorleistung Bn, die erwarte! wird vom F.inwerfen des ersten Satzes von Steuerstäben. Wie oben beschrieben, wird dieser Wert dann mit der nach dem Ereignis zulässigen Endleistung B_n, verglichen. Nur wenn der Vergleich erweist, daß Bn größer ist als B„_h erzeugt das Element 58 ein Signal, das dem UND-Gatter 60 zugeführt wird, um einen zweiten Salz von Steuerstäben auszulösen.

In ähnlicher Weise ermittelt das System nach Fig.5 auch, ob ein dritter Satz von Steuerstäben auszulösen und in den Kern einzuwerfen ist. Dazu summiert ein Element 48 die vom Einwerfen des ersten Satzes erwartete und von Element 42' gelieferte Änderung zu der vom Einwerfen des zweiten Satzes erwarteten und vom Element 42' gelieferten Änderung; das Element 46 liefert die Steuerstabreaktivitätsänderung des zweiten Satzes von Steuerstäben. Das Resultat der Addition im Element 48 ist ein Wert A B₁, der repräsentativ ist für die Gesamtänderung der Reaktorleistung, die zu erwarten ist vom Einwerfen des ersten und zweiten Satzes von Steuerstäben. Wiederum substrahiert das Element 50' diesen Wert von der Ausgangsleistung Bj, um die nach Einwerfen der ersten beiden Sätze zu erwartende Endleistung Ba zu berechnen. Wenn der Vergleich im Element 56' ergibt, daß Ba größer ist als B_m liefert die Einheit 58' ein Signal zum Auslösen eines dritten Satzes von Steuerstäben. Weitere Sätze können folgen, wenn dies erforderlich ist.

F i g. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform. Abweichend von der Vorrichtung nach F i g. 5, bei der die Reaktorleistung, die erwartet wird nach dem Einwerfen des ersten oder des ersten und zweiten Satzes von Steuerstäben mit der nach dem Ereignis zulässigen Leistung verglichen wird, erzeugt die Vorrichtung nach Fig.6 eine minimal erforderliche Änderung der Reaktorleistung AB_P nach dem Ereignis und vergleicht sie mit der berechneten Leistungsänderung. Dazu vergleicht ein Summierglied 66 die nach dem Ereignis zulässige Endleistung Bm, wie sie vom Potentiometer 68 geliefert wird, mit der Ausgangsleistung Bj. Das resultierende Signal AB₉ wird mit AB_a\ im Element 64 verglichen. Das resultierende Differenzsignal wird wie in der Ausführungsform nach Fig.5 verarbeitet Die gleiche Prozedur wird durchgeführt für die Entscheidung, ob noch ein dritter Satz einzuwerfen ist

Bei der Beschreibung der Fig.5 und 6 wurde angenommen, daß der Ereignismonitor 54 bzw. 62 den ersten Satz von Steuerstäben in den Reaktorkern einwirft, bevor der Reaktivitätseinfluß des Einwerfens berechnet worden ist; es ist jedoch zu berücksichtigen, daß diese Berechnung fortlaufend ausgeführt werden kann, so daß — wenn der Ereignismonitor das Entsperrsignal zu den UND-Gattern 60 und 60' erzeugt — die Entscheidungssignale von den Elementen 58 und 58' bereits aufgebaut worden sind und die in den Kern

einzuwerfenden Steuerstabsätze im wesentlichen alle gleichzeitig ausgelöst werden.

Es ist auch festzuhalten, daß zwar die Vorrichtung nach Fig.5 und 6 so beschrieben worden ist, daß einzelne Steuerstabsätze in den Kern eingeworfen

werden, doch kann man auch einzelne Steuerstäbe auslösen und in den Kern einwerfen, wenn die normale Reihenfolge die Bewegung einzelner Steuerstäbe umfaßt Auch eine Kombination von einzelnen Steuerstäben und von Sätzen von Regelstäben ist möglich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Schnellabsenken der Leistung eines Druckwasserreaktors, dessen Leistungsabs enkung im Normalbetrieb durch Einfahren von Steuerstäben bewirkt wird, durch Einwerfen von aus diesen ausgewählten Steuerstäben, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Reaktor, dessen Steuerstäbe bei Leistungsabsenkung im Normalbetrieb mit einer vorgegebenen Reihenfolge eingefahren werden, die Steuerstäbe in der für den Normalbetrieb vorgegebenen Reihenfolge in solcher Anzahl eingeworfen werden, die zum Erreichen oder Unterschreiten eines verminderten Leistungspegels ausreicht