DE2742396C2 - Method and circuit arrangements for detecting a cooling fault - Google Patents

Method and circuit arrangements for detecting a cooling fault

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und Schaltungsanordnungen zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and circuit arrangements to carry out the procedure.

Die Brennelemente von Kernreaktoren bestehen aus einer Vielzahl von mit Metall ummantelten Kernbrennstoffstäben, die in einem gemeinsamen Hüllrohr durch Abstandshalter räumlich fixiert sind. Das gemeinsame Hüllrohr führt einen Kühlmittelstrom, der die in den Kernbrennstoffstäben durch Kernspaltprozesse erzeugte Wärme abführ· Durch Änderung ües Querschnittes des zwischen den Kernbrennstoffstäben strömenden Kühlmittel, also durch Änderung des an einem Flächenelement der Oberfläche eines Kernbrennstoffstabes in einei bestimmten Zeit vorbeiströmenden Kühlmittelvolumens kann es in begrenzten Bereichen eines oder mehrerer Kernbrennstoffslabe zu relativen Temperaturerhöhungen, bezogen auf benachbarte Be-The fuel elements of nuclear reactors consist of a large number of metal-sheathed nuclear fuel rods that are spatially fixed in a common cladding tube by spacers. The common cladding tube carries a coolant flow, the removing the heat generated in the nuclear fuel rods from nuclear fission processes · By changing TUs cross-section of the flowing between the nuclear fuel rods coolant, so by changing the r at an area element of the surface of a Ke nbrennstoffstabes in Einei certain time by flowing coolant volume can in limited areas of one or more nuclear fuel stores to relative temperature increases, based on neighboring areas

y> reiche, kommen. Die dabei auftretenden Obertemperaturen können zum Sieden des KühlmnteK fuhren und haben zunächst eine Begrenzung der thermischen Belastbarkeit des Brennelementes, am t nde aber dessen Zerstörung zur Folge. Aus eirunden der P.eaktor Betriebssicherheit müssen derartige lokale Kühliingssto rungen möglichst weilgehend vermit κ··· oder deren Auftreten möglichst vor Eintritt de*. Siedens erkannt und behoben werden, bevor schwerwiegende Folgen eintreten können. Das Problem der Detektion lokaler y> rich, come. The resulting excessive temperatures can lead to the boiling of the cooling medium and initially limit the thermal load capacity of the fuel assembly, but eventually result in its destruction. For reasons of operational safety, such local cooling faults must be avoided as quickly as possible with κ ··· or their occurrence if possible before they occur. Boiling must be recognized and remedied before serious consequences can occur. The problem of local detection

J> Kühlungsstörungen ist von besonderer sicherheitstech nische- Bedeutung für schnelle, flussigmetallgekühltc Reaktoren Das Erkennen von Kühlungsstörungen möglichst /um Zeitpunkt ihres erstmaligen Auftreter,', wird icdoch dadurch erschwert, daß die /ii überwachende Kühlmittel-Austrittstemperatur auch betriebsbedingten Änderungen unterworfen ist. die unter anderem verursacht sein können durch Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, also des Kühlmitteldurchsatzes oder durch Änderungen der Kühlmitteleintrittstemperalur oder der Reaktorleistung. Aus regeltechnischen Gründen schwanken die Istwerte dieser Regelgrößen um einen vorbestimmten Sollwert. J> Cooling disorders is of particular safety piercing nische- important for fast, flussigmetallgekühltc reactors Detecting cooling disorders possible / um moment of initial performers' is icdoch complicated by the fact that the / ii monitoring coolant outlet temperature and operational changes is subjected. which can be caused, among other things, by changes in the flow rate of the coolant, i.e. the coolant throughput or by changes in the coolant inlet temperature or the reactor output. For technical control reasons, the actual values of these controlled variables fluctuate around a predetermined setpoint.

Es ist bekannt (Nucl. Eng. and Design. IS (1971),It is known (Nucl. Eng. And Design. IS (1971),

Seiten 441—457), die Temperatur des aus dem Brennelement-Kühlkanal austretenden Kühlmittels mit Thermoelementen zu überwachen. Dieses einfache Meßverfahren ist aber wegen der durch Betriebsvorgänge verursachten Temperaturänderungen nur zum Detektieren recht großer Kühlungsstörung geeignet,Pages 441-457), the temperature of the coolant emerging from the fuel assembly cooling channel Monitor thermocouples. This simple measuring method is due to the operational processes caused temperature changes only suitable for detecting quite large cooling disturbances,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Detektieren von Kühlungsstörungen bereitzustellen, das mit wesentlich erhöhter Empfindlichkeit arbeitet.The invention is based on the object of a method for detecting cooling faults provide that works with significantly increased sensitivity.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebene Meßverfahren gelöst Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Meßverfahrens ist im Anspruch 2 angegeben, während die Ansprüche 3 bis 6 Schaltungsanordnungen zur Durchführung des Meßverfahrens betreffen.This object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of claim 1 Measuring method solved An advantageous embodiment of the measuring method is specified in claim 2, while claims 3 to 6 relate to circuit arrangements for carrying out the measuring method.

Die mit der Erfindung trzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß meßbare Einflüsse für die Änderungen der Austrittstemperatur des Kühlmittels berücksichtig; werden, wobei diese Messungen von üblicherweise vorhandenen Meßeinrichtungen ausge führt werden.The advantages achieved with the invention are in particular that measurable influences for the Changes in the outlet temperature of the coolant taken into account; with these measurements of customarily existing measuring equipment leads out.

Das erfindungsgemäße Verfahren und zwei Ausführungsbeispiele einer Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens werden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigtThe method according to the invention and two exemplary embodiments of a circuit arrangement for performing it of the process are described in more detail with reference to the drawing. It shows

F i g. 1 das Blockschaltbild einer ersten Schaltungsanordnung zum Detektieren von Kühlungsstörungen,F i g. 1 shows the block diagram of a first circuit arrangement for detecting cooling faults,

Fi g. 2 das Blockschaltbild einer zweiten Schaltungsanordnung zum Detektieren von Kühlungsstorungen undFi g. 2 shows the block diagram of a second circuit arrangement for detecting cooling faults and

F i g. 3 ein Meßdiagramm.F i g. 3 a measurement diagram.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaitoild einer Schaltungsanordnung zum Detektieren von Kühlungsstörungen besteht im wesentlichen aus einem ersten Meßkanal für den Neutronenfluß 1. einem zweiten Meßkanal für die Eintrittstemperatur des Kühlmittels 2 und einem dritten Meßkanal für den Kühlmitteldurchsatz 3. Die für jeden dieser drei Meßkanäle ohnehin in einem Kernreaktor installierte Meßeinrichtung 4, 5, 6 3» erzeugt ein erstes Meßsignal 7, 8, 9 fur den Momentanwert der jeweiligen Meßgröße und e;n zweites Meßsignal 10, 11, 12 für den zeitlicher Mittelwert der jeweiligen Meßgröße. Jeder Meßeinrich tung 4, 5, 6 ist ein Bauelement 13, 14, 15 zum Bilden ii eines Differenzsignals aus den Signalen der Momentanwerte 7,8,9 und den Signalen der Mittelwene 10,11,12 nachgeschaltet. Die Kühlmittel-Austnttstemperatur 16 wird ebenfalls durch eine in einem Kernreaktor ohnehin installierte weitere Meßeinrichtung 17 erfaßt, die an einem ersten Ausgang ein Meßsignal 18 für den Momenlanwert und an einem zweiten Ausgang ein Meßsignal 19 für den langfristigen Mntelwert der Kühlmittel-Austrittstemperatur erzeugtThe block diagram shown in Fig. 1 a Circuit arrangement for detecting cooling disturbances consists essentially of a first Measuring channel for the neutron flux 1. a second measuring channel for the inlet temperature of the coolant 2 and a third measuring channel for the coolant throughput 3. The for each of these three measuring channels in A measuring device 4, 5, 6 3 'installed in a nuclear reactor generates a first measuring signal 7, 8, 9 for the Instantaneous value of the respective measured variable and e; n second measurement signal 10, 11, 12 for the temporal Mean value of the respective measured variable. Every measuring facility device 4, 5, 6 is a component 13, 14, 15 for forming ii a difference signal from the signals of the instantaneous values 7, 8, 9 and the signals of the mean values 10, 11, 12 downstream. The coolant removal temperature 16 is also detected by a further measuring device 17, which is installed in a nuclear reactor anyway a measurement signal 18 for the Momenlan value at a first output and a second output Measurement signal 19 generated for the long-term Mntelwert the coolant outlet temperature

Jedem der Bauelemente 13, 14, 15 ist ein Verstärker 20, 21, 22 nachgeschaltet, der da«. Differenzsignal so verstärkt, daß dessen Amplitude mit der Amplitude des entsprechenden Schwankungsanteils des von der weiteren Meßeinrichtung 17 erzeugten ersten Meßsignals 18, also den Schwankungen der Kühlmittel-Austrittstemperatur übereinstimmt. Jedem der Verstärker 20, 21, 22 ist ein Verzögerungsglied 23, 24, 25 zum Angleichen der Phasenlage des verstärkten Differenzsignales nachgeschaltet. Zum Einstellen der Phasenlage kann das Verzögerungsglied auch durch ein Tiefpaßfilter ergänzt oder ersetzt werden.Each of the components 13, 14, 15 is followed by an amplifier 20, 21, 22, which is there. Difference signal so amplifies that its amplitude with the amplitude of the corresponding fluctuation component of the further measuring device 17 generated first measuring signal 18, that is to say the fluctuations in the coolant outlet temperature matches. Each of the amplifiers 20, 21, 22 is a delay element 23, 24, 25 for Adjustment of the phase position of the amplified differential signal connected downstream. For setting the phase position the delay element can also be supplemented or replaced by a low-pass filter.

Die Signalausgänge der Verzögerungsglieder 23, 24, 25 und der zweite Ausgang 19 der weiteren Meßeinrichtung 17 sind auf den Eingang einer Addiereinheit 26 geschaltet. Dabei ist die Polarität des Ausganges des Verzögerungsgliedes 25 entgegengesetzt derjenigen der Ausgänge der Verzögerungsglieder 23, 24. Der Ausgang der Addiereinheit 26 mit dem Summensignal 27 und der Ausgang der weiteren Meßeinrichtung 17 mit dem Signal der Kühlmittel-Austrittstemperatur 18 sind auf einen Operationsverstärker 28 geschaltet, der aus dem Signal der Kühlmittel-Austrittstemperatur die dem Summensignal der Addiereinheit 26 entsprechenden Signalanteile eliminiert, so daß der Ausgang 29 ein korrigiertes Meßsignal führt, das im wesentlichen durch eine Kühlungsstörung verursacht istThe signal outputs of the delay elements 23, 24, 25 and the second output 19 of the further measuring device 17 are connected to the input of an adding unit 26. The polarity of the output is the Delay element 25 opposite to that of the outputs of the delay elements 23, 24. The The output of the adding unit 26 with the sum signal 27 and the output of the further measuring device 17 with the signal of the coolant outlet temperature 18 are connected to an operational amplifier 28, which is off the signal of the coolant outlet temperature the dem Sum signal of the adding unit 26 eliminated corresponding signal components, so that the output 29 a leads corrected measurement signal, which is essentially caused by a cooling disturbance

F1 g. 2 zeigt das Blockschaltbild einer zweiten Schaltungsanordnung zum Detektieren von Kühlungsstörungen, das im wesentlichen aus einem ersten Meßkanal für den Neutronenfluß (Reaktorleistung) 1 und einem zweiten Meßkana! für die Eintrittstemperatur des Kühlmittels 2 besteht. Ein dritter Meßkanal für den Kühlmitteldurchsatz wird in besonderen Fällen nicht benötigt, wenn die Änderungen des Kühlmitteldurchsatzes nur einen relativ geringen Einfluß auf die Temperatur des Kühlmittels beim Austritt aus dem Brennelement haben.F1 g. 2 shows the block diagram of a second Circuit arrangement for the detection of cooling faults, which essentially consists of a first Measuring channel for the neutron flux (reactor power) 1 and a second measuring channel! for the inlet temperature of the coolant 2 consists. A third measuring channel for the coolant throughput is used in special cases not needed if the changes in coolant flow only have a relatively minor impact on the Have the temperature of the coolant when it emerges from the fuel assembly.

Die Kr jeden der Meßkanäle ohnehin ein einem Kernreaktor installierte Meßeinric' -ang 4, 5 erzeugt ein Mcßsignai 7, 8 für den Mornenian^e"1 der jeweiligen Meßgröße, das einem nachgeschalteten Verstärker 20, 21 zugeführt wirdThe circuit of each of the measuring channels is anyway a measuring unit 4, 5 installed in a nuclear reactor, generating a signal 7, 8 for the Mornenian ^ e " 1 of the respective measured variable, which is fed to a downstream amplifier 20, 21

Die Kühlmittel-Austrittstemperatur 16 wird eoenfalls durch eine in einem Kernreaktor ohnehin installierte weitere Meßeinrichtung 17 kontrolliert, die an ihrem Ausgang ein Meßsignal 18 fur den Momentanwert der Kühlmittel-Austrittstemperatur 16 erzeugt.The coolant outlet temperature 16 is also controlled by a further measuring device 17, which is installed in a nuclear reactor anyway, which at their Output a measurement signal 18 for the instantaneous value of the coolant outlet temperature 16 is generated.

Den Verstärkern 20, 21 ist ein Verzögerungsglied 23, 24 nachgeschalteu mit dem die Phasenlage des Meßsignales eingestellt wird. Die Anpassung kann auch durch zusätzliche oder alleinige Verwendung eines Tiefpasses vorgenommen werdenThe amplifiers 20, 21 is a delay element 23, 24 downstream with which the phase position of the Measurement signal is set. Customization can too can be made by using a low-pass filter either in addition or on its own

Die Signalausgänge der Verzögerungsgheder 23, 24 sind auf eine Addiereinhei? 40 geschaltet, deren Ausgang 41 mn dem Summensignal auf den negativen Eingang eine? Operationsverstärkers 28 geschaltet ist. Der Ausgang 18 der weiteren Meßeinrichtung 17 mit dem Meßsignal der Kühlmittei-Austnttstemperatur ist auf den positiven Eingang des Operationsverstärkers 28 geschaltet, so daß der Ausgang 29 im Normalfall ein Nullsignal und nur beim Auftreten einer Kühlungsstörung ein von Null abweichendes Signal führt.The signal outputs of the delay gates 23, 24 are on an adding unit? 40 switched, their Output 41 mn the sum signal on the negative input a? Operational amplifier 28 is connected. The output 18 of the further measuring device 17 with the measurement signal of the cooling medium discharge temperature is sent to the positive input of the operational amplifier 28 switched so that output 29 is normally on Zero signal and only if a cooling fault occurs a signal deviating from zero leads.

Das in F 1 g 3 dargestellte Meßdiagramm verdeutlicht das erfindungsgemäße Verfahren und die Arbeitsweise der vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen.The measurement diagram shown in F 1 g 3 illustrates the method according to the invention and the mode of operation of the proposed circuit arrangements.

Die erste Kurve 30 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kühlmittel-Austrittstemperatur 16.The first curve 30 shows the course of the coolant outlet temperature 16 over time.

Wird aus dem Meßsignal der Kühlmittel-Austrittstemperatur 16 das in dem Meßsignal für den Neutronenfluß 1 erzeugte Signal, also der durch Änderungen der Reaktorleistung verursachte Anteil an der zeitlichen Änderungen der Kühlmittel-Austrittstemperatur eliminiert, so ergibt sich die zweite Kurve 31. Die dritte Ku've 32 wird erzeugt duich Eliminieren der Anteile der Kühlmittel-Eintrittsteinperatur 2 an der Änderung der Kühlmittel-Austrittstemperatur 16.If from the measurement signal of the coolant outlet temperature 16 in the measurement signal for the Neutron flux 1 generated signal, i.e. the proportion caused by changes in the reactor power the changes in the coolant outlet temperature over time are eliminated, the second curve is obtained 31. The third Ku've 32 is generated by Eliminating the proportions of the coolant inlet stone temperature 2 to the Change of coolant outlet temperature 16.

Durch Eliminieren des Anteiles des Kühlmitteldurcnsatzes 3 an Änderungen der Kühlmittel-Austrittstemperatur 16 lsi eine weitere Herabsetzung der unerwünschten Signalamplitude möglich.By eliminating the proportion of the coolant flow rate 3 changes in the coolant outlet temperature 16 lsi a further reduction of the undesired Signal amplitude possible.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zum Detektieren einer Kühlungsstörung an einem Kernreaktorbrennelement durch Messen der Temperatur des Kühlmittels beim Austritt aus dem durch ein ;}.ohr begrenzten Kühlkanal des Brennelementes, dadurch gekennzeichnet, daß die integralen Größen des leistungsproportionalen Neutronenflusses, der Kühlmitteleintrittstemperatur und des Kühlmitteldurchsatzes gemessen werden, daß die Meßsignale der integralen Größen in ihrer Amplitude und in ihrer Phasenlage an die Amplitude und die Phasenlage der entsprechenden Signalkomponenten der Kühlmittelaustrittstemperatur angepaßt werden und daß aus dem Signal der Kühlmittelaustrittstemperatur und den angepaßten Meßsignalen der integralen Größen ein Differenzsignal gebildet wird, das die Kühlungsstörung anzeigt 1. A method of detecting a cooling failure on a nuclear reactor fuel assembly by measuring the temperature of the coolant as it exits through a; } .ohr limited cooling channel of the fuel assembly, characterized in that the integral quantities of the power-proportional neutron flux, the coolant inlet temperature and the coolant throughput are measured, that the measurement signals of the integral quantities in their amplitude and in their phase position to the amplitude and the phase position of the corresponding signal components of the Coolant outlet temperature are adjusted and that a difference signal is formed from the signal of the coolant outlet temperature and the adjusted measurement signals of the integral variables, which indicates the cooling fault 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anpassen von jedem Meßsignal der integralen Größen und der Kühlmittelaustrittstemperatur ein langfristiger Mittelwert gebildet wird, daß diese langfristigen Mittelwerte von den zugehörigen Meßsignalen subtrahiert werden und daß diese korrigierten Meßsignale einander angepaßt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that before adjusting each Measurement signal of the integral quantities and the coolant outlet temperature a long-term mean value it is formed that these long-term mean values are subtracted from the associated measurement signals and that these corrected measurement signals are matched to one another. 3. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß für jede integrale Größe (1; 2; 3) eine Meßeinrichtung (4; 5; 6) zum Bestimmen des MeBsignalc (7; 8; 9) und dessen langfristigen zeillichen Mittelwertes (10; «1; 12) vorgesehen ist. daß jeder Meßeinrichtung (4; 5; 6) ein Bauelement (13; 14; 15) zum Bilden de; Differenz aus dem Meßsignal (7; 8; 9) und dem zeitlichen Mittelwert (10; 11; 12) ndrhgeschaltet ist, daß jeder Meßeinrich tung ein Anpassungsglied (20, 23; 21, 24; 22, 25) nachgeschaltet ist. welches das Differenzsignal in Amplitude und Phase ändert, daß die Signalausgänge der Anpassungsglieder auf eine Addiereinheit (26) geschaltet sind, wobei die Meßsignale für den Neutronenfluß (1) und die Kühlmitteleintrittsten^e ratur (2) ein relativ zu dem Meßsignal des Kühlmitteldurchsatzes (3) umgekehrtes Vorzeichen haben, daß eine weitere Meßeinrichtung (17) zum Bestimmen des Meßsignals (18) und des langfristigen zeitlichen Mittelwertes (19) der Kühlmittelaustritts temperatur (16) vorgesehen ist. daß ein Ausgang der weiteren Meßeinrichtung (17) mit dem zeitlichen Mittelwert (19) auf die Addiereinheit (26) geschaltet ist und daß ein Differenzverstärker (28) vorgesehen ist. dessen positiver Eingang mit dem Meßsignalausgang der weiteren Meßeinrichtung (17) und dessen negativer Eingang mit dem Ausgang (27) der Aildiereinheit (26) verbunden ist (F i g. I).3. Circuit arrangement for performing the method according to claim 2, characterized in that net that for each integral variable (1; 2; 3) a measuring device (4; 5; 6) for determining the MeBsignalc (7; 8; 9) and its long-term line average (10; «1; 12) is provided. that each measuring device (4; 5; 6) has a component (13; 14; 15) for forming de; Difference from the Measurement signal (7; 8; 9) and the time average value (10; 11; 12) ndrhschalt is that each measuring device device an adapter (20, 23; 21, 24; 22, 25) is connected downstream. which is the difference signal in Amplitude and phase changes that the signal outputs of the matching elements are connected to an adding unit (26), the measurement signals for the Neutron flux (1) and the coolant inlet temperature (2) relative to the measurement signal of the Coolant throughput (3) have the opposite sign that a further measuring device (17) for Determination of the measurement signal (18) and the long-term mean value (19) of the coolant outlet temperature (16) is provided. that an output of the further measuring device (17) with the time Mean value (19) is switched to the adding unit (26) and that a differential amplifier (28) is provided is. its positive input with the measurement signal output of the further measuring device (17) and its negative input is connected to the output (27) of the imaging unit (26) (FIG. I). 4. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede integrale Größe (1; 2) eine Meßeinrichtung (4; 5) zum Bestimmen des Meßsignales (7; 8) vorgesehen ist, daß jeder Meßeinrichtung (4j 5) ein Anpassungsglied (20,23; 21, 24) zum Ändern der Amplitude und Phase nachgeschaltet ist, daß die Signalausgänge der Anpassungsgliedcr (20, 23 j 21,24) auf eine Addiereinheit (40) geschaltet sind, daß eine Weitere Meßeinrichtung (17) ztirri Bestini' men des Meßsignales (18) der Kühlmittfilauslrittstemperatur (16) vorgesehen ist, und daß der Ausgang4. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that that for each integral quantity (1; 2) a measuring device (4; 5) for determining the measuring signal (7; 8) it is provided that each measuring device (4j 5) has an adapter (20,23; 21, 24) for Changing the amplitude and phase is connected downstream so that the signal outputs of the adapter (20, 23 j 21,24) are connected to an adding unit (40), that another measuring device (17) ztirri Bestini ' men of the measurement signal (18) of the coolant outlet temperature (16) is provided and that the output der anderen Meßeinrichtung (17) und der Ausgang (41) der Addiereinheit (40) auf einen Differenzverstärker (28) geschaltet sind, dessen Ausgang (29) nur bei einer Kühlungsstörung ein von Null verschiedenes Signal führt (F i g. 2),the other measuring device (17) and the output (41) of the adding unit (40) to a differential amplifier (28) are switched, the output (29) of which is different from zero only in the event of a cooling fault Signal leads (Fig. 2), 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Anpassungsglied aus einem Verstärker und einem Verzögerungsglied besteht.5. Circuit arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that each adapter element consists of an amplifier and a delay element. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Anpassungsglied aus einem Verstärker, einem Verzögerungsglied und einem Tiefpaß besteht.6. Circuit arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that each adapter element consists of an amplifier, a delay element and a low-pass filter.
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