DE3120314A1

DE3120314A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines kernkraft-elektrizitaetswerkes

Info

Publication number: DE3120314A1
Application number: DE19813120314
Authority: DE
Inventors: Yasuo Chiba Funo; Tsutomu Atsugi Kanagawa Otsuka; Fumiaki Yokohama Kanagawa Yamamoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1982-02-04
Also published as: SE8103163L; JPS56163497A; JPH0480358B2; US4943408A; DE3120314C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kernkraft-Elektrizitätswerkes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kernkraft-Elektrizitätswerkes und befaßt sich insbesondere mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur derartigen Steuerung eines Kernkraft-Elektrizitätswerkes, daß dieses sich der Leistungsanforderung eines elektrischen Systems anpaßt, d.h., daß sich der Ausgang des Generators anpaßt, und zwar durch Steuerung der Strömungsmenge des zirkulierenden Wassers und durch entsprechende Betätigung der Steuerstäbe eines Siedewasser-Kernreaktors.

Kernkraft-Elektrizitätswerke werden heute im allgemeinen mit ihrer Nennleistung gefahren, um so den Betriebswirkungsgrad zu verbessern, wobei zu berücksichtigen ist, daß der Prozentsatz an elektrischer Energie, die durch Kernkraft-Elektrizitätswerke erzeugt wird, relativ niedrig ist im Vergleich zur gesamten von allen Elektrizitätswerken erzeugten elektrischen Energie, daß die Kosten der Energieerzeugung geringer sind als diejenigen eines dampfgetriebenen Elektrizitätswerkes, daß der Ausgang des Kernkraft-Elektrizitätswerkes bisher nicht in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung des angeschlossenen elektrischen Systems geregelt worden ist und daß schließlich die Lebensdauer des Kernkraftstoffes von der Höhe der Energie-

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erzeugung bzw. dem Leistungsausgang des Reaktors abhängt. Aus diesem Grund wurde bisher zwar Änderungen der elektrischen Leistunganforderung bei wassergetriebenen und dampfgetriebenen Elektrizitätswerken durch Änderung des Ausgangs Rechnung getragen, wohingegen der Ausgang von Kernkraft-Elektrizitätswerken nicht geändert wurde.

Mit dem Steigen der Zahl elektrischer Kernkraftwerke und der Erhöhung der Kapazität von Reaktor-Generator-Anlagen stiegen jedoch in den letzten Jahren auch der Prozentsatz an Energie, der durch Kernkraftwerke erzeugt wird. Weiterhin hat sich gezeigt, daß der Leistungsverbrauch während der Nacht im Vergleich zum Leistungsverbrauch am Tag immer geringer wird, mit der Folge, daß es notwendig wird, auch Kernkraft-Elektrizitätswerke anpassingsfähiger zu machen, und daß sie im Vergleich mit den anderen Elektrizitätswerken ebenfalls für eine wirtschaftliche und stabile Energieversorgung herangezogen werden können. Wenn man jedoch, um dieses Ziel zu erreichen, den Ausgang eines Kernkraftwerkes zur Anpassung an den verminderten Energiebedarf während der Nacht auf 75% seiner Nennleistung absenkt, dann wird damit trotzdem kein optimales Resultat erhalten, und zwar aufgrund der tatsächlichen Lebensdauer des Kankraftstoffs.

Zur näheren Erläuterung des Grundes, warum die tatsächliche Lebensdauer des Kernkraftstoffes so wesentlich ist, sollen vorab der Aufbau eines Siedewasserreaktors und seine Leistungssteuerung in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Siedewasserreaktor und einen

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davon betriebenen Dampfturbinengenerator. Der Reaktor 5 ist mit einer Einrichtung 101 zum Steuern der Durchflußmenge durch den Kern und einer Einrichtung 102 zum Steuern eines Regelstabes versehen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel enthält der Rücklaufweg eine Strahlpumpe 105 und eine Zirkulationspumpe 104, die im Rücklaufrohr 103 verbunden sind. Die Umdrehungszahl der Pumpe 4 wird durch die Kern-Durchflußmengen-Steuereinheit 101 gesteuert. Die DrehZirkulationsmenge könnte aber auch durch Regeln eines Durchfluß-Steuerventils gesteuert werden, das auf der Zeichnung nicht dargestellt ist und im Rohr 103 liegen würde, wobei die Pumpe 104 dann im Reaktor 5 unterbringbar ist. Bekanntlich steuert das Regelstab-Steuersystem 102 die Eintauchtiefe der Regelstäbe 109 (es ist auf der Zeichnung nur ein Regelstab dargestellt) in die Brennelemente 108 (auf der Zeichnung ist nur ein Element dargestellt) des Reaktorkerns 107, um so den thermischen Ausgang des Reaktors steuern zu können. Nach dem Durchgang durch eine Wasser-Dampf-Trenneinheit 110 und einen überhitzer 111 wird der vom Reaktor 5 erzeugte Dampf einer Dampfturbine 6 zugeführt, die ihrerseits einen elektrischen Generator 8 antreibt, wobei das Kondensat im Kondensor 7 mittels einer Wasserpumpe 114 in den Reaktor 5 zurückgeführt wird.

Eine Steuerung dieses Kernkraft-Elektrizitätaierkes in Abhängigkeit von Änderungen der Leistungsanforderung kann einfach und schnell mittels der Regelstab-Steuereinheit 102 und der Durchflußmengen-Steuereinheit 101 erfolgen. Das Regelstab-Steuersystem dient dabei hauptsächlich zur Steuerung des Abbrandes des Kernkraftstoffes über verhältnismäßig lange Zeiträume und zum Steuern des Ausgangs in Richtung auf einen geringeren Lei-

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stungsausgang, wobei die Steuerung zu einer Ausgangsänderung von 3% pro Minute führen kann.

Das Steuersystem 101 zur Steuerung der Kern-Durchflußmenge nutzt die Kennlinien des Reaktors derart, daß sein Ausgang im wesentlichen proportional der durch den Kern hindurchfliessenden Strömungsmenge ist, so daß diese Steuereinheit dazu dient, einen hohen Ausgang für eine kurze Zeit zu steuern oder den Ausgang schnell zu steuern, wobei damit der Reaktorausgang bis zu etwa 30% pro Minute verhindert werden kann. Eine geeignete Kombination der beiden erwähnten Steuereinheiten 101 und 102 ermöglicht somit eine stabile und schnelle Steuerung des Ausgangs in einem Bereich hohen und niedrigen Ausgangs.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen dem Kernausgang (Ordinate) und der Kern-Durchflußmenge (Abszisse), wobei ein Teil 201 zwischen den Punkten B und C die Energie-Steuerlinie des Steuerstabs darstellt, wenn die Geschwindigkeit der Zirkulationspumpe 104 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Wenn also beispielsweise der Reaktor am Punkt B arbeitet, dann wird sich mit dem Einschieben oder Herausziehen des SteuerStabes der Reaktorausgang längs der Linie 201 vermindern oder vergrößen.

Die Kurve 202 zwischen den Punkten A und B zeigt eine Energie-Steuer linie für den Fall, daß die Kern-Strömungsmenge verändert wird, und zwar bei Beibehaltung einer bestimmten Stellung des Regelstabes, d.h. einer bestimmten Eintauchtiefe des Stabs in den Kern. Wenn beispielsweise am Punkt A die Kern-Strömungsmenge durch Verringerung der Drehzahl der Zirkulationspumpe vermindert wird, so nimmt der Ausgang im wesentlichen propor-

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tional dazu ab und umgekehrt.

Die in Fig. 3 in ausgezogenen Linien dargestellte Energiesteuerlinie A-B-C-B'-A' kann somit durch Steuern des Ausgangs längs einer Linie A-B-C-B-A von Fig. 2 durchgeführt werden.

Die in Fig. 3 in ausgezogenen Linien dargestellte Kurve 301 ist eine Reaktorausgangskurve, wohingegen die gestrichelte Linie 302 die Reaktorkern-Strömungsmenge darstellt, wobei die beiden Kurven das Verhältis zwischen dem Ausgang und der Kern-Strömungsmenge in Abhängigkeit von der Zeit repräsentieren.

Wird der Ausgang in einem vergleichsweise engen Bereich zwischen 100% und 65% geändert, so kann dies, wie erwähnt, mittels lediglich der Steuerung der Strömungsmenge sehr schnell erfolgen. Wenn es auch möglich ist, Kernkraft-Elektrizitätswerke auf diese Weise zu steuern, um Änderungen der Leistungsanforderungen des angeschlossenen elektrischen Systems Rechnung zu tragen, so werden doch aus den oben erwähnten Gründen gegenwärtig Kernkraftwerke zur Aufteilung einer Grundbelastung mit einem hohen Ausgang betrieben.

Nachfolgend soll nun ein Beispiel einer Ausgangssteuerung auf der Grundlage der Steuerung der Kern-Strömungsmenge beschrieben werden. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß in der vorhergehenden Erläuterung der Zwischenraum Δ t zwischen den Punkten A und A¹ von Fig. 3 der Ausgang in vergleichsweise kurzer Zeit geändert wird, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Minuten bis zu einigen 10 Minuten. Wird dieses Intervall auf einige Stunden verlängert, dann wird es notwendig,

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den Reaktorausgang zu steuern, um so die Übergangsänderung der Konzentration des Xenons (Xg ) (Xe Übergangszustand) während der Ausgangsveränderung zu kompensieren. Genauer gesagt, wenn die Intervallzeit vergleichsweise lang ist, dann

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muß der Effekt des Xenons Xe berücksichtigt werden, weil eines seiner Spalt-produkte eine Lebenszeit von einigen Stun-

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den besitzt. Weil Xe einen großen thermischen Neutronenfluß-Absorptionsquerschnitt besitzt, wirkt es sich negativ auf die Reaktorausgangssteuerung aus, so daß bei der Ausgangssteuerung dieser Effekt des Xenons (Neutronengift) kompensiert werden muß.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel des Verlaufs einer Ausgangsänderung,

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wo der Effekt der Übergangsänderung des Xe nicht vernachlässigt werden kann, weil es sich hier um ein Wochenende handelt, wobei die niedrige Belastung etwa 2 Tage dauert. Um den Reaktorausgang dem Teil 401 der Lastkurve A bis G folgen zu lassen, wird eine Ausgangssteuerung durchgeführt, wobei zu-

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gleich die negative Einwirkung der Umsetzung des Xe berücksichtigt wird, wie dies durch die Kurve 403 in Fig. 4 angedeutet ist. Es ist deshalb erforderlich, die Kern-Strömungsmenge entsprechend der Kurve 402 von Fig. 4 derart zu steuern, daß eine positive Reaktionsänderung auftritt, welche die vom

Xe bewirkte, durch die Kurve 4 03 angedeutete negative Reaktionsänderung ausgleicht.

Wenn die Änderung mit der Zeit des Reaktorausgangs (Kurve 4 01 von Fig. 4) und diejenige der Kern-Strömungsmenge (Kurve 402 von Fig. 4) dargestellt wird durch ein Ausgangs-Strömungsmengen-Steuerdiagramm (Leistungs-StrömungskoHtrolle), dann ergibt sich,

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ähnlich wie in Fig. 4, die in Fig. 5 dargestellte Kurve, in welcher sich der Reaktorausgang längs der Linien 501 bis 504 ändert, und zwar in der Reihenfolge der Punkte A, B, C, D, E, F und G.

Nachfolgend sollen nun anhand der Fig. 6 und 7 Daten erläutert werden, die während der Zeit der Veränderung des Reaktorausgangs zum Zweck der Anpassung an Änderungen der Last bzw. der Lastanforderungen auftreten.

Fig. 6 zeigt einen Arbeitsbereich, wobei die Abszisse die Kern-Strömungsmenge darstellt, die Ordinate den Reaktorausgang. Der erlaubte Arbeitsbereich wird durch das von den Linien 601 bis 604 begrenzte Rechteck dargestellt. Die Kurve 601 zeigt die minimal zulässige Kern-Strömungsmenge, die Kurve 602 die maximal erlaubte Kern-Strömungsmenge und die Kurve 603 eine Stab-Grenzlinie, d.h. eine Kurve, welche das Ausmaß des Herausziehens des Regelstabes begrenzt und den Zweck hat, den Kernbrennstoff gegen Beschädigungen zu schützen, die bei einem übermäßigen Reaktorausgang austreten können. Die Linie 604 stellt eine maximal zulässige Ausgangsgrenze dar, während die Linien 605 und 606 Punkte (dargestellt durch die Punkte B., T₁, T',. und B' .j ; und B-, T„, T^r_ und B¹J des Reaktorsausgangs und die Kern-Strömungsmenge zur Zeit der Anpassung an die Belastungsänderung repräsentieren. Der durch eine durchgezogene Linie dargestellte Abschnitt 605 zeigt ein Beispiel, das tatsächlich durchführbar ist, weil es nur eine geringe Änderungsbreite der Ausgangsveränderung besitzt, wohingegen der in einer gestrichelten Linie dargestellte Abschnitt 606 ein Beispiel zeigt, das kaum durchzuführen ist, weil die Breite der

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Ausgangsänderung sehr groß ist. Am Arbeitspunkt B₁ ist der Ausgang hoch, und die Kern-Strömungsmenge befindet sich am Minimum, wohingegen am Arbeitspunkt T₁ der Ausgang hoch ist und die Kern-Strömungsmenge sich am Maximum befindet. Wie später noch im einzelnen erläutert wird, ist es an diesen Punkten erforderlich ·> weil die Kühlung des Kernbrennstoffes und die Ausgangsverteilung kritisch sind·-den Reaktor sehr vorsichtig zu betreiben, um den Brennstoff nicht zu beschädigen. Es ist wünschenswert, daß diese Punkte B₁ und Tp hoher Ausgangsleistung sich genügend breit von den Grenzlinien 602 bis 603 entfernt halten, um so eine ausreichende Sicherheitszone zu haben. Wie der Punkt B„ soll kein Punkt an der Außenseite (weiter nach links) der Linie 6 03 liegen. In ähnlicher Weise sollen die Punkte T₁ und T_ nicht außerhalb der Linie 602 für die maximale Kern-Durchflußmenge liegen.

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Änderung der mittleren Kern-Ausgangsverteilung in Axialrichtung der Brennstäbe des Reaktorskerns, wobei der Reaktorausgang mit der Belastungsänderung erhöht oder erniedrigt wird. Die Kurve 701 stellt eine Ausgangsverteilung vor einer der Laständerung folgenden Ausgangsänderung dar. Im Kern eines Siedewasserreaktors tritt ein nukleares wärmehydraulisches Phänomen auf, wobei das als Kühlstrom längs der Brennstäbe über diese fließende Wasser erhitzt wird und einen "Dampfschaum" (Dampfblasen) bildet, wodurch ein Zweiphasen-Dampf-Wasser-Gemisch nach oben fließt, wobei sich das Volumenverhältnis der Blasen immer mehr erhöht.

be-Am unteren Bereich des Kerns/trägt somit das Blasenvolumen 0%, aber weil sich am oberen Bereich des Kerns die Dampfphase^ verstärkt, ergibt sich dort eine Steierung des Blasenvolumens auf

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etwa 70%. Der Mittelwert des Dampfblasenvolumens beträgt somit etwa 40%. Wenn das Verhältnis des Blasenvolumens des Moderators hoch ist/ ergibt sich eine Erniedrigung des thermischen Neutronenflusses, was die Kernspaltung beträchtlich verlangsamt, womit sich die Ausgangsleistung der Kernstäbe vermindert. Im mittleren Bereich des Kerns ist die Ausgangsleistung groß, und zwar infolge der hohen Dichte des durch die Kernstäbe erzeugten Neutronenflusses, wohingegen am oberen und unteren Ende des Kerns der Ausgang niedriger ist, und zwar infolge der hohen Verluste des Neutronenflusses. Aus diesen Gründen ist der axiale thermische Ausgang der Brennstäbe im mittleren Bereich am größten, wie es durch die Kurve 701 gezeigt ist.

Um thermische und mechanische Zerstörungen der Brennstäbe zu vermeiden, insbesondere bei hoher Ausgangsleistung, wird nach dem sogenannten Vorbedingungsverfahren (PC) gearbeitet, bei dem der Ausgang langsam erhöht wird und die Ausgangsverteilung zu dieser Zeit als Vorbedingungs-Hüllkurve 702 bezeichnet wird. Einfach ausgedrückt, der Reaktor wird innerhalb der Grenzen dieser Hüllkurve betrieben, und ein Betrieb außerhalb dieser Hüllkurve führt zu Schaden der Brennstäbe, wobei letzteres zu gefährlichen radioaktiven Auswirkungen führen könnte.

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Bei der ursprünglichen Verteilungsbedingung steigt dann, wenn die Kern-Strömungsmenge und damit der Reaktorausgang zur Anpassung an die Abnahme der Belastung gesenkt werden,

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die negative Einwirkung des Xe und nimmt dann mit einer Zeitkonstanten von etwa zehn Stunden wieder ab, so daß der Reaktorausgang zunächst abnimmt und dann wieder entsprechend zunimmt. Um den Reaktorausgang auf einem konstanten Wert zu halten, wird die Kern-Strömungsmenge zuerst erhöht und dann erniedrigt, um so den Vergiftungseffekt des

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Xe zu kompensieren. Am Punkt B₁ ist der Ausgang hoch, die Kern-Strömunsmenge jedoch gering. Weil sich die Blasenverteilung im Reaktor nach unten verschiebt, nimmt unter dieser Bedingung der Ausgang im oberen Bereich des Reaktors ab, wohingegen der Ausgang im unteren Bereich entsprechend ansteigt, womit eine Verteilung 703 B₁ entsteht, welche die ursprüngliche Verteilung 701 überschreitet/ womit die Sicherheitszone bezüglich der Kühlkurve 702 kleiner wird. Verständlicherweise ist diese Bedingung für den Brennstoff nicht günstig.' Während der üblichen Anpassung an die Laständerung der Nacht erscheint als Ergebnis der Erniedrigung des Reaktorausgangs der Vergiftungseffekt des

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Xe etwa zur Mittagszeit des nachfolgenden Tages, zu welcher Zeit ja der Ausgang wieder auf seinen Hochwert zurückgekehrt ist.

Wird der Reaktorbetrieb von dem Betrieb niedrigen Ausgangs während der Nachtzeit durch Erhöhung der Kern-Strömungsmenge wieder auf seinen hohen Wert erhöht, um so eine An-

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passung an die größere Energieanforderung während des Tages zu erreichen, so werden, wie am Punkt T₁ ersichtlich, sowohl der Ausgang als auch die Kern-Strömungsmenge ihr Maximum erreichen, und die Ausgangsverteilung des Reaktors erreicht die sogenannte obere Spitzenverteilung 704 in welcher die Ausgangsleistungsspitze im oberen Bereich des Kerns auftritt, wobei diese Spitze die ursprüngliche Ausgangsverteilung 701 überschreitet und somit den Sicherheitsraum bezüglich der Hüllkurve 703 verkleinert.

Wenn die Abnahme der Energieanforderung des elektrischen Lastsystems groß ist und über eine lange Zeit andauert, dann ergibt sich die in Fig. 6 dargestellte Kurve 606, welche das Verhältnis zwischen dem Reaktorausgang und der Kern-Strömungsmenge zeigt und die sich über einen längeren Bereich erstreckt als die Kurve 605 (T.., T', B' und B₁). Damit kann auch der Punkt B₂ außerhalb der Stablinie 603 liegen. Die sich dabei ergebende Verteilung des Ausgangs ist durch die Kurve 703 B2 von Fig. 7 angedeutet, wobei sich diese Kurve über den unteren Bereich der Hüllkurve 702 hinaus erstreckt, also zu der Gefahr der Beschädigung der Brennstäbe führt. Je nach der Art und Weise der Anpassung an die Lastveränderung kann der Punkt 606 auch außerhalb der Grenzkurven 602 oder 604 liegen, und die Ausgangsverteilung kann ebenfalls außerhalb der Hüllkurve 702 sein.

Wenn, wie oben beschrieben, der Reaktorausgang zur Anpas-

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sung an die Laständerungen verändert wird, dann ist es wesentlich, den Reaktorausgang und die Kern-Strömungsmenge in erlaubten Betriebsbereichen zu halten, wobei die Ausgangsverteilung unter der PC-HÜllkurve 702 liegen soll. Um die Veränderungsbreite, die Veränderungsgeschwindigkeit, die Abnahmezeit usw. des Ausgangs zu ändern, entsprechend den verschiedenen Möglichkeiten der Lastveränderung des elektrischen Lastsystems ergeben sich eine Reihe wesentlicher Faktoren, die es schwierig und kompliziert machen, den Ausgang des Kernkraftwerks den jeweilZigen Lästanforderungen anzupassen.

Die obenbeschriebene Veränderungskurve ist typisch für eine Veränderung, bei der infolge der hohen Lastanforderung während des Tages der hohe Ausgang beibehalten und während der Nachtzeit der Reaktorausgang vermindert ist, also eine Ausgangsänderung jeweils am Morgen und am Abend durchgeführt wird, üblicherweise wird ein elektrisches Energieerzeugungsnetz aus einer Vielzahl elektrischer Erzeugerstationen gebildet, und meist wird eine Vielzahl derartiger Netze miteinander verbunden, um so ein ausgedehntes Verbundsystem zu schaffen. Wenn das Netzwerk ein großes Gebiet umfaßt, wird die Lastveränderung während des Tages und der Nacht in gewissem Ausmaß durch Zeitdifferenzen in den verschiedenen Bereichen oder Ländern ausgeglichen und der Laständerung zwischen Tag und Nacht wird durch Energieübertragung zwischen benachbarten Leitungsnetzen Rechnung getragen. ·In einem kleinen Leitungsnetz

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eines vergleichsweise kleinen Bereiches treten jedoch infolge des Fehlens von Zeitunterschieden die Laständerungen während des Tags und der Nacht, insbesondere nahe der Mittagszeit, gleichzeitig im ganzen Bereich auf. Es ist auch erforderlich, den Laständerungen Rechnung zu tragen, die sich durch natürliche Besonderheiten oder unerwartete Ereignisse ergeben, wobei diese Laständerungen dadurch kompensiert werden müssen, daß die Ausgänge der Elektrizitätswerke des betreffenden Bereiches entsprechend geändert werden. Dies ist wesentlich, um die Menge und die Qualität (beispielsweise Frequenz) der Energieversorgung eines Leitungsnetzes zu gewährleisten. In der nachfolgenden Beschreibung wird deshalb als Beispiel ein Leitungsnetz mittlerer Größe vorausgesetzt.

Zusätzlich zu den Laständerungen während des Tages und der Nacht muß die Abnahme der Belastung um etwa 10% während der Mittagszeit in Betracht gezogen werden, wobei die Zeitspanne etwa 1 1/2 Stunden beträgt. Dies macht es schwierig, ein Gleichgewicht zwischen der Last und dem Ausgang des Elektrizitätswerks herbeizuführen. Es ist deshalb üblich, die Ausgänge der Dampf- oder Wasserkraftwerke schnell zu ändern. Darüberhinaus wäre es aber auch sehr wünschenswert, Siedewasserreaktoren einzusetzen, deren Ausgang ebenfalls schnell geändert werden kann, um so der Laständerung während der Mittagszeit Rechnung zu tragen; aus den obenerwähnten Gründen konnten jedoch der-

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artige Forderungen bisher nicht realisiert werden.

Aufgabe der Erfindung sind deshalb ein Verfahren und eine Vorrichtung zum derartigen Betreiben eines Kernkraft-Elektrizitätswerkes, dasyVergiftungserscheinungen aufgrund von Spaltprodukten schlechter Reaktionsfähigkeit vermieden werden, die sich während des nächtlichen Betriebs eines Siedewasserreaktors bei geringer Leistungsabgabe ergeben. Weiterhin sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum derartigen Betreiben in den Kernkraft-Elektrizitätswerke geschaffen werden, das nicht nur die Gefahr der Zerstörung von Brennstäben sondern auch der Betrag und die Zeitspanne verminderter Ausgangsleistung während der Nacht vermindert werden können. Dies würde nicht nur den Wirkungsgrad hydroelektrischer Generatoranlagen erhöhen, die als Pumpenstationen unter verminderter nächtlicher Leistungsabgabe eines elektrischen Leitungsnetzes arbeiten, sondern auch das häufige Anfahren und Abschalten dampfgetriebener Elektrizitätswerke mit sich bringen, die Teil des Energieversorgungssystems sind, womit die allgemeine Flexibilität des Betriebs des ganzen Energieversorgungsnetzes erhöht würde·

Nach der Erfindung wird ein Verfahren zur Leistungsanpassung an Veränderungen der Belastung eines Kernkraft-Elektrizitätswerkes geschaffen, das an ein elektrisches Leitungssystem angeschlossen ist. Das Erfindungsverfahren besteht aus folgenden Verfahrensschritten:

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Der Ausgang des Kernreaktors zum Antrieb der elektrischen Generatoranlage wird während der Nacht für eine vorgegebene Zeitspanne erniedrigt, und zwar in Abhängigkeit von der verminderten Lastanforderung des elektrischen Leitungsnetzes,

Der Ausgang des Kernreaktors wird auf eine vorgegebene hohe Kegelhöhe während des Tages erhöht,

Der Ausgang des Kernreaktors wird während des Tages für eine bestimmte Zeitspanne abgesenkt, in welcher ein Vergiftungseffekt von Spaltprodukten die Reaktionsfähigkeit negativ beeinflußt, wobei diese Spaltprodukte während des verminderten Ausgangs des Kernreaktors während der Nacht entstanden sind.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Anpassung eines Kernkraft-Elektrizitätswerkes an Laständerungen geschaffen, wobei das Elektrizitätswerk aus einem Kernreaktor, einer Dampfturbine, die durch vom Kernreaktor erzeugten Dampf betrieben wird, und aus einem elektrischen Generator besteht, der vom Dampf der Dampfturbine angetrieben wird. Die Vorrichtung weist eine Nachführvorrichtung auf, die mit einem Lastanforderungssignal von einer zentralen Steuerstation und einem Signal gespeist wird, welches den Ausgang des Generators repräsentiert, e um so ein Generatorausgangs-Steuersignal zu erhalten. Das den Generatorausgang repräsentierende Signal und ein Rückkopplungssignal des

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Generators werden einem Generatorausgang-Steuerkreis zugeführt, in welchem ein die Turbine steuerndes Signal erzeugt wird, welches der Differenz zwischen den beiden vorerwähnten Signalen entspricht. Schließlich ist ein Turbinensteuerkreis vorgesehen, der mit dem Turbinensteuersignal, einem die Turbinendrehzahl repräsentierenden Signal und einem Signal gespeist wird, welches die Menge des Dampfes repräsentiert, der vom Kernreaktor der Dampfturbine zugeführt wird. Auf diese Weise wird der Ausgang des Kernreaktors gesteuert.

Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Elektrizitätswerks mit Siedewasser-Kernreaktor,

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Steuerung von Reaktorausgang und Kern-Strömungsmenge ,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der zeitlichen Änderung des Reaktorausgangs und der Kern-Strömungsmenge,

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Änderungen des Reaktorausgangs, der Kern-Strömungsmenge und der Eigenschaften einer negativen Reaktionsfähigkeit von Xenon während der Lastnachführung an einem Wochenende,

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Reaktorausgang-Kernströmungsmenge-Kennlinie während der Lastnachführung an einem Wochenende,

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Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der erlaubten Betriebsbereiche und eines zulässigen und eines unzulässigen Betriebs, wobei die Ordinate den Reaktorausgang und die Abszisse die Kern-Strömungsmenge darstellt,

Fig. 7 eine Schar von Reaktor-Ausgangsverteilungen in axialer Richtung der Brennstäbe des Reaktorkerns,

Fig. 8a die zeitliche Veränderung des Generatorausgangs nach dem Stand der Technik,

Fig. 8b eine ähnliche Arbeitskennlinie, jedoch nach der Erfindung,

Fig. 9a eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Veränderung zum Zeitpunkt des Beginns der Ausgangserniedrigung am Tage und den Veränderungen der maximalen und minimalen Werte der Kern-Strömungsmenge bei hohem Ausgang,

Fig. 9b eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Veränderungsbreite der mittleren Ausgangsverteilung längs der Brennstäbe unter denselben Bedingungen wie in Fig. 9a,

Fig. 10a eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Veränderung der Ausgangsveränderungsbreite am Tage und der Veränderung der maximalen und minimalen Werte der Kern-Strömungsmenge bei hohem Leistungsausgang,

Fig. 10b eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Veränderungsbreite der mittleren Ausgangsverteilungsbreite längs der Brennstäbe unter denselben

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Bedingungen wie in Fig. 10a,

Fig. 11a eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Veränderung der Zeitlänge der täglichen Ausgangsabnahme und den Veränderungen der maximalen und minimalen Werte der Kern-Strömungsmenge bei hoher Ausgangsleistung,

Fig. 11b eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Veränderungsbreite der mittleren Ausgangsverteilungsbreite längs der Brennstäbe bei hoher Ausgangsleistung und denselben Bedingungen wie in Fig. 11a,

Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zur Nachführung der Leistungsabgabe eines Kernkraft-Elektrizitätswerkes entsprechend der Laständerungen,

Fig. 13 ein Blockschaltbild zur Erläuterung von Einzelheiten der Ausführungsform nach Fig. 12,

Fig. 14 ein Blockschaltbild einer gemäß der Erfindung

verwendeten Generatorausgang-Steuervorrichtung -und Fig. 15 eine weitere graphische Darstellung zur Erläuterung

der. Erfinduna. .

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

In den Fig. 8a und 8b ist jeweils ein Ausführungsbeispiel der Nachführkennlinie an die Laständerung dargestellt, wobei Fig. 8a die Nachführung nach dem Stand der Technik zeigt, wo der Ausgang nur während der Nacht abgesenkt, wird. Dieses

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Verfahren hängt von der Veränderung der Last während Tag und Nacht in einem gegebenen Bereich ab. Bis 22.00 Uhr wird das Kraftwerk':, mit im wesentlichen der Nennleistung betrieben, worauf dann zwischen 22.00 Uhr und 7.00 Uhr des nächsten Tages die Leistungsabgabe abgesenkt wird, worauf dann schließlich um 8.00 Uhr morgens die Leistungsabgabe wieder auf die Nennleistung zurückgebracht wird. Dieser Zyklus wird jeden Tag wiederholt. Die Form der Leistungsveränderungskurve während der Zeit der Laständerungsnachführung ändert sich verständlicherweise mit der Änderung der Energieanforderungen während des Tags und der Nacht im gegebenen Gebiet, d.h. des dort befindlichen Leitungsnetzes. Nachfolgend sollen nun die Situationen in den Fällen der Fig. 8a und 8b anhand eines typischen Beispiels beschrieben werden, bei dem die Nachführung an die Laständerung vergleichsweise schwierig ist.

Fig. 8 b zeigt einen Fall, bei dem zusätzlich zur nächtlichen Nachführung an die Laständerung eine kleine Nachführung an die Laständerung während des Tages erfolgt, wobei T einen Zeitpunkt darstellt, an welchem die kleine Nachführung beginnt. A T ist die Zeitspanne in welcher die Nachführung durchgeführt wird und J P der Betrag der Ausgangsabnahme. Bei dem in Fig. 8b dargestellten Beispiel liegt das Intervall ^T zwischen 12.00 und 13.00 Uhr, beträgt also 1 Stunde; selbstverständlich kann die Intervallzeit aucil kürzer oder länger sein. Wenn diese kleine Nachführung an die Laständerung während des Tages zusätz-

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lieh zu der nächtlichen Nachführung durchgeführt wird, dann wird der Sicherheitsbereich der Reaktor-Ausgangsverteilung bezüglich PC-Hüllkurve einige Stunden nach der nächtlichen Nachführung kleiner werden, und zwar etwa um die Mittagszeit des nächsten Tages. Der Grund dafür ist der Vergiftungs-

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effekt des Xe . Wenn die kleine Nachführung während des Tages gemäß der Erfindung durchgeführt wird, dann kann die Wirksamkeit der nächtlichen Nachführung aus dem nachfolgend erläuterten Grund verbessert werden.

Weil die Veränderungen von T,^T und AP unterschiedliche Wirkungen auf die nächtliche Lastabsenkung haben, wird die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Verbesserung in Bezug auf diese Werte T, ^JT und ^P erläutert.

Gemäß Fig. 9a wird der Zeitpunkt T des Beginns der Ausgangserniedrigung am Tage verändert, so daß er bei 10, 11, 12 und 13.00 Uhr liegt, und die maximalen und minimalen Werte der Kern-Strömungsmenge werden zur Ermittlung des Sicherheitsbereiches der Reaktorausgangs-Kernströmungsmenge-Kennlinie bezüglich des erlaubten Betriebs bereits von Fig. 6 errechnet, worauf das Ergebnis mit demjenigen des Betriebs ohne eine kleine Ausgangsabsenkung am Tage ^nachfolgend kurz Standardfall bezeichnet) verglichen wird. Die Kurve 903 zeigt eine Änderung des Maximalwerts der Kernströmungsmenge zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt T₁ von Fig. 6 und die Kurve 901 zeigt diejenige des Standardfalls. Die -Kurve 904 zeigt die Änderung des Minimalwertes der Kernströmungsmenge (Kernströmungsmenge

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zum Zeitpunkt entsprechend dem Punkt B ₁ von Fig. β), während die Kurve 902 diejenige des Standardfalls zeigt. Wie sich beim Betrachten der Kurven 901 und 903 klar ergibt, erbringt eine Änderung des Startbeginns der kleinen Ausgangsabsenkung am Tage zwischen 10.00, 11.00, 12.00 und 13.00 Uhr keine wesentliche Veränderung des maximalen Wertes der Kern-Strömungsmenge. Die Kurven 902 und 904 zeigen deutlich, daß dann, wenn die kleine Ausgangsabsenkung am Tage um 11.00 Uhr beginnt, die Veränderung des minimalen Wertes der Kern-Strömungsmenge 904 geringfügig größer wird als bei der Standardkurve 902. In anderen Worten, der Sicherheitsbereich am Punkt B .. von Fig. 6 wird geringfügig größer bezüglich der Grenzlinie 603 von Fig. 6. Betrachtet man die Situation makroskopisch, dann kann die Kurve 904 als im wesentlichen gleich der Kurve 902 angesehen werden. In Fig. 9b wird der Beginn der kleinen Ausgangsabsenkung am Tage zwischen 10.00, 11.00, 12.00 und 13.00 Uhr verändert, um so Unterschiede zwischen der Ausgangsvertexlung im oberen und im unteren Bereich des Kerns bei hoher Ausgangsleistung festzustellen und damit den Sicherheitsbereich der Veränderung der Ausgangsvertexlung unter Zugrundelegen der PC-Hüllkurve 702 von Fig. 7 festzustellen. Das sich ergebende Resultat wird dann mit demjenigen des Standardfalles verglichen. In Fig. 9b zeigt die Kurve 907 Abweichung der unteren Spitze von der ursprünglichen Veränderung (die Ausgangsverteilungsveränderung zum Zeitpunkt entsprechend B₁ von Fig. 6)·, während die Kurve 905 den Standardfall zeigt. Die Kurve 908 zeigt die Abweichung

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der oberen Spitze von der ursprünglichen Verteilung, d.h. die Ausgangsverteilungsveränderung zum Zeitpunkt T₁ von Fig. 6, wohingegen 906 den Standardfall zeigt. Die Kurve 908 zeigt, daß die Abweichung an der oberen Spitze von der ursprünglichen Verteilung sich selbst dann nicht ändert, wenn die kleine AusgangsabSenkung am Tag bezüglich ihrer Startzeit zwischen 11.00 und 13.00 Uhr verändert wird. Abweichung 907 an der unteren Spitze von der ursprünglichen Verteilung nimmt jedoch gegenüber derjenigen des Standardfalles 905 immer mehr ab, so daß die Ausgangsverteilungsveränderung am Punkt B₁ von Fig. 6 klein ist, was bedeutet, daß der Sicherheitsbereich bezüglich der Grenzkurve 702 von Fig. 7 größer wird. Dies zeigt aber auch, daß es vorteilhaft ist, die kleine tägliche Ausgangsabsenkung um 12.00 Uhr mittags vorzunehmen.

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Die Fig. 9a und 9b zeigen, daß selbst dann, wenn die kleine Ausgangsabsenkung am Tage zusätzlich zu der nächtlichen Ausgangs ab Senkung durchgeführt wird, der Schutzbereich bezüglich des erlaubten Ausgang-Strömungsmenge-Bereiches und der erlaubten Ausgangsverteilung nicht kleiner ist als dann, wenn diese kleine Tagabsenkung nicht durchgeführt wird. Besonders dann, wenn diese Tagabsenkung um 12 Uhr Mittags beginnt, kann die Änderung der Ausgangsverteilung sogar beträchtlich verbessert werden.

Wie die Fig. 9a und 9b zeigen auch die Fig. 10a und 10b einen Vergleich für den Fall, daß der Betrag Δ Ρ des Ausgangs verändert wird. In Fig. 10a werden die Maximal- und Minimalwerte der Kern-Strömungsmenge bei hoher Ausgangsleistung berechnet und mit denjenigen des Standardfalls verglichen, um dann den Sicherheitsbereich der Reaktorausgang-Kernströmungsmenge-Kennlinie bei Leistungsveränderung um ΔΡ von -5%, -10% und -15% für eine Tagabsenkung zwischen 12 und 13 Uhr festzulegen. In Fig. 10a zeigt die Kurve 1003 die Änderung des Maximalwertes der Kern-Strömungsmenge, d.h. die Kernstromungsmenge zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt T₁ von Fig. 6. Die Kurve 1001 zeigt die entsprechende Veränderung im Standardfall. Die Kurve 1004 zeigt die Veränderung des Minimalwertes der Kernstromungsmenge, d.h. die Kernstromungsmenge zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt A₁ von Fig. 6; die Kurve 1002 entspricht dem Standardfall. Wie die Kurve 1003 deutlich zeigt, ändert sich der Maximalwert der Kern-Strömungsmenge selbst dann nicht, wenn der Leistungsausgang durch die kleine Tagabsenkung um -5%, -10% und -15% verkleinert wird. Der Minimalwert der Kern-Strömungsmenge 1004 ändert sich nur geringfügig, wenn der Kernausgang

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um 5% und 15% vermindert wird. Bei dem Versuch gemäß Fig. 10b wurde die Tagabsenkung zwischen 12 und 13 Uhr vorgenommen, wobei eine Absenkung um 5%, 10% und 15% erfolgte, und zwar zu dem Zweck, der Untersuchung des Sicherheitsbereiches der Änderung der Kernausgang-Verteilungskennlinie gemäß der Hüllkurve von Fig. 7; es wurden Änderungen der Ausgangsverteilungen im oberen und unteren Bereich des Kerns gegenüber der ursprünglichen Ausgangsverteilung bei hoher Leistungsabgabe durchgeführt, und die sich ergebenden Werte wurden mit denjenigen des Standardfalls verglichen. Die Kurve 1007 zeigt die Abweichung der unteren Spitze von der ursprünglichen Verteilung zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt B₁ von Fig. 6, wohingegen die Kurve 1005 dem Standardfall entspricht. Die Kurve 1008 zeigt die Abweichung der oberen Spitze von der ursprünglichen Verteilung, d.h. die Änderung der Ausgangsverteilung zum Zeitpunkt entsprechend dem Punkt T₁ von Fig. 6, während die Kurve 1006 dem Standardfall entspricht. Eine Abnahme des Ausgangs um 5%, 10% und 15% durch die Tagabsenkung führt zu keiner Abweichung der Änderung 1008 der Spitze des oberen Bereiches von der ursprünglichen Verteilung. Die Abweichung 1007 der Spitze des unteren Bereichs von der ursprünglichen Verteilung ist jedoch etwas größer, wenn der Ausgang um 5% vermindert wird, aber wie deijvergleich mit dem Standardfall 1005 zeigt, bei dem der Schutzbereich der Änderung der Ausgangsverteilung bei &P = -5% bezüglich der Grenzlinie 702 von Fig. 7 abnimmt, wird der Schutzbereich beträchtlich vergrößert, wenn der Reaktorausgang zwischen 5% und 15% absinkt.Mit anderen Worten, der Betrag der Ausgangsabnahme Δ.Ρ durch die Tagabsenkung (eine Stunde zwischen 12 und 13Uhr) nach der üblichen Nachtabsenkung hat einen nur geringen Einfluß auf den Schutzbereich, und der Reaktorausgang und

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die Kernströmungsmenge bleiben in einem erlaubten Bereich. Es ist deshalb darauf hinzuweisen, daß eine Ausgangsabsenkung von mehr als 10% sogar den Sicherheitsbereich der Ausgangsverteilung beträchtlich vergrößert.

Die Fig. 11a und 11b sind grafische Darstellungen zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen Maximum und Minimum von Kern-Strömungsmenge, Änderung der Ausgangsverteilung und Zeitspanne A T, in der der Ausgang am Tage verkleinert wird. Bei diesen Figuren wurde die Zeitspanne Δ T zwischen einer Stunde, zwei Stunden und drei Stunden nach Mittag verändert und der Betrag der Ausgangsabnahme während dieser Tagabsenkung betrug 5%. Für die Untersuchung des Sicherheitsbereiches des Kernausgangs und der Kernströmungsmenge im erlaubten Betriebsbereich des Reaktors wurden unter diesen Bedingungen die maximalen und minimalen Werte der Kernströmungsmenge bei hoher Ausgangsleistung errechnet und mit denjenigen des Standardfalls verglichen. Die Kurve 1003 zeigt die Abweichung des Maximalwertes der Kernströmungsmenge zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt T₁ von Fig. 6 und die Kurve 1001 zeigt ein Standardfall. Die Kurve 1004 zeigt die Abweichung des Minimalwertes der Kern-Strömungsmenge zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt B₃ von Fig. 6, während die Kurve 1102 den Standardfall darstellt. Selbst wenn die Zeitspanne, in der der Ausgang durch die kleine Tagabsenkung vermindert wird, zwischen einer Stunde, zwei Stunden und drei Stunden verändert wird, so ändert sich trotzdem der Maximalwert

1103 der Kern-Strömungsmenge nicht wesentlich. Der Minimalwert

1104 der Kern-Strömungsmenge nimmt jedoch mit der Zeit ständig zu. Mit anderen Worten, wird die Zeitspanne der Ausgangsabnahme größer, dann wird die auf die Grenzlinie 603 von Fig. 6 bezo-

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gene Sicherheitszone größer als diejenige beim Fall 1102 des Standardfalls. In Fig. 11b, wo die Zeitspanne ΔΤ der Tagabsenkung zwischen einer, zwei und drei Stunden nach Mittag verändert wurde, erfolgte zum Zweck der Ermittlung des Sicherheitsbereichs der Ausgangsverteilung bezüglich der PC-Hüllkurve 702 von Fig. 7 eine Berechnung der Abweichungen der Ausgangsverteilungen in den oberen und unteren Bereichen des Kerns von der ursprünglichen Ausgangsverteilung unter hoher Ausgangsleistung und schließlich ein Vergleich mit dem Standardfall. Die Kurve 1107 zeigt die Abweichung der Spitze des unteren Bereichs von der ursprünglichen Verteilung zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt B. von Fig. 6, die Kurve 1105 zeigt den Standardfall. Die Kurve 1108 zeigt die Abweichung der Spitze des oberen Bereiches von der ursprünglichen Verteilung zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Punkt T₁ von Fig. 6, wohingegen die Kurve 1106 den Standardfall darstellt. Selbst

die
wenn also/Zeitspanne Δ T der Tagabsenkung zwischen einer, zwei und drei Stunden nach Mittag verändert wird, ändert sich die Abweichung 1108 der Spitze des oberen Bereichs von der ursprünglichen Verteilung überhaupt nicht. Die Abweichung 1107 der Spitze des unteren Bereiches von der ursprünglichen Verteilung ist jedoch während der ersten Stunde der Ausgangsabsenkung vergleichsweise groß, d.h. die Sicherheitszone bezüglich der Grenzkurve 702 von Fig. 7 ist kleiner als im Fall der Kurve 1105 des Standardfalls. Während der zweiten Stunde jedoch besitzt die Sicherheitszone die gleiche Größe wie beim Standardfall,, und während der dritten Stunde wird die Sicherheitszone wesentlich vergrößert. Wenn somit nach Mittag der Ausgang unter 5% abgesenkt wird und wenn Δ T größer als zwei Stunden ist, dann werden beide Schutzzonen, also die Schutzzone bezug-

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lieh des erlaubten Ausgang-Strömungsmenge-Betriebsbereiches und bezüglich des erlaubten Ausgangsverteilungsbereiches verbessert, und zwar verbessert gegenüber dem Fall, bei dem keine Tagabsenkung vorgesehen ist. Wenn die Absenkzeit Δ T zwischen null und zwei Stunden liegt, dann nimmt zwar die Schutzzone bezüglich des erlaubten Ausgangsverteilungsbereiches 702 von Fig. 7 leicht ab, die Schutzzone der erlaubten Ausgangsverteilung wird jedoch größer.

Untersuchungen dieser Versuchsergebnisse haben ergeben, daß eine Erniedrigung der Ausgangsleistung während der Mittagszeit, in welcher der Vergiftungseffekt des während der Nacht-

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absenkung gebildeten Xe wirksam wird, keine Probleme bei der nächtlichen Leistungsabsenkung macht, ja sogar, wie oben ausgeführt, einige der Faktoren verbessert werden können, je nach den Bedingungen der Tagabsenkung. Kurz gesagt, die Tag-Ausgangsleistungsänderung gemäß der Erfindung erlaubt nicht nur der Laständerung am Tage Rechnung zu tragen, sondern verbessert sogar die nächtliche Absenkung der Ausgangsleistung, wodurch eine der Lastanforderung entsprechende Leistungsänderung möglich ist, mit der Freiheit einer stärkeren Änderung der Ausgangsleistung, einer Aufrechterhaltung des Betriebs mit niedriger Ausgangsleistung über eine längere Zeitspanne und mit der Möglichkeit einer schnelleren Durchführung der Leistungserhöhung und Leistungserniedrigung.

/Fig. 15a ist eine Abwandlungsform dargestellt, wobei der Abschnitt 1502 der Ausgangsänderungs-Anforderungskurve 1501 seitlich abgebildet ist, wobei dann die geringe Belastung während der Tagabsenkung noch wirkungsvoller wird. Der Ein-

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fachheit halber ist in den Fig. 15a bis 15c die Nachtabsenkung beschrieben. Die Kurve 1503 von Fig. 15b zeigt die Veränderung der Kern-Strömungsmenge, wenn der Reaktorausgang sich ändert und der Kurve 1501 von Fig. 15a folgt, während die Kurve 1504 die Änderung der Kern-Strömungsmenge zeigt, wenn mit der modifizierten Kurve 1502 gearbeitet wird. Die Kurve 1504 zeigt die Verminderung der in der Reaktor-Kernströmung zum Zeitpunkt t auftretenden Amplitude. Die Kurve 1505 zeigt die Veränderung der Kern-Strömungsmenge dann, wenn die Regelstäbe zur ERhöhung der Kern-Strömungsmenge eingeführt worden sind und wenn die Ausgangsabsenkung längs der Kurve 1502 erfolgt. Ein Vergleich der Kurven 1504 und 1505 zeigt, daß der Minimalwert der Reaktor-Kernströmung 1505 zum Zeitpunkt t_b größer ist als zum gleichen Zeitpunkt bei der Kurve 1504.

Die Kurve 1506 von Fig. 15c zeigt die Änderung mit der Zeit der Kurven 1501 und 1503, während die Kurve 1507 der Veränderung mit der Zeit der Kurven 1502 und 1505 entspricht. Die Kur ve 1507 befindet sich auf der Seite größerer Strömungsmengen als die Kurve 1506 und sie ist frei von Spitzen zur Zeit einer großen Strömungsmenge, was durch die gestrichelte Linie in der Kurve 1506 angedeutet ist. Aus diesem Grund ist es vergleichsweise einfach, die Kurve 1507 in den erlaubten Betriebs bereich der Kern-Strömungsmenge zu legen. Weil jedoch der Mini mumwert der Kern-Strömungsmenge bei hoher Ausgangsleistung vom Punkt B₁ zum Punkt B'^ der Seite größerer Strömungsme'gen verschoben ist, wird die Sicherheitszone der Ausgangs-Kernströmungsmengen-Kennlinie bezüglich der Grenzlinie 603 von Fig. 6 größer, und auch die Sicherheitszone der Veränderung der Ausgangsverteilung bezüglich der Grenzkurve 702 von Fig. 7 wird

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größer, so daß die Brennstäbe vor Beschädigungen geschützt

Ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Erfindungsverfahrens wird nun anhand des Blockdiagramms von Fig. 12 erläutert. Dabei gibt eine zentrale Steuerstation 1 ein Last-Anforderungssignal SlA auf die Laständerungs-Nachführvorrichtung 2, die ihrerseits ein Generatorausgangs-Steuersignal S8 einer Generatorausgangs-Steuervorrichtung 3 zuleitet, die den Ausgang des Generators 8 derart steuert, daß der Kernreaktor 5 der Lastanforderung durch das Last-Anforderungssignal SlA Rechnung trägt. Das Bezugszeichen S9 bezeichnet ein Signal, das vom Generator 8 der Vorrichtung 2 zugeführt wird und den Betriebszustand der gesamten elektrischen Erzeugeranlage, einschließlich des Generators, repräsentiert. Die Steuervorrichtung 3 für den Generatorausgang errechnet die Differenz zwischen dem Signal PI, welches den Generatorausgang darstellt, und dem Signal S8, womit ein Differenzsignal P6 erzeugt wird, das auf die Turbinensteuervorrichtung 4 gegeben wird. In Abhängigkeit von diesem Differenzsignal P6, von einem Dampf-Strömungsmengensignal A1 und einem Turbinen-Drehgeschwindigkeitssignal A2 sendet die Turbinen-Steuervorrichtung 4 ein Lastanforderungs-Änderungssignal A3 zu dem Steuergerät 9 für die Rezirkulations-Strömungsmenge, welches ein Turbinen-Steuersignal A4 erzeugt, das meinerseits den Hauptwert MV auf der Dampfeinlaßseite der Turbine 6 steuert. Ein Steuersignal AS für die Strömungsmenge der Rezirkulation dientzur Steuerung der Strömungsmenge der Zirkulationspumpe 104, womit die Kern-Strömungsmenge gesteuert und folglich der Ausgang des Reaktorkerns verändert wird. Die im Kern erzeugte Dampfmenge wird so-

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er Generator die tats geforderte Leistung abgibt.

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mit derart gesteuert, daß der Generator die tatsächlich anDie Einzelheiten der Ausführungsform von Fig. 12 werden nun anhand der Fig. 13 näher erläutert, in welcher der Aufbau der Vorrichtung 2 als Last-Befehlsvorrichtung 2¹ dargestellt ist, die das wesentliche Element der Gesamtvorrichtung 2 darstellt. Das Lastanforderungssignal SlA der zentralen STeuerstation 1 wird auf eine Uberwachungs-Operationsvorrichtung 13 gegeben und dann einem Speicher 21 zugeführt. Die Operation der Überwachungsvorrichtung 13 kann mittels eines nicht gezeichneten Schalters zwischen einem automatischen Betrieb und einem manuellen Betrieb umgeschaltet werden. In letzterem Fall erzeugt die Vorrichtung 13 ein Lastanforderungssignal SlB selbst dann, wenn von der zentralen Steuerstation 1 kein Lastanforderungssignal SlA zugeführt wird, wohingegen im Fall des automatischen Betriebs das Lastanforderungssignal SlB entsprechend dem Signal SlA erzeugt wird.

Nach der Speicherung im Speicher 21 wird das Lastanforderungssignal SlB einer Vorgriffvorrichtung 22 zugeführt, in der ein simuliertes Modell des Kernreaktors aufgezeichnet ist und die eine Voraussage bezüglich des Zustandes des Kernreaktors für den Zeitpunkt macht, wenn dieser so betrieben wird, wie vom Lastanforderungssignal SlO gefordert wird, d.h. es wird ein Lastanforderungssignal SlD und ein erstes Voraussagesignal S2B einer Entscheidungsvorrichtung 23 zugeführt. Ein zweites Vorhersagesignal S2A der Vorrichtung 22 wird der Speichervorrichtung 21 zugeleitet und in diesem gespeichert. Zusätzlich zu der Voraussageoperation der Vorrichtung 22 ist diese dazu fähig, ein

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Ersatzmuster zu bilden/ welches dem eigentlichen Muster der Lastanforderung ähnlich ist. Die Entscheidungsvorrichtung 23 entscheidet, ob die von der Vorrichtung 22 vorhergesagte Situation zu einer Beschädigung des Reaktors 5 führt oder nicht/ und zwar durch Vergleich des Vorhersageergebnisses mit Bezugsdaten 57 des Speichers 21. Im Speicher 21 sind nämlich Bezugsfeten vorgespeichert, die von der Entscheidungsvorrichtung 23 dazu benutzt werden, nur ein Signal auszuwählen, das zu keiner Beschädigung des Kernreaktors führt.

Ist das Ergebnis der Entscheidung "nein", dann gibt die Vorrichtung 23 ein die Anforderung zurückweisendes Signal S12 und ein Antwortssignal S5 an die Zentrale der Steuerstation 1 zurück und leitet der Vorhersagevorrichtung 22 ein Anforderungssignal S3 des Ersatzmusters zu, das ähnlich ist dem Lastanforderungssignal S1D.

Das Zurückweisungssignal S12 wird nur in Abhängigkeit vom Lastanforderungssignal S1A der zentralen Steuerstation 1 erzeugt, nicht jedoch aufgrund eines Ersatzmuster-Anforderungssignals S3.

Die Vorhersagevorrichtung 22 bildet dadurch ein Ersatzmuster, daß die normale nächtliche Leistungsabsenkung gemäß der Breite und der Geschwindigkeit der Ausgangsänderung sowie das Intervall, in welchem ein niedriger Ausgang aufrechterhalten wird, modifiziert werden. Das Ersatzmuster wird dann der Entscheidungsvorrichtung 23 zusammen mit dem Ergebnis der Vorhersage zugeleitet. Das Vorhersageergebnis wird auch der Speichervorrichtung 21 zum Zweck der Speicherung zugeführt.

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Ist auch das Ersatzmuster nicht zufriedenstellend, so werden der Reihe nach weitere Anforderungssignale der Vorhersagevorrichtung 22 zugeleitet, und zwar so lange, bis ein praktikables Ersatzmuster erhalten wird.

Die Entscheidungsvorrichtung 23 sendet dann ein Signal S4 entsprechend dem praktizierbaren Muster der Überwachungsvorrichtung 13 zu, die damit veranlaßt wird, ein Antwortsignal S5 der zentralen Steuerstation 1 zuzuleiten.

Ist die zentrale Steuerstation 1 mit diesem Ersatzmuster einverstanden, dann gibt sie ein Befehlssignal S6A an die überwachungsvorrichtung 13 weiter, die damit aufgefordert wird, das Ersatzmuster durchzuführen. Zu diesem Zweck gibt die Vorrichtung 13 ein Laständerungs-Nachführsignal S6B auf die Entscheidungsvorrichtung 23, die dann ein LastanfOrderungssignal S1E der Steuervorrichtung 24 zuleitet. Die Steuervorrichtung 24 sendet ein Generatorausgang-Steuersignal S8 der Steuervorrichtung 3 (Fig. 12) zu, die dann einen solchen Betrieb des Kernreaktors verursacht, daß dessen Ausgang der Laständerung folgt.

Nach dem Beginn wird ein Betriebszustandssignal S9 von der Vorrichtung 3 auf eine überwachungsvorrichtung 25 gegeben, um so die Funktion eines Rückkopplungssignals zu erhalten, das mit dem Vorhersagesignal S2C der Vorrichtung 22 verglichen wird, um festzustellen, ob der Reaktor 5 tatsächlich so arbeitet, wie gefordert worden ist.

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Zeigt das Ergebnis des Vergleichs eine große Abweichung dann sendet das Überwachungsgerät 25 ein Betriebsfehlersignal S11 der Überwachungs-Operationsvorrichtung 13 zu, womit diese über die aufgetretene Situation informiert wird. Ist jedoch das Ergebnis des Vergleichs günstig ("Ja"), dann sendet das Überwachungsgerät 25 dem Steuergerät 24 ein den Normalbetrieb anzeigendes Signal S10 zu, damit dieser Betrieb weitergeführt wird, wohingegen dann, wenn das Ergebnis des Vergleiches ein "Nein" ist, das den Normalbetrieb anzeigende Signal S10 nicht erzeugt wird, mit der Folge, daß das Generatorausgangssignal S8 vom Steuergerät 24 genommen wird.

Die den Generatorausgang steuernde Vorrichtung 3 nach der Erfindung ist in Fig. 14 dargestellt und weist ein Addierbzw. Subtrahierwerk 31 auf, das ein Differenzsignal· P2 erzeugt, welches der Differenz zwischen dem Generatorausgang-Steuersignal S8 und dem Generatorausgang-Rückkopplungssignal P1 entspricht. Eine Generatorausgang-Steuervorrichtung 32 erzeugt in Abhängigkeit vom Differenzsignal P2 ein Differenzsignal P3, wobei das Addierwerk 31 und die Steuervorrichtung 32 den Zweck haben, den Zeitunterschied zwischen der Operation der Turbinensteuervorrichtung 4 und der tatsächlichen Änderung des Generatorausgangs zu kompensieren.

Das Generatorausgangs-Steuersignal S8 wird mittels eines. Addierwerks 33 dem Differenz-Steuersignal P3 hinzugefügt, womit Unterschiede zwischen diesem Signal bei konstantem

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Zustand vermieden werden. Ein vom Addierwerk 33 abgegebenen Lastsignal P4 wird von einem Addierwerk 34 einem von der Turbinensteuervorrichtung 4 abgegebenen Rückkopplungssignal P5 hinzugefügt, wobei der Addierer 34 dann ein Ausgangssteuersignal P6 der Turbinensteuervorrichtung 4 zuleitet (Fig. 12) .

Gemäß der Erfindung ist es also möglich/ die Ausgangsleistung der Kernkraft-Elektrizitätserzeugung während der Mittagszeit zu vermindern, was die übliche Nachtabsenkung verbessert und somit es dem Kernkraft-Elektrizitätswerk ermöglicht, auch großen Laständerungen zu folgen. Damit kann ein Lastanstieg hydroelektrischer Generatorstationen vermieden werden, wenn diese als Pumpstationen während der Nacht verwendet werden. Auch kann damit ein häufiges Anfahren und Unterbrechen der dampfgetriebenen Elektrizitätswerke vermieden werden. Die Erfindung verbessert somit die Wirtschaftlichkeit und die Anpassungsfähigkeit elektrischer Versorgungsnetze beträchtlich.

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-SS-Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Anpassen des Betriebs eines Kernkraft-Elektrizitätswerks an die Laetänderungen eines angeschlossenen elektrischen Verbrauchersystems, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Ausgang des Kernreaktors zum Antrieb der elektrischen Elektrizitätserzeugeranlage während der Nacht für eine vorgegebene Zeitspanne in Abhängigkeit von der Abnahme des Verbrauchs des angeschlossenen elektrischen Systems erniedrigt wird,

b) der Ausgang des Kernreaktors während des Tages auf eine vorgegebene Höhe erhöht wird, und

c) der Ausgang des Kernreaktors während des Tages während einer solchen Zeitspanne erniedrigt wird, in der eine Vergiftungserscheinung der Spaltungsprodukte auftritt, die zu einer Verschlechterung der Reaktionsfähigkeit führt und auf den Betrieb mit vermindertem Leistungsausgang des Kernreaktors während der Nachtzeit zurückzuführen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne verminderten Ausgangs während des Tages in die Mittagszeit gelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Betrag und Zeitspanne der nächtlichen Leistungsabsenkung als Ergebnis der Leistungsabsenkung

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am Tag gesteigert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Kernreaktors auf die erwähnte, vergleichsweise hohe Pegelhöhe relativ langsam gesteigert wird.
6. Kernkraft-Elektrizitätswerk mit einem Kernreaktor, einer Dampfturbine, die durch vom Kernreaktor erzeugten Dampf betrieben wird, und mit einem elektrischen Generator, der durch die Dampfturbine angetrieben wird, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Nachführen der Leistungsabgabe in Abhängigkeit von Laständerungen, wobei diese Vorrichtung von einer zentralen Steuerstation mit einem

den Last-Anforderungssignal und eineivAusgang des Generators repräsentierenden Signal gespeist wird, um so ein Ausgangs-Steuersignal für den Generator zu erhalten, wobei ein Generatorausgang-Steuerkreis vorgesehen ist, der das den Generatorausgang repräsentierende Signal und ein Rückkopplungssignal des Generators aufnimmt, um so ein der Differenz zwischen diesen beiden Signalen entsprechendes Steuersignal für die Turbine zu erzeugen,und wobei eine die Turbine steuernde Vorrichtung vorgesehen ist, die mit dem Turbinen-Steuersignal, einemdie Drehzahl der Turbine repräsentierenden Signal und einem die der Dampfturbine vom Kernreaktor zugeführte Dampfmenge repräsentierenden Signal gespeist wird, um so den Ausgang des Kernreaktors und die Menge des der Turbine zugeführten Dampfes zu

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steuern.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernreaktor ein Siedewasserreaktor ist, der mit einer Pumpe zur Rückführung des Wassers durch den Kern des Reaktors versehen ist, wobei die Vorrichtung zum Steuern der Turbine diese Umlaufpumpe steuert.

8„ Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungs-Nachführvorrichtung eine mit der zentralen Steuerstation verbundene, den Betrieb überwachende Vorrichtung, automatische Entscheidungselemente, weitere Überwachungselemente, eine mit einem Simmulationsmodell des Kernreaktors versehene und mit einem Lastanforderungssignal von der überwachungsvorrichtung gespeiste Vorgriffseinrichtung aufweist, die auf die automatischen Entscheidungselemente ein Bezugssignal gibt, so daß ein der Lastanforderung ähnliches Ersatzbild entsteht, wobei die Entscheidungselemente das Bezugssignal mit dem Ergebnis von Vorausbestimmungen vergleichen, die durch das Vorgriff selement erzeugt werden, und die dann, wenn kein brauchbares Vergleichsergebnis erhalten wird das Ersatzbild anfordern,und wobei weiterhin eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die Ausgangssignale der Entscheidungselemente und der Überwachungselemente aufnimmt und der den Generatorausgang steuernden Vorrichtung ein Signal zuführt.

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