DE3316037C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kernkraftwerksanlage, insbesondere eines Siedewasserreaktors, mit einer Vielzahl von Steuerstäben zum Steuern der Leistungsabgabe des Reaktors, die sowohl in den Kern einfahrbar als auch aus dem Kern herausziehbar angeordnet sind, wobei die zum Betrieb in äußeren Umfangsbereich des Kerns angeordneten Steuerstäbe eine erste Gruppe bilden, und wobei während des normalen Betriebs des Reaktors einige der Steuerstäbe der zweiten Gruppe zumindest teilweise in den Kern eingefahren und alle anderen Steuerstäbe aus dem Kern zurückgezogen sind.

Aus der DE-OS 22 33 496 ist ein Kernreaktor, insbesondere Druckwasserreaktor, mit relativ zum Reaktorkern bewegbaren, mit neutronenabsorbierendem Material versehenen Steuerstäben bekannt, die im Normalfall im Verhältnis zu ihrer Länge kleine Wege pro Zeiteinheit zurücklegen und nur in besonderen Fällen eine wesentlich schnellere Bewegung vorzugsweise unter dem Einfluß der Schwerkraft ausführen, wobei sich das neutronenabsorbierende Material auf den Steuerstäben nur über einen Bruchteil der Höhe des Reaktorkerns erstreckt und die Steuerstäbe durch die schnelle Bewegung von der einen Seite des Kernes auf die andere bewegbar sind. Bei der bekannten Anordnung für Druckwasserreaktoren handelt es sich um Teilsteuerstäbe, die ähnlich wie die zur Schnellabschaltung dienenden Steuerstäbe nicht nur langsam, sondern auch schnell bewegbar sind. Die bekannte Anordnung beabsichtigt, eine optimale Vergleichmäßigung der Leistungsverteilung im Reaktorkern zu erreichen, während eine Leistungsreduzierung im Störungsfall außerhalb der Kraftwerksanlage nicht berücksichtigt wird.

Aus der DE-OS 30 47 961 ist ein Verfahren zum Regeln und Abschalten eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit einer aus kugelförmigen Brennelementen bestehenden Schüttung, die von oben nach unten von Kühlgas durchströmt wird und deren Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen der Schüttung den gewünschten Endabbrand erreicht haben, und mit einem die Schüttung umgebenden Decken-, Boden- und Seitenreflektor. Zwischen dem Deckenreflektor und der Oberfläche der Schüttung ist ein Hohlraum vorgesehen. In dem Deckenreflektor ist weiterhin eine Vielzahl von Kernabsorberstäben angeordnet, die zum Regeln und und Abschalten des Hochtemperaturreaktors bis zu einer vorbestimmten Tiefe in den von den Reflektoren umschlossenen Raum einfahrbar sind. Dabei wird für die Lastregelung des Hochtemperaturreaktors jeweils nur eine Teilmenge der Kernabsorberstäbe in den Hohlraum eingefahren, während die Menge der übrigen Kernabsorberstäbe in ihrer oberen Endstellung in den Deckenreflektor gehalten wird. Je nach der Bestrahlungsdosis werden die für die Lastregelung eingesetzten Kernabsorberstäbe gegen in der Endstellung befindliche Kernabsorberstäbe ausgetauscht, während die Gesamtheit der Kernabsorberstäbe nur für Abschaltvorgänge eingesetzt wird. Die bekannte Anordnung für Hochtemperaturreaktoren betrifft im wesentlichen die Lastregelung und die Schnellabschaltung, während eine Leistungsreduzierung bei außerhalb des Kraftwerkes auftretender Störung nicht berücksichtigt ist.

Weiterhin ist aus der DE-OS 27 52 028 ein gasgekühlter graphitmoderierter Kernreaktor bekannt, insbesondere ein Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente, einem den Kern umgebenden, aus Decke, zylindrischer Seitenwand und Boden gebildeten Reflektor und mit in den Kern einfahrbaren Absorberstäben zur Abschaltung und Regelung des Kernreaktors, wobei die Absorberstäbe auf zwei voneinander unabhängige Abschaltsysteme aufgeteilt sind, von denen das erste für die Voll- oder Langzeitabschaltung des Kernreaktors vorgesehen ist, während das zweite Abschaltsystem der Teil- oder Schnellabschaltung des Kernreaktors dient. Dabei nehmen die Absorberstäbe des zweiten Abschaltsystems Positionen zwischen den Stabpositionen des ersten Abschaltsystems ein. Die Belegungsdichte der Kernquerschnittsfläche mit Absorberstäben des ersten Abschaltsystems ist am Kernrand größer als in der Kernmitte. Die bekannte Anordnung weist zwar zwei voneinander unabhängige Abschaltsysteme auf, aber auch hier wird einer Leistungsreduzierung bei einem Störfall außerhalb der Kraftwerksanlage nicht Rechnung getragen.

Bei den bekannten Verfahren kommt noch hinzu, daß es im Hinblick auf die Bedingungen, unter denen das Einfahren von ausgewählten Steuerstäben sich auf die natürliche Zirkulation des Kühlmittels und auf einen verringerten Energiepegel ausgewirkt hat, noch weitere Nachteile gibt, die sich derart auswirken, daß die axiale Energieverteilung nach unten hin aus den nachstehend angeführten Gründen gestört wird oder auch ist:

• (i) Wird der Kern von einer geringeren Durchflußmenge durchströmt, wie dies bspw. bei einer natürlichen Zirkulation des Kühlmittels der Fall ist, dann werden die Dampfblasen, die im oberen Teil erzeugt werden, nicht in genügender Weise abgeführt, so daß auch die Neutronenverlangsamungseffekte nicht genügend groß sind, was wiederum zur Folge hat, daß die Energie oder die Leistung, welche im unteren Teil des Kernes erzeugt wird, entsprechend größer wird.
• (ii) Für den Speisewasser-Erhitzer wird Dampf, der von einer Turbine abgezweigt wird, als Heizmedium verwendet. Wird aber durch das Öffnen eines Turbinen- Umgehungsventiles der Dampf in einen Kondensator geführt, dann wird dadurch auch die Zuführung des Heizmediums zum Speisewasser-Erhitzer unterbrochen, was wiederum zur Folge hat, daß dem Kern relativ kühleres Wasser zugeführt wird. Dadurch wird innerhalb des Reaktorkernes der axiale Siede-Anfangspunkt erhöht, was wiederum zur Folge hat, daß im unteren Teil des Reaktorkernes die Neutronenverlangsamungseffekte verstärkt werden und dadurch die Energie oder die Leistung im unteren Teil des Kernes größer wird.
• (iii) Je größer die Dampfblasenmenge im Kern, desto größer ist auch die Steuerstabreaktion, was wiederum bedeutet, daß dann, wenn die ausgewählten Steuerstäbe vollständig eingefahren worden sind, die negativen Reaktionseffekte der Steuerstäbe im oberen Teil des Reaktorkernes stärker sind und im unteren Teil des Reaktorkernes schwächer. Aus diesem Grunde wird die Energieverteilung im Reaktor dann nach unten zu gestört, wenn im Rahmen des Scram-Prozesses, d. h. des Einfahrens der ausgewählten Steuerstäbe in der Reaktor, die ausgewählten Steuerstäbe vollständig in den Reaktor eingefahren sind oder werden.

Es gibt somit mehrere und sich gegenseitig beeinflussende Ursachen, die dann, wenn die ausgewählten Steuerstäbe im Rahmen des Scram-Prozesses (Bremsprozesses) in den Reaktor eingefahren werden, in der axialen Energieverteilung eine Verzerrung verursachen, die sich ausschließlich nur nach unten hin auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer außerhalb der Kernkraftwerksanlage auftretenden Störung die Leistung des Reaktors durch das Einfahren von ausgewählten Steuerstäben so zu reduzieren, daß eine vergleichsweise eben verlaufende axiale Leistungsverteilung auf einem stark reduzierten Wert erzielt wird.

Der Anmeldungsgegenstand löst die Aufgabe - gemäß den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 - dadurch, daß bei einer außerhalb des Reaktors festgestellten, eine Leistungsreduzierung des Reaktors erfordernden Störung die in den Kern eingefahrenen Steuerstäbe der zweiten Gruppe in den Kern eingefahren bleiben und ausgewählte weitere Steuerstäbe der zweiten Gruppe und die Steuerstäbe der ersten Gruppe einem Schnellabschaltevorgang unterworfen werden und daß diese Steuerstäbe schnell in den Kern eingefahren werden, daß die Leistung des Reaktors auf einen Wert geringer als bei normalem Betrieb, aber ausreichend für den Eigenbedarf der Kernkraftwerksanlage reduziert wird und daß der Reaktor mit der reduzierten Leistung weiterhin betrieben wird.

Damit kann der Reaktor jederzeit wieder im sogenannten günstigen Heißstart angefahren werden, so daß die Nachteile eines Anfahrens im Kaltstart vermieden werden.

Nach Anspruch 2 ist es notwendig, daß die ausgewählten Steuerstäbe der zweiten Gruppe nicht benachbart zueinander liegen.

Dabei ist es - nach Anspruch 3 - wichtig, daß die Leistung nach dem Schnellabschaltevorgang auf einen Wert zwischen 20 bis 30% der Nennleistung des Reaktors reduziert wird. Die verbleibende Leistung liefert genügend Energie für den Eigenbedarf der Kraftwerksanlage und läßt den Reaktor bei einer stark reduzierten Leistung in Betrieb, so daß ein neues Anfahren auf Nennleistung viel einfacher ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen Übersichtsplan mit Darstellung eines Kernreaktor- Leistungsregelungssystemes,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel von ausgewählten Steuerstäben,

Fig. 3A eine Draufsicht mit Darstellung einer Steuerstabanordnung während des Normalbetriebes,

Fig. 3B-3E Draufsichten mit Darstellung der verschiedenen Steuerstabanordnungen, die sich dann ergeben, wenn die mit Fig. 3A dargestellten ausgewählten Steuerstäbe im Rahmen einer Schnellabschaltung verwendet werden,

Fig. 4 ein Kennliniendiagramm, das die axiale Leistungsverteilung wiedergibt,

Fig. 5 ein Kennliniendiagramm zwecks Vergleichs der mit der Erfindung gegebenen und mit der bekannten Art gegebenen axialen Leistungsverteilung für den Zustand vor und für den Zustand nach dem Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe und

Fig. 6 ein Kennliniendiagramm, in dem die Zuordnung zwischen der nach unten gerichteten Verzerrung der Kernreaktorleistung und der Stabilität des Reaktors dargestellt ist.

Der Kernreaktor 1 in Fig. 1 erzeugt Dampf. Dieser Dampf wird vom Kernreaktor 1 aus durch eine Dampf-Hauptleitung 2, in die das Regelventil 3 eingebaut ist, einer Dampfturbine 4 zugeführt, so daß diese angetrieben wird und ihrerseits wiederum einen Elektrogenerator 5 antreibt, in dem Strom erzeugt wird. Vom Generator 5 aus wird der elektrische Strom einen Haupttransformator 6 zugeführt und von dort aus einem Netztrennschalter 7, über den der elektrische Strom auf ein Stromnetz 8 aufgeschaltet wird. Der in der Turbine 4 nicht verbrauchte Dampf wird in einem Kondensator 9 kondensiert und dann über einen Speisewassererhitzer 27 von einer Speisewasserpumpe 10 in den Kernreaktor 1 zurückgeführt. Zwischen der Dampf-Hauptleitung 2 und dem Kondensator 9 ist eine mit einem Ableitungsventil oder Umgehungsventil 11 bestückte Umgehungsleitung 12 derart angeordnet, daß das Dampf-Hauptsteuerventil 3 und die Dampfturbine 4 umgangen werden können. Auch der durch die Umgehungsleitung 12 geführte Dampf wird im Kondensator 9 kondensiert. Dem Kernreaktor 1 ebenfalls zugeordnet ist eine zum Leistungssteuerungssystem gehörende Primärkreis- Umlaufpumpe 15, welche von einem Motor 16 und von den Steuerstäben 18 gesteuert wird.

Sollte in der Kernkraftwerksanlage des Siedewasser-Typs oder des BWR-Typs es zu einer Störung im Stromnetz 8 oder im Generator 5 kommen, dann hat dies zur Folge, daß der Haupttrennschalter 7 in die Trennposition gebracht wird und den Haupttransformator 6 vom Stromnetz 8 abschaltet. Dies bewirkt dann auch, daß ein Signal "Leitungsabschaltung" vom Haupttransformator 6 aus einem Lastabschaltungsmeldesystem 13 aufgeschaltet wird. Bei Erfassen des Signals "Lastabschaltung" erzeugt das System 13 ein Lastabschaltungssignal, das dann seinerseits wiederum das Dampf-Hauptregelsystem 3 in den Schließzustand bringt und gleichzeitig sofort das Umgehungsventil 11 öffnet. Als Ergebnis wird sodann der Dampf durch die Umgehungsleitung 12 dem Kondensator 9 zugeführt.

Das abrupte und sofortige Schließen des Dampf- Hauptregelungsventils 3 wird von einem weiteren Meß- und Überwachungssystem 14 erfaßt, wobei von diesem weiteren Meß- und Überwachungssystem 14 dann ein Pumpenmotor 16 eingeschaltet wird und des weiteren eine Einfahrvorrichtung 17 für ausgewählte Steuerstäbe derart in Betrieb genommen wird, daß von ihr aus die ausgewählten Steuerstäbe 18 S in den Reaktorkern 19 eingefahren werden, und dies im Rahmen einer Schnellabschaltung (Scram Process). Dies wiederum bewirkt, daß der Energiepegel oder Leistungspegel des Kernreaktors 1 verringert oder heruntergefahren wird. Ein Signal des Meß- und Überwachungssystemes 14 erhält auch das Speisewasserpumpen-Steuerungssystem 20 aufgeschaltet, das seinerseits wiederum das Einschalten von einer nuklearen Speisewasserpumpe oder von mehreren Speisewasserpumpen 10 veranlaßt und dadurch den Kernreaktor 1 auf einen vom Stromnetz getrennten und hauseigenen Betrieb umschaltet.

Damit die Sicherheit des Kernreaktors 1 gewährleistet ist, ist weiterhin auch noch ein Wasserpegel- Meß- und Überwachungssystem 21 vorgesehen. Dieses System funktioniert beispielsweise so, daß dann, wenn der Wasserpegel L im Kernreaktor auf einen vorgegebenen unteren Grenzwert abgefallen ist, ein Signal "Wasser unterer Grenzwert" erzeugt wird, das seinerseits wiederum ein Schnellabschaltungssystem (Scram System) derart in Betrieb nimmt, daß im Rahmen eines Schnellabschaltungsvorganges alle Steuerstäbe 18 in den Reaktorkern 19 eingefahren werden, damit dadurch wiederum auch die Energie und die Leistung des Kernreaktors 1 abgeschwächt werden kann.

Bei einem kommerziell genutzten Siedewasser-Kernreaktor des BWR-Typs wird bei Aufkommen einer Störung im Elektronetzsystem 8 oder im Generator 5 das Umgehungsventil 11 sofort und abrupt geöffnet, wird darüber hinaus auch noch die Primärkreis- Umlaufpumpe 15 eingeschaltet und in Betrieb gesetzt, woraufhin dann das für das Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe bestimmte System 17 derart arbeitet und wirksam wird, daß von ihm im Rahmen eines Schnellabschaltungsvorganges die ausgewählten Steuerstäbe 18 S in den Reaktorkern 19 eingefahren werden und dadurch die Energie oder die Leistung des Kernreaktors 1 gesenkt wird, während gleichzeitig der durch das Anhalten der Primärkreis- Umlaufpumpe 15 verursachte Anstieg des Wasserpegels im Kernreaktor durch das Abschalten der Speisewasserpumpe 10 unterdrückt wird, was wiederum bewirkt, daß der Kernreaktor 1 dazu gebracht wird, in einer sicheren und stabilisierten Weise in den Zustand des vom Stromnetz losgelösten Betriebes überzugehen.

In der Praxis wird nach erfolgter Lastabschaltung während der Periode, in der das Umgehungsventil 11 geöffnet wird, das Dampf-Hauptregelventil 3 geschlossen, was dazu führt, daß die Dampfblasen im Reaktorkern 19 eine Verzerrung erfahren und dadurch in drastischer Weise eine Verstärkung des Neutronenflusses herbeiführen. Andererseits jedoch wird der von der Dampfturbine 4 abgezogene Dampf als Heizmedium für das Speisewasserheizsystem 27 verwendet. Nach der Lastabschaltung wird jedoch das Umgehungsventil 11 abrupt und sofort geschlossen, was wiederum zur Folge hat, daß der Dampf vom Kernreaktor 1 aus in den Kondensator 9 geführt wird und dadurch als Heizmedium für das Speisewasserheizsystem 27 nicht mehr zur Verfügung steht und dem Reaktorkern 19 stärker unterkühltes Wasser zugeführt wird. Darüber hinaus sind auch die Dampfblasen im Kern verzerrt und erhöhen dadurch den Energiepegel oder Leistungspegel im Kernreaktor 1. Um dem zuvor beschriebenen Phänomen beikommen zu können, ist es zunächst erforderlich, die negative Reaktivität derart einzusetzen und zu verwenden, daß dadurch der Leistungsanstieg nach der Lastabschaltung in geeigneter Weise derart unterdrückt werden kann, daß dadurch die Brennstoff-Integrität genügend gewährleistet ist. Zum zweiten ist es erforderlich, daß im Zustand des vom Stromnetz gelösten Betriebes ein Energiepegel oder Leistungspegel eingehalten wird, der rund 10% der Nennleistung beträgt. Mit der ersten Forderung wird der untere Grenzwert der negativen Reaktionsmenge, die zuzuführen ist, bestimmt und mit der zweiten Forderung deren oberer Grenzwert.

Um in den Begriffen der Reaktion/Reaktivität diesen Forderungen zu entsprechen, genügt es nicht nur die Steuerstäbe einzufahren, die dem äußersten Umfangsbereich zugeordnet sind, was wiederum bedeutet, daß auch die Steuerstäbe, die im Bereich innerhalb des äußersten Umfangsbereiches angeordnet sind, zur Herbeiführung einer Schnellabschaltung ebenfalls als ausgewählte Steuerstäbe in den Reaktor eingefahren werden müssen.

Wie nun aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind innerhalb des Reaktorkernes die Steuerstäbe in zwei Gruppen unterteilt. Einmal in die Gruppe der Steuerstäbe, die dem äußersten Umfangsbereich zugeordnet sind, und zum anderen in die Gruppe der Steuerstäbe, die im Inneren des äußersten Umfangsbereiches angeordnet sind.

In der nachstehend gegebenen Weise sind die ausgewählten Steuerstäbe jeweils für jeden Zyklus der Kernkraftwerksanlage festgelegt, so daß die ausgewählten Steuerstäbe für jeden Zyklus jeweils andere sind.

Für den äußersten Umfangsbereich:

• (i) Direkt einander benachbarte Steuerstäbe werden nicht ausgewählt. (Das Auswählen von einander direkt benachbarten Steuerstäben hat zur Folge, daß die Verzerrung des Neutronenflusses größer wird. Diese Wirkung kommt in gleicher Weise auch im Inneren des äußersten Umfangsbereiches zustande).
• (ii) Am meisten bevorzugt wird die Methode, immer beim Auswählen der Steuerstäbe einen zu wählen und den nächsten zu übergehen. (Werden alle Steuerstäbe des äußersten Umfangsbereiches ausgewählt, dann entstehen für den inneren Bereich schwierige thermische Bedingungen).

Für den Bereich innerhalb des äußersten Umfangsbereiches:

• (iii) Einander direkt benachbarte Steuerstäbe, die vollständig ausgefahren werden, werden nicht ausgewählt.
• (iv) Steuerstäbe, welche teilweise eingefahrenen Steuerstäben direkt benachbart sind, werden nicht ausgewählt.
• (v) Die ausgewählten Steuerstäbe werden in ihrer Anordnung derart gewählt, daß sie im Reaktorkern gleichmäßig verteilt sind.

Die ausgewählten Steuerstäbe werden somit in dieser Weise vom Operator festgelegt, woraufhin dann die Steuerstab-Anordnung vom Computer analysiert wird, damit auch deren Sicherheit gewährleistet ist. Nach Abschließen der zuvor angeführten Prozedur wird noch vor dem Einsatz die Position der ausgewählten Steuerstäbe in jedem Zyklus in die zum Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe bestimmte Vorrichtung 17 eingegeben.

Bei einer Kernkraftwerksanlage der Siedewasserausführung oder der BWR-Ausführung mit einer Leistung von beispielsweise 1100 MWe werden aufgrund der zuvor beschriebenen Anforderungen im Hinblick auf den oberen Grenzwert und auf den unteren Grenzwert der aufzubringenden negativen Reaktivität/Reaktion für gewöhnlich ausgewählt: alle Steuerstäbe im äußersten Umfangsbereich (zwanzig Steuerstäbe ausgewählt) und vier Steuerstäbe bis vierzehn Steuerstäbe aus dem Bereich innerhalb des äußersten Umfangsbereiches. Damit wird dann der Mangel an negativer Reaktivitätsmenge (lack of negative reactivity quantity), der durch das Einfahren der zum äußersten Umfangsbereich gehörenden ausgewählten Steuerstäbe entsteht, dadurch zu einer besseren Bedingung umgewandelt, daß die ausgewählten Steuerstäbe, die dem Bereich innerhalb des äußersten Umfangsbereiches zugeordnet sind, in die Position "voll aus" eingefahren werden.

Für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen Fig. 3A, Fig. 3B, Fig. 3C, Fig. 3D und Fig. 3E zwei Anordnungsmöglichkeiten für das Einfahren der Steuerstäbe, und zwar den Zustand vor dem Einfahren der Steuerstäbe und den Zustand nach dem Einfahren der Steuerstäbe 18 S. Mit Fig. 3A dargestellt ist das Steuerstabmuster oder die Steuerstabanordnung für den Fall des Normalbetriebes, wohingegen mit Fig. 3B, Fig. 3C, Fig. 3D und Fig. 3E das Steuerstabmuster oder die Steuerstabanordnung für den Fall wiedergegeben sind, daß die ausgewählten Steuerstäbe für einen Schnellabschaltungsvorgang (Scram Prozeß) verwendet und eingesetzt worden sind. Die im Muster oder in der Anordnung angegebenen Nummern stehen für die Nummern der ausgefahrenen Position, so steht beispielsweise die Zahl 48 für eine Position "voll aus", wohingegen mit der Zahl 0 die Position "voll ein" bezeichnet ist, während eine zahlenfreie Position ebenfalls einer Position "voll aus" entspricht. Diejenigen Steuerstäbe, (die Positionsnummer ist von einem Kreis umgeben), die während des normalen Betriebs teilweise in den Kern eingefahren sind, werden - und dieses ist ein wichtiges und neuartiges Merkmal dieser Erfindung - während der gesamten Prozeduren nicht bewegt.

Die in der zuvor beschriebenen Weise festgelegten Steuerstäbe werden als ausgewählte Steuerstäbe eingesetzt und verwendet. Sie werden dabei von dem zum Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe bestimmten System 17 bewegt und verfahren.

Das Speisewasserpumpen-Regelungssystem 20 weist ein Meß- und Überwachungssystem 25 auf, das ein abnormales Arbeiten der Speisepumpe zu messen und zu erfassen hat. Kann wegen einer Störung in irgendeiner der Speisewasserpumpen 10 der Kernkraftwerksanlage Speisewasser nicht in genügender Menge zugeführt werden, dann werden die nicht normalen Zustände von dem Meß- und Überwachungssystem 25 gemessen und erfaßt, dann bewirkt dies, daß das für das Einfahren und Ausfahren der ausgewählten Steuerstäbe bestimmte System 17 angesteuert wird, und zwar derart, daß von diesem System 17 dann entweder ein Teil oder alle zum äußersten Umfangsbereich gehörenden ausgewählten Steuerstäbe zwecks Durchführung einer Schnellabschaltung (eines Scram Process) in den Reaktorkern 19 eingefahren werden.

Erhält das Schnellabschaltungs- oder Notabschaltungssystem 22 ein Wassermangelsignal für den Kernreaktor aufgrund einer Messung der Wasserstands-Meß- und Überwachungsvorrichtung 21 aufgeschaltet oder irgendein anderes Signal von dem Störfall-Meß- und Überwachungssystem 26, dann wird die Notabschaltungsvorrichtung 22 derart angesteuert und in Betrieb genommen, daß von ihr alle Steuerstäbe zur Durchführung eines Schnellabschaltungsvorganges in den Reaktorkern 19 hineingefahren werden.

Werden nach dem Aufkommen einer Störung im Stromnetz 8 oder im Generator 5 der Haupttransformator 6 und der Haupttrennschalter 7 vom Stromnetz getrennt, dann hat dies zur Folge, daß das Lastabschaltungs-Meß- und Überwachungssystem 13 vom Transformator 6 aus ein Lastabschaltungssignal aufgeschaltet erhält und dann durch eine entsprechende Ansteuerung das Dampf-Hauptregelungsventil 3 sofort und abrupt schließt und gleichzeitig das Umgehungsventil 11 sofort und in abrupter Weise zum Öffnen bringt, was wiederum zur Folge hat, daß nach dem Schließen des Dampf-Hauptregelventils 3 und nach dem Öffnen des Umgehungsventils 11 der vom Kernreaktor 1 erzeugte Dampf vom Kernreaktor 1 aus direkt in den Kondensator 9 geführt wird. Andererseits wiederum wird, wie dies bereits zuvor angeführt worden ist, die Primärkreis-Umlaufpumpe 15 als Resultat des abrupten Schließens des Dampf-Hauptregelventils 3 angesteuert und geschaltet, woraufhin dann innerhalb von ungefähr 30 Sekunden der Energiepegel oder Leistungspegel des Kernreaktors auf einen Wert von 50% bis 60% der Kernreaktor- Nennleistung abgesenkt und verringert wird. Das abrupte Schließen des Dampf-Hauptregelungsventils 3 bewirkt weiterhin auch noch, daß die für das Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe bestimmte Vorrichtung 17 derart angesteuert und in Betrieb genommen wird, daß sie innerhalb von wenigen Sekunden die Steuerstäbe 18 S zwecks Durchführung einer Schnellabschaltung oder Notabschaltung bewegt und dadurch den Energie- oder Leistungspegel des Kernreaktors um einen Wert verringert, der gleich rund 30% der Kernreaktor-Nennleistung ist. Wie bereits angeführt, bewirkt das Ansteuern und Schalten der Primärkreis-Umlaufpumpe 15 und die mit den Steuerstäben 18 S vorgenommene Schnellabschaltung oder Notabschaltung, daß der Energiepegel oder Leistungspegel im Kernreaktor 1 auf einen Wert von 20% bis 30% der Kernreaktor- Nennleistung abgesenkt und verringert wird, wobei der vom Kernreaktor 1 erzeugte Dampf über das Umgehungsventil 11 in den Kondensator 9 gelangt.

Nunmehr geht der Kernreaktor 1 in den Zustand des vom Stromnetz 8 getrennten Betriebes über, in dem es zum Stromnetz 8 keine Verbindung mehr gibt. In diesem Betriebszustand wird das durch das Ansteuern und Schalten der Primärkreis-Umlaufpumpen 15 verursachte Ansteigen des Wasserspiegels L durch die angegebene Ansteuerung und Schaltung der Speisewasserpumpen 10 derart unterdrückt, daß für das Notabschaltungssystem oder Schnellabschaltungssystem 22 keine Gefahr der Betätigung aufkommt.

Laut Darstellung in Fig. 3A - es handelt sich hierbei um die Steuerstabanordnung oder das Steuerstabmuster für den Fall, daß der Kernreaktor 1 mit Nennleistung arbeitet - befinden sich die Steuerstäbe 18 S unverändert in der vollständig ausgefahrenen Position, was wiederum bedeutet, daß eine Zerstörung ihrer Neutronenaufnahmefähigkeit/Neutronenfangfähigkeit, die proportional auch die Betriebszeit des Kernreaktors verkürzen würde, nur selten zustandekommen würde. Daraus ergibt sich dann, daß von der für das Bewegen der ausgewählten Steuerstäbe bestimmten Vorrichtung 17 eine Änderung der ausgewählten Steuerstäbe im Rahmen eines Schnellabschaltungsvorganges für jeden Betriebszyklus nicht durchgeführt werden braucht, wie dies bei dem bisher bekannten und konventionellen Verfahren der Fall ist. Das wiederum bedeutet, daß die negative Reaktivität/Reaktion beim Kernreaktor 1 dadurch herbeigeführt wird, und zwar in unveränderter Weise herbeigeführt wird, daß nur die Steuerstäbe 18 S, die im äußersten Umfangsbereich installiert sind, in den Reaktorkern eingefahren werden. Darüber hinaus wird außerhalb des Reaktorkernes die Energieverteilung der Brennstabkanäle, die die im äußersten Umfangsbereich installierten Steuerstäbe 18 S umgeben aufgrund des Neutronenverlustes schwächer, wie dies in Fig. 4 mit der Vollinie ª dargestellt und kenntlich gemacht ist. In Fig. 4 überschreitet der mit der Vollinie ª gekennzeichnete Wert in keinem Augenblick den Betriebs-Schwellenwert für die Brennstoffkonditionierung, (der mit der gestrichelten Linie b dargestellt ist).

Weil jedoch der Energiepegel oder Leistungspegel des Reaktorkernes durch das Einfahren der dem äußersten Umfangsbereich zugehörigen Steuerstäbe genügend unterdrückt wird, überschreitet der Energiepegel oder Leistungspegel des Reaktorkernes, der durch die Vollinie c dargestellt ist, auch dann den (mit der gestrichelten Linie b markierten) Schwellenwert nicht, wenn die Steuerstäbe, die innerhalb des äußersten Umfangsbereiches angeordnet sind, nicht in den Kern eingefahren werden, wenn auch der Energiepegel oder Leistungspegel gegenüber dem Energiepegel oder Leistungspegel, der dann erzeugt wird, wenn sich die dem äußersten Umfangsbereich zugehörigen Steuerstäbe in ihrer ausgefahrenen Position befinden.

Aus diesem Grunde werden nach dem Beheben der Störung im Stromnetz 8 und dergleichen mehr und nach dem Übergang aus dem vom Stromnetz getrennten und gelösten Betriebszustand in dem mit dem Stromnetz verbundenen Betriebszustand, zuerst die Steuerstäbe herausgefahren, die im Bereich innerhalb des äußersten Umfangsbereiches angeordnet sind, damit dadurch der Energiepegel oder der Leistungspegel geringfügig erhöht wird. Des weiteren werden die ausgewählten Steuerstäbe, die im äußersten Umfangsbereich installiert sind und in den Begriffen des Schwellenwertes einen größeren Übergang aufzuweisen haben im Hinblick auf die Betriebsprozedur ordnungsgemäß bis in ihre vollständig herausgefahrenen Positionen ausgefahren. Das wiederum hat zur Folge, daß die Steuerstäbe, die zuvor für eine Schnellabschaltung oder Notabschaltung Anwendung gefunden haben sowohl im Hinblick auf die thermischen Werte der Kernbrennstoffe als auch im Hinblick auf den zuvor beschriebenen Schwellenwert einen genügend großen Übergang aufweisen, was wiederum bedeutet, daß die Steuerstab-Ausgangsanordnung glatt und weich wieder herbeigeführt werden kann.

Demgegenüber wird dann, wenn während des Normalbetriebes des Kernreaktors 1 Störungen an den Speisewasserpumpen zu verzeichnen sind, die Abweichungen dieser Speisewasserpumpen 10 vom Normalzustand von dem Speisewasserpumpen-Betriebsüberwachungssystem 25 gemessen und erfaßt. Dabei wird das zum Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe bestimmte System 17 derart angesteuert und in Betrieb genommen, daß von diesem Betriebssystem 17 sowohl ein Teil der zum äußersten Umfangsbereich gehörenden ausgewählten Steuerstäbe als auch ein Teil der innerhalb des äußersten Umfangsbereiches angeordneten und vollständig ausgefahreren Steuerstäbe zwecks Durchführung eines Schnellabschaltungsvorganges (Scram Process) in den Reaktorkern eingefahren werden, wobei der im Kernreaktor 1 vorhandene Energiepegel oder Leistungspegel auf rund 30% des Nennleistungspegels verringert und abgesenkt wird. Der Reaktorbetrieb wird dabei mit der Speisewassermenge fortgeführt, die mit Ausnahme der störungsbehafteten Speisewasserpumpe von den restlichen Speisewasserpumpen angeliefert wird. Wenn der Fehler an der Speisepumpe wieder behoben worden ist, kann völlig unabhängig von den thermischen Grenzwerten der Kernbrennstoffe und von anderen Faktoren wieder auf volle Leistung hochgefahren werden, und zwar derart, als kehre man von dem vom Stromnetz gelösten Betriebszustand wieder in den Betriebszustand zurück, während dem die Verbindung mit dem Stromnetz gegeben ist.

Gemäß der Erfindung werden die Steuerstäbe, welche während des normalen Betriebszustandes teilweise in den Reaktorkern eingefahren sind, nicht als ausgewählte Steuerstäbe genommen. Der große Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß während des Normalbetriebes die Energieverteilung oder Leistungsverteilung dann keine drastische Änderung erfährt, und zwar auch dann nicht, wenn zur Durchführung eines Schnellabschaltungsvorganges die ausgewählten Steuerstäbe eingefahren werden. In Fig. 5 steht die Vollinie I für die Energieverteilung oder Leistungsverteilung während des Normalbetriebes, wohingegen die Vollinie II für die Leistungsverteilung nach dem Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe steht, wenn dieses Einfahren der Steuerstäbe in Übereinstimmung mit dieser Erfindung vorgenommen wird. Demgegenüber zeigt die gestrichelte Linie III aus Fig. 5 die Energieverteilung oder Leistungsverteilung für den Fall, daß für das Einfahren der ausgewählten Steuerstäbe die mit Fig. 3A dargestellten und teilweise eingefahrenen Steuerstäbe gewählt und genommen werden. Wie bereits angeführt worden ist, neigen die in die vollständig eingefahrene Position gebrachten Steuerstäbe dazu, die axiale Energieverteilung oder Leistungsverteilung zu verzerren. Werden nun, wie in Fig. 3A dargestellt, die teilweise eingefahrenen Steuerstäbe für einen Schnellabschaltungsvorgang eingesetzt und verwendet, dann hat dies zur Folge, daß die vorerwähnte Neigung noch dahingehend verstärkt wird, daß sie - wie dies mit der gestrichelten Kennlinie III in Fig. 5 verdeutlicht ist - die extrem nach unten ausgerichtete Leistungs-Spitzenwertbildung verstärken.

Das ist im Hinblick auf die Stabilität ein ungünstiges Phänomen, wobei es im schlimmsten Falle im Kernreaktor zu Eigenschwingungen kommen kann, so daß der Kernreaktor auch dann, wenn der Übergang auf den am Stromnetz liegenden Betrieb vollzogen ist, der Kernreaktor unvermeidlich in den Zustand der Schnellabschaltung gelangen kann.

Fig. 6 zeigt die Zuordnung zwischen dem Koeffizienten des Axial-Spitzenwertbildungsfaktors und der Kanalstabilität, wobei der Spitzenwert modus (peak mode) in Axialrichtung aufgetragen ist als Parameter (Knotenpunkte - und je kleiner die Zahlenwerte, desto tiefer nach unten gerichtet die Spitzenwertbildungen). Fällt nach Fig. 6 die Stabilität unter die kritische Schwingungsgrenze ab, die in Fig. 6 mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist, dann bewirkt dies, daß das Kühlmittel im Reaktorkern schwingen kann und dann fast unkontrollierbar wird. Ist es einmal zu einer Schnellabschaltung/Notabschaltung gekommen, dann ist - verglichen mit der Zeit, die zum Umschalten aus dem vom Stromnetz getrennten Betriebszustand in den auf das Stromnetz geschalteten Betriebszustand erforderlich ist, - für das Hochfahren in den Start-Betriebszustand eine sehr lange Zeit erforderlich, was dann wiederum zur Folge hat, daß der Lastfaktor der Kaftwerksanlage verringert und abgeschwächt wird.

Demgegenüber verbleiben bei dem mit dieser Erfindung geschaffenen Verfahren, die Steuerstäbe, welche während des Normalbetriebes teilweise in den Reaktorkern eingefahren sind, in ihren ursprünglichen Positionen, und dies auch dann, wenn die ausgewählten Steuerstäbe zur Durchführung einer Schnellabschaltung eingefahren worden sind. Die teilweise in den Kern eingefahrenen Steuerstäbe funktionieren dann so, daß sie die axiale Energieverteilung oder Leistungsverteilung, die wegen der im Rahmen der Schnellabschaltung eingeführten ausgewählten Steuerstäbe zu einer nach unten gerichteten Verzerrung neigt, erhöht und verstärkt. Das Resultat ist dabei eine Verteilung gemäß der Vollinie II aus Fig. 5, die erzielt werden kann und sich nur geringfügig von jener des Normalbetriebes unterscheidet. Damit kann dann auch die Stabilität des vom Stromnetz gelösten Betriebszustandes in bemerkenswerter Weise verbessert werden.

Darüber hinaus können alle die ausgewählten Steuerstäbe, die im Rahmen einer Schnellabschaltung oder Notabschaltung eingesetzt werden, nach dem Beheben der Störung aus der vollständig eingefahrenen Betriebsposition in die vollständig ausgefahrene betriebsunwirksame Position nur in Übereinstimmung mit ganz bestimmen vorgegebenen Verfahrensschritten wieder aus dem Reaktorkern herausgefahren werden, was wiederum bedeutet, daß dadurch das Bewegen und Verfahren der Steuerstäbe sehr stark vereinfacht wird.

Bereits angesprochen worden ist, daß gemäß der Erfindung der Kernreaktor sofort und abrupt auf den vom Stromnetz gelösten Betriebszustand bei Aufkommen einer Störung umgeschaltet werden kann, und zwar auf der Basis der Festlegung, daß die Steuerstäbe für den Schnellabschaltungsvorgang ausgewählt werden können sowohl aus einem Teil der ausgewählten Steuerstäbe, die im äußersten Umfangsbereich des Reaktorkernes angeordnet sind, als auch aus einem Teil der Steuerstäbe, die im Innenbereich des äußersten Umfangsbereiches angeordnet sind und sich bei Normalbetrieb im vollständig ausgefahrenen Betriebszustand befinden, d. h. die bei Normalbetrieb nicht in den Reaktorkern eingefahren sind. Als Resultat kann das Wechseln der ausgewählten Steuerstäbe, die bei einem Schnellabschaltungsvorgang eingesetzt werden sollen - und dies in Übereinstimmung mit dem Prozeßfortschritt auf eine relativ kleinere Menge begrenzt werden, was wiederum bedeutet, daß auch die Handhabungsprozeduren sehr stark vereinfacht werden können. Darüber hinaus kann auch nicht nach Behebung der Störung während des Vorganges des Hochfahrens die Energieverteilung oder Leistungsverteilung axial nicht verzerrt werden, so daß der vom Stromnetz gelöste Betrieb fortgeführt werden kann - und dies in sehr stabiler Weise. Weiterhin können die ausgewählten Steuerstäbe auch dann verwendet und eingesetzt werden, wenn eine der Speisewasserpumpen ausfallen sollte, so daß ein kontinuierlicher Betrieb des Kernreaktors mit einem niedrigeren Energiepegel oder Leistungspegel erreicht werden kann, ohne daß dazu der Kernreaktor stillgelegt werden muß. Nach der Behebung der Störung kann wieder auf Normalbetrieb hochgefahren werden, ohne daß es dabei zu einer Zerstörung der Brennstabintegrität kommt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betreiben einer Kernkraftwerksanlage, insbesondere eines Siedewasserreaktors, mit einer Vielzahl von Steuerstäben zum Steuern der Leistungsabgabe des Reaktors, die sowohl in den Kern einfahrbar als auch aus dem Kern herausziehbar angeordnet sind, wobei die zum Betrieb im äußeren Umfangsbereich des Kerns angeordneten Steuerstäbe eine erste Gruppe bilden, während alle anderen Steuerstäbe eine zweite Gruppe bilden, und wobei während des normalen Betriebes des Reaktors einige der Steuerstäbe der zweiten Gruppe zumindest teilweise in den Kern eingefahren und alle anderen Steuerstäbe aus dem Kern zurückgezogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer außerhalb des Reaktors festgestellten, eine Leistungsreduzierung des Reaktors erfordernden Störung die in den Kern eingefahrenen Steuerstäbe der zweiten Gruppe in den Kern eingefahren bleiben und ausgewählte weitere Steuerstäbe der zweiten Gruppe und die Steuerstäbe der ersten Gruppe einem Schnellabschaltevorgang unterworfen werden und daß diese Steuerstäbe schnell in den Kern eingefahren werden, daß die Leistung des Reaktors auf einen Wert geringer als bei normalem Betrieb, aber ausreichend für den Eigenbedarf der Kernkraftwerksanlage reduziert wird und daß der Reaktor mit der reduzierten Leistung weiterhin betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Steuerstäbe der zweiten Gruppe nicht benachbart zueinander liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung nach dem Schnellabschaltevorgang auf einen Wert zwischen 20 bis 30% der Nennleistung des Reaktors reduziert wird.