DE60016843T2

DE60016843T2 - Verfahren und Einrichtung zum Erkennen der Kritikalitätsnähe in einem unter Verwendung von Kernbrennstoff betriebenen elektrischen Kraftwerk

Info

Publication number: DE60016843T2
Application number: DE60016843T
Authority: DE
Inventors: Michael D. Irwin Heibel
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: DE60016843D1; EP1071098B1; EP1071098A1; US6181759B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Erfassung von Bedingungen in einer kernkraftbetriebenen elektrischen Kraftwerkseinheit, und mehr im einzelnen Verfahren und Einrichtungen zum Schätzen des effektiven Neutronenmultifikationsfaktors in einem Kernreaktor.
Der Leistungspegel eines Kernreaktors wird im allgemeinen in drei Bereiche unterteilt:
Den Quellen- oder Anfahrbereich, den Zwischenbereich und den Leistungsbereich. Der Leistungspegel des Reaktors wird zur Sicherstellung eines sicheren Betriebs kontinuierlich überwacht. Eine solche Überwachung wird typischerweise mittels Neutronendetektoren durchgeführt, die außerhalb und innerhalb des Reaktorkerns zur Messung des Neutronenflusses des Reaktors platziert sind. Da der Neutronenfluß an irgendeiner Stelle im Reaktor proportional zur Spaltrate ist, ist der Neutronenfluß auch proportional zum Leistungspegel.
Zur Messung des Flusses im Zwischen- und Leistungsbereich eines Reaktors werden Spalt- und Ionisationskammern benutzt. Solche Spalt- und Ionisationskammern sind bei allen normalen Leistungspegeln arbeitsfähig, jedoch sind sie im allgemeinen nicht ausreichend empfindlich, um im Quellenbereich emittierte niedrige Neutronenflusspegel genau zu erfassen. Daher werden typischerweise Niedrigpegel-Quellenbereichsdetektoren zur Überwachung des Neutronenflusses benutzt, wenn der Leistungspegel des Reaktors sich im Quellenbereich befindet.
Das US-Patent 4 588 547 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Nähe zum kritischen Zustand eines Kernreaktors. Jene Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß, wenn der Reaktor unterkritisch ist, der durch eine künstliche Neutronenquelle erzeugte Neutronenfluß und der direkte Nachfolgefluß durch Spaltung höher ist als derjenige, der durch Neutronen aus natürlichen Neutronenquellen im Reaktorbrennstoff und Nachkommen dieser Neutronen erzeugt wird. Jedoch befasst sich jenes Patent nicht mit dem Ansatz am kritischen Zustand, wenn ein Reaktor aufgrund des Herausziehens von Steuerstäben sich dem kritischen Zustand nähert.
Während der Annäherung an den kritischen Reaktorzustand werden die Signale aus den Quellenbereichsdetektoren typischerweise zur Bestimmung benutzt, ob der Reaktor kritisch ist oder den kritischen Zustand erreicht, bevor die vorgesehenen oder geplanten Kernbedingen erreicht werden. Gruppen von Steuerstäben in Form von Steuerbänken dienen zum Regulieren der Reaktoraktivität durch kontrollierte Absorption von in dem Spaltprozeß freigesetzten Neutronen. Wenn ein Reaktor durch Herausziehen der Steuerbänke kritisch gemacht wird, was das typische Verfahren darstellt, das für alle Reaktoranfahrvorgänge nach einem anfänglichen Anfahren in jedem Betriebszyklus angewendet wird, bewirken Veränderungen der Steuerbankposition Veränderungen der Größe der Quellenbereichsdetektorsignale, die nicht vollständig die Kernreaktivitätsänderungen anzeigen. Dieses Verhalten macht es für den Reaktorfahrer schwierig, die Quellenbereichsdetektorinformation richtig auszunutzen. Idealerweise wäre der Reaktorfahrer gern in der Lage, nicht nur zu bestimmen, ob der Reaktor gegenwärtig kritisch ist, oder ob er wahrscheinlich vor dem Erreichen der geplanten kritischen Bedingungen kritisch wird, sondern auch wie nahe der Kern tatsächlich am kritischen Zustand ist. Um genau zu bestimmen, wie nahe der Reaktor am kritischen Zustand ist, ist ein Mittel zur Benutzung der Quellenbereichsdetektorsignalinformation erforderlich, das nicht nur auf der Größe der Signaländerung von einem Steuerbankkonfiguration zu einer anderen beruht.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 101 242 beschreibt ein Verfahren zur Verhinderung einer unbeabsichtigten Annäherung an dem kritischen Zustand eines Kernreaktors, während er abgeschaltet wird, und offenbart die Oberbegriffsmerkmale von Anspruch 1 und Anspruch 4.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 326 267 beschreibt einen Reaktivitätscomputer zur Verwendung bei der Verschiebung von Steuerstäben beim Neustarten eines Kernreaktors.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Bestimmung der Nähe zum kritischen Zustand eines Kernreaktors während des Anfahrens nach dem Anspruch 1.
Die Erfindung umfasst auch eine Einrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des obigen Verfahrens.
Kurzbeschreibungder Zeichnungen
Die Erfindung wird für den Fachmann besser verständlich durch Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen zeigt:
1 eine schematische Darstellung von Teilen eines kernkraftbetriebenen elektrischen Kraftwerksystems zur Durchführung der vorliegenden Erfindung, und
2 ein Flussdiagramm, welches die hauptsächlichen Schritte zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Diese Erfindung ermöglicht die Bestimmung des Werts des unterkritischen Eigenwerts (K_eff), der auch als der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor bezeichnet wird, unter Verwendung der gemessenen Quellenbereichsdetektorsignaländerung mit Bezug auf eine Zeitinformation. Der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor ist das Verhältnis der mittleren Neutronenproduktionsrate durch Spaltung zur mittleren Verlustrate durch Absorption und Leckage. Das System ist kritisch, wenn K_eff = 1, unterkritisch, wenn K_eff < 1, und überkritisch, wenn K_eff > 1.
In den Zeichnungen zeigt 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Reaktorkerns 10 mit einer Mehrzahl von Steuerstäben 12, die innerhalb des Kerns positioniert sind. Ein Steuerstabsystem 14 hebt und senkt die Stäbe innerhalb des Reaktorkerns. Eine Mehrzahl von Quellenbereichsdetektoren 16 ist ebenfalls innerhalb des Kerns positioniert. Diese Detektoren sind über Leitungen 20 und 22 mit einem Computer 18 verbunden. Der Computer 18 empfängt Signale von den Quellenbereichsdetektoren, und empfängt außerdem auf der Leitung 24 ein Signal, welches den Bewegungszustand der Steuerstäbe an zeigt. Diese Signale werden gemäß der Erfindung verarbeitet, um eine Schätzung der Kritikalität des Reaktors zu erhalten.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das die beim Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung durchgeführten Schritte illustriert. Um die Annäherung an den kritischen Zustand zu starten, zeigt der Block 26, daß die Steuerstäbe herausgezogen sind. Nachdem das Herausziehen der Stäbe beendigt ist, wird das Ausgangssignal von mindestens einem Neutronenflussdetektor zum Zeitpunkt t₁ aufgezeichnet, wie im Block 28 gezeigt ist. Das Ausgangssignal vom Neutronendetektor geht nun vom anfänglich aufgezeichneten Wert auf einen höheren Wert über.
Der Block 30 zeigt, daß das Signal während des Übergangs im Zeitpunkt t₂ wiederum aufgezeichnet wird. Am Ende des Übergangs wird das Signal im Zeitpunkt t₃ wiederum aufgezeichnet, wie im Block 32 gezeigt ist. Basierend auf den in den Blöcken 28, 30 und 32 aufgezeichneten Signalpegeln wird der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor berechnet, wie in Block 34 gezeigt ist. Dann wird der berechnete Faktor zur Bestimmung der Nähe zum kritischen Zustand des Reaktors benutzt, wie in Block 36 gezeigt ist.
Eine zur Durchführung des Verfahrens nach dieser Erfindung benutzte Einrichtung wird als K-Effektiv-Schätzungsprozeßsystem (KEEPS) bezeichnet. Die KEEPS-Berechnungen können auf verschienen Arten von Hardware durchgeführt werden, beispielsweise auf einem Personalcomputer oder einer auf einer Arbeitsstation basierenden Computerplattform. Typischerweise wird die Quellenbereichsdetektorsignalinformation, die entsprechende Zeit und Dateninformation und der Steuerbankbewegungsstatus (bewegt oder nicht bewegt) in die Computerhardware eingegeben, welche die KEEPS-Berechnungsalgorithmen durchführt.
Die augenblickliche Neutronenflussperiode in einem Reaktor, wenn die Steuerbänke herausgezogen werden, kann bei Abwesenheit von räumlichen Neutronenflussänderungen durch den auf der Punkt-Genetik basierenden Ausdruck eng angenähert werden:

wobei
n(t) = Neutronenfluß im Zeitpunkt t – ist auch gleich dem Quellenbereichssignal mal einer Konstante
δk(t) = K_eff–1
S_o = externe Neutronenquellenstärke
λ_eff = effektive 1-Gruppen-Neutronenvorläuferzerfallskonstante
β = effektive 1-Gruppen-Neutronenfraktion
l = effektive Neutronenlebensdauer

Die Werte bzw. diese Parameter wären für den Fachmann leicht verfügbar, da die Werte während des Kernauslegungsprozesses routinemäßig erzeugt werden. Der Begriff "Periode" bezieht sich typischerweise auf die Zeit, die es dauert, bis der Neutronenfluß um einen Faktor e gesteigert worden ist. Die augenblickliche Periode betrachtet die Tatsache, daß die Periode als eine Funktion der Zeit veränderlich ist, weil ihre Aktivität sich als Funktion der Zeit ändert. Nachdem die Steuerbänke ihre Bewegung im Zeitpunkt t_f beendet haben, kann die augenblickliche Periode ausgedrückt werden als:
Nachdem die Steuerbänke aufgehört haben, sich zu bewegen, wird die Änderung des Quellenbereichsdetektorsignals mit der Zeit nicht länger durch die Änderungen in der räumlichen Verteilung des Neutronenflusses beeinflusst. Die in der Punkt-Genetik-Darstellung der Neutronenflussdynamik innewohnenden Annahmen werden noch mehr gültig. Der Wert von K_eff, der dem Kernzustand unmittelbar nach Beendigung des Steuerbankherausziehens entspricht, kann durch Messung der benötigten Zeit bestimmt werden, bis das Quellenbereichsdetektorsignal einen spezifischen Bruchteil seines Gleichgewichtssignalpegels beim gegenwärtigen Wert von K_eff erreicht hat. Der Gleichgewichtswert des Quellenbereichsdetektorsignals wird auf dem Quellenbereichsignalwert bestimmt, der gemessen wird, nachdem die Zählrate aufhört, zuzunehmen. Dieser Wert kann von dem Punkt an bestimmt werden, wo die Anfahrrate auf Null zurückkehrt, oder durch eine einfache visuelle Bestimmung entweder von einer Grafik des Quellenbereichssignals über der Zeit, oder einfach durch Betrachten eines Zählratenmessgeräts, das auf einer Steuertafel angeordnet ist. Umgekehrt kann der Wert von K_eff auch durch Messen der relativen Änderung des Quellenbereichssignals bestimmt werden, die eine spezifische Zeitspanne nach Beendigung der Bewegung der Steuerbänke auftritt. Die obige Gleichung kann nach n(t) für Zeiten größer als t_s ausgelöst werden, was ergibt:
Die obige Gleichung kann nach K_eff im Zeitpunkt t_s aufgelöst werden, was ergibt:
The above equation may be solved for K_eff at time t_s to yield:

und:
t = ein Zeitpunkt nach Beendigung des Steuerstabausziehschritts,
n(t_s) = der Wert des in einem Zeitpunkt t_s nach Beendigung des Steuerstabauszugsschritts gemessenen Ausgangssignals,
n(t) = der Wert des in einem Zeitpunkt t nach Beendigung des Steuerstabauszugsschritts gemessenen Ausgangssignals, und
n(∞) = der Wert des Ausgangssignals, gemessen nach Beendigung der Neutronenflusszunahme.

Eine typische Anwendung dieser Methodologie erfordert, daß die Bedienungsperson Quellenbereichsdetektorsignale unmittelbar nach Aufhören der Bewegung der Stäbe aufzeichnet, nämlich über eine gewisse Zeit nach dem Aufhören der Stabbewegung (aber bevor das Signal aufhört zuzunehmen), und nachdem das Signal aufhört, zuzunehmen. Die Tatsache, daß das Signal aufhört, zuzunehmen, kann grafisch, visuell oder durch Bestimmen, daß die Anfahrrate auf Null zurückgegangen ist, bestimmt werden. Die Anfahrratenanzeige ist die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform, da sie in KEEPS am einfachsten zu automatisieren ist. Die Anfahrrate basiert auf der beobachteten Änderung des Signals über eine voreingestellte Zeit. Die verstrichene Zeit zwischen dem Zeitpunkt des Aufhörens des Stabauszugs und dem Zeitpunkt, der dem während des Signalsteigerungsteils des Übergangs aufgezeichneten Signalwert entspricht, muß ebenfalls bestimmt werden. Das Einsetzen dieser Werte in die geeigneten Stellen der obigen Gleichung für K_eff ermöglicht die Berechnung von K_eff. Der Reaktorfahrer kann diese Information benutzen, um zu bestimmen, wie unterkritisch der Reaktor gegenwärtig ist, und ob die nächste geplante Reaktivitätseinführung ein Überschreiten des gewünschten Reaktivitätsstatus des Reaktors verursachen wird. Jedem Schritt des Steuerstabauszugsprozesses ist ein erwarteter Wert von K_eff zugeordnet. Der Reaktorfahrer kann zuerst verifizieren, daß der Wert K_eff kleiner als 1,0000 ist, was anzeigt, daß der Reaktor unterkritisch ist und dann bestätigen, daß der aktuelle Wert von K_eff in entsprechender Übereinstimmung mit dem erwarteten Wert von K_eff ist. Der gemessene Wert von K_eff kann daher benutzt werden, um zu bestimmen, ob der nächste geplante Steuerbankauszug das Kritischwerden des Reaktors verursachen wird. Dieser Prozeß stellt sicher, daß der Reaktorfahrer die Kritikalität nicht unerwartet erreicht, und die Berechung des vorhergesagten kritischen Zustands deutlich früher validieren, bevor eine ungenaue Berechnung ein Problem verursachen kann.
Das Verfahren nach dieser Erfindung könnte einfach automatisiert werden. Ein Computer gestütztes System, welches den Beginn und das Ende der Steuerbankbewegung erfasst und automatisch im wesentlichen kontinuierlich Werte der Quellenbereichsdetektorsignale und die entsprechenden verstrichenen Zeiten seit dem Aufhören des Steuerbankauszugs aufzeichnet, könnte leicht entwickelt werden. Diese Art von System könnte die Daten benutzen, die in jedem dem Anhalten der Stabbewegung folgenden Zeitschritt erhalten werden, um mehrfache und im wesentlichen unabhängige Werte von K_eff zu berechnen, um die bestmögliche Schätzung des aktuellen subkritischen Kernzustandswerts entsprechend der gegenwärtigen Steuerbankkonfiguration zu ergeben.
Diese Erfindung beinhaltet ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schätzen des effektiven Neutronenmultifikationsfaktors in einem Kernreaktor. In der vorstehenden Beschreibung sind gewisse bevorzugte Praktiken und Ausführungsformen dieser Erfindung dargestellt worden, jedoch versteht es sich, daß die Erfindung auch in anderer Weise innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Patentansprüche verkörpert werden kann. Beispielsweise können Signale von den Zwischenbereichsdetektoren und die entsprechende Zeitinformation ebenfalls als Eingänge für die Berechnungsalgorithmen benutzt werden. Die Daten könnten entweder automatisch in die Berechnungshardware (Online-Modus) eingegeben werden, oder könnten manuell durch den Reaktorfahrer (Offline-Modus) eingegeben werden. Die erforderlichen Werte von λ-effektiv und β-effektiv entsprechend der Reaktorerschöpfung im Zeitpunkt der Berechnung kann entweder manuell in den KEEPS-Berechnungsalgorithmus eingegeben oder direkt in die Berechnungssoftware als Funktion der Kernerschöpfung codiert werden. Es ist daher beabsichtigt, daß die Erfindung die Elemente der folgenden Patentansprüche und Äquivalente hiervon mit beinhaltet.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Nähe zum kritischen Zustand eines Kernreaktors während des Anfahrens, mit den Schritten: Vervollständigen eines Steuerstabausfahrschritts (26), wodurch eine Veränderung eines Ausgangssignals eines Neutronendetektors (16) hervorgerufen wird, Messen des Ausgangssignals nach der Vervollständigung des Steuerstabausfahrschritts (28) und während eines Übergangsteils des Ausgangssignals (30, 32), und Bestimmen der Nähe zum kritischen Zustand des Kernreaktors auf der Basis eines Multiplikationsfaktors, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens der Nähe zum kritischen Zustand des Kernreaktors auf einem berechneten Wert eines effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) (36) basiert, der wiederum auf dem gemessenen Ausgangssignal und der verstrichenen Zeit zwischen den Ausgangssignalmessungen (34) basiert, und daß der weitere Schritt erfolgt: Bestimmen der benötigten Zeit, bis das Ausgangssignal einen spezifischen Bruchteil eines Gleichgewichtssignalpegels bei dem berechneten Wert des effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bestimmung der Nähe zum kritischen Zustand des Kernreaktors auf der Basis des berechneten Werts des effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) (36) den Schritt umfasst: Messen der relativen Veränderung des Ausgangssignals, die in einer vorgegebenen Zeit nach dem Steuerstabausfahrschritt austritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens des effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) (36) auf Basis der aufgezeichneten Ausgangssignale und der verstrichenen Zeit zwischen den letzten zwei der aufgezeichneten Signale den Schritt umfasst: Berechnen des effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) (36) unter Verwendung der folgenden Gleichungen:
wobei, β = effektiv 1 – gruppenverzögerte Neutronenfraktion λ_eff = effektiv 1 – Gruppenneutronenvorläuferzerfallskonstante
und wobei t = eine Zeit nach Beendigung des Steuerausfahrschritts, n(t_s) = der Wert des zu einer Zeit t_s nach Beendigung des Steuerstabausfahrschritts gemessenen Ausgangssignals, n(t) = der Wert des zu einer t nach Beendigung des Steuerstabausfahrschritts gemessenen Ausgangssignals, und n(∞) = der Wert des Ausgangsignals, der gemessen wird, nachdem die Zunahme des Neutronenflusses aufhört.
Einrichtung zum Bestimmen der Nähe zum kritischen Zustand eines Kernreaktors während des Anfahrens, mit: einem Steuersystem (14) zum Ausfahren von Steuerstäben (12) in einem Kernreaktor, wodurch eine Veränderung eines Ausgangssignals eines Neutronendetektors (16) hervorgerufen wird, einem Signaldetektor zur Messung des Ausgangssignals nach der Beendigung des Steuerstabausfahrschritts und während eines Übergangsteils des Ausgangssignals, und einem Signalprozessor (18) zum Bestimmen der Nähe zum kritischen Zustand des Kernreaktors auf Basis eines Multiplikationsfaktors, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (18) die Nähe zum kritischen Zustand des Kernreaktors auf Basis eines berechneten Werts eines effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) bestimmt, der durch den Signalprozessor auf Basis des gemessenen Ausgangssignals und der verstrichenen Zeit zwischen den Ausgangssignalmessungen durch Bestimmen der erforderlichen Zeit berechnet worden ist, bis das Ausgangssignal einen spezifischen Bruchteil eines Gleichgewichtssignalpegels bei dem berechneten Wert des effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) erreicht.
Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der Signalprozessor (18) die Nähe zum kritischen Zustand des Kernreaktors auf Basis des berechneten Werts des effektiven Neutronenmultiplikationsfaktors (K_eff) durch Messung der relativen Veränderung des Ausgangssignals bestimmt, die in einer vorgegebenen Zeit nach dem Steuerstabausfahrschritt auftritt.
Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der Signalprozessor (18) den effektiven Neutronenmultiplikationsfaktor (K_eff) auf Basis der aufgezeichneten Ausgangssignale und der verstrichenen Zeit zwischen mindestens zwei der aufgezeichneten Signale berechnet, indem der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor (K_eff) unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet wird
und wobei β = effektiv 1 – gruppenverzögerte Neutronenfraktion λ_eff = effektiv 1 – Gruppenneutronenvorläuferzerfallskonstante
und wobei t = eine Zeit nach Beendigung des Steuerausfahrschritts, n(t_s) = der Wert des zu einer Zeit t_s nach Beendigung des Steuerstabausfahrschritts gemessenen Ausgangssignals, n(t) = der Wert des zu einer t nach Beendigung des Steuerstabausfahrschritts gemessenen Ausgangssignals, und n(∞) = der Wert des Ausgangsignals, der gemessen wird, nachdem die Zunahme des Neutronenflusses aufhört.