DE60209474T2

DE60209474T2 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der temperatur des auslasses eines kernreaktors

Info

Publication number: DE60209474T2
Application number: DE60209474T
Authority: DE
Inventors: Leslie Roland BOLTON; Michael Christiaan Nieuwoudt
Original assignee: Pebble Bed Modular Reactor Pty Ltd
Current assignee: Pebble Bed Modular Reactor Pty Ltd
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: WO2002079889B1; JP4363853B2; US20040114703A1; DE60209474D1; CA2442508C; WO2002079889A3; ZA200307281B; ATE319126T1; EP1374006B1; US7139351B2; JP2004529340A; CA2442508A1; EP1374006A2; WO2002079889A2; CN1500238A; CN1223913C; KR20040031699A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an einem Reaktorkern-Auslass. Sie betrifft außerdem ein System zur Regelung der Temperatur am Auslass eines Kernreaktors sowie eine Kaskadenregelung für einen Kernreaktor.
In einem Kernkraftwerk ist es erwünscht, dass der Reaktor nicht überhitzt wird. Folglich muß der Grad der Neutronenerzeugung und der daraus folgende Grad der Spaltungsreaktion, deren Energie in Form von Wärme auftritt, gesteuert werden. Dieses wird erreicht, indem Steuerstäbe aus einem Neutronen absorbierenden Material, die in einer variablen Eintauchtiefe in den Kern des Kernreaktors eingesetzt werden können, positioniert werden.
Ein Verfahren zur Regelung der Positionen der Steuerstäbe ist in der FR-A-2583207 beschrieben und beinhaltet ein Erfassen einer tatsächlichen durchschnittlichen Temperatur des Kühlmittels am Reaktorkern-Auslass, ein Vergleichen der aktuellen durchschnittlichen Temperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass mit einer Referenztemperatur zur Erzeugung eines Fehlersignals, sowie ein entsprechendes Einstellen der Position der Steuerstäbe. Allerdings kann diese Anordnung zu einer zeitlichen Verschleppung der Leistung des Kernreaktors führen, was zu unerwünschten Spitzen der Größe der Kernenergie führt.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung einer Durchschnittstemperatur eines Kühlmittels an einem Reaktorkern-Auslass vorgeschlagen, umfassend ein Ermitteln einer tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass, ein Vergleichen der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass mit einer Referenztemperatur, wodurch ein Fehlersignal erzeugt wird, und ein Einstellen der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass, ein Erzeugen eines Steuerstab-Einstellsignals aus dem Fehlersignal sowie von Signalen, die einer pro Zeiteinheit auf ein Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärmemenge und einer pro Zeiteinheit in einem Kern des Reaktors erzeugten Wärmemenge entsprechen, ein Einspeisen des Steuerstab-Einstellsignals in ein Steuerstab-Steuersystem, und ein Steuern der Position der Regelstäbe in Reaktion darauf.
Das Verfahren kann ein Umwandeln des Temperatur-Fehlersignals in ein Leistungssignal, ein Kombinieren des so umgewandelten Leistungssignals mit einer gemessenen, in einem Kern erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und einer gemessenen, auf ein Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit, wodurch ein Steuersignal erzeugt wird, und ein Einstellen der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass in Übereinstimmung mit dem Steuersignal umfassen.
Das Erzeugen des Steuersignals kann ein Umwandeln eines von dem Leistungssignal abgeleiteten Leistungs-Fehlersignals, der gemessenen, in einem Kern erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und der gemessenen, auf ein Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit in das Steuerstab-Einstellsignal umfassen.
Das Einstellen der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass kann ein Einspeisen des Steuerstab-Einstellsignals in ein Steuerstab-Steuersystem und ein Einstellen der Eintauchtiefe des Steuerstabs in Reaktion darauf umfassen.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Regelungssystem für die Temperatur in einem Kernreaktor-Auslass geschaffen, welches einen Fühler zur Ermittlung einer tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an einem Reaktorkern-Auslass, ein Temperatur-Vergleichsmittel zum Vergleichen der tatsächlichen, von dem Fühler ermittelten Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass mit einer Sollwert-Temperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass und zum Erzeugen eines Temperatur-Fehlersignals, und ein Temperaturfehlersignal-Umwandlungsmittel zum Umwandeln des Temperatur-Fehlersignals in ein Leistungssignal umfasst, wobei das Regelungssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es Steuerstab-Einstellmittel zum Einstellen der Positionen der Steuerstäbe in Reaktion auf ein Steuerstab-Einstellsignal umfasst, welches von dem Leistungssignal und von Signalen erzeugt wird, die einer in dem Reaktorkern erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und einer auf das Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit entsprechen.
Das Steuerstab-Einstellmittel kann die Form eines Steuermittels für die Steuerstab-Eintauchtiefe haben, das die Eintauchtiefe der Steuerstäbe in den Reaktorkern steuern kann.
Das System kann ein Leistungsvergleichsmittel zum Vergleichen einer gemessenen, in dem Reaktorkern erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit, einer gemessenen, auf das Arbeitsfluid übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit und des Leistungssignals umfassen, um dadurch ein Leistungs-Fehlersignal zu erzeugen. Das System kann des Weiteren ein Umwandlungsmittel für das Leistungs-Fehlersignal zum Umwandeln des Leistungs-Fehlersignals in das Steuerstab-Einstellsignal umfassen.
Das Regelungssystem kann ein mit dem Vergleichsmittel verbundenes Referenzmittel umfassen, um eine Manifestation der Sollwert-Temperatur bereitzustellen.
Das Regelungssystem kann des Weiteren ein Sensorsystem für die Neutronenleistung des Reaktors zur Erfassung der in einem Kern des Reaktors erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und zum Erzeugen eines dem gemessenen Wert derselben entsprechenden Signals sowie ein Sensorsystem für die Fluidleistung des Reaktors zur Erfassung der auf ein Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit und zum Erzeugen eines Signals umfassen, das dem gemessenen Wert derselben entspricht.
Das Maß der Wärmeerzeugung in dem Reaktorkern ist eine Variable, die sich aus dem Neutronenfluss ableitet. Die auf ein Arbeitsfluid des Reaktors übertragene Wärmemenge pro Zeiteinheit ist eine Funktion sowohl des Temperaturgradienten durch oder über den Reaktorkern hinweg als auch des Massendurchflusses des Arbeitsfluids pro Zeiteinheit durch den Reaktorkern.
Die Einstellung der Eintauchtiefe der Steuerstäbe führt zu einer entsprechenden Veränderung der Neutronenerzeugung pro Zeiteinheit und somit des Ausmaßes der Spaltungsreaktion und der pro Zeiteinheit erzeugten Wärme in einem Kern des Reaktors. Die Veränderung der pro Zeiteinheit erzeugten Wärme in einem Kern des Reaktors führt wiederum zu einer Veränderung der durchschnittlichen Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns.
Die Erfindung umfasst insbesondere eine Kaskadenregelung für einen Kernreaktor, wobei die Regelung eine innere Schleife und eine äußere Schleife umfasst.
Die innere Schleife bewirkt, dass ein Fehler zwischen der pro Zeiteinheit in einem Kern des Reaktors erzeugten Wärme und der pro Zeiteinheit an ein Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärme durch eine Manipulation einer Eintauchtiefe von Steuerstäben des Reaktors reguliert wird, während die äußere Schleife bewirkt, dass eine durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass durch eine Manipulation eines Sollwertfehlers für die innere Schleife reguliert wird.
Die Erfindung wird nun mittels eines Beispiels und unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems für die Auslasstemperatur eines Kernreaktors gemäß der Erfindung zeigt.
In der Zeichnung kennzeichnet die Bezugsnummer 10 allgemein ein Regelungssystem für die Auslasstemperatur eines Kernreaktors in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Das Regelungssystem 10 beinhaltet einen Detektor 16, um die tatsächliche durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels am Auslass des Reaktorkerns zu messen. Der Detektor 16 ist mit einem Temperaturvergleichsmittel 18 verbunden. Das System 10 beinhaltet des Weiteren ein Bezugsmittel 17, das mit dem Vergleichsmittel 18 verbunden ist, wobei das Bezugsmittel 17 eine gewünschte durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns ausgibt, die allgemein als Sollwerttemperatur des Kühlmittels am Auslass des Reaktorkerns bezeichnet wird.
Während des Betriebes vergleicht das Temperaturvergleichsmittel 18 eine tatsächliche durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns, wie sie mittels des Detektors 16 erfasst wird, mit einer Sollwerttemperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns, wie sie durch das Bezugsmittel 17 ausgegeben wird, und erzeugt entsprechend diesem Vergleich ein Temperatur-Fehlersignal.
Das Regelungssystem 10 beinhaltet ein Umwandlungsmittel 20 für das Temperatur-Fehlersignal, um das durch das Temperaturvergleichsmittel erzeugte Temperatur-Fehlersignal in ein Leistungssignal umzuwandeln.
Das Regelungssystem 10 beinhaltet des Weiteren einen Sensor 22 für die Neutronenenergie des Reaktors, um das Ausmaß der Wärmeerzeugung in einem Kern des Reaktors zu erfassen, sowie einen Sensor 24 für die Fluidleistung des Reaktors, um das Ausmaß des Wärmeübergangs an ein Arbeitsfluid des Reaktors zu erfassen. Das Regelungssystem 10 beinhaltet außerdem ein Leistungsvergleichsmittel 26, mit dem das Umwandlungsmittel 20 und jeder der Sensoren 22, 24 verbunden sind.
Während des Betriebes vergleicht das Leistungsvergleichsmittel 26 das Ausmaß der Wärmeerzeugung in einem Kern des Reaktors, wie es durch den Sensor 22 festgestellt wurde, das Ausmaß des Wärmeübergangs auf ein Arbeitsfluid des Reaktors, wie es durch den Sensor 24 festgestellt wurde, und das von dem Umwandlungsmittel 20 stammende Leistungssignal und erzeugt gemäß diesem Vergleich ein Leistungs-Fehlersignal.
Das Regelungssystem 10 beinhaltet ein Umwandlungsmittel 40 für das Leistungs-Fehlersignal, um das durch das Vergleichsmittel 26 erzeugte Leistungs-Fehlersignal in ein Einstellungssignal für die Steuerstäbe umzuwandeln. Das Regelungssystem 10 beinhaltet ein Einstellungsmittel 30 für die Steuerstäbe in Form einer Steuerung für deren Eintauchtiefe, das dazu ausgebildet ist, das von dem Umwandlungsmittel 40 übermittelte Einstellungssignal für die Steuerstäbe zu erhalten und deren Eintauchtiefe in den Reaktorkern als Reaktion hierauf einzustellen.
Das Regelungssystem 10 beinhaltet zwei Kaskadenregelungsschleifen – eine äußere Regelungsschleife oder Temperaturregelungsschleife, die allgemein durch die Bezugnummer 12 gekennzeichnet ist, sowie eine innere Regelungsschleife oder Leistungsregelungsschleife, die allgemein durch die Bezugsnummer 14 gekennzeichnet ist – d.h. eine äußere Regelungsschleife, die wiederum eine innere Regelungsschleife betreibt. Der Detektor 16, das Bezugsmittel 17, das Vergleichsmittel 18 und das Umwandlungsmittel 20 bilden die äußere Regelungsschleife 12 aus, während der Sensor 22 für die Neutronenenergie des Reaktors, der Sensor 24 für die Fluidleistung des Reaktors, das Vergleichsmittel 26 und das Umwandlungsmittel 40 alle zusammen die innere Regelungsschleife 14 ausbilden. Ein Ausgangssignal (d.h. das Leistungssignal) der äußeren Regelungsschleife 12 stellt eine Funktion der Abweichung der tatsächlichen durchschnittlichen Temperatur des Kühlmittels des Reaktorkern-Auslasses von der Sollwerttemperatur (oder der gewünschten Temperatur) des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns dar. Dieses Leistungs-Ausgangssignal regt oder treibt die innere Regelungsschleife 14 an. Diese wiederum regelt die Neutronenenergie des Reaktors über eine räumliche Veränderung der Steuerstäbe gemäß dem Leistungs-Ausgangssignal der äußeren Regelungsschleife 12.
Die Eingangssignale für die äußere Regelungsschleife 12 sind daher die tatsächliche durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns und die Sollwerttemperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns. Ein Fehler dieser beiden Eingangssignale wird in das Leistungssignal umgewandelt, welches das Ausgangssignal der äußeren Regelungsschleife 12 bildet, und ist wiederum zusammen mit dem gemessenen Ausmaß der Wärmeerzeugung in einem Kern des Reaktors, wie sie durch den Sensor 22 für die Neutronenenergie des Reaktors gemessen wird, und dem gemessenen Ausmaß des Wärmeübergangs auf ein Arbeitsfluid des Reaktors, wie es durch den Sensor 24 für die Fluidleistung des Reaktors gemessen wird, ein Eingangssignal für die innere Regelungsschleife 14.
Während des Betriebes ist das Regelungssystem 10 typischerweise aktiviert, wenn sich der Kernreaktor in einem Bereitschaftsmodus oder in einem Betriebsmodus befindet, sowie während Wechseln oder Übergängen zwischen dem unterschiedlichen Betriebsmodi.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein Kernkraftwerk, das ein Regelungssystem gemäß der Erfindung beinhaltet.
In einem Kernkraftwerk mit einer Reaktoreinheit und einer Leistungswandlungseinheit ermöglicht die Reaktoreinheit eine Umwandlung von nuklearer Energie in thermische Energie, die auf das Arbeitsfluid übertragen wird, während die Leistungswandlungseinheit die Umwandlung von thermischer Energie in Elektrizität ermöglicht, wobei die in einem die Reaktoreinheit und die Leistungswandlungseinheit verbindenden, geschlossenen Kreislauf auftretende maximale Temperatur des Arbeitsfluids durch die durchschnittliche Temperatur des Kühlmittels an dem Auslass des Reaktorkerns eingestellt wird. Das Regelungssystem 10 gemäß der Erfindung erleichtert die Regulation der maximalen Temperatur in einem derartigen geschlossenen Kreislauf.
Den Erfindern ist des Weiteren das Problem eines zeitlichen Verschleppens der Leistung des Kernreaktors (und damit der Ausgangstemperatur des Kernreaktorkerns) bewusst, das zu Spitzen in der Größe der nuklearen Leistung führt, die den Kernbrennstoff beschädigen können. Die Erfinder glauben, dass die Probleme der Verschleppung und der Spitzen durch eine Verwendung der beschriebenen integrierten Temperatursteuerung wenigstens abgeschwächt werden.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Durchschnittstemperatur eines Kühlmittels an einem Reaktorkern-Auslass, umfassend ein Ermitteln (16) einer tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass, ein Vergleichen (18) der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass (16) mit einer Referenztemperatur (17), wodurch ein Fehlersignal erzeugt wird, und ein Einstellen der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein Erzeugen eines Steuerstab-Einstellsignals aus dem Fehlersignal sowie von Signalen umfasst, die einer pro Zeiteinheit auf ein Arbeitsfluid des Reaktors (24) übertragenen Wärmemenge und einer pro Zeiteinheit in einem Kern (22) des Reaktors erzeugten Wärmemenge entsprechen, ein Einspeisen des Steuerstab-Einstellsignals in ein Steuerstab-Steuersystem (30), und ein Steuern der Position der Regelstäbe in Reaktion darauf.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Umwandeln des Temperatur-Fehlersignals in ein Leistungssignal (20), ein Kombinieren (14) des so umgewandelten Leistungssignals (20) mit einer gemessenen, in dem Reaktorkern (22) erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und einer gemessenen, auf das Arbeitsfluid des Reaktors (24) übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit, wodurch ein Steuersignal erzeugt wird, und ein Einstellen der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass in Übereinstimmung mit dem Steuersignal umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Steuersignals ein Umwandeln eines von dem Leistungssignal abgeleiteten Leistungs-Fehlersignals, der gemessenen, in dem Reaktorkern (22) erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und der gemessenen, auf das Arbeitsfluid des Reaktors (24) übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit in das Steuerstab-Einstellsignal umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass ein Einspeisen des Steuerstab-Einstellsignals in ein Steuerstab-Steuersystem (30) und ein Einstellen der Eintauchtiefe des Steuerstabs in Reaktion darauf umfasst.
Regelungssystem (10) für die Temperatur in einem Kernreaktor-Auslass, welches einen Fühler (16) zur Ermittlung einer tatsächlichen Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an einem Reaktorkern-Auslass, ein Temperatur-Vergleichsmittel (18) zum Vergleichen der tatsächlichen, von dem Fühler (16) ermittelten Durchschnittstemperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass mit einer Sollwert-Temperatur des Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass und zum Erzeugen eines Temperatur-Fehlersignals, und ein Temperaturfehlersignal-Umwandlungsmittel (20) zum Umwandeln des Temperatur-Fehlersignals in ein Leistungssignal umfasst, wobei das Regelungssystem (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass es Steuerstab-Einstellmittel (30) zum Einstellen der Positionen der Steuerstäbe in Reaktion auf ein Steuerstab-Einstellsignal umfasst, welches von dem Leistungssignal und von Signalen erzeugt wird, die einer in dem Reaktorkern erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und einer auf das Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit entsprechen.
Regelungssystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerstab-Einstellmittel (30) die Form eines Steuermittels für die Steuerstab-Eintauchtiefe hat, der die Eintauchtiefe der Steuerstäbe in den Reaktorkern steuern kann.
Regelungssystem gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Leistungsvergleichsmittel (26) zum Vergleichen einer gemessenen, in dem Reaktorkern erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit, einer gemessenen, auf das Arbeitsfluid übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit und des Leistungssignals umfasst, um dadurch ein Leistungs-Fehlersignal zu erzeugen.
Regelungssystem gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Umwandlungsmittel für das Leistungs-Fehlersignal zum Umwandeln des Leistungs-Fehlersignals in das Steuerstab-Einstellsignal umfasst.
Regelungssystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis einschließlich 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein mit dem Vergleichsmittel verbundenes Referenzmittel (17) umfasst, um eine Manifestation der Sollwert-Temperatur bereitzustellen.
Regelungssystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis einschließlich 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Sensorsystem (22) für die Neutronenleistung des Reaktors zur Erfassung der in einem Kern des Reaktors erzeugten Wärmemenge pro Zeiteinheit und zum Erzeugen eines dem gemessenen Wert derselben entsprechenden Signals sowie ein Sensorsystem (24) für die Fluidleistung des Reaktors zur Erfassung der auf ein Arbeitsfluid des Reaktors übertragenen Wärmemenge pro Zeiteinheit und zum Erzeugen eines Signals umfasst, das dem gemessenen Wert derselben entspricht.
Regelungssystem gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kaskadenregelung mit einer inneren Schleife (14) und eine äußeren Schleife (12) umfasst, wobei die innere Schleife (14) bewirkt, dass ein Fehler zwischen den Signalen des Sensorsystems (22) für die Neutronenleistung des Reaktors und dem Sensorsystem (24) für die Fluidleistung des Reaktors reguliert wird, indem sie eine Eintauchtiefe der Steuerstäbe des Reaktors beeinflusst, und die äußere Schleife (12) bewirkt, dass eine Durchschnittstemperatur eines Kühlmittels an dem Reaktorkern-Auslass reguliert wird, indem sie einen Fehler-Sollwert für die innere Schleife (14) beeinflusst.
Kernkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Temperaturregelungssystem (10) in einem Kernreaktor-Auslass gemäß einem der Ansprüche 1 bis einschließlich 11 umfasst.