NL1016671C2 - Inrichting voor het meten van de temperatuur van water, dat naar de kern van een kokend-water-reactor stroomt. - Google Patents

Description

Inrichting voor het meten van de temperatuur van water, dat naar de kern van een kokend-water-reactor stroomt.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen 5 van de temperatuur van water dat naar de kern van een kokend-water-reactor stroomt, omvattende een behuizing voorzien van een naar beneden toe openende opening, en een tehiperatuursensor.

Een dergelijke inrichting is bekend uit EP 0.065.128. EP 0.065.128 heeft betrekking op een kernreactor. De inrichting voor het bepalen van de temperatuur 10 omvat hier een verwarmingselement en een eerste temperatuurvoeler die door een gemeenschappelijke behuizing zijn omgeven. De behuizing is ondergedompeld in een vloeistof en aan de onder- en bovenzijde voorzien van een opening opdat zich binnen en buiten de behuizing een zelfde druk kan opbouwen. Door deze configuratie kan gas zich niet in de behuizing verzamelen. Uitwendig van de behuizing is een verdere 15 temperatuursensor voorzien voor het meten van de temperatuur uitwendig van de behuizing.

In het navolgende zal, toewerkend naar het doel van de uitvinding, een en ander uiteengezet worden los van de hiervoor besproken EP 0.065.128.

Bij een kokend-water-reactor met natuurlijke of geforceerde koeling is het debiet 20 van water dat naar de kern stroomt, verder kemwaterstroom genaamd, een van de belangrijkste parameters die moet worden gevolgd teneinde een veilig bedrijf van een kokend-water-reactor te verzekeren.

Waterdebietmetingen op basis van drukverschilmetingen zijn voor een kokend-water-reactor minder geschikt vanwege de noodzaak voor drukleidingen die door het 25 reactorvat heen moeten worden aangebracht en de mogelijk daarin optredende luchtzakken.

De onderhavige uitvinding is gebaseerd op de gedachte, dat het waterdebiet van de kemwaterstroom kan worden vastgesteld op grond van een massa- en een enthalpiebalans over de kem. Immers het massadebiet naar de kern is gelijk aan het 30 massadebiet van het gerecirculeerde water plus het voedingswater en de enthalpie van de recirculatiestroming en de enthalpie van het vers toegevoegde voedingswater zijn gezamenlijk gelijk aan de enthalpie van het waterdebiet naar de kem. De recirculatiestroming heeft een specifieke enthalpie die gelijk is aan de ini;8 71 ' 2 verzadigingsenthalpie bij de heersende reactordruk. De temperatuur en daarmede de specifieke enthalpie van het voedingswater alsmede het voedingswaterdebiet zijn nauwkeurig bekend. Indien de temperatuur kan worden gemeten van de waterstroom naar de kem toe, kan hieruit de specifieke enthalpie bepaald worden. De balans-5 vergelijkingen voor massa en enthalpie kunnen zo geschreven worden, dat er een vergelijking ontstaat waarin het massadebiet naar de kem toe gelijk is aan het voedingswaterdebiet vermenigvuldigd met de verhouding van het verschil in specifieke enthalpie van het water naar de kem toe en het voedingswater en het verschil in specifieke enthalpie van verzadigd water en het water naar de kem toe. De specifieke 10 enthalpieen kunnen met behulp van functies uit gemeten temperaturen bepaald worden. De temperatuur en specifieke enthalpie van verzadigd water kunnen het meest nauwkeurig uit de gemeten reactordruk bepaald worden. Het verschil in temperatuur tussen verzadigd water en het water naar de kem is klein (circa 5-10 K).

De onderhavige uitvinding heeft tot doel het verschaffen van middelen waarmee 15 de temperatuurmeting zeer nauwkeurig en met het oog op de lange bedrijfstijd van een kokend-water-reactor, zoveel mogelijk zonder drift, is te verrichten.

Dit doel wordt bij de inrichting van de aan het begin aangegeven soort bereikt doordat de behuizing een nabij de kem op te stellen stoomklok met een compartiment voor verzadigde stoom is, doordat de naar beneden toe openende opening een 20 waterinlaat is, en doordat de temperatuursensor een enkel thermokoppel is, waarvan de warme las reikt tot in het compartiment voor verzadigde stoom en waarvan de koude las ligt buiten de stoomklok.

De elektromagnetische kracht van een thermokoppel is gebaseerd op het feit dat metalen verschillende Fermi-niveaus voor hun elektronen hebben en dat voor 25 verschillende metalen deze Fermi-niveaus op verschillende wijze temperatuurafhankelijk zijn. Deze Fermi-niveaus zijn niet alleen afhankelijk van de metaalsamenstelling maar ook kleine verontreinigingen, dislocaties en mechanische spanningen beïnvloeden het Fermi-niveau. Door diffusie van verontreinigingen, door dislocaties en door relaxatie van mechanische spanningen door veroudering, zal in een 30 thermokoppel door de verandering van de Fermi-niveaus een inherent verloop van de ijking optreden. Dit verloop van de ijking kan echter worden geminimaliseerd door een las op een referentietemperatuur te houden, welke referentietemperatuur ligt dichtbij de te meten temperatuur. Verder dient de afstand tussen de twee lassen zo klein mogelijk 101 R R 7 3 te zijn. Aldus zullen veranderingen in de Fermi-niveaus ter hoogte van de nabij elkaar gelegen warme en koude las minimaal zijn. Zoals hierboven aangegeven wordt als referentietemperatuur de verzadigingstemperatuur van water gekozen.

Overeenkomstig de uitvinding kan in een kokend-water-reactor nabij de 5 onderzijde van de kern deze verzadigingstemperatuur gecreëerd worden, door gebruik te maken van een stoomklok en in deze stoomklok stoom te genereren, welke stoom zich zal ophouden in een compartiment voor verzadigde stoom, waarin de warme las van het thermokoppel reikt.

In de stoomklok verdampt water tot stoom, omdat door de interactie van snelle 10 neutronen met water, warmte wordt gegenereerd. Door de naar beneden toe open waterinlaat wordt vermeden dat vaste deeltjes, in het bijzonder ijzeroxide deeltjes, die tot in de stoomklok zijn geraakt, zich daarin ophopen.

Voor het verkrijgen van een optimale stoomproductie in de stoomklok en een geringe afstand tussen de plaats waarop de temperatuur moet worden gemeten en het 15 compartiment voor verzadigde stoom, heeft het verder de voorkeur dat de stoomklok thermisch geïsoleerd is. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de stoomklok dubbelwandig en met een geschikt inert gas gevuld.

Bij voorkeur is het compartiment voor verzadigde stoom voorzien van een stoomuitlaat, waardoor eventueel in het water aanwezige niet-condenseerbare stoffen 20 uit de stoomklok kunnen worden verwijderd en er derhalve geen ophoping van niet condenseerbare stoffen plaats vindt.

Indien de stoomproductie door interactie van neutronen met water te gering is of de stoomproductie in de stoomklok vergroot moet worden, heeft het de voorkeur de stoomklok te voorzien van een verwarmingselement. Volgens een eerste 25 uitvoeringsvorm is het verwarmingselement een elektrisch verwarmingselement, terwijl volgens een andere uitvoeringsvorm het verwarmingselement een nucleair verwarmingselement is. Aldus is het mogelijk om het waterdebiet naar de kern toe te meten ook onder omstandigheden, waarbij het neutronenveld gering is, bijvoorbeeld wanneer de reactor niet op vol vermogen is , maar draait op een deelvermogen van 30 bijvoorbeeld minder dan 50%.

Tenslotte heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een kokend-water-reactor volgens de uitvinding die voorzien is van tenminste een stoomklok en meetsysteem volgens de uitvinding.

. λ 4 f “1 4

Genoemde en andere kenmerken van de stoomklok en meetsysteem en van de kokend-water-reactor volgens de uitvinding, zullen hierna verduidelijkt worden aan de hand van een aantal niet limitatieve, bij wijze van voorbeeld gegeven uitvoeringsvormen, waarbij verwezen wordt naar de bijgevoegde tekening.

5 In de tekening toont:

Figuur 1 een zeer schematische constructie van een kokend-water-reactor; en tonen

Figuur 2-6 elk een andere uitvoeringsvorm van de met een thermokoppel uitgeruste stoomklok volgens de uitvinding.

10 Figuur 1 toont zeer schematisch een kokend-water-reactor volgens de uitvinding.

De kokend-water-reactor is ten dele gevuld met water 2, waarin is gedompeld een kern 3 voorzien van niet getoonde brandstof- en regelelementen. Uit de kern treedt een mengsel van kokend water en stoom dat in een stoomafscheider 4 wordt gescheiden in stoom 5 en recirculatiewater 6 waarvan de temperatuur gelijk is aan de 15 verzadigingstemperatuur. Via inlaat 7 wordt vers voedingswater toegevoegd met een nauwkeurig bekende temperatuur en debiet. Het recirculatiewater 6 en het voedingswater 7 worden gemengd, waardoor de temperatuur daalt en dit mengsel, kemwater 8 genaamd, wordt wederom toegevoegd aan de kern 3. In de nabijheid van de kern 3, bijvoorbeeld zoals getoond in figuur 1 aan de onderzijde, bevindt zich een 20 meetsysteem 9 volgens de uitvinding, waarmee het waterdebiet van de kemwaterstroom 8 wordt bepaald.

Het meetsysteem 9 omvat een nabij kern 3 opgestelde stoomklok 10 die is voorzien van een thermokoppel 11, dat is verbonden met een omvormer 12. Deze omvormer 12 ontvangt tevens van sensoren 40, 41, 42 signalen die proportioneel zijn 25 met het voedingswaterdebiet (sensor 42) en temperatuur (sensor 41) en met de reactordruk (sensor 40). Ingeval het voedingswater een constante temperatuur en constant debiet heeft, kan van sensoren daarvoor worden afgezien. De constante waarden kunnen dan als vaste waarden in de omvormer zijn ingevoerd. De omvormer 12 bepaald uit deze signalen het debiet van kemwaterstroom 8, en levert een signaal via 30 de informatielijn 13 dat met dit waterdebiet correspondeert.

De door de omvormer voor het bepalen van het waterdebiet van de kemwaterstroom 8 gebruikte relatie laat zich als volgt afleiden.

Voor de massabalans geldt: 101667 Π 5 0 0 0 mk=mr + mv (1) met: o YYlfr = massadebiet kemwaterstroom o

Jflr = massadebiet recirculatiewater 6 o 5 TYiv = massadebiet voedingswater 7

Voor de enthalpiebalans geldt: o o o

Hk -Hr + Hv (2) met: o

Hk = enthalpie kemwaterstroom o 10 Hr = enthalpie recirculatiewater 6 o = enthalpie voedingswater 7

Gebruikmakend van specifieke enthalpiën is dan te schrijven: O O o mkhk(Tv)=mr K(p)+mv K(TV) (3) 15 Met: hr (p) = de specifieke enthalpie van verzadigd water bij de heersende druk hk(Tk) uit de kemwatertemperatuur Tk bepaalde specifieke enthalpie van water dat naar de kem gaat hv(Tv) = uit de voedingswatertemperatuur Tv bepaalde specifieke enthalpie van het 20 voedingswater

Relatie (1) invullen in relatie (3) levert dan: o o o mv h = mr hr + mv K (4) 1016671·» 6

Dit laat zich omschrijven naar het recirculatiedebiet als: ° , ° fMkizMkl]

r v [h(.n >-Mp)J

Figuur 2-6 tonen een aantal uitvoeringsvoorbeelden van stoomklok 10 voorzien 5 van een thermokoppel 11.

Figuur 2 toont een stoomklok 14 die dubbelwandig is uitgevoerd. De wanden van de stoomklok kunnen zijn vervaardigd van roestvast staal dat is bedekt met een goudlaag, teneinde waterstofdiffusie te vermijden. Een ander wandmateriaal kan bestaan uit een zirkoonlegering. De ruimte 15 is gevuld met een inert gas, bijvoorbeeld 10 argon en/of xenon.

Het boveneinde 16 van de stoomklok 14 is voorzien van een thermokoppel 17, waarvan de warme las 18 ligt binnen de stoomklok 14 en in het compartiment 19 waarin zich verzadigde stoom ophoopt, en een koude las 20 gelegen buiten de stoomklok 14 en op de plaats waarvan de temperatuur moet worden gemeten, dat wil 15 zeggen van het langsstromende kemwater 8.

Het thermokoppel heeft een standaard constructie. Hij kan bijvoorbeeld bestaan uit een buis 21 die is gevuld met aluminiumoxide. De draden 22 en 23 kunnen bijvoorbeeld bestaan uit alumel, terwijl de tussen de warme las 18 en de koude las 20 gelegen draad bijvoorbeeld kan bestaan uit chromel. De draden 22 en 23 zijn gekoppeld 20 met de omvormer 12.

Aanvankelijk zal het water dat volledig de stoomklok 14 vult door interactie met neutronen opwarmen en aanleiding geven tot stoomproductie die zich in compartiment 19 ophoopt. De stoom condenseert aan de wanden en het condensaat vloeit terug. Aldus ontstaat een evenwicht met op een bepaald niveau de grenslaag tussen het 25 compartiment 19 en het water 26. Een en ander houdt in dat in het compartiment 19 een referentie temperatuur, namelijk de verzadigingstemperatuur heerst. Aldus is het mogelijk om op zeer nabije afstand met behulp van de koude las 20 aldaar de temperatuur en met behulp van het voedingswaterdebiet en -temperatuur en de reactordruk het debiet van het recirculatie water te berekenen en daarmee de 30 doorstroming van de kern 3.

De stoomklok 27 die is getoond in figuur 3 heeft in hoofdzaak dezelfde opbouw, maar in de wand van de stoomklok 27 is een stoomuitlaat 28 aangebracht waarlangs 101667Π 7 stoom 29 kan ontsnappen. Aldus kunnen via deze stoomuitlaat 28 niet condenseerbare gassen worden afgevoerd. De stoomuitlaat heeft bijvoorbeeld een diameter van 1-2 mm.

Figuur 4 toont een stoomklok 30 volgens de uitvinding, die in tegenstelling tot de 5 andere stoomklokken voorzien is van een gesloten bodem 31. Echter via de inlaat 32 kan water 33 worden toegevoerd.

Bij de in figuur 5 getoonde stoomklok 34 volgens de uitvinding, is het ondereinde voorzien van een verwarmingselement 36. Dit verwarmingselement bestaat uit een metalen cilinder 37, waarin als gevolg van het heersende gammaveld door reactie met 10 metaalelektronen warmte wordt geproduceerd.

Bij de stoomklok 38 is het ondereinde 35 voorzien van een verwarmingselement 39 met een weerstandsdraad die is aangesloten op de aansluitdraden 40 en 41. Door gebruik te maken van een thermisch verwarmingselement is het zelfs mogelijk bij het stoppen of opstarten van de reactor stoom te produceren en over een zeer groot deellast 15 traject het waterdebiet naar kern 3 toe te kunnen meten.

De stoomklokken die zijn getoond in de figuren 2-6 hebben bijvoorbeeld een totale lengte van ca 100 mm en een diameter van ca 10-20 mm.

Ofschoon de temperatuur van het water dat naar de kem 3 toestroomt ongeveer 550 tot 600 K bedraagt, is het desondanks mogelijk om met het meetsysteem 9 volgens 20 de uitvinding temperatuurverschillen van 5 - 10 K te meten bij het heersend neutronenen gammaveld zonder dat daarbij in het reactorvat aanzienlijke constructieve aanpassingen noodzakelijk zijn.

* * * * 25

1016671 'I

Claims (10)

1. Inrichting voor het bepalen van de temperatuur van water dat naar de kern van een kokend-water-reactor stroomt, omvattende een behuizing voorzien van een naar 5 beneden toe openende opening, en een temperatuursensor, met het kenmerk, dat de behuizing een nabij de kern op te stellen stoomklok met een compartiment voor verzadigde stoom is, dat de naar beneden toe openende opening een waterinlaat is, en dat de temperatuursensor een enkel thermokoppel is, waarvan de warme las reikt tot in het compartiment voor verzadigde stoom en waarvan de koude las ligt buiten de 10 stoomklok.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stoomklok thermisch geïsoleerd is.

3. Inrichting volgens conclusie 2. met het kenmerk, dat de stoomklok dubbelwandig is, en, bij voorkeur, de dubbele wand met een inert gas gevuld is.

4. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de behuizing een verdere opening omvat, met het kenmerk, dat de verdere opening een op het 20 compartiment uitkomende stoomuitlaat voor verzadigde stoom uit het compartiment is.

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de stoomklok is voorzien van een verwarmingselement.

6. Inrichting volgens conclusie 5, waarbij het verwarmingselement een nucleair verwarmingselement is.

7. Inrichting volgens conclusie 5 of 6, waarbij het verwarmingselement een elektrisch verwarmingselement is. 30

8. Kokend-water-reactor, voorzien van tenminste een inrichting volgens een der voorgaande conclusies 1-7. * ni RR71 ’ tl

9. Systeem voor het bepalen van het waterdebiet naar de kern van een kokend-water-reactor, omvattende: een inrichting volgens een der voorgaande conclusies 1-8; sensoren voor de reactordruk en/of voor het voedingswaterdebiet en/of voor de 5 voedingswatertemperatuur; en een omvormer voor het op basis van signalen, die afkomstig zijn van die sensoren en van het thermokoppel, bepalen van een debietwaarde voor de kemwaterstroom.

10. Kokend-water-reactor, voorzien van tenminste een systeem volgens conclusie 9. JQ * * * * 1 n 1 66 71 'i