SE504945C2 - Förfarande och anordning för övervakning med avseende på stabilitet av en kokarvattenreaktor - Google Patents

Description

504 945 2 i förhållandet mellan vatten och ånga i kylkanalerna. Om dessa variationer i vattenflödet inte dämpas pà naturlig väg, t ex genom friktion i kylkanalerna, kanalinloppen eller yttre kretsar, Eftersom vatten kan de växa till ihållande svängningar. är en bättre moderator än ånga kommer dessa flödessvängningar också att resultera i svängningar i effekten.

En reaktorhärd är instabil när dess effekt svänger odämpat.

Effektsvängningen kan antingen vara global, dvs effekten i hela härden svänger, eller lokal, dvs effekten i någon eller nâgra kylkanaler svänger. Svängningar i effekt och kylflöde kan resultera i överskridande av fastställda marginaler för bränslet, vilket i sin tur kan leda till bränsleskador. En instabilitet i reaktorhärden måste därför förebyggas.

Stabilitetsegenskaperna för varje individuell kokarreaktor beror dels på reaktorns konstruktion och dels på härdens driftpunkt med avseende pà effekt och kylflöde, aktuella utbrännings- tillstànd samt aktuell effektfördelning. Dessutom påverkas stabilitetsegenskaperna av förslitningar i reaktorns regler- system, associerade pumpar, ställdon, ventiler etc. Marginalerna mot termohydraulisk instabilitet minskar med ökande effekt och minskande kylflöde, och beror därutöver på effektens fördelning i kylkanalerna. Därav följer att risken för instabilitet är störst när reaktorn körs i ett driftomràde som karakteriseras av hög effekt och làgt kylflöde. Det driftomràde där instabilitet kan tänkas uppträda kallas i fortsättningen för reaktorns risk- område. I vissa fall kan försämrad stabilitet uppträda till följd av att ett fel uppstår i reaktorn, exempelvis på grund av att någon komponent går sönder.

I praktiken vill man givetvis inte råka ut för stabilitets- problem under drift och försöker därför undvika att köra inom riskområdet. För att undvika att hamna i riskomràdet undersöks i förväg vilka drifttillstánd och driftsituationer som kan för- väntas ha acceptabla stabilitetsmarginaler och vilka andra som ej bör tillåtas för normal drift. Dessa undersökningar sker via förberäkningar med utnyttjande av dynamiska modeller av hela tillåtna drift- reaktorsystemet. Risken är dock stor att de 504 945 vilket medför att 3 områdena blir onödigt snävt tilltagna, reaktorn inte utnyttjas optimalt.

Ytterligare en nackdel är att trots att acceptabla stabilitets- marginaler bedömts föreligga vid förberäkningarna finns en risk för att instabilitet oväntat kan inträffa till följd av händelser som ej har kunnat förutses. Det är svårt att i förväg förutsäga vilka som är de mest ogynnsamma driftsförhållandena under en följande driftsperiod. Det kan inträffa oförutsedda händelser som påverkar stabiliteten som inte har tagits med i beräkningarna. Exempel på en sådan relativt vanlig händelse som är svår att förutse är att en styrstav under drift fastnar i härden (stuck rod). En sådan händelse initierar en förändring av de övriga stystavslägena vilket i sin tur påverkar effekt- fördelningen i härden och kan därmed förändra härdens marginal mot stabilitet. Stabiliteten kan påverkas både positivt och negativt beroende på vilken av styrstavarna som fastnar och i vilket läge den fastnar.

För att övervinna dessa nackdelar har det utvecklats metoder för att så tidigt som möjligt detektera om härden är instabil så att åtgärder kan sättas in för att få den stabil igen innan någon skada har skett. känner av om effekten i någon del av reaktorhärden svänger genom I US 5,174,946 beskrivs en utrustning som att detektera tidiga svängningar i utsignalerna från neutron- flödesdetektorerna. När en sådan svängning har detekterats larmas en reaktoroperatör som kan vidta lämpliga åtgärder för att få härden stabil igen. Exempel på åtgärder som operatören kan vidta är att ändra kylflödet eller styrstavslägena.

Ett problem är att effektsvängningarna kan växa mycket snabbt. I ~värsta fall kan det ta bara några minuter från det att ut- signalen från en neutronflödesdetektor börjar att svänga till dess att hela härden svänger. Risken är då stor att enda sättet att stoppa svängningen innan den förorsakar allvarliga skador är att utlösa ett snabbstopp (scram) av reaktorn. Ett snabbstopp av en reaktor innebär stora olägenheter på grund av effektbortfall och medför alltid stora kostnader. Ett snabbstopp utlöst på grund av en instabil härd ger också dålig publicitet åt reaktorn 504 945 4 och är i sig självt en riskfaktor då säkerhetsutrustningen sätts på prov.

Problemet med en stabilitetsövervakning som bygger pà principen att detektera svängningar i utsignalerna från neutronflödes- detektorerna är att härden då redan är instabil och att det då kan vara för sent att sätta in åtgärder för att få härden stabil igen. Ett snabbstopp av hela reaktorn kan då vara den enda lösningen som återstår.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att anvisa en metod och en anordning som så tidigt som möjligt under drift ger reaktor- operatören en indikation om att härden riskerar att bli instabil, så att operatören kan vidta lämpliga åtgärder för att förhindra att instabilitet inträffar.

Vad som kännetecknar en metod och en anordning enligt upp- finningen framgår av bifogade patentkrav.

När härden redan är instabil, dvs när effekten i härden har börjat att svänga, kan det vara för sent att sätta in åtgärder för att få härden stabil igen. Uppfinningen bygger på idén att kontinuerligt under drift inte bara detektera om reaktorn är instabil utan också prediktera om det finns risk för att reaktorn blir instabil. Om det föreligger en risk för att reaktorn kan bli instabil genereras en larmsignal. Predik- teringen sker med utgångspunkt från aktuella data om härdens effektfördelning, kylflöde, bränslets utbränning, styrstavs- positioner etc.

När reaktorn körs inom riskomràdet är det flera olika faktorer som spelar in om reaktorn blir instabil eller ej. Det har t ex observerats att härdens stabilitet är beroende av den axiella -och den radiella effektfördelningen i härden. En botten- förskjuten effektfördelning, dvs effekten är högst i botten av härden, har en negativ inverkan pá reaktorns stabilitet. Ur 504 945 stabilitetssynpunt bör reaktorn istället ha en toppförskjuten effektfördelning.

Effektfördelningen påverkas av kylflödet och är mer botten- förskjuten vid ett làgt kylflöde. När kylflödet ökar minskar ànginnehállet och effekten ökar successivt mot toppen. Även styrstavarna påverkar effektfördelningen. Eftersom styrstavarna innehåller neutronabsorberande material minskar effekt- genereringen i den del av härden där styrstavarna är inskjutna.

I en kokarvattenreaktor är styrstavarna anordnade att föras in i härden underifrån. Om styrstavarna skjuts in en bit i reaktor- härden àstadkommes en toppförskjutning av effektfördelningen varvid härden blir mera stabil.

Under drift kan styrstavarnas lägen behöva ändras av olika orsaker. Denna ändring kan förskjuta effektfördelningen i härden mot en mera bottenförskjuten effektfördelning vilket betyder en försämring av stabiliteten. Om reaktorn körs inom riskomràdet kan en mindre förändring av styrstavslägena orsaka instabilitet.

Pà samma sätt kan en mindre förändring av kylflödet orsaka instabilitet.

Vissa förändringar påverkar inte stabiliteten omedelbart utan det sker en viss fördröjning innan resultatet av förändringen visar sig. Exempelvis kan en förändring av Xenonhalten ge en fördröjning pá ett antal timmar innan dess påverkan pá stabiliteten slár fullt ut. En sådan händelse lämpar sig utmärkt för att prediktera.

Under normal drift befinner sig reaktorn utanför riskomràdet.

Vissa oförutsägbara händelser kan fà en reaktor som befinner sig utanför riskomràdet att hamna inom riskomràdet. Exempel pà sådana händelser är att någon av cirkulationspumparna stannar varvid kylflödet minskar, en ventil fastnar i ett visst läge eller en förvärmare till matarvattnet slutar att fungera. När reaktorn har hamnat inom riskomràdet kan det räcka med en liten förändring av t ex styrstavslägena för att reaktorn ska bli instabil. 504 945 6 Predikteringen innebär att med kännedom om härdens aktuella tillstånd, såsom aktuell effektfördelning, bränslets utbränning, aktuella styrstavspositioner och aktuellt kylflöde, simuleras reaktorhärdens uppförande för ett antal förutvalda händelser som påverkar härdens stabilitet. Utifrån reaktoranläggningens simulerade uppförade utföres en stabilitetsbestämning av reaktorhärden och en larmsignal bildas om ett förutbestämt stabilitetskriterium inte uppfylls.

Fördelarna med uppfinningen är att den ger en tidig indikation på att härden håller pà att bli instabil. Det faktum att det hela tiden är härdens aktuella tillstånd som ligger till grund för predikteringen ger en hög säkerhet i predikteringen.

Oförutsedda händelser som har inträffat tidigare under drift- cykeln, såsom att en eller flera styrstavar har fastnat, kommer med vid predikteringen. Uppfinningen kan implementeras som en del av det härdövervakningssystem som redan finns anordnat i de flesta kokarvattenreaktorer. Uppfinningen kan använda samma dator och samma presentationsystem som härdövervakningssystemet, vilket betyder att både kostnad för installation av uppfinningen och utrymme sparas.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar en schematisk bild av en kokarvattenreaktor innefattande ett härdövervakningssystem.

Figur 2 visar ett blockschema över ett härdövervakningssystem innefattande en stabilitetsövervakning enligt uppfinningen.

Figur 3 visar i form av ett flödesschema principen för genomförandet av stabilitetspredikteringen.

BESKRIVNING AV EN UTFÖRINGSFORM I figur l visas ett exempel på en kokarvattenreaktor inne- fattande ett härdövervakningssystem. Reaktorns härd 1 inne- håller bränsle i form av bränslestavar mellan vilka kylvatten pumpas. Härden omges av en tryckhållande reaktortank 2. 594 945 7 Värmeutvecklingen i bränslestavarna får kylvattnet att koka och ånga bildas. Reaktorns effekt styrs med styrstavar 3, samt med de cirkulationspumpar 4 som för kylvattnet uppåt genom härden. Den producerade ångan levereras via ång- ledningar 5 till turbinen 6 som driver generatorn 7 där elektrisk energi alstras, varefter ångan kondenseras till vatten i kondensorn 8. Vattnet àterförs till reaktortanken 2 via en matarvattenledning 9 med hjälp av matarvattenpumpen .

För övervakning av reaktorn avkänns ett antal driftdata, med utnyttjande av speciella mätutrustningar. Exempel på sådana avkända driftdata är matarvattenflödet, kylvattenflöde, matar- vattentemperatur, styrstavspositioner, trycket i reaktortanken och reaktorns effekt. De fysikaliska insignalerna till mätutrustningarna omvandlas i dessa till elektriska utsignaler som vidarbefordras som insignaler till ett härdövervaknings- system ll. Utifrån dessa insignaler beräknas i härdövervaknings- systemet ett antal storheter som är av vikt för härdens övervakning. Dessa storheter presenteras för en reaktoroperatör 12 som bedömer om åtgärder måste vidtas.

Figur 2 visar ett blockschema över ett härdövervakningssystem ll. Härdövervakningssystemet ll innefattar dels en stabilitets- detektorenhet 13 som detekterar om härden är instabil, dels en stabilitetsprediktorenhet 14 som fortlöpande predikterar om härden kommer att bli instabil, och dels ett övervakningsorgan som beräknar övriga storheter som är nödvändiga för härdens övervakning. Utsignalerna från de olika enheterna sammanställs och presenteras för operatören i en gemensam presentationsenhet 16.

En stabilitetsparameter avspeglar härdens grad av instabilitet.

Den idag mest använda stabilitetsparametern är dämpkvoten för effekten (decay ratio). Dämpkvoten definieras som förhållandet mellan två på varandra följande amplitudmaxima i svaret på en störning. Dämpkvoten 1 karakteriserar odämpade svängningar med konstant amplitud och anger gränsen till instabilitet. För dämpade svängningar är dämpkvoten mindre än 1, och differensen 504 945 8 mellan l och beräknad dämpkvot utgör ett bra mått pà stabilitetsmarginalen. härd. exponentiellt med tiden. Dämpkvoten överstiger därvid värdet 1.

Ju större differensen är desto stabilare I ett instabilt system uppträder svängningar som tillväxer För att kunna avgöra om härden riskerar att bli instabil behövs kännedom om den aktuella effektfördelningen i härden.

För detta ändamål används en tredimensionell härdberäknare 17 innefattande en matematisk modell av härden vilken med hjälp av mätvärden för ingående parametrar såsom totalt kylflöde, styrstavspositioner, reaktorns totaleffekt mm kan beräkna den aktuella effektfördelningen i härden. För att härdberäknaren 17 ska kunna utföra nödvändiga beräkningar behövs tillgång till detaljerade uppgifter om bränslet och härden, t ex material och geometri. För att kunna förutsäga hur härden reagerar på förändringar i insignalerna är det också nöd- vändigt att känna till härdens historia, t ex var i drift- cykeln härden befinner sig. Alla dessa nödvändiga data har samlats i ett databibliotek 18. Härdens historia uppdateras kontinuerligt med uppgifter från härdberäknaren 17. Uppgifter från härdberäknaren och databiblioteket används också av övervakningsorganet 15.

Stabilitetsprediktorenheten 14 innefattar, förutom härdberäkna- ren 17 och databiblioteket 18, en dynamisk härdsimulator 19 och ett stabilitetsbestämmande organ 20. Härdsimulatorn 19 inne- fattar en matematisk modell av härden och simulerar reaktorns effektfördelningen och kylflödet Reaktorhärdens stabilitet analyse- uppförande, dvs hur effekten, förändras med tiden i härden. ras för ett antal förutvalda händelser som kan orsaka att reaktorn hamnar i riskområdet. Exempel på sådana händelser är att någon av cirkulationspumparna stannar eller att någon av förvärmarna till matarvattnet slutar att fungera.

(CS) implementeras lämpligen i form av ett datorprogram.

Härdsimulatorn (SD) Uppbyggnaden av ett sådant program visas i figur 3. I block och det stabilitetsbestämmande organet 31 hämtas information om härdens aktuella tillstånd (Di): S04 945 9 - aktuella mätvärden på processparametrar tex kylflöde och styrstavspositioner, - en aktuell effektfördelning fràn härdberäknaren, - aktuella uppgifter från databiblioteket, tex bränslets utbränning, aktuell isotopsammansättning.

Därefter simuleras den första av de förutvalda händelserna (n=l), ren pá matarvattnet minskar, block 32. När simuleringen nått t ex att en förvärmare har fallit bort varvid temperatu- fram till en ny stabil driftpunkt beräknas härdens aktuella (Pi), block 33. Därefter simuleras reaktorns uppförande i den nya driftpunkten under en tillstànd i den nya driftpunkten störning i någon av processparametrarna, tex kylflöde eller styrstavspositionerna, block 34. Utsignalen fràn simuleringen I block 35 dvs förhållandet mellan tvà pá varandra kan t ex vara effekten i ett antal punkter i härden. beräknas dämpkvoten, följande amplitudmaxima i utsignalen från simuleringen. Om dämpkvoten överstiger 0.8 genereras en larmsignal, block 36, annars upprepas förfarandet för nästa förutvalda händelse (n=n+l), som t ex kan vara att en av cirkulationspumparna faller bort.

Hur ofta stabilitetpredikteringen kan utföras begränsas av kapaciteten hos den dator pà vilken den implementeras. Det kan vara lämpligt att under reaktordrift upprepa predikteringen en gång per dygn och dessutom varje gång någon förändring har skett i driften.

Härdövervakningssystemet ll innefattar också en möjlighet för operatören att simulera tilltänkta reaktormanövrer och predik- tera om de leder till instabilitet, t ex en förändring av Xenonhalten eller en förändring av styrstavslägena. Om operatö- 'ren t ex planerar en förändring av styrstavarnas lägen kan han via enhet 21 dels läsa in de nya styrstavslägena till stabili- tetsprediktorenheten 14 och dels starta upp en stabilitets- prediktering. Utgående fràn reaktorns aktuella tillstånd och de nya styrstavslägena sker predikteringen i enlighet med block- schemat i figur 3. I härdberäknaren 17 beräknas en ny effekt- fördelning. Istället för aktuella styrstavslägen använder härd- simulatorn 19 de nya styrstavslägena vid simuleringen. På så vis 504 945 kan reaktormanövrer som leder till en förhöjd risk för instabilitet undvikas.

Stabilitetsdetektorenheten 13 utgörs av ett dataprogram som huvudsakligen består av en algoritm för tidserieanalys av utsignalerna fràn neutronflödesdetektorerna och beräkning av dämpkvoten. Indata till stabilitetsdetektorenheten utgör en delmängd av indata till härdövervakningssystemet. I denna utföringsform utgör stabilitetsdetektorenheten 13 en del av härdövervakningssystemet 11 och använder samma dator och samma presentationssystem som resten av härdövervakningssystemet_ En av fördelarna med att både stabilitetsdetektorenheten och stabilitetsprediktorenheten ingår i härdövervakningssystemet är att de predikterade stabilitetsparametrarna kan verifieras mot de verkliga stabilitetsparametrarna. Verifieringen sker online.

En fördel med denna utföringsform av uppfinningen är att den kan integreras med ett redan befintligt härdövervakningssystem och utnyttja härdövervakningssystemets dator, presentationssystem och databibliotek. I en annan utföringsform kan givetvis en stabilitetsanalysator enligt uppfinningen implementeras i en fristående dator och med en egen presentationsutrustning.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 504 945 ll PATENTKRAV

1. Förfarande för övervakning med avseende på stabilitet av en reaktorhärd i en kokarreaktoranläggning, varvid - fortlöpande avkänns driftdata i form av värden hos ett antal driftstorheter från reaktoranläggningen, k ä n n e t e c k n a t a v drift, - beräknas reaktorhärdens inre tillstånd i beroende av avkända driftdata, att fortlöpande under reaktorns - simuleras, i beroende av avkända driftdata och det beräknade inre tillståndet, reaktorhärdens uppförande för ett antal förutvalda händelser som påverkar härdens stabilitet, - utföres en stabilitetsbestämning av reaktorhärden utifrân reaktoranläggningens simulerade uppförande, - bildas en larmsignal om ett förutbestämt stabilitetskriterium inte uppfylls.

2. Förfarande enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a t a v att utifrån reaktoranläggningens simulerade uppförande beräknas härdens dämpkvot, dvs förhållandet mellan två på varandra följande amplitudmaxima hos någon av driftstorheterna i svaret pà en störning, och en larmsignal bildas om dämpkvoten över- stiger ett visst förutbestämt värde.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2 k ä n n e t e c k - n a t a v att vid en tilltänkt förändring i en eller flera driftstorheter beräknas reaktorhärdens inre tillstånd, reaktor- härdens uppförande simuleras och en stabilitetsbestämning utföres i beroende av de tilltänkta förändringarna.

4. Anordning för övervakning med avseende pà stabilitet av en reaktorhärd i en kokarreaktoranläggning k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar - ett första beräkningsorgan (17) för bestämning av reaktor- härdens inre tillstànd utifrån avkända driftdata i form av värden hos ett antal driftstorheter från reaktoranläggningen, 10 15 20 25 504 945 12 (19) som beroende av reaktorns beräknade inre tillstànd samt avkända driftdata fortlöpande simulerar reaktor- - simuleringsorgan härdens uppförande för ett antal förutvalda händelser som påverkar härdens stabilitet, (20) ningens simulerade uppförande utför en stabilitetsbestämning av - ett andra beräkningsorgan som utifrån reaktoranlägg- reaktorhärden och som bildar en larmsignal om ett förutbestämt stabilitetskriterium inte är uppfyllt. k ä n n e t e c k n a d

5. Anordning enligt patentkrav 4 a v att den innefattar en stabilitetsmonitor (13) som detekterar instabilitet utgående från svängningar i utsignaler från ett antal neutronflödesdetektorer anordnade i härden och som avger en larmsignal om ett förutbestämt stabilitetskriterium inte är uppfyllt.

6. Anordning enligt patentkrav 4 eller 5 k ä n n e t e c k - (21) tilltänkt förändring i en eller flera driftstorheter initiera en n a d a v att den innefattar organ för att vid en stabilitetsbestämning utifrån reaktoranläggningens simulerade uppförande i beroende av de tilltänkta förändringarna.

7. Anordning enligt något av de föregående patentkraven k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett data- bibliotek (18) dess historia. som innehåller uppgifter om bränslet, härden och