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Dokumentenidentifikation DE2461389C2 12.10.1989
Titel Verfahren für die Steuerung von Hochtemperatur-Kernreaktoren
Anmelder Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH, 5000 Köln, DE;
Hochtemperatur-Kernkraftwerk GmbH (HKG) Gemeinsames Europäisches Unternehmen, 4701 Uentrop, DE
Erfinder Friedrich, Klaus, Dipl.-Ing., 6830 Schwetzingen, DE;
Nicolai, Rainer, Dipl.-Phys., 6733 Haßloch, DE;
Schweiger, Fritz, Dipl.-Ing., 5800 Hagen, DE;
Wachholz, Winfried, Ing.(grad.), 6805 Heddesheim, DE
DE-Anmeldedatum 24.12.1974
DE-Aktenzeichen 2461389
Offenlegungstag 08.07.1976
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse G21D 3/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Steuerung von gasgekühlten Hochtemperatur- Kernreaktoren.

Neben Einrichtungen für die Regelung und Steuerung üblicher Betriebsvorgänge werden Kernreaktoren mit Sicherheitssystemen ausgestattet, die beim Auftreten von Störfällen den Reaktor abschalten. Dabei erfolgt zunächst eine Schnellabschaltung des Reaktors und, wenn die Störung in einer vorgegebenen Zeitspanne nicht behoben werden konnte, eine Langzeit- oder Vollabschaltung. Für das Erkennen und Messen der Störgrößen, im wesentlichen Neutronenfluß, Periode, Temperatur und Druck, wird das sogenannte Reaktorschutzsystem eingesetzt, das ein Bestandteil der Sicherheitssysteme ist und aus der Instrumentierung zur Erkennung der Störfälle, den Grenzwertgebern und den Steuereinrichtungen besteht. Bei einem üblichen Verfahren wird der Neutronenfluß im Core gemessen und, wenn dieser einen bestimmten Grenzwert überschreitet, die Schnellabschaltung durchgeführt. Weiterhin ist es bekannt, die Temperaturen des Kühlmittels oder Betriebsdrücke ebenfalls als Störgrößen für die Abschaltung des Reaktors zu verwenden.

Um eine möglichst hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit zu erreichen, ist das Reaktorschutzsystem in der Regel redundant ausgelegt, d. h. es sind mehrere gleiche Signale erforderlich um die Abschaltung herbeizuführen. Aus Sicherheitsgründen werden jedoch nicht die Signale verschiedener Störgrößen miteinander verglichen, sondern es reicht aus, wenn eine Störgröße ein den Grenzwert überschreitendes Signal gibt, um die Abschaltung des Reaktors einzuleiten.

Der Nachteil dieser bekannten Verfahren bzw. Reaktorschutzsysteme besteht darin, daß bereits bei relativ geringfügigen Störungen, beispielsweise aus untergeordneten Regelkreisen, oder auch Fehlbedienungen, die zu keiner nennenswerten Beeinträchtigung von Anlagenteilen führen können und ohne besondere Umstände behoben oder ausgeregelt werden können, mit starkem Ausschlag der Meßgeräte oder auch bei kurzfristigen Überschwingungen von Steuergrößen eine Abschaltung des Reaktors erfolgt. Der Reaktor kann dann zwar unmittelbar nach dem Ausklingen der Störung oder Überschwingung wieder angefahren werden, dabei lassen sich jedoch für die Reaktorkomponenten nachteilige Temperaturzyklen nicht vermeiden.

Durch die DE-AS 20 13 346 ist ein dem eigentlichen Reaktorschutzsystem vorgelagertes Regelsystem für einen Druckwasserreaktor bekannt, dem die Aufgabe zugrunde liegt, die Zahl der Schnellabschaltungen zu vermindern. Das Regelsystem umfaßt die Messung der im Reaktorkern erzeugten Leistung als Neutronenfluß und der aus Primär- oder Sekundärkreislauf abgeführten Leistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das ein Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors bei Überschwingungen oder Störanzeigen weitestgehend vermeidet und ein Abschalten des Reaktors im wesentlichen auf echte Störfälle begrenzt. Die Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ständig in an sich bekannter Weise die im Core erzeugte Leistung gemessen und über eine begrenzte Zeit gespeichert sowie die durch den Primär- oder Sekundärkreislauf abgeführte Leistung gemessen wird, daß fortlaufend durch einen Rechner über ein Zeitintervall ein Integral gebildet wird, indem die in diesem Zeitintervall erzeugte Leistung abzüglich der zum Intervallende abgeführten, mit einem Faktor multiplizierten Leistung aufintegriert wird, und daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts durch das Integral die Steuerung des Reaktors betätigt wird.

Es können exakt und sehr schnell Abweichungen der im Core erzeugten Energiemenge von der Soll-Energiemenge erkannt werden, was sehr wesentlich ist, da diese Energiemengendifferenz die eigentliche Ursache für eine Beeinträchtigung von Reaktorkomponenten ist. Nicht eine kurzfristige Erhöhung der Temperatur oder des Druckes führt zu einer Beeinträchtigung von Reaktorkomponenten, sondern eine langfristig vorhandene, vom Sollwert abweichende Energiemenge. Außerdem kann vor der Auslösung des Abschaltvorgangs eine Gegenmaßnahme zum Ausgleich der Störung durchgeführt werden. In der praktischen Durchführung wird die erzeugte Leistung des Cores über der augenblicklich abgeführten Leistung aufintegriert d. h. es wird kontinuierlich das Integral



gebildet, wobei QERZ(t) die im Core in der Zeitspanne Δt erzeugte Leistung und QAB(τ) der zum Zeitpunkt τ vorhandene Leistungspegel der abgeführten Leistung ist und k ein Faktor, der die Verluste bzw. den Wirkungsgrad berücksichtigt. Da der im Core vorhandene Neutronenfluß proportional zur Coreleistung ist, genügt es, wenn die erzeugte Leistung durch Neutronenflußmessungen bestimmt wird. Die abgeführte Leistung kann ermittelt werden aus der vom Core an die DE angegebenen Leistung, aus der DE-Leistung oder auch aus der Turbinenleistung. Dabei müssen insbesondere bei der Turbinenleistung die Verluste bzw. entsprechenden Wirkungsgrade berücksichtigt werden. Dadurch, daß die Messung der erzeugten Leistung an der Stelle des Reaktors vorgenommen wird, an der die Leistung entsteht, die Messung über den am schnellsten erfaßbaren Neutronenfluß durchgeführt wird und ständig eventuelle Abweichungen der erzeugten Leistung zu einer abgeführten Leistung überwacht werden, ist die schnellere Erfassung wirklicher im Core entstehender Energiemengen möglich und es können in kürzerer Zeit Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Außerdem wird ausgeschlossen, daß vermeintliche Störungen, die eine Erhöhung der Energie im Core nicht zur Folge haben, in ihrer Größe richtiger bestimmt werden können und der Störungsgröße genau angepaßte Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, ohne daß der Reaktor abgeschaltet wird.

Eine Übertragung des oben geschilderten bekannten Verfahrens für Druckwasserreaktoren auf Hochtemperatur-Kernreaktoren würde den angestrebten Erfolg nicht bringen. Ein Druckwasserreaktor hat zwar ebenfalls eine große Wärmekapazität; diese ist jedoch - insbesondere bei Vollastbetrieb - nicht nutzbar, da die betrieblichen Brennelementtemperaturen sehr nahe an den zulässigen Grenzwerten liegen. Die Temperatur des Reaktors, die direkt an den Brennelementen gemessen wird, folgt praktisch unverzögert dem Neutronenfluß, der ein Maß für den Augenblickswert der erzeugten Leistung ist. Dieser Augenblickswert kann nach kurzer Speicherung mit dem Wert der abgeführten Leistung verglichen werden. Eine nennenswerte Überschreitung der Nennleistung, wie sie gebraucht wird, um in einer vernünftigen Zeit auf 100% zu regeln, ist nicht möglich, da sonst die zulässige Temperatur der Brennelemente überschritten würde. So werden in der DE-AS 20 13 346 105% für die Reaktorleistungsbegrenzung und 115% für die Reaktorschnellabschaltung genannt (siehe Spalte 5, Zeile 45 bis 47). Der Reaktorschutz wird somit bei 115% Nennleistung ausgelöst.

Die Wärmekapazität eines Hochtemperaturreaktors ist gegenüber der eines Druckwasserreaktors jedoch voll nutzbar, weil die Betriebstemperaturen der Brennelemente und der sie umgebenden Graphiteinbauten weit unterhalb der zulässigen Werte liegen. Wenn z. B. bei Nennleistung eine Absorberstabgruppe fehlerhaft ausfährt, wird die Temperatur steigen und den Kern über seine Betriebstemperatur aufheizen. Da die Temperaturen der Brennelemente bei einem Hochtemperaturreaktor mit einer Brennelementschüttung nicht meßbar sind (wegen der Mobilität der Brennelementkugeln und der hohen Temperatur), kann ein Überheizen des Kerns erst bei der Messung der Kühlgastemperatur festgestellt werden. Dann aber ist der Kern bereits aufgeheizt mit allen daraus resultierenden unerwünschten Beanspruchungen des Heizgastraktes und der Dampferzeuger sowie der Folge des Zeitverlustes durch das Zurückfahren der Anlage in den normalen Betriebstemperaturzustand.

Wie bei einem Druckwasserreaktor ließe sich auch bei einem Hochtemperaturreaktor der Neutronenfluß entsprechend einer Leistung von 115% Nennleistung begrenzen. Damit ginge jedoch der Vorteil der sehr guten Regelfähigkeit im oberen Leistungsbereich verloren. Wünschenswert wäre eine Begrenzung auf 150% Nennleistung. Bei einer ausgeführten Hochtemperaturreaktoranlage liegt die Schnellabschaltung z. Zt. bei 140% Nennleistung.

Dies ist erforderlich, um die Zahl der durch Störeinflüsse verursachten Fehlauslösungen einzudämmen.

Gemäß der Erfindung wird nun nicht nur ein Mittelwert der erzeugten Leistung gebildet, sondern es wird eine Integration durchgeführt, bei der nur die erzeugte Leistung aufintegriert wird, die in einem vergangenen Zeitintervall über der am Intervallendpunkt abgegebenen augenblicklichen Leistung liegt. Die erzeugte Leistung, die unterhalb der abgegebenen augenblicklichen Leistung liegt, wird in das Integral nicht einbezogen. Das so ermittelte Integral (in der Fig. 1 durch die schraffierte Fläche dargestellt) entspricht der Aufheizgeschwindigkeit des Reaktorkerns. Es gibt die Arbeit oder die Wärmemenge an, die der Wärmekapazität des Reaktorkerns in dem betrachteten Zeitintervall zugeführt wird. Aus dieser Aufheizgeschwindigkeit kann man nicht nur erkennen, daß der Reaktorkern aufgeheizt wird, sondern es läßt sich auch ein entsprechendes Signal für die Einleitung einer Steuermaßnahme gewinnen. Bei Überschreitung einer vorgegebenen Wärmemenge kann so z. B. die Abschaltung des Hochtemperaturreaktors ausgelöst werden. Die Abschaltung erfolgt damit nicht nach einer fehlerhaften Aufheizung des Reaktorkerns, sondern bereits bei Beginn der fehlerhaften Aufheizung.

Es kann eine Grenzwertgröße des Integrals vorgegeben werden, die, wenn sie überschritten wird, ein Signal zur Abschaltung des Reaktors gibt. Es ist aber auch möglich, die Grenzwertgröße so festzulegen, daß wenn sie überschritten wird, nicht die sofortige Abschaltung des Reaktors, sondern eine Betätigung der Steuer- und/oder Regeleinrichtungen des Reaktors so lange hervorruft, bis die Störung aufgehoben ist. Weiterhin ist auch eine Kombination der obigen Grenzwerte in der Weise möglich, daß zunächst eine Betätigung der Steuer- und/oder Regeleinrichtungen erfolgt und wenn dies nicht für die Behebung der Störung ausreicht und der zweite Grenzwert überschritten wird, eine Abschaltung des Reaktors eingeleitet wird.

Da das gebildete Integral bei vermeintlichen, kurzfristigen Störfällen oder Überschwingungen in der Regel sehr klein ist, erfolgt in diesen Fällen keine Abschaltung des Reaktors. Eine Abschaltung des Reaktors erfolgt jedoch dann, wenn die durch das Integral gegebene Energiemenge auch bei geringfügig höherem Neutronenfluß den vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Reaktorschutzsystem des Kernreaktors mit Meßeinrichtungen für die Messung der im Core erzeugten Leistung und für die Messung der durch den Primärkreislauf, den Sekundärkreislauf oder einer Turbine abgeführten Leistung versehen; außerdem ist ein Rechner vorgesehen, der fortlaufend das Integral der durch das Core erzeugten Leistung über dem zur gleichen Zeit gegebenen Niveau der im Primär- oder Sekundärkreis des Reaktors abgeführten Leistung aufintegriert und daraus ein Steuersignal bildet. Das Reaktorschutzsystem kann mit den heute üblichen Meßeinrichtungen, Signal- oder Steuergebern ausgestattet sein. Sofern neben der reinen Abschaltung des Reaktors eine voraufgehende Steuerung vorgesehen werden soll, können für diese Maßnahme gesonderte Meßeinrichtungen mit Signal- und Steuergebern angeordnet werden.

Das vorgeschlagene Verfahren kann auch bei Reaktoren, die bereits mit einem kompletten Abschaltsystem einschließlich Reaktorschutzsystem ausgestattet sind, angewendet werden. Das Verfahren kann dann vorzugsweise als Steuer- oder Regelverfahren dem Abschaltvorgang vorgeschaltet werden. Auf diese Weise können die meisten vermeintlichen Störfälle oder auch geringfügigen Störfälle bereits vor einer Abschaltung des Reaktors abgefangen werden. Außerdem können die vorgegebenen Grenzwerte des bereits bestehenden Abschaltsystems erhöht werden, so daß auch hierdurch eine Reihe von Abschaltungen vermieden werden.

Anhand des nachstehenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 im Diagramm die erzeugte und abgeführte Leistung aufgetragen über der Zeit und

Fig. 2 den Neutronenfluß/Leistung über die Zeit bei angenommenem Störfall aus dem stationären Vollastzustand.

In der Fig. 1 ist die Leistung Q über die Zeit t im Diagramm aufgetragen. Es wird angenommen, daß die Leistung von Teillast (40%) auf Vollast (100%) geändert wird. Durch entsprechende bekannte Maßnahmen wird die erzeugte Leistung QERZ im Core angehoben (Kurve a). Die an der Turbine abgeführte Leistung kQAB folgt verzögert nach (Kurve b). Die bis zur Einleitung der Steuermaßnahme auf gleichem Niveau liegenden Leistungskurven differieren und die von den Kurven a und b eingeschlossene Fläche stellt die Energie dar, die erforderlich ist um den Reaktor auf das gewollte Leistungsniveau anzuheben. Um eine zu schnelle Änderung der Energiemenge und evtl. damit verbundene zu hohe Belastung von Reaktorkomponenten zu vermeiden, darf die Leistungsdifferenz zwischen QERZ und kQAB nicht zu groß werden. Auf dieser grundsätzlichen Erkenntnis basiert die Erfindung, derzufolge ständig das oben bezeichnete Integral J gebildet wird, das die von der Kurve a, der den Zeitpunkt τ darstellenden Geraden x und der den zu der gleichen Zeit gegebenen Leistungspegel kQAB darstellenden Geraden y eingeschlossene Energie ist. Wenn das Integral J einen vorgegebenen Wert überschreitet, so werden entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet. Es entsteht dann ein erheblich größeres Integral, d. h. eine erheblich größere Energiemenge, die bei den üblichen Temperatur- und Druckmessungen im Primär- bzw. Sekundärkreislauf nicht sofort erfaßt wird. Von den Grenzwertgebern der Neutronenflußmessung wird diese Leistung auch nicht erfaßt, da der vom Neutronenfluß her gegebene Grenzwert unter Umständen noch nicht überschritten ist. Das bekannte Reaktorschutzsystem ist so ausgelegt, daß die aufgetretene Energiemenge durch Temperatur- bzw. Druckanzeige in jedem Fall erkannt wird und der Reaktor abgeschaltet wird, jedoch ist dieses Erkennen verzögert und bis zum Erkennen können bereits erhebliche Mengen an Energie im Core erzeugt worden sein, die abzuführen sind. Durch das neue Verfahren wird die im Core erzeugte Energiemenge wesentlich früher erkannt, ihre Größe gemessen und dadurch können auch Gegenmaßnahmen wesentlich früher eingeleitet werden. Diese Gegenmaßnahmen beruhen vorzugsweise auf einer Rückregelung der Coreleistung ohne sofortiges Abschalten. Es wird lediglich die Störgröße kompensiert, indem z. B. die Corestäbe eingefahren werden. Durch das Einfahren von Absorberstäben um einen bestimmten Betrag kann eine exakte Kompensation der überschüssigen Energie erreicht werden. Eine sofortige Abschaltung wie bei den bisher bekannten Methoden ist nicht erforderlich, weil innerhalb der zulässigen Grenzen auf das Gleichgewicht von zu- und abgeführte Energie geachtet wird. Die frühe Erkennung der Störung in ihrer Größe und die damit verbundene frühere Einleitung von gezielten und angemessenen Gegenmaßnahmen vermeidet eine Überbeanspruchung der Reaktorkomponenten, sowohl dadurch, daß die zulässigen Maximalwerte nicht erreicht werden, als auch dadurch, daß die antizyklischen Temperaturspannbelastungen durch Abschalten/Abkühlen und Anfahren/Aufwärmen vermieden werden. Dieses führt schließlich zu einer erhöhten Lebensdauer der Reaktorkomponenten und einer geringeren Anzahl von Reparaturen mit allen darin enthaltenen Vorteilen.

Wenn infolge einer Störung das Integral aus der oben angeführten Gleichung einen bestimmten Betrag überschreitet, so wird als entsprechende Gegenmaßnahme ein oder mehrere Absorberstäbe eingefahren. Dieser Betrag des Integrals oder Grenzwert des Integrals, der eine im Core erzeugte Wärmemenge oder Arbeit darstellt, ist so zu bemessen, daß er größer ist als der Wert der bei einem normalen Regellastbetrieb durch die auftretenden Wärmeänderungen erreicht wird, wenn das Kraftwerk von einem niedrigeren Lastniveau auf ein höheres gefahren wird.

Beispielsweise wird angenommen, Fig. 2, daß bei einem gasgekühlten Kernreaktor mit 300 MWe der Neutronenflußgrenzwert Φ bei 140% normal liegt. Bei der Annahme einer Störung, bei der nach Kurve a1 eine störungsbedingte relativ rasche Steigerung des Neutronenflusses auf den Wert knapp unter 140% vorausgesetzt wird, wird bei diesem Reaktor bei Anwendung der üblichen Sicherheitssysteme der Störfall erst nach ca. 1,5 min über den Heißgastemperaturgrenzwert erkannt und entsprechende Abschaltmaßnahmen (Scram) eingeleitet. Das hierbei auftretende gemäß dem neuen Verfahren gebildete Integral J, schraffiert gezeichnet, erreicht dabei einen Wert von ca. 3000% · sec. Wenn der Grenzwert das Integral JGrenz = 1000% · sec festgelegt wird, so wird eine wesentlich frühere Erkennung des Störfalles erreicht, nämlich bereits nach ca. 0,5 min, gestrichelte Linie, und eine entsprechend frühere Einleitung von Gegenmaßnahmen kann vorgenommen werden. Grundsätzlich ist es möglich, den Grenzwert des Integrals weiter herabzusetzen und Störfälle in noch kürzerer Zeit zu erkennen. Dabei ist jedoch zu beachten, daß für den normalen Regellastbetrieb ein Regellastsystem im Reaktor bereits vorhanden ist, das einen bestimmten Störbereich überstreicht. Für die Ausregelung von instationären Vorgängen ist im Beispiel ein Wert von maximal 500% · sec notwendig. Zwischen dem maximalen Wert für den normalen Regellastbetrieb und dem Grenzwert für das Integral ist ein ausreichender Abstand zu halten, damit beide Systeme sich nicht beeinträchtigen. Die üblicherweise anzuwendenden Gegenmaßnahmen sind das Einfahren von Absorberstäben um einen bestimmten Betrag, der die im Core entstandene Reaktivitätsänderung und damit verbundene Temperaturerhöhung kompensiert. Die benutzten Stäbe können die betriebsmäßig vorgesehenen Regel- oder Steuerstäbe sein, es ist aber auch möglich, bestimmte vorher genau festzulegende Stäbe des Sicherheitssystems heranzuziehen. Letzteres erfolgt als vorgelagerte Gegenmaßnahme im Rahmen des Sicherheitssystems.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren für die Steuerung von Hochtemperatur-Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß ständig in an sich bekannter Weise die im Core erzeugte Leistung (QERZ) gemessen und über eine begrenzte Zeit gespeichert sowie die durch den Primär- oder Sekundärkreislauf abgeführte Leistung (QAB) gemessen wird, daß fortlaufend durch einen Rechner über ein Zeitintervall ein Integral gebildet wird, indem die in diesem Zeitintervall erzeugte Leistung abzüglich der zum Intervallende abgeführten, mit einem Faktor multiplizierten Leistung aufintegriert wird, und das bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts durch das Integral die Steuerung des Reaktors betätigt wird.
  2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch an sich bekannte Meßeinrichtungen für die Messung der im Core erzeugten Leistung und für die Messung der durch den Primär- oder Sekundärkreis abgeführten Leistung sowie durch einen Rechner, der fortlaufend das Integral J gemäß der Formel



    bildet, wobei QERZ(t) die im Core zur Zeit t erzeugte Leistung, QAB(τ) der zur Zeit τ vorhandene Leistungspegel der abgeführten Leistung und k ein Faktor ist, der die Verluste und/oder den Wirkungsgrad berücksichtigt, sowie weiterhin gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Steuereinrichtung, an die das von dem Rechner ermittelte Integral in Form eines Steuersignals gegeben wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen und der Rechner zusätzlich zu den betrieblichen Regel- und Steuereinrichtungen vorgesehen sind.






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