DE68906244T2

DE68906244T2 - Verfahren zur regelung eines druckwasserkernreaktors.

Info

Publication number: DE68906244T2
Application number: DE8989403096T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Leroy; Jean-Paul Millot; Michel Trouble
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1988-11-14
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2009-11-10
Also published as: EP0369865A1; DE68906244D1; KR900008536A; FR2639141B1; US5158738A; JPH02198392A; ZA898639B; FR2639141A1; EP0369865B1; KR0180718B1; CN1043032A

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung eines Druckwasserkernreaktors, von der Art, bei der die Position von Steuerstäben im Reaktorkern verändert wird, wenn ein Steuerparameter, der den Unterschied zwischen der Leistung des Kerns und der abgefragten Leistung darstellt (zum Beispiel die mittlere Kerntemperatur), ein festgelegtes, als "toten Bereich" bezeichnetes Intervall verläßt und bei dem die verschobenen Stäbe so ausgewählt werden, daß eine Verstärkung des Unterschieds zwischen der axialen Leistungsabweichung und einem Referenzwert vermieden wird; der Ausdruck "axiale Leistungsabweichung" bezeichnet das Verhältnis zwischen der Differenz der Neutronenflüsse in der oberen und der unteren Hälfte des Kerns und der Summe dieser Flüsse, oder einen anderen Parameter, der das Ungleichgewicht der Flüsse längs des Umlaufweges des Kühlwassers im Kern darstellt. Es ist bereits ein Regelungsverfahren der oben definierten Art bekannt (EP-A-00 51 542 oder FR-A-2 493 582). Die zur Regelung dienenden Stäbe enthalten ein Material, das Neutronen stark absorbiert, ohne spaltbare Isotope zu erzeugen (zum Beispiel Hafnium), in einer solchen Menge, daß die Stäbe eine ausreichende negative Reaktivität aufweisen, um eine Lastfolge zu bewirken (üblicherweise 1000 pcm¹, wenn die Stäbe vollständig in den Kern eingefährt sind). Die Stäbe bestehen im allgemeinen aus einem Bündel von Stiften, von denen jeder eine Hülle besitzt und die Pellets aus absorbierendem Material enthalten.
Das Dokument EP-A-00 51 542 schlägt folgendes Regelungsgesetz vor:
wenn der Steuerparameter außerhalb des toten Bereichs liegt, wird in Abhängigkeit von Betrag und Vorzeichen des Parameters die Richtung und Geschwindigkeit bestimmt, mit der eine Gruppe von Stäben zu bewegen ist, die in Abhängigkeit von der axialen Abweichung ausgewählt wird, um eine Abweichung der letzteren von ihrem Referenzwert zu vermeiden; ¹pro centum mille, 1/100000
wenn der Steuerparameter innerhalb des toten Bereichs liegt, wird nur dann eine Gruppe von Stäben bewegt, um die axiale Abweichung zu verringern, wenn der Unterschied zwischen letzterer und dem Referenzwert eine festgelegte Schwelle überschreitet, in diesem Fall wird die Bewegung durch eine Veränderung der Borkonzentration kompensiert.
Dieses Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik erfordert neben der Verwendung der Steuerstäbe (und von Anhaltestäben, die im Normalbetrieb immer aus dem Kern herausgezogen sind und nur zum Anhalten und zur Erhaltung des Haltezustands des Reaktors eingeführt werden) die Verwendung von Bor in Form einer im als Kühlmittel verwendeten Wasser löslichen Verbindung; der Borgehalt wird verändert, um die Abnahme der Reaktivität zu kompensieren, die insbesondere aus der fortschreitenden Erschöpfung des Brennstoffs folgt, und um im Falle eines schweren Unfalls die negative Reaktivität stark zu erhöhen. Die Anfangskonzentration muß folglich sehr hoch sein.
Oft wird die Änderung des Borgehalts des Wassers benutzt, um die Leistung des Reaktors zu regeln und insbesondere, um die Veränderungen der Xenonvergiftung zu kompensieren, die Steuerstäbe werden dann nur bewegt, um die Reaktivität bei schnellen Betriebs änderungen zu variieren.
Die Verwendung von in dem als Primärkühlmittel verwendeten Wasser gelöst ein Bor hat Vorteile. Die mit ihm verbundene negative Reaktivität wird gleichmäßig im Kern verteilt. Im Gegenzug hat sie auch schwere Nachteile. Die Anwesenheit des Bors führt zu einer großen Produktion von Abwässern, die in einer komplexen Anlage behandelt weren müssen. Die Borsäure korrodiert bestimmte Materialien, insbesondere die Hüllen aus einer Legierung auf Zirkonbasis.
Ein anderer Nachteil ist mit der Tatsache verbundern, daß es gefährlich wäre, sich nur auf die Einspritzung von Bor zu verlassen, um den Reaktor im Falle einer schweren Störung zu anzuhalten, denn aufgrund seiner Konstruktion hat das Einspritzsystem für das lösliche Bor eine große Zeitkonstante. Auch wenn das lösliche Bor als Hauptsteuerungselement verwendet wird, ist es deswegen nicht weniger wichtig, daß die absorbierenden Stäbe eine ausreichende negative Reaktivität haben, um den Nothalt des Reaktors zu ermöglichen. Die Lastfolge macht es erforderlich, den Borgehalt schnell verringern zu können. Dies wird unmöglich, sobald der Borgehalt im Normalbetrieb aufgrund des Abbrands des Kerns auf einen niedrigen Wert gebracht wurde.
Es sind bereits Verfahren vorgeschlagen worden, die es ermöglichen, die dem als primäres Kühlmittel verwendeten Wasser zu gebende maximale Borkonzentration und/oder die Konzentrationsänderungen während des Betriebs zu verringern. Gemäß dem Dokument FR-A-2 547 447 werden Gruppen von Steuerstäben bewegt und gegebenenfalls die Konzentration von löslichem Bor im Primärkreislauf verändert, wenn der Reaktor von einem Zustand φ, der die wirkliche axiale Verteilung und Leistung des Reaktors ausdrückt, in einen Sollzustand φc gebracht werden muß, in Abhängigkeit von den Ergebnissen einer Rechnung. Diese Rechnung besteht darin, die den externen Parametern (insbesondere der Position der Steuerbündel und der Borkonzentration) zu gebenden Änderungen durch eine Iterationsrechnung zu bestimmen, die die Aufstellung einer Kopplungsrelation zwischen den externen Parametern und dem Zustand des Reaktors in Abhängigkeit von nicht steuerbaren internen Parametern wie dem Moderationskoeffizienten impliziert. Wenn diese Kopplungsrelation einmal bestimmt ist, werden die optimalen Änderungen der externen Parameter bestimmt, die es ermöglichen, sich dem Sollzustand φc anzunähern. Doch legt das Dokument FR-A-2 547 447 nicht dar, wie man die Kopplungsrelation bestimmen kann und scheint nur die axiale Verteilung der Leistung in Betracht zu ziehen, wohingegen es jedoch wichtig ist, die radiale Verteilung der Leistung und insbesondere das Risiko des Auftretens von Leistungsspitzen nicht zu vernachlässigen.
Eine andere Lösung, die es ermöglicht, die zur Kompensation der Erschöpfung des Brennstoffs nötigen Änderungen der Borkonzentration und damit den anfänglichen Borgehalt zu verringern, beteht darin, das Energiespektrum der Neutronen im Laufe eines Funktionszyklus des Kerns zu verändern, ausgehend von einem epithermischen Spektrum. Das Dokument FR-A-2 496 319 macht ein solches Verfahren bekannt, gemäß dem "graue" Stäbe, das heißt solche mit mäßiger Neutronenabsorption, in dem Maße herausgezogen werden, wie der Kern sich erschöpft. Der Platz dieser Stäbe wird dann von Wasser eingenommen, das das Moderationsverhältnis erhöht und das Energiespektrum der Neutronen dem thermischen Bereich annähert. Die Leistung des Reaktors wird mit Hilfe von "schwarzen" Stäben geregelt. Zu diesem Zweck mißt man den örtlichen Neutronenfluß in mehreren Bereichen des Kerns mit in großer Zahl angebrachten ortsfesten Detektoren und wählt die Kombination von Stabbewegungen, die die erforderliche Änderung der Reaktivität bei minimaler Störung des Profils der Leistungsverteilung ergibt, in Abhängigkeit von der abgefragten Leistung. Dieses Verfahren impliziert eine äußerst komplexe Rechnung, die die Meßwerte einer sehr großen Zahl von im Kern angebrachten Flußdetektoren verwendet, doch trotzdem ermöglicht es dieses Verfahren nicht, die Verwendung von Bor im Zustand einer löslichen Verbindung zur Regelung des Reaktors überflüssig zu machen.
Die Erfindung zielt insbesondere darauf, ein Verfahren zur Regelung eines Druckwasserreaktors der oben definierten Art zu liefern, das es ermöglicht, Änderungen in der abgefragten Leistung ohne Änderung des Borgehalts des als primäres Kühlmittel verwendeten Wassers zu folgen, wobei der Borgehalt auch Null sein kann. Insbesondere zielt sie darauf, es zu ermöglichen, daß gleichzeitig der Steuerparameter in der Nähe seines Sollwerts gehalten werden kann, zum Beispiel indem die mittlere Temperatur in der Nähe einer Referenztemperatur gehalten wird, und die axiale Leistungsabweichung in der Nähe ihres Referenzwerts gehalten werden kann, und zwar ohne Änderung des Gehalts an löslichem Bor im Normalbetrieb, einschließlich des Anhaltens bei mittlerer Temperatur. Außerdem zielt sie darauf, Störungen der radialen Leistungsverteilung zu vermeiden, um die oben angegebenen Ergebnisse zu erreichen.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung insbesondere ein Verfahren der oben definierten Art vor, bei dem - wobei die absorbierenden Regelungsstäbe eine ausreichende negative Reaktivität haben, um die Gesamtheit der Reaktivitätsänderungen zu kompensieren, die im Laufe des Normalbetriebs des Reaktors und im Falle eines Zwischenfalls, der den Nothalt des Reaktors erfordert, während das Kühlmittel bei seiner normalen Arbeitstemperatur ist, auftreten - wenn der Steuerparameter den toten Bereich verläßt und/oder die Abweichung der axialen Leistungsverteilung einen Referenzwert überschreitet, durch einen Simulationsprozess diejenigen der Bündel bestimmt werden, die bewegt werden müssen, um den Steuerparameter und/oder die Abweichung auf ihre normalen Werte zurückzuführen, unter Minimierung eines Enthalpie-Erhöhungsfaktors im Kern, wobei die Enthalpieerhöhung als die Differenz zwischen dem Wert der Enthalpie (polynomiale Funktion der Temperatur) am Ausgang des Kerns und der Enthalpie am Eingang des Kerns, eventuell zu einem früheren Zeitpunkt, und der Enthalpie-Erhöhungsfaktor als das Verhältnis zwischen dem Maximalwert der Erhöhung und ihrem Mittelwert im Kern (oder in einem vorher festgelegten Bereich des Kerns) definiert ist.
Die Betriebssicherheit des Reaktors erfordert eine Redundanz der Vorrichtungen, die die Kompensation der Reaktivitätsänderungen und das Anhalten der Neutronenreaktion ermöglichen, für den Fall des Ausfallens einzelner Stäbe. Im Falle einer Regelung ohne Bor kann dieses Ergebnis insbesondere erreicht werden, indem einerseits "schwarze" Stäbe vorgesehen werden, die nur dazu dienen, den Halt des Reaktors zu hervorzurufen und die im Normalbetrieb vollständig aus dem Kern herausgezogen sind, andererseits, indem "graue" Steuerstäbe vorgesehen werden, das heißt solche, deren individuelle negative Reaktivität zwischen der der "transparenten" Stäbe aus schwach neutronenabsorbierendem Material und der der schwarzen Stäbe liegt, und die völlig unabhängige Bedienungssysteme haben: Wenn global die "grauen" Stäbe eine ausreichende negative Reaktivität haben, ist eine Redundanz hergestellt, so daß der Nothalt auch im Falle der Betriebsstörung eines Systems möglich bleibt.
Im Falle eines Reaktors mit veränderlichem Spektrum muß darüberhinaus die Summe der negativen Reaktivität der Haltestäbe und der negativen Reaktivitäten der Steuerstäbe ausreichend sein, um, wenn alle diese Stäbe in den Kern eingeführt sind, den Halt auch dann aufrechtzuerhalten, wenn die Temperatur des als Kühlmittel verwendeten Wassers vom Wert des Normalbetriebs auf einen mittleren Wert abgenommen hat. Die Einspritzung von Bor ist nur noch nötig, um den Reaktorhalt aufrechtzuerhalten, wenn das Kühlmittel kalt ist.
Aufgrund der Tatsache, daß hierbei eine große Anzahl von "grauen" Steuerstäben (die im allgemeinen eine ungefähr halb so große negative Reaktivität wie die schwarzen Stäbe, von zum Beispiel 75 pcm statt 150 pcm haben) nötig wird, ist es vorteilhaft, die Stäbe in zwei Sätze aufzuteilen, wobei jeder Stab eines Satzes (oder sein Steuermechanismus) koaxial zu einem Stab des anderen Satzes (oder seinem Steuermechanismus) liegt. Man verringert so die Zahl der nötigen Durchbrechungen im Deckel des Reaktorbehälters.
Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren besitzt zahlreiche Vorteile. Aufgrund der Tatsache, daß sich im Normalbetrieb kein Bor mehr oder nur noch wenig Bor im Wasser befindet, ist der Koeffizient der Reaktivitätsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur immer stark negativ, was bei allen Unfällen nützlich ist, die dazu neigen, die Temperatur des Kerns zu erhöhen. Darüberhinaus bewirkt der große Wert der negativen Reaktivität der Bündel, daß im Falle eines Bruchs im Dampfleitungssystem kein Risiko des Kritischwerdens des Reaktors mehr besteht. Die Tritiumproduktion ist verringert. Die primären Abwässer sind verringert. Die gewählte Art der Bestimmung des zu bewegenden Stabes (oder der zu bewegenden Stäbe) ermöglicht es, die Spitzenfaktoren der radialen Verteilung des Neutronenflusses zu vermeiden oder zu abzuschwächen und dabei einen Betrieb des Reaktors in Lastfolge zu ermöglichen.
Die Erfindung ist besser zu verstehen beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens, das eine besondere Ausführung der Erfindung ist und als nicht einschränkendes Beispiel gegeben wird. Die Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, in denen
die Figur 1 ein Schema ist, das die Verteilung der verschiedenen Plätze der Steuerstäbe in einem Bruchteil des horizontalen Querschnitts durch den Kern eines repräsentativen Reaktors zeigt;
die Figur 2 eine Kurve ist, die die in einen Reaktorkern einzuführende negative Reaktivität während eines beispielhaft gewählten Zyklus zeigt;
die Figuren 3A, 3B und 3C Diagramme sind, die jeweils Beispiele geben fär die Änderungen der axialen Leistungsabweichung, des Enthalpie-Erhöhungsfaktors FΔH und der Position der Regelungsstäbe in einem der sechs Winkelsektoren des Reaktors aus Figur 1, entsprechend der in den Kern einzuführenden negativen Reaktivität;
die Figur 4 eine mögliche, von der in Figur 3C gezeigten verschiedene Verteilung der Regelungsstäbe in Abhängigkeit von der eingefährten Reaktivität zeigt;
die Figur 5 ein Beispiel ist für eine Kurve, die den Enthalpie-Erhöhungsfaktor FΔH (Verhältnis der Enthalpieerhöhung im heißesten Kanal zum Mittelwert über alle Kanäle) in dem heißesten Brennelementbündel eines Sektors darstellt, in Abhängigkeit von ΔH;
die Figur 6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm für die Anwendung des Verfahrens ist;
die Figur 7, ähnlich der Figur 6, eine Abwandlung der Anwendung zeigt;
die Figur 8 ein Schema ist, das noch eine Abwandlung der Anwendung zeigt, die es ermöglicht, die radialen Ungleichgewichte zu verringern.
Das Anwendungsbeispiel der Erfindung, das im folgenden beschrieben wird, kann als repräsentativ angesehen werden für die Anwendung des Verfahrens auf einen Druckwasserreaktor, mit einer Leistung von zum Beispiel 1300 MW, dessen Kern aus nebeneinandergesetzten Brennstoffanordnungen von sechseckigem Querschnitt gebildet ist. Es soll hier nicht die allgemeine Beschaffenheit des Reaktors beschrieben werden, die ähnlich der von gegenwärtig untersuchten Druckwasserreaktoren wie insbesondere dem im Dokument EP-A-0 231 710 beschriebenen sein kann, obwohl die Erfindung ebenfalls auf einen Kern mit quadratischem Gitter anwendbar ist.
Der Kern kann als aus sechs Winkelsektoren bestehend angesehen werden, die alle dieselbe Beschaffenheit haben, und aus diesem Grund werden nur zwei Sektoren vollständig in der Figur 1 gezeigt.
Jeder Sektor umfaßt neununddreißig Brennelementbündel (unter Vernachlässigung des zentralen Brennelementbündels des Kerns), von denen jeder von einem Mechanismus zur Einführung der Steuerstäbe überdeckt wird. Die acht Plätze 10, die durch weiße Sechsecke bezeichnet werden, sind zur Aufnahme der zum Anhalten der Neutronen dienenden Stäbe bestimmt, die als "schwarze" Stäbe bezeichnet werden, weil sie die Neutronen stark absorbieren. Der Reaktor umfaßt also insgesamt neunundvierzig Haltestäbe, die für sich allein ausreichend sind, um den heißen Reaktor anzuhalten. Die Stäbe bestehen im allgemeinen jeder aus einem Bündel von Stiften, von denen jeder eine Hülle besitzt, die vorgesehen sind, in Führungsrohre in dem zugehörigen Brennelementbündel eingeführt zu werden, und die Pellets aus absorbierendem Material enthalten. Man sieht, daß der Reaktor insgesamt neunundvierzig Haltebündel umfaßt, die im Normalbetrieb des letzteren vollständig aus dem Kern herausgezogen (das heißt im oberen Innenbereich des Reaktors enthalten) sind. Jeder Sektor besitzt außerdem zwanzig Brennelementbündelplätze 12, die zur Aufnahme von Stäben vorgesehen sind, die nach einer Betriebsdauer, die einem Bruchteil der Gesamtdauer eines Zyklus entspricht, aus dem Kern herausgezogen sind. Die für die zwanzig Plätze 12 vorgesehenen Stäbe enthalten abbrennbares Gift, dessen fortschreitender Abbau die Erschöpfung des Brennstoffs im Laufe einer Anfangsphase des Betriebs kompensiert. Die Bündel werden nicht notwendigerweise alle zusammen entfernt. In Abhängigkeit von der Erschöpfung des Brennstoffs wird eine erste Gruppe von Bündeln 12 entfernt. Anschließend wird nach einer mehr oder weniger großen Verzögerung eine zweite Gruppe Bündel entfernt. Die Gruppen von Bündeln werden in einer Weise bestimmt, daß die radiale Leistungsverteilung nicht gestört wird. Der Einführungsgrad der Bündel 12 mit abbrennbarem Gift ist von der Brennstofführung unabhängig und kann so gewählt werden, daß die radiale Leistungsverteilung so konstant wie möglich wird. Es wird daher hier nicht die Steuerungsweise dieser Bündel beschrieben. Es muß nur erwähnt werden, daß sie es außerdem ermöglichen, das Energiespektrum der Neutronen zu verändern: Wenn sie aus dem Kern herausgezogen sind, dringt Wasser in die Führungsrohre ein, in denen sie vorher enthalten waren, wodurch das Moderationsverhältnis des Kerns erhöht wird. Dieser Effekt einer Änderung des Neutronenspektrums hin zu niedrigen Energien wird verstärkt, wenn die Bündel brütbares Material enthalten, so wie zum Beispiel im Dokument EP-A-0 231 710 beschrieben ist.
Die Plätze 14 schließlich, die in der Figur 1 als schraffierte Sechsecke dargestellt sind, sind zur Aufnahme der Steuerstäbe bestimmt. Auch diese Stäbe bestehen aus Bündeln absorbierender Stifte. Um die Zahl der zur Steuerung der Bewegung aller Stäbe notwendigen Durchbrechungen im Deckel zu verringern, ist es vorteilhaft, an jedem Platz 14 zwei unabhängige Stäbe vorzusehen und sie über zwei koaxial oder Seite an Seite angebrachte Mechanismen zu steuern. Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, zwei Steuerstäbe, die denselben Platz im Kern besetzen, unabhängig zu steuern. Manche Anordnungen ermöglichen eine vollständige Unabhängigkeit der Bewegung. Häufiger unterliegt die Anordnung jedoch aus Gründen der Einfachheit einer Einschränkung: Einer der beiden Stäbe, der vorher festgelegt wird, muß immer einen geringeren Grad der Einführung in den Kern haben als der andere Stab (oder kann sogar nur dann abgesenkt werden, wenn der andere vollständig in den Kern eingeführt ist).
Im in Figur 1 gezeigten Fall sieht man, daß jeder Sektor des Kerns sechs regelmäßig verteilte Plätze 14 umfaßt, jeder davon für einen Satz von zwei Steuerstäben.
Die Figur 2 gibt ein Beispiel, das die maximale Veränderung der gesamten negativen Reaktivität im Kern zeigt, die durch Einführen und Herausziehen der Regelungsstäbe verfügbar sein muß. Die Figur 2 entspricht einem Fall, wo die vorzusehende gesamte negative Reaktivität sich folgendermaßen zusammensetzt, für einen neuen Kern am Anfang der Brennzeit:
Verbrennungsreserve (nach Abzug des Effekts des abbrennbaren Gifts) 1000 pcm
Regelungsspielraum 500 pcm
Spielraum des Leistungsbetriebs 2000 pcm
Kompensation der Xenonvergiftung 2000 pcm
Die Verbrennungsreserve von 1000 pcm, die dazu bestimmt ist, die Nutzung des Reaktors bei 100% seiner Nennleistung zu ermöglichen, wird, wenn der Kern neu ist, durch die an den Plätzen 12 angebrachten 6 x 20 Bündel abbrennbaren Giftes kompensiert. Wenn der Kern neu ist, tritt keine Xenonvergiftung auf, und es sind die an den Plätzen 14 angebrachten Regelungsstäbe, die die der maximalen Xenonvergiftung entsprechende negative Reaktivität liefern müssen. Infolgedessen müssen die Regelungsstäbe eine negative Reaktivität von mindestens 5500 pcm darstellen. Die Figur 2 zeigt als Beispiel eine repräsentative Entwicklung, die so im Laufe der Zeit vorkommen kann, bei der nacheinander auftreten:
Betrieb bei 100% der Nennleistung, mit Xenonsättigung (Punkt A);
Übergang auf 50% der Nennleistung (Punkt B);
Aufrechterhalten der 50% der Nennleistung, begleitet von einer Änderung der negativen Reaktivität aufgrund des Xenons (Punkt C);
Rückkehr auf 100% der Nennleistung ohne Änderung des Xenongehalts (Punkt D);
fortschreitende Abnahme der durch das Xenon verursachten negativen Reaktivität (Punkt E).
Es werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren 3A, 3B, 3C die Bedingungen für die Anwendung eines erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens für den Fall beschrieben, daß es darauf abzielt,
den Steuerparameter, der aus der Differenz zwischen der wirklichen Temperatur am Ausgang des Kerns und einer Solltemperatur besteht, in einem toten Bereich von + oder - 3º C zu halten;
den Abstand zwischen der wirklichen axialen Abweichung und der zugehörigen Referenzabweichung in einem Bereich von ± 3% zu halten (Figur 3A);
den Enthalpie-Erhöhungsfaktor FΔH auf einem minimalen Wert und in jedem Fall unter 1,3 zu halten (Figur 3B).
Die Enthalpie-Erhöhung ΔH kann entweder für ein einzelnes Breunelementbündel oder einen Bruchteil des Kerns, oder auch für den ganzen Kern berechnet werden. Für die betrachtete Einheit (Brennelementbündel, Bruchteil des Kerns oder Kern) kann die Enthalpie-Erhöhung ΔH aus den Eingangs- und Ausgangstemperaturen des Wassers über eine Polynomfunktion zweiten Grades oder dritten Grades der Temperatur berechnet werden, je nach angestrebter Genauigkeit. Die verglichenen Eingangs- und Ausgangstemperaturen sind nicht notwendigerweise die, die zur gleichen Zeit gemessen werden, sofern man die Durchgangszeit des als Kühlmittel verwendeten Wassers durch die betrachtete Einheit berücksichtigen will.
Die Figur 3C zeigt für den Fall, daß die Regelung es ermöglichen soll, den Abstand der axialen Abweichung auf einem Wert unterhalb von + oder -3% zu halten, die möglichen Änderungen der in den Kern eingeführten negativen Reaktivität, für den Fall, daß die Regelungsstäbe oder -bündel die in Figur 1 gezeigte Anordnung haben. In dieser Figur sind entsprechend der Figur 3C die sechs Plätze der Regelungsbündel mit den Zahlen 1 bis 6 bezeichnet. Diese Zahlen sind für die weiter in den Kern eingeführten Stäbe mit dem Index a, für die weniger weit in den Kern eingeführten Stäbe aus einem Satz von zwei Stäben mit dem Index b belegt. Man sieht, daß solange die einzuführende negative Reaktivität 2000 pcm nicht überschreitet, nur die Stäbe a eingeführt sind. Darüber ist es notwendig, die Stäbe a und b zu verwenden, um den Abstand der axialen Abweichung zwischen 17 und 20% zu halten: die Anderung dieses Abstands ist in Figur 3A gezeigt. Man sieht in dieser Figur bei einer negativen Reaktivität von ungefähr 3000 pcm eine unstetige Entwicklung des Abstands der axialen Abweichung, die notwendig ist, um den Enthalpie-Erhöhungsfaktor FΔH wirklich minimal und auf jeden Fall unterhalb von 1,3 zu halten (Figur 3B).
Im folgenden wird ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Reaktor geschrieben, dessen Kern die in Figur 1 schematisch dargestellte Beschaffenheit hat, bei dem die Regelung unabhängig für jeden der sechs Sektoren durchgefährt wird und bei dem die einzuhaltenden Bedingungen die bei der Beschreibung der Figuren 3A und 3B bereits festgelegten sind.
Für einen vorgegebenen Reaktor kann man für jedes Brennelementbündel eine Beziehung festlegen, die den Enthalpie-Erhöhungsfaktor mit der Position der Stäbe des Sektors verknüpft. Insbesondere kann man den Enthalpie-Erhöhungsfaktor E=FΔH des heißesten Brennelementbündels durch eine Beziehung festlegen, die eine Linearkombination von vorberechneten "Einflußfunktionen" fij ist:
Ej = E0j + fij × (ri) (1)
wobei:
E0j den anfänglichen Enthalpie-Erhöhungsfaktor FΔH bezeichnet,
die Funktionen fij den Beitrag des Stabs j zu Ej für den Anfangszustand E0j bezeichnet,
die Terme ri die durch die Bewegung der Stäbe i hervorgerufenen Anderungen der negativen Reaktivität bezeichnet, mit i = 1a 1b, ..., 6b,
Ej den Faktor FΔH nach der Bewegung der Stäbe, die die Veränderungen ri hervorrufen, die im folgenden zur Vereinfachung mit 1a, 1b, ..., 6b bezeichnet werden.
Es kann notwendig sein, die Einflußfunktionen zu aktualisieren, wenn der Zustand des Reaktors sich stark verändert hat. Man kann hierzu eine on-line-Berechnung der Leistungsverteilung in drei Dimensionen durchführen.
Wie weiter oben erwähnt reagiert das erfindungsgemäße Regelungsverfahren auf jede Entwicklung des Steuerparameters, die ihn aus dem toten Bereich herausführt, durch die Veränderung der position von mindestens einem der Steuerstäbe, wobei die Amplitude und die Richtung der Bewegung zumindest so bestimmt sind, daß
der Steuerparameter ins Innere des toten Bereichs zurückgeführt wird,
der Abstand der axialen Abweichung im zugelassenen Bereich gehalten (oder dorthin zurückgeführt) wird (Figur 3A),
der Enthalpie-Erhöhungsfaktor optimiert wird.
Der erste durchzuführende Schritt besteht darin, die notwendige Änderung der negativen Reaktivität zu berechnen, um die mittlere Ausgangstemperatur des Sektors auf den Sollwert zurückzuführen; anschließend wird ein Simulationsprozess angewandt, der darauf abzielt, einen Stab (oder Stäbe) zu bestimmen, dessen (oder deren) Bewegung diese Veränderung unter Optimierung von FΔH verwirklicht. Zu diesem Zweck kann man sich insbesondere der im Ablaufdiagramm von Figur 6 dargestellten Strategie bedienen. Diese Strategie impliziert den Ablauf mehrerer Kommandoschleifen, bis der Abstand zwischen der erwarteten Änderung der Reaktivität und der notwendigen Änderung unterhalb eines gegebenen Werts liegt.
1. Der erste Schritt besteht in der zufälligen Auswahl
eines Stabes aus den sechs, oder allgemeiner, n, eines Sektors (wobei vorläufig angenommen wird, daß die sechs äquivalenten Stäbe in den sechs Sektoren im gleichen Maße bewegt werden);
einer beliebigen Bewegung aus allen Bewegungen (einschließlich Null) mit einer solchen Amplitude, daß sie eine Reaktivitätsänderung innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite um die notwendige Reaktivitätsänderung herum hervorrufen: zum Beispiel in dem in Figur 6 illustrierten Fall einer notwendigen Änderung von -5 pcm kann diese Bewegung eine beliebige aus all denen sein, die eine Änderung zwischen (-5 + 10) = +5 pcm und (- 5 - 10) = -15 pcm hervorrufen;
Anschließend wird durch die Rechnung überprüft, ob diese Bewegung den Abstand der axialen Abweichung nicht aus dem zugelassenen Bereich herausführt. Die Berechnung des Abstands der axialen Abweichung wird nach dem Beibehalt eines Stabes (oder einer Gruppe) und einer Bewegung durchgeführt. Wenn die Bedingung nicht erfüllt ist, wird die versuchte Bewegung unterlassen und ein neuer Stab und/oder eine neue Bewegung zufällig ausgewählt. Die Rechnung wird neu begonnen und wiederholt, bis die Bedingungen der axialen Verteilung eingehalten werden.
2. Wenn die Bedingung der axialen Verteilung erfüllt ist, wird die durch die Bewegung hervorgerufene Entwicklung Δ ( FΔH) des Enthalpie-Erhöhungsfaktors berechnet, gemäß der oben aufgeführten Formel (1). Wenn zum Beispiel der Anfangszustand E&sub0; ist und das Bündel 2a ausgewählt worden ist und die simulierte Bewegung seine negative Reaktivität von 2a auf 2a mod ändert, erhält man für das heißeste Brennelementbündel den Zustand E&sub1;:
E&sub1; = E&sub0; + f1a(1a) + ... + f2a(2amod) + ... + f6b(6b)
(a) Wenn E&sub1; - E&sub0; = Δ(FΔH) negativ oder null ist, wird die Bewegung als befriedigend angesehen und abgespeichert.
(b) Wenn Δ(FΔH) positiv ist, wird der Bewegung eine zwischen 0 und 1 liegende Wahrscheinlichkeit P zugewiesen, die vom Absolutbetrag vonΔ(FΔH) abhängt:
P = exp[-Δ(FΔH)/kT]
Diese Wahrscheinlichkeit P ist eine vom Boltzmanngesetz über die Verteilung der Energien in Abhängigkeit von der Temperatur abgeleitete Funktion, und aus diesem Grund wird die Konstante im Nenner der Exponentialfunktion mit kT bezeichnet.
Bei der Initialisierung des Verfahrens gibt man kT im allgemeinen einen sehr hohen Wert, so daß die negative Exponentialfunkion, die P angibt, einen Wert nahe bei 1 hat. In der Praxis wird man kT einen Wert geben, der den maximalen Wert von Δ(FΔH) um mindestens eine Größenordnung übersteigt. Sobald der Wert von P für den Wert von Δ(FΔH) = E&sub1; - E&sub0;, zu dem die versuchte Bewegung führt, durch die Rechnung bestimmt ist, wird eine Zahl zwischen 0 und 1 zufällig ausgewählt: der mittlere Anteil der positiven Bestimmungen, das heißt solche zwischen 0 und P, ist gleich dieser Wahrscheinlichkeit.
Wenn die Zufallsauswahl positiv ist, das heißt, wenn der zufällig gewählte Wert unter 0,8 ² liegt, wird der Wert E&sub1; als Nennwert angesehen.
Im umgekehrten Fall wird das Ergebnis nicht in Betracht gezogen, das heißt der versuchte Stab und/oder die versuchte Bewegung werden verworfen und ein neuer Stab und eine neue Bewegung zufällig ausgewählt, was dem Durchlauf einer neuen Schleife in der Figur 6 entspricht.
Im Initialzustand des Systems, bei dem die Wahrscheinlichkeit nahe bei 1 liegt, ergeben die zufälligen Auswahlen einer Zahl zwischen 0 und 1 fast alle ein positives Ergebnis. Vorteilhafterweise wendet das Verfahren daher eine Schaltung oder ein Rechenprogramm an, das die Beziehung zwischen der Anzahl posi-²Wahrscheinlich ist hier P gemeint.tiver Auswahlen und der Gesamtzahl der versuchten Bewegungen bestimmt. Wenn das Ergebnis zu oft günstig ist (zum Beispiel in über 90% der Fälle), wird kT um ein festgelegtes Inkrement verringert; wenn umgekehrt die Wahrscheinlichkeit zu gering ist (zum Beispiel unter 70%), wird kT um dasselbe oder ein anderes Inkrement erhöht.
Der Schritt wird wiederholt, bis ein Stab und eine Bewegung beibehalten werden; die beibehaltenen Werte und die zugehörige Änderung der Reaktivität werden dann abgespeichert.
Es ist notwendig, auch Bewegungen der Stäbe zu akzeptieren, die eine Erhöhung von FΔH bewirken können. In manchen Situationen ermöglicht keine Bewegung eine weitere Verringerung von FΔH.
Darüberhinaus ermöglicht dies die Inbetrachtziehung von Veränderungen, die nicht in die richtige Richtung zu führen scheinen, das System aus einem sekundären Minimum der Funktion (so wie sie in Figur 5 auftreten) herauszuführen, um ein besseres Minimum zu finden.
3. Der Simulationsprozess wird solange wiederholt, bis die Summe der vorgesehenen Bewegungen (wobei die Anzahl der betroffenen Stäbe im Fall des betrachteten Beispiels von 1 bis 6 in dernselben Sektor gehen kann) innerhalb einer vorgegebenen Toleranz die notwendige Reaktivitätsänderung liefert. Dann werden alle Bewegungen mit Hilfe von Stellgliedern ausgeführt.
Die Figur 5 zeigt, daß für jedes Brennelementbündel die Änderungskurve des Enthalpie-Erhöhungsfaktors Δ(FΔH) in Abhängigkeit von ΔH aufeinanderfolgende Minima durchläuft. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Auswahl von Bewegungen, die das Erreichen eines Minimums ermöglichen, das nicht zwangsläufig der niedrigste mögliche Wert ist.
Die Figur 4 zeigt als Beispiel repräsentative Anordnungen der Stäbe für verschiedene eingeführte negative Reaktivitäten.
Das Ablaufdiagramm aus Figur 6 eignet sich für zahlreiche Abwandlungen. Insbesondere kann das aus der Figur 7 verwendet werden, bei dem die Berechnung des Effekts der Bewegung der Bündel auf das axiale Ungleichgewicht erst nach der erfolgreichen zufälligen Auswahl der Stäbe und Bewegungen, die es ermöglichen, die notwendige Änderung der negativen Reaktivität mit einem akzeptablen Effekt auf FΔH zu erreichen, durchgeführt wird.
Das Ablaufdiagramm aus der Figur 7 wird hier nicht im Detail beschrieben, da es sich direkt von dem der Figur 6 ableitet. Dieses Ablaufdiagramm entspricht dem Fall, wo eine erste Rechnung gezeigt hat, daß die gesamte zu erzielende Änderung der Reaktivität x pcm beträgt; a, h, Nm und Nb sind anpaßbare Parameter, deren Werte vorab durch Dimensionierungsuntersuchungen festgelegt werden. Die Abkürzungen bezeichnen:
AO : axiale Abweichung
FΔH: Enthalpie-Erhöhungsfaktor
abs : Absolutwert
Bisher wurde angenommen, daß nach Beendigung der Rechnung alle zu derselben Gruppe gehörenden Stäbe, zum Beispiel die Stäbe 2a, in den sechs Sektoren gleichzeitig in demselben Maße bewegt werden. Diese Funktionsweise berücksichtigt nicht die eventuellen azimutalen Ungleichgewichte der Leistungsverteilung. Jedoch können solche Ungleichgewichte von geringem Ausmaß auftreten infolge von mechanischen oder geometrischen Unregelmäßigkeiten oder (insbesondere, wenn die Stäbe über hydraulische Mechanismen gesteuert werden, die Leckagen aufweisen können) infolge langsamen Driftens eines oder mehrerer Stäbe.
Die Reaktoren sind im Regelfall mit Thermoelementen, die es ermöglichen, die Temperatur des unter Druck stehenden Wassers am Ausgang der einzelnen Brennelementbündel zu messen, und mit außerhalb des Kerns angebrachteten Ionisationskammern, die es ermöglichen, den Neutronenfluß zu messen, ausgerüstet. Die von diesen Meßfühlern gelieferten Werte ermöglichen die Berechnung der azimutalen Ungleichgewichte mit Hilfe bekannter Programme wie dem "PROSPER"- Programm der antragstellenden Gesellschaft. Die Ungleichgewichte können in Form harmonischer Funktionen dargestellt werden, deren Amplitude das Ausmaß des Ungleichgewichts angibt und deren Phase die Bestimmung der Achse der Asymmetrie ermöglicht. Durch eine leichte Veränderung des Einfährungsgrades eines oder mehrerer in der Nähe der Achse der Asymmetrie angebrachter Bündel kann man diese unterhalb einer Toleranzschwelle zurückführen.
Die Figur 8 ist ein Schema, das eine Steuerungsweise zeigt, die es ermöglicht, azimutale Ungleichgewichte abzuschwächen. In der Figur 8 bezeichnet die Referenz 20 einen Rechner, der durch Anwendung des Algorithmus aus Figur 6 oder Figur 7 die Bestimmung der mit den Stäben der Gruppen 1 bis 6 (oder 1 bis 12 im Fall doppelter Stäbe) auszuführenden Bewegungen ermöglicht. Anstatt die über die Ausgänge 1 bis 6 (oder 1 bis 12, im Fall doppelter Stäbe) gelieferten Befehle direkt, einen jeden auf alle Stäbe einer Gruppe, anzuwenden, schickt der Rechner die Befehle, die aus einer Darstellung der Amplitude und einer Darstellung der Richtung bestehen, an eine Schaltung 22 zur Berechnung der mit den Stäben auszuführenden einzelnen Bewegungen, in Abhängigkeit von Informationen über das azimutale Ungleichgewicht, die über Eingänge 24 geliefert werden.
In einer einfachen Ausführungsweise liefern die Eingänge 24 einfach sechs Koeffizienten, die es ermöglichen, unter den Stäben einer Gruppe Abweichungen von der nominellen, vom Rechner 20 berechneten Bewegung zu verteilen, unter Einhaltung der Bedingung, daß nötige Änderung der negativen Reaktivität aufrechtzuerhalten ist.
In einer verfeinerten Ausführungsweise empfängt der Eingang 24 eine Matrix von Korrekturkoeffizienten mit 6 x 6 (oder 6 x 12) Termen, die es ermöglicht, das Ergebnis zu verfeinern. Diese Matrix kann von einem separaten (nicht dargestellten) Rechner unter Verwendung eines vorhandenen Rechenprogramms geliefert werden. In diesem Fall muß die Schaltung 22 eine Matrixmultiplikation der vom Rechner 20 gelieferten Bewegungsmatrix für die sechsunddreißig (oder zweiundsiebzig) Stäbe mit der Koeffizientenmatrix durchführen.
Je nach angewandter Lösung liefert die Schaltung 22 an sechsunddreißig Ausgängen (im Fall einfacher Stäbe) oder zweiundsiebzig Ausgängen (im Fall doppelter Stäbe) individuelle Informationen über Richtung und Amplitude, die an die entsprechenden Steuermechanismen 26 geschickt werden.
In dem Fall, daß der Mechanismus 26 hydraulisch ist, umfaßt er üblicherweise einen Zylinder, dessen Kolben den Stab trägt und ein Stellglied für Wechselbewegung, wobei jede Betätigung des Stellglieds den Zylinder um einen festgelegten Amplitudenschritt bewegt. Da der Kolben dazu neigt, Leckagen aufzuweisen, die zu einer langsamen Abwärtsbewegung des Stabes führen, kann ein Nachstellsystem vorgesehen werden um dieses Gleiten zukompensieren. In der in Figur 8 gezeigten Ausführungsweise umfaßt dieses System Einrichtungen 28 zur Bestimmung der Position des Stabes an mehreren Punkten, einen Zähler 30, der die an den Mechanismus 26 geschickten Befehle empfängt und anhand dieser Befehle die theoretische Position des Bündels bestimmt und schiießlich einen Komparator 32, der jedesmal ausgelöst wird, wenn der Stab oder sein Steuermechanismus einen Meßpunkt des Positionsbestirnmungssystems passiert. Der Komparator bestimmt die Differenz zwischen dem theoretischen, vom Zähler 30 gegebenen Stand und dem effektiven, vom Meßpunkt gegebenen und aus der Konstruktion bekannten Stand. Wenn die Differenz größer ist als ein Betriebsschritt der Pumpe, schickt der Komparator 32 an das Stellglied den Befehl, den Stab um eine der Kompensation der Gleitbewegung entsprechende Zahl von Schritten auf- oder abwärtszubewegen.
Die Erfindung eignet sich für zahlreiche andere Abwandlungen der Ausführung. Insbesondere könnte die Zahl der Stäbe pro Sektor oft verringert werden, durch Fortlassen der Gruppe 5, die wenig nützlich ist. Die Verwendung von Doppelbündeln anstelle einfacher Bündel ist nur für die Hochlaurphasen nach einem langdauernden Halt notwendig, der die Abnahme des Xenongehalts ermöglicht hat. Andere Parameter könnten verwandt werden, zum Beispiel um die Verringerung der Leistung pro Längeneinheit der Brennstoffstifte zu verringern, unter Berücksichtigung der Kriterien chemischer Wechselwirkungen zwischen der Hülle der Stifte und den Brennstoffpellets.

Claims

1. Verfahren zur Regelung eines Druckwasserkernreaktors, von der Art, bei der die Position von Regelungsstäben im Reaktorkern verändert wird, wenn ein Steuerparameter, der den Unterschied zwischen der Leistung des Kerns und der abgefragten Leistung darstellt (zum Beispiel die mittlere Kerntemperatur), ein festgelegtes, als "toten Bereich" bezeichnetes Intervall verläßt und bei dem die verschobenen Stäbe so ausgewählt werden, daß eine Verstärkung des Abstands zwischen der axialen Leistungsabweichung und einem Referenzwert vermieden wird dadurch gekennzeichnet, daß, wobei die absorbierenden Regelungsstäbe eine ausreichende negative Reaktivität haben, um die Gesamtheit der Reaktivitätsänderungen zu kompensieren, die im Laufe des Normalbetriebs des Reaktors und im Falle eines Zwischenfalls, der den Nothalt des Reaktors erfordert, während das Wasser bei seiner normalen Arbeitstemperatur ist, auftreten - wenn der Steuerparameter den toten Bereich verläßt und/oder die Abweichung der axialen Leistungsverteilung einen Referenzwert überschreitet, durch einen Simulationsprozess diejenigen der Stäbe bestimmt werden, die bewegt werden müssen, um den Steuerparameter und/oder die Abweichung auf ihre normalen Werte zurückzuführen, unter Minimierung eines Enthalpie-Erhöhungsfaktors im Kern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reaktion auf eine Änderung des Steuerparameters, die ihn aus dem toten Bereich herausführt, die Änderung der negativen Reaktivität berechnet wird, die notwendig ist, um den Steuerparameter in die Mitte des toten Bereichs zurückzuführen,

der Einfluß der Bewegung eines zufällig im gesamten Kern oder in einem Sektor des Kerns ausgewählten Stabs oder einer Gruppe von Stäben simuliert wird, wobei die Bewegung aus einem Bereich zufällig ausgewählt wird, der um die Bewegung, die die notwendige Änderung der negativen Reaktivität liefern würde, zentriert ist, die Änderung des durch eine solche Bewegung hervorgerufenen Abstands der axialen Verteilung bestimmt wird,

die Simulation eventuell ausgehend von einer neuen zufälligen Auswahl eines Stabes oder einer Gruppe von Stäben wiederholt wird, bis die hervorgerufene Änderung der axialen Verteilung nicht mehr zu einem Abstand der Verteilung führt, der einen vorher festgelegten Referenzwert überschreitet,

die Änderung des Enthalpie-Erhöhungsfaktors durch die simulierte Bewegung berechnet wird,

der Stab (oder die Gruppe) und die zugehörigen Bewegungen beibehalten werden, wenn die Änderung des Faktors negativ ist, wohingegen sie nur mit einer von der Amplitude dieser Änderung abhängigen Wahrscheinlichkeit P beibehalten werden, wenn diese Veränderung positiv ist,

obige Schritte solange wiederholt werden, bis die Gesamtänderung der negativen Reaktivität der notwendigen Änderung innerhalb der Toleranz gleicht, und anschließend die beibehaltenen Bewegungen der beibehaltenen Stäbe oder Gruppen von Stäben durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Abstands der axialen Verteilung bestimmt wird, nachdem ein Stab (oder eine Gruppe) beibehalten worden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrscheinlichkeit P bestimmt ist durch die Berechnung von

P = exp [-Δ(FΔH)/kT],

wobei (FΔH) der Enthalpie-Erhöhungsfaktor und kT eine Konstante mit einem um mindestens eine Größenordnung größeren Wert als der Maximalwert von Δ(FΔH) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß kT anfänglich ein Wert zugewiesen wird, der eine Wahrscheinlichkeit nahe bei 1 ergibt und ihn solange fortlaufend verringert, wie die Wahrscheinlichkeit im Mittel über einem bestimmten Wert bleibt.

6. Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern in mehrere Winkelsektoren mit derselben Beschaffenheit aufgeteilt wird, und daß die Regelungsstäbe mit äquivalenten Positionen in allen Sektoren gleichzeitig bewegt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle äquivalenten Stäbe im gleichen Maße bewegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der äquivalenten Stäbe moduliert wird, um azimutale Ungleichgewichte der Leistungsverteilung auszugleichen.

9. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit Hilfe von schwarzen Stäben, von denen jeder eine ungefähr doppelt so große Neutronenabsorption wie ein Regelungsstab hat, im Haltezustand gehalten wird.

10. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Stäbe, die abbrennbares Gift enthalten, benutzt werden um durch ihr Herausziehen aus dem Kern das Energiespektrum der Neutronen abzuwandeln.

11. Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsstäbe paarweise verteilt sind, wobei die Stäbe eines Paares denselben Platz im Kern besetzen.