DE69105386T2 - Schutzvorrichtung eines Kernreaktors im Fall der Erhöhung seiner Belastung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Fahren von Kernreaktoren, d.h. die Steuerung solcher Reaktoren mit dem Ziel, daß sie zu jedem Zeitpunkt die Leistung liefern, die zur Befriedigung eines veränderlichen Bedarfs erforderlich ist. Diese Steuerung wird gleichzeitig so durchgeführt, daß einerseits aller nicht notwendiger Brennstoffverbrauch, andererseits jegliche Unfallgefahr vermieden wird. Sehr strenge Sicherheitsanforderungen sind definiert worden, um solche Gefahren bei den von solchen Reaktoren gebildeten Dampferzeugersystemen zu begrenzen.
• Diese Erfindung betrifft insbesondere Druckwasser-Dampferzeugersysteme.
• Ein solches Dampferzeugersystem umfaßt bekannte Elemente, die später im Rahmen der Beschreibung einer Anwendung der vorliegenden Erfindung angesprochen werden. Er ist insbesondere mit einer Schutzkettel die von einer Überleistung des Reaktors ausgelöst wird, und einer Schutzkette versehen, die von einer Übertemperatur seiner Kühlflüssigkeit ausgelöst wird. Diese Ketten werden im folgenden als Überleistungskette und Übertemperaturkette bezeichnet. Sie sind konstruiert, um den Kern des Reaktors im Verlaufe bestimmter zufälliger Transienten zu schützen, in deren Verlauf sie einen Notstop des Reaktors auslösen. Hierfür erzeugen sie ein Notstopsignal auf Grundlage der Messung der folgenden Parameter:
• - der Temperaturdifferenz DT zwischen dem heißen und dem kalten Zweig, die die nukleare Leistung, d.h. die thermische Leistung des Reaktors darstellt,
• - die mittlere Temperatur des Behälters ST,
• - der Primärdruck (nur bei der Übertemperaturkette),
• - die Drehgeschwindigkeit VP der Primärpumpen (die den Durchsatz an Primär-Wärmetauscherfluid angeben),
• - die axiale Leistungsdifferenz DI, d.h. die Differenz zwischen der oben im Kern gemessenen Leistung und der unten im Kern gemessenen Leistung.
• Das Funktionsdiagramm einer bekannten Überleistungskette ist in Fig. 2 dargestellt.
• Zur Veranschaulichung ist die Grenze der nuklearen Leistung, oberhalb derer die eine oder andere der zwei Schutzketten ein Nothaltsignal erzeugt, in Fig. 3 wiedergegeben. Sie ist in dieser Figur in Abhängigkeit von der Temperatur ST durch Linien JP bzw. KP für konstante Werte der Pumpengeschwindigkeit bzw. der axialen Leistungsdifferenz dargestellt.
• Beim Betrieb dieser Kette ergibt sich ein Problem. Es kann anhand der Fig. 3 erläutert werden, in der eine Kurve ET die typische Entwicklung eines zufälligen Transienten mit unkontrollierter Zunahme der Last des Sekundärwärmetauscherkreislaufs zeigt. Es ist bekannt, dieser Kreislauf thermisch an den Dampferzeuger gekoppelt ist, der einen Wärmeempfänger im Primärwärmetauscherkreislauf darstellt.
• Zwei Phänomene treten auf:
• - die Zunahme der Belastung des Sekundärkreislaufs bewirkt eine stärkere Entnahme von Leistung aus dem Primärkreislauf, und damit eine Abnahme der Betriebstemperatur ST des Reaktors,
• - das Steuersystem des Reaktors erhöht die nukleare Leistung, um dem gesteigerten Bedarf des Sekundärkreislaufs nachzukommen.
• Eine Untersuchung dieser Art von Transienten hat gezeigt, daß mit dem herkömmlichen Aufbau dieser Art von Schutzkette der Nothalt des Reaktors nicht garantiert werden konnte.
• Bei bestimmten Transienten werden die Sicherheitskriterien, die die Unversehrtheit des Brennstoffs garantieren, nicht eingehalten.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist insbesondere, den Schutz des Reaktors zu verbessern, indem die Folgen begrenzt werden, die ein zufälliger Transient mit unkontrollierter Lastzunahme im Sekundärkreislauf in einem Druckwasserkernkraftwerk haben kann, wenn ein solcher Transient zu einer Erhöhung der nuklearen Leistung führt.
• Hierfür wird eine Berichtigung des Notstopgrenzwerts der Überleistungskette in Abhängigkeit von der Temperatur vorgeschlagen.
• Gegenstand der Erfindung ist also ein Schutzverfahren für einen Kernreaktor, insbesondere einen Druckwasserkernreaktor, im Fall der Erhöhung seiner Belastung, bei dem ein Notstop des Reaktors angeordnet wird, wenn dessen nukleare Leistung einen Notstopgrenzwert erreicht, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß dieser Grenzwert abgesenkt wird, wenn die Betriebstemperatur des Reaktors sinkt.
• Anhand der beigefügten Figuren wird im folgenden die Anwendung der Erfindung beschrieben, wobei sich versteht, daß die erwähnten und dargestellten Elemente und Vorkehrungen nur Beispiele darstellen und nicht einschränkend sind. Wenn ein und dasselbe Element in mehreren Figuren dargestellt ist, ist es mit demselben Bezugszeichen belegt.
• Fig. 1 zeigt einen Reaktor, auf den die vorliegende Erfindung angewandt wird.
• Fig. 2 zeigt das Funktionsdiagramm einer bekannten Überleistungskette, die zum Schutz des Reaktors verwendbar ist.
• Fig. 3 stellt die Veränderungen des Notstopgrenzwerts JP betreffend die nukleare Leistung an der Ordinate dar, in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur an der Abszisse, wenn die Kette aus Fig. 2 verwendet wird.
• Fig. 4 zeigt das Funktionsdiagramm einer erfindungsgemäßen Überleistungskette, die für den Reaktor aus Fig. 1 verwendbar ist.
• Fig. 5 ist analog zu Fig. 3, zeigt allerdings den Notstop- Grenzwert LP, der bei Verwendung der Schutzkette aus Fig. 4 erhalten wird.
• Die Fig. 3 und 5 zeigen außerdem einen Notstop-Grenzwert KP, der aus der Wirkung einer Übertemperaturschutzkette von bekannter Art resultiert, die gleichzeitig mit den Ketten aus den Fig. 2 und 4 verwendet wird.
• Die vorliegende Erfindung wird allgemein angewandt auf einen Reaktor, der entsprechend der Fig. 1 die folgenden bekannten Elemente umfaßt:
• - Einen Kern 2 mit Brennstoffelementen, von denen eine Kernreaktion ausgeht, die eine nukleare Leistung liefert, die zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Kerns verteilt ist und sich in Wärme umwandelt.
• - Einen Wärmetauscherkreis, mit dem ein Wärmetauscherfluid über ein Eingangsrohrsystem 4 in den Kern eingeführt wird, um dieses Fluid im Kern unter Wirkung einer Primärpumpe 8 zirkulieren zu lassen und es durch ein Ausgangsrohrsystem 6 herauszuführen, derart, daß die Wärme entnommen wird. Dieser Kreislauf liefert die Wärme an einen Wärmeempfänger mit veränderlichem Wärmebedarf, der herkömmlicherweise aus einem Dampferzeuger 10 gebildet ist, der die Leistung auf einen Sekundärkreis überträgt. Die Pumpe 8 ist mit einem Geschwindigkeitsaufnehmer versehen, der ein Pumpengeschwindigkeitssignal VP liefert.
• - Steuerstabbündel 12, die von Mechanismen 13 bewegt werden, um gesteuert in den Reaktorkern von oben einzugreifen und dort die Kernreaktion zu steuern.
• - Ein Leistungsmeßsystem 14, das ein Gesamtleistungssignal DT liefert, das die nukleare Leistung wiedergibt.
• Dieses System bildet die Differenz zwischen den Temperaturen, die von zwei Wärmefühlern 20 und 22 gemessen werden, die an dem Eingangsrohrsystem 4 und dem Ausgangsrohrsystem 6 angebracht sind.
• - Ein Leistungsdifferenzmeßsystem 16, das ein Leistungsdifferenzsignal DT liefert, das eine axiale nukleare Leistungsdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Reaktorkerns wiedergibt. Dieses System wird von zwei Neutronendetektoren 15 und 17 versorgt, die oben und unten am Kern 2 angeordnet sind.
• - Ein Temperaturmeßsystem 18, das ein Betriebstemperatursignal liefert, welches eine Betriebstemperatur wiedergibt, die eine Temperatur des Kühlfluids ist. Dieses System bildet den Mittelwert der von den Fühlern 20 und 22 gemessenen Temperaturen.
• Die Vorrichtung zum Fahren des Reaktors umfaßt insbesondere in bekannter Weise
• - ein Leistungssteuersystem 24, das auf bestimmte der Steuerstäbe 12 insbesondere in Abhängigkeit von Veränderungen des Bedarfs des Wärmeempfängers 10 einwirkt, damit dieser Empfänger eine thermische Leistung empfängt, die wenigstens ungefähr diesem Bedarf entspricht, und
• - eine Überleistungsschutzkette 30, die ein Notstopsignal liefern kann, das das Eindringen wenigstens bestimmter der Steuerstabbündel in den Reaktorkern bewirkt, um so die Kernreaktion schnell anzuhalten. Diese Kette empfängt hierfür wenigstens das Gesamtleistungssignal DT und das Betriebstemperatursignal ST. Sie liefert das Notstopsignal AR an den Mechanismus 13, wenn die von diesem Gesamtleistungssignal DT dargestellte nukleare Leistung einen Nothaltgrenzwert LP überschreitet, der wenigstens anhand des Temperatursignals ST definiert ist.
• Die Überleistungsschutzkette 30 und eine Übertemperaturschutzkette 32 empfangen beide die Gesamtheit der obengenannten Signale, wobei letztere Kette zusätzlich ein Primärdrucksignal empfängt.
• Erfindungsgemäß wird der Notstopgrenzwert LP für solche Werte des Temperatursignals ST abgesenkt, die Betriebstemperaturen T unterhalb einer Bezugstemperatur TR entsprechen.
• Vorzugsweise folgt dieser Nothaltgrenzwert einer Veränderungsgesetzmäßigkeit, die in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur ST zunimmt, wobei diese Gesetzmäßigkeit linear ist.
• Außerdem ist bevorzugt, daß die Bezugstemperatur TR zwischen 270 und 320 ºC, vorzugsweise zwischen 290 und 300 ºC liegt, wenn das Verfahren bei einem Druckwasserkernreaktor angewandt wird.
• Ferner ist bevorzugt, daß der Nothaltgrenzwert LP einen Wert aufweist, der, wenn die Betriebstemperatur ST um 20 ºC unterhalb der Eezugstemperatur TR liegt, unter der Hälfte des Wertes liegt, der angenommen wird, wenn die Betriebstemperatur wenig höher als die Bezugstemperatur ist.
• Gemäß der Fig. 2 umfaßt eine bekannte Schutzkette, die die Kette 30 bilden kann:
• - eine Filterschaltung 40 und einen Multiplizierer 42 zum Verarbeiten des Pumpengeschwindigkeitssignals VP,
• - eine Schaltung 44 zum Verarbeiten des axialen Leistungsdifferenzsignals DI,
• - eine Filterschaltung 46 zum Verarbeiten des Nuklearleistungssignals DT, und
• - eine Schaltung 48 zum Liefern eines konstanten Ergänzungssignals an Addierer 50 und 52, die das Nothaltsignal AR liefern.
• Das Temperatursignal ST, das die Betriebstemperatur des Reaktors darstellt, geht durch eine Filterschaltung 54.
• Anschließend wird es über zwei Kanäle der Addierschaltung 50 zugeführt. Ein erster Kanal umfaßt eine Filterschaltung 56 und einen Multiplizierer 58. Ein zweiter Kanal umfaßt zunächst eine Addierschaltung 60, die außerdem ein Signal TN empfängt, welches eine Nenntemperatur darstellt. Anschließend umfaßt er einen Multiplizierer 62. Die so erhaltene Änderung des Nothaltgrenzwerts JP ist in Fig. 3 dargestellt.
• Die Überleistungsschutzkette, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, um die Kette 30 zu bilden, ist gemäß der Fig. 4 mit der aus Fig. 2 identisch, abgesehen vom oben erwähnten zweiten Kanal. Dieser Kanal ist gebildet durch einen Funktionsgenerator 64, der den Nothaltgrenzwert LP wie in Fig. 5 dargestellt verändert.
• In dieser Figur zeigt die Kurve FT die Entwicklung eines Transienten mit unkontrollierter Belastungszunahme des Sekundärwärmetauscherkreises. Dieser Transient ist anfangs derselbe wie der, dessen Entwicklung durch die Kurve ET in Fig. 3 dargestellt ist. Doch wird hier die Entwicklung an einem Punkt 66 angehalten, der der Ausgabe eines Notstopsignals durch die Kette der Fig. 4 entspricht. Diese Abwandlung ermöglicht es, den Notstop des Reaktors auszulösen, bevor die Sicherheitskriterien erreicht werden. Dadurch kann die Einhaltung der Kriterien bei übermäßiger Belastungszunahme garantiert werden.
• Außerdem führt sie zu einer flexibleren Dimensionierung der gesamten Überleistungskette, was größere Betriebstoleranzen im Laufe bestimmter Normalbetriebstransienten ermöglicht.

Claims (6)

1. Schutzverfahren für einen Kernreaktor, insbesondere einen Druckwasser-Kernreaktor, im Fall der Erhöhung seiner Belastung, bei dem ein Notstop des Reaktors angeordnet wird, wenn dessen nukleare Leistung (DT) einen Notstop-Grenzwert (LP) erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Grenzwert abgesenkt wird, wenn die Betriebstemperatur des Reaktors (ST) sinkt.

2. Schutzverfahren nach Anspruch 1, wobei der Reaktor aufweist:

- einen Reaktorkern (2) mit Brennstoffelementen, von denen eine Kernreaktion ausgeht, die eine nukleare Leistung liefert, die zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Kerns verteilt ist und sich in Wärme umwandelt,

- einen Wärmetauscherkreis (4, 6, 8), mit dem ein Wärmetauscherfluid über ein Eingangsrohr (4) in den Kern eingeführt wird, um dieses Fluid im Kern zirkulieren zu lassen und es durch ein Ausgangsrohrsystem (6) herauszuführen, derart, daß die Wärme entnommen wird, wobei dieser Kreis die Wärme an einen Wärmeempfänger (10) mit veränderlichem Wärmebedarf liefert,

- Steuerstabbündel (12), die kontrolliert in den Reaktorkern von oben eingreifen, um dort die Kernreaktion zu steuern,

- mindestens ein Leistungsmeßsystem (14), welches ein Gesamtleistungssignal (DT) liefert, das die nukleare Leistung wiedergibt,

- ein Temperaturmeßsystem (18), welches ein Betriebstemperatursignal (ST) liefert, welches die Temperatur des Kühlfluids als Betriebstemperatur wiedergibt,

- ein Leistungssteuersystem (24), welches auf einige der Steuerstartbündel (12) in Abhängigkeit insbesondere von den Änderungen des Leistungsbedarfs des thermischen Empfängers (10) einwirkt, so daß der Empfänger eine thermische Leistung erhält, die wenigstens näherungsweise seinen veränderlichen Bedürfnissen entspricht, und

- eine Überleistungsschutzkette (30), die ein Notstopsignal liefert, welches das Eindringen wenigstens einiger bestimmter Steuerstartbündel in den Kern auslöst, derart, daß die Kernreaktion schnell gestoppt wird, wobei diese Schaltung dazu mindestens das Gesamtleistungssignal (DT) und das Betriebstemperatursignal (ST) erhält, und welche das Notstopsignal (AR) auslöst, wenn die nukleare Leistung, die durch das Gesamtleistungssignal (DT) angegeben ist, einen Notstop-Grenzwert (LP) überschreitet, der ausgehend von mindestens dem Temperatursignal (ST) definiert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Notstop-Grenzwert (LP) abgesenkt wird für Werte des Temperatursignals (ST), die Betriebstemperaturen (T) entsprechen, die unterhalb einer Bezugstemperatur (TR) liegen.

3. Schutzverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Notstop-Grenzwert (LP) der Gesetzmäßigkeit der in Abhängigkeit der Betriebstemperatur (ST) steigenden Änderung folgt.

4. Schutzverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungsgesetzmäßigkeit des Grenzwerts (LP) eine lineare Gesetzmäßigkeit ist.

5. Schutzverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugstemperatur (TR) zwischen 270 und 320º C, vorzugsweise zwischen 290 und 300 ºC, liegt, wenn das Verfahren bei einem Druckwasser- Kernreaktor angewendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Notstop-Grenzwert (LP) einen Wert aufweist, der, wenn die Betriebstemperatur (ST) um 20 ºC unter der Bezugstemperatur (TR) liegt, unter der Hälfte des Wertes liegt, der angenommen wird, wenn die Betriebstemperatur etwas höher als die Bezugstemperatur ist.