CH625362A5

CH625362A5 -

Info

Publication number: CH625362A5
Application number: CH51878A
Authority: CH
Inventors: Norman P Mueller; Charles E Ross; Lawrence R Scherpereel
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1977-01-19
Filing date: 1978-01-18
Publication date: 1981-09-15
Also published as: JPS5390590A; IT1092108B; US4222822A; JPS59800B2; SE7800614L; ES466129A1; DE2800552A1; SE436810B; GB1544399A; IT7819379A0; BE863090A; FR2378335A1; CA1097441A; FR2378335B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Druckwasserreaktoren befindet sich gewöhnlich ein Neutronenabsorber in dem auch als Moderator dienenden Kühlmittel. Die Konzentration des Neutronenabsorbers im Kühlmittel ist zur Steuerung der Reaktivität und folglich der im Reaktorkern erzeugten Wärmemenge veränderbar. Ausserdem sind zwischen den Brennelementen des Reaktorkerns Steuerstäbe verteilt angeordnet, die axial innerhalb des Reaktorkerns verschiebbar sind, um die Reaktivität und folglich die Energieabgabe im Reaktorkern zu steuern. Im allgemeinen finden bei Druckwasserreaktoren drei Arten von Steuerstäben für jeweils verschiedene Zwecke Anwendung. Zur Reaktivitätssteuerung werden normalerweise Steuerstäbe voller Länge benützt, deren Länge mindestens der axialen Höhe des Reaktorkerns entspricht. Zur Steuerung der axialen Leistungsverteilung im Reaktorkern dienen dagegen Steuerstäbe, deren axiale Länge wesentlich kleiner als die Höhe des Reaktorkerns ist. Schliesslich sind Abschaltsteuerstäbe vorgesehen, um die Spaltreaktionen im Reaktorkern beim Abschalten des Reaktors zum Stillstand zu bringen. Die die volle Länge aufweisenden Steuerstäbe und die nur Teillänge aufweisenden Steuerstäbe sind jeweils fortschreitend in den Reaktorkern hinein einschiebbar und aus diesem herausziehbar, um die jeweils gewünschte Steuerwirkung zu erzielen.

Als Nebenprodukt der Spaltreaktion entsteht Xenon durch ß-Zerfall von radioaktivem Jod. Xenon besitzt einen grossen Neutronenabsorptionsquerschnitt und hat deshalb einen beträchtlichen Einfluss auf die Leistungsverteilung im Reaktorkern und auf die Reaktivitätssteuerung. Während die anderen reaktivitätsbeeinflussenden Parameter unmittelbar steuerungsabhängig sind, wirft die Xenonkonzentration im Reaktorkern erhebliche Probleme hinsichtlich der Reaktorsteuerung auf, da Xenon eine verhältnismässig lange Abklingzeit zeigt und nach einer Leistungsänderung des Reaktors mindestens 20 Stunden bis zum Erreichen eines stationären Wertes erforderlich sind.

Während die radiale Leistungsverteilung im Reaktorkern aufgrund der vorgegebenen Anordnung der Brennelemente und der symmetrisch im Reaktorkern radial verteilten Steuerstäbe ziemlich gleichförmig ist, kann sich die axiale Leistungsverteilung während des Reaktorbetriebs in erheblichem Masse verändern. Aus diesem Grunde kann die axiale Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorkerns während des Reaktorbetriebsablaufs zahlreiche Probleme aufwerfen. Normalerweise durchströmt die durch die Brennelemente hindurchtretende Kühlmittelströmung den Reaktorkern von unten nach oben, was zu einem axialen Temperaturgradienten entlang der Höhe des Reaktorkerns führt. Veränderungen der temperaturabhängigen Spaltrate treten deshalb entlang der Achse des Reaktorkerns jeweils unterschiedlich auf. Ausserdem verändern die axialen Unterschiede der Leistungsverteilung («axiale Abweichung») auch die axiale Xenonverteilung, die ihrerseits die in Axialrichtung entlang des Reaktorkerns vorhandenen Leistungsunterschiede noch verstärkt. Schliesslich kann das Einführen der die volle Länge aufweisenden Steuerstäbe in den Reaktorkern von dessen oberem Ende aus, wenn der vorangegangene Reaktorbetriebsverlauf nicht ausreichend berücksichtigt wird, ebenfalls zu der axialen Asymmetrie der Leistungsverteilung beitragen.

Die zur Anpassung der Reaktorleistung an elektrische Belastungsänderungen einer nachgeschalteten elektrischen Generatoranlage erforderliche Leistungsänderung im Reaktorkern wird üblicherweise als Lastfolgevorgang bezeichnet. Eine gegenwärtig übliche Möglichkeit der Lastfolgesteuerung besteht in der Verschiebung der volle Länge aufweisenden Steuerstäbe zur Steigerung oder Herabsetzung des Leistungs2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

b5

pegels und der Teillänge aufweisenden Steuerstäbe zur Beherrschung axialer Schwankungen und der Form des axialen Leistungsprofils im Reaktorkern. Eine Veränderung der Xenonkonzentration begleitende Reaktivitätsänderungen werden im allgemeinen durch entsprechende Veränderungen der Konzentration des Neutronenabsorbers in dem gleichzeitig den Moderator bildenden Kühlmittel kompensiert. Bei dieser Reaktorbetriebsweise werden die Teillänge aufweisenden Steuerstäbe jeweils so verschoben, dass die «axiale Abweichung» innerhalb eines gewissen geforderten Bereiches von typischerweise plus oder minus 15% bleibt. Die axiale Abweichung stellt einen zweckmässigen Parameter zur Messung der axialen Leistungsverteilung dar und ist folgendermassen definiert:

p _ p axiale Abweichung = 1 . p pt + rb wobei Pt und Pb den in der oberen Hälfte bzw. in der unteren Hälfte des Reaktorkerns jeweils erzeugten Leistungsanteil darstellt.

Bei der eben beschriebenen Lastfolgesteuerung wird nicht versucht, das spezifische axiale Leistungsprofil im Reaktorkern aufrechtzuerhalten. Die Teillänge aufweisenden Steuerstäbe werden jeweils so verschoben, dass die axiale Leistungsabweichung unabhängig von der im vorhergehenden stationären Zustand herrschenden Abweichung auf ein Minimum herabgesetzt wird. Dieses bekannte Verfahren bedingt während der Durchführung von Lastfolgezyklen eine ständige Schwankung deraxialen Leistungsverteilung, was eine Reihe unerwünschter Betriebszustände nach sich zieht. Erstens tritt wahrscheinlich eine Leistungskontraktion auf, bei welcher es sich um eine starke, axial zentrierte Leistungsspitze handelt. Derartige Leistungsspitzen wirken aich nachteilig auf die Reaktorgesamtleistung aus, da sie einen Betrieb des Reaktors mit herabgesetztem Leistungspegel erzwingen, damit diese Leistungsspitzen eine bestimmte vorgegebene Grösse nicht übersteigen. Zweitens treten bei starken Laständerungen infolge des heftigen Einschiebens der Steuerstäbe zur Leistungspegelherabsetzung starke Änderungen des axialen Leistungsprofils mit den Eigenschaften von Übergangszuständen auf. Drittens finden bei wiedereinsetzender Leistungserzeugung starke Xenon-Übergangszustände statt, die wiederum axiale Leistungsschwankungen nach sich ziehen. Viertens sind die von den Reaktorherstellern gegebenen Betriebsanweisungen für die Teillänge aufweisenden Steuerstäbe im allgemeinen ungenau, so dass die Bedienung dieser Steuerstäbe vom Reaktorbetriebspersonal Voraussicht und richtige Auslegung dieser Betriebsanweisungen erfordert. Fünftens treten erhöhte Kühlkanalfaktoren, das heisst heisse Stellen innerhalb der Kühlkanäle in den Brennelementen auf, die eine Herabsetzung der Leistungseinstellung des Reaktors erforderlich machen, um starke Über-gangszustände und/oder ungünstige Leistungsprofile auszugleichen. Bei derartigen Lastfolgesteuerungen ist kein Schutz gegen starke Leistungskontraktionen mit kleinen axialen Ausläufern gegeben.

Zur Vermeidung der oben erwähnten ungünstigen Betriebseigenschaften wird in der US-PS 4 057 463 ein Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors vorgeschlagen, gemäss welchem während des normalen Reaktorbetriebs einschliesslich der Lastfolgevorgänge ein im wesentlichen symmetrisches axiales Xenonverteilungsprofil aufrecht erhalten wird. Unter dem normalen Reaktorbetrieb wird im allgemeinen der lastabhängige Betrieb des Reaktors innerhalb seines Betriebsleistungsbereiches, jedoch ohne den Anfahrvorgang und ohne den Abschaltvorgang des Reaktors verstanden. Die Aufrechterhaltung der gewünschten axialen Xenonverteilung im Reaktor625 362

kern erfolgt bei diesem Verfahren mittels Überwachung der an einer ersten axialen Stelle und an einer zweiten axialen Stelle des Reaktorkerns erzeugten Leistung. Aus den an diesen beiden Stellen gemessenen Leistungsparametern wird nach einer bekannten Beziehung, beispielsweise der axialen Abweichung, eine die axiale Leistungsverteilung im Reaktorkern angebende Grösse errechnet. Die zur Reaktivitätssteuerung dienenden Steuermechanismen des Reaktors werden in Abhängigkeit von den gemessenen Leistungswerten so betätigt, dass eine im wesentlichen symmetrische Leistungsverteilung im Reaktorkern während des gesamten Reaktorbetriebs einschliesslich der Lastfolgevorgänge aufrechterhalten wird.

Bei dem eben beschriebenen bekannten Verfahren kann die gewünschte axiale Leistungsverteilung nach zwei verschiedenen Möglichkeiten aufrechterhalten werden. Gemäss der ersten Möglichkeit bleiben die Teillänge aufweisenden Steuerstäbe aus dem Reaktorkern herausgezogen, während der im Kühlmittel enthaltene Neutronenabsorber jeweils entsprechend den Änderungen des Ausgangsleistungsbedarfs zur Unterstützung der Reaktivitätsveränderung des Reaktorkerns herangezogen wird und die Vollänge aufweisenden Steuerstäbe im Sinne der Aufrechterhaltung des gewünschten axialen Leistungsprofils betätigt werden. Gemäss der zweiten Möglichkeit werden die Vollänge aufweisenden Steuerstäbe zur Steuerung der mit Leistungsänderungen im Reaktorkern verbundenen Reaktivitätsänderungen benützt und die Teillänge aufweisenden Steuerstäbe dienen zur Steuerung der axialen Leistungsverteilung, während der im Kühlmittel befindliche Neutronenabsorber durch zunehmende oder abnehmende Xenonkonzentration bedingte Reaktivitätsänderungen kompensiert.

Beide Möglichkeiten führen zum gewünschten Ergebnis und weisen jeweils bestimmte unterschiedliche Vorteile auf. Beispielsweise bringt der Betrieb mit den Teillänge aufweisenden Steuerstäben gewisse Vorteile gegenüber dem Betrieb ohne diese Steuerstäbe, beispielsweise die Möglichkeit,

schnelle Änderungen der Ausgangsleistung herbeizuführen und leichte Steuerbarkeit der axialen Leistungsabweichung. Ein Nachteil des Betriebs mit Hilfe der Teillänge aufweisenden Steuerstäbe liegt jedoch in der Abbrandbegrenzung, die sich ergibt, wenn diese Steuerstäbe im Volleistungsbetrieb des Reaktors nahe der Mitte des Reaktorkerns positioniert sind. Da diese Teillänge aufweisenden Steuerstäbe als Neutronenabsorber wirken, brennt der von diesen Steuerstäben abgeschirmte Kernbrennstoff mit viel geringerer Geschwindigkeit als der übrige Reaktorkern ab. Dies kann zu hohen Leistungsspitzen in der Mitte des Reaktorkerns führen, wenn diese Steuerstäbe bei Betrieb mit erhöhter Last aus dem Reaktorkern herausgezogen werden. Die Abbrandbegrenzung hat sich zu einem wachsenden Problem entwickelt, weshalb man von der Verwendung von Teillänge aufweisenden Steuerstäben abkommt.

Der Betrieb ohne die Teillänge aufweisenden Steuerstäbe ist zwar im Hinblick auf den Brennstoffausnutzungsgrad wünschenswert, gestattet jedoch nur eine verhältnismässig langsame Rückkehr zu gesteigerter Leistung in Abhängigkeit von einer Laststeigerung. Die Geschwindigkeit einer Leistungssteigerung beim Betrieb ohne Teillänge aufweisende Steuerstäbe hängt davon ab, mit welcher Geschwindigkeit der Neutronenabsorber im Kühlmittel, bei welchem es sich im Falle von Druckwasserreaktoren um Bor handelt, verdünnt wird. Gegenwärtig finden Ionenaustauschsysteme oder Kühlmittelaustauschsysteme zur Steuerung der Borkonzentration im Kühlmittel Anwendung. Diese Systeme besitzen jedoch typischerweise eine verhältnismässig lange Ansprechzeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb von Kernreaktoren derart zu verbessern, dass bei Aufrechterhaltung einer im wesentlichen gleichbleibenden axialen Leistungsverteilung im Reaktorkern eine gesteigerte Lastfolgefähigkeit erzielt wird,

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

625 362

um eine Anpassung der Reaktorleistung auch an schnelle Laständerungen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst.

Das erfindungsgemässe Verfahren verbessert das Lastfolgevermögen von Kernreaktoren, die mit einem Moderator mit hinsichtlich der Reaktivitätsbeeinflussung negativem Temperaturkoeffizienten und mit einer im wesentlichen konstanten axialen Leistungsabweichung sowie mit oder ohne Teillänge aufweisenden Steuerstäben arbeiten, indem erforderliche Reaktivitätssteigerungen im Reaktorkern, für welche die Verdünnungsfähigkeit des Borsystems nicht ausreicht, durch gesteuerte Herabsetzung der Reaktorkerntemperatur erfolgen. Die Temperatur des Reaktorkerns wird dabei mit einer der Laststeigerungsgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit bis zum Erreichen einer vorgegebenen maximalen Temperaturdifferenz gegenüber der vorgegebenen Reaktorbetriebstemperatur herabgesetzt. Ausserdem wird ein Herausziehen der Vollänge aufweisenden Steuerstäbe über einen Pegel hinaus, der die gewünschte axiale Leistungsverteilung beeinträchtigt, verhindert.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Kernkraftwerk, bei welchem das erfindungsgemässe Verfahren Anwendung finden kann,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Steuersystems zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der möglichen Steigerungsgeschwindigkeit der Turbinenausgangsleistung bei einer Laststeigerung für eine typische Kernreaktoranlage mit herkömmlicher Steuerung der mittleren Arbeitstemperatur und einer gleichbleibenden axialen Abweichung ohne Teillänge aufweisende Steuerstäbe, wobei die gestrichelte Kurve für den Beginn und die ausgezogene Kurve für das Ende der Brennstoffstandzeit gilt,

Fig. 4 eine ähnliche graphische Darstellung der möglichen Steigerungsgeschwindigkeit der Turbinenausgangsleistung bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Arbeitsbereiches mit verringerter Temperatur während der Leistungssteigerung nach dem erfindungsgemässen Verfahren,

Fig. 6 eine graphische Darstellung von drei Möglichkeiten der Vorprogrammierung der mittleren Arbeitstemperatur des Primärkühlmittels zur Steuerung des Reaktorbetriebs,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der den in Fig. 6 dargestellten Kurven der mittleren Temperatur zugeordneten, über der Leistung aufgetragenen Dampfdrücke,

Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Leistungssteigerungsvorgangs bei Steuerung mit Hilfe von teillangen Steuerstäben,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der mittleren vorprogrammierten Temperatur und der mittleren Isttemperatur für den in Fig. 8 gezeigten Leistungssteigerungsvorgang,

Fig. 10 eine graphische Darstellung des Dampfdruckverlaufes über der Zeit bei dem in Fig. 8 dargestellten Leistungssteigerungsvorgang,

Fig. 11 eine graphische Darstellung eines schnellen Leistungssteigerungsvorgangs bei herkömmlicher Steuerung der mittleren Temperatur ohne teillange Steuerstäbe,

Fig. 12 eine graphische Darstellung der mittleren vorprogrammierten Temperatur und der mittleren Isttemperatur für den in Fig. 11 gezeigten Leistungssteigerungsvorgang,

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Dampfdruckverlaufes über der Zeit für den in Fig. 11 gezeigten Leistungssteigerungsvorgang,

Fig. 14 eine graphische Darstellung eines schnellen Leistungssteigerungsvorgangs auf Volleistung nach dem erfindungsgemässen Verfahren,

Fig. 15 eine graphische Darstellung der mittleren vorprogrammierten Temperatur und der mittleren Isttemperatur für 5 den in Fig. 14 gezeigten Leistungssteigerungsvorgang, und

Fig. 16 eine graphische Darstellung des Dampfdruckverlau-fes über der Zeit für den in Fig. 14 gezeigten Leistungssteigerungsvorgang.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen io Druckwasserreaktors, bei welchem das Verfahren nach der Erfindung Anwendung finden kann, um die bei herkömmlichen Steuerverfahren auftretenden Steuerungsschwierigkeiten zu vermeiden und ein grösstmögliches Lastfolgevermögen zu erzielen.

i5 Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor weist einen Reaktorbehälter 10 auf, bei welchem es sich um einen mittels eines Behälterdeckels 12 verschlossenen Druckbehälter handelt. Der Reaktorbehälter 10 weist Kühlmitteleinlässe 16 und Kühlmittelauslässe 14 auf, die jeweils einteilig mit der zylindrischen 20 Behälterwand ausgebildet sind. Der im Reaktorbehälter 10 befindliche Reaktorkern besteht bekanntermassen hauptsächlich aus einer Vielzahl von umhüllten Brennstäben, die beträchtliche Wärmemengen erzeugen, wobei die jeweils erzeugte Wärmemenge hauptsächlich von der Position der ein-25 gangs erläuterten Steuerstäbe abhängig ist. Die vom Reaktorkern erzeugte Wärme wird mittels des durch die Kühlmitteleinlässe 16 eintretenden und durch die Kühlmittelauslässe 14 wieder austretende Kühlmittel abgeführt. Das durch die Kühlmittelauslässe 14 aus dem Reaktorbehälter austretende Kühlmittel 30 strömt durch eine Rohrleitung 26 in einen als Wärmetauscher ausgebildeten Dampferzeuger 28, in welchem das erhitzte Kühlmittel durch schematisch angedeutete Wärmetauschrohre 18 hindurchströmt, die mit in Dampf überzuführenden Wasser in Wärmeaustausch stehen. Der im Dampferzeuger 28 35 erzeugte Dampf treibt eine zur Erzeugung elektrischer Energie dienende Turbine 20. Vom Dampferzeuger 28 wird das Kühlmittel mittels einer Umwälzpumpe 22 durch eine den kühlen Abschnitt des Kreislaufs bildende Rohrleitung 30 zu den Kühl-mitteleinlässen 16 zugefördert. Durch die den Reaktorbehälter 40 10 mit dem Dampferzeuger 28 verbindenden Rohrleitungen ist also ein geschlossener Primärkreislauf hergestellt. In Fig. 1 ist nur ein derartiger Primärkreislauf dargestellt, jedoch finden in der Praxis mehrere derartige Primärkühlschleifen Anwendung, wobei ihre Anzahl von Anlage zu Anlage unterschiedlich und 45 gewöhnlich 2,3 oder 4 beträgt. Ausserdem enthält, obwohl dies in Fig. 1 nicht gezeigt ist, eine Primärkühlschleife jeder Anlage einen Druckerzeuger, der auf Druckänderungen im Primärkreislauf infolge von Temperaturänderungen und infolge von Änderungen anderer Betriebsparameter arbeitet und einen im w wesentlichen konstanten Druck im Primärkreislauf aufrechterhält.

Die Sekundärseite des Dampferzeugers 28 ist durch die Wärmetauschrohre 18 von dem Primärkühlmittel getrennt. Im Dampferzeuger wird das Primärkühlmittel mit dem Sekundäres kühlmittel 34, bei welchem es sich um das zu verdampfende Wasser handelt, in Wärmeaustausch gebracht, um es zu erhitzen und in Dampf überzuführen. Der erzeugte Dampf strömt in Richtung des Pfeiles 36 durch eine Dampfleitung 38 in die Turbine 20, die über eine Welle 24 mit einem elektrischen Generalo tor gekuppelt ist. Die Menge des zur Turbine ausströmenden Dampfes wird mittels eines Drosselventils 40 gesteuert. Nach dem Hindurchströmen durch die Turbine 20 wird der Dampf in einem Kondensator 42 kondensiert. Das Kondensat wird mittels einer Kondensatpumpe 44 durch eine Leitung 50 zu einem b5 Speisewasservorwärmer 46 und mittels einer Speisewasserpumpe 48 in Richtung des Pfeiles 52 in den Dampferzeuger zurückgepumpt. Die den Dampferzeuger 28 mit der Turbine verbindenden Leitungen bilden also einen elektrische Energie

5 625 362

erzeugenden Sekundärkreislauf. stattfindet. Aus diesem Grund kann der, dem Primärkreislauf

Die Kühlmitteltemperaturen in der Reaktorauslassleitung zugeordnete Druckerzeuger verhältnismässig klein ausgebildet

26 und in der Reaktoreinlassleitung 30 jeder Primärkühlschleife sein, da er nur für Übergangszustände ausgelegt zu werden eines typischen Druckwasserreaktors der in Fig. 1 schematisch braucht.

gezeigten Art werden mittels Temperaturfühlern 54 und 56 5 Der Nachteil der Konstanthaltung der Primärkühlmittel-erfasst, bei denen es sich jeweils um ein Thermoelement oder temperatur innerhalb des gesamten Lastbereiches des Reak-einen temperaturempfindlichen Widerstand handeln kann. tors liegt jedoch darin, dass bei schwachen Belastungen ein Diese Temperaturfühler 54 und 56 erzeugen jeweils ein Aus- charakteristischer Druckanstieg im Sekundärkreislauf stattfin-gangssignal T1 bzw. T2, das die momentane Temperatur an der det. Bei geringen Belastungen fällt das mittlere Temperaturgebetreffenden Messstelle darstellt. Die Temperatursignale T1 10 fälle zwischen dem Primärkühlmittel und dem Sekundärkühlmi-und T2 jeder Primärkühlschleife werden einem Mittelwerter- tel im Dampferzeuger auf einen niedrigen Wert ab, da die Temmittler zugeführt, und von den Mittelwerten der einzelnen Pri- peratur des Sekundärkühlmittels auf einen nahe der Primär-märkühlschleifen wird jeweils die höchste momentane mittlere kühlmitteltemperatur gelegenen Wert ansteigt. Dieser Anstieg Arbeitstemperatur des Reaktors ermittelt. Die so ermittelte der Sekundärkühlmitteltemperatur bedingt einen entsprechen-Reaktorarbeitstemperatur wird sodann mit einem Bezugswert 15 den Druckanstieg im Sekundärkühlmittel. Bei einem gegebeverglichen, der gewöhnlich eine vorprogrammierte Funktion nen Vollastdampfdruck muss der Sekundärkreislauf deshalb für der jeweiligen Last darstellt. viel höhere Drücke ausgelegt werden als für die im Vollastbe-

Gegenwärtig wird, wenn die jeweils festgestellte äugen- trieb zu erwartenden Drücke. Diese erforderlichen höheren blickliche Reaktorarbeitstemperatur von dem vorprogram- Konstruktionsdrücke führen zu einer beträchtlichen, uner-mierten Bezugswert abweicht, ein Fehlersignal erzeugt, mittels 20 wünschten Steigerung der Investitionskosten für den Dampferdessen die Verschiebung der Steuerstäbe im Sinne einer Ver- zeuger und die anderen Komponenten des Sekundärkreislaufs, kleinerung des Fehlersignals gesteuert wird. Demgemäss findet Die Kurve A in Fig. 6 zeigt ein derartiges Konstanttemperaturnormalerweise ein sich an der vorprogrammierten mittleren programm, wobei die Kurve A in Fig. 7 die zugehörigen Arbeitstemperatur des Reaktors orientierender Lastfolgebe- Dampfdrücke über der Leistung zeigt.

trieb Anwendung, wie er beispielsweise in der US-PS 3 423 285 « Findet alternativ dazu ein Steuerprogramm für konstanten beschrieben ist. Dampfdruck Anwendung, wie es die Kurve B in Fig. 7 zeigt,

Bei einer Steigerung der Last öffnet das Bedienungsperso- sind gemäss Kurve B in Fig. 6 grosse Änderungen der Primär-

nal der Anlage das zur Turbine 20 führende Drosselventil 40 kühlmitteltemperatur in Kauf zu nehmen, die einen grösseren weiter, bis die gewünschte Ausgangsleistung erreicht worden Druckerzeuger erforderlich machen, der wiederum gesteigerte ist. Aufgrund des erhöhten Dampfdurchsatzes zur Turbine 30 Kosten und andere Nachteile mit sich bringt. Das durch die sinkt der Dampfdruck im Sekundärkreis ab und die Wäremeab- Kurve C in Fig. 6 gezeigte Steuerprogramm für veränderliche führung vom Primärkühlmittel wird erhöht. Einem entspre- Mitteltemperatur und der zugehörige, durch die Kurve C in chenden Abfall der Primärkühlmitteltemperatur, der normaler- F'S- 7 dargestellte Dampfdruckverlauf stellt einen Kompromiss weise aufgrund der erhöhten Wärmeabfuhr eintreten würde, dar und ergibt gemäss der US-PS 3 423 285 die effektivsten wird gemäss der US-PS 3 423 285 durch Verstellung der Steuer- 35 Betriebsbedingungen für den normalen Leistungsbetrieb.

stäbe 58 aufgrund von Steuersignalen entgegengewirkt, die von Eine Konstanthaltung des axialen Leistungsprofils des einem vorprogrammierten Temperatursteuersystem erzeugt Reaktors ohne Verwendung von teillangen Steuerstäben zur werden. Aufrechterhaltung der bestmöglichen Betriebsbedingungen

Es sind verschiedene Mitteltemperatursteuerprogramme innerhalb des Reaktors und zur Vermeidung von Leistungsmin-bekannt. Gemäss einem der älteren Temperatursteuerpro- 40 derungen führt zu einer Abweichung der üblichen Praxis der gramme wird beispielsweise das Kühlmittel im Primärkreislauf Verwendung von Steuerstäben voller Länge zum Herbeiführen innerhalb des gesamten Lastbereiches des Kernreaktors auf der jeweils gewünschten Reaktivitätsänderung, um die momen-einer konstanten Temperatur gehalten. Diese Art von Betriebs- tane Mitteltemperatur gleich der vorprogrammierten Mittelprogramm ermöglicht bei einem gegebenen Kernreaktor eine temperatur zu halten. Bei Konstanthaltung der axialen Lei-engere Annäherung der Vollast-Nennleistung eines Kernkraft- 45 stungsverteilung ohne teillange Steuerstäbe wird mittels der werks an die sicheren Betriebsgrenzen des Reaktors. Dies vollangen Steuerstäbe die axiale Leistungsabweichung im ergibt sich aus der Tatsache, dass einer der begrenzenden Para- wesentlichen auf einem Zielwert gehalten. Die Anpassung an meter des Reaktorbetriebs die Kühlmitteltemperatur ist, da es Leistungsänderungen, beispielsweise an Temperaturänderun-die thermohydraulischen Zusammenhänge erfordern, dass die Sen> erfolgt nunmehr durch Veränderung der Konzentration zulässige Ausgangsleistung des Reaktors mit zunehmender ?o des Neutronenabsorbers im Kühlmittel. Bei mit leichtem Was-Kühlmitteltemperatur herabgesetzt wird. Ausserdem können ser arbeitenden Druckwasserreaktoren wirkt der Wasserstoff bei einem Kernkraftwerk elektrische Laständerungen, bei- im Kühlmittel als Moderator zur Abbremsung der beim Spaltspielsweise eine plötzliche Steigerung der Belastung des Turbi- Vorgang entstehenden Neutronen auf einen Energiepegel, der nen-Generator-Satzes von 90 auf 100% der Nennlast leicht zu für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion im Reaktorkern einer vorübergehenden Überlastung des Reaktors von bis zu 55 am günstigsten ist. Bei derartigen Reaktoren wird gewöhnlich 5% der Nennleistung führen. Bei einem auf eine konstante Mit- Bor als Neutronenabsorber im Kühlmittel verwendet. Die Borteltemperatur gerichteten Steuerprogramm bleibt der Kühl- konzentration wird im allgemeinen mit Hilfe von Ionenaus-mitteltemperaturanstieg während einer solchen Belastungsän- tausch- oder Verdünnungsverfahren gesteuert, die typischer-derung minimal. Aus diesem Grunde kann in diesem Falle die weise langsam sind und im allgemeinen eine sich vom Beginn Vollast-Nennleistung des Kernkraftwerks näher an den siche- m bis zum Ende der Brennstoffstandzeit verschlechternde Wirkren Betriebsgrenzen des Reaktors gewählt werden, als bei samkeit besitzen. Jedoch kann mittels dieses Systems eine Lei-einem Temperatursteuerprogramm, das während einer solchen stungsanpassung an die meisten Laständerungen ohne Beein-Laststeigerung normalerweise eine Temperaturerhöhung des trächtigung der axialen Leistungsverteilung im Reaktorkern Primärkühlmittels zulässt. herbeigeführt werden. Fig. 3 zeigt die Fähigkeit eines mit voll-Bei der letzteren Art der Temperatursteuerung ist die Pri- 65 langen Steuerstäben arbeitenden Steuerstabsystems und des märkühlmitteltemperatur unabhängig von der Kraftwerksbela- Borsystems zur Leistungsanpassung an eine Steigerung der stung, was zur Folge hat, dass bei Laständerungen keine oder Turbinenlast als Funktion der Zeit, und zwar für den Beginn der nur eine geringe Volumenänderung des Primärkühlmittels Brennstoffstandzeit (Kurve BOL) und für das Ende der Brenn-

625 362

stoffstandzeit (Kurve EOL). Den Anforderungen schneller Laständerungen wird bisher durch den Einsatz von Fossilkraftwerken als Spitzenlastkraftwerke Rechnung getragen.

Die Erfindung hat ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors zum Gegenstand, welches das beschriebene Verfahren zur Konstanthaltung der axialen Leistungsver-teilung beibehält, jedoch zu einem gesteigertem Lastfolgevermögen bei Laststeigerungen führt und nicht den durch die Verdünnungsfähigkeit des Borsystems gegebenen Beschränkungen unterliegt. Dabei macht die Erfindung sich den bezüglich der Reaktivität negativen Moderatortemperaturkoeffizienten bei Leichtwasser-Druckwasserreaktoren zunutze, um eine schnelle Reaktivitätserhöhung durch gesteuerte Herabsetzung der Primärkühlmitteltemperatur zu erzielen.

Eine schnelle Wiedersteigerung der Leistung während Lastfolgezyklen bei Konstanthaltung der axialen Leistungsverteilung ohne teillange Steuerstäbe ist wegen der zur Aufrechterhaltung der gewünschten axialen Flussverteilung im Reaktorkern erforderlichen geringfügigen Steuerstabeinschiebung begrenzt. Eine beträchtliche Verbesserung der Leistungssteigerungsfähigkeit wird durch Ausnutzung noch verfügbarer überschüssiger Drosselventilöffnungsfähigkeit und Herabsetzung der Primärkühlmitteltemperatur bei Laststeigerungen erzielt. Die Grösse der Reaktivitätssteigerung hängt von der Grösse der Temperaturabsenkung im Primärkreislauf und von der Grösse des negativen Moderatortemperaturkoeffizienten ab. Die bei den meisten Reaktoren vorhandene überschüssige Drosselventilöffnungsfähigkeit ermöglicht höhere Leistungspegel und verringerte Dampfdrücke. Fig. 4 zeigt den Leistungspegel, der bei einer Leistungssteigerung von 5%/min (beginnend bei 50% der Volleistung) am Beginn der Brennstoffstandzeit und bei der auch für Fig. 3 angenommenen Steuerstabstellung erreichbar ist. In beiden Fällen wird eine Drosselventilöffnungsfähigkeit von 105% (typischer Wert) des Nennwertes angenommen. Ein Vergleich der beiden Leistungskurven zeigt die durch das erfindungsgemässe Verfahren erzielte Steigerung des Lastfolgevermögens.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einer infolge einer Laststeigerung erfordelrichen Ausgangsleistungserhöhung das Turbinendrosselventil 40 mit der gewünschten Öffnungsgeschwindigkeit (z. B. 5%/min) geöffnet. Gleichzeitig erfolgt eine Herabsetzung der Borkonzentration mit der maximal möglichen Geschwindigkeit. Die Belastung der Turbine bewirkt, wie oben schon erläutert, eine Herabsetzung der augenblicklichen mittleren Primärkühlmitteltemperatur, was ein automatisches Herausziehen der volle Länge aufweisenden Steuerstäbe durch das Mitteltemperatursteuersystem nach sich zieht. Die axiale Flussdifferenz, bei welcher es sich um die Differenz zwischen dem im oberen Kernbereich festgestellten Neutronenfluss und dem im unteren Kernbereich festgestellten Neutronenfluss handelt, wird ermittelt und das automatische Herausziehen der vollangen Steuerstäbe wird beendet, wenn diese axiale Flussdifferenz ihren oberen (am stärksten positiven) Grenzwert erreicht. Die Primärkühlmitteltemperatur beginnt abzusinken, sobald die Steuerstäbe angehalten werden, oder, falls der Grenzwert der Flussdifferenz nicht erreicht wird, wenn die Steuerstäbe die Grenze ihrer Herausziehbarkeit am oberen Ende des Reaktorkerns erreicht haben. Die augenblickliche mittlere Primärkühlmitteltemperatur wird ständig überwacht. Wenn die Temperaturdifferenz zwischen der augenblicklichen mittleren Primärkühlmitteltemperatur und der durch das Mitteltemperatursteuersystem vorprogrammierten Kühlmitteltemperatur einen vorgegebenen Maximalwert, typischerweise 11 °C, erreicht, wird die Öffnung des Turbinendrosselventils beendet, um eine weitere Temperaturherabsetzung zu verhindern. In der Praxis findet eine gewisse Kompensation der durch die thermische Trägheit des Systems bedingten Leistungsnacheilung statt. Die maximale

Temperaturgrenze ist so eingestellt, dass eine Schnellabschaltung des Reaktors verhindert wird, die sonst stattfinden würde, da das Überwachungssystem einen weiteren Temperaturabfall als Bruch der zum Dampferzeuger führenden Leitung interpretieren würde. Wenn die vorgegebene Temperaturgrenze erreicht und die Steigerung der Turbinenbeaufschlagung beendet wird, wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der vorprogrammierten Temperatur des Primärkühlmittels infolge der Borverdünnung wieder herabgesetzt. In den meisten Fällen bringt eine Temperaturabsenkung um 11CC die gewünschte Reaktivitätssteigerung. Falls dies nicht der Fall ist, wird die Turbine in der oben beschriebenen Weise beaufschlagt, bis das Drosselventil vollständig geöffnet ist. Von diesem Punkt an wird die Leistungssteigerungsgeschwindigkeit durch die Borverdünnungsgeschwindigkeit bestimmt. Für diese letztere Phase ist angenommen worden, dass die gewünschte Ausgangsleistung nicht schon a» einem dazwischenliegenden Punkt erreicht worden ist. Die Borverdünnung wird beendet, wenn die Turbine die gewünschte Leistung und die Kühlmitteltemperatur den durch das Mitteltemperatursteuersystem vorprogrammierten Wert erreicht hat. Eine gegebenenfalls vorhandene übergrosse Drosselventilöffnung wird von den Turbi-riensteuerorganen automatisch zurückgestellt, nachdem die Volleistung erreicht worden ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann während des Leistungsbetriebes bei jedem Anfangsleistungspegel eines Laststeigerungszyklus und bei jeder beliebigen Kombination normaler Betriebsbedingungen Anwendung finden. Der bei der beschleunigten Leistungssteigerung erzielte Leistungspegel hängt hauptsächlich vom Ausgangsleistungspegel, dem Reak-torkernzustand (vorhandenes oder nicht vorhandenes Gleichgewicht), der bereits vergangenen Brennstoffbrenndauer, dem Leistungsverhältnis und der zulässigen Temperaturverminderung ab. Obwohl die angegebenen Werte typisch sind, können sie selbstverständlich von Anlage zu Anlage in gewissem Masse unterschiedlich sein, je nach den besonderen Betriebsparametern der betreffenden Anlage.

Die Grösse der durch die Herabsetzung der Primärkühlmitteltemperatur erhältlichen Leistung (Reaktivität) ist proportional zu der zulässigen Temperaturabsenkung. Der Grösse der erreichbaren Temperaturabsenkung sind jedoch praktische Grenzen gesetzt. Fig. 5 zeigt einen typischen Arbeitsbereich bei verringerter Temperatur für einen Leichtwasser-Druckwas-serreaktor. Die linke Grenze dieses Arbeitsbereiches ist durch die untere Betriebsgrenze des automatischen Steuerstab-Steuersystems und durch das auf eine Temperaturerniedrigung ansprechende Schnellabschaltsystem bestimmt. Die rechte Grenze des Arbeitsbereiches ist durch die Drosselventilkapazität (eine Funktion vom Dampftemperatur/Dampfdruck) festgelegt. Bei der in Fig. 5 gezeigten rechten Grenze wird eine Drosselventilkapazität von 105% des Volleistungs-Durchsatzes angenommen. Bei den sich in Betrieb befindenden Kernkraftwerken ist ein Überschuss der Drosselventilkapazität von 105 bis 110% vorhanden. Die untere Grenze des Arbeitsbereiches ist durch die Einstellung des Reaktorschnellabschaltsystems, die zulässigen thermischen Spannungen im Reaktorbehälter und in anderen Anlagenkomponenten und durch den zulässigen Feuchtigkeitsgehalt des aus dem Dampferzeuger kommenden Dampfes festgelegt.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist mit der in der schon oben erwähnten US-PS 3 423 285 beschriebenen vorprogrammierten Mitteltemperatursteuerung verträglich. Für eine Kon-stänthaltung der axialen Leistungsverteilung ohne teillange Steuerstäbe ist lediglich insofern eine Modifikation erforderlich, dass die Einstellung der augenblicklichen mittleren Temperatur des Primärkühlmittels anstatt durch eine Verschiebung der Steuerstäbe durch eine Borverdünnung erfolgt. Die in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellte Anordnung ermöglicht die not6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

dO

h5

wendigen Modifikationen. Der Sollbereich für die Flussgrenzen, der eine Funktion der Reaktorleistung darstellt, ist in einer Einstellpunktschaltung 62 einprogrammiert. Die Flussdifferenz zwischen dem oberen Kernbereich und dem unteren Kernbereich wird mittels vier Gruppen von Neutronendetektoren überwacht, die an der Peripherie des Reaktors angeordnet sind. Der ungünstigste festgestellt Wert der Flussdifferenz wird in einer Auswerteschaltung 64 identifiziert. Diese ungünstigste Flussdifferenz wird in einem Vergleicher 66 mit dem von der Schaltung 62 angegebenen Sollwert verglichen. Wird dieser Sollwert überschritten, wird dem Steuersystem für die vollan-gen Steuerstäbe ein Sperrsignal zugeführt, um ein weiteres Herausziehen dieser Steuerstäbe zu verhindern.

Die Temperaturdifferenzbegrenzung erfolgt in ähnlicher Weise mittels der als Blockschaltbild 70 dargestellten Anordnung. Die gemessene mittlere Kühlmitteltemperatur wird dem vorprogrammieten Temperaturwert verglichen, der eine Funktion der Last darstellt, die ihrerseits als den Turbinenarbeitsdruck darstellendes Eingangssignal der Programmschaltung 72 zugeführt wird. Die Grösse der Differenz zwischen der gemessenen mittleren Kühlmitteltemperatur und dem programmierten Temperaturwert wird einem Vergleicher 74 zugeführt, der dieses Signal mit dem Temperaturdifferenzeinstellwert vergleicht. Wird der Einstellwert überschritten, wird eine weitere Öffnung des Turbinendrosselventils durch die Steuerschaltung 76 verhindert. Bei 78 erfolgt eine Signalkompensation Form von Verzögerungen, um die thermische Trägheit des Systems auszugleichen. Demgemäss kann ein gegenwärtig in Betrieb befindliches Mitteltemperatursteuersystem leicht so abgewandelt werden, dass das erfindungsgemässe Verfahren zur Verbesserung der Lastfolgefähigkeit bei konstanter axialer Leistungsverteilung aufgeführt werden kann.

Die Fig. 14,15 und 16 zeigen den Verlauf von Betriebsparametern bei einer schnellen Leistungssteigerung nach der Erfin7 625362

dung. Die gestrichelte Kurve in Fig. 15 zeigt den programmier-' ten mittleren Temperaturverlauf, während die ausgezogene kurve den tatsächlichen Verlauf der Temperatur bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeigt. Die gestri-5 chelte bzw. die ausgezogene Kurve in Fig. 16 entspricht den in Fig. 15 angegebenen Betriebsbedingungen. Im Gegensatz dazu zeigen die Fig. 8,9 und 10 eine entsprechende Leistungssteigerung von 50% der Volleistung aus mit einer Steigerung von 5%/min. Die gestrichelten Linien in den Fig. 9 und 10 zeigen io vorprogrammierte Werte, während die augsezogenen Linien die tatsächlichen Werte darstellen. Die dargestellte Leistungssteigerung entspricht der vollen Leistungsreserve von 50% der Volleistung. Die Leistungsreserve ist die Differenz zwischen dem jeweiligen Betriebsleistungspegel der Anlage und demje-i5 nigen Leistungspegel, der im Falle eines plötzlichen grossen Leistungsbedarfs erzielbar ist. Der in Fig. 8 gezeigte Übergang lässt sich nicht ohne teillange Steuerstäbe durchführen, da die Steuerstäbe nicht weit genug in den Reaktorkern eingeschoben sind, um durch Herausziehen der Steuerstäbe eine derart 20 grosse Änderung herbeizuführen. Wenn die axiale Leistungsverteilung nicht berücksichtigt wird, kann ein solcher Übergang theoretisch herbeigeführt werden.

Die Fig. 11,12 und 13 zeigen die Fähigkeit zur Leistungsstei-25 gerung auf Volleistung bei Konstanthaltung der axialen Leistungsverteilung ohne teillange Steuerstäbe. Die gestrichelten und durchgezogenen Kurven zeigen jeweils die vorprogrammierten und die tatsächlichen Werte. Diese dargestellten Arbeitskennlinien entsprechen der in Fig. 3 gezeigten Kurve 30 für das Ende der Brennstoffstandzeit. Mit einer Steigerungsrate von 5% pro Minute sind nur 70% der Volleistung erreichbar. Ein Vergleich mit den Fig. 14,15 und 16 zeigt unmittelbar den Vorteil der durch das erfindungsgemässe Verfahren verbesserte Lastfolgefähigkeit.

G

6 Blatt Zeichnungen

Claims

625362 PATENTANSPRÜCHE

1.Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors unter Anpassung an Laständerungen, wobei der Reaktor einen Kernbrennstoff mit einer axialen Abmessung enthaltenden Reaktorkern, ein Kühlmittel, das dem Reaktorkern Wärme entzieht, einen Moderator, der Neutronen in dem Kern für die Spaltung abbremst und einen negativen Reaktivitätstemperaturkoeffizienten hat, sowie einen primären Kühlmittelkreislauf, der das Kühlmittel zu einem Wärmeaustausch-Dampferzeuger fördert, und einen Sekundärkreislauf, der den erzeugten Dampf einer Dampfverwertungsvorrichtung zuführt, aufweist, wobei eine im wesentlichen symmetrische axiale Leistungsverteilung innerhalb des gesamten Reaktorkerns aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erforderliche Erhöhung der Reaktivität im Reaktorkern ohne wesentliche Veränderung der axialen Leistungsverteilung innerhalb des Reaktorkerns dadurch erfolgt, dass man eine Herabsetzung der durchschnittlichen Kühlmitteltemperatur herbeiführt, während man eine im wesentlichen konstante Strömungsgeschwindigkeit des primären Kühlmittels aufrechterhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Kühlmittel in einem geschlossenen Primärkreislauf durch den Reaktorkern und den Wärmetauscher hindurch zirkulieren Iässt, wobei das Kühlmittel im Wärmetauscher mit Wasser in Wärmeaustausch gebracht wird, um Dampf zu bilden, der durch ein Drosselventil einem Auslass zugeführt wird, und dass man die Temperatur des Kühlmittels herabsetzt, indem man die dem Kühlmittel zwecks Erzeugung von Dampf durch den Wärmetauscher entzogene Wärmemenge durch Erhöhung der ausgelassenen Dampfmenge durch öffnen des Drosselventils erhöht

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Begrenzung der Öffnung des Drosselventils ein Absinken der durchschnittlichen Kühlmitteltemperatur unter einen vorgegebenen unteren Grenzwert verhindert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene untere Grenzwert der Kühlmitteltemperatur um 11 °C unter der normalen Betriebstemperatur des Kühlmittels liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel einen Neutronenabsorber enthält und dass man, nachdem die weitere Absenkung der Kühlmitteltemperatur unter den genannten unteren Grenzwert beendet worden ist, zur weiteren Reaktivitätserhöhung im Reaktorkern die Konzentration des Neutronenabsorbers im Kühlmittel herabsetzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor Steuerstäbe enthält, deren axiale Länge mindestens gleich der Axialausdehnung des Reaktorkerns ist und die in den Reaktorkern axial einschiebbar und aus dem Reaktorkern axial herausziehbar sind, wobei die axiale Leistungsverteilung durch die Neutronenflussdifferenz zwischen der oberen und der unteren Reaktorkernhälfte dargestellt wird, und dass man die Neutronenflussdifferenz zwischen der oberen und der unteren Reaktorkernhälfte während des Reaktorbetriebs durch Steuerung der Axialposition der Steuerstäbe im wesentlichen konstant hält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Herausziehen der Steuerstäbe aus dem Reaktorkern verhindert, wenn die genannte Neutronenflussdifferenz einen vorgegebenen Wert übersteigt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man den Dampferzeuger während des normalen Leistungsbetriebes vollständig unter dem Bereich des überhitzten Dampfes betreibt.