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Kernreaktor
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Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem vorzugsweise aus
einzelnen länglichen Brennelementen zusammengesetzten Reaktorkern in mindestens
annähernd rotationssymmetrischer Anordnung mit radialer und axialer Ausdehnung und
mit einem System zur Begrenzung der Reaktorleistung und der Reaktorleistungsdichte
mit einer Anregung durch über den Reaktorkern verteilte Detektoren für den Neutronenfluß.
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Wie zum Beispiel die deutsche Patentschrift 1 930 439 zeigt, treibt
man bei Kernreaktoren einen hohen Aufwand, um nicht nur die Reaktorleistung insgesamt,
sondern auch ihre Verteilung über die räumliche Ausdehnung des Reaktorkerns zu ermitteln.
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Die bekannte Einrichtung mit aktivierbaren Festkörpersonden, die zeitweilig
in den Reaktorkern eingefahren werden, ist jedoch nicht zur Anregung eines Schutzsystems
geeignet, da hierfür eine ständige Meßwerterfassung unerläßlich ist.
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Nach der deutschen Offenlegungsschrift 22 22 432 hat man solche beweglichen
Sonden, die die Leistungsverteilung zu ermitteln gestatten, auch schon in Abhängigkeit
von den Meßwerten fest eingebauter Neutronendetektoren ausgelöst, um gerade im Gefahrenfall
eine genauere Messung zu erhalten. Auch dies ist aber für die Anregung von Schutzsystemen
nicht ausreichend, weil die Zeitverzögerung zwischen dem Ansteuern der beweglichen
Sonden
und zur Auswertung von deren Ergebnissen für ein Schutzsystem
zu lang sein kann.
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An sich ist die Uberwachung der Leistungsverteilullg mit Hilfe von
Sonden, die in einem Reaktorkern fein verteilt angeordnet sind, kein Problem, weil
sowohl solche Sonden als auch ihre Anordnung im Reaktorkern durchaus bekannt sind.
Jedoch ist einmal der hierzu erforderliche Aufwand relativ groß. Zum anderen sind
Neutronendetektoren schon wegen ihrer geringen Größe und ihrer extremen Einsatzbedingungen
empfindlich, so daß die für die Anregung eines Schutzsystems unerläßliche Zuverlässigkeit
nicht immer voll befriedigt.
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Nach einem älteren Vorschlag (VPA 75 P 9312 BRD = Akt.Z. P 25 15 712.4)
sollen statt vieler fein verteilter Meßsonden robuste sogenannte Neutronenflußaußenkammern
an wenigen Stellen eingesetzt werden, deren Meßwerte noch durch Thermoelemente zur
Messung der Aufwärmspanne oder der örtlichen Temperatur im Reaktorkern ergänzt und
überwacht werden. Damit kann auch ein Rechner für den Schutz des Reaktors angeregt
werden. Jedoch stellen die den Thermoelementen eigenen Verzögerungszeiten von bis
zu 0,3 sec.
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und die letztlich integrale Art der Messung noch kein Optimum dar.
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Die Erfindung hat zwar auch das Ziel, den Aufwand für die Meßeinrichtungen
bei der Uberwachung der lokalen Reaktorleistung zu verringern. Dabei soll jedoch
die Genauigkeit erhalten bleiben, die sonst mit vielen fein verteilten Detektoren
erreicht wird.
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Gemäß der Erfindung wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß
mindestens drei radial verteilte Gruppen von mehreren axial und radial verteilten
Detektoren mit je einer Recheneinrichtung zur Simulierung des Kernzustandes verbunden
sind, daß die Recheneinrichtungen über Einweg-Informationsglieder miteinander gekoppelt
sind und daß das Schutz system über eine Auswertungsschaltung mit den Recheneinrichtungen
verbunden ist.
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Bei der Erfindung bedient man sich demnach bekannter Methoden, um
den Kernzustand mit elektronischen Einrichtungen, zum Beispiel mit Einzweck-Rechnern,
nachzubilden. Diese Nachbildung geschieht aber nicht, wie zum Beispiel in der deutschen
Offenlegungsschrift 20 14 997 angegeben ist, zur Projektierung von Kernkraftwerken,
deren Zeitverhalten studiert werden soll, sondern zur Meßsignal-nFilterung" nach
Art eines Kern-"Beobachters" zur Korrelation und Interpolation der von wenigen zuverlässigen
Detektoren ermittelten tatsächlichen Meßwerte, so daß durch on-line-Simulation ein
genaues, d.h. fein unterteiltes Rasterbild des Reaktorkerns in bezug auf die Reaktorleistungsdichte
entsteht. Dabei liefert die Verwendung von mehreren redundanten Detektorengruppen
und Recheneinheiten die Möglichkeit der gegenseitigen Kontrolle, so daß die Zuverlässigkeit
der letztlich ermittelten Leistungsverteilung sichergestellt ist.
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Die einzelnen Gruppen von redundanten Detektoren und Rechnern zur
Kernnachbildung können sich bei der Erfindung gegenseitig und damit als System gesehen
also selbst kontrollieren, so daß keine weiteren Maßnahmen und Einrichtungen zur
Überwachung erforderlich sind. Dies unterscheidet die Erfindung auch von einer aus
der deutschen Offenlegungsschrift 23 46 725 bekannten Anordnung, bei der nur ein
einziger Rechner vorhanden ist, der von über den Kern verteilten Neutronendetektoren
gespeist wird.
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Hier ist die gleichmäßige Leistungsverteilung nur in so weit interessant,
als danach die Betätigung der Steuerstäbe ausgerichtet werden soll. Für eine Schutzanregung
ist diese Anordnung wegen der Möglichkeit, daß nicht nur in den Detektoren sondern
auch in dem einzigen Rechner Fehler vorkommen können, nicht so geeignet wie dies
für die Erfindung wesentlich ist.
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Vorzugsweise wird man die Erfindung mit vier Gruppen von Detektoren
verwirklichen, die mit vier Recheneinrichtungen in einer 2-von-4-Auswertungsschaltung
auf das Schutzsystem einwirken, weil hierbei Aufwand und Zuverlässigkeit in einem
besonders günstigen Verhältnis zueinander stehen. Es ist aber auch möglich, mit
weniger Gruppen zum Beispiel eine 2-von-3-Auswertung
vorzunehmen
oder aber auch mehr Gruppen einzusetzen. Die Recheneinrichtungen können auch so
ausgelegt sein, daß sie nicht nur den Kernzustand auf Grund des Neutronenflusses
berechnen, sondern auch andere Zustandsgrößen des Reaktors, insbesondere Druck und
Temperatur des Kühlmittels bei der Ermittlung der lokalen Leistung (Leistungsdichte)
zur Hilfe nehmen. Ferner können die Recheneinrichtungen mit an sich bekannten Programmen
zur Abbrandberechnung der Brennelemente versehen sein, wie sie in der schon genannten
Offenlegungsschrift 20 14 997 angesprochen sind. Dadurch können die Recheneinrichtungen
nicht nur eine quasi mathematische Interpolation der Meßergebnisse liefern, sondern
auch die notwendigen Schutzmaßnahmen mit einem besonders kleinen Sicherheitsabstand
bewirken, soweit dieser vom Abbrand oder anderen Parametern des Kernzustandes abhängt.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der beiliegenden
Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei ist in den Fig. 1 und 2 schematisiert
ein Reaktordruckbehälter für einen Druckwasser-Leistungsreaftor von zum Beispiel
1300 MWe dargestellt und Fig. 3 zeigt die zugehörige Anregung von Schutzsystemen
für den Reaktor, soweit sie von nuklearen Zustandsgrößen unmittelbar bestimmt sind.
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In Fig. 1 enthält der aus Stahl bestehende Reaktordruckbehälter 1
einen Reaktorkern 2, in dem bei Vollast eine thermische Leistung von ca. 4000 MW
entwickelt wird. Diese Leistung erwärmt Kühlwasser, das durch Ktihlmittelstutzen
3 eintritt, den Kern 2 durchströmt und durch Stutzen 4 austritt. Außerhalb des Reaktordruckbehälters
1 durchströmt das Kühlwasser bekanntlich Dampferzeuger, die eine Turbine speisen.
Die Leistungsentwicklung wird vor allem durch neutronenabsorbierende Steuerstäbe
beeinflußt, die von oben mehr oder weniger weit in den Reaktorkern 2 eingefahren
werden und zu diesem Zweck von äußeren Antrieben betätigt werden, die auf Stutzen
5 des Druckbehälterdeckels 6 sitzen.
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Die Fig. 2 läßt deutlich erkennen, daß der Reaktorkern 2 aus
Brennelementen
7 zusammengesetzt ist, die bei einer Länge von ca. 4,8 m einen quadratischen Querschnitt
mit einer Kantenlänge von ca. 0,23 m haben. In der Figur sind 133 Brennelemente
7 zu dem, wie dargestellt, annähernd zylindrischen Kern 2 zusammengesetzt. Es können
aber auch mehr oder weniger Brennelemente verwendet werden, Je nachdem, wie groß
die Kantenlänge ihres quadratischen Querschnittes gewählt wird.
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Über das Volumen des Reaktorkerns 2 sind Neutronendetektoren verteilt,
deren Anschlußleitungen 8 zu einzelnen am Rand des Deckels 6 gelegenen Stutzen 5
führen, wie gestrichelt für eine zentrale Meßposition 9 mit axial verteilten Einzelkammern
10 in Fig. 1 angedeutet ist. Wie in der Fig. 2 durch unterschiedliche Symbole gekennzeichnet
ist, sind zum Beispiel je sechs axial verteilte Detektoren 10 für Je ein System
zum Beispiel I bis IV gruppenweise in einem äußeren, mittleren und inneren Ring
11, 12, 13 des Kernquerschnittes angeordnet, die durch strichpunktiert angedeutete
Grenzlinien 14 und 15 gekennzeichnet sind. Die Symbole sind Vierecke für System
I, Kreise für System II, Kreuze für System III und Dreiecke für System IV.
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Alle Detektoren 10 können gleich ausgebildet sein und zwar zum Beispiel
so, wie in der Zeitschrift "Kerntechnik", 1971, Nr. 11, Seiten 478 und 481 beschrieben
ist.
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Die Detektoren 10 Jeder Gruppe sind mit ihren Anschlußleitungen 8,
wie Fig. 3 zeigt, einem von vier Rechen-Modulen 16, 17, 18 und 19 zugeordnet. Es
können zum Beispiel drei mal sechs Detektoren 10 für einen Mikroprozessor zusammengefaßt
sein, wie durch die Leitungen 20, 21, 22 und 23 angedeutet ist. Als Prozessoren
kommen zum Beispiel die mit 330 bezeichneten Prozeßrechner der Firma Siemens in
Frage. Wesentlich ist eine durch zum Beispiel 64 K ausgedrückte Mindestrechenkapazität,
zum Beispiel zur Durchführung von bekannten Abbrandrechnungen, soweit diese etwa
im Hinblick auf den Spaltgasdruck in den geschlossenen Brennstäben für den zulässigen
Betrieb des Reaktors bestimmend sind, und die Möglichkeit zur Speicherung von mindestens
10 x BE-Zahl Rechengrößen. Die Prozessoren 16
bis 19 bilden als
sogenannte Superboxen ein Kernmodell, das auf Grund interpolierender Rechnungen
den Kernzustand in bezug auf die Reaktorleistung in feiner Verteilung simuliert.
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Sie sind untereinander durch Einweginformationsleitungen 24, 25, 26
und 27 verbunden. Diese Einweginformationsleitungen sind zum Beispiel mit Hilfe
von Speichern gebildet, die nur von einem der Prozessoren 16 bis 19 gespeist werden,
während die anderen den Speicherinhalt nicht verändern sondern nur lesen können.
Durch diese bekannte Kopplung wird die Zuverlässigkeit der Serndarstellung durch
die Möglichkeit von Korrelationen erhöht, zugleich aber die sonst verbundene Gefahr
der wechselseitigen Beeinflussung verhindert. Insgesamt entsteht damit, wie durch
die gestrichelt gezeichnete Linie 28 angedeutet ist, eine Abbildungseinrichtung
für den Reaktorkern 2, die schon für sich die für eine Anregung von Schutzsystemen
notwendige Genauigkeit und Zuverlässigkeit aufweist.
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Die Superboxen des Kernmodell 28 sind über Leitungen 29, 30, 31 und
32 mit einer Auswertungsschaltung 33 verbunden. Solche Auswertungsschaltungen sind
an sich bekannt. Sie können zum Beispiel so aufgebaut sein, wie in der deutschen
Offenlegungsschrift 22 35 937 beschrieben ist. Die Auswertungsschaltung 33 sorgt
mit einer 2-von-4-Auswahl für eine erheblich gesteigerte Zuverlässigkeit, wenn sie
ihrerseits die für die Sicherheit des Reaktors notwendigen Schutzsysteme speist.
Von ihr kann, wie durch einen Pfeil 34 angedeutet ist, eine Auslöseeinrichtung 35
für die Reaktorschnellabschaltung angeregt werden. Die Auswertungsichaltung 33 kann
ferner, wie mit einem Pfeil 36 gezeigt ist, eine Recheneinrichtung 37 speisen, die
Filterrechnungen zum Ausscheiden von Fehlmeldungen auf Grund von Defekten in den
Meßsträngen ermöglicht. Damit können etwa durch Ausscheiden des größten und/oder
kleinsten Meßwertes bei einer Mittelwertbildung für den Schutz des Reaktors günstige
Begrenzungen, zum Beispiel der lokalen Leistungsdichte, besonders eng den zulässigen
Grenzwerten angenähert werden.
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Neben den Schutzsystemen kann die Auswertungsschaltung 33 über
eine
Leitung 38 Signaleinrichtungen 39 betätigen, mit der das Wartungspersonal der Kernreaktoranlage
auf Störungen oder Gefahren aufmerksam gemacht wird. Man kann auch, wie in der deutschen
Offenlegungsschrift 23 46 725 angegeben ist, entsprechend dem Pfeil 40 mit der Auswertungsschaltung
33 die Antriebe 41 für die betriebsmäßige Steuerstabverstellung wirksam machen,
so daß das mit dieser Offenlegungsschrift vorgeschlagene optimale Fahren einzelner
Stäbe sozusagen zusätzlich erreicht wird.
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Die erfindungsgemäße Ermittlung der Leistungsverteilung mit wenigen
Neutronendetektoren 10 kann noch durch andere für den Kernzustand maßgebende Größen
unterstützt werden. Beim Ausführungsbeispiel ist dies durch zwei Temperaturmeßeinrichtungen
43 und 44 angedeutet, die über Leitungen 42 und 45 mit allen Superboxen 16 bis 19
verbunden sind und die Aus- und Eintrittstemperatur melden. Andere geeignete Meßgrößen
sind zum Beispiel Druck und Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels.
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4 Patentansprüche 3 Figuren
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