[B] (.2) UTLEGNINGSSKRIFT on NR

Transkript

1 NORGE d9) [NO] STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN [B] (.2) UTLEGNINGSSKRIFT on NR io ØSSo (51) mt ci. J 6 21 C 17/10 (21) Patentsaknad nr (22) InngivelseSdag (24) Løpedag (62) Avdelt/utskilt fra soknad nr. (86) Internasjonal soknad nr. (86) Internasjonal inngivelsasdag (85) Videreføringsdag (4t) Ålment tilgjengelig fra ( 4) Utlegningsdag (7l)(7J) Soker/Patenthaver SCANDPOWER A/S, Os Allé 9, 1750 Halden. (72) Oppfinner ROBERT 0. SMITH, Bethesda, MD, USA. (74) Fullmektig Siv,ing. Henrik Levkovetz, (JO)-Prioritet-begjaert Ingen. J.K. Thorsens Patentbureau y Oslo. (54) Oppfinnelsens benevnelse FHEHCANGSHAK FOR OVERVAKNING ftv EFFEKT- UTV1KLINGEN I EN K JERNtHEMTOR. (57) Sammendrag Direkte (eller forenklet) effektfordelingsovervåkning (24) i parallell med presisjonseffektfordelingsovervåkning (18) blir utfort ved hjelp av gammatermometerfølere (12) i en reaktor-brenselskjerne og signalbehandling (14) som omfatter kompensasjon for treghet i signalrespons og utnytter fordelen av det direkte (nesten lineære) forholdet mellom signalet fra følerne (12) og den effekt som utvikles i det nærliggende brenselet. Et kontinuerlig effektfordelingsbilde fra det direkte effektfordelingsovervåkningssystemet er tilgjengelig ved avbrudd av effektfordelingsbilde fra presisjons-systemet. (56) Anførte publikasjoner Norsk (N0 ' a l ment tilgjengelig patentsaknad nr , , BRD (OE) off.skrift nr , , USA (US) patent nr

2 Foreliggende oppfinnelse angår analyse av brennselstavenes arbeidsfunksjon i en kjernereaktor og nærmere bestemt overvåkning av effekttettheten i en sådan reaktor som grunnlag for en sådan analyse. Svikt av brenselstaver er en kostnadskrevende faktor ved drift av kjernekraftreaktorer. Det foreligger derfor behov for utvikling av et innebygd system som motvirker sådan brenselstavsvikt og som er i stand til: a) kontinuerlig å overvåke tilstanden av alle brenselstaver, b) å analysere de data som er oppnådd ved overvåkningen, og c) å forutsi sannsynligheten for brenselstavsvikt på grunnlag av sådan analyse. Den analysefunksjon som finner sted i et slikt system for å unngå brenselsvikt har medført utvikling av en brenselsviktmodell som gjør det mulig"å beregne den forventede hyppighet av brenselsvikt i kommersielle kjernekraftreaktorer. En sådan sviktmodell er utviklet på grunnlag av den antagelse at brenselstavsvikt hovedsakelig er en følge av innbyrdes påvirkning mellom brenselpellett og kapsling. Forsøk har vist at sådant brenselsvikt gjerne opptrer enten under raskt effektøkning, som ofte kalles "effektsjokk", eller i løpet av noen få timer etter et sådant sjokk. Effektsjokkene frembringer varmeutvidelse og formforandring av brenselpellettene, hvilket medfører spenninger i kapslingen samt eventuelt langsgående sprekker i denné. Formforandringen av brenselpellettene fører også til aksial lokalisering av spenningspåkjenningene i pellettskjøtene. Andre faktorer i forbindelse med innbyrdes påvirkning mellom brenselpelletter og kapsling antas også å være ansvarlig for brenselstavsvikt, men alle

3 sådanne faktorer er en følge av nevnte effektsjokk. Nøyaktig og kontinuerlig overvåkning av effekttettheten i brenselstavene er derfor av vesentlig betydning for å kunne påvise effektsjokk og ved hjelp av nevnte brenselsviktmodell å gi kjernereaktorens operatør de nødvendige opplysninger for å styre effektfordelingen ved styrestavbevegelse og/eller regulering av kjølemiddelstrømmen i en kokende-vannreaktor eller ved styrestavbevegelse og/eller regulering av boronkonsentrasjonen i moderatoren for en trykkvannsreaktor. Effekttettheten i reaktoren har vært overvåket ved hjelp av måleenheter anbragt i brenselstavsammenstillingen. En type måleenheter som hittil har vært anvendt for sådant formål er en som reagerer på termisk nøytronfluks. Skjønt en sådan nøytronfluks-føler gir effektmålesignaler som oppviser rask reaksjon på forandringer i lokal effekttetthet, er den utilfredsstillende ut i fra to andre viktige forhold. For det første har effektmålesignalet fra en nøytronfluks-føler ikke direkte sammenheng med den lineære varmeutvikling i vedkommende brenselstav, således at forskjellige kaliibrerings- og korreksjons-faktorer må innføres for å oppnå en tilfredsstillende tilnærmelse til det ganske kompliserte sammenheng som foreligger. For det annet har nøytronfluks-føleren en emitter som kan være gjenstand for utbrenning. I norsk patentskrift nr er det beskrevet måleutstyr for måling av lokal effektutvikling i reaktorkjerner, og som frembringer et utgangssignal som har direkte sammenheng med den lineære varmeutvikling i brenselstavene, hvilket gjør det mulig å oppnå en mere nøyaktig bestemmelse av denne parameter enn det som kan oppnås ved nøytronfluksmålere. Den måler som er angitt i ovenfor nevnte norske patentskrift er av den type som avføler varmen som utvi-kles med gamma-bestråling og har ingen

4 emitter som kan brenne ut. Gammastråle-føleren har imidlertid ikke rask signalreaksjon med hensyn til forandringer i effektnivået, slik det var tilfelle ved nøytronfluksføleren, hvilken er en ulempe med hensyn til de krav som foreligger med hensyn til lokale brenseleffektmålinger i sann tid for et system som har til oppgave å hindre brenselsvikt. Det er er derfor et viktig formål for foreliggende oppfinnelse å angi en fremgangsmåte for å forsyne en kjernereaktoroperatør med nøyaktige opplysninger i sann tid om lokal brenseleffektutvikling i reaktorkjernen, for derved å tillate drift av kjernereaktoren med tilstrekkelige driftsmarginer med hensyn til de driftsparametere som kan fastlegges ut i fra lokale effektmålinger. Oppfinnelsen gjelder således en fremgangsmåte for overvåkning av effektutviklingen i en kjernereaktor, idet det frembringes effektmålesignaler ved "hjelp av målelegemer som utvikler indre varme under gamma-bestråling fra fisjons-prosesser i grupper av brenselstaver i reaktoren, og disse signaler bearbeides sammen med et antall driftsparametere for kjernereaktoren for å frembringe en nøyaktig effektprofil-anvisning, som imidlertid avbrytes med visse mellomrom. På denne bakgrunn av kjent teknikk har så fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse som særtrekk at nevnte effektmålesignaler også bearbeides separat uten sammenheng med nevnte driftsparametere for å frembringe en annen, kontinuerlig effektprofil-anvisning som er tilgjengelig under de midlertidige avbrytelser i den førstnevnte nøyaktige effektprofilanvisning, idet de separat bearbeidede effektmålesignaler kallibreres i samsvar med den nøyaktige effektprofilanvisning for korreksjon av den annen, 'kontinuerlige effektprofilanvisning.

5 Oppfinnelsen vil nå bli riærmere forklart ved hjelp av utførelseseksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 er et skjematisk blokkskjema som anskueliggjør grunnprinsippene for effektovervåkningen i henhold til foreliggende oppfinnelse. føler- Fig. 2 er en grafisk fremstilling av sammenlignbare signal-karakteristikker. Fig. 3 viser grafisk den korreksjon av målesignalets reaksjon som utføres ved foreliggende effektovervåkning. Fig. 4 er et mer detaljert blokkskjema av systemutrustning som anvendes for utførelse av foreliggende fremgangsmåte. Fig. 5 viser en del av et snitt gjennom en typisk signalkabelkobling til en måleenhet som anvendes ved utførelse av foreliggende fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen. Det skal nå nærmere henvises til fig. 1, som skjematisk viser utstyr for lokal effektovervåkning av kjernebrenslet i en kjernereaktor, idet dette utstyr som helhet er betegnet.med henvisningstallet 10. Organer for utledning av måledata for systemet er anbragt i reaktorens brenselkjerne og består av et antall måleenheter for lokal effektutvikling, og som generelt er angitt ved henvisningstallet 12 i fig, 1. Utgangssignalene fra måleenhetene føres langs to parallelle overføringsbaner gjennom henholdsvis en analog direkte signalprosessor 14 og en presisjonsregnemaskin 16, for derved å frembringe henholdsvis en midlere effektavlesning 16 og en presisjonseffektavlesning 18. Datainngangssignaler til presisjonsregnemaskinen utledes også fra andre kilder, som f.eks. omfatter informasjon beregnet ut i fra følsomhetsmodeller for måleenhetene, effektsjokkmodeller samt forskjellige

6 korreksjonsfaktorer, slik som kjernetilstand og tidsdomene-korresjoner. I databehandlingsbanen for regnemaskinen 16 er målesignallinjene forinnstilt hver for seg ved forkallibre.ring for å oppnå presisjonsmålinger for varmeutviklingen ut i fra målesignaler som er omformet til utgangssignaler for lokal brenseleffekt korrigert i samsvar med forskjellige tilstandsparametere for kjernereaktoren representert ved de datakilder som er angitt ved henvisningstallet 20 i fig. 1. Den presisjonseffektavlesning 18 som således oppnås kan overføres til en analysator 22 for å frembringe forvarsl.ing om eventuelle kjernebrense.lsvikt samt anbefalt, effektfordeling for å kunne unngå sådan svikt. Denne analys.ator kan alternativt motta sin inngang fra en midlere effektutlesning 24 som den direkte signalprosessor 14 avgir sine utgangssignaler til i form av lokale effektmålinger i. kjernebrenselet.: En kalibrator 26 er forbundet med signalprosessoren 14 for løpende korreksjon av prosessorens utgangssignal ved sammenligning av avlesningen 24 med presisjonsavlesningen 1-8 mens den er i gang. Avlesningen 24 kan således drives kontinuerlig for-å gi den : nødvendige, informasjon til reaktorens- operatør mens regnemaskinen 16 ikke er. i funksjon, for derved å unngå utkobling av kjernekraftanlegget på grunn av avbrytel.ser i datatilførselen til regnemaskinen 16. av forskjellige grunner, slik som f^eks. oppdatering av lagrede data. Den type effektmåler som anvendes ved effektovervåkningen i henhold til foreliggende oppfinnelse er meget avgjørende for det oppnådde resultat. Som vist i fig. 2, oppviser de nøytronfluks-føleresom hittil har vært anvendt for presisjonseffektovervåkning en vesentlig variasjon med tiden i signalnivå for konstant, lineær varmeutvikling for en brenselstav av enhetslengde, slik som angitt ved kurven 28, som.forutsetter at det ikke foreligger noen emitterutbrenning. Med kompensasjon for emitter-utbrenning, er f orandri.ngen i signalnivå for nøytronf luks-f øleren angitt

7 ved kurve 30. I sterk kontrast til dette er signalnivåforandringen for en gamma-måleenhet av den viste type i ovenfor angitte norske patentskrift angitt ved kurven 32 i fig. 2, hvorav det vil fremgå at det her ikke er nødvendig med noen drastisk tidsdomene-korreksjon. Fig. 5 viser et av gamma-målelegemene 34 som strekker seg gjennom et føringsrør 36 fra en reaktorinstallasjon til tetningsflenskoblingen 38 som befinner seg i en instrumentfjerningssone i f.eks. en trykkvannreaktor. Målelegemet strekker seg gjennom tetningsflensen 40 og de tilhørende termoelementkabler 42 er.ført gjennom tetningspluggen 44 til måleutstyret for effektovervåkning. Den gamma-utstråling som avgis av fisjonsprodukter i reaktorens brenselkjerne frembringer indre oppvarming av den indre kjerne 46 av målelegemet og avgir derved temperatursignaler over termoelementkablene 42. Skjønt disse signaler gir mer nøyaktig bestemmelse av den lineære, varmeutvikling fordi de står i hovedsakelig direkte sammenheng med denne, foreligger det imidlertid en signalreaksjonsforsinkelse når det opptrer en plutselig effektforandring, slrk det fremgår av den signalkarakteristikkkurve 48 som er vist i fig. 3. I henhold til foreliggende oppfinnelse modifiseres imidlertid signalet for å kompensere for denne langsomme signalreaks jon,. slik som angitt^ ved den korrigerte kurve 50 for oppvarmingssignalet. Det skal nå henvises til fig. 4, hvor signalkablene fra hver av målelegmene 34 er vist koblet til en terminalboks 52, og gjennom denne føres signaler av mikrovoltnivå til en signalavsøker 54. Som eksempel kan åtte målelegemer 34 være tilordnet hver kjernestavgruppe i eri reaktorkjerne, idet hvert målelegme har fem tilordnede signalkabler, således at det tilsammen utgår førti signalkabler fra hver kjernestavgruppe. I en lettvannsreaktor kan det være mellom 350 og 450 sådanne signalkabler for å overføre de lokale effektmåler gjennom terminalboksen 52 til avsøkeren

8 Avsøkeren kan være en faststoff-multiplékser, hvorfra en signalrekke avgis til en første analog signalomformer 56, hvor signalene kalibreres for å frembringe et antall analoge signaler på signalbanen 58 og som representerer lokal varmeutvikling i de forskjellige målelegemer. Signalbanen 58 representerer et antall signallinjer koblet i parallell til den direkte analoge signalbehandling og til presisjonssignalbehandlingen, slik det tidligere er omtalt under henvisning til fig. 1. Under presisjonssignalbehandlingen føres det analoge inngangssignal inn i en presisjonssignalomformer 60 hvor målesignaléne gis individull behandling og korrigeres i samsvar med en signalfølsomhetsmodell over kalibratoren 62 med det formål å oppnå presisjonssignaler som angir lokal varmeutvikling på forskjellige steder i kjernebrenslet og som overføres til en prosessregnemaskin 64, som også mottar inngangsdata fra et modelldatalager 66 og en tilstandsdatakilde 68. Utgangssignalene fra regnemaskinen blir så modifisert i et dynamisk filter 70 for å kompensere for den signalforsinkelse som er omtalt ovenfor i forbindelse med fig. 3. Utgangssignalene overføres så til en presisjonsanvisning i form av en presisjonsmonitor som angir lokal effektutvikling i kjernebrenselet for hver brenselstav. Den direkte signalomforming i overføringsbanen 58 vil informasjon om lokal effektutvikling finne sted gjennom en annen signalomformer 72 for å frembringe utgangssignaler som avspeiler den lokale brenseleffekt for brenselstaver i nærheten av hvert av målelegemene. Utgangssignalene modifiseres så i et dynamisk filter 74 og passerer gjennom en ekstrapolator 76 til en monitor 24 som kontinuerlig gir informasjon om midlere effektverdi. Signalkorreksjoner kan bli utført fra kalibratoren 78. En anvisning av tilredsstillende nøyaktighet kan bare oppnås ved sådan direkte signalbehandling på grunnlag av den mer nøyaktige signalinformasjon som oppnås ved de foreliggende måle-

9 legemer 34 samt det forhold at det kompenseres for langsom signalreaksjon ved løpende kallibrering gjennom kallibratoren 78 ut i fra sammenligning med data som oppnås fra presisjonsmonitoren 18. PATENTKRAV 1. Fremgangsmåte for overvåkning av effektutviklingen i en kjernereaktor, idet det frembringes målesignaler ved hjelp av målelegemer som utvikler indre varme under gammabestråling fra fisjons-prosesser i grupper av brenselstaver i reaktoren, og disse signaler bearbeides sammen med et antall driftsparametere for kjernereaktoren for å frembringe en nøyaktig effektprofil-anvisning som imidlertidig avbrytes med visse mellomrom, k a r a k t e r i s e r t ved at nevnte effektmålesignaler også bearbeides separat uten sammenheng med" nevnte driftsparametere for å frembringe en annen, kontinuerlig effektprof il-anvisning^ som er tilgjengelig under de midlertidige avbrytelser i den førstnevnte nøyaktige effektprofil-anvisning, idet de separat bearbeidede effektmålesignaler kalibreres i samsvar med den nøyaktige effektprofil-anvi-sning for korreksjon av den annen, kontinuerlige effektprofil-anvisning. 2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at effektmålesignalene innledningsvis kalihreres for å angi gammastråle-oppvarmingen av målelegemene, og bearbeides så til å angi den effekt som utvikles i brenselstavene i nærheten av hvert målelegeme. 3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, k a r a k t e r i s e r t ved at effektprofilanvisningen korrigeres for å kompensere for forsinket reaksjon av målesignalene på effektforandringer.

10 Fremgangsmåte som angitt i krav 3, k a r a k t e r i s e r t ved at effektprofilanvisningene filtreres for å kompensere for målesignalenes forsinkede reaksjon på effektforandringer.

11 FIG. I. -Kalibrator 26 / 10 Lokal effektmåler * Presisj onsregnemaskin f 14 Direkte signalprosessor Effektavlesning Presisjonseffektavlesning Nl8 / 24 ^ (ZZ Analysator Datalager -20 1,5 FIG. 2. Tid FIG 3. Signal 50^ f Tid

12 F/G Inn st IGL lb ai kalibrator 54 JL Signalavsøker elle multi- : plekser Fyrste signal omforme] /f 58 Annen signalomf ormer Dynam. r- 76 r f Ilter -*f!xtrapolator - / 24 Middelverdiaoni tor Prosessregnemaskin Modelllager -66 JL 60 Rites i s j on signalomfqrmer 62 1 CalibÉafeo JL 64 Dynam. 'Filter L 68 Tilstand3- datalager Presisjons. nonitor en o Ln O4

13 FIG \ IN 46 I?* FIG. 6. OVJN Målere 1 Kalibrerte voltmetere sa f' v. 84 PresisjonssignalbehandlingI