METHOD AND ARRANGEMENT TO DETERMINE AND INDICATE FAILURES IN THE COOLING SYSTEM IN A FUEL ELEMENT OF A REACTOR CORE

Abstract: 1. A method of determining and reporting cooling failures in a fuel element of a reactor core, in particular a sodium cooled, high-speed breeder reactor, where the coolant output temperature (To ) about the fuel element, and also the overall power (P) of the reactor core, the overall primary coolant throughput (W), and the coolant input temperature (Ti ), or other measured values which can be converted into these values, are measured and functionally logic-linked to one another, characterised by the following features : a) the status vector (Xk ) required in order to characterise the status of the fuel element on the basis of a thermo-hydraulic model is estimated, at time intervals DELTA t, in a parameter-adaptive, recursively operating estimating circuit assigned to the fuel element, taking into consideration existing measured values and earlier estimation results ; b) the estimating circuit supplies : estimated status values of the fuel element in question, including both the mean fuel temperature (Tf ) and the mean coolant temperature (Tc ) in the fuel element which either cannot themselves be measured or only with difficulty ; c) the estimated, mean fuel temperature (Tf ) and/or the estimated mean coolant temperature (Tc ) in the fuel element are fed to a theoretical value comparator which triggers a fault message in the event of too great a deviation from a predeterminable theoretical value.

Description: Verfahren und Anordnung zur Feststellung und Meldung von Kühlungsstörungen in Reaktorkernen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Feststellung und Meldung von Kühlungsstörungen in Reaktorkernen, insbesondere von natriumgekühlten schnellen Brutreaktoren. In natriumgekühlten schnellen Brutreaktoren sind verschiedene Kühlungsstörungen im Reaktorkern denkbar, die zur Vermeidung von grösseren Schäden möglichst schnell erkannt werden sollen. Bei einer Kühlungsstörung, beispielsweise dem teilweisen oder ganzen Verstopfen eines von flüssigem Natrium durchflossenen Kanals in einem Brennelement oder dem Auftreten von grösseren Gasblasen in dem Kühlmittel, kann es zu einer Überhitzung des Brennstoffes und damit zu einer mehr oder weniger starken Beschädigung des betroffenen Brennelementes kommen. Zur frühzeitigen Feststellung von solchen Kühlungsstörungen wird bisher die KühlmitteltemperEtur am Brennelementausgang gemessen und mit einem Sollwert verglichen. Überschreitet die Abweichung der Ausgangstemperatur vom Sollwert eine bestimmte Grösse, so wird eine Kühlungsstörung unterstellt und eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben, bzw. gegebenenfalls ein Abschalten des Reaktors' ausgelöst. Das Hauptproblem bei diesem Verfahren sind die immer vorhandenen Schwankungen der Kühlmittelaustrittstemperatur, das sogenannte Rauschen des Messwertes, welches dié Empfindlichkeit dieses Verfahrens einschränkt. Entweder muss nämlich die Ansprechschwelle sehr hoch gesetzt werden, damit auch bei den statistisch auftretenden Spitzen im Rauschspektrum kein Fehlalarm ausgelöst wird, oder man muss durch zeitliche Integration der Messwerte eine Glättung vornehmen, was auf Grund der Zeitkonstanten zu verzögerten Fehlermeldungen und bei transienten Vorgängen zu Verfälschungen führt. Ein verbessertes Verfahren zur Verringerung des Rauschens in dem Messwert der Kühlmittelausgangstemperatur wurde auf dem Specialists Meeting on Reactor Noise (SMORN II) in Gatlinburg, Tennessee (USA), 1977 von M. Edelmann unter dem Thema Noise and DC Balanced Outlet Temperature Signals for Monitoring Coolant Flow in LMFBR Fuel Elements" vorgeschlagen. Dabei wird versucht, die Schwankungen der Kühl- mittelaustrittstemperatur durch weitere Messungen und Korrekturen zu kompensieren, um die Empfindlichkeit und Ansprechzeit des Kühlungs-Uberwachungssystems zu verbessern. Das dort vorgeschlagene Verfahren kompensiert tatsächlich schon einen erheblichen Teil der Schwankungen, ist jedoch vornehmlich für stationären Betrieb geeignet, da einige Parameter als konstant eingegeben werden. Ein Driften dieser Parameter fUhrt u. U. zu Fehlmeldungen, wenn die Ansprechschwelle für den Alarm nicht hinreichend hoch gewählt wird. Die Uberwachungsfunktion wird ausschliesslich von der Kühlmitteltemperatur abgeleitet. Eine gleichzeitige Uberwachung der Brennstofftemperatur ist nicht möglich. In der DE-OS 30 08 198 wird ein ähnlicher Problemkreis behandelt. Es wird ein Verfahren beschrieben, das den An- teil des Volumendurchsatzes in einem Brennelement zu bestimmen gestattet. Eine Überwachung der Brennstofftemperatur ist aber nicht vorgesehen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine empfindliche Feststellung von Kühlungsstörungen in Reaktorkernen, insbesondere bei natriumgekühlten schnellen Brütern, zu ermöglichen, bei der Fehlmeldungen weitestgehend ausgeschlossen sind, ohne dass die Empfindlichkeit der Überwa- chung beschränkt werden muss. Insbesondere soll auch eine Kühlungsüberwachung bei transienten Vorgängen, d. h. während normaler Betriebsänderungen im Reaktorsystem, ohne Einschränkung des Frühwarnpotentials möglich sein, was bei den bisherigen Verfahren ausgeschlossen ist. Ausserdem wird auch die Anzeige von Kurzzeit-Störungen, wie beispielsweise Blasendurchgang durch einzelne Brennelemente, angestrebt. Die Diagnose der Ursachen von Kühlungs- störungen soll durch die gleichzeitige Überwachung der Brennstoff- und Kühlmitteltemperatur verbessert werden. Zur Lösung der geschilderten Aufgabe wird e & ein Verfahren gemäss dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Dazu wird nicht mehr nur die Kühlmittelausgangstemperatur an jedem Brennelement überwacht, sondern die nicht direkt messbare lokale Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur aus leicht me#Bbaren Grössen unter Verwendung eines thermohydraulischen Modells abgeleitet. Diese lokale Brennstoff- bzw. Kühlmitteltem- peratur ist eine Grösse, deren Wert nur mit einem sehr geringen Rauschen behaftet ist. Die Probleme, die sich durch das Rauschen der Kühlmittelaustrittstemperatur ergaben, stellen sich nach einer Bestimmung der. lokalen Brennstofftemperatur nicht mehr. Daher lässt sich eine Abweichung der lokalen Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur vom Sollwert mit grosser Genauigkeit feststellen, so dass eine Fehlermeldung für das betreffende Brennelement ausgelöst werden kann. Da die lokale Brennstofftemperatur nicht ohne weiteres direkt gemessen werden kann, war sie nach bisheriger Meinung der Fachwelt als Indikator einer Kühlungsstörung nicht geeignet. Es wurde davon ausgegangen, dass eine Bestimmung der Brennstofftemperatur mit einem hohen Instrumentierungsaufwand, für den in einem schnel len Brutreaktor auch gar kein Platz wäre, erkauft werden müsste. Es hat sich aber gezeigt, dass eine Bestimmung der lokalen Brennstofftemperatur aus anderen leicht messbaren Grössen mit Hilfe eines einfachen thermohydraulischen Modells mög lich ist. Im zweiten Anspruch wird daher vorgeschlagen, die lokale Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur durch Messung von Ge samtleistung, Primärdurchsatz an Kühlmittel, Kühlmittelein- trittstemperatur und KUhlmittelaustrittstemperatur jedes Brennelementes, wie sie in an sich bekannter Weise an Kern reaktoren ohnehin vorgenommen wird, zu bestimmen. Diese Methode erfordert keine zusätzliche Instrumentierung am Kernreaktor und liefert trotzdem genügend Messwerte für alle freien Parameter des terhmohydraulischen Modells. Mit Hilfe dieser Messungen lassen sich nun die Brennstofftem peratur im Brennelement, die Kühlmitteltemperatur im Brenn element, der Leistungsanteil des Brennelementes, der" An- teil des Massendurchsatzes des Brennelementes, die spezi fische Wärme des Kühlmittels im Brennelement, die Wärme kapazität des Brennstoffes und des Kühlmittels im Brenn element und die integrale Wärmedurchgangszahi zwischen Brennstoff und Kühlmittel bestimmen. Insbesondere die Brennstofftemperatur ist nun geeignet für eine Uberwachung auf Kühiungsstörungen jedes einzelnen Brennelementes. Die übrigen Grössen dienen der Klassifizierung der Uber die Brennstofftemperatur indizierten Anomalie, d. h., sie können Informationen über Ursache und Risiko einer Ano malie geben. Im dritten und vierten Anspruch wird vorgeschlagen, die Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur mittels eines rekursiven Parameter- und Zustands-Schätzverfahrens, insbesondere unter Verwendung eines Kalman-Filters, aus den Messwerten in Abhängigkeit von der Zeit zu ermitteln. Dieses Verfahren, welches insbesondere unter Zuhilfenahme eines Rechners mit grosser Schnelligkeit ausgeführt werden kann, arbeitet auch bei Zustandsänderungen des Reaktors einwandfrei und erheblich schneller als die bisherigen Verfahren. Ausserdem wird die Verfügbarkeit der Überwachung nicht durch semi-manuelles Kalibrieren beeinträchtigt, was ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist. Im Anspruch 5 wird eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Dazu werden die Messwertgeber für Gesamtleistung, Primärdurchsatz, Kühlmitteleintritts- temperatur, Kühlmittelaustrittstemperatur von jedem Brennelement mit einer Auswerteelektronik verbunden, in der die lokalen Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperaturen aus den Messwerten nach einer Rekursionsformel abgeleitet werden. Die lokalen Brennstofftemperaturen treten nun an die Stelle der bisher überwachten Kühlmittelaustrittstemperaturen. Dabei ist deren Rauschen bedeutend geringer als das der bisher gemessenen Kühlmittelaustrittstemperatur. Bei natriumgekühlten schnellen Brutreaktoren stehen folgende Messgrössen durch ohnehin notwendige Messungen zur Ver fiigungt P - Gesamtleistung des Kerns TI = Temperatur des Kühlmittels am Kerneingang a ^ Gesamtdurchsatz des Kühlmittels im Kühlbereich Weiterhin wird für jedes Brennelement die Kühlmittelaus- trittstemperatur gemessen: T0 = Kühlmittelaustrittstemperatur Mit Hilfe eines einfachen thermohydraulischen Modells lässt sich ein Brennelement folgendermassen beschreiben: EMI6.1 wobei die Buchstaben folgende Bedeutung haben: : Tf = mittlere Brennstofftemperatur des Brennelementes % =mittlere Xühlmitteltemperatur im Brennelement #p = Anteil der Brennelementleistung an der Gesamt leistung P #w = Anteil des Brennelementdurchsatzes am Gesamt durchsatz w k ¯ Wärmedurchgangszahl zwischen Brennstoff und Kühlinittel h P spezifische Wärme des Kühlmittels Cf = Wärmekapazität des Brennstoffes im Brennelement Cc = Wärmekapazität des Kühlmittels im Brennelement Unter der Annahme eines linearen axialen Temperaturprofils im Brennelement gilt der Zusammenhang: : Tc = # (To DZ+ TI) oder To = 2Tc - Bei einer Linearisierung um den Arbeitspunkt, der dabei zeitabhängig ist, und einer Diskretisierung des linearen Modells lassen sich-die Gleichungen (13 und (2) in ein System von linearen Differenzengleichungen zusammenfassen: EMI7.1 EMI7.2 wobei # , # , H und D Parametermatrizen sind uhd EMI7.3 den Zustandsvektor des Brennelementes zum Zeitpunkt tk bedeutet. EMI7.4 ist die Messgrösse - und ist der Vektor der ebenfalls gemessenen Eingangs- (Stµr-)Grössen. Das Gleichungssystem (3), (4) beschreibt die Wirkung der Störungen uk auf das Core-Verhalten zu den jeweils diskret gewählten Messzeitpunkten tk in der Umgebung des Arbeitspunktes. Das hier behandelte Problem besteht nun unter anderem darin, den nicht direkt messbaren Zustandsvektor Xk aus den Messwerten Yk und uk zu bestimmen. Dies lässt sich in besonders geeigneter Weise durch ein Zustandsschätzverfahren, ein sogenanntes Kalman-Filter, bewerkstelligen. Die zugehörige Theorie ist z. B. beschrieben in dem Buch: K. W. Schrick, Anwendungen der Kalman-Filter-Technik", Oldenborg Verlag, München Wien 1977. Im folgenden wird ein nur zum besseren Verständnis eingeführter hochgestellter Index verwendet, der den Zeitpunkt angibt, bis zu dem Messwerte in die so indizierte Grösse eingeflossen sind. So bedeutet beispielsweise: EMI8.1 Schätzwert des Zustandsvektors X für den Zeitpunkt unter Verwendung von Messwerten bis einschliesslich zum Zeitpunkt tk. Ein vorhergesagter Schätzwert für X zum Zeitpunkt t+1 lässt sich nach.(3) berechnen: EMI8.2 Je ungenauer dieser Schätzwert anfangs ist, desto grösser wird auch die Differenz sein zwischen Messwert Y > +1 und dem EMI8.3 Deshalb benutztdas eigentliche. Kalman-Filter die mit ei nem Faktor K#+i +1 gewichtete -Differenz EMI8.4 Dadurch fliessen noch Messwerte vom Zeitpunkt tk+1 ein, und es ergibt sich ein verbesserter Schätzwert nach der Rekursionsformel: EMI9.1 In der Literatur ist bewiesen, dass sich EMI9.2 mit zunehmender Zahl von Messungen, d. h. mit wachsendem Index k dem tatsächlichen Wert X nähert. Für die hier dargelegte Erfindung ist dabei aber entschei- dend, dass die nicht direkt messbare Brennstofftemperatur verfügbar gemacht werden kann und diese Grösse ausserordent# lich rauscharm ist. Der Grund ist einerseits die grosse Wärmekapazität Cf des Brennstoffes, welche sozusagen die Wirkung eines "TiefpaBfilters" auf das Rauschen der ver- schiedenen Parameter hat, und andererseits die Tatsache, dass der Schätzwert erheblich rauschärmer ist, als der tatsächliche Wert der Brennstofftemperatur Tf. (Daher auch die Bezeichnung Kalman-Filter.) Ein Blockschaltbild für die Auswertung nach (5 > ' unter Einbeziehung dieses Filters ist in der Zeichnung, Fig. 1, dargestellt: : Die zum Zeitpunkt tk+1 gemessenen Grössen Yk+l und werden mit Hilfe-dieser Schaltung so verarbeitet, dass der nicht messbare Core-Zustand #kk bzw. Xktt am Ausgang an k+i fällt. Die Schaltung bildet genau die Rekursionsformel (5) nach. Die am Ausgang anliegende Schätzgrösse Xk wird mit verstärkt und zu einem Addierer zl geführt. Aus dem am Eingang anliegenden Messwert uk+1 wird über eine Verzögerungsschaltung der um At verzögerte Messwert uk gebildet, welcher mit P verstärkt und ebenfalls dem Addierer 1 zugeführt wird. Der ebenfalls am Eingang anliegende Messwert Yk+1 wird einem Addierer r2 zugeführt. Dorthin kommt auch der um den Faktor -H verstärkte Ergebniswert #kk+1 aus dem Addierer #1 und ausserdem der mit -D verstärkte Messwert uk+1. Das Ergebnis (entspricht Yk+1 Yktl ) wird in einem Verstärker noch mit Kk+1 gewichtet und dem Addierer #3 zugeführt, an dessen Eingang auch Xkt1 anliegt. Aus #3 kommt als Ergebnis der Schätzwert X+' ¯, der nach der Zeit t über eine Verzögerungsschaltung an die Stelle von #kk tritt, wenn im nächsten Schritt Xkk+L geschätzt wird. Die kontinuierlich gemessenen Grössen Uk+i und werden von der Schaltung über einen Zeittaktgeber in Zeitabständen bt abgefragt und verarbeitet (Dis-kreti- sierung), wobei die Verzögerung um #t jeweils auch durch Abspeichern des vorhergehenden Wertes erfolgen kann. Bei dem Blockschaltbild ist zu beachten, dass die einzelnen Grössen Vektoren bzw. Matrizen sind, so dass eine Schaltung mit Aufschlüsselung nach einzelnen Komponenten die einzelnen Bauteile mehrfach enthalten würde, was zur besseren Übersicht und Schematisierung hier vermieden wurde, dem Fachmann aber unmittelbar einsichtig ist. Der sehr rauscharme Schätzwert der Brennstofftemperatur Tf des jeweiligen Brennelementes wird nun überwacht, und eine Abweichung vom Sollwert löst eine Fehlermeldung aus. Entscheidend dabei ist auch, dass dieses Überwachungsver- fahren auch bei transienten Vorgängen (z. B. Lastmanövern) verfügbar ist, da alle relevanten Parameter aus den Messungen laufend neu bestimmt werden (automatische Kalibrierung). Dazu werden die zum Zeitpunkt#.tk gemessenen GröSen.Y und Uk mit Hilfe einer zweiten Schaltung so verarb#itet, dass die Schätzwerte { und r am Ausgang anfallen und bei Bedarf in das Kalman-Filter eingeführt werden können. Dabei ist wesentlich, dass die Genauigkeit der Core-Parameter-Schätzung nicht von den Schätzfehlern in den Brenn stoff- und Kühlmitteltemperaturen abhängt. (Es ist keine Rückkopplung vom Kalman-Filter an die Parameter-Schätzanordnung erforderlich.) Es ist von der Literatur bekannt (z. B. E. V. Bohn, M. K. De Beer-"Consistant Parameter Estimation in Multi-input Multi-output Discrete Systems", Automatica, Vol. 13r pp 301 - 305,. 1977), dass der Zustand x in den Gleichungen (3 > , (4) ana#lytisch eliminiert und dass dadurch ein algebraischer Zusammenhang zwischen den Elementen der Systemmatrizen # , r und den Messwerten Y, u hergestellt werden kann. Die resultierenden Gleichungen haben standard neares Regressionsformat. Die unbekannten Parameter können deshalb mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate rekursiv bestimmt werden. Die Anordnung ist der Struktur nach identisch mit #dem in der Zeichnung dargestellten Kalman-Filter. An die Stelle des Zustandsvektors x tritt der aus den Elementen von und # gebildete Parametervektor # . Somit ist durch diese Verkopplung zwischen Core-Parameter und Core-Zustands-Schätzanordnung die Verfügbarkeit der - - Brennelement-Uberwachung stark erhöht,. während die Fehl alarme trotz Steigerung der Empfindlichkeit erheblich reduziert werden. Bei dem bisher beschriebenen System gibt es allerdings noch Fälle, in denen die Überwachung mit einem Kalman-Fil- ter nicht anwendbar ist, bzw. die Schätzergebnisse nicht interpretierbar sind. Dies trifft insbesondere für Kurz- zeit-Störungen zu, wie sie beispielsweise beim Durchgang von Blasen durch ein Brennelement entstehen. Man versucht bisher den Durchgang von Blasen durch das Core mit Hilfe eines Reaktiineters festzustellen, jedoch ist dies nur dann möglich, wenn alle Brennelemente einigermassen gleichmässig von Blasen durchlaufen werden, während der Durchgang einer kleinen Blase durch nur ein Brennelement zu einem mit dem Reaktimeter nicht feststellbaren Effekt führt. Bei dem bisher beschriebenen Kalman-Filter ist die wiederkehrende periodische Kalibrierung nur dann ', wirksam, wenn sich die System-Parameter (wie z. B. Wärmedurchgangszahl, Radialdurchsatz- und Leistungsverteilung) hinreichend langsam im Vergleich mit der- Kon- - -vergenzgeschwindigkeit der Schätzfehler verändern, d. h. etwa für mindestens eine-Minute konstant bleiben. Störungen der radialen Durchsatzverteilung können auch't-ann mit guter Schätzgenauigkeit bestimmt werden, wenn die Störung nur kurz {Bruchteile einer ¯Sekunde > dauert. Wenn sich aber gleichzeitig mit der Brennelement-Durchsatzstörung auch Core-Paramter verändern, dann ist die Schätzgenauigke it des Kalman-Filters möglicherweise für Kurzzeitvorgänge nicht ausreichend. Dies ist bei dem Blasendurchgang der Fall. Da mit dem Kalman-Pilter anhand des Modells auch die Messwerte Y nochmals geschätzt werden, kann man die-"Ver- stimmungN des Kalman-Filters daran-erkennen, dass die Schätzwerte für die eingegebenen Messwerte. von diesen erheblich abweichen. Diese Abweichungen, im folgenden MeB wert-Residuen bYt Yk- Yk genannt, enthalten aber znsätz; liche Informationen, welche bei einer Kompensation des beschriebenen Nachteils helfen können. Simulationsrechnungen haben ergeben, dass bei Durchgang einer Blase durch ein Brennelement stark von Null verschiedene Werte des MeBwert-Residuums auftreten. Dies kann nur eine Folge der bei Blasendurchgang auftretenden Parameterfehler sein. Es sei daran erinnert, dass die Parameter (K = Wärmedurchgangszahl zwischen Brennstoff und Kühlmittel, Cc = Wärmekapazität des Kühlmittels im Brennelement, Xw = Anteil des Brennelement-Durchsatzes am Gesamtdurchsatz) während des Blasendurchlaufs von etwa 0,5 Sek. nach Massgabe der Blasengrösse gestört werden. Nach Austritt der Blase aus dem Core nehmen diese Parameter zwar wieder die ursprUnglichen Werte an, aber die durch diese ¯Verstimmung" verursachten Schätzfehler in Tf verschwinden erst nach etwa 20 Sek. Im Anspruch 6 wird daher eine Anordnung vorgeschlagen, die auch eine Detektion und Diagnose vom Blasendurchgang ermöglichen und die Verstimmung des Kalman-Filters aufhebt. Dazu wird zum Kalman-Filter eine Korrektur Schaltung hinzugeführt. Zum Verständnis dieser Korrektur ist nochmals das thermohydraulische Modell heranzuziehen:¯ Man kann die Brennstoff temperatur Tf als Funktion von Messgrössen und des Residuums #Y und des Schätzwertes fUr Tc darstellen: EMI14.1 Es wird nun ein korrigierter Wert gesucht, der #Y zu Null macht und daher folgender Gleichung genügen muss: : EMI14.2 Da diese Korrektur sich durch Verarbeitung von Messgrössen und der von kurzzeitigen Parameter-Störungen nicht betrof fenen Grösse T durchführen lässt, bietet sich damit eine -c Verbesserung der Überwachung. Der Anspruch 6 sieht daher vor, eine Korrekturschaltung, die diese Formel ausnutzt, dem Kalman-Filter nachzuschalten. Beispielsweise bei Blasendurchgang, wo das Kalman Filter kurzzeitig verstimmt wird, gibt der nach der For mel (7) bestimmte Wert JTf-CoR den aktuellen Wert der Brennstofftemperatur an. Da die Eingangsgrössen u verrauscht sind, sich aber ansonsten nur langsam verändern, können diese, wie im Anspruch 7 vorgeschlagen, mittels Tiefpassfiltern geglättet werden. Die Zeitkonstanten können dabei gross gegen die Rauschfrequenzen gewählt werden und bleiben dennoch unterhalb der für Arbeitspunktverschiebungen signifikanten Zeit. Die Zeitkonstanten liegen in der Grössenordnung von einigen Sekunden. A Auch die Ausgangsgrösse der Korrekturschaltung Tf COR ist etwas verrauscht und kann gemäss Anspruch 8 geglättet werden. Die Zeitkonstante des hierzu vorgeschlagenen Tief pass filters ist jedoch sehr kritisch, da eine zu grosse Zeit A konstante einen Phasenfehler in Tf COR hervorruft, so dass dieser Wert Änderungen nicht schnell genug folgt. Ein akzeptabler Kompromiss zwischen Glättungseffekt und Phasenfehler liegt bei einer Zeitkonstanten von ungefähr 1 sec. Die Wärmekapazität des Brennstoffes selbst wirkt auf Xn- derungen der Brennstofftemperatur wie ein Tiefpassfilter mit einer bestimmten Zeitkonstanten. Deren Grösse sollte etwa als obere Grenze eingehalten werden. Im Anspruch 9 wird noch ein weiterer Aspe#kt der Korrekturschaltung behandelt. Die Ausgangsgrösse WTC des Kalman-Fll ters kann mit für viele Fälle ausreichender Genauigkeit durch den Mittelwert der Kühlmitteleintritts- und -austrittstemperatur ersetzt werden: EMI15.1 Daher kann die Korrektur schaltung auch am Eingang mit reinen Messgrössen beaufschlagt werden und benötigt nicht die Ausgangswerte des Kalman-Filters.. In diesem Fall arbeitet die Sorrekturschaltung auch bei Ausfall des Kalman Filters und trägt zur Redundanz des Uberwachungssystems bei. FUr diese Ausführung müsste ein Tiefpassfilter zur Glättung der verrauschten Eingangsgrösse EMI16.1 vorgesehen werden. In der Zeichnung sind schematis#ch Ausführungsbeispiele der Auswerte- und Korrekturschaltung dargestellt. Die Figur 1, schon im Zusammenhang mit Anspruch 5 erläutert, zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Kalman-Filters zur Lösung der gestellten Aufgabe. Die gewählte Darstellungsart lehnt sich an in der Kalman-Filter-Technik übliche Zeichnungen an. Fig. 1 zeigt keinen Schaltplan im üblichen Sinne, sondern eine Art Blockdiagramm, das durch eine Analogschaltung oder auch beispielsweise mit einem Mikroprozessor verwirklicht werden kann. In Fig. 2 ist ein entsprechender Plan für ein Ausführungs- beispiel der Korrekturschaltung dargestellt. Die Schaltung bildet durch Addierer und Verstärker die Formel (7) nach. Die Eingangsgrössen EMI16.2 werden jeweils durch ein Tiefpassfilter TP1, TP2', TP3#geglättet.#Die Zeitkonstanten151, #2, #3 der drei Filter sind dabei nicht sehr kritisch. In der Fig. 2 sind Verstärker durch - Vierecke gekennzeichnet, in denen der Verstärkungsfaktor eingetragen ist. Dreiecke mit eingeschriebenem #t bedeuten Verzögerer mit einem Zeitunterschied von At zwischen Eingangs- und Ausgangswert. Addierer sind als Kreise eingezeichnet, wobei die Vorzeichen der-Summanden neben den Eingängen stehen. Die dargestellte Korrekturschaltung zeigt eine Ausführung, wie sie bei einer Diskretisierung der Messwerte auftritt, was aber nicht zwin gend notwendig ist. Die kontinuierlich gemessenen Werte am Eingang werden in Abständen- #t vo#n der Elektronik übernommen. Die Verzögerer speichern den angelegten Wert für die Zeit At, so dass an ihrem Ausgang der vorhergehende Messwert anliegt, wenn der neue am Eingang ankommt. Die hier ausgeführten Überlegungen zur Überwachung der Kühlung eines Reaktors mittels "indirekter Messungen" (d. h. mittels der Schätzwerte nicht messbarer Grössen) unter Verwendung eines Kalman-Fiiters und rekursiver Parameter-Schätzverfahren sind verallgemeinerungsfähig und erlauben z. B. auch eine Bestimmung der Beiträge zur Reaktivitätsbilanz. Es erscheint deshalb wahrscheinlich, dass den am speziellen Beispiel der Kühlungsstörungen erprobten Methoden wachsende Bedeutung zukommt und sie zu einer globalen Core-Überwachung führen werden. Die laufende Bestimmung aller relevanten, aber nicht notwendigerweise direkt messbaren Grössen eines Reaktors aus den Messdaten verbessert sowohl das Frühwarnpotential als auch die Möglichkeiten der Erkennung von Störungsursachen.

Claims: Verfahren und Anordnung zur Feststellung und Meldung von Kühlungsstörungen in Reaktorkernen Patentansprüche 1. Verfahren zur Feststellung und Meldung von Kühlungs störungen in Reaktorkernen, insbesondere von natrium gekühlten schnellen Brutreaktoren, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die nicht direkt messbaren lokalen Brennstoff- bzw. Xühlmitteltemperaturen werden aus leicht-meBbaren 'Grössen abgeleitet. b) Die lokalen Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperaturen werden überwacht, c) Eine Abweichung der lokalen'Brennstoff- bzw. Kühl mitteltemperatur vom Sollwert löst eine Fehler meldung für das betreffende Brennelement aus. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch fol gende Merkmale: -a) Die lokale Brennstoff- ¯bzw. Kühlmitteltemperatur - wird aus Messungen von'Gesamtleistung, primärkühl- mittelgesamtdurchsatz, ' Kühlmittele intritt stem- peratur und Kühlmittelaustrittstemperatur an jedem Brennelement, die in an sich bekannter Weise durch geführt werden, bestimmt. b) Die Messwerte werden in vorbestimmten Zeitabständen # t von einer Auswerte- oder Rechenelektronik abgerufen, die einen Schätzwert für die lokale Brennstofftemperatur bzw. Kühlmitteltemperatur ermittelt. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Zur Ermittlung'der Brennstoff- bzw. Kühlmitteltem- peratur wird ein rekursives Parameter- und Zu stands-Schätzverfahren angewandt. 4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch fol gende Merkmale: a) Das Zustands-Schätzverfahren beinhaltet ein Kal man-Filter. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, gekennzeichnet durch folgende #erkmale: a) Die Messwertgeber ¯für Gesamtleistung, Kühlmittel primärduchsatz, Kühlmitteleintrittstemperatur und Kühlmittelaustrittstemperatur jedes Brennelementes sind mit einer Auswerteeinheit verbunden, in der die lokalen Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperaturen aus den Messwerten abgeleitet werden. b) Die Auswerteeinheit bildet die Formel EMI19.1 nach, indem die Mess- bzw. Schätzwerte mit ent - :sprechenden-Paktoren verstärkt und liber Addierer nach dieser Formel addiert- werden. c > Die lokale Brennstoff- bzw. Kühlmitteltemperatur, die als Ausgangssignal der Auswerteeinheit anfällt, wird einem Sollwertvergleicher zugeführt, der bei zu grosser Abweichung ein Fehlersignal auslöst. d) Es ist eine weitere Sc#haltung vorhanden, die aus den Messwerten die Parametermatrizen t (, je-. weils neu schätzt und bei Bedarf in die Auswerte einheit einspeist. 6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch fol gende Merkmale: a) Es ist eine Korrekturschaltung vorhanden, welche dem Kalman-Filter# nachgeschaltet ist. b) An der Korrekturschaltung liegen die Messwerte g und sTo als Eingangsgrössen an. c) Als weitere Eingangsgrösse liegt der vom Ausgang des Kalman-Filters kommende Schätzwert EMI20.1 an. d) Die Korrekturschaltung bildet die Formel nach: EMI20.2 7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch fol gende Merkmale: a) .Zur Glättunq.der (quasistationären > Eingangsgrössen EMI20.3 sind Tiefpassfilter (Tp1, Tp2, TP3) vorhanden. b > Die Zeitkonstanten (t1, t2, t3} der Tiefpassfilter (TP1, TP2, TP3) sind gross gegenüber den Rauschfre quenzen und klein gegenüber den für Arbeitspunkt verschiebungen nötigen Zeiten. 8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Zur Glättung der Ausgangsgrösse der Korrekturschal- tung ##f,COR ist ein Tiefpassfilter (TP4) vor handen. b) Die Zeitkonstante (# > des Tiefpassfilters (TP4 > liegt in der Grössenordnung von 1 sec und ist nach oben begrenzt von der durch die Wärmekapazi tät des Brennstoffes gegebenen Zeitkonstanten. 9. Anordnung nach Anspruch 6, 7 oder 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Als Eingangsgrösse liegt statt des Kalman-Filters die Grösse EMI21.1 die aus Messgrössen gebildet ist, an. b) Es ist ein Tiefpassfilter zur Glättung von # (#Tc + #TI) vorhanden.

Inventors: HOLICK, ANTON, DIPL.-PHYS.
Applicants: INTERATOM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1982
Main classification: G21C17
IPC codes: G21C17, G01P13