LASTFOLGEBETRIEB UND PRIMÄRREGELUNG

ERFAHRUNGEN MIT DEM VERHALTEN DES REAKTORS

Karl Müller

E.ON Kernkraft GmbHKernkraftwerk Isar

1. Einleitung

Die Lastwechselfähigkeit von Kernkraftwerken war von jeher einkonzeptbestimmendes Auslegungskriterium und ist nicht das Ergebnis einernachträglichen Ertüchtigung der Reaktoranlagen. Gemäß den Anforderungen derDVG wurden für KKI 2 folgende maximale Laständerungsgeschwindigkeiten imBetriebshandbuch (BHB) verankert:

• 10% der Nennleistung pro Minute bei Leistungsänderungen von max. 20% derNennleistung

• 5 % der Nennleistung pro Minute bei Leistungsänderungen von max. 50 % derNennleistung

• 2 % der Nennleistung pro Minute bei Leistungsänderungen von max. 80 % derNennleistung.

Um diese Anforderungen zu erfüllen ist es natürlich erforderlich, den Systemen zurKernüberwachung und Reaktorregelung besondere Aufmerksamkeit zu schenken, dadiese ja nicht nur die Lastwechselfähigkeit, sondern auch die rationelleBrennstoffausnutzung wesentlich mitbestimmen.

Für den praktischen Betrieb war und ist das Ziel den Operateur dabei weitgehendvon allen Steuer- und Regelfunktionen zu entbinden. Alles, was der Operateur zu tunhaben sollte, ist, die gewünschte Kraftwerkleistung und die gewünschteLaständerungsgeschwindigkeit am Hauptleitstand vorzugeben. Generator- undReaktorleistung folgen dieser Vorgabe automatisch, ebenso wie alle Steuer- undRegelfunktionen zur Anpassung des Anlagenzustandes an die geänderteLeistungsabgabe.

2. Auslegungsgrundsätze zur Erzielung der hohen Lastwechselflexibiltät

Grundvorraussetzung zur Erzielung einer hohen Lastwechselflexibilität ist dieErhaltung eines stabilen Reaktorkernzustandes zu allen Lastanforderungen. DieseStabilität wird neben einer optimierten Kernauslegung vor allem durch folgendeParamter wesentlich beeinflußt:

�der Wahl des Teillastdiagrammes�der Reaktorregelung; hier vor allem des Steuerstab-Fahrkonzeptes�der Kerninstrumentierung�der Trennung von Regelungs- und Begrenzungsfunktionen

Wahl des Teillastdiagrammes

Das stationäre Teillastdiagramm gibt den Zusammenhang zwischen dem Sollwertder mittleren Kühlmitteltemperatur und der Reaktorleistung für stationäreBetriebszustände wieder. Mit der mittleren Kühlmitteltemperatur und denWärmeübertragungseigenschaften der Dampferzeuger ist auch derFrischdampfdruck festgelegt, der sich als Funktion der im Dampferzeugerübertragenen Leistung stationär einstellt.

Es sind hierbei zwei grundsätzliche Typen von Teillastdiagrammen für den oberenLeistungsbereich denkbar (siehe Abb. 1). Bei Typ A ist die Kühlmitteltemperaturunabhängig von der Reaktorleistung konstant, der Frischdampfdruck nimmt dann mitzunehmender Leistung ab. Bei Typ B ist der Frischdampfdruck unabhängig von derLeistung konstant, dafür steigt die Kühlmitteltemperatur mit der Leistung an.

Abb. 1: Typen von Teillastdiagrammen im oberenLeistungsbereich

Der Typ des Teillastdiagrammes hat wesentlichen Einfluß auf dieLastwechselflexibilität der Reaktoranlage, insbesondere wenn schnelle und großeLeistungsänderungen gefahren werden sollten.

Die Gründe hierfür sind:�

Mit der Kühlmitteltemperatur ändert sich auch die Reaktivität des Reaktors. Beieinem Teillastdiagramm nach Typ B muß diese Reaktivitätsänderung vonSteuerelementen zusätzlich zu der mit der reinen Leistungsänderung verknüpften

Reaktivität (der sog. Doppler-Reaktivität) aufgebracht werden. Das bedeutet, daßdie Steuerstäbe in diesem Fall einen erhöhten Stellbereich benötigen und dieswiederum hat zur Folge, daß für den Lastwechselbetrieb mehr Steuerstäbe übergrößere Eintauchtiefenbereiche eingesetzt werden müssen als bei einemTeillastdiagramm des Typ A.

• Mit der Kühlmitteltemperatur ändert sich auch die im Primärsystem gespeicherteWärmemenge. Bei einem Teillastdiagramm nach Typ B muß der Reaktor beieinem Leistungsanstieg zusätzlich zur geforderten Generatorleistung dieseSpeicherwärme aufbringen. Das führt bei großen und schnellenLeistungsanstiegen zu einem vermehrten Überschwingen der Reaktorleistungüber ihren Zielwert oder, wenn die Reaktorregelung der erhöhtenLeistungsanforderung nicht schnell genug folgen kann, zu einem Absinken desFrischdampfdruckes. Beides ist unerwünscht: Das Überschwingen belastet denBrennstoff unnötigerweise und führt, wenn Grenzwerte erreicht werden, zuvorübergehenden Einschränkungen der Vollast-Verfügbarkeit; das Absinken desFrischdampfdruckes verhindert ebenfalls das schnelle Erreichen von Vollast. Beieinem Teillastdiagramm nach Typ A hingegen nimmt die Speicherwärme derSekundärseite mit der Leistung ab; dieses Teillastdiagramm kommt daher demnatürlichen Übergangsverhalten der Anlage entgegen und gestattet es, dasEnergiespeichervermögen der Dampferzeuger für schnelle Lastwechselvorgängebesser nutzbar zu machen.

• Das Teillastdiagramm bestimmt die thermische Wechselbeanspruchung derPrimärkreiskomponenten bei Lastwechseln sowie die erforderliche Größe desDruckhalters. Beide sind bei Teillastdiagrammen vom Typ A geringer.

Daraus ergibt sich, daß Teillastdiagramme vom Typ A für den Lastwechselbetriebbesser geeignet sind als solche vom Typ B.

Das Übergangsverhalten von KWU-Anlagen während schnellerLeistungserhöhungen wird weiterhin dadurch verbessert, daß vorübergehendeAbweichungen der Kühlmitteltemperatur von ihrem stationären Sollwert nach untenzugelassen werden. Dies erleichtert den Ausgleich sowohl der Energie- als auch derReaktivitätsbilanz. Eine entsprechende Sollwertführung für die Frischdampf-Minimaldruck-Regelung verhindert in solchen Fällen ein Ansprechen dieserGrenzwertregelung.

Reaktorregelung, Wahl des Steuerstabfahrkonzeptes

Aufgabe der Leistungs-Regeleinrichtungen am Reaktor ist es zunächst, die integraleReaktorleistung nach den Anforderungen der Kühlmitteltemperatur-Regelung so zusteuern, daß immer Frischdampf ausreichender Qualität für die Turbine zurVerfügung steht. Vom Reaktor wird jedoch nicht nur erwartert, daß er jederzeit dievon ihm geforderte Leistung abgibt, sondern auch, daß dabei sein innererneutronenphysikalischer und thermohydraulischer Zustand in zulässigen Grenzenbleibt. Eine zweite wichtige Aufgabe der Regeleinrichtungen ist in diesemZusammenhang, die räumliche Verteilung der Leistungsdichte (kurzLeistungsverteilung) unter Kontrolle zu halten.

Die Leistungsverteilung ändert sich mit dem Betriebszustand und derBetriebsvorgeschichte des Kerns. Angestrebt wird eine hinreichend symmetrische,für den Betrieb optimale Grundform der Leistungsverteilung. Abweichungen vondieser Grundform führen im allgemeinen zu einer Erhöhung der lokalenBrennstabbelastung.

Stellmittel der Reaktorregelung sind die Steuerstäbe und Borvergiftung desKühlmittels. Steuerstäbe sind relativ schnell wirkende Stellmittel, beeinflussen aberaußer der Reaktorleistung auch die Leistungsverteilung. Die homogen über den Kernverteilte Borvergiftung läßt die Leistungsverteilung unverändert, ist aber ein relativlangsam wirkendes Stellmittel.

Die Strategie, nach der die beiden Stellmittel Steuerstäbe und Borkonzentration fürdie Reaktorregelung eingesetzt werden, wird durch das Steuerstab-Fahrprogrammfestgelegt. Damit ein Lastwechselbetrieb mit schnellenLaständerungsgeschwindigkeiten möglich wird, muß das Steuerstab-Fahrprogramm2 Voraussetzungen erfüllen:

1) Die Wirksamkeit der zur Leistungssteuerung eingesetzten Stäbe muß hinsichtlichBetrag und Änderungsgeschwindigkeit ausreichend sein;

2) Die beiden Grundfunktionen der Reaktorregelung, nämlich die Steuerung derLeistung und der Leistungsverteilung, müssen unabhängig voneinander ausgeübtwerden können.

Steuerstab-Fahrprogramme

Prinzipiell sind wieder mindestens zwei Konzepte der Reaktorrregelung mittelsSteuerstab-Fahrprogrammen denkbar. In Abb. 2 sind zwei Stabkonfigurationendargestellt, wie sie für den Betrieb im oberen Leistungsbereich vorgesehen sind.Beiden Konfigurationen ist gemeinsam, daß der größere Teil der Steuerstäbe ganzoder nahezu ganz aus dem Kern gezogen ist. Entscheidende Unterschiede bestehenjedoch in der Zahl und der Fahrweise der eintauchenden Stäbe und in den Aufgaben,die den einzelnen Stabbänken zugwiesen sind.

In dem Beispiel der Abb.2 b hat die Abschaltbank im Normalbetrieb keine Funktionund bleibt vollständig gezogen; sie wird nur zur Schnellabschaltung verwendet. Fürdie Reaktorregelung wird die Regelbank verwendet; sie besteht typischerweise aus 8Stäben, die relativ weit in den Kern eintauchen. Zusätzlich zu den normalenSteuerstäben werden sog. “graue” Stäbe verwendet. Bei anderen Konzepten werdenauch sog. “teillange” Steuerstäbe eingesetzt.

Das Konzept der KWU-DWR (Abb. 2 a) ist wesentlich einfacher als dasVergleichsbeispiel; Es gibt nur eine Art von Steuerstäben, alle vorhandenenSteuerstäbe werden für die Reaktorregelung (und natürlich für dieReaktorschnellabschaltung) eingesetzt. In funktioneller Hinsicht werden dieSteuerstäbe zu 2 Bänken zusammengefaßt:Die D-Bank besteht (im oberen Leistungsbereich) nur aus 4 Stäben, die bei Vollastnur sehr wenig in den Kern eintauchen. Die D-Bank ist im Gegensatz zur Regelbankdes Beispiels aus Abb. 2 b eine “schwache” Bank, d.h. sie besteht nur aus wenigenStäben, die die Leistungsverteilung nur wenig stören. Diese wird daher bevorzugt zurSteuerung der Reaktorleistung verwendet.

Abb. 2: Steuerstabkonfigurationen für den Betrieb im oberen Leistungsbereich

Der überwiegende Teil der Steuerstäbe bildet die L-Bank und taucht sehr wenig, bisüberhaupt nicht, in den Kern ein. Die L-Bank hat als Hauptaufgabe die Regelung deraxialen Leistungsverteilung. Trotz ihrer sehr geringen Eintauchtiefe hat sie einegroße Wirksamkeit, weil sie aus vielen Stäben besteht und in einem Bereich naheder Kern-Oberkante operiert, in dem ein starker Abbrandgradient existiert.

Regelung der Leistungsverteilung

Innere Ursachen für Abweichungen der axialen Leistungsverteilung von ihrerabbrandabhängigen optimalen Grundform sind:

�Die mit der Leistung veränderlichen Temperaturen und Temperaturverteilungenim Kern�Die mit der Betriebs-Vorgeschichte veränderliche Verteilung, der Xe-Konzentration

Als wichtigste äußere Ursache für Deformationen der Leistungsverteilung sind dieeintauchenden Steuerstäbe zu nennen.

Abweichungen der Leistungsverteilung von ihrer optimalen Grundform sind fastimmer mit einer Erhöhung der maximalen lokalen Leistungsdichte verbunden. DieseErhöhungen dürfen aus sicherheitstechnischen Gründen gewisse Grenzen nichtüberschreiten.Hier zeigt sich der Vorteil der Trennung von Regelungs- undBegrenzungsfunktionen sehr deutlich. Während die Regelung der Anlage wirklich

außschließlich auf Regelungsaufgaben optimiert ist und keine Funktionen derReaktorbegrenzung mit übernehmen muß, wie es in vielen anderenReaktorkonzepten der Fall ist.

Gerade Lastwechsel bewirken einerseits wesentlich stärkere Anregungen derUmverteilungstendenzen für die Leistungsdichte als der Konstantlastbetrieb;andererseits sind gerade beim Lastwechselbetrieb Abweichungen der axialenLeistungsverteilung von ihrer optimalen Grundform unerwünscht, da sie denbetrieblichen Spielraum einschränken.Das bei den KWU-DWR realisierte Konzept löst das Problem der kompensiertenLeistungsverteilungs-Regelung auf eine ebenso einfache wie wirkungsvolle Weise.Es macht Gebrauch von der Tatsache, daß die D-Bank als relativ schwache Bank dieLeistungsverteilung nur sehr wenig beeinflußt, die L-Bank dagegen als sehrwirksame Bank stark. Um die Leistungsverteilung bei gegebener Gesamtleistung zuändern, braucht man daher nur die L- und die D-Bank kompensiert gegeneinander zufahren, d.h. so, daß sich deren Wirkungen auf die Gesamtleistung aufheben.

Diese Methode erlaubt eine sehr gute Steuerung der axialen Leistungsverteilung; sieist einfach, schnell, erfordert nur geringe Eintauchtiefen und kommt ohneBoränderungen aus, bleibt also bis zum Ende eines Abbrandzyklus voll wirksam.Eine wesentliche Voraussetzung für ihre Wirksamkeit ist selbstverständlich dasVorhandensein einer Kern-Instrumentierung, die die Leistungsverteilung promptund genau erfassen kann.

Abb. 3 gibt einen Eindruck über die Wirksamkeit der Leistungsverteilungregelung.Am Beispiel eines Lastwechselvorganges sind Messwerte gezeigt für• Die axiale Leistungsverteilung im Heißkanal ( gemessen mit dem

Kugelmeßsystem)• Die maximale lokale Leistungsdichte in der oberen und unteren Kernhälfte,

gemessen mit den Leistungsverteilungs-Detektoren im Kern (LVD-System)

Abb. 3: Leistungsdichte und Leistungsdichteverteilung während desLastwechselbetriebes

Die Form der axialen Leistungsverteilung ist vor und nach den Übergängen dieselbe.Die maximalen Leistungsdichten in den beiden Kernhälften ändern sich während derLastwechsel im selben Verhältnis wie die Reaktorleistung. Daraus folgt, daß sich dieForm der axialen Leistungsverteilung auch während der Übergänge nicht wesentlichändert.

3. Auswirkungen der Reaktorkern-Beladungen auf die Lastwechselflexibilität

Grundsätze

Die Leistungsdichte ist zusammen mit dem Abbrand maßgebend für die Belastungder Brennelemente sowohl im bestimmungsgemäßen Betrieb als auch bei Störfällen.Es existieren deshalb Grenzwerte für die Leistungsdichte, die im Betrieb nichtüberschritten werden dürfen. Diese Grenzwerte ergeben sich aus Betrachtungenzum Brennstab-Verhalten bei Lastwechseln und Auslegungsstörfällen, z.B.

�Unterschiedliche thermische Ausdehnung bzw. Schrumpfung vonBrennstofftabletten und Hülllrohr bei Leistungsänderungen,�Spannungsaufbau und –Relaxation im Brennstoff und im Hüllrohr beimechanischer Wechselwirkung�Niederkriechen der Hülle unter Außendruck�Dimensionsänderungen der Brennstofftabletten im Betrieb (Nachverdichten,Schwellen, Relocation)�Erzeugung und Freisetzung von Spaltgasen und sonstigen Spaltprodukten

Die Leistungsdichte, die sich im Konstantlastbetrieb einstellt, wird im wesentlichenvon der Auslegung des Reaktorkernes und Steuerstab-Konfiguration bestimmt. Iminstationären Betrieb, d.h. bei Anfahr- und Lastwechselvorgängen, ändert sich dieForm der Leistungsverteilung und mit ihr die Leistungsdichte. Der Abstand zwischendem stationären Wert der Leistungsdichte und ihrem Grenzwert definiert denSpielraum, der für solche Umverteilungen zur Verfügung steht. Da derLeistungsdichte-Grenzwert sicherheitstechnische Bedeutung hat, müssen in den fürden Lastwechselbetrieb vorgesehen Spielraum auch Reserven für mögliche oderunterstellte Meßfehler einbezogen werden.

Abb. 4: Spielräume für Auslegung und Betrieb

Es gilt nun ganz allgemein, daß die Optimierung des Brennstoffeinsatzes nachwirtschaftlichen Gesichtspunkten umso weniger eingeschränkt ist, je höher diemaximale Leistungsdichte im Kern sein darf. Der in diesem Sinne für die BE-Einsatzplanung verfügbare Bereich der Leistungsdichtewerte konkurriert mit dem fürden Lastwechselbetrieb erforderlichen Spielraum (Abb. 4)

Verhalten des Reaktorkernes mit wirtschaftlich optimierter BE-Einsatzplanung

Das Reaktivitätsverhalten des Reaktorkernes bei Lastwechseln und anderenBetriebstransienten und Störfällen wird im Wesentlichen durch dieReaktivitätskoeffizienten der Brennstofftemperatur, der Kühlmitteltemperatur, derKühlmitteldichte, des Xenon sowie anderer neutronenkinetischer Daten bestimmt.

Für den aus der Resonanzabsorption im U-238 resultierendenBrennstofftemperaturkoeffizienten (Dopplerkoeffizient) sind durch Anreicherungs-und Abbranderhöhungen keine signifikanten Änderungen zu erwarten.

Der Kühlmitteltemperaturkoeffizient (Abb. 5) hängt außer vom Moderationsverhältnisvor allem vom Neutronenspektrum ab. Dieses wird mit zunehmender Anreicherungund Abbrand vor allem im thermischen Energiebereich reduziert, was zu größererAbhängigkeit von Moderationseffekten und damit zu stärker negativenTemperaturkoeffizienten führt. Die Xenonreaktivität (Abb. 6) nimmt dabei ebenfallsentsprechend der zunehmenden Verhärtung des Neutronenspektrum ab.

Während also Anfahrvorgänge mit fortgeschrittenen Reaktorkernen (hoher mittl.Kernabbrand zu BOC, dh. hoher Pu-Anteil) bis zur Erreichung einer konstantenmittleren Kühlmitteltemperatur höhere Anforderungen an das Betriebspersonalstellen, zeigt sich gerade bei Lastwechselanforderungen das gegenteilige Bild

Aufgrund der betragsmäßigen Zunahme des negativen Temperaturkoeffizienten undder Abnahme der Xenonwirksamkeit zeigt sich eine deutliche Stabilisierung deraxialen Leistungsdichteverteilung im Lastwechselfall. Eine Störung derLeistungsdichteverteilung aufgrund des Steuerstab-Fahrprogrammes sowie dieGefahr einer xenoninduzierten Leistungsdichteumverteilung (Xenonschwingung)spielen im Vergleich zu Erstkernen keine Rolle mehr.

Abb. 5: Kühlmittel-Temperaturkoeffizientbei Vollast für verschiedene DWR

Abb.6: Xenon-Verlauf als Funktion der Kernbeladung

Dies bedeutet wiederum, daß sich der Spielraum für die BE-Einsatzplanung inRichtung wirtschaftlich optimierter Kernbeladungen weiter verbessert. Mögliche nochvorhandene Margen zu sicherheitstechnisch wichtigen Grenzwerten können damitnoch besser genutzt werden.

In den Abb. 7 –11 ist beispielhaft das Lastverhalten des Reaktorkernes anhand derkonkreten Lastanforderungen für KKI 2 im Dezember 2002 dargestellt.Hier wird die gute Regelfähigkeit der Anlage nochmals sehr deutlich. DieLeistungsänderungen wurden sehr gut mit den D-Bänken in Verbindung mit den L-Bänken zur Leistungsverteilungs-Regelung realisiert. Borkonzentrationsänderungenwaren primär nicht bzw. nur in geringem Umfang erforderlich. DieNeutronenflußsignale Peak oben /Peak unten folgten der ThermischenReaktorleistung nahezu proportional. Axiale Instabilitäten sind zu keiner Zeiterkennbar.

Abb. 7: KKI-2 Thermische Reaktorleistung Dezember 2002

Abb. 8: KKI-2 Xenon-Vergiftung Dezember 2002

Abb. 9: KKI-2 Stellung L-Bank und 1. D-Bank Dezember 2002

Abb. 10: KKI-2 Borkonzentration Dezember 2002

Abb. 11: KKI-2 Peak unten/oben Dezember 2002

4. Verhalten des Reaktorkernes bei Frequenzstützbetrieb

Zeigt die Anlage ein derart gutes Regelverhalten bei Lastfolgebetrieb so liegt es aufder Hand, daß ein Frequenzstützbetrieb jederzeit möglich ist.Zu Anfang des Frequenzstützbetriebes herrschte jedoch noch Unsicherheit bezüglichder Häufigkeit der Steuerelementbewegungen und der Sorge eines erhöhtenVerschleißes der Stellglieder.

Es wurden deshalb im Rahmen eines Probebetriebes der Primärfrequenz-Regelung(+- 2,5 % Pnenn) im November 1992 bzw. Mai 1994 die D-Bank-Fahrbewegungenbei unterschiedlichen Dämpfungen ausgewertet (Tab. 1).

Jahr Zyklus Bewegungen/Tag Dämfung1992 5 BOC 1004 800 ms1994 6 MOC 213 1700 ms1994 6 MOC 268 1700 ms

Tab. 1: Auswirkung der Dämpfung auf die Stabbewegungen

Mit zunehmenden Abbrand bzw. fortgeschritteneren Reaktorbeladungen reduziertensich die D-Bank-Bewegungen aufgrund der betragsmäßigen Zunahme des neg.Temperaturkoeffizienten nochmals sehr deutlich. Erhöhter Verschleiß der SE-Stellglieder aufgrund häufiger SE-Bewegungen ist damit nicht zu besorgen (Abb. 12und 13).

Abb. 12: KKI 2 Thermische Reaktorleistung bei Frequenzstützbetrieb am24.12.2002, 12:00 – 24:00 Uhr

Abb. 13: KKI 2 Stellung L- und 1. D-Bank bei Frequenzstützbetrieb am24.12.2002. 12:00 – 24:00 Uhr

Zusammenfassung:

Die Lastwechselfähigkeit der KWU-DWR-Anlagen war von jeher einkonzeptbestimmendes Auslegungskriterium, das die Anlagen von Anfang an sehr guterfüllen konnten.Moderne, fortschrittliche Reaktorkerne, erfüllen die Forderungen derLastwechselfähigkeit in besonderem Maße. Die nochmals verbesserte axialeLeisungsdichte-Stabilität läßt sich zur weiteren wirtschaftlichen Optimierung derBrennstoffnutzung ohne Einschränkung der Lastwechselflexibilität heranziehen.

Quellenverzeichnis:

• KWU Bericht ZEN000 /CW/ 0254/851010Die Lastwechselfähigkeit von KWU-Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor

(1985)• TÜV Süddeutschland

Kernkraftwerk Isar 2; Gutachten zum Einsatz von Brennelementen mit einerAnreicherung von 4,6 Gew.-% U-235, Januar 2000

• EKK/KKI/UP2; ASKA Ver. 3.0 v.27.11.2002Auswertesystem für Kugelmessungen und Abbrandrechnungen EKK/KKI 1995 –2000

• Kernkraftwerk Isar (KKI)Betriebshandbuch (BHB) Block 2