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ilung Fors~ngsrecdctoren Jfil :..259 • RE
Dok.1 RESEAtcH REACTOR FRJ-1 (MERLIN) O,f F~T OF COOLING ClRCUtT
DK: 621.039.534.004.6 • 621.039.573 •fRJ.1 (MERLIN).(43-2.393)
Zu beziehen durch: rtNTRALBIBLIOTHEK der Kernfprsc:hüngsi*tge JOlich, Jülich, Bundesr.epublik DeUßchland
Das Verhalten des FRJ-1 (MERLIN)
beim Ausfall der Zwangskühlung
von E. Münch
INHALT SV ERZE I CHNI S
Seite
Zusammenfassung 1
1. Einleitung 2
2. Durchführung der Messungen 8.
2.1 Strömungsumkehr von Zwangsumlauf in
Naturkonvektion 8
2.2 Temperaturoszillationen 10
2.3 Untersuchung des Leistungsverlaufs 10
3. Ergebnisse 13
3.1 Strömungs umkehr 13
3.2 T emper aturo s zillationen 20
3.3 Leistungsabfall 34
3.4 Einfluß von Dampfblasen auf die Leistung 37
3.5 Verhalten lange Zeit nach dem Pumpenaus-
fall 40
Literaturverzeichnis 42
-1-
ZUSAMMENFASSUNG
Mit Hilfe der mit Thermoelementen bestückten Brennelemente wurden
spezielle Auswirkungen beim Ausfall der primären Kühlkreispumpen
des FRJ -1 {MERLIN) in zwei verschiedenen Kernkonfigurationen unter
sucht.
Es konnte die Zeit bis zum Umschlag der Kühlmittelströmung von
Zwangsumlauf in Naturkonvektion ermittelt werden. Die Umschlagzeit
wurde mit wachsender Leistung kürzer und erreichte bei 5 MW etwa
7, 5 Sekunden.
Die Messungen erlaubten eine Deutung von Oszillationen der Brenn
elementtemperaturen beim Ausfall der Zwangskühlung, die als Folge
des Strömungsumschlages und der dabei einsetzenden Blasenverdamp
fung auftraten.
Neben den Temperaturen von Brennstoff und Kühlmittel wurde der
Leistungsverlauf untersucht. Hier zeigte sich ein durch Temperatur
effekte bedingter starker Abfall, dem bei höheren Leistungen unregel
mäßige Schwankungen überlagert waren. Die Schwankungen konnten als
unterkritische Reaktivitätsänderungen durch Blasenbildung festgestellt
werden. Innerhalb von 30 Minuten nach dem Pumpenausfall wurde kein
neuer Leistungsanstieg beobachtet.
-2-
1. EINLEITUNG
Nach Abschluß der ersten Untersuchungen des Temperaturverhal
tens des FRJ-1 {MERLIN) l) blieben noch einige Punkte unberück
sichtigt. Dies waren vor allem die zeitliche Lokalisierung des Um
schlagpunktes von Zwangsumlauf in Naturkonvektion des Kühlwas
sers beim Ausfall der Primärkreispumpen und die Klärung der
Ursache der Temperaturoszillationen in den Brennstoffplatten beim
Pumpenausfall.
Beide Erscheinungen ließen sich mit Hilfe der instrumentierten
Brennelemente untersuchen.
In den Positionen F3, FS, E4 und E6 der Gitterplatte befinden sich
Brennelemente, bei denen in vier der 14 Brennstoffplatten Thermo
elemente eingewalzt sind. Diese sitzen paarweise in der Mitte der
ersten, zweiten, dreizehnten und vierzehnten Brennstoffplatte.
Zwischen den Brennstoffplatten strömt Leichtwasser als Kühlmittel.
Am Ein- und Ausgang des Kühlkanals zwischen zwei instrumentier
ten Platten kontrollieren Thermoelemente die Wassertemperatur.
In den Positionen D4 und D6 der Gitterplatte befinden sich Brenn
elemente mit sogenannten Leitungsplatten. Bei diesen Elementen
sind die erste und zweite Brennstoffplatte wie oben beschrieben
ausgerüstet. Die vierzehnte Platte, oder Leitungsplatte, wird nur
einseitig gekühlt. Der andere Kühlkanal ist nach oben verschlossen.
Von unten eintretendes Kühlwasser wird durch Preßluft verdrängt.
Auf diese Weise werden hier die ungünstigsten Kühlbedingungen im
Kern geschaffen. In der Mitte der Leitungsplatte befinden sich drei
Thermoelemente nebeneinander, im benachbarten, offenen Kühl
kanal Überwachen beim Wassereintritt ein und beim Wasseraustritt
drei Thermoelemente die Kühlmitteltemperaturen. Die Anordnung
der Thermoelemente ist aus Abb. 1 und Abb. 2 zu ersehen. Abb. 3
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Schema
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BrennstoffPlatten
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Anordnung der Thermoelemente in einem Brennelement
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Abb.2:
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Anordnung der Thermoelemente In einem Brennelement mit Leitungsplatte
1 ..... 1
-5-
stellt einen Schlüssel für die Verteilung der Thermoelemente in den
Spezialbrennstoffelementen dar.
Wassertemperatur
Br enns to fftemperatur
Wassertemperatur
Wassertemperatur Brennstofftemperatur
Wassertemperatur
Wassertemperatur
Brennstofftemperatur Wassertemperatur
Wassertemperatur Brennstofftemperatur
II
Wassertempt-ratur
Abb. 3
z V U i----y------5--
w
y
R Q ----------p N X
z R r s u V w
y -Q N -----------p M
X
oben Mitte
unten
oben Mitte
unten
oben
Mitte unten
oben Mille
unten
außen
innen
außen
innen
Brennelement mit
Thermoelementen
Brennelement mit
Thermoelementen
und Leitungsplatte
Schlüssel fÜr die Verteilung der Thermoelemente in den Spezialbrennstoffelementen
Im ganzen stehen wahlweise 72 Chromel-Alurnel-Thermoelemente
für die Messungen zur Verfügung. Die Kaltlötstellen befinden sich
in einem Vergleichsstellenthermostaten, der als Bezugstemperatur
50 °c liefert. Die gemessenen Thermospannungen werden von
Kompensationsschreibern aufgenommen.
-6-
Bei der Messung wurden zwei Kernkonfigurationen untersucht. Die
erste bestand aus 31 Brennelementen und vier Aluminiumelementen,
die zweite war kompakt und hatte 20 Brennelemente in 4 x 5 - An
ordnung. Die beiden Kernkonfigurationen sind in Abb. 4 und Abb. 5
dargestellt.
A B c D E F
1
2
3
' 5
6
7
8
9
U -235 im Kern
G H J
4986 g
Abb. 4 Konfiguration des 31-Elementekerns
Es standen acht Potentiometerschreiber zur Verfügung, deren
Nullpunkte verschoben werden konnten, um ein Umschalten des
Meßbereichs beim Übergang von Temperaturen Über 50 °e zu
Temperaturen unter 50 °e zu vermeiden.
Die Papiervorschubgeschwindigkeit von maximal 56 600 mm/h
ermöglichte eine gute zeitliche Auflösung der Vorgänge. Ein
Synchronimpuls am Anfang und am Ende jeder Messung kontrol
lierte den Gleichlauf der Schreiber.
Bei den Messungen am 4 x 5 - Kern wurde ein Vielkanalgalvanome-
-7-
terschreiber benutzt. Er wurde mit einem Vorschub von 5 mm/sec
betrieben.
A B c 1
2
3
' 5
6 G
7
8
9
U -235 im Kern
D E F G H J
3227 g
Abb. 5 Konfiguration des 4 x 5 - Kerns
Vor jeder Messung wurden die Leitungsplattenelemente mit Preß
luft gefüllt und der Reaktor auf die zu untersuchende Ausgangslei
stung gebracht. Die beiden Primärpumpen wurden gleichzeitig von
Hand gestoppt, der Moment der Abschaltung automatisch markiert.
Die Reaktorabschaltung bei zu geringem KÜhlmitteldurchfluß war
überbrückt. Einige Minuten nach dem Pumpenausfall wurde die
Reaktorleistung auf 100 W abgesenkt, um das in die Leitungsplat
tenelemente eingedrungene Wasser durch Preßluft auszublasen und
die Kühlmittelpumpen erneut in Betrieb zu nehmen.
Bei der Pumpenabschaltung und der anschließenden Messung blieb
die Stellung der Steuerstäbe ungeändert.
-8-
2. DURCHFUHRUNG DER MESSUNGEN
2.1 Strömungsumkehr von Zwangsumlauf in
Naturkonvektion
Zur Wärmeabfuhr durch Zwangskühlung durchfließen beim FRJ -1
stündlich 480 m3
Leichtwasser den Kern von oben nach unten. Die
Brennelemente bestehen aus 14 Brennstoffplatten und 2 Deckplat
ten aus Aluminium. Das KÜhlmittel tritt durch die so gebildeten 2
15 Kühlkanäle, die einen Querschnitt von je 60 x 3, 3 mm haben.
Bei Normalbetrieb bewegen sich rund 25 t Wasser im Primär
kreislauf. Leerelemente auf den nicht von Brennelementen be-
setzten Positionen der Gitterplatte werden nicht vom Wasser durch
flossen und zwingen dadurch den gesamten Kühlstrom, seinen Weg
durch die Brennelementkanäle zu nehmen. Beim Ausfall der Pri
märkreispumpen nimmt die Stromgeschwindigkeit des KÜhlmittels
ab. Die Elementtemperaturen steigen an, die Reaktorleistung sinkt.
Gleichzeitig gewinnt die Naturkonvektion des Wassers an den heißen
Brennstoffplatten Einfluß. Ihre Strörnungsrichtung ist aufwärts, dem
Zwangsumlauf entgegengerichtet.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird das Wasser zum Stillstand
kommen und sich die resultierende Strörnungsrichtung des Kühl
mittels umkehren.
Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit und damit des Umkehr
punktes mit mechanischen. Anordnungen verursacht wegen der
Installation von Meßapparaturen und Verdrahtungen am heißen
Kern große Schwierigkeiten. Der Meßgenauigkeit sind Grenzen ge
setzt, da durch die geringe Empfindlichkeit der Instrumente nicht
der genaue Umkehrpunkt, also die Strömungsgeschwindigkeit Null,
sondern ein Punkt angezeigt wird, der zeitlich gegen den Umkehr-
-9-
punkt verschoben ist.
Eine weniger aufwendige Nachweismethode bietet die Benutzung der
oben beschriebenen instrumentierten Brennelemente. Es werden
die Temperaturverläufe des oben in den Kühlkanal eintretenden
Wassers und des unten austretenden Wassers aufgenommen. Bei
normalem Reaktorbetrieb ist die Temperatur am Wasseraustritt
T wegen der abgeführten Leistung größer als die Temperatur am a
Wassereintritt T • Nach dem Ausfall der Primärkreispumpen e
nimmt die Stromgeschwindigkeit ab. Das am unteren Thermoele-
ment vorbeiströmende Wasser hat sich länger im beheizten Kanal
aufgehalten und erreicht eine höhere Temperatur. T wird nach a
dem Pumpenausfall ansteigen. Die Temperatur T ändert sich e
nicht, da kühles Wasser aus dem Kreislauf am oberen Thermoele-
ment vorbeiströmt. Unter der Wirkung der Naturkonvektion und
der abnehmenden kinetischen Energie des umlaufenden Wassers
kommt die Strömung zum Stillstand und kehrt ihre Richtung um.
Das heiße Wasser im KÜhlkanal - je nach Ausgangsleistung ver
mischt mit Dampfblasen - strömt nach oben. Die Temperatur T a
hat ihr Maximum überschritten und sinkt ab, da sich das nach-
strömende Wasser auf einer niedrigeren Temperatur befindet. Das
Maximum der Temperaturkurve von T zeigt den genauen Um-a
schlagpunkt der Strömungsrichtung an.
Das nach der Umkehr plötzlich aufsteigende Wasser verursacht am
oberen Thermoelement ein steiles Ansteigen der Temperatur T • e Der Anstieg der Temperaturkurve von T liegt zeitlich unmittelbar
e nach dem Umschlag von Zwangsumlauf in Naturkonvektion, da eine
kleine Zeit verstreicht, bis das Wasser aus dem KÜhlkanal das
obere Thermoelement erreicht hat.
Aus den Temperaturverläufen von T und T läßt sich der zu mes-a e
sende Umschlagpunkt mit genügender Genauigkeit feststellen.
-10-
In Abb. 6 sind zwei der aufgenommenen Kurven wiedergegeben.
Nach der Strömungsumkehr ist T zwar nicht mehr die Tempera-a
tur beim Wasseraustritt, doch soll aus Gründen der besseren
Übersicht die Bezeichnung beibehalten werden, da sie sich auf den
Normalbetrieb des Reaktors bezieht.
2.2 Temperaturoszillationen
Im Verlauf der Brennelementtemperaturen treten Oszillationen
auf, deren Ursache zu untersuchen war. Zur Deutung des Effektes
wurden die Temperaturen in verschiedenen Brennstoffplatten
gleichzeitig aufgenommen. Die Messungen umfaßten verschiedene
Brennstoffplatten eines Elementes sowie verschiedener Elemente
Über den Kern verteilt. Gleichzeitig wurde der Strömungsumschlag
ermittelt, um die Schwankungen zeitlich festzulegen und in Ab
hängigkeit von der Strömungsrichtung zu lokalisieren. Unter Aus
nutzung verschiedener Kombinationen der Thermoelemente läßt
sich eine Aussage über den Verlauf und die Ursache der Tempera
turschwankungen machen.
2.3 Untersuchung des Leistungsverlaufs
Neben der Untersuchung des Umschlagpunktes und der Temperatur
oszillationen wurde der Leistungsabfall beobachtet, der beim Aus
fall der primären KÜhlkreispumpen als Folge der negativen Tem
peratur- und Blasenkoeffizienten der Reaktivität auftritt.
Ein Schreiber nahm die Anzeige des linearen Leistungskanals auf
und markierte den Moment des Pumpenausfalls. Aus dem Lei
stungsverlauf lassen sich Angaben Über die negativen Verdopp
lungszeiten und die absorbierten Reaktivitäten machen.
-11-
l:Jo] 1 ~
l:Jol 1 ~
-12-
Die Ausgangsleistung der einzelnen Versuche wurde mit Hilfe
einer geeichten Messanordnung unter Benutzung des N17
-Zerfalls
angegeben. 2
) Diese Methode erlaubt die Bestimmung der wahren
Reaktorleistung ohne Beeinflussung durch Absorberstabstellung
und Kernkonfiguration.
-13-
3. ERGEBNISSE
3. 1 StrÖmungsumkehr
Die Umkehr der Kühlmittelströmung erfolgt nicht an allen Stellen
des Kerns zum gleichen Zeitpunkt, sie ist vielmehr abhängig von
den verschiedenen Einflüssen, denen die Brennelemente in den
einzelnen Positionen der Gitterplatte unterliegen. Hohe Tempera
turen der Brennstoffplatten und des Wassers sowie Maxima in der
Flußverteilung begünstigen die Naturkonvektion. Niedrige Tempe
raturen, Flußdepressionen und die Nähe von Steuerstäben und
anderen Absorbern behindern ihre Ausbildung. Durch die Einwir
kung dieser Faktoren ergeben sich Unterschiede in der Zeit, die
zwischen Pumpenausfall und Strömungsumkehr verstreicht. Be
sonders deutlich ist die Abhängigkeit der Umschlagzeit von der
Ausgangsleistung vor dem Pumpenausfall. Je höher die Leistung
und damit der Fluß ist, um so eher hat die Strömung des Kühl
mittels ihre Richtung umgekehrt.
In der Nähe des Grobsteuerstabes herrschte zur Zeit der Messun
gen eine merkliche Flußdepression. Die Folge ist ein späteres
Eintreten der Strömungsumkehr. Das gegenteilige Verhalten läßt
sich in der Umgebung der Leitungsplatten feststellen, wo durch
unzureichende Kühlung erhöhte Temperaturen und demzufolge ein
früherer Strömungsumschlag ermittelt wurden.
Bei den anderen untersuchten Elementen bewirken die Örtlichen
Flußunterschiede nur kleine Abweichungen in den Umschlagzeiten.
Aus diesem Grunde ist es gerechtfertigt, hier einen Mittelwert an-
zugeben.
Zur Markierung der Strömungsumkehr diente das Maximum der
-14-
Austrittstemperatur T und das Ansteigen der Eintrittstemperatur a
T , das unmittelbar nach dem wirklichen Umschlag auftritt. Die e
Zeit vom Pumpenausfall bis zum Erreichen der Maximaltempera-
tur von T und die Zeit bis zum Ansteigen der Temperatur T sind a e
in Abhängigkeit von der Leistung vor der Abschaltung aufgetragen.
Abb. 7 stellt den Verlauf der Umschlagzeit für einen Strömungs
kanal in der Nähe des Grobsteuerstabes und für ein Leitungsplat
tenelement dar. Der errechnete Mittelwert Über die restlichen
Kühlkanäle kann fÜr den Kern mit 31 Elementen aus Abb. 8 abgele
sen werden. Abb. 9 zeigt den entsprechenden Kurvenverlauf für
die Messungen mit dem kompakten 4 x 5 - Kern.
In Abb. 10 sind für die verschiedenen Kernpositionen die Um
schlagzeiten in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung aufgezeich
net. Für jede Gitterplattenposition mit instrumentierten Elementen
ist eine Kurve angegeben. Sie stellt jeweils den Mittelwert zwi
schen den Umschlagzeiten dar, die durch Messung der Maximal
werte der Wasseraustrittstemperaturen und des Anstieges der
Wassereintrittstemperaturen ermittelt werden. Die Auftragungen
lassen erkennen, daß bei steigender Leistung der Umschlag von
Zwangsumlauf in Naturkonvektion eher eintritt. Bei 1 MW ergeben
sich mittlere Werte von 15 Sekunden zwischen dem Ausfall der
Primärkreispumpen und dem Strömungsumschlag. Bei 5 MW be
trägt die Umschlagzeit etwa 8 Sekunden. Diese Ergebnisse wurden
bei beiden Kernkonfigurationen festgestellt. Beim kompakten
4 x 5 - Kern liegen der Fluß und damit die Wassertemperaturen
höher, die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in den Kühl
kanälen ist jedoch wegen der geringeren Zahl von Brennelementen
erheblich größer. Die höheren Temperaturen begünstigen die Aus
bildung der Naturkonvektion, die höhere Stromgeschwindigkeit
läßt den Umschlag später eintreten. Beide Effekte heben sich unge
fähr auf.
30
'"" ~ ...... 25 -·-Q,
~ ~ "5 .,, § 20
15
10
5
31 Elementekern
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Abb.7 Umschlagzeit als Funktion der Ausgangsleistung für einen Kühlkanal in der Nähe des Grobsteuer -stabes und in einem Leitungsplattenelement
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...................... ................
-------A. ____ -------·------------~-0
Lei tvng:splatte
0-+-~----------+---------~--+---------------+---------------1---------------+-------~ 0 I 2 J
' 5 Ausgangsleistung C MW 1
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31 El•m•nt.k•rn
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'"'-...... ___ 4.
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Abb.8 Mittlere Umschlagzeit als Funktion der Ausgangsleistung beim 31-Elementekern
---..._________ ----·------ ... _________________ __ Ansti.gspunkl d•r Eintrittst~mpMilur
Maximum dN Austrittst•mfWra tur
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...... ...... ..... ........
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Abb.9 Mittlere Umschlagzeit als Funktion der Ausgangsleistung beim ' x 5 Kern
-·-- ---- --. -- -- - - - _ Anstiegspunkt dt!r • Eintritrstemperatur
Maximum dn Austrittstemperatur
o-+-~~~~~-+~~~~~~~~~~~~-+-~~~~~~f--~~~~~-+-~
0 1 2 3 4 5 Ausgangsleistung CMWJ
..... ~ 1
-18-
15
10 06 GSS
~----------""O"-----~~~~D' LP 5
a.J_~~~~-+-~~~~-t-~~~~-+~~~~-;~~~~~r-~
0 2 3 4 5 Ausgangsleistung fMWJ
Abb. 10 Umschlagzeit in verschiedenen Kühlkanälen der instrumentierten Elemente (Die Abbildung zeigt den Mittelwert zwischen der Zeit bis zum Erreichen des Maximums der Wasseraustrittstemperatur und des Anstiegspunktes der Wassereintrittstemperatur)
In den Leitungsplattenelementen erfolgt der Strömungsumschlag
bereits nach 11 Sekunden bei 1 MW und nach 5 Sekunden bei 5 MW.
Je höher die Temperatur ansteigt, um so eher hat sich die Natur
konvektion ausgebildet, die dann fÜr eine ausreichende Wärmeab
fuhr sorgt.
Der Anstieg der Wasseraustrittstemperaturen beginnt nicht un
mittelbar beim Ausfall der Pumpen, er setzt erst etwa 1 Sekunde
-19-
später ein. Diese zwischen Pumpenausfall und Temperaturanstieg
verstreichende Zeit ist weitgehend unabhängig von der Ausgangs
leistung und der Gitterposition der untersuchten Brennelemente,
hierbei sind nur die auslaufenden Pumpen und der bewegte KÜhl
mittelkreislauf von Einfluß.
Die Messungen enthalten neben den Angaben Über die Umschlag
zeit der Strömung Informationen Über die beim Pumpenausfall
erreichten Maximaltemperaturen und die auftretenden Temperatur
differenzen zwischen der Ausgangstemperatur vor dem Stillsetzen
der Pumpen und der sich einstellenden Maximaltemperatur. Die
Kurve der Höchsttemperaturen des Kühlwassers verläuft bei klei
neren Leistungen proportional zur Ausgangsleistung. Dann biegt
sie ab und nähert sich einem Sättigungswert, der bei etwa 117 °c, dem Siedepunkt des Wassers im Reaktortank, liegt. Die Werte von
T liegen höher als die Temperaturen T , da das nach dem Strö-e a
mungsumschlag aufsteigende Wasser den heißen Kühlkanal zwei-
mal durchfließen muß.
Der Grund fÜr das Abbiegen der Kurve liegt in der beginnenden
Blasenverdampfung. Ein Teil der entstehenden Wärme wird zur
Bildung von Dampfblasen verbraucht und kann die Wassertempera
tur nicht weiter erhöhen. Bei beiden untersuchten Kernkonfigura
tionen zeigte sich der gleiche Verlauf der Maximaltemperaturen.
Durch die größere Stromgeschwindigkeit im 4 x 5 - Kern nimmt
der statische Druck in den Kühlkanälen ab. Deshalb liegt der
Siedepunkt des Wassers bei tieferen Temperaturen. Durch die
eher beginnende Blasenbildung werden trotz größerer abgeführter
Wärmemengen etwa gleich hohe Kühlmitteltemperaturen erreicht
wie beim weniger kompakten 31-Elementekern.
In Abb. 11 sind die Temperaturkurven des Kühlmittels bei ver-
...., (..)
t, 5100 -~ ca,
~ ~ "ca, II)
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BrMn•l•mMtposilion E 4 "'15 K•rn
....... ,,,. ...
, .... ' .........
..........
........ -.........
-____ .... --
---- - --· _ - - - - -•- - Eintritt
·------ Maximalt•mp•ratur•n
Austritt
Anfangs t•mp•ratur•n
- - - - - - - -·- - - - - - - -·- - - - - - - -· - -- - - - -· -· Eintritt
0-+-~~~~~-+-~~~~~~1---~~~~~--+-~~~~~-+-~~~~~--t~~~
0 1 2 J ' 5 Ausgangsleistung[ MW 1
Abb. II: Anfangs- und Maximaltemperaturen des Kühlmittels in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung
1 N 0 1
-21-
schiedenen Ausgangsleistungen wiedergegeben. Einen ähnlichen
Verlauf wie die Maximaltemperaturen zeigen die Temperaturdif
ferenzen, da die Eintrittstemperaturen vor dem Pumpenausfall
konstant sind und die Austrittstemperaturen nur wenig mit der
Leistung variieren.
3.2 Temperaturoszillationen
Mit den Ergebnissen der Messungen ließen sich die Temperatur
oszillationen in den Brennstoffplatten beim Pumpenausfall deuten.
Die Auswertungen der verschiedenen Kombinationen ergaben, daß
die Temperaturen in den Brennelementen nach dem Abschalten der
Pumpen ein bis zwei Sekunden konstant blieben. Dann folgte ein
Anstieg bis zu einem Maximum. Die Temperaturen sanken ab und
stiegen erneut an. Dieser Vorgang wiederholte sich einige Male.
Es zeigte sich, daß das erste Temperaturminimum zeitlich mit
dem Strömungsumschlag des Kühlmittels zusammenfiel. Die
Abb. 12 und 13 zeigen die Temperaturverläufe im Brennstoff und
im Kühlmittel bei einem untersuchten Kühlkanal fÜr die beiden
Kernkonfigurationen.
Nach dem Ausfall der Pumpen nimmt die Strömungsgeschwindig
keit des Zwangsumlaufs ab. Die Wassertemperaturen steigen an,
da sich das Kühlmittel länger zwischen den Brennstoffplatten auf
hält. Der Brennstoff erhält eine höhere Temperatur durch den
abnehmenden Wärmeübergang an das Wasser. Zwar fällt die
Leistung, doch werden in den ersten Sekunden noch große Wärme
mengen nachgeliefert. Mit steigenden Kühlmitteltemperaturen
tritt örtlich begrenzte Blasenverdampfung ein. Damit verbessert
sich der Wärmeübergang erheblich. Die Temperaturen der Brenn
elementplatten sinken ab. Die durch das Auftreten von Dampfbla
sen verursachte bessere Durchmischung des Wassers unterstützt
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1
15 t f sec 1
Abb.13: Temperaturverläufe in Brennstoff und Kühlmittel in einem Kühlkanal beim 4 x 5-Kern
20
1 N w 1
-24-
den Wärmeübergang und den Abfall der Temperaturen. Durch die
Ausbildung der Naturkonvektion kommt die Strömung zum Still
stand. Die Blasenbildung wird besonders heftig. Beim Umschlag
der Strömungsrichtung reißen die gebildeten Blasen ab und strö
men durch den großen Auftrieb nach oben. Heißes Wasser aus dem
Kühlkanal strömt nach. Beides verschlechtert wieder den Wärme
übergang. Die Folge ist ein erneutes Ansteigen der Brennstoff
temperaturen. Das nun folgende Maximum der Temperatur kann
die HÖchsttemperaturvor dem Strömungsumschlag noch überstei-
gen.
Nun folgt nacheinander die Bildung von Dampfblasen und ihr Ab
reißen und Fortströmen. Dadurch werden weitere Oszillationen
der Brennstofftemperaturen verursacht, bis die Kühlmitteltempera
tur zur Bildung von Blasen nicht mehr ausreicht. Die Leistung
ist inzwischen bis zu kleinen Werten abgefallen und bewirkt keinen
weiteren Temperaturanstieg. Die zahlreichen Schwankungen der
oberen Wassertemperatur geben ein deutliches Bild des dauernden
Wechsels von Bildung und Zerfall der Dampfblasen im Kühlkanal.
Die Zahl der Oszillationen ist abhängig von der Ausgangsleistung
und der Brennelementposition. Mit wachsender Temperatur wer
den sie häufiger. Wiederholungsmessungen bei gleichen Leistun
gen ergaben eine zeitliche Übereinstimmung der Oszillationen.
Deutlich ist das Zusammenfallen des ersten Temperaturminimums
mit dem Strömungsumschlag bei den beiden Brennstoffplatten zu
erkennen, die den untersuchten Strömungskanal bilden. Abwei
chungen zu größeren Zeiten für das Auftreten des Minimums
ergaben sich bei kleineren Leistungen bis zu 1 MW. Bei niedrigen
Flüssen sind die Wassertemperaturen noch klein, und der Anteil
an Dampfblasen ist wenig wirksam. Nach dem Strömungsumschlag
-25-
steigt das Wasser langsam aufwärts und beeinflußt die benachbar
ten Brennstoffplatten nur wenig. Beim 4 x 5 - Kern tritt die Bla
senbildung früher ein, daher wurde dort die Abweichung bei klei
nen Leistungen nicht festgestellt.
In Abb. 14 ist fÜr den 31-Elementekern die Umschlagzeit in Ab
hängigkeit von der Ausgangsleistung dargestellt. Die untere Kurve
bezieht sich auf das Temperaturmaximum der Wasseraustritts
temperatur, die obere auf den beginnenden Anstieg der Eintritts
temperatur des Kühlmittels. Die Zeitpunkte, zu denen bei den
einzelnen Leistungen das erste Temperaturminimum in den
Brennstoffplatten des betrachteten Kühlkanals erreicht ist, sind
als Meßpunkte in der Abbildung eingetragen. Sie liegen zwischen
den Kurven die die Umschlagzeit kennzeichnen. Abb. 15 zeigt
die gleiche Darstellung für den 4 x 5 - Kern. Da die Umschlag
zeiten in den beiden untersuchten Kernkonfigurationen ähnlich
sind, liegen auch die Temperaturminima der Brennstoffplatten
bei gleichen Zeiten. Die Gründe hierfür sind im vorigen Ab
schnitt dargelegt worden.
Die bei der gleichen Pumpenabschaltung gemessenen Minima von
Brennstoffplatten, die sich in anderen Positionen der Gitterplatte
befinden, treten früher oder später auf, je nach dem zu welchem
Zeitpunkt in den zugehörigen Kanälen der Strömungsumschlag
eingetreten ist. Auch aus diesen Werten lassen sich Rückschlüs
se auf Neutronenflüsse und Wassertemperaturen in den einzelnen
Brennelementen ziehen. Die Leitungsplatten erreichen ihr Mini
mum besonders früh, in der Umgebung des Grobstabes tritt die
Minimaltemperatur zu einem erheblich späteren Zeitpunkt auf.
In Abb. 16 sind die Zeiten bis zum Erreichen der Temperaturmi
nima für verschiedene Brennstoffplatten dargestellt. Zur zeit
lichen Einordnung ist der Umkehrpunkt eines Kühlkanals einge-
-~ .,, ..... :::: -2 ..., ::;, t)
J g c ~
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30
25
20
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10
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6. 0
El•m.nt - Position E 4' 31 EIMwnt•kHn ll äußH• Br•nnstoffplatt• <Ws Kühlkanals o in,,.,-. Br•nnstoffplatt• d.s Kühlkanals
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Ansti•gspunkt <Wr Eintrittst.mp•ratur
Maximum dK Austrittst«n~tur
o--~~~~~---~~~~~~t--~~~~~--~~~~~---~~~~~~t--~
0 1 2 3 ' 5 Ausgangsleistung { MW 1
Abb. ,, : Zeit bis zum ersten Minimum der Brennstofftemperatur in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung im 31-ElemMtekern
1 N O' 1
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JO
25
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El•mMt-Positlon E 6 4x 5 K•rn
tJ. ;,,,,.,-. Br•nnstoffpla,,. d•s Kühlkanals o ilun.r. BIWlnstoHplatt• d.s Kühlkanals
............ ............
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0 I 2 J ' 5 Ausgangsleistung { MW 1
Ansti•gspunkt d•r Eintrittst•mf'#rolur
Maximum dH Austritts„mpBatur
Abb. /5: Zeit bis zum ersten Minimum der Brennstofftemperatur in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung im 4 x 5-Kern
1 N ....:i 1
-28-
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IO 0 lt') 0 0 "' "' - -[~) llDJSnDUMiWf'd (/:JDU IJaz
-29-
zeichnet.
In Abb. 17 sind einige Aussagen Über die Brennelementtempera
turen zusammengefaßt. Die Anfangstemperaturen haben in Ab
hängigkeit von der Leistung einen linearen Verlauf. Unter der
Wirkung eines höheren Flusses oder durch größere Aufheizung in
den Leitungsplatten wird die Steigung der Geraden steiler. So
ergeben sich bei höheren Leistungen höhere Temperaturen.
Abb. 18 zeigt einen Vergleich der Anfangstemperaturen vor dem
Pumpenausfall in verschiedenen Brennstoffplatten.
Die von den Brennelementen im Maximum erreichten Temperatu
ren verlaufen bis zu mittleren Leistungen linear. Bei höheren
Werten läßt die Steigung nach, die Kurven biegen um und nähern
sich einem Grenzwert. Der angestrebte Sättigungswert läßt sich
mit etwa 150 °c angeben. Diese Temperatur wird jedoch beige
ringem Fluß nicht erreicht. Am deutlichsten laufen die Maximal
temperaturen der Leitungsplatten auf den Sättigungswert zu.
Durch wachsende Blasenverdampfung wird bei hohen Tempera
turen der Wärmeübergang zwischen Brennstoffplatte und Kühlmit
tel verbessert. Die Brennstofftemperaturen werden deshalb bei
großen Leistungen trotz höherer Wärmeproduktion nur wenig
erhöht. Abb. 19 zeigt die Maximaltemperaturen der Brennstoff
platten in verschiedenen Positionen als Funktion der Ausgangs
leistung. Beim 4 x 5 - Kern verlaufen die Kurven steiler, sie
knicken wegen der früher einsetzenden Blasenverdampfung schon
bei kleineren Leistungen ab und gehen auf den gleichen Sättigungs
wert zu wie beim 31-Elementekern.
Bei der Betrachtung der Temperaturunterschiede zwischen Aus
gangs- und Maximaltemperatur in Abhängigkeit von der Leistung
wird der Einfluß der Blasenverdampfung besonders deutlich.
150
.... ~ '.....
100
50
Ttwrmo•l•m•nt 51 Position D1, L•itungsp/att• 1,x5 K„n
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Moximolt•mprrotur
Anfongst•mprrolur
Dlff•„nztrmprrotur
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0 1 2 J ' 5 Ausgangsleistung f MWJ
Abb. 17: Temperaturen der Brennstoffplatten als Funktion der Ausgangsleistung
' w 0 1
"::;, -tJ "ca.
~ ca. -.,, tl) c: tJ .... c: ~
100 [OCJ
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31 Elementekern
D' (L•itungsptatt•)
D' FS
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06 (Näh• Grobstab)
o---~~~~~--+-~~~~~--+~~~~~~t--~~~~~---~~~~~--~~-
o 7 2 3 ' s Ausgangsleistung CMW J
Abb. /8: Anfangstemperaturen der Brennstoffplatten in verschiedenen Gitterpositionen des Kerns
1 IJ,) .... 1
-32-
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-33-
Beim 4 x 5 - Kern steigt die Temperaturdifferenzkurve bis etwa
2 MW an, geht durch ein schwaches Maximum und fällt bei höhe
ren Leistungen ab. Beim 31-Elementekern befindet sich das
Maximum erst bei 2, 7 MW • Der Verlauf der Temperaturdifferen
zen fÜr die beiden Kernkonfigurationen ist aus Abb. 20 zu erse
hen •
..... (.) 0 ..... III
f „ ... ~100 „ ~ 1) „ ... e~
so
Abb. 20
2 J ~ 5 Au:sgang:sl•i:slung CMWJ
Temperaturdifferenzen in den Brennstoffplatten als Funktion der Ausgangsleistung bei den verschiedenen Kernkonfigurationen
Die Messungen der Temperaturen im Brennstoff lassen den
Schluß zu, daß selbst in den nur einseitig gekühlten Leitungs
platten beim Ausfall der Zwangskühlung die Temperaturen nicht
unbegrenzt steigen, sondern sich einem Grenzwert nähern, der
bei ungefähr 150 °c liegt. Erst bei beginnendem Filmsieden wer
den durch den schlechteren Wärmeübergang di~ Brennstofftempe-
raturen weiter ansteigen.
-34-
3.3 Leistungsabfall
Beim Ausfall der primären KÜhlkreispumpen eines Schwimmbad
reaktors wird die Leistung unter der Wirkung des negativen Tem
peraturkoeffizienten der Reaktivität abgesenkt. Die Reaktivitäts
änderung wird verursacht durch die niedrigere Brennstoff- und
Moderatordichte, die höhere Energie der thermischen Neutronen
und die Dopplerverbreiterung der Resonanzlinien der Absorption,
die bei der Erhöhung der Temperatur eines Reaktors auftreten.
Zwar bewirken einzelne dieser Effekte einen Reaktivitätszuwachs,
doch überwiegt die Wirkung der reaktivitätsabsorbierenden Effek
te. Das hat als Resultierende einen negativen Temperaturkoeffi
zienten zur Folge. Beim FRJ -1 wurde der Temperaturkoeffizient
zu
bestimmt.
Die durch Pumpenabschaltung bedingte Erhöhung der Temperatu
ren im Kern verursacht einen Leistungsabfall, bei dem zwei
Anteile unterschieden werden können. Der erste, prompte Abfall,
hat eine negative Verdopplungszeit, die mit steigender Ausgangs
leistung kleiner wird. Beim zweiten Anteil läßt sich eine Ver
dopplung szeit von - 50 Sekunden bis -80 Sekunden ermitteln als
Folge der verzögerten Neutronen.
Die Auftragung der negativen Verdopplungszeit des ersten, steilen
Abfalls in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung, Abb. 21, er
gibt eine Kurve, die ähnlich einer Exponentialfunktion zu großen
Lei1'tungen abfällt. Bei 5 MW werden etwa -5 Sekunden erreicht.
Die Kurve zeigt bei beiden Kernkonfigurationen einen ähnlichen
Verlauf. Im Kern und Reflektor sind die Temperaturen gleich.
-35-
Die beim 4 x 5 - Kern durch höhere Flußdichte mehr erzeugte
Wärme wird zu vermehrter Blasenbildung verwandt und geht für
die Temperaturerhöhung verloren.
5
'0
5
10
5
1
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2 3 4
Abb. 21 Ausgangsleistung CMWJ
Negative Verdopplungszeit des Leistungsabfalls als Funktion der Ausgangsleistung
5
Der schnellere Leistungsabfall bei höherer Ausgangsleistung ist
für die Sicherheit des Reaktors vorteilhaft.
Abb. 22 stellt die Zeiten dar, die vom Pumpenausfall verstrei
chen, bis ein bestimmter Prozentsatz der Ausgangsleistung er
reicht ist. Als Parameter sind verschiedene Ausgangsleistungen
aufgetragen. Die Darstellung berücksichtigt nur den ersten Anteil
des Leistungsabfalls.
-36-
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Zeit vom Pumpenstopp bis zum Be-
JMW
~~Faff :s Leistungs~-_._ ___ -'9'-0---8-'0-----'70 ____ 6_.0..._ ___ 5._0 ____ 4,_0 ____ 3...._0 ___ _
Prozent der Ausgangsleistung
Abb. 22: Zeit bis zum Erreichen eines bestimmten Prozentsatzes der Ausgangsleistung
-37-
3.4 Einfluß von Dampfblasen auf die Leistung
Bei Leistungen Über 3 MW treten, insbesondere beim 4 x 5 - Kern,
im Leistungsverlauf Schwankungen auf. Sie beginnen erst, wenn
das Kühlmittel in den Kanälen die Strömungsrichtung umkehrt.
Hierbei bilden sich durch das momentane Stillstehen des Wassers
bevorzugt Blasen. Die Schwankungen sind dem Abfall durch Tem
peraturerhöhung überlagert. Sie bestehen aus Spitzen, die sich
durch einen stärkeren Abfall und dann ein neues Ansteigen bis
auf die durch den Temperaturkoeffizienten erreichte Leistung
bilden. Wiederholte Messungen von verschiedenen Leistungsan
zeigen an diversen Stellen des Reaktors zeigen ein völlig gleiches
Ergebnis. Beim AbkÜhlen des Kerns durch vollausgebildete Na
turkonvektion und stark abgesunkene Leistung hört die Blasen
bildung und die Entstehung der Schwankungen auf.
Abb. 23 zeigt den Leistungsverlauf nach einem Pumpenausfall
bei 5 MW, aufgezeichnet von zwei Ionisationskammern oberhalb
des Kerns und einer Ionisationskammer in der thermischen Säule.
Das völlig synchrone Auftreten der Leistungsschwankungen ist
gut zu erkennen.
Die Schwankungen entstehen durch subkritische Reaktivitätsände
rungen, verursacht durch den Blasenkoeffizienten. Durch die
Temperaturerhöhung besitzt der Reaktor eine Unterkritikalität
von etwa 0, 5 % ö k/k. Der Blasenkoeffizient für Kerne des
Merlintyps wurde zu
l= _,,l·I0-4 % ~k/cm3
bestimmt. Entstehende Dampfblasen ergeben durch die VerdÜn-
nung des Moderators eine Reaktivitätsverminderung und ver
ursachen ein steileres Abfallen der Leistung. Die Kondensation
5 Abschalf·Kanal I
.... S 1 Abschalt-Kanol 6 ~
~' ~ .... a.. ~
""" a..
Jr ' 1 1 \ ~ 1 1 1 1 1 1
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1 S 1 ün. Kanal
o+ -1+ ~' -~ ~3
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o+ ~d i ~
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~
0 5 10 15 20 25 JO 35 t Cs~1
Abb. 23: Leistungsverlauf beim Pumpenausfall
-39-
der Blasen erhöht die Reaktivität und läßt die unterkritische
Leistung wieder ansteigen.
Die Größe der durch Blasenbildung verursachten Reaktivitätsän
derungen läßt sich mit einer einfachen Näherungsrechnung fest
stellen. In Abb. 24 ist ein Teil der Leistungskurve dargestellt.
Aus der Auftragung läßt sich die negative Verdopplungszeit des
2.9
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n•gotivr 'INdoppl.ungsnit 1
durch T•m,,rratur-K„ffiziMIM~2..., _,
nrgati•• Vrrdopplungs:z.it durch 7'mpM!tur-u. Blos.n-~ffiziH>IHI
20 tlsecJ
Abb. 24 Negative Verdopplungszeit des Leistungsabfalls zur Bestimmung des Blasenvolumens im Kern
temperaturbedingten Leistungsabfalls ablesen. Mit Hilfe der
Gleichung 3
) 6
; =lc \ r-11Lexp-"- t - ....!L..exp- ß;-! t) 0 L ß;-f ß;-f ß;-f I
i=I läßt sich fÜr cj>/cj> = O, 5 und die abgelesene Verdopplungszeit
0
von -6, 2 Sekunden eine Reaktivitätsabnahme von 0, 55 % ö k/k
angeben. Die durch Blasenbildung verursachte weitere Leistungs
abnahme ergibt nach Abb. 24 durch Verlängerung der ersten
-40-
Schwankung eine negative Verdopplungszeit von -2 Sekunden.
Die auftretende Temperaturerhöhung und Blasenbildung verur
sachen eine Reaktivitätsabsorption von insgesamt O, 87 % 6 k/k.
Davon entfällt auf die Blasenbildung O, 32 % o k/k.
Das entstandene Blasenvolumen wird aus dem Blasenkoeffizienten
zu 780 cm3
errechnet. Jeder Kühlkanal hat ein Volumen von
125 cm 3
• Die im ganzen Kern entstehenden Blasen würden etwa
im Mittel sechs Kühlkanäle ausfüllen. Das ergibt bei insgesamt
300 Kanälen einen Blasenanteil von 2 % • Diese Größenordnung
ist durchaus realistisch.
3.5 Verhalten lange Zeit nach dem Pumpenausfall
Der Temperatur- und Leistungsverlauf wurden Über etwa 30
Minuten nach dem Pumpenausfall aufgenommen. Nach Ablauf der
in den vorigen Abschnitten beschriebenen Erscheinungen fielen
die Temperaturen im Brennstoff und Wasser weiter ab und er
reichten einen stabilen Wert.
Die Leistung näherte sich sehr langsam einen Endwert. Inner
halb der Meßzeit hatte sie stets das Bestreben Weiter abzusinken.
In keinem Falle wurde ein erneutes Ansteigen der Leistung beob
achtet. Die angestrebte Endleistung lag um so höher, je größer
die Ausgangsleistung war. Bei einer Pumpenabschaltung bei 4 MW
wurden 200 kW erreicht, bei 1 MW etwa 10 kW.
-41-
Herrn Dipl.-Phys. H. J. Barmann und Herrn Dr. G. Meister
danke ich für wertvolle Anregungen und Diskussionen. Ich
danke ebenfalls Frl. G. Pauschardt, Herrn J. Thelen und
Herrn H.E. RÜllenrath, die mir bei den Messungen behilflich
waren und die Zeichnungen herstellten.
-42-
LITERA TU RVERZ EI CHNIS
[ 1 ] J. Jacquemin, H.J. Bormann
Das Temperaturverhalten des FRJ -1 (MERLIN) bei
hohen Leistungen
KFA Jülich, interner Bericht, Februar 1965
[ 2] G. Thamm
Leistungsmessung am FRJ-1 (MERLIN) nach der 17
N - Methode
In Vorbereitung
[ 3 ] S. Glasstone
Principles of Nuclear Reactor Engineering
Macmillan and Co Ltd, London 1956