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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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1 n 0/ IV V

VI VII

vm ' IX X

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Schema

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Brennstoff­Platten

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Abb.1:

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Anordnung der Thermoelemente in einem Brennelement

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Schema Brennstoff­

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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

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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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...................... ................

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..... 1.11 1

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31 El•m•nt.k•rn

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Abb.8 Mittlere Umschlagzeit als Funktion der Ausgangsleistung beim 31-Elementekern

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Maximum dN Austrittst•mfWra tur

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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

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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-

...., (..)

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·------ Maximalt•mp•ratur•n

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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 ~

~

30

25

20

15

10

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\ \

\

6

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', 6 ........ ......... 0

.... _ -------·-----------~ A

6. 0

El•m.nt - Position E 4' 31 EIMwnt•kHn ll äußH• Br•nnstoffplatt• <Ws Kühlkanals o in,,.,-. Br•nnstoffplatt• d.s Kühlkanals

~~-------.,,.. __________ _ fj

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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15

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a .... , ........

El•mMt-Positlon E 6 4x 5 K•rn

tJ. ;,,,,.,-. Br•nnstoffpla,,. d•s Kühlkanals o ilun.r. BIWlnstoHplatt• d.s Kühlkanals

............ ............

--- ---------- --~ ~-----------~------6

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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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// cl

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_,,,,,./ ~·/" ~

/"""° ..,,.,,.~·

Moximolt•mprrotur

Anfongst•mprrolur

Dlff•„nztrmprrotur

0-+-~~~~~-+-~~~~~-+~~~~~--t~~~~~~t-~~~~~+-~~~

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

so

31 Elementekern

D' (L•itungsptatt•)

D' FS

E6

F3

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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<:) <:) II') -l...i .....

-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

\ \ ~ ~ ~ r----_ -

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-

,.., ~201--~~~+-~~~+-~~~+-~~~t-~~~t-~~~-r~~~-r-~~~-

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

1 ~

2~ Jt l \l \A 1 __ (\!Vh 1 1 1 1 00

'

Ir 2

1 S 1 ün. Kanal

o+ -1+ ~' -~ ~3

::1 ::::

o+ ~d i ~

f ::io 1 ~-l~ 0-f- 1

~

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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5

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2.5

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0 1 i5 : 1 ' 1 1 1 l-- 6.2 s.c -- . _J_ --1 1

15 10

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