SE504477C2

SE504477C2 - Method and apparatus for detecting counter-phase oscillations in a boiler water reactor

Info

Publication number: SE504477C2
Application number: SE9502122A
Authority: SE
Inventors: Camilla Rotander
Original assignee: Asea Atom Ab
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 1997-02-17
Also published as: WO1996042087A1; SE9502122D0; SE9502122L

Abstract

The present invention relates to the detection, in the core of a boiling water reactor, of local power oscillations which oscillate in phase opposition to the power in the rest of the core. A plurality of neutron detectors (K1-Kn) are appointed to be control detectors and at least one neutron detector is appointed to be a reference detector (R1-R4), whereupon for each reference detector, for each one of the control detectors, a phase value is continuously calculated, which phase value corresponds to the difference in phase between the output signal of the reference detector and the output signal of the control detector. In dependence on the calculated phase values, incipient out-of phase ocillations are detected according to a predetermined out-of phase criterion and an alarm signal (OPA) is released if there is a risk for out-of phase oscillations.

Description

504 477 av härden, s k motfassvängningar. Erfarenheter visar att motfas- svängningarna uppträder plötsligt och att de snabbt växer till i storlek och därmed riskerar att ästadkomma skador pä bränslet. 504 477 of the core, so-called counter-phase oscillations. Experience shows that the antiphase oscillations occur suddenly and that they grow rapidly in size and thus risk damaging the fuel.

Risken för bränsleskador är större vid motfassvängningar än vid infassvängningar eftersom infassvängningarna växer betydligt längsammare. Det är därför viktigt att sä tidigt som möjligt detektera en motfassvängning och försöka dämpa den innan den hinner välla nägon skada. Eftersom det vid en härdövervakning vanligtvis är medelvärdet av utsignalerna frän neutronflödes- detektorerna som övervakas finns det en risk för att motfas- svängningarna släcker ut varandra i den medelvärdesbildade signalen och därmed inte kan detekteras. (vol.The risk of fuel damage is greater with counter-phase oscillations than with in-phase oscillations because the in-phase oscillations grow much slower. It is therefore important to detect a counter-phase oscillation as early as possible and try to dampen it before it has time to inflict any damage. Since in a core monitoring it is usually the average value of the output signals from the neutron flow detectors that is monitored, there is a risk that the opposite phase oscillations quench each other in the average value-generated signal and thus cannot be detected. (vol.

Pázit, “Methods for the determination of the in-phase and out-of-phase I en artikel i Nuclear Technology 107 frän augusti -94) sidan 201 - 205 av Van Hagen, Thomson och Melkerson stability characteristics of a boiling water reactor“ föreslär författarna flera metoder för att beräkna härdens marginal till motfasinstabilitet för att pä sä sätt kunna avgöra när det är dags att sätta in ätgärder för att dämpa svängningarna. Alla dessa metoder bygger pä ett antagande om att utsignalen frän var och en av neutrondetektorerna innehäller en komponent som härrör frän en infassvängning och en komponent som härrör frän en motfassvängning. Metoderna gär ut pä att pä olika sätt extrahera och separera dessa komponenter. En nackdel med dessa metoder är att de förutsätter att det verkligen finns en infaskomponent och en motfaskomponent i utsignalen. Pä grund av det kraftiga bruset i utsignalerna frän neutrondetektorerna kan det ibland vara omöjligt att avgöra om den separerade komponenten verkligen är en motfassvängning med läg amplitud eller bara brus. Om det inte finns en motfassvängning leder metoden till ett missvisande resultat. ÄNDAMÅLET MED UPPF INN INGEN Åndamälet med uppfinningen är att anvisa ett förfarande för att detektera motfassvängningar i en kokarvattenreaktor som - är tillförlitlig och inte bygger pä nägra tveksamma antaganden om hur motfassvängningarna ser ut eller uppträder. 504 477 - ar enkel att implementera, - ger en tidig detektering av motfassvàngningarna, - ar rekursiv, - kan tillämpas för detektering i realtid.Pázit, "Methods for the determination of the in-phase and out-of-phase In an article in Nuclear Technology 107 from August -94) pages 201 - 205 by Van Hagen, Thomson and Melkerson stability characteristics of a boiling water reactor" proposes the authors several methods for calculating the core margin to counter-phase instability in order to be able to determine when it is time to take measures to dampen the oscillations. All these methods are based on the assumption that the output signal from each of the neutron detectors contains a component arising from an in-phase oscillation and a component arising from a counter-phase oscillation. The methods involve extracting and separating these components in different ways. A disadvantage of these methods is that they assume that there really is an in-phase component and an opposite-phase component in the output signal. Due to the loud noise in the output signals from the neutron detectors, it can sometimes be impossible to determine whether the separated component is really a low-phase counter-phase oscillation or just noise. If there is no counter-phase oscillation, the method leads to a misleading result. OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to provide a method for detecting counter-phase oscillations in a boiling water reactor which is reliable and is not based on any dubious assumptions about what the anti-phase oscillations look like or occur. 504 477 - is easy to implement, - provides early detection of counter-phase fluctuations, - is recursive, - can be applied for real-time detection.

Uppfinningen avser också att àstadkomma en anordning med organ för genomförande av förfarandet.The invention also intends to provide a device with means for carrying out the method.

Vad som kännetecknar ett förfarande och en anordning enligt upp- finningen framgár av bifogade patentkrav.What characterizes a method and a device according to the invention appears from the appended claims.

FIGURBESKRIVNING Figur l och 2 visar hur signalerna fràn tva neutrondetektorer kan se ut när en motfassvàngning börjar utvecklas.DESCRIPTION OF FIGURES Figures 1 and 2 show what the signals from two neutron detectors can look like when a counter-phase oscillation begins to develop.

Figur 3 visar en schematisk bild av en reaktorhàrd med ett neutrondetektorrör i vertikal genomskàrning.Figure 3 shows a schematic view of a reactor core with a neutron detector tube in vertical section.

Figur 4 visar en del av hàrden i horisontell genomskarning.Figure 4 shows a part of the hearth in horizontal section.

Figur 5 visar i form av ett blockschema ett exempel pà ett program för genomförandet av ett förfarande för detektering av motfassvängningar.Figure 5 shows in the form of a block diagram an example of a program for carrying out a method for detecting counter-phase oscillations.

Figur 6 visar en anordning för att utföra förfarandet enligt uppfinningen.Figure 6 shows an apparatus for carrying out the method according to the invention.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER vertikalt i hàrden finns anordnat pá regelbundna avstánd frán varandra ett flertal neutrondetektorrör, vilka var och en inne- Fattar fyra neutrondetektorer anordnade för mätning av neutron- flödet i hàrden. Neutrondetektorerna är placerade pà fyra i vercikalled skilda nivàer. Detektorerna bildar ett regelbundet gitter i härden.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS vertically in the cores are arranged at regular distances from each other a plurality of neutron detector tubes, each of which comprises four neutron detectors arranged for measuring the neutron flux in the cores. The neutron detectors are located on four vertically different levels. The detectors form a regular grating in the core.

Observationer fran stabilitetsmätningar visar att en motfas- svängning oftast utvecklas ur en global infassvangning och att 504 477 utvecklingen kan börja pä tva olika sätt. Dels kan motfas- svängningen inledas med att det lokalt i härden inträffar korta perioder av fasskiften (1800) mellan detektorsignalerna och dels kan den inledas med att resonansfrekvensen för en detektorsignal börjar driva i förhàllande till den globala frekvensen.Observations from stability measurements show that a counter-phase oscillation usually develops from a global phase oscillation and that the development can begin in two different ways. On the one hand, the counter-phase oscillation can begin with short periods of phase shifts occurring locally in the core (1800) between the detector signals and on the other hand, it can begin with the resonant frequency of a detector signal starting to drift in relation to the global frequency.

Figur l och 2 visar hur signalerna A och B frän tva neutron- detektorer belägna pä samma nivä men i skilda delar av härden kan se ut när en motfassvängning börjar utvecklas. I figur 1 svänger signalen A och signalen B till en början i fas. Vid t = skiftar fasen i signalen B sä att den svänger i motfas med signalen A. Vid t = 40 skiftar fasen i signalen B tillbaka sä att den svänger i fas igen med signalen A. Ett antal sädana fasskiften kan utvecklas till en motfassvängning. I figur 2 svänger signalen A med en konstant frekvens medan signalen B har en frekvens som driver. Vid t = 0 är signalerna A och B i fas med varandra men vid t = 40 är signalerna i motfas.Figures 1 and 2 show how the signals A and B from two neutron detectors located at the same level but in different parts of the core can look like when a counter-phase oscillation begins to develop. In Figure 1, signal A and signal B initially oscillate in phase. At t = the phase in signal B shifts so that it oscillates in opposite phase with signal A. At t = 40 the phase in signal B shifts back so that it oscillates in phase again with signal A. A number of such phase shifts can develop into a counter-phase oscillation. In Figure 2, signal A oscillates at a constant frequency while signal B has a driving frequency. At t = 0 the signals A and B are in phase with each other but at t = 40 the signals are in opposite phase.

Gemensamt för dessa tvä sätt för en motfassvängning att utveck- las är att de bada inleds med en eller flera korta perioder dä nagon del av härden svänger i motfas med resten av härden. För att kunna detektera motfassvängningen sä tidigt som möjligt är det dessa tidiga fasskiften som ska detekteras. Eftersom det kan finnas vertikala fasskillnader mellan neutrondetektorer i olika niväer i härden bör endast fasskiften mellan detektorer i samma nivä detekteras för att avgöra om det finns en begynnande motfassvängning.Common to these two ways for a counter-phase oscillation to develop is that they both begin with one or more short periods when some part of the core oscillates in opposite phase with the rest of the core. In order to be able to detect the counter-phase oscillation as early as possible, it is these early phase shifts that must be detected. Since there may be vertical phase differences between neutron detectors at different levels in the core, only phase shifts between detectors at the same level should be detected to determine if there is an incipient counter-phase oscillation.

Figur 3 visar en reaktortank 1, tillhörande en kokarvatten- reaktor, i genomskärning. Reaktorhärden 2 innehäller bränsle i form av bränslepatroner mellan och genom vilka kylvatten pumpas.Figure 3 shows a reactor tank 1, belonging to a boiling water reactor, in section. The reactor core 2 contains fuel in the form of fuel assemblies between and through which cooling water is pumped.

I figuren visas ett neutrondetektorrör 3 i genomskärning.The figure shows a neutron detector tube 3 in cross section.

Neutrondetektorröret är ihäligt och innehäller fyra pä lika avständ fördelade fast monterade neutrondetektorer 4. Alla neutrondetektorerna i härden är fördelade pä fyra niväer, 80%, Su* 40% och 20% av härdens höjd. Härden innehäller ca 80 - 150 stycken neutrondetektorer beroende pä reaktortyp. 504 477 Figur 4 visar en del av härden i ett horisontellt snitt genom en av de fyra niväerna. Bränslepatroner 5 med ett i huvudsak kvadratiskt tvärsnitt är anordnade vertikalt i härden med ett visst avständ frän varandra. Därvid bildas ett rutmönster av vertikalt gäende spalter mellan bränslepatronerna. Snittet innehäller 36 bränslepatroner. Totala antalet bränslepatroner i ett helt tvärsnitt uppgär till flera hundra. Reaktorhärden innefattar ett flertal parallellt med bränslepatronerna i de I de vertikalt gäende spalterna pä avständ frän styrstavarna finns vertikalt gäende spalterna placerade styrstavar 6. ett antal neutrondetektorer 4 anordnade.The neutron detector tube is hollow and contains four equally spaced fixed neutron detectors 4. All neutron detectors in the core are distributed on four levels, 80%, Su * 40% and 20% of the core height. The core contains about 80 - 150 neutron detectors depending on the reactor type. 504 477 Figure 4 shows a part of the core in a horizontal section through one of the four levels. Fuel cartridges 5 with a substantially square cross-section are arranged vertically in the core with a certain distance from each other. This creates a grid pattern of vertically extending gaps between the fuel assemblies. The cut contains 36 fuel assemblies. The total number of fuel assemblies in an entire cross section is several hundred. The reactor core comprises a plurality of neutron detectors 4 arranged in parallel with the fuel assemblies in the control rods 6 located in the vertically extending slots spaced from the control rods.

En metod för att detektera motfassvängningar enligt uppfinningen bygger pä att ett antal fasvärden beräknas motsvarande fasskill- naden mellan signalen frän en referensdetektor och ett antal kontrolldetektorer. Kontrolldetektorerna bör vara belägna pä samma nivä i härden och sä jämnt fördelade som möjligt över härden för att ge bästa täckning. Det största fasvärdet utgör ett mätt pä härdens motfasgrad. En nivä pä motfasgraden kan sättas sä att ett motfaslarm genereras om fasvärdet överstiger ett förutbestämt värde. lämpligt att välja fler än en referensdetektor.A method for detecting counter-phase oscillations according to the invention is based on a number of phase values being calculated corresponding to the phase difference between the signal from a reference detector and a number of control detectors. The control detectors should be located at the same level in the core and as evenly distributed as possible across the core to provide the best coverage. The largest phase value is a measure of the core phase opposite degree. A level of the antiphase degree can be set so that an antiphase alarm is generated if the phase value exceeds a predetermined value. appropriate to select more than one reference detector.

För att erhälla redundans kan det vara I ett första utföringsexempel av uppfinningen utföres följande förfarandesteg: a) Fyra referensdetektorer R1, R2, R3, R4 utväljes. b) Medianfrekvensen fø för alla neutrondetektorer pä en och samma nivä beräknas. c) De neutrondetektorer som har en frekvens inom ett intervall fo i Af utgör kontrolldetektorer K1 - KN. d) Signalerna frän referensdetektorerna och kontrolldetektorerna samplas med 8 Hz under en period av Ss. e) Baserat pä de samplade värdena beräknas fasen för varje referensdetektor och kontrolldetektor. 504 477 f) För var och en av de fyra referensdetektorerna: - beräknas fasskillnaden Awinnællan referensdetektorn och var och en av kontrolldetektorerna och - den största fasskillnaden Awimax plockas ut. g) Om minst tre av de största fasskillnaderna Aoimax är större än ett förutbestämt gränsvärde, t ex 1500, utlöses ett motfaslarm.In order to obtain redundancy, it may be In a first embodiment of the invention, the following method steps are performed: a) Four reference detectors R1, R2, R3, R4 are selected. b) The median frequency fø for all neutron detectors at one and the same level is calculated. c) The neutron detectors which have a frequency within a range fo in Af constitute control detectors K1 - KN. d) The signals from the reference detectors and the control detectors are sampled at 8 Hz for a period of Ss. e) Based on the sampled values, the phase for each reference detector and control detector is calculated. 504 477 f) For each of the four reference detectors: - the phase difference Awinnællan the reference detector is calculated and each of the control detectors and - the largest phase difference Awimax is picked out. g) If at least three of the largest phase differences Aoimax is greater than a predetermined limit value, eg 1500, a counter-phase alarm is triggered.

Förfarandestegen d - g upprepas kontinuerligt under övervakningen.Procedure steps d - g are repeated continuously during the monitoring.

Fasen beräknas med diskret fouriertransform (DFT). É -iwOkT ((1) ): 9 ce o k=l k Am = arg(GR(m0)) - arg(GK(wn)) mo = 2-n-fo ==härdens resonansfrekvens M = antalet samplade mätvärden yk = de samplade mätvärdena T = samplingsintervallet 9k=yk_? _ 1 M . . y=š X yk = medelvärdet för y i intervallet 1..M k=l Fasvardet utgörs av fasskillnaden AQ mellan referensdetektorn och kontrolldetektorn. En nackdel med att använda DFT för att beräkna fasskillnaden är att härdens resonansfrekvens mo mäste vara känd. Om fel frekvens används kan beräkningarna bli felaktiga. Felet minimeras dock genom att välja ut neutron- detektorer i intervallet fo i Af, där Af kan väljas liten. 504 477 I en mera fördelaktig utföringsform av uppfinningen utgörs fasvärdet av en koefficient cl som beräknas med användande av linjär regression mellan referenssignalens amplitud och kontrolldetektorns amplitud. Om de samplade mätvärdena xi fràn referensdetektorn plottas mot de samplade mätvärdena yi fràn kontrolldetektorn kommer kurvans form att variera beroende av fasskillnaden mellan referensdetektorn och kontrolldetektorn.The phase is calculated with a discrete Fourier transform (DFT). É -iwOkT ((1)): 9 ce ok = lk Am = arg (GR (m0)) - arg (GK (wn)) mo = 2-n-fo == the resonant frequency of the hearth M = the number of sampled measured values yk = de sampled the measured values T = the sampling interval 9k = yk_? _ 1 M. . y = š X yk = the mean value of y in the interval 1..M k = l The phase value consists of the phase difference AQ between the reference detector and the control detector. A disadvantage of using DFT to calculate the phase difference is that the resonant frequency of the core must be known. If the wrong frequency is used, the calculations may be incorrect. However, the error is minimized by selecting neutron detectors in the interval fo in Af, where Af can be selected small. In a more advantageous embodiment of the invention, the phase value consists of a coefficient c1 which is calculated using linear regression between the amplitude of the reference signal and the amplitude of the control detector. If the sampled measured values xi from the reference detector are plotted against the sampled measured values yi from the control detector, the shape of the curve will vary depending on the phase difference between the reference detector and the control detector.

Med linjär regression anpassas en linje y = cl-x + cg till nämnda kurva. Riktningskoefficienten cl är dä proportionell mot fasskillnaden. Riktningskoefficienten cl är +l för en kontrolldetektor som svänger i fas och -1 för en kontrolldetektor som svänger i motfas med referensdetektorn.With linear regression, a line y = cl-x + cg is adapted to said curve. The direction coefficient c1 is then proportional to the phase difference. The direction coefficient c1 is +1 for a control detector which oscillates in phase and -1 for a control detector which oscillates in opposite phase with the reference detector.

S cl z .m1 Sxx M l M M M Sxy = EXk-yk - g Xk- yk Sxx = Xxkz k k=1 k=l k=1 AQ = arccos(cl) yk = de samplade mätvärdena fràn referensdetektorn xk = de samplade mätvärdena frän kontrolldetektorn I ett andra utföringsexempel av uppfinningen utföres följande förfarandesteg: a - d är densamma som i det första utföringsexemplet. e) För var och en av de fyra referensdetektorerna: - beräknas riktningskoefficienten cl genom linjärregression mellan referensdetektorn och var och en av kontrolldetektorerna och - den av riktningskoefficienten cl som har den största motfasgraden, dvs som är närmast -1, plockas ut. f) Om minst tre av riktningskoefficienterna med den största motiasgraden är mindre än ett förutbestämt gränsvärde. t ex -0.8, utlöses ett motfaslarm.S cl z .m1 Sxx M l MMM Sxy = EXk-yk - g Xk- yk Sxx = Xxkz kk = 1 k = lk = 1 AQ = arccos (cl) yk = the sampled measured values from the reference detector xk = the sampled measured values from the control detector In a second embodiment of the invention, the following process steps are performed: a - d are the same as in the first embodiment. e) For each of the four reference detectors: - the direction coefficient c1 is calculated by linear regression between the reference detector and each of the control detectors and - the one of the directional coefficient c1 which has the largest degree of opposite phase, ie which is closest to -1, is picked. (f) if at least three of the coefficients of direction with the highest degree of variation are less than a predetermined limit value. eg -0.8, a counter-phase alarm is triggered.

Claims

504 477 10 15 20 25 30 35 The process steps e - f are repeated continuously during the monitoring. Figure 5 shows a block diagram summarizing the two output blocks. In block 9, the detector signals are sampled over a certain time interval and the read measured values yk, xk are saved. In block 10, the phase value Gqn is calculated between the signal from the reference detector i and the signal lead examples. The number of reference detectors is four. from control detector n. The calculation is repeated for all control detectors. N denotes the total number of control detectors. In block ll the calculated phase values are compared with each other to find the largest opposite phase degree Ûimax and in block l3 Öimax is compared with a predetermined limit value ÖQPA. If Qimax is greater than ® @ pA, a variable A is incremented one step in block 14. The procedure is repeated for the other three reference detectors. If at least three of the reference detectors have a degree of antiphase that exceeds the limit value ÖQPA, ie if A> 2, antiphase alarm is triggered, block 15. Figure 6 shows a device for carrying out the method described above. The sampled signals x1 - x4 from the reference detectors R1 - R4 and the sampled signals yl - yn from the control detectors Kl - Kn constitute input signals to a calculation equipment 20. An alarm signal OPA is emitted from the calculation equipment if there is a risk of counter-phase oscillations. The calculation equipment comprises a computer program and is arranged to perform the procedure according to the block diagram in Figure 5. PAT REQUIREMENTS

A method for detecting counter-phase oscillations in a boiling water reactor comprising a plurality of neutron detectors characterized in that a plurality of the neutron detectors are designated as control detectors and at least one neutron detector is designated as the reference detector, after which for each reference detector continuously for each of the control detectors a phase value is calculated corresponding to the difference in phase between the output signal of the reference detector and the output signal of the control detector, and depending on the calculated phase values, incipient opposite phase oscillations are detected according to a predetermined opposite phase criterion.

Method according to claim 1, characterized in that an alarm signal is issued if the counter-phase criterion is met for a certain predetermined number of the reference detectors.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the anti-phase criterion is met if the phase value for any of the control detectors exceeds a predetermined value.

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the phase of the signals from the control detectors and the reference detectors is calculated by discrete Fourier transform (DFT), and the phase values consist of the phase difference between the control detectors and the reference detectors.

Method according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the phase value consists of the direction coefficient (cl) of the straight line (y = cl-x + cg) obtained by linear regression between the output signal (y) of the reference detector and the output signal (X) of the control detector. .

Device for detecting counter-phase oscillations in a boiling water reactor comprising a plurality of neutron detectors characterized in that it comprises - means for calculating for at least one reference detector continuously for each of a plurality of control detectors a phase value corresponding to the difference in phase between the reference detector output signal the output detector of the control detector, and means for detecting incipient counter-phase oscillations according to a predetermined anti-phase criterion and, if the anti-phase criterion is met, depending on the calculated phase values.