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3.6 Die Reaktivitätsbilanz
Im Kapitel 3.5 „Reaktivität und Reaktorperiode“ wurde die Reaktivität als Funktion der Reaktoreigenschaften definiert. Sie gibt bis hier aber noch keine
Auskunft über den Einfluss physikalischer Größen bei Reaktivitätsänderungen und deren Rückwirkungen auf das System.Dies geschieht in der Reaktivitätsbilanz, in der die einzelnen Änderungen dieser Grössen mithilfe von Einzelreaktivitäten zusammengefasst und
gegenübergestellt werden. Durch die Reaktivitätsbilanz muss auch nachgewiesen werden, dass der Reaktor zu jeder Zeit sicher zu fahren und nötigenfalls Abzuschalten ist.Die wesentlichen Einflüsse werden durch folgende Grössen bestimmt: - Konzentration des spaltbaren Materials
- Konzentration der Spaltprodukte und deren Vergiftungseffekte
- Konzentration der abbrennbaren Neutronenabsorber
(Steuer-/Regelstäbe)
- Dichte und Temperatur des Moderators und des Kühlmittels
- Temperatur des Brennstoffes
- Stellung der Steuerstäbe
- Dampfblasengehalt
- Borkonzentration im Kühlmedium (nicht im SWR!) Die Einzelreaktivitäten für die Reaktivitätsbilanz werden beschrieben durch zwei Parameter: - der Reaktivitätskoeffizient Alpha und
- die zeitliche Änderung der betrachteten GrößeDas Produkt dieser beiden Parameter bildet die Einzelreaktivität.
Beispielsweise seinen folgende Einzelreaktivitäten genannt:
Fasst man nun alle Einzelreaktivitäten in einer Summe zusammen, so erhält man die Reaktivitätsbilanz. Für die oben genannten Grössen ergibt sich diese Bilanz in folgender Form:
Die Bilanz ist natürlich nicht vollständig, die Aufstellung einer kompletten Reaktivitätsbilanz unter Beachtung aller Einflussgrößen erfolgt aber analog zur gezeigten.
Beachte: Ergibt diese Bilanz eine Nullsumme so ist das nicht gleichbedeutend damit, daß die Einzelreaktivitäten Null sind, denn die Reaktivitäten wirken teilweise unterschiedlich. Manche steigern, manche mindern die Gesamtreaktivität.
Für einen stationären Zustand im Reaktor ist die Summe Null. Alle Abweichungen von Null bedeuten eine Reaktivitätsänderung und damit gemäss Kapitel 3.4 auch eine Änderung der Leistung bzw. der Anzahl der Kettenreaktionen usw.
Weiterführend sei hinzugefügt:
Die Reaktivitätskoeffizienten hängen im wesentlichen von der Auslegung der Anlage (Reaktorkerngröße, Spaltstoff, Gitterabstand, ...) ab und sind bedeutsam für die Dynamik der Anlage.
Für den Siedewasserreaktor ist neben den temperaturabhängigen Reaktivitäten vor allem der Reaktivitätsbeitrag durch den Dampfblasengehalt im Kühlwasser / Moderator wichtig. Denn er ist abhängig von Kühlmitteldruck und -durchsatz. Bei Druckanstieg wirkt er reaktivitätssteigernd, da als Folge des geringeren Dampfblasengehaltes die Moderation besser und somit die Neutronendichte gesteigert wird.
Im Falle einer Druckabsenkung (z.B. Störfall oder Regeleingriff) nimmt der Dampfblasengehalt zu und die Moderation verschlechtert sich, damit nimmt auch die Neutronendichte ab und so wirkt er reaktivitätsmindernd.
Dieses Verhalten macht es möglich, die Reaktorleistung ohne nennenswerte Verstellung der Steuerstäbe zu verändern. Denn erhöht man den Durchsatz an Kühlmittel im Kern, so steigt der Systemdruck am Kerneintritt.
Folge: Der Dampfblasengehalt nimmt ab, die Neutronendichte nimmt zu, so dass auch die Brennstofftemperatur steigt. Mit der Brennstofftemperatur nimmt auch die Kühlmitteltemperatur wieder zu, der Dampfgehalt steigt und die Moderation wird wieder schlechter, bis die Reaktivität schließlich wieder zu Null geht.
Allerdings hat sie sich dann auf einem höheren Leistungsniveau eingependelt.
Dieses Verhalten ist kein Zufall!
Einige Reaktivitätskoeffizienten sind natürlich, d.h. ihr Wert wird allein durch die Natur bestimmt. So zum Beispiel der Dopplerkoeffizient. Ein Teil der Koeffizienten lässt sich aber gezielt auslegen. Dies macht man z.B. beim Reaktivitätskoeffizienten des Kühlmittels. Ziel der Auslegung ist die „inhärente Sicherheit“ der Anlage, die Inhärenz ist Bestandteil des Sicherheitskonzeptes. Inhärente Sicherheit meint, dass der Reaktor ohne Eingriffe von Außen in der Lage ist, ungewollte Reaktivitätsänderungen (z.B. bei Betriebsstörungen) selbständig zu beherrschen.
