JP2000162365A - 原子炉炉心性能計算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、炉心性能予測計算において、
目標臨界固有値をユーザによる入力値でなく、自動的に
内部計算して設定する炉心性能計算装置を提供すること
にある。 【解決手段】上記目的を達成するために、炉心平均燃焼
度，相対炉心熱出力，炉心平均減速材ボイド率，挿入さ
れる制御棒周りの四体の燃料集合体の制御棒と隣接する
軸方向ノード位置の炉心内相対熱出力で決まる値、及び
炉心平均キセノン濃度を指標として用い、目標臨界固有
値を内部計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉炉心内の臨
界固有値や出力分布等を計算によって監視，予測するた
めの原子炉炉心性能計算装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉の炉心の監視，予測には、炉内中
性子計測器による計数値を利用するとともに、原子炉の
固有値，三次元の出力分布，中性子束分布等の核熱水力
特性を求めるために、物理モデルに基づく三次元炉心シ
ミュレータを備えている。物理モデルとしては、中性子
をエネルギに基づき、高速群，熱外群，熱群等に分類
し、各群の中性子束の従う拡散方程式を導出後、一群化
した修正一群拡散方程式を解く核計算モデルが良く用い
られる。

【０００３】この拡散方程式は、一つの燃料集合体を一
格子とし、軸方向に十数ノードから二十数ノードに分
割，離散化されて解かれるのが、一般的である。核計算
モデルでは、減速材ボイド率，燃焼度，制御棒の有無等
により整理された核定数を使用する。一般に、この核定
数は、各燃料集合体の境界において鏡面反射していると
した無限体系で計算される。

【０００４】原子炉を安全かつ効率良く運転するために
は、炉内出力分布等を正確に監視，把握するとともに、
運転操作に伴う出力分布等の変化を事前に予測すること
が重要である。炉心性能予測計算とは、制御棒の操作，
炉心流量の調整等の将来の運転に対して、出力分布，燃
料集合体の熱的余裕等の炉心特性を、三次元炉心シミュ
レータを用いて予測するものである。

【０００５】臨界固有値は、本来１.０ で一定なはずで
あるが、中性子の拡散方程式に修正一群拡散方程式を用
いていること、核定数を無限体系で計算していること等
に起因する三次元炉心シミュレータの誤差により、臨界
固有値は１.０ にならず、運転を通して１.０ の近傍で
推移する。

【０００６】炉心性能予測計算には、ある運転操作後の
炉心特性を求める機能が備わっている。一般に、この予
測計算は、炉心熱出力，炉心流量，制御棒パターン，予
測日時等のパラメータを用いて行われる。またこのと
き、ユーザが、目標臨界固有値を過去の原子炉の運転実
績追跡解析に基づいて値を設定し、入力する。

【０００７】炉心性能予測計算に関する従来技術として
は、特開平7−209473 号公報に、臨界となる状態の試行
計算において、初期の原子炉の核特性，熱水力特性の繰
り返し計算過程で得られた固有値を格納し、得られた繰
り返し計算途中の固有値をもとに、固有値の最終収束値
を計算し、固有値の最終収束値を導出するのに必要な前
記繰り返し計算数を低減し、炉心性能予測計算に要する
計算時間を短縮する技術が記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】予測計算においては、
炉心の固有値が、炉心が臨界であることを示す臨界固有
値に収束するまで繰り返し計算が行われることで、炉心
性能が予測される。従来、このとき用いられる臨界固有
値はユーザによる入力値とされていた。このユーザの設
定する目標臨界固有値は、過去の運転実績データからユ
ーザが決定するものであり、予測計算の内部で自動計算
され、設定されるものではなかった。

【０００９】本発明の目的は、炉心性能予測計算におい
て、目標臨界固有値をユーザによる入力値でなく、自動
的に内部計算して設定する炉心性能計算装置を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、炉心平均燃焼度，相対炉心熱出力，炉心平均減速材
ボイド率，挿入される制御棒周りの四体の燃料集合体の
制御棒と隣接する軸方向ノード位置の炉心内相対熱出力
で決定される値、及び、炉心平均キセノン濃度を指標と
して用い、目標臨界固有値を内部計算する。

【００１１】

【発明の実施の形態】目標臨界固有値の設定に用いる指
標は、運転操作（炉心流量操作，炉心熱出力操作，制御
棒操作等）による炉心状態の変化を良く表現するもので
ある必要がある。以下に本発明で用いた指標の炉心状態
との関連について述べる。

【００１２】まず、炉心平均燃焼度について述べる。予
測計算において、予測開始点と予測対象点の間には、必
ず時間経過が存在するため、炉心平均燃焼度に違いが生
じる。この燃焼度変化は、燃料集合体の物質組成に影響
を与える。そして、この物質組成は、炉心内で発生する
核分裂反応の種類または中性子束分布等に影響を与え、
固有値に影響を与える。

【００１３】次に、炉心平均減速材ボイド率について説
明する。主に、炉心流量操作後、または、制御棒操作に
より炉心熱出力が変化した場合、減速材ボイド率は変化
する。減速材ボイド率が変化すると、核分裂反応を起こ
すのに適当なエネルギの中性子の数が変化するため、炉
心の固有値は影響を受ける。

【００１４】次に、相対炉心熱出力について説明する。
相対炉心熱出力は、原子炉の熱出力を定格熱出力との相
対値で示すものである。この相対炉心熱出力の変化は、
燃料集合体の温度変化を伴う。燃料集合体の温度変化
は、燃料集合体内で生じる共鳴吸収によって吸収される
中性子数に影響を与え、炉心の固有値に影響を与える。
次に、挿入される制御棒周りの四体の燃料集合体の制御
棒と隣接する軸方向ノード位置の炉心内相対熱出力で決
定される値について説明する。制御棒の挿入される箇所
に変更がなく、挿入されている制御棒の深さのみを調整
する操作は、一般に、短時間に炉心流量の変化なく行わ
れる。このため、上述の指標（炉心平均燃焼度，炉心平
均減速材ボイド率，炉心熱出力）において、このような
制御棒深さ調整では、変化が小さい。

【００１５】制御棒操作に伴う変化は、図２に示す挿入
される制御棒１０を囲む四体の燃料集合体１１の制御棒
と隣接する軸方向ノード位置の炉心相対熱出力において
現れる。したがって、挿入される制御棒１０を囲む四体
の燃料集合体１１の制御棒と隣接する軸方向ノード位置
の炉心相対熱出力変化を基にした値を指標とすれば、短
時間に炉心流量の変化がなく、かつ制御棒が挿入される
箇所に変化のない制御棒深さ調整においても、制御棒深
さ調整前後で変化が生じる。制御棒の挿入は、炉心内に
存在する熱中性子数に影響を与え、炉心の固有値に影響
を与える。

【００１６】次に、炉心平均キセノン濃度について説明
する。原子炉の出力が変化すると、中性子束に変化が生
じるため、炉心内のキセノンの生成及び消滅量に変化が
生じる。キセノンは、熱中性子吸収断面積が大きいた
め、炉心平均キセノン濃度の変化は炉心の固有値に影響
を与える。

【００１７】原子炉炉心性能計算装置には、上述の指標
の変化に伴う固有値の変化を評価する係数及び式等を、
原子炉の運転実績追跡解析の結果より求めて、予め格納
しておく。そして、予測計算において、上述の指標の変
化に応じて、変化する固有値量を求め、目標臨界固有値
を内部計算する。

【００１８】次に、図１を用いて、本発明の原子炉炉心
性能計算装置を説明する。図１において、１は原子炉炉
心性能計算装置、２は入力処理部、３は三次元炉心計算
部、４は炉心性能実績データ格納部、５は目標臨界固有
値計算部、６は目標臨界固有値計算用データベース、７
は原子炉、８は炉心、９は炉内中性子計測器を示す。炉
心性能監視計算においては、原子炉７から制御棒挿入パ
ターン，炉心流量等、炉内中性子計測器９から炉内中性
子束分布の情報が入力処理部２に取り込まれ、三次元炉
心計算部３で炉心性能が計算され、炉心性能実績データ
が炉心性能実績データ格納部４に格納される。

【００１９】一方、炉心性能予測計算においては、ユー
ザが、予測計算に必要なパラメータ（炉心熱出力，炉心
流量，制御棒パターン，予測日時等）を入力処理部２に
入力し、三次元炉心計算部３で三次元炉心計算を行い、
その結果と炉心性能実績データ格納部４に格納されてい
る予測開始点の炉心性能実績データを基に、目標臨界固
有値計算用データベース６からのデータを用いて、目標
臨界固有値計算部５で目標臨界固有値を計算する。

【００２０】図４に、本発明の予測計算のフローチャー
トを示す。炉心性能予測計算では、まず、予測計算に必
要なパラメータ（炉心熱出力，炉心流量，制御棒パター
ン，予測日時等）の設定を行う。このとき、予測したい
パラメータについては、推定値を設定する。その後、三
次元炉心シミュレータにより三次元炉心計算を行い、出
力分布と固有値を計算する。この計算は、出力分布が中
性子束分布と矛盾しない分布となるまで繰り返し、収束
計算が行われる。そして、収束した炉心状態に基づき、
前述の指標により目標臨界固有値を内部計算し、設定す
る。

【００２１】そして、出力分布が収束したときの三次元
シミュレータによる固有値と、出力分布が収束した炉心
状態に基づき内部計算された目標臨界固有値が一致して
いるか判別し、所定の範囲内で一致する場合は計算終了
となり、所定の範囲内で一致しない場合は目標臨界固有
値と固有値との差に基づき、求めたいパラメータを再設
定して、一連の計算を繰り返す。この繰り返し計算の過
程で、内部計算される目標臨界固有値の値は更新されて
いく。

【００２２】炉心平均燃焼度変化量に対応する固有値変
化量Ａは、次式１で定義する。

【００２３】

【数１】Ａ＝ＦＡ(Ｅ２)−ＦＡ（Ｅ１) ここで、Ｅ２は予測対象点の炉心平均燃焼度、Ｅ１は予
測開始点の炉心平均燃焼度、ＦＡ（Ｅ）は炉心平均燃焼
度Ｅにおける固有値の想定値を表わす。ここに示すＦＡ
の値は、燃焼点毎に整理された形式で、目標臨界固有値
計算用データベース６に格納されている。

【００２４】相対炉心熱出力，炉心平均減速材ボイド率
の変化に対応する固有値変化量Ｂは式２で定義される。

【００２５】

【数２】Ｂ＝ＦＢ(Ｐ２，Ｖ２)−ＦＢ(Ｐ１，Ｖ１) ここで、Ｐ１は予測開始点の相対炉心熱出力、Ｐ２は予
測対象点の相対炉心熱出力、Ｖ１は予測開始点の炉心平
均減速材ボイド率、Ｖ２は予測対象点の炉心平均減速材
ボイド率を示し、ＦＢ(Ｐ，Ｖ)は、相対熱出力Ｐ，炉心
平均減速材ボイド率Ｖにおける固有値の相対値を示し、
本実施例では、次式３で定義した。

【００２６】

【数３】 ＦＢ(Ｐ，Ｖ)＝Ｐ＊(ＦＶ(１)＊Ｖ＋ＦＶ(２)＊Ｖ＊Ｖ) ＦＶ(１)，ＦＶ(２)は、相対炉心熱出力，炉心平均減速
材ボイド率と臨界固有値の相関係数を表わし、目標臨界
固有値計算用データベース６に格納されている。

【００２７】挿入される制御棒を囲む四体の燃料集合体
の制御棒と隣接する軸方向ノード位置の炉心内相対熱出
力の変化に対する固有値変化量Ｃは次式４で定義する。

【００２８】

【数４】Ｃ＝ＦＣ(Ｒ２)−ＦＣ(Ｒ１) ここで、Ｒ１は予測開始点における挿入される制御棒を
囲む四体の燃料集合体の制御棒と隣接する軸方向ノード
位置の炉心内相対熱出力に基づき算出される値、Ｒ２は
予測対象点におけると隣接する軸方向ノード位置の炉心
内相対熱出力に基づき算出される値、ＦＣ(Ｒ)は挿入さ
れる制御棒を囲む四体の燃料集合体の制御棒と隣接する
軸方向ノード位置の炉心内相対熱出力に基づき算出され
る値Ｒにおける固有値を表わす。ＦＣ(Ｒ)の値は、目標
臨界固有値計算用データベース６に格納されている。

【００２９】炉心平均キセノン濃度の変化に対する固有
値変化量Ｄは、次式５で定義する。

【００３０】

【数５】Ｄ＝ＦＸ(Ｘ２)−ＦＸ(Ｘ１) ここで、Ｘ２は予測対象点の炉心平均キセノン濃度、Ｘ
１は予測開始点の炉心平均キセノン濃度、ＦＸ(Ｘ)は、
炉心平均キセノン濃度Ｘにおける固有値の想定値を表わ
す。ここに示すＦＸの値は、目標臨界固有値計算用デー
タベース６に格納されている。

【００３１】予測対象点の目標臨界固有値は、上述した
各指標の変化により、次式６で内部計算される。

【００３２】

【数６】Ｋ２＝Ｋ１＋Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ ここで、Ｋ２は予測対象点で内部計算される目標臨界固
有値、Ｋ１は予測開始点の臨界固有値、Ａは炉心平均燃
焼度変化に対する固有値変化量、Ｂは炉心熱出力と炉心
平均ボイド率の変化に対する固有値変化量、Ｃは挿入さ
れる制御棒を囲む四体の燃料集合体の制御棒と隣接する
軸方向ノード位置の炉心内相対熱出力に基づき算出され
る変化に対する固有値変化量、Ｄは炉心平均キセノン濃
度の変化に対する固有値変化量を表わす。

【００３３】図３に、本発明の効果を示す。図３は、横
軸が時間、縦軸が臨界固有値を示し、実線が運転実績追
跡解析による臨界固有値、一点鎖線が本発明により内部
計算された目標臨界固有値を示す。両者は良く一致して
おり、ユーザが目標臨界固有値を入力することなくて
も、予測計算を精度良く行うことができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、炉心状態を表わす指標
を用いて、目標臨界固有値の内部計算を行い、炉心性能
予測計算を精度良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原子炉炉心性能計算装置のブロック
図。

【図２】挿入される制御棒とそれを囲む四体の燃料集合
体を示す図。

【図３】本発明の効果を示す内部計算された目標臨界固
有値の特性図。

【図４】本発明の予測計算におけるフローチャート。

【符号の説明】

１…原子炉炉心性能計算装置、２…入力処理部、３…三
次元炉心計算部、４…炉心性能実績データ格納部、５…
目標臨界固有値計算部、６…目標臨界固有値計算用デー
タベース、７…原子炉、８…炉心、９…炉内中性子計測
器、１０…制御棒、１１…制御棒１０を囲む四体の燃料
集合体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 光也 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 木間 暁 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 白神 久之 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 2G075 AA03 BA03 BA16 CA08 DA01 DA02 FA19 FA20 FB07 FC06 GA21

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉の炉心性能を予測する炉心性能予測
   計算において、炉心状態を表現する指標を用いて目標臨
   界固有値を内部計算して設定することを特徴とする原子
   炉炉心性能計算装置。
2. 【請求項２】原子炉の炉心性能を予測する炉心性能予測
   計算において、炉心性能予測計算の結果として算出され
   るパラメータを用いて目標臨界固有値を内部計算して設
   定し、炉心性能予測計算で繰り返される収束計算の過程
   において、前記目標臨界固有値が更新されていくことを
   特徴とする原子炉炉心性能計算装置。
3. 【請求項３】原子炉の炉心性能を予測する炉心性能予測
   計算において、挿入される制御棒を囲む四体の燃料集合
   体の制御棒と隣接する軸方向ノード位置の炉心内相対熱
   出力の変化に基づく値を用いて、目標臨界固有値を内部
   計算して設定することを特徴とする原子炉炉心性能計算
   装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の原子炉炉心性能計算装置
   において、目標臨界固有値を内部計算して設定する際に
   用いる炉心状態を表現する指標を複数個用いることを特
   徴とする原子炉炉心性能計算装置。
5. 【請求項５】請求項２または４に記載の原子炉炉心性能
   計算装置において、目標臨界固有値を内部計算して設定
   する際に用いる炉心状態を表現する指標に、炉心平均燃
   焼度，相対炉心熱出力，炉心平均減速材ボイド率，炉心
   平均キセノン濃度を用いることを特徴とする原子炉炉心
   性能計算装置。
6. 【請求項６】請求項５に記載の原子炉炉心性能計算装置
   において、目標臨界固有値を内部計算して設定する際
   に、挿入される制御棒を囲む四体の燃料集合体の制御棒
   と隣接する軸方向ノード位置の炉心内相対熱出力に基づ
   く値を用いることを特徴とする原子炉炉心性能計算装
   置。