JP2004233363A - 原子炉の性能を改善する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 原子炉の性能を改善する方法を提供する。
【解決手段】 本発明による方法は、識別された各々の問題に対処する制約条件を含んだ目的関数を使用して原子炉のための運転ソリューションを作成し（Ｓ２）、制約条件を表す数式を開発する（Ｓ３）。次にこの制約条件は、炉心運転を最適化する際に使用される目的関数内に組み入れられる（Ｓ４）。新しい目的関数を決定し終えるか又は現存する目的関数を修正し終えたら、原子炉炉心を運転するための新たなモデルが開発される（Ｓ５）。次に炉心は、作成された運転ソリューションに従って一定期間運転される（Ｓ６）。炉心のこの更なる運転に基づいて、炉心運転に関する新たなデータが取得される（Ｓ７）。即ち、制約条件及び／又は目的関数は、新たに開発された運転データに照らして更に修正されることができる。
【選択図】 図４

Description

図１は、従来の沸騰水型原子炉を示す。図に示すように、ジェットポンプ１１０が、格納容器１１４内に収納された原子炉容器１１２に水を供給する。原子炉容器１１２の炉心１１６は、図２に関して以下に詳述するような多数の燃料バンドルを含む。炉心１１６内の燃料バンドルにおいて起きる制御された核分裂が熱を発生させ、この熱が次ぎに、供給された水を蒸気に変える。この蒸気は、原子炉容器からタービン１１８に供給され、該タービン１１８が発電機１２０を駆動する。かくして発電機１２０は、電気エネルギーを出力する。タービン１１８に供給された蒸気は、復水器１２２において該蒸気が凝縮されて水に戻され、復水された蒸気がジェットポンプ１１０に再び供給されることにより再循環される。

図２は、原子炉容器１１２の炉心１１６内の燃料バンドルを示す。典型的な炉心は、これらのバンドルＢを大体２００から９００本含むことになる。図２に示すように、バンドルＢは、複数の燃料棒１００を囲む外側チャンネルＣを含み、これら複数の燃料棒１００は、それぞれ上部タイプレートＵと下部タイプレートＬとの間で互いにほぼ平行に延び、かつ図３に示すように、燃料棒のほぼ直線マトリックスを形成する。チャンネルＣ内で燃料棒の長さに沿って垂直方向に互いに間隔をおいて配置された複数のスペーサＳにより、燃料棒１００は、互いに横方向に間隔をおいた状態で維持される。図３を参照すると、ここには燃料チャンネルＣにより囲まれた燃料棒１００のアレイ、即ちこの例においては、１０ｘ１０のアレイが示されている。燃料棒１００は、互いに直交し合う列で配置され、更に１つ又は２つのウォータロッドを囲んでおり、図には２つのウォータロッド１３０が示されている。燃料バンドルＢは、従来と同様に制御棒１３２の四分区域内に配置される。燃料バンドルは、典型的には制御棒１３２の各々の四分区域内に配置されることが理解されるであろう。バンドルＢの間を制御棒１３２が上方へ動くことにより、この制御棒１３２と関係したバンドルＢ内で起る反応度の大きさが調整される。

図１に示すような沸騰水型原子炉は、典型的には１年、１年半、又は２年のサイクルで運転される。具体的には、原子炉の炉心は、新たな炉心と取り換えられるまでのサイクルの間、ウランのメートルトン当たりのギガワット日（ＧＷＤ／ＭＴＵ）の単位で測定される一定量のエネルギーを発生するように設計される。典型的には炉心設計は、制約条件付き最適化問題を伴っており、この問題において、エネルギー出力を最大化する可能な限り最良のソリューションが、様々な周知のアルゴリズムに従って開発される。

即ち、そのような問題に対するソリューションは、典型的には数学的探索アルゴリズムを必要とし、アルゴリズムを多数回反復する間に連続的に改善されたソリューションが得られる。提案されたソリューションとして考えることができる各々の反復は、目的関数の改善をもたらす。目的関数は、提案されたソリューションのパラメータ値を入力として有する数式である。典型的には、目的関数は、解決すべき問題の制約条件と最大化／最少化される１つ又はそれ以上のパラメータとを表した１つ又はそれ以上の数式を含む。目的関数は、提案されたソリューションのための評価点数を生成する。目的関数値の比較は、或るソリューションの他のソリューションに対する相対的強さについての尺度を提供する。多数の探索アルゴリズムが存在しており、それらは、例えば（１）特定の問題に対する制御変数が修正される方式において、（２）改善プロセス中にソリューションの母集団又は単一ソリューションが追跡されるか否かにおいて、及び（３）収束評価のための方法において、互いに異なっている。しかしながら、これらの探索アルゴリズムは、収束経路を決定する点においては目的関数の結果に依存する。

サイクル開始（ＢＯＣ）時に、炉心設計は運転状態にされる。一般的に、実際の原子炉性能が、炉心設計作成時にモデル化された性能からずれることはよくあることである。従って、サイクル終了（ＥＯＣ）まで原子炉の性能を維持するために、運転モデルに基づいた調整が頻繁に行われる。

プラント運転中に生じるそのような調整を必要とする問題の幾つかは、以下に従い分類することができる。

（１）原子炉運転に特定の変更を必要とすると共に付加的制約条件を課す必要がある可能性がある燃料又はシステム構成部品の機械的劣化。

（２）原子炉運転に付加的抑制を必要とするほど十分に大きい、予測プラント運転パラメータの見込み測定プラント運転パラメータに対する偏差。

分類（１）の中で、以下の事項が近年発生した例示的な事例である。

（１ａ）漏れ燃料棒
この場合、破断燃料棒を示すオフガスが検出される。この場合のオフガスの放出は、燃料棒内の局所的出力の作用であるから、オフガスを減少させるために、疑わしい燃料棒を囲む区域内に制御ブレードが挿入される。標準的な運転操作は、漏れ燃料棒の直近部位及びその燃料棒を直接囲んでいる疑わしい部位内に制御ブレードを十分に挿入することである。そのような行動の結果、サイクルエネルギーのペナルティ（損失）を伴った状態で、残りのサイクル期間中、出力が抑制される。

（１ｂ）燃料バッチ腐食
燃料検査の結果、一度燃焼された高反応性燃料の特定のバッチが、グループ内の多数のバンドルにわたって広がった加速的な腐食を示す。現行の対策は、プラント停止を延長して、使用済み燃料プールから取り出した燃料又は新しい燃料で問題の燃料バンドルを置き換えることであろう。これとは別に、問題のバンドルを炉心周辺部のような低出力の「温和な」炉心部位へ移し換えるだけでもよいであろう。いずれの場合も、新たな装填パターンが作成され認可される必要があり、これは、費用がかかると共にプラントの始動が遅くなるおそれがある。前者の場合、新しいバンドルを使用することによって付加的な費用を招き、一方後者の場合、周辺部への移し換えにより大きなエネルギー損失を招くことになる。

（１ｃ）ジェットポンプ故障による流量低下
この場合、原子炉のフロー能力（即ち、定格流量を維持する能力）は、ジェットポンプ駆動フローノズル内におけるクラッド沈着物の堆積によって、時の経過と共に低下することが予想される。そのようなクラッドを除去するためにジェットポンプを「清掃」することは費用がかかる（１サイクル当たり約４００万ドル）作業であるから、燃料サイクルの経済的損失が過度に大きくない場合には、幾分かの流量低下を許す効用を選んでもよい。過去のデータに基づく流量低下の速さは、一定の速度であると推定される。しかしながら、この推定の不確実性はかなり高いことも知られている。

（１ｄ）蒸気分離器の劣化
この場合、炉心の或る「高温」域内における蒸気発生の増大により、蒸気分離効率（即ち、蒸気／水混合物から液体状の水を除去する能力）が低下する。その結果、より大量の液体が分離器及び蒸気管を通ってタービンブレードへ運ばれる（タービンブレードに衝突する液体は、ブレードを腐食させるおそれがある）。この状態は、出力増大中に最も起こり易い（分離器は特定の蒸気／液体流量に見合う「サイズ」にされているので）。これに対するソリューションは、この分離器を、より高度な蒸気特性を取り扱う上で一層効率の良い「改良型」分離器で置き換えることである。

分類（２)に関しては、以下の２つが例示的な事例である。

（２ａ）熱限界
過去の運転データは、運転サイクル内の一定期間中における原子炉の測定された局所的出力が、予測された局所的出力より大きいことを示している。この偏差の故に、プラントは、熱限界に関する制約条件に違反する危険性がある。熱限界は、核熱エネルギー発生及び散逸に関係した幾つかの設計制約条件のうちの１つであって、この制約条件が核燃料棒の健全性を保護する。規制要件を満たすために、測定された局所的出力の制約限界違反が排除されるまで、プラントは、総出力レベルを強制的に低下させられることになる。この低下された出力レベルは、燃料減損によるか又は制御ブレード及び流量操作によるかのいずれかによって、プラントを全出力運転に戻すために利用できる十分なマージンが得られるまで維持されなくてはならないことになる。この種の出力低下は、僅か数パーセントに過ぎないとしても、経済的には大きなマイナスの影響をプラントに与える。

（２ｂ）過去の運転経験を超える運転
通常予想される長さを超える延長されたサイクル長さは、予測データ及び実測データ間の偏りが十分に立証されていないような運転領域内に原子炉を置くことになる。更に、その時点で測定が行われることになる運転停止の直前までの運転サイクル中には、何らの測定値も利用できなくなることになる。その一例は冷温停止マージンであって、これは、制御棒が完全挿入された停止状態中に、自続核連鎖反応を行う状態から原子炉がどれほど離れた状態にあるかを示す尺度である。この状況においては、設計段階における制約限界値に付加的な抑制を加える必要がある。この付加的抑制は、より効率の低い燃料サイクル設計をもたらす可能性がある。
特開２００１−２６４４７８公報

本発明は、原子炉性能を改善する方法を提供する。原子炉の運転に調整を必要とする問題が、プラント運転中に発生することがあり得る。これらの問題は、その性質が機械的なもの、プラント運転管理において用いられる運転モデルからの偏差、及びその他である可能性がある。

本発明の方法によると、これらの問題は、制約条件としてモデル化され、そのような制約条件に対処する新たな運転ソリューションが作成される。新たに作成された運転ソリューションは、次に原子炉において実行されることができる。

そのような制約条件に対処する運転ソリューションを作成する際に、本発明の実施形態は、原子炉の運転を最適化するための現存する目的関数を、発生した問題に対処する制約条件を含むように修正すること、又は発生した問題に対処する制約条件を含んだ、原子炉の運転を最適化するための新たな目的関数を構成することを含む。次に、修正された目的関数又は新たに構成された目的関数を使用して、運転ソリューションが作成される。

本発明の別の実施形態においては、新たに作成された運転ソリューションに従って炉心を運転した後にデータが取得され、このデータが、解決すべき問題に対処する制約条件及び／又はその制約条件を含んだ目的関数を更に修正するために使用される。このように更新又は修正された目的関数を使用して運転ソリューションを作成し直すことによって、この運転ソリューションが実行された時、運転性能は更に改善されることになる。

本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面から一層十分に理解されるようになるであろう。添付図面は、例示のために示したに過ぎず、従って本発明を限定するものではない。なお添付図面においては、同様な要素が、同じ参照符号によって表されている。

図４は、本発明の実施形態による、原子炉性能を改善する方法のフローチャートを示す。図に示すように、ステップＳ２において、問題が識別される。例えば問題は、燃料又はシステム構成部品の機械的劣化であるかもしれないし、又は予測プラント運転パラメータの見込み測定プラント運転パラメータに対する偏差かもしれない。前に述べたように、機械的劣化の例には、漏れ燃料棒、燃料バッチ腐食、ジェットポンプノズル内でのクラッド堆積による流量低下、蒸気分離器の劣化、及びその他が含まれる。予測プラント運転パラメータの見込み測定プラント運転パラメータに対する偏差が原子炉の運転に付加的抑制を必要とするほど重大な大きさに達した場合の例には、測定熱限界データと予測熱限界データとの差、原子炉の過去の運転経験を超えた運転、及びその他が含まれる。

解決すべき１つ又は複数の問題を識別し終えたら、本発明による方法は、識別された各々の問題に対処する制約条件を含んだ目的関数を使用して原子炉のための運転ソリューションを作成するステップと、次にこの運転ソリューションを実行するステップとを含む。従ってステップＳ３において、識別された問題に対処するための制約条件が開発される。即ち、制約条件を表す数式が、開発される。次にステップＳ４において、この制約条件は、炉心運転を最適化する際に使用される目的関数内に組み入れられる。これとは別に、解決すべき問題を表した制約条件の開発は、炉心運転を最適化するための新しい目的関数を開発する作業の一部分として構成されることもできる。

そのいずれもが解決すべき問題を表す制約条件を含んでいる、新しい目的関数を決定し終えるか又は現存する目的関数を修正し終えたら、ステップＳ５において、新たな運転ソリューションが開発される。より具体的には、原子炉炉心を運転するための新たなモデルが、ステップＳ５において開発される。

次にステップＳ６において、炉心は、作成された運転ソリューションに従って一定期間運転される。炉心のこの更なる運転に基づいて、ステップＳ７において、炉心運転に関する新たなデータが取得され、ステップＳ３において始まる上記プロセスをこの新たなデータに基づいて反復することができる。即ち、制約条件及び／又は目的関数は、新たに開発された運転データに照らして更に修正されることができる。

従って、次に目的関数及び制約条件の開発について説明し、その後に目的関数に基づいて運転ソリューションを作成する方法について説明する。

一般目的関数及び制約条件の開発（ステップＳ３）
離散的又は連続的空間における任意の大規模な組合せ最適化問題（例えば、沸騰水型原子炉の炉心設計、加圧水型原子炉の炉心設計、搬送計画、資源配分、及びその他）のような広範な種々の制約条件及び最適化問題に適用可能な目的関数の一般定義は、下記の式で示される。一般目的関数は、クレジット成分とペナルティ成分の和として定義される。ペナルティ成分は、関係したペナルティ重みを乗算したペナルティ項を含む。クレジット成分は、関係したクレジット重みを乗算したクレジット項を含む。クレジット項は、問題のための最適性条件を表す。ペナルティ項は、問題のための制約条件を表す。各々のクレジット項は、最適性条件を定量化する数式である。各々のペナルティ項は、制約条件を定量化する数式である。これは数学的には次のように表現できる。

ここで、

である。

クレジット項及びペナルティ項は、最大値（即ち、上限値）又は最小値（即ち、下限値）によって定義されることができ、かつスカラ又は多次元値を表すことができる。必要なことは、（１）ペナルティ項は制約条件違反に対しては正、さもなければゼロでなくてはならず、また（２）制約条件違反がない場合には、クレジット項は最小化問題と一致するということだけである。従って、修正された目的関数を最小化することは、最適化問題を解決することになる。

クレジット項又はペナルティ項の形式は、それに限定するのではないが、次のものを含む。
データアレイ内の最大値、
データアレイ内の最小値、
データアレイ内の平均値、
データアレイ内の積分値、
そのような最大値に違反する要素に限定された、データアレイの要素値と対応する制約限界値との間の計算された差の最大値、
そのような最小値に違反する要素に限定された、データアレイの要素値と対応する制約限界値との間の計算された差の最小値、
そのような平均値に違反する要素に限定された、データアレイの要素値と対応する制約限界値との間の計算された差の平均値、及び
そのような積分値に違反する要素に限定された、データアレイの要素値と対応する制約限界値との間の計算された差の積分値。

目的関数を実行するための一般アーキテクチャ
図５は、本発明による、提案されたソリューションを評価する方法を実行するためのアーキテクチャの実施形態を示す。図に示すように、サーバ１０は、プロセッサ１４に接続されたグラフィカルユーザインターフェース１２を含む。プロセッサ１４は、メモリ１６に接続される。サーバ１０は、ユーザ入力装置１８（例えば、ディスプレイ、キーボード、及びマウス）により直接アクセス可能である。サーバ１０はまた、それぞれイントラネット２０及びインターネット２４を介してコンピュータ２２及び２６によってもアクセス可能である。図５に示すアーキテクチャの動作については、以下に詳しく説明する。

最適化問題のための目的関数の構成（ステップＳ４、又はステップＳ３及びＳ４を組合せたステップ）
１つの実施形態によると、上に述べた一般定義を満たすように構成された目的関数は、既にサーバ１０のメモリ１６内に記憶されている。例えば、構成済み目的関数は、以下に述べる実施形態のうちの１つに従って構成されたものとすることができる。この実施形態においては、ユーザは、サーバ１０に対してメモリ１６内に記憶された構成済み目的関数のリストを提供するように命令し、かつリストに含まれた構成済み目的関数のうちの１つを使用するようにサーバ１０に命令する。

別の実施形態においては、ユーザは、入力装置１８、コンピュータ２２又はコンピュータ２６によって、グラフィカルユーザインターフェース１２を介してサーバ１０にアクセスする。ユーザは、上に述べた一般定義の定義を満たす構成済み目的関数をサーバ１０に供給する。この実施形態においては、ユーザは、数式を表す任意の周知のプログラミング言語又はプログラムを使用して、構成済み目的関数を供給する。具体的には、ユーザは、構成済み目的関数を含むファイルをアップロードするように、グラフィカルユーザインターフェース１２を介してプロセッサ１４に命令する。次ぎにプロセッサ１４は、そのファイルをアップロードして、このファイルをメモリ１６内に記憶する。

また、上記２つの実施形態の組合せも使用することができる。即ち、メモリ１６内に記憶された構成済み目的関数は、アクセスされ、次いで例えばユーザによってアップロードされた付加的制約条件を含むように修正されることができる。

更に別の実施形態においては、目的関数は、ユーザとサーバ１０との間で対話的に構成される。この場合、ユーザは、目的関数を構成するための処理を開始するようプロセッサ１４に命令する。次ぎにプロセッサ１４は、クレジット成分の数及びペナルティ成分の数を特定するようにユーザに要求する。各々のクレジット成分に対して、プロセッサ１４は、ユーザがクレジット項のための数式及び関係したクレジット重みのための初期重みを提供することを要求する。各々のペナルティ成分について、プロセッサ１４は、ユーザがペナルティ項のための数式及び関係したペナルティ重みのための初期重みを提供することを要求する。数式を供給される際に、プロセッサ１４は、グラフィカルユーザインターフェース１２を介して、任意の周知のプログラミング言語又はプログラムに従って、数式の定義を受け入れる。

この場合もまた、記憶された構成済み目的関数は、ユーザによってアクセスされ、次いで識別された問題に対処する制約条件を含むように、前の実施形態において説明したのと同様に修正されることができる。

別の実施形態においては、サーバ１０は、特定の制約条件又は最適化ベースの問題に対して使用されるように事前プログラムされる。この実施形態においては、サーバ１０は、特定の最適化又は制約条件問題と関係した、可能性のある最適化パラメータ及び可能性のある制約条件パラメータを記憶している。ユーザが、目的関数を構成するようにグラフィカルユーザインターフェース１２を介してプロセッサ１４に命令した時、プロセッサ１４は、メモリ１６内に既に記憶されている、可能性のある最適化パラメータにアクセスして、最適化のための１つ又はそれ以上の最適化パラメータを選ぶ選択権をユーザに提供する。このようにして、ユーザは、識別された問題に対処する制約条件を含ませることができ、又はそのような制約条件を含ませるように現存する構成済み目的関数を修正することができる。

図６は、この実施形態による、沸騰水型原子炉の炉心設計の最適化問題に関係した１つ又はそれ以上の最適化パラメータを選ぶ際に使用される、最適化構成ページの一画面を示す。図に示すように、最適化パラメータ４０は、制御棒パターンを最適化し、炉心流量を最適化し、かつシーケンス間隔を最適化し、ユーザによる最適化パラメータとしての選択に利用可能である。制御棒パターンを最適化するとは、原子炉を制御するために所定のシーケンスが使用されている場合の運転サイクル中の期間、制御棒グループ内における個々の制御棒挿入位置（シーケンスと呼ばれる）を最適に決定することを意味する。制御棒位置は、局所的な出力及び核反応速度に影響を与える。炉心流量を最適化するとは、運転サイクル中に原子炉を通って流れる原子炉冷却媒体の流量を時間の関数として最適に決定することを意味する。流量は、原子炉全体の出力及び核反応速度に影響を与える。シーケンス間隔を最適化するとは、運転サイクル中に原子炉を制御するために使用される所定のシーケンス（即ち、制御棒グルーピング）の持続時間を最適に決定することを意味する。シーケンス間隔は、局所的な出力及び核反応速度に影響を与える。

それぞれがディスプレイとコンピュータマウスとを含むデータ入力装置１８、コンピュータ２２、又はコンピュータ２６を使用して、最適化パラメータ４０に関係した選択ボックス４２内をクリックすることにより、ユーザは、１つ又はそれ以上の最適化パラメータを選択する。選択された時、選択された最適化パラメータの選択ボックス４２内にチェック印が現れる。再度その選択ボックス４２内をクリックすると、その最適化パラメータの選択が解除される。

メモリ１６はまた、最適化問題に関係した制約条件パラメータも記憶している。制約条件パラメータは、１つ又は複数の制約条件を満たさねばならない又は満たすべき最適化問題のパラメータである。図７は、本発明のこの実施形態による、沸騰水型原子炉の炉心設計の最適化問題に関係した最適化制約条件を一覧表示した、最適化制約条件ページの一画面を示す。図に示すように、各々の最適化制約条件５０は、該最適化制約条件５０に関係した設計値５２を有する。各々の最適化制約条件は、指定された設計値よりも低くなくてはならない。ユーザは、目的関数を構成することを考慮して最適化パラメータを選択することができる。それぞれがディスプレイ及びコンピュータマウスを含むデータ入力装置１８、コンピュータ２２又はコンピュータ２６を使用して、ユーザは、最適化制約条件５０に関係した選択ボックス５４内をクリックすることにより制約条件を選ぶ。選択された時、選択された最適化制約条件５０の選択ボックス５４内にチェック印が現れる。再度その選択ボックス５４内をクリックすると、その最適化制約条件の選択が解除される。

各々の最適化パラメータは、メモリ１６内に記憶された予め定められたクレジット項とこれに関係したクレジット重みとを有する。同様に、各々の最適化制約条件は、メモリ１６内に記憶された予め定められたペナルティ項とこれに関係したペナルティ重みとを有する。図７に示す実施形態においては、ペナルティ項には設計値が組み入れられており、ユーザは、必要に応じてこの値を変える（即ち、構成する）ことができる。更に、図７の実施形態は、ユーザが各々の最適化制約条件５０に対して重要度５６を設定することを可能にする。最適化制約条件についての重要度爛５８において、ユーザは、微小、低、普通、高、及び極度の中から任意に選択する。各々の選択項目は、重要度が大きければ大きいほど、予め定められたペナルティ重みが大きくなるように実験により予め定められたペナルティ重みに相関している。このようにして、ユーザは、予め定められたペナルティ重みの組の中から選択する。

上記の選択が完了したら、プロセッサ１４は、上に述べた一般定義及び選択プロセスの間になされた選択に従って目的関数を構成する。得られた構成された目的関数は、選択された最適化パラメータと関係したクレジット成分の和と選択された最適化制約条件に関係したペナルティ成分の和とを加算したものに等しい。

更に、この実施形態は、ユーザにクレジット重み及びペナルティ重みを取り扱う方法を選択させる。例えば、ペナルティ重みに関しては静的、破滅的、動的、及び適応的な可能な方法がユーザに提供され、クレジット重みに関しては静的、動的、及び適応的な可能な方法がユーザに提供され、またペナルティ重みとクレジット重みの両方に関しては相対適応的な方法がユーザに提供される。周知の静的な方法は、重みをそれらの初期設定値に維持する。周知の破滅的な方法は、各々のペナルティ重みを無限大に設定する。周知の動的な方法は、重み変化の量及び／又は頻度を決定する数式に基づく最適化探索において目的関数を使用している間に初期重み値を調整する。周知の適応的な方法もまた、最適化探索している間に適用される。この方法においては、ペナルティ重み値は、設計値に違反する各々の制約条件パラメータに対して周期的に調整される。相対適応的な方法は、本出願の発明者による「目標関数に関連して重み係数を適応判定する方法及び装置」の名称の米国特許出願（日本出願２００３−３２５３７０号）に開示されている。

目的関数を使用した最適化（ステップＳ５）
図８は、本発明の目的関数を使用した最適化プロセスのフローチャートを示している。ただ説明の便宜上で、図８の最適化プロセスは、図５に示すアーキテクチャによって実行されたものとして説明することにする。ステップＳ１２において、プロセッサ１４は、使用されている最適化アルゴリズムに基づく最適化問題の入力パラメータ（即ち、システム入力）のための１つ又はそれ以上の組の値をメモリ１６から検索するか、もしくは作成する。例えば、沸騰水型原子炉の炉心設計の最適化問題の場合、入力パラメータのうちの幾つかは、原子炉内での新しい及び照射済み燃料バンドルの配置、制御棒グループ（シーケンス）の選択及びサイクル中の時間の関数としての制御棒グループ内における制御棒位置の配置、サイクル中の時間の関数としての炉心流量、原子炉冷却媒体の入口圧力、及びその他であろう。各々の入力パラメータ値の組は、最適化問題のソリューションの候補である。プロセッサ１４は、シミュレーテッド運転を行って、各々の入力パラメータ値の組に対するシミュレーション結果を生成する。例えば、沸騰水型原子炉の炉心設計の場合、沸騰水型原子炉運転のための周知のシミュレーションプログラムが、入力パラメータの組を使用して実行される。シミュレーション結果には、最適化パラメータ及び最適化制約条件のための値（即ち、システム出力）が含まれる。これらの値又はこれらの値の部分集合は、目的関数の数式中の変数の値である。

次にステップＳ１４において、プロセッサ１４は、目的関数とシステム出力とを使用して、各々の候補ソリューションについての目的関数値を作成する。ステップＳ１６において、プロセッサ１４は、ステップＳ１４において作成された目的関数値を使用して、ソリューションに関して最適化処理が収束したか否かを評価する。収束に達していない場合には、ステップＳ１８において、入力パラメータの組が変更され、最適化反復回数が増大され、処理はステップＳ１２に戻る。ステップＳ１２、Ｓ１６、及びＳ１８における作成、収束評価、及び修正処理は、遺伝的アルゴリズム、シミュレーテッド・アニーリング、及びタブー検索等の任意の周知の最適化アルゴリズムに従って実行される。最適化問題が沸騰水型原子炉の炉心設計である場合には、最適化アルゴリズムは、例えば、１９９９年１２月３０日に出願された「原子炉の複数の運転制御変数を最適化するためのシステム及び方法」の名称の米国特許出願第０９／４７５，３０９号（特開２００１−２６４４７８公報）、又は２００１年１１月７日に出願された「原子炉運転中の制御変数を連続的に最適化するためのシステム及び方法」の名称の米国特許出願第０９／６８３，００４号（特開２００３−２２２６９５公報）に開示されたような最適化プロセスのうちの１つとすることができる。

次に、プラント運転中に生じる例示的な問題に対する本発明による方法の適用について説明する。機械的劣化の問題に対しては、本発明の適用は、ステップＳ３において時間の関数としての非対称な空間依存性出力分布の制約条件を作成するステップと、次にこの制約条件を含む修正済み目的関数を含んだ再最適化を実行するステップとを含む。例えば漏れ燃料棒に対しては、本発明による方法の適用は、オフガスを制御するために、出力をその制約条件限界値に維持するのに必要な最小限の制御棒挿入を含み、このようにしてサイクル長さにおけるあらゆる損失を減少又は排除する改善された運転ソリューションを得る。

燃料バッチ腐食についての問題に対しては、腐食しやすい燃料を含んだ各々の部位内で出力を制約する空間依存性出力制約条件限界値が、ステップＳ３において開発される。次に、上に述べた制約条件を含む修正済み目的関数又は新たに開発された目的関数を使用して、制御棒及び流量操作の再最適化がステップＳ５において実行される。新しい運転ソリューションは、腐食が軽減されるように、出力を一定の大きさ以下に制限することになる。その結果、このソリューションは、あらゆるプラント始動の遅延を排除し、かつ新しい装填パターンの認可を必要としない。

例えばジェットポンプノズル内におけるクラッド堆積に起因したジェットポンプ性能の低下による流量低下の問題に対しては、ステップＳ３において照射依存性流量制約条件が開発される。これは、ステップＳ４〜Ｓ７に従う運転戦略の連続的再最適化と組み合わさって、流量低下により生じる可能性があるサイクル効率に対する影響を最小化する助けとなる。そのような最小化は、費用のかかる清掃作業の必要性を回避するのに十分であり、更に従来実現し得なかったほど改善されたエネルギー出力を提供することを可能にする。

蒸気分離器劣化の問題に対しては、分離器への蒸気流量に合わせたバンドル出口蒸気特性についての空間依存性制約条件がステップＳ３において開発される。空間依存性制約条件を用いて後続ステップＳ４及びＳ５において実行される後続の再最適化により、この問題を排除することができる。

原子炉の運転に付加的な抑制を必要とするほど十分に大きい予測プラント運転パラメータの見込み測定プラント運転パラメータに対する偏差を含む問題に対しては、これらの問題に照らして原子炉性能を改善するように、時間依存性制約条件をステップＳ３において開発することができる。具体的には、熱限界に関する問題に対しては、燃料内にあるガドリニウム又はその他の核毒物のバーンアウト挙動のモデルに基づいて、熱限界値に関する時間依存性制約条件を作成することができる。このモデルは、運転サイクルが始まったら、実際のプラント運転データに基づいて較正することができる。照射依存性熱限界制約条件を使用してのモデルの周期的な再較正及びこの運転戦略の再最適化は、この問題を非常に良好に排除することができる。

プラントが過去の運転経験を超えた運転状態になった場合、燃料サイクル効率を最大化するために、照射依存性制約条件が開発されることができる。この制約条件は、過去の運転経験の境界域における正常運転制約条件と同一に設定される。しかしながら、上記境界点を超えると、制約条件は、予測されるＥＯＣにおける最大抑制に到達するまで、制約の度合が徐々により厳しくなる。この運転戦略は、過去の運転経験を超えて性能を改善することを助ける。

従来技術の沸騰水型原子炉を示す図である。 従来技術の核燃料バンドルの斜視図である。 図２に示す核燃料バンドルの断面又はラチスの概略図である。 本発明の実施形態による、原子炉性能を改善する方法のフローチャートを示す図である。 提案されたソリューションを評価する方法を実行するためのアーキテクチャの実施形態を示す図である。 沸騰水型原子炉の炉心設計についての最適化問題に関係した１つ又はそれ以上の運転パラメータを選択する際に使用される最適化構成ページの一画面を示す図である。 沸騰水型原子炉の炉心設計の最適化問題に関係した最適化制約条件を一覧表示した最適化制約条件ページの一画面を示す図である。 本発明による方法において使用する最適化プロセスのフローチャートを示す図である。

符号の説明

１１０ ジェットポンプ
１１２ 原子炉容器
１１４ 格納容器
１１６ 炉心
１１８ タービン
１２０ 発電機
１２２ 復水器

Claims (10)

1. 原子炉の性能を改善する方法であって、
   原子炉の運転についての問題に対処する空間依存性制約条件及び照射依存性制約条件のうちの１つを使用して得られた原子炉のための運転ソリューションを実行するステップ、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記制約条件が、空間依存性出力分布制約条件であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記空間依存性出力分布制約条件が、１つ又はそれ以上の漏れ燃料棒に対処することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記空間依存性出力分布制約条件が、１つ又はそれ以上の腐食しやすい部位に対処することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 前記空間依存性出力分布制約条件が、原子炉流量の低下に対処することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. 前記空間依存性出力分布制約条件が、劣化した出口蒸気特性に対処することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
7. 前記制約条件が、照射依存性制約条件であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記照射依存性制約条件が、熱限界の照射依存性に対処することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記照射依存性制約条件が、前記原子炉が予想サイクル長さを超えて運転される場合の照射依存性を有する１つ又はそれ以上のパラメータに対処することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. 前記実行するステップに続いて、前記原子炉の性能に基づいて制約条件を修正するステップと、
    前記修正された制約条件を使用して、前記実行するステップを反復するステップと、
    を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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