JP2005061951A

JP2005061951A - 制御棒引抜監視装置

Info

Publication number: JP2005061951A
Application number: JP2003291327A
Authority: JP
Inventors: Hisaki Sato; 寿樹佐藤; Yoshiji Kano; 喜二狩野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】原子炉の出力運転状態で、炉心対称位置にある複数本の制御棒を同時に引抜き操作するギャング操作において、引抜き操作を行う複数本の選択制御棒のそれぞれに対してRBMによる監視が行われているため、過剰なLPRMストリングが配置されている。
【解決手段】炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒２２をギャング操作する場合、制御棒セル２３に隣接する２ないしｎ−１本のLPRMストリング２４により中性子束の出力を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の制御棒引抜監視装置に関するもので、特に炉心対称位置にある制御棒を複数本同時に引抜操作する際の異常な過渡変化を監視する制御棒引抜監視装置に関する。

原子力発電プラントにおいて、原子炉出力３０％以上の領域で炉心から誤って制御棒１本が連続的に引抜かれた場合、炉心内の局部的な出力上昇によって燃料損傷が発生する恐れがある。
このような燃料損傷を防止するために原子力発電プラントには制御棒引抜監視装置（Rod Block Monitor＝RBM）が設置されている。

制御棒引抜監視装置は原子炉の出力運転中において、原子炉格納容器内に配列された百数十本程度(原子炉の最大出力値により設置数は異なる)の制御棒の内、引抜き操作される制御棒の周辺に配置されている局所出力領域モニタ(Local Power Range Monitor＝LPRM、以下LPRMと称する)の信号（以下、LPRM信号と称する）を監視し、LPRM信号の出力レベルに異常な上昇があった場合に警報や制御棒引抜阻止信号(トリップ信号)を出力して原子炉を保護するシステムであり、高い信頼性と高速応答性が要求されている。

図５は例えば、５０万kWe級沸騰水型原子炉（BWR）の炉心配置の一例を概略的に示す平面図である。図５において、２１は燃料集合体で正方格子状に規則正しく配列して炉心に装荷されている。

図６は図５の一部を拡大した図であり、２列２行に配置された４体の燃料集合体２１に対し、その燃料集合体２１間に１本の十字型制御棒２２が炉心下部(図示せず)から挿入、引抜きされる構造になっており、４体の燃料集合体２１と１本の制御棒２２とで制御棒セル２３を構成している。

２４はLPRMの検出器（以下、LPRM検出器と称する）の集合体を備えたLPRMストリングで、燃料集合体２１が１６体、制御棒２２が４本、すなわち制御棒セル４個を囲むように４本設けられている。

図７は前記LPRMストリング２４の軸方向の構成を示す図である。炉内の中性子束レベルを測定するLPRM検出器２５が炉心軸方向に沿ってほぼ等間隔で、下部からLPRM-A、LPRM-B、LPRM-C、LPRM-Dの４個が配置されている。
LPRM検出器２５としては一般的に核分裂計数管が使用される。

また、２６はTIP校正用導管で、LPRM検出器２５の校正及び炉心軸方向の中性子束分布を連続的に測定するための炉心内移動計装用検出器(Traversing Incore Probe＝TIP)が内部を移動するように設置されている。

なお、LPRM検出器２５の校正及び軸方向の中性子束分布を連続的に測定するために、TIP校正用導管２６の代わりにガンマ線発熱を利用したガンマサーモメータを炉心軸方向に複数個配置した核計装管を使用することもできる。

このLPRM検出器２５は、原子炉格納容器内に百数十個程度(原子炉の最大出力値により設置数は異なる)設置されており、制御棒引抜監視装置には全LPRM検出器２５の検出信号が入力されている。

制御棒引抜監視装置は、引抜き対象の制御棒を選択した時に、引抜き対象制御棒を囲む４本のLPRMストリング２４のLPRM信号を検出し、LPRM信号の平均化処理を行い、引抜き前の図示しない平均出力領域モニタ（Average Power Range Monitor＝APRM）指示に合うようにゲインを調整する(この信号をRBM信号と称す)。

制御棒２２の引抜きに伴い局所的に出力が上昇し、引抜き前のAPRM指示にゲイン調整されたRBM信号が上昇し、燃料の健全性を確保するために最大線出力密度、最小限界出力比が許容限界値に達しないように、予め設定されているトリップレベルに達した場合、制御棒引抜監視装置はトリップ信号を出力する（例えば、特許文献１参照）。
一般に、トリップ信号はRBM信号が引抜きに伴い５％上昇した場合に出力される。
特開平７−９８３９８号公報

改良型沸騰水型原子炉(ABWR)では、原子炉の立ち上げ、立ち下げ時間の短縮を図るため炉心対称位置にある複数本の制御棒の同時引抜き(以下、ギャング操作と称する)が行われる場合がある。
この場合、制御棒引抜監視装置は炉心対称位置にある複数本の制御棒それぞれに対して上述の方法により４本のLPRMストリング２４を用いて同時に監視を行っている。

しかしながら、このギャング操作において、これらの引抜制御棒全てに対してLPRM検出器２５で局所出力の検出を行おうとすると、多数のLPRMストリング２４を炉内に設置する必要があり、コストが高くなると共に、炉心組立に時間と手間がかかり、保守の上からも多数のLPRMストリング２４を設置することは好ましくない。

さらに、ギャング操作を行う時、全ての制御棒に対してLPRM検出器２５で局所出力の検出を行おうとするとLPRMストリング２４の制御棒２２に対する設置位置の違いから出力レベルの相対的な違いが発生するため、予め設定されるトリップレベルの調整が必要となり、出力レベル上昇の検出を容易に行うことが難しかった。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、炉心対称位置にある制御棒を複数本同時に引抜き操作を実施するギャング操作において、LPRMストリングの数を大幅に削減し、コストの低減と、組立時間と手間を省き、かつ制御棒引抜きによる出力レベル上昇の検出を容易に行える制御棒引抜監視装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、２列２行に配置された燃料集合体４体と、その燃料集合体間に挿入される制御棒とからなる制御棒セルが多数配列され、炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒セルに対し、軸方向に複数個のLPRM検出器を含む２ないしｎ−１本のLPRMストリングが制御棒セルに隣接するように配置され、炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒の引抜き操作を同時に行う際に、制御棒セルに隣接する２ないしｎ−１本のLPRMストリングに含まれるLPRM検出器の検出信号を基に、中性子束の出力を検出するようにしたことを特徴とする。

本発明の制御棒引抜き監視装置によれば、炉心対称位置に配置された制御棒をギャング操作により複数本同時に引抜き操作を実施する場合において、LPRMストリングの数を大幅に削減し、コストの低減と、組立時間と手間を省き、かつ制御棒引抜きによる出力レベル上昇の検出が容易に行える。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお以下の実施の形態の説明において、図５乃至７に示す従来の制御棒引抜監視装置と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示す図で、例えば、５０万kWe級沸騰水型原子炉（BWR）の炉心配置の一例を概略的に示す平面図である。

図１において、LPRMストリング２４は、互いに９０度交叉する二つの炉心対称軸A-A’、B-B’に対して、その交点を中心として回転対称位置にある４個の制御棒セル２３に対して、最低２本のLPRMストリング２４が隣接するように配置されている。
また、LPRMストリング２４は、炉心支持板の強度を確保するために設置されるビーム２７の位置に重ならないように配置している。

一般に、原子炉の出力運転状態では、燃料装荷パターン、制御棒パターンの対称性により、炉心対称位置にある制御棒２２を同時操作するギャング操作時は、制御棒引抜きに伴う局所的な出力上昇は各制御棒２２とも同等である。このため、ギャング操作される個々の制御棒２２に対して制御棒引抜監視装置による監視を行う必要はなく、最低１本の制御棒２２に対して監視を行えば十分である。

また、４個の制御棒セル２３を囲むように配置されている４本のLPRMストリング２４の内、引抜操作を行う選択制御棒を含む制御棒セル２３に隣接しているLPRMストリング２４のLPRM信号の出力上昇レベルは、相対的に選択制御棒を含む制御棒セル２３に隣接していない残り３本のLPRMストリング２４のLPRM信号の出力レベルより大きくなる。

すなわち、選択制御棒を含む制御棒セル２３の中性子束が局所的に高くなるため、残り３本のLPRM信号よりも出力の上昇幅が大きくなる。
したがって、制御棒引抜きによる出力レベルの上昇は、引抜かれる制御棒セル２３に隣接したLPRMストリング２４で検出する方が容易である。

例えば、図１中においてギャング操作により、制御棒につけた符号a、b、c、dの４本の制御棒２２が同時に引抜かれる場合、LPRMストリング２４につけた番号５と８の２本のLPRMストリング２４が引抜き操作される制御棒を含む制御棒セル２３に隣接していることになる。

本発明の制御棒引抜監視装置では、この制御棒a、b、c、dのギャング操作時は、LPRMストリング２４につけた番号５と８の２本のLPRMストリングのLPRM信号に基づいて中性子束の上昇を検出する。

このように本実施の形態によれば、ギャング操作時の出力上昇レベルの監視は、ｎ本の制御棒を同時に引抜く場合、選択制御棒とそれを囲む４体の燃料集合体とからなる制御棒セル２３に隣接するLPRMストリング２４を２ないしｎ-１本使って行う。

図８は従来の方法によるLPRMストリングの配置を示したものであり、図１と炉心形状は同じである。図８に示すように従来の方法では、対称位置制御棒a、b、c、dのギャング操作時は、中性子束の検出を制御棒aに対してはLPRMストリング６、７、２、３の４本のLPRM信号を用いており、同様に制御棒bに対しては、LPRMストリング10、11、５、６の４本のLPRM信号、制御棒cに対しては、LPRMストリング１２、13、７、８の４本のLPRM信号、制御棒dに対してはLPRMストリング１６、１７、11、１２の４本のLPRM信号のを用いているため、１２本のLPRMストリングが使用されているが、本発明では、図１に示したように、対称位置制御棒a、b、c、dのギャング操作に対して、LPRMストリングは番号５と８の２本であり、LPRMストリングの数を大幅に削減することが可能である。

LPRM検出器２５はその位置での中性子束レベルを測定しており、制御棒引抜監視装置は、全LPRM信号の中から、炉心対称位置にあるｎ本の制御棒を同時に引抜くギャング操作時に、選択制御棒とそれを囲む４体の燃料集合体とからなる制御棒セル２３に隣接するLPRMストリングの信号を選択し、そのLPRM信号の平均処理を行い、中性子束レベルの測定を行う。
なお、最外周制御棒に対しては、炉心外周部分は出力が低く、監視が不要であるため、LPRMストリングを配置する必要はない。

また、炉心中心に配置される制御棒２２Ａに対しては、対称位置はそれ自身となり、検出器故障(バイパス)時にも監視が可能となるように番号６と７で示す２本のLPRMストリングが隣接している。
なお、本実施の形態では、複数の制御棒が炉心に対して回転対称の位置にある場合について説明したが、鏡面対称についても同様に実施することが可能である。

図２は、従来の手段により求めたLPRMストリングの出力上昇量（点線）と、本発明により求めたLPRMストリングの出力上昇量（実線）とを比較した特性図である。
図２に示すように、従来の制御棒セル４個を囲むように配置された４本のLPRMストリング２４の検出信号を平均化処理して出力上昇量を求めるよりも、ギャング操作により引抜き操作をする制御棒２２を含む制御棒セル２３に隣接するLPRMストリング２４の検出信号から出力上昇量を求めた方が、出力上昇の応答が早くなる。

制御棒引抜監視装置は、この平均化処理されたLPRM信号の中性子束の上昇量が、線出力密度、最小限界出力比の許容限界値を逸脱しないように、定められた割合に到達した時にトリップ信号を出力する。

本実施の形態によれば、従来のLPRMストリングの配置に対して大幅にLPRMストリングを削減することができる。すなわち、図５に示すように、従来は２0本のLPRMストリングが配置されていたのに対して、本実施の形態では図１に示すように１２本に大幅に削減されている。

このため、LPRMストリングに要するコストを削減できると共に、組立時間と手間を省き、保守も容易となる。
また、選択制御棒に隣接するLPRM信号から出力上昇を検出するため、出力レベルの調整が必要なくなり、検出が容易に行える。
さらに、LPRMストリング２４は、ビーム７の位置に重ならないように配置しているので、LPRM検出器２５の交換を容易にすることができる。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、制御棒引抜監視装置としての構成は前記第１の実施の形態と同一であるが、本実施の形態では、LPRM検出器２５の検出信号にフィルタリング処理を施すことを特徴とする。

引抜き操作により、選択制御棒を含む制御棒セル２３の中性子束は局所的に大きく上昇する。したがって、その制御棒セルに隣接するLPRM検出器２５のLPRM信号の上昇幅も大きくなる。
LPRM信号には、ノイズとなるゆらぎが含まれているが、LPRM信号の変化量が増大すると、それに伴いゆらぎも増大し誤動作を発生する恐れがある。

このゆらぎ成分を低減するために、LPRM信号はアクティブフィルターによりノイズ成分となる電流を抑制し、さらに、Ａ／Ｄ変換をする際に有限インパルス応答フィルタによりデジタルフィルタリング処理を行い、この信号を基に出力上昇量を求める。

本実施の形態によれば、LPRM信号にフィルタリング処理を施し、ゆらぎを低減することで、ゆらぎに起因するトリップ信号の誤発生を回避することが可能となり、動作信頼性が向上する。

次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒のギャング操作時に、制御棒セル２３に隣接する２ないしｎ−１本のLPRMストリング２４の内、１本のLPRMストリング２４内のLPRM検出器２５が故障またはバイパス状態にある時に、残りの１ないしｎ−２本のLPRMストリング２４に含まれ、故障またはバイパス状態にあるLPRM検出器と同じ高さにあるLPRM検出器の信号を故障またはバイパス状態にあるLPRM検出器の代替値として、中性子束の上昇量を求めることを特徴とする。

すなわち、図１中においてギャング操作により制御棒につけた符号a、b、c、dが同時に引抜かれる場合、LPRMストリング２４につけた番号５と８の２本の内、番号５のLPRM検出器に含まれるLPRM-Aが故障またはバイパス状態にあるとき、番号８のLPRMストリングに含まれるLPRM-Aの検出器信号を、番号５のLPRMストリング２４に含まれるLPRM-Aの代替値とする。

出力上昇の割合は、対称性によりほぼ等しいため、代替値により中性子束上昇量を求めても、故障またはバイパス状態にあるLPRM検出器が健全の場合と同等な応答になる。
本実施の形態によれば、LPRM検出器が故障またはバイパスされていていても、残りのLPRM信号を基に中性子束上昇を求め、適切に制御棒操作の監視が可能となる。

次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒のギャング操作時に、ｎ本の制御棒位置偏差に基づいて、制御棒引抜阻止を行う中性子束上昇レベルを自動可変設定することを特徴とする。

ギャング操作時には、操作対象制御棒に属する制御棒駆動機構の駆動速度などの差によって、対称位置制御棒に位置の偏差が生じる。
本実施の形態では、この偏差により中性子束の炉心非対称性が生じても熱的特性が悪化しないように許容限界値に対する余裕が対称のときと同等になるようにトリップレベルを偏差量に応じて変更するものである。

すなわち、図３は制御棒の位置偏差による最大線出力密度の変化量を示した一例であるが、偏差が大きくなるにつれて、最大線出力密度の変化量が大きくなる。
したがって、本実施の形態は、制御棒の位置偏差により生じる最大線出力密度の変化量分をマージンとして許容限界値に対する余裕を持った値にトリップレベルを自動で変更する。

なお、本実施の形態では、制御棒の位置偏差と最大線出力密度の変化量からトリップレベルを自動で変更する例を示したが、制御棒の位置偏差と最小限界出力比の変化量からトリップレベルを変更することも可能である。

本実施の形態によれば、同時引抜きするｎ本の制御棒位置偏差による中性子束の炉心非対称性が生じても、トリップレベルを自動で設定することができ、非対称性による熱的特性の悪化を防ぐことが可能である。

次に本発明の第５の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒２２のギャング操作時に、ｎ本の制御棒２２の内１本の制御棒が動作不能であり、なおかつ、前記動作不能制御棒を含む制御棒セル２３にLPRMストリング２４が隣接しており、残りのｎ−１本の制御棒２２を同時に操作するギャング操作時に、前記動作不能の制御棒を含む制御棒セル２３に隣接するLPRMストリング２４の信号をバイパスし、残りの動作可能なｎ−１本の制御棒を含む制御棒セル２３に隣接する１ないしｎ−２本のLPRMストリング２４のLPRM信号を基に、中性子束の上昇量を求めることを特徴とする。

すなわち、図１中において炉心対称位置の制御棒a、b、c、dの内、制御棒bが動作不能の場合、残りの制御棒a、c、dをギャング操作時に、動作不能制御棒bを含む制御棒セル２３に隣接する番号５のLPRMストリング２４をバイパスし、番号８のLPRMストリング２４のLPRM信号を基に、中性子束の上昇量を求める。

図４は動作不能制御棒が無い場合と、１本の動作不能制御棒が有る場合の出力上昇量に対する最大線出力密度の変化量を示した図である。
１本の動作不能制御棒が有る場合、中性子束の炉心非対称性が生じ、動作不能制御棒が無い場合よりも同じ出力上昇量に対して最大線出力密度が悪化することになる。

したがって、動作不能制御棒により生じる最大線出力密度の変化量の分をマージンとして、許容限界値に対する余裕を持った値にトリップレベルを変更する。
なお、本実施の形態では、最大線出力密度の変化量からトリップレベルを変更する例を示したが、最小限界出力比の変化量からトリップレベルを変更することも可能である。

本実施の形態によれば、炉心対称位置にあるｎ本の制御棒の内１本の制御棒が動作不能であり、なおかつ、動作不能制御棒を含む制御棒セルにLPRMストリングが隣接している場合でも、動作不能制御棒を含む制御棒セルに隣接するLPRM検出器集合体の信号をバイパスし、残りのLPRM信号を基に炉心非対称性を考慮したトリップレベルを求めることで、適切に制御棒操作の監視が可能となる。

本発明による原子炉の燃料棒の配置構成を示す平面図。制御棒引抜きに伴うRBM信号の上昇を示す特性図。制御棒位置偏差に対する最大線出力密度の変化量を示す特性図。動作不能制御棒が有る場合と無い場合の出力上昇量に対する最大線出力密度の変化量を示す特性図。従来の原子炉の燃料棒の配置構成を示す平面図。図５の一部を拡大して示す平面図。 LPRMストリングの構成を示す側面図。従来の原子炉の燃料棒配置における制御棒の同時引抜きを説明するための平面図。

符号の説明

２１…燃料集合体、２２…制御棒、２３…制御棒セル、２４…LPRMストリング、２５…LPRM検出器、２６…TIP校正用導管、２７…ビーム。

Claims

２列２行に配置された燃料集合体４体と、その燃料集合体間に挿入される制御棒とからなる制御棒セルが多数配列され、炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒セルに対し、軸方向に複数個のLPRM検出器を含む２ないしｎ−１本のLPRMストリングが制御棒セルに隣接するように配置され、炉心対称位置に配置されたｎ本の制御棒の引抜き操作を同時に行う際に、制御棒セルに隣接する２ないしｎ−１本のLPRMストリングに含まれるLPRM検出器の検出信号を基に、中性子束の上昇を検出するようにした制御棒引抜監視装置。
LPRM検出器の検出信号にフィルタリング処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の制御棒引抜監視装置。
１本のLPRMストリング内のLPRM検出器が故障またはバイパス状態にある時に、残りのLPRMストリングに含まれ、前記故障またはバイパス状態にあるLPRM検出器と同じ高さにあるLPRM検出器の信号を前記故障またはバイパス状態にあるLPRM検出器の信号の代替値とすることを特徴とする請求項１に記載の制御棒引抜監視装置。
ｎ本の制御棒の位置偏差に基づいて、制御棒引抜阻止を行う中性子束上昇レベルを自動可変設定することを特徴とする請求項１に記載の制御棒引抜監視装置。
１本の制御棒が動作不能であり、なおかつ前記動作不能制御棒セルにLPRMストリングが隣接している場合、前記動作不能の制御棒セルに隣接するLPRMストリングの信号をバイパスし、残りの動作可能なLPRM検出器の信号を基に、中性子束の計測を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御棒引抜監視装置。