JP2006329709A - 原子炉出力制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】減速材温度係数が正の状態にあっても所定の炉水温度変化率を維持しながら好適に原子炉の昇温運転を行うことができるようにする。
【解決手段】検出された中性子束から中性子束モニタ２６で原子炉周期を算出し、検出された炉水温度から温度変化率算出器２２で炉水温度変化率を算出するとともに炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出し、１）原子炉周期の逆数が設定値以上であり炉水温度変化率が挿入判定目安の設定値ａ以上にあるとき、２）原子炉周期の逆数が設定値以上であり炉水温度変化率が前記ａとは別の挿入判定の設定値ｂ（ｂ＜ａ）を超え昇温加速度が設定値以上であるときのいずれかの場合に制御棒を挿入し、３）原子炉周期の逆数が設定値未満であり炉水温度変化率が引抜き判定下限値ｄを下回ったとき、４）原子炉周期の逆数が設定値未満であり炉水温度変化率が前記ｄとは別の引抜き判定の設定値ｃ（ｃ＞ｄ）を下回り昇温加速度が設定値未満であるときのいずれかの場合に引抜きを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電プラント、特に沸騰水型原子力発電プラントにおける原子炉の臨界操作や昇温昇圧操作を行うのに好適な原子炉出力制御方法及び当該方法を実施する原子炉出力制御装置に関する。

原子力発電プラント、例えば沸騰水型原子炉を用いた発電プラントの原子炉起動操作においては、低温状態での原子炉臨界と核反応加熱による昇温昇圧を経て定格圧力状態とし、その後、発電機併入して定格出力まで出力を上昇させる手順で操作が行われる。このうち昇温昇圧の過程では、制御棒の挿入・引抜き操作によって炉心内の制御棒挿入量を調整することにより加熱源である炉心出力を調整し、炉水の温度変化率を所定の管理基準（例えば５５℃／ｈ以下）を満足させるように制御する必要がある。なお、以後の説明では中性子束を加熱源の炉心出力とみなして説明する。

臨界到達後の昇温昇圧開始時においては、僅かに臨界超過の状態として１００秒から２００秒程度の安定した原子炉周期（中性子束が元の値の２．７１倍になる時間）のもとで中性子束を緩やかに上昇させる。これにより燃料温度が上昇し、その熱が冷却材に伝わることによって原子炉系統全体の核加熱が開始する。ただ、臨界到達時の中性子束は冷却材を加熱するのに充分なレベルではない。このため、中性子束が充分なレベルまで上昇して冷却材の温度が上昇し始めるまでには数十分程度の時間を要する。ここで、原子炉周期には正と負があり、中性子束が元の値のｅ（２．７１倍）になる時間をいう場合が正であり、中性子束が元の値の１／ｅ（１／２．７１）倍になる時間をいう場合は負である。

臨界到達後の昇温昇圧においては、運転員が中性子束を監視し、中性子束がある程度上昇したところで、中性子束をその目安（過去の運転実績から炉水の温度変化率が目標値付近となるとして得られた値）と比較し、中性子束が目安を超えそうなときには制御棒を炉心に挿入し、逆に中性子束が目安を大きく下回りそうなときには制御棒を炉心から引抜く操作を行う。

このような操作を行う過程で、炉水温度が上昇すると、水の密度が小さくなって核分裂に寄与する中性子束の数が減少し、中性子束が上昇から極大値を経て減少に移行する。また炉水温度変化率もある時間遅れを経た後、同様に上昇から極大値を経て減少に移行する。このとき、炉水温度変化率が上述の温度変化率管理基準との関係から導いた目標値に達していない場合には、再度制御棒を炉心から引抜いて温度変化率の上昇を待つことになる。

上記の操作を繰り返し、炉水温度変化率が目標値に達した後は、炉水温度変化率が目標値をある程度下回るのを待って、原子炉周期が充分長いことを確認し、制御棒を炉心から少量引抜く。このような操作を繰り返すことによって平均の炉水温度変化率を目標値近くに保持している。

以上のような原子炉出力制御においては、中性子束と炉水温度変化率との間に時間遅れがある。このため熟練した運転員でも制御棒を操作する回数が多くなり、起動に多くの時間を要するとともに運転員の負担が大きくなる。このことから、効率的な制御を行え、運転員の負担も軽減できる制御手法が提案されている。

例えば、中性子束に基づいて制御棒を操作する方法として、炉水温度変化率の目標値を与える中性子束を評価し、その評価した中性子束目標値となるように制御棒を操作する方法が提案されている。この方法の原理は、中性子束φと炉心内の炉水温度変化率ｄＴ／ｄｔの間に、
Ｍ・Ｃｖ・（ｄＴ／ｄｔ）＝α・φ−Ｑｌｏｓｓ …（１）
ただし、Ｍ：冷却材の実効的な質量
Ｃｖ：冷却材の比熱
α：中性子束φから炉心出力への変換係数
Ｑｌｏｓｓ：原子炉外部への熱損失
の熱収支式が成立することを利用している。

この熱収支式は、中性子束φと炉水温度変化率ｄＴ／ｄｔの間に対応性のあることが条件になる。しかし、実際的には中性子束の測定に対し炉水温度変化率の測定に時間遅れが伴うことは避けられず、測定した中性子束φと測定した炉水温度変化率ｄＴ／ｄｔの対応性を確定するのは困難である。この問題について、特許文献１に１つの解決法が提案されている。

特許文献１記載の発明では、上記のように昇温昇圧過程において中性子束と炉水温度変化率のそれぞれに極大値が生じることを利用している。すなわち、中性子束及び炉水温度変化率のそれぞれの極大値に着目すると、特に昇温昇圧過程の初期の段階に生じる最初の中性子束の極大値φｍａｘと最初の炉水温度変化率の極大値ｄＴｍａｘ／ｄｔの間には時間遅れに関係なく対応性がある。従って（１）式における中性子束φと炉水温度変化率ｄＴ／ｄｔの代わりに中性子束の極大値φｍａｘと炉水温度変化率の極大値ｄＴｍａｘ／ｄｔを用いればよいことになり、
Ｍ・Ｃｖ・（ｄＴｍａｘ／ｄｔ）＝α・φｍａｘ−Ｑｌｏｓｓ …（２）
が得られる。

（２）式において、昇温昇圧過程の初期ではＱｌｏｓｓが比較的小さいという実測データの知見から、Ｑｌｏｓｓを０と近似することができ、（２）式は、
Ｍ・Ｃｖ／α＝（中性子束極大値）／（炉水温度変化率極大値） …（３）
で表される。

（３）式は、中性子束の極大値と炉水温度変化率の極大値との比例関係を表している。そして、この比例関係は炉水温度変化率の目標値とこれに対応する中性子束の目標値との比例関係とみなすことができる。このことから、
（中性子束目標値）＝[（中性子束極大値）／（炉水温度変化率極大値）]
×（炉水温度変化率目標値） …（４）
が得られる。

（４）式により炉水温度変化率目標値に対応する中性子束目標値を高い精度で求めることができるので、（４）式から求められた中性子束目標値に基づいて制御棒の位置を調整すれば、炉水温度変化率を迅速に目標値に近づけることが可能となり、原子炉の昇温昇圧を迅速に行うことができる。

なお、原子炉出力の制御については、特許文献１の他に特許文献２や特許文献３に開示された発明も知られている。
特開平９−１４５８９５号公報 特開平８−１３６６９３号公報 特開平１−２１７２９６号公報

ところで、特許文献１に記載の技術は、炉水の温度反応度係数である減速材温度係数が負であることを前提としている。減速材温度係数が負である炉心では、臨界到達直後や温度一定状態から昇温昇圧を開始する場合、その初期の段階では原子炉周期の大きさに相当する正の反応度を有しているが、燃料温度の上昇に伴うドップラー効果により負の反応度が徐々に加わり、燃料の熱が減速材でもある冷却材の温度を上昇させる段階に至っては、減速材温度係数が負であることによって、さらに負の反応度が加わり、一旦上昇した中性子束は極大値を経て降下した後に平定する。そして、炉水温度変化率も中性子束に対する時間遅れを伴って極大値をとり降下して平定するような振る舞いをする。特許文献１に記載の技術では、上記のような振る舞いを前提として原子炉出力を制御している。

このことをより具体的に説明すると以下の通りである。
例えば臨界到達後になされる昇温昇圧操作であれば、臨界到達後の状態から炉水温度変化率を上昇させて目標の炉水温度変化率に近づける制御がなされ、この制御で炉水温度変化率が炉水温度変化率目標値に近づいた後には、炉水温度変化率目標値と測定した炉水温度変化率との差分に基づいて制御棒の挿入や引抜きを行うことによって炉水温度変化率を目標値に安定的に維持する制御がなされる。ここでは前者の制御を仮に「初期制御」と呼び、後者の制御を仮に「一定昇温制御」と呼ぶ。特許文献１に記載の制御法は、主に上記のような昇温昇圧過程における初期制御に適用されるが、この初期制御において、上記のように減速材温度係数が負であるとことを前提としている。すなわち初期制御が開始されるまでに炉水温度変化率が管理基準を超えることなく極大値を経て減少に移行することを前提にしている。そしてこのような前提が許されることで、中性子束と炉水温度変化率それぞれの極大値を測定し、この両極大値から中性子束の目標値を求めることが可能となる。

一方、減速材温度係数が正である炉心状態において昇温昇圧操作を行うと、正の反応度フィードバックによって冷却材温度の上昇と中性子束の上昇が加速する状態が起こる。このため、臨界到達時の制御棒挿入状態で放置しておくと加熱源である中性子束が必要以上に高くなることによって温度変化率が管理基準を超過してしまうことが理論上あり得る。しかし、ここで、減速材温度係数が正であっても、それが充分に小さければ、燃料温度変化に対するドップラー反応度係数が負であることによって、出力上昇に対しては即時に負の反応度が印加される。従って原子炉の安全上で問題となることはない。

このように減速材温度係数が負であるとことを前提として中性子束と炉水温度変化率それぞれの極大値の測定をなす制御法を減速材温度係数が正の炉心状態に適用すると、中性子束や炉水温度変化率の極大値が現れる前、つまり極大値から求められる中性子束の目標値による初期制御が開始される前に炉水温度変化率が炉水温度変化率監視上の基準としている管理基準を大きく超えてしまう可能性がある。このため運転員は、中性子束が必要以上に過大にならないように絶えず監視しながら適切に制御棒の挿入操作を行う必要がある。

また、減速材温度係数が正の炉心では、初期制御によって目標とする炉水温度変化率に近接させ、一定昇温制御に移行した後においても、減速材温度係数が負の場合のように中性子束の低下を待ってからさらに制御棒を引抜くという制御を行うことができない。すなわち、中性子束の上昇に伴って炉水温度変化率が上昇してしまうため、減速材温度係数が負の場合のように中性子束の低下を待ってさらに制御棒を引抜くという制御を適用すると、中性子束が過大化し、炉水温度変化率が管理基準を超過してしまう。このような炉心で炉水温度変化率を管理基準以内に維持して昇温昇圧するには、積極的に制御棒を挿入しなければならない。これに対し、制御棒の挿入タイミングが早過ぎると原子炉昇温に必要な適度な正の反応度を与えることができず、昇温昇圧に多くの時間を要してしまう。逆に制御棒の挿入が遅れると炉水温度変化率が過大になってしまう。このため運転員は、中性子束が必要以上に過大にならないように絶えず監視しながら適切に制御棒の挿入操作を行う必要がある。

しかし、中性子束の監視は起動領域中性子モニタなどの較正を必要とする中性子検出器の指示値にて行われることから、その絶対値を正確に把握することは容易でない。また、炉水温度変化率を指標として中性子束を制御しようとしたときにも次のような難しさがある。まず、炉水温度変化率を算出する元になる炉水温度に関して、沸騰水型原子炉では炉心内の冷却材温度を直接測定できないことから原子炉圧力容器から引き出した配管内の水の温度を測定し、この測定された温度を炉水温度としている。そのため、計測した温度は炉水温度に対して時間遅れを持っている。加えて、炉水温度検出器での計測における時間遅れもある。また、炉水温度変化率は、変化率演算に必要な一定時間のデータを必要とすることことから、この時間に起因する時間遅れもあり、これらが累積されると、中性子束の挙動に対して相当な時間遅れを伴うことになる。このような理由から、上記のような中性子束過大化防止のための操作は、運転員に対して大きな負担を強いることになる。

また、減速材温度係数が正であるか負であるかは、中性子束や炉水温度変化率などの監視に用いることが可能な限られた情報からだけで判断することは容易ではなく、これらを連続的且つ複合的に監視することによって行う必要がある。そのため、運転員が減速材温度係数が正であることを瞬時に判断し、中性子束が必要以上に過大にならないように適切なタイミングで制御棒の挿入操作を行うには熟練を要する。これも、運転員の負担を大きくしている。

本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、その目的は、減速材温度係数が正の状態にあっても所定の炉水温度変化率を維持しながら好適に原子炉の昇温を行うことを可能とする原子炉出力制御方法及びこの方法を実施する原子炉出力制御装置を提供するにある。

上記目的を達成するため、第１の手段は、原子炉内の炉水温度に関する炉水温度変化率が所定の基準を満足させるように制御棒の操作をなして原子炉の出力を制御する原子炉出力制御方法において、検出された中性子束から原子炉周期を算出し、検出された炉水温度から炉水温度変化率を算出するとともに炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出し、
前記原子炉周期の逆数が予め設定しておく設定値以上にあること、前記炉水温度変化率が予め設定しておく設定値以上にあること、前記昇温加速度が予め設定しておく設定値以上にあること、及び制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続していることを条件として前記制御棒の炉心への挿入を行うようにした。

第１の手段は、初期制御に有効である。この第１の手段では、次の４つの条件、すなわち、
１）まず、制御棒駆動停止状態が一定時間以上継続していることによって制御棒操作による反応度印加の応答時間の目安を過ぎていることをみる。
２）原子炉周期の逆数が設定値以上であることによって中性子束が上昇中であることをみる。
３）炉水温度変化率が炉水温度変化率設定値以上であることによって、炉水温度が上昇中であることをみる。前記炉水温度変化率設定値は管理基準に達する前に制御棒挿入を判断する目安として設定しておくものであり、前記設定値を超えると炉水温度変化率がその目安を超えたと推定する。
４）昇温加速度が正の設定値以上であることによって、炉水温度変化率がさらに上昇中であることをみる。

が同時に成立したときに制御棒挿入を行う。

上記１）ないし４）の４条件が成立するときは、制御棒以外の要因すなわち炉水温度の上昇による正の反応度印加によって中性子束が継続して上昇中であり、炉水温度変化率もさらに上昇中で管理基準を超える兆候にあるとみなすことができる。さらに上記４条件が成立するときは、炉水温度変化率が制御棒挿入の目安として設定しておく設定値以上になったとみなすことができる。

この第１の手段は原子炉出力制御装置として、検出された中性子束から原子炉周期を算出する手段と、検出された炉水温度から炉水温度変化率及び炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出する手段と、前記制御棒の駆動停止時間を計測する手段と、前記各算出する手段により算出された前記原子炉周期の逆数、前記炉水温度変化率及び前記昇温加速度がそれぞれ予め設定された値以上であり、制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続しているときに前記制御棒を炉心に挿入させる手段とから構成することができる。

この場合、後述の実施形態では、中性子束は中性子束検出器１２によって検出され、原子炉周期を算出する手段は中性子束モニタ２６に、炉水温度変化率及び昇温加速度を算出する手段は温度変化率算出器２２に、制御棒の駆動停止時間を計測する手段は停止時間カウンタ２３に、制御棒を炉心に挿入させる手段は制御棒駆動制御器３４に、原子炉出力制御装置は符号１８にそれぞれ対応する。

この第１の手段によれば、上記４条件が成立したときに制御棒挿入を行うことによって、時間遅れを伴って炉水温度変化率が過大となり管理基準を超えるのを有効に抑制する制御を実現することができる。

第２の手段は、原子炉内の炉水温度に関する炉水温度変化率が所定の基準を満足させるように制御棒の操作をなして原子炉の出力を制御する原子炉出力制御方法において、検出された中性子束から原子炉周期を算出し、検出された炉水温度から炉水温度変化率を算出し、制御棒駆動停止の状態が継続している間に検出された炉水温度に生じた炉水温度差を算出し、前記原子炉周期の逆数が予め設定しておく設定値以上にあること、前記炉水温度変化率が予め設定しておく設定値以上にあること、前記炉水温度差が予め設定しておく設定値以上にあること、及び制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続していることを条件として前記制御棒の挿入を行うようにしている。

この第２の手段も初期制御に有効である。この第２の手段では、次の４つの条件、すなわち、
１）まず、制御棒駆動停止状態が一定時間以上継続していることによって制御棒操作による反応度印加の応答時間の目安を過ぎていることをみる。
２）原子炉周期の逆数が設定値以上であることによって中性子束が上昇中であることをみる。
５）制御棒駆動が停止を開始してからの炉水温度差が設定値（ただし正値）以上であることによって、減速材温度の上昇による反応度が印加されていることをみる。
６）炉水温度変化率が管理基準に達する前に制御棒挿入を判断する目安として設定された炉水温度変化率設定値との比較によって炉水温度変化率がその目安を超えたとみる。
が同時に成立したときに制御棒挿入を行う。

上記１）、２）、５）、６）の４条件が成立するときは、炉水温度差による正の反応度印加によって中性子束が継続して上昇中であり、炉水温度変化率が制御棒挿入の目安として設定しておく設定値以上になったとみなすことができる。

この第２の手段は原子炉出力制御装置として、検出された中性子束から原子炉周期を算出する手段と、検出された炉水温度から炉水温度変化率を算出する手段と、前記制御棒の駆動停止時間を計測する手段と、前記制御棒の駆動停止状態が継続している間に検出された炉水温度に生じた炉水温度差を算出する手段と、前記算出する手段により算出された前記原子炉周期の逆数、前記炉水温度変化率及び前記炉水温度差がそれぞれ予め設定された値以上であり、前記計測する手段により前記制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続していることが計測されたときに前記制御棒を炉心に挿入させる手段とから構成することができる。

この場合、後述の実施形態では、原子炉周期を算出する手段は中性子束モニタ２６に、炉水温度変化率を算出する手段は温度変化率算出器２２に、制御棒の駆動停止時間を計測する手段は停止時間カウンタ２３に、炉水温度差を算出する手段は炉水温度差算出器２９に、制御棒を炉心に挿入させる手段は制御棒駆動制御器３４に、原子炉出力制御装置は符号１８にそれぞれ対応する。

この第２の手段によれば、上記４条件が成立したときに制御棒挿入を行うことによって、時間遅れを伴って炉水温度変化率が過大となり管理基準を超えるのを有効に抑制する制御を実現することができる。

第３の手段は、原子炉内の炉水温度に関する炉水温度変化率が所定の基準を満足するように制御棒を操作して原子炉の出力を制御する原子炉出力制御方法において、検出された中性子束から原子炉周期を算出し、検出された炉水温度から炉水温度変化率を算出するとともに炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出し、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上であること、前記炉水温度変化率が予め設定された上限設定値以上であることを条件として前記制御棒を挿入し、あるいは、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上であること、前記炉水温度変化率が予め設定された前記上限設定値よりも低い別の設定値以上であること、前記昇温加速度が予め設定された値以上であることを条件として前記制御棒を挿入し、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値より低いこと、前記炉水温度変化率が予め設定された下限設定値より低いことを条件として前記制御棒を引抜きし、あるいは前記原子炉周期の逆数が予め設定された値より低いこと、前記炉水温度変化率が予め設定された前記下限設定値よりも高い別の設定値より低いこと、前記昇温加速度が予め設定された値より低いことを条件として前記制御棒の引抜きを行うこととしている。

この第３の手段は、一定昇温制御に有効である。この方法では、制御棒の炉心への挿入と炉心からの引抜きのタイミングを中性子束の状態、炉水温度変化率の大きさ、昇温加速度の正負で判断している。

まず、炉心への制御棒の挿入は、
１）原子炉周期の逆数が設定値以上であり炉水温度変化率が挿入判定目安の設定値ａ以上にあるとき、
２）原子炉周期の逆数が設定値以上であり炉水温度変化率が前記ａとは別の挿入判定の設定値ｂ（ただしｂ＜ａ）を超え昇温加速度が設定値以上であるとき
のいずれかの場合に行う。

ここで、炉水温度変化率が目安である設定値ａを超えたときに挿入する方法は、もっとも簡略な方法であるが、この方法だけでは炉水温度変化率が時間遅れを伴うため制御が遅れることが避けられない。このため、第３の手段では、昇温加速度を用いて制御棒の制御遅れを補っている。すなわち、原子炉周期が正であり炉水温度変化率が設定値ａを超え明らかに高い場合には直ちに挿入することとし、炉水温度変化率が低めの値（ｂ程度）であっても昇温加速度が正であるならば以後の中性子束上昇を抑制するために先行して制御棒を挿入する。

一方、制御棒の引抜きは、
３）原子炉周期の逆数が設定値未満であり炉水温度変化率が引抜き判定下限値ｄを下回ったとき、
４）原子炉周期の逆数が設定値未満であり炉水温度変化率が前記ｄとは別の引抜き判定の設定値ｃ（ただしｃ＞ｄ）を下回り昇温加速度が設定値未満であるとき、
のいずれかの場合に行う。

ここで、炉水温度変化率が目安である下限値を下回ったときに引抜く方法は、もっとも単純な方法であるが、炉水温度変化率が時間遅れを伴うため制御が遅れることが避けられない。このため、昇温加速度を用いて制御棒の制御遅れを補っている。すなわち、原子炉周期が負であり炉水温度変化率が明らかに低い場合には直ちに引抜きを行うこととし、炉水温度変化率がやや高めの値であっても昇温加速度が負であるならば速やかに中性子束を上昇させて炉水温度変化率が目標値近くで維持できるように先行して制御棒を引抜くようにしている。

この第３の手段によれば、上記条件で制御棒操作を行うことによって、時間遅れを伴って炉水温度変化率が過大となり管理基準を超えるのを有効に抑制しながら、炉水温度変化率を目標値近傍に維持した制御を実現することができる。

この第３の手段は原子炉出力制御装置として、検出された中性子束から原子炉周期を算出する手段と、検出された炉水温度から炉水温度変化率及び炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出する手段と、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上及び前記炉水温度変化率が予め設定された上限設定値以上であるとき、又は、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上、前記炉水温度変化率が予め設定された前記上限設定値よりも低い予め設定された値以上、及び前記昇温加速度が予め設定された値以上であるときのいずれかのときに前記制御棒を炉心に挿入させる手段と、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値未満及び前記炉水温度変化率が予め設定された下限設定値未満であるとき、又は、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値未満、前記炉水温度変化率が予め設定された前記下限設定値以上の予め設定された値未満、及び前記昇温加速度が予め設定された値未満であるときのいずれかのときに前記制御棒を炉心から引抜かせる手段とから構成することができる。

この場合、後述の実施形態では、原子炉周期を算出する手段は中性子束モニタ２６に、炉水温度変化率及び昇温加速度を算出する手段は温度変化率算出器２２に、制御棒を炉心に挿入させる手段又は炉心から引抜かせる手段は制御棒駆動制御器３４に、原子炉出力制御装置は符号１８にそれぞれ対応する。

本発明によれば、原子炉の臨界操作や昇温昇圧操作において、減速材温度係数が正値の場合にも適切なタイミングで制御棒操作を自動的に行うことができ、炉水温度変化率が監視基準を大きく超えることなく安全性をより高めた制御を効率的に行うことが可能となる。

以下、本発明を実施する上での最良の形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る原子炉及び原子炉出力制御装置のシステム構成の概略を示す図である。このシステムは本発明における第１の手段と第３の手段と組み合わせた原子炉出力制御装置の例である。

図１において、第１の実施形態に係るシステムは原子炉１０と原子炉出力制御装置１８と制御棒駆動制御器８とから基本的に構成されている。原子炉１０には、中性子束検出器１２、圧力検出器１４及び熱電対１６を含む測定系が設けられ、また、炉心２に対して制御棒４が挿入、引抜き可能に設けられている。

原子炉出力制御装置１８は、前記測定系で得られる測定値を入力として制御棒駆動制御器８へ出力する制御信号を生成させるもので、温度検出器２０、温度変化率算出器２２、停止時間カウンタ２３、中性子束モニタ２６、入力部３０、制御棒自動制御器３４及び表示装置３６を備えている。

前記測定系における熱電対１６は、原子炉１０に接続された配管１０ａ内に設置されており、配管１０ａ内の炉水の温度を検出し、検出温度に対応した信号を温度検出器２０へ出力する。温度検出器２０は、熱電対１６からの信号に応じた温度を算出し、算出された温度を制御棒自動制御器３４と温度変化率算出器２２へ出力する。すなわち熱電対１６と温度検出器２０は、原子炉１０内の炉水の温度を検出する炉水温度検出手段として機能する。

温度変化率算出器２２は、炉水温度変化率算出手段及び昇温加速度算出手段として機能するものであり、温度検出器２０の検出信号を順次記憶し、炉水温度の時間的変化から炉水温度の単位時間あたりの変化率である炉水温度変化率と炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出し、その算出した炉水温度変化率及び昇温加速度を制御棒自動制御器３４へ出力する。

中性子束検出器１２は、中性子束検出手段として機能するものであり、原子炉１０の炉心２内に設置されている。この中性子束検出器１２は、単位時間あたりの中性子束の数を計数し、その計数値を中性子束検出信号として中性子束モニタ２６へ出力する。中性子束モニタ２６は、中性子束検出器１２の出力信号を中性子束レベル（中性子束の検出値と炉心の定格出力との割合を示すレベル＝％定格）に変換するとともに、中性子束の時間変化率を表す指標である前述の原子炉周期を演算する。そして中性子束レベルと原子炉周期を制御棒自動制御器３４へ出力する。従って中性子束モニタ２６は、原子炉周期算出手段としても機能することになる。

入力部３０は、炉水温度変化率目標値入力手段として機能するものであり、例えば制御操作盤上のコンソールなどで構成され、運転員の操作により、炉水温度変化率目標値として、例えば３０℃／ｈという値が入力され、それを制御棒自動制御器３４へ出力する。

制御棒自動制御器３４は、温度検出器２０で検出された炉水温度、温度変化率算出器２２から出力された炉水温度変化率及び昇温加速度、中性子束モニタ２６から出力された中性子束レベルと原子炉周期、停止時間カウンタ２３から出力された制御棒駆動停止時間、及び入力部３０から取り込んだ炉水温度変化率目標値を入力とし、自動制御時に、制御棒駆動制御器８に適切なタイミングで制御棒駆動信号を出力する。一方、手動制御時には、運転員に対して制御棒４の炉心２への挿入あるいは炉心２からの引抜き操作を実施させるための指示を表示装置３６を介して実行する。

制御棒駆動制御器８は、制御棒４の炉心２に対する挿入と引抜き動作を行う制御棒駆動装置６に対する駆動制御を行う。そのために制御棒駆動制御器８は、複数の制御棒４をどの順番で操作するかを予め定めたリストを保有し、また複数ある駆動モードに対して１回の制御棒駆動信号でどれだけの量を操作するかを予め定めたリストを保有しており、制御棒自動制御器３４から出力された制御棒駆動信号（挿入開始又は引抜き開始信号、及び駆動モード情報）に基づいて制御棒駆動装置６に制御棒駆動信号を出力する。また、制御棒自動制御器３４に対しては、制御棒４の状態（制御棒挿入中、制御棒引抜き中、制御棒駆動完了、制御棒の現在位置）に関する信号を出力する。

停止時間カウンタ２３は、制御棒駆動停止時間算出手段として機能するものであり、制御棒駆動制御器８が出力する制御棒４の状態信号を入力として制御棒４が駆動停止状態を継続している時間をカウントし、これを制御棒駆動停止時間として制御棒自動制御器３４に対して出力する。制御棒４の駆動信号が入力されると制御棒駆動停止時間を０にリセットする。

制御棒駆動装置６は、水圧駆動装置やモータによる電動駆動装置からなり、制御棒駆動制御器８からの信号により制御棒４を炉心２に挿入し、あるいは炉心２から引抜く動作を行う。

ＣＲＴで代表される表示装置３６には、温度変化率目標値と実際の温度変化率を並べて表示したり、目標とする炉水温度の時間変化や実際の炉水温度の時間変化をグラフ表示したりすることができる。また、中性子束レベルや原子炉周期あるいは原子炉周期の逆数についても時間変化をグラフ表示でき、予め入力あるいは内部計算される設定値と比較できるように表示することもできる。さらに、制御棒４の現在位置を表示することもできる。また、制御棒操作を運転員が手動で行う手動操作時には、運転員に対して制御棒４を操作すべきタイミングに挿入あるいは引抜きを行うよう操作ガイドを提供する。運転員は、その操作ガイドに従って操作するだけで、適切な制御棒操作を容易に行うことができる。

図２、図３、図４及び図５に、制御棒自動制御器３４に内蔵させてある制御ロジック（制御手段あるいは制御装置）の例を示す。図２及び図３は初期制御における制御棒挿入の判定をなす制御ロジック（本発明における第１の手段に対応する制御ロジック）であり、図４及び図５は一定昇温制御における制御棒挿入の判定をなす制御ロジック及び制御棒引抜の判定をなす制御ロジック（本発明における第３の手段に対応する制御ロジック）である。

図２の初期制御制御棒挿入条件の判定ロジックは、４つの条件すなわち第１の制御棒駆動停止時間比較器４１、第１の原子炉周期逆数比較器４２、第１の昇温加速度比較器４３、及び第１の炉水温度変化率比較器４４の判定がすべて満足されて第１のＡＮＤ回路４０が成立するとき、初期制御制御棒挿入条件成立信号７０を発生させる。この初期制御制御棒挿入条件成立信号７０に続いて図３の制御棒挿入要求信号８５が図１の制御棒駆動制御器８に出力されることによって制御棒４の挿入操作がなされる。

前記４つの条件について具体的に説明する。
１）第１の条件： まず、第１の制御棒駆動停止時間比較器４１では、停止時間カウンタ２３から入力される制御棒駆動停止時間Ｔ１が予め設定しておく経過時間の設定値ｊ以上にあることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４０に出力する。この経過時間の設定値ｊは、制御棒操作による反応度印加の応答時間を過ぎていることを判断する目安値（例えば１５分間程度）であり、この時間を過ぎているときは制御棒４以外の反応度要因によって中性子束の状態が変化する状態にあるものとみなすことができる。

２）第２の条件： 第１の原子炉周期逆数比較器４２は、中性子束モニタ２６が出力する原子炉周期の逆数Ｎ１が原子炉周期逆数の設定値ｆ以上となることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４０に出力する。この設定値ｆは原子炉周期が正であることを確実に判定できればよいので、その判定が確実に行われる値に設定されている。原子炉周期の逆数Ｎ１が設定値ｆ以上にあるとき、中性子束は上昇中であり炉心２に正の反応度が印加された状態にあるとみなすことができる。

３）第３の条件： 第１の昇温加速度比較器４３は、温度変化率算出器２２が出力した昇温加速度Ａ１が予め設定してある昇温加速度の設定値ｗ以上になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４０に出力する。この昇温加速度設定値ｗは、正値であって炉水温度変化率Ｄ１が上昇中であることを判定するのに充分な大きさであればよい。昇温加速度Ａ１が昇温加速度設定値ｗ以上であることによって、炉水温度変化率Ｄ１はさらに上昇中であるとみなすことができる。

４）第４の条件： さらに、第１の炉水温度変化率比較器４４は、温度変化率算出器２２が出力した炉水温度変化率Ｄ１が予め設定された炉水温度変化率の設定値ｓ(ただし正値)以上になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４０に出力する。炉水温度変化率Ｄ１が炉水温度変化率設定値ｓ以上であることによって、炉水温度が上昇中であることが判断できる。また、炉水温度変化率設定値ｓは管理基準に達する前に制御棒挿入を判断する目安値(例えば１５℃／ｈ程度)として設定しておくものであり、炉水温度変化率Ｄ１がその目安値を超えたと判断することができる。

上記１）ないし４）の４条件がすべて満足されて第１のＡＮＤ回路４０のアンド条件が成立するときは、制御棒４以外の要因すなわち炉水温度の上昇による正の反応度印加によって中性子束が継続して上昇中であることから、初期制御制御棒挿入条件成立信号７０を出力する。初期制御制御棒挿入条件成立信号７０は、自己保持回路７２及び第１のＯＲ回路７３によって保持され、回路７１がＯＦＦされるまで出力される。

初期制御制御棒挿入条件成立信号７０が出力されると図３の制御ロジックに従って制御棒４の挿入が行われる。図２における初期制御制御棒挿入条件成立信号７０は図３における第２のＡＮＤ回路８４に入力される。この第２のＡＮＤ回路８４には前記初期制御制御棒挿入条件成立信号７０に加え、第２の原子炉周期逆数比較器８１及び第２の制御棒駆動停止時間比較器８２からの信号が入力され、論理積が取られる。第２の原子炉周期逆数比較器８１は原子炉周期逆数Ｎ２が設定値ｇ以上にあることを判定し、第２の制御棒駆動停止時間比較器８２は制御棒駆動停止時間Ｔ２が設定値ｋ（数秒から数十秒程度)以上であることを判定する。信号７０と第２の原子炉周期逆数比較器８１及び第２の制御棒駆動停止時間比較器８２の出力がすべて成立するときに第２のＡＮＤ回路８４が成立し、制御棒挿入要求信号８５が図１の制御棒駆動制御器８に出力され、制御棒４が挿入される。

回路７１による初期制御制御棒挿入条件成立信号７０の解除は、第２の炉水温度変化率比較器７４において炉水温度変化率Ｄ２が後述の炉水温度変化率設定値ｂと同値以上となったとき、あるいは第２の昇温加速度比較器７５において昇温加速度Ａ２が昇温加速度設定値ｚ未満となり第３のＡＮＤ回路７７が成立したときにＯＲ回路７８から出力される信号によってなされる。ここで、第３のＡＮＤ回路７７には前記初期制御制御棒挿入条件成立信号７０が入力される。回路７１による初期制御制御棒挿入条件成立信号７０の解除と同時に一定昇温制御移行条件成立信号７９が出力され、図４及び図５の制御ロジックによる制御に移行する。

図４の制御棒挿入判定ロジックは、第３のＯＲ回路５８によって第４の又は第５のＡＮＤ回路５３、５７のいずれかが成立しているときに制御棒挿入要求信号８５を出力する。第４のＡＮＤ回路５３は、第２の原子炉周期逆数比較器８１と第３の炉水温度変化率比較器５２の２つの判定が満足されるときに成立する。また、第５のＡＮＤ回路５７は、第２の原子炉周期逆数比較器５４、第２の炉水温度変化率比較器７４、及び昇温加速度比較器５６の３つの判定がすべて満足されたとき成立する。そしてこの制御棒挿入要求信号８５が図１の制御棒駆動制御器８に出力されることによって制御棒４の挿入操作がなされる。以下、前記５つの条件について具体的に説明する。

１）第１の条件： 第２の原子炉周期逆数比較器８１は、中性子束モニタ２６が出力する原子炉周期の逆数Ｎ２が原子炉周期逆数の設定値ｇ以上となることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第４のＡＮＤ回路５３に出力する。この設定値ｇは原子炉周期逆数Ｎ２が正で且つある程度の大きさをもっていることを判定するのに用いる。原子炉周期逆数Ｎ２が設定値以上にあるとき、中性子束は上昇中であり、炉心２に正の反応度が印加された状態にあるとみなすことができる。

２）第２の条件： 第３の炉水温度変化率比較器５２は、温度変化率算出器２２が出力した炉水温度変化率Ｄ３が予め設定してある炉水温度変化率設定値ａ（例えば目標炉水温度変化率と同程度の値など)以上にあることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第４のＡＮＤ回路５３に出力する。炉水温度変化率Ｄ３が炉水温度変化率設定値ａ以上であることによって炉水温度が上昇中であること、及び炉水温度変化率Ｄ３の過大化を抑制するための制御棒挿入が必要な状態に達したことが判断できる。炉水温度変化率設定値ａは、例えば、運転員が図１の入力部３０から直接入力することに予め設定しておくことができる。また、入力部３０から入力された目標炉水温度変化率に一定の加算処理を行って自動的に設定することもできる。炉水温度変化率設定値ａは炉水温度変化率Ｄ３の過大化を抑制するための制御棒挿入を判断する目安であり、解析や運転実績から得られるデータに基づいて適切に設定することができる。第５のＡＮＤ回路５７には第２の原子炉周期逆数比較器８１、第２の炉水温度変化率比較器７４及び第２の昇温加速度比較器５６の各比較出力が入力される。

３）第３の条件： 第２の原子炉周期逆数比較器８１は、中性子束モニタ２６が出力する原子炉周期の逆数Ｎ２が原子炉周期逆数の設定値ｇ以上となることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第５のＡＮＤ回路５７に出力する。

４）第４の条件： 第２の炉水温度変化率比較器７４は、温度変化率算出器２２が出力した炉水温度変化率Ｄ２が予め設定してある炉水温度変化率設定値ｂ以上になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号をＡＮＤ回路５７に出力する。

５）第５の条件： 第２の昇温加速度比較器５６は、温度変化率算出器２２が出力した昇温加速度Ａ２が予め設定してある昇温加速度設定値ｘ（正値)以上になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第５のＡＮＤ回路５７に出力する。

ここで、炉水温度変化率設定値ｂは、前述のように第３の炉水温度変化率比較器５２の判定に用いた炉水温度変化率設定値ａよりも低めの値として、例えば炉水温度変化率設定値ａより５℃／ｈ程度低めの値に設定する。設定は、運転員による図１の入力部３０からの直接入力、入力部３０から入力された目標炉水温度変化率に一定の加算処理を行って自動的に設定するなどによって行うことができる。炉水温度変化率設定値ｂは、第２の昇温加速度比較器５６で昇温加速度が明らかに正であることが判定されるのと相まって炉水温度変化率の過大化を抑制するための制御棒挿入を判断する目安であり、解析や運転実績から得られるデータに基づいて適切に設定することができる。

上記第４のＡＮＤ回路５３は炉水温度変化率Ｄ３が高めであることをもって直ちに制御棒挿入をなすものである。これに対して第５のＡＮＤ回路５７では炉水温度変化率Ｄ２が多少低めであっても昇温加速度が正であるならば制御棒挿入を行うものである。これらのいずれかによって制御棒挿入を行うことにより制御棒挿入の操作遅れを最小限にすることができる。

図５の制御棒引抜判定ロジックは、第４のＯＲ回路６８によって第６のＡＮＤ回路６３又は第７のＡＮＤ回路６７のいずれかが成立しているときに制御棒引抜要求信号６９を出力する。第６のＡＮＤ回路６３は、第３の原子炉周期逆数比較器６１と第４の炉水温度変化率比較器６２の２つの判定が満足されるときに成立する。また、第７のＡＮＤ回路６７は、第３の原子炉周期逆数比較器６４、第５の炉水温度変化率比較器６５、及び第３の昇温加速度比較器６６の３つの判定がすべて満足されて成立する。そしてこの制御棒引抜要求信号６９が図１の制御棒駆動制御器８に出力されることによって制御棒の引抜操作がなされる。以下、前記５つの条件について具体的に説明する。

１）第１の条件： 第３の原子炉周期逆数比較器６１は、中性子束モニタ２６が出力する原子炉周期の逆数Ｎ３が原子炉周期逆数の設定値ｈ未満となることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第６のＡＮＤ回路６３に出力する。この設定値ｈは原子炉周期が負値又は正値であっても非常に長い原子炉周期(例えば数千秒)であることを判定するのに用いる。原子炉周期の逆数Ｎ３が設定値ｈ未満であるとき、中性子束は下降中、一定、僅かに上昇中であり昇温の加熱源が増加する見込みがないとみなすことができる。

２）第２の条件： 第４の炉水温度変化率比較器６２は、温度変化率算出器２２が出力した炉水温度変化率Ｄ４が目標炉水温度変化率よりも低い値として予め設定してある炉水温度変化率設定値ｄ未満になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第６のＡＮＤ回路６３に出力する。炉水温度変化率Ｄ４が炉水温度変化率設定値ｄ(例えば目標炉水温度変化率より１０℃／ｈ程度低めの値)未満であることによって炉水温度変化率が目標値よりも低い昇温速度で昇温されていることが判断できる。炉水温度変化率設定値ｄは、例えば、運転員が図１の入力部３０から直接入力し、予め設定することができる。また、入力部３０から入力された目標炉水温度変化率に一定の加算処理を行って自動的に設定することもできる。炉水温度変化率設定値ｄは炉水温度変化率Ｄ４が目標炉水温度変化率から大きく低下して昇温操作が遅れることを防止するための制御棒引抜きを判断する目安であり、解析や運転実績から得られるデータに基づいて適切に設定することができる。第７のＡＮＤ回路６７には、第３の原子炉周期逆数比較器６１、第５の炉水温度変化率比較器６５及び第３の昇温加速度比較器６６の比較出力が入力される。

３）第３の条件： 第３の原子炉周期逆数比較器６１は、前述の第６のアンド回路６３に入力される比較器と同一のもので、原子炉周期の逆数Ｎ３が原子炉周期逆数の設定値ｈ未満となることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第７のＡＮＤ回路６７に出力する。

４）第４の条件： 第５の炉水温度変化率比較器６５は、温度変化率算出器２２が出力した炉水温度変化率Ｄ５が予め設定してある炉水温度変化率設定値ｃ未満になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第７のＡＮＤ回路６７に出力する。

５）第５の条件： 第３の昇温加速度比較器６６は、温度変化率算出器２２が出力した昇温加速度Ａ３が予め設定してある昇温加速度設定値ｙ(負値)未満になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第７のＡＮＤ回路６７に出力する。

なお、炉水温度変化率設定値ｃは、前記第４の炉水温度変化率比較器６２に用いた炉水温度変化率設定値ｄよりも高めの値として、例えば炉水温度変化率設定値ｄより５℃／ｈ程度高めの値を設定する。設定は、運転員による図１の入力部３０からの直接入力、入力部３０から入力された目標炉水温度変化率に一定の加算処理を行って自動的に設定するなどによって行うことができる。炉水温度変化率設定値ｃは、第３の昇温加速度比較器６６で昇温加速度Ａ３が明らかに負であることが判定されるのと相まって炉水温度変化率Ｄ５が目標値を大きく下回った状態で昇温操作が遅れるのを防止するための制御棒引抜きを判断する目安であり、解析や運転実績から得られるデータに基づいて適切に設定することができる。

上記第６のＡＮＤ回路６３は炉水温度変化率Ｄ４が目標値に対してかなり低めであることをもって直ちに制御棒４の引抜きを行わせるものである。これに対して第７のＡＮＤ回路６７では炉水温度変化率だけでは引抜き判断がつかないときに昇温加速度Ａ３が負であることを条件として制御棒４の引抜操作を遅れることなく行うものである。これらのいずれかによって制御棒引抜きを行うことにより制御棒引抜きの操作遅れを最小限にすることができる。

以上のように、図２及び図３の制御ロジックに図４及び図５の制御ロジックを組み合わせることによって、昇温昇圧過程の初期制御時などに起こり得る炉水温度変化率の過大化の抑制に重点をおいた制御を行うことができ、またそれ以後の一定昇温制御時においても目標とする炉水温度変化率から大きく変動しない安定した制御を行うことが可能となる。その結果、炉水温度変化率の管理基準を遵守しながら好適な昇温昇圧操作を容易に行うことができる。

図６は、本実施形態に係るシステムの評価例を示す図である。同図に示した特性は、沸騰水型原子炉について、臨界操作直後からの昇温昇圧の過程における中性子束レベルと炉水温度変化率の時間的な挙動をシミュレーションして評価したものである。動作条件は、初期の炉水温度が８０℃、臨界過程終了直後の原子炉周期が約１５０秒、炉心の減速材温度反応度係数は制御棒の挿入引抜き双方向の操作が必要になるよう僅かに正の値とし、目標とする炉水温度変化率は３０℃／ｈである。

図６において、曲線Ａ１は本実施形態に係る出力制御方法による制御棒操作で制御棒４の挿入及び引抜きがなされた場合の中性子束の時間変化を示し、曲線Ｂ１はこの場合の炉水温度変化率の時間変化を示す。直線（破線）Ｃは目標炉水温度変化率であり、この目標炉水温度変化率Ｃは図４の第３の炉水温度変化率比較器５２における炉水温度変化率設定値ａでもある。この評価例では目標炉水温度変化率Ｃは３０℃／ｈに設定されている。直線（１点鎖線）Ｄは炉水温度変化率の管理基準であり、この評価例では５５℃／ｈに設定されている。直線（破線）Ｆは図４の第２の炉水温度変化率比較器７４における炉水温度変化率設定値ｂであり、また図５における第５の炉水温度変化率比較器６５における炉水温度変化率設定値ｃでもある。この評価例では２５℃／ｈに設定されている。直線（破線）Ｇは図５の第４の炉水温度変化率比較器６２における炉水温度変化率設定値ｄであり、この評価例では２０℃／ｈに設定されている。直線Ｈは制御棒引抜量を表すものであり、制御棒４を引抜くとステップ状に上昇し、挿入するとステップ状に低下する様子を示している。本評価例では、約２０分頃から炉水温度変化率Ｂ１の上昇が始まり、昇温の開始点となっている。

このとき図２の第１の制御棒駆動停止時間比較器４１、第１の原子炉周期逆数比較器４２及び第１の昇温加速度比較器４３の判定が満たされている。時刻ｔ１(約３０分)に炉水温度変化率Ｂ１が設定値ｓ(１５℃／ｈ)以上となり第１の炉水温度変化率比較器４４の判定が満たされ、第１のＡＮＤ回路４０が成立して初期制御制御棒挿入条件成立信号７０が出力され、図３の制御ロジックに従って制御棒挿入操作がなされている。

この制御棒挿入後、約３４分に炉水温度変化率Ｂ１が炉水温度変化率設定値ｂである図中Ｆに達し、図２の第２の炉水温度変化率比較器７４成立によって回路７１をＯＦＦにして初期制御を終了し、信号７９を発生させて一定昇圧制御に適用する図４及び図５の制御ロジックに移行する。

時刻約５４分には図４の第２の原子炉周期逆数比較器８１、第２の炉水温度変化率比較器７４及び第２の昇温角度比較器５６が満たされ、第５のＡＮＤ回路５７が成立することによって制御棒挿入が行われる。その後、時刻約６１分には図５の第３の原子炉周期逆数比較器６１、第５の炉水温度変化率比較器６５及び第３の昇温加速度比較器６６が満たされ、第７のＡＮＤ回路６７が成立することによって制御棒引抜きが行われ、時刻約７１分には図４の第２の原子炉周期逆数比較器８１、第２の炉水温度変化率比較器７４及び第２の昇温角度比較器５６が満たされ第５のＡＮＤ回路５７が成立することによって制御棒挿入が行われている。

このような制御がなされた結果、炉水温度変化率Ｂ１は目標炉水温度変化率Ｃに対してやや低い推移をしているが、概ね目標炉水温度変化率Ｃに沿った制御を実現できている。また本評価例からは、上記それぞれの回路に設定する設定値をさらに最適化することによって、より目標値にそった制御を実現できることが予想できる。

図６の評価例では減速材温度係数が僅かに正の値とした。図７には、本実施形態形態で実施した場合の効果がより分かりやすいように減速材温度係数が大きい場合の評価例を示す。この評価例では、制御棒操作が挿入方向のみとなるが、その操作タイミングを適切にすることが示される。以下に具体的に説明する。

前記図６の評価例と同じく初期の炉水温度は８０℃、臨界過程終了直後の原子炉周期は約１５０秒、目標とする炉水温度変化率は３０℃／ｈである。図７の曲線Ａ２は本発明による出力制御方法による制御棒操作で制御棒の挿入がなされた場合の中性子束の時間変化であり、中性子束の時間的変化Ａ２が急激に低下しているタイミングは制御棒が挿入されたタイミングであることを表している。曲線Ｂ２はこの場合の炉水温度変化率の時間変化である。一方、曲線Ａ３は従来から実施されている操作で動作させたときの炉水温度上昇開始後の初期制御時において制御棒挿入の判断が遅れ、目標炉水温度変化率(３０℃／ｈ)に達した時点で制御棒挿入を行ったと仮定した場合の中性子束の時間変化を示すもので、曲線Ｂ３はこの場合の炉水温度変化率の時間変化である。いずれの場合も約２０分頃から炉水温度変化率Ｂ２及びＢ３が上昇し始め、昇温の起点となっている。

制御棒の挿入が遅れた場合の評価例では、炉水温度変化率Ｂ２が目標炉水温度変化率に達した時点ｔ２(約３５分)を制御棒挿入を開始する判断目安とした。その後も制御棒４の挿入を行って中性子束Ａ３を適正な大きさに近づけているが、制御棒挿入開始した時点で加熱源である中性子束Ａ３が上昇し過ぎていたことによってその後の炉水温度変化率Ｂ３の過大化が避けられず、約４３分に炉水温度変化率Ｂ３は最大となり４８℃／ｈに達している。これは目標値３０℃／ｈに対して１８℃の超過である。

一方、本実施形態による評価例では、約２０分頃から炉水温度変化率Ｂ２が上昇し始めると図２の第１の制御棒駆動停止時間比較器４１、第１の原子炉周期逆数比較器４２及び第１の昇温加速度比較器４３の判定が条件を満たすことになる。さらに時刻ｔ１(約３０分)に炉水温度変化率が設定値(１５℃／ｈ)以上となり第１の炉水温度変化率比較器４４の判定が満たされ、第１のＡＮＤ回路４０が成立して初期制御制御棒挿入条件成立信号７０が出力され、図３の制御ロジックに従って制御棒挿入操作がなされる。この制御棒挿入後、約３３分に炉水温度変化率が炉水温度変化率設定値ｂである図中Ｆに達し、図２の回路７４成立によって回路７１をＯＦＦにして初期制御を終了し、信号７９を発生させて一定昇圧制御に適用する図４及び図５の制御ロジックに移行する。

時刻約３５分には図４の第２の原子炉周期逆数比較器８１、第２の炉水温度変化率比較器７４及び第２の昇温角度比較器５６が満たされ、第５のＡＮＤ回路５７が成立することによって制御棒挿入が行われている。その後、時刻約４１分には図４の第２の原子炉周期逆数比較器８１及び第３の炉水温度変化率比較器５２が満たされ、第４のＡＮＤ回路５３が成立することによって制御棒挿入が行われ、時刻約５８分には図４の第２の原子炉周期逆数比較器８１、第２の炉水温度変化率比較器７４及び第２の昇温角度比較器５６が満たされ、第５のＡＮＤ回路５７が成立することによって制御棒挿入が行われている。

このような制御がなされた結果、炉水温度変化率Ｂ１は管理基準Ｄを超えることなく、目標炉水温度変化率Ｃにそった制御を実現している。

制御棒挿入が遅れたこの評価例では、本実施形態の場合に比べて制御棒４の操作遅れは約５分にすぎない。つまり数分間の操作遅れが炉水温度変化率に大きく影響することが分かる。逆に、制御棒挿入が早過ぎると炉水温度変化率が低下し過ぎて、起動操作が遅れることについても前述の通りである。このことからも、減速材温度係数が正の場合には制御棒操作のタイミングが非常に重要な意味を持つことが分かる。減速材温度係数が正である炉心のこのような特性は、運転員に大きな負担をかけることになるが、本実施形態のように制御すれば、炉水温度変化率の過大化を有効に抑えることができ、安全で適切な原子炉臨界操作や昇温昇圧操作を容易に行うことができる。

＜第２の実施形態＞
図８は本発明の第２の実施形態に係る原子炉及び原子炉出力制御装置のシステム構成の概略を示す図である。この第２の実施形態は本発明における第２の手段と第３の手段とを組み合わせた原子炉出力制御装置の例である。

本実施形態では、図８に示すように第１の実施形態において温度検出器２０の出力側に炉水温度差検出器２９を並列に設けたことを特徴としている。そして、この炉水温度差検出器２９を設けたことから、図９に示すように図２における第１の昇温加速度比較器４３に代えて炉水温度差比較器４８としている。その他の各部は前述の第１の実施形態と同一なので、異なる点についてのみ説明し、重複する説明は省略する。

図８において、原子炉１０に接続された配管１０ａ内に設置された熱電対１６によって検出された配管１０ａ内の温度は、検出温度に対応した信号として温度検出器２０へ出力される。温度検出器２０は、熱電対１６からの信号に応じた温度を算出し、それを制御棒自動制御器３４と温度変化率算出器２２及び炉水温度差算出器２９へ出力する。すなわち熱電対１６と温度検出器２０は、原子炉１０内の炉水の温度を検出する炉水温度検出手段として機能する。

炉水温度差算出器２９は炉水温度差算出手段として機能する。具体的には、温度検出器２０からの検出信号を入力し、制御棒駆動制御器８が制御棒自動制御器３４に出力する制御棒の状態（制御棒挿入中、制御棒引抜き中、制御棒駆動完了、制御棒の現在位置）に関する信号を制御棒自動制御器３４から入力し、制御棒４の状態が制御棒駆動完了となって継続している間は制御棒駆動完了となったときを基準とした炉水温度の差分を一定周期で計算し、その計算結果すなわち炉水温度差（正なら炉水温度上昇、負なら炉水温度低下）を制御棒自動制御器３４へ出力する。

制御棒自動制御器３４は、温度検出器２０で検出した炉水温度、温度変化率算出器２２が出力する炉水温度変化率及び昇温加速度、中性子束モニタ２６の出力する中性子束レベルと原子炉周期、停止時間カウンタ２３が出力する制御棒駆動停止時間、炉水温度差算出器２９が出力する炉水温度差、及び入力部３０から運転員により設定された炉水温度変化率目標値を入力とし、自動制御時には制御棒駆動制御器８に適切なタイミングで制御棒駆動信号を出力する。一方、手動制御時には、運転員に対して制御棒の挿入あるいは引抜き操作を実施するように指示する表示を表示装置３６で行う。制御棒自動制御器３４は、炉水温度差算出器２９に対して、制御棒駆動制御器８から得られる制御棒の状態（制御棒挿入中、制御棒引抜き中、制御棒駆動完了、制御棒の現在位置）に関する信号を出力する。

図９、図３、図４及び図５に、制御棒自動制御器３４に内蔵させてある制御ロジックの例を示す。図９及び図３は初期制御における制御棒挿入の判定をなす制御ロジック（本発明における第２の手段に対応する制御ロジック）であり、図４及び図５は一定昇温制御における制御棒挿入の判定をなす制御ロジック及び制御棒引抜の判定をなす制御ロジック（本発明における第３の手段に対応する制御ロジック）である。

図９の初期制御制御棒挿入条件の判定ロジックは、４つの条件すなわち第１の制御棒駆動停止時間比較器４１、第１の原子炉周期逆数比較器４２、第１の炉水温度差比較器４８、及び第１の炉水温度変化率比較器４４の判定がすべて満足されてＡＮＤ回路４５が成立するとき、初期制御制御棒挿入条件成立信号７０を発生させる。この初期制御制御棒挿入条件成立信号７０に続いて図３の制御棒挿入要求信号８５が図８の制御棒駆動制御器８に出力されることによって制御棒４の炉心２への挿入操作がなされる。以下、前記４つの条件について具体的に説明する。

１）第１の条件： まず、第１の制御棒駆動停止時間比較器４１は、停止時間カウンタ２３から入力される制御棒駆動停止時間Ｔ１が予め設定された経過時間の設定値ｊ以上にあることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４５に出力する。この経過時間の設定値ｊは、制御棒操作による反応度印加の応答時間を過ぎていることを判断する目安値（例えば１５分間程度）であり、この時間を過ぎているときは制御棒以外の反応度要因によって中性子束の状態が変化する状態にあるものとみなすことができる。

２）第２の条件： 第１の原子炉周期逆数比較器４２は、中性子束モニタ２６が出力する原子炉周期の逆数Ｎ１が原子炉周期逆数の設定値ｆ以上となることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４５に出力する。この設定値ｆは原子炉周期が正であることを確実に判定できればよい。原子炉周期の逆数Ｎ１が設定値ｆ以上であるとき、中性子束は上昇中であり炉心に正の反応度が印加された状態にあるとみなすことができる。

３）第３の条件： 第１の炉水温度差比較器４８は、炉水温度差算出器２９において制御棒停止開始からの制御棒停止継続時間に生じた炉水温度差Ｗ１が予め設定された炉水温度差設定値ｕ（正値）以上にあることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４５に出力する。これによって、減速材温度の上昇による反応度が印加されていることをみる。

４）第４の条件： さらに第１の炉水温度変化率比較器４４は、温度変化率算出器２２が出力した炉水温度変化率Ｄ１が予め設定された炉水温度変化率の設定値ｓ(ただし正値)以上になることを判定し、これを満たすときはＯＮ信号を第１のＡＮＤ回路４５に出力する。炉水温度変化率Ｄ１が炉水温度変化率設定値ｓ以上であることによって、炉水温度が上昇中であることが判断できる。また、炉水温度変化率設定値ｓは管理基準に達する前に制御棒挿入を判断する目安値(例えば１５℃／ｈ程度)として設定しておくものであり、炉水温度変化率Ｄ１がその目安値を超えたと判断することができる。

上記１）ないし４）の４条件がすべて満足されて第１のＡＮＤ回路４５が成立するときは、制御棒４以外の要因すなわち炉水温度の上昇による正の反応度印加によって中性子束が継続して上昇中であることから、初期制御制御棒挿入条件成立信号７０を出力する。初期制御制御棒挿入条件成立信号７０は、自己保持回路７２及び第１のＯＲ回路７３によって保持され、回路７１がＯＦＦされるまで出力される。初期制御制御棒挿入条件成立信号７０が出力されると図３の制御ロジックに従って制御棒挿入が行われる。図３の初期制御制御棒挿入条件成立信号７０は図９の初期制御制御棒挿入条件成立信号７０と同じ信号であり、同時に原子炉周期が設定値以上にあって制御棒駆動停止時間Ｔ１が設定値(数秒から数十秒程度)以上にあるときに図３の第２のＡＮＤ回路８４が成立し、制御棒挿入要求信号８５が図８の制御棒駆動制御器８に出力され、制御棒４が挿入される。

回路７１による初期制御制御棒挿入条件成立信号７０の解除は、第２の炉水温度変化率比較器７４において炉水温度変化率Ｄ２が後述の炉水温度変化率設定値ｂと同値以上となったとき、あるいは回路７５において昇温加速度が昇温加速度設定値ｚ未満となり第３のＡＮＤ回路７７が成立したときになされる。ここで、第３のＡＮＤ回路７７に入力される信号７０は前記第１のＡＮＤ回路４５から第１のＯＲ回路７３を経て出力される初期制御制御棒挿入条件成立信号７０と同じである。回路７１による初期制御制御棒挿入条件成立信号７０の解除と同時に一定昇温制御移行条件成立信号７９が出力され、図４及び図５の制御ロジックによる制御に移行する。

以上のように、図９及び図３の制御ロジックに図４及び図５の制御ロジックを組み合わせることによって、昇温昇圧過程の初期制御時などに起こり得る炉水温度変化率の過大化の抑制に重点をおいた制御を行うことができ、またそれ以後の一定昇温制御時においても目標とする炉水温度変化率から大きく変動しない安定した制御を行うことが可能となる。これにより、炉水温度変化率Ｄ１の管理基準を遵守しながら好適な昇温昇圧操作を容易に行うことができる。

図１０は第２の実施形態に係るシステムの評価例を示す図である。同図に示した特性は、沸騰水型原子炉について、臨界操作直後からの昇温昇圧の過程における中性子束レベルと炉水温度変化率の時間的な挙動をシミュレーションして評価したものである。動作条件は、初期の炉水温度が８０℃、臨界過程終了直後の原子炉周期が約１５０秒、炉心の減速材温度反応度係数は正値で、その絶対値は第１の実施形態の評価で用いた大きい方のものと同じとしている。目標とする炉水温度変化率は３０℃／ｈである。

図１０の曲線Ａ４は本実施形態に係る出力制御方法による制御棒操作で制御棒４の挿入及び引抜きがなされた場合の中性子束の時間変化を示し、曲線Ｂ４はこの場合の炉水温度変化率の時間変化を示す。一方、曲線Ａ５は本発明の実施の形態を用いず炉水温度上昇開始後の初期制御時において制御棒挿入の判断が遅れ目標炉水温度変化率(３０℃／ｈ)に達した時点で制御棒挿入を行ったと仮定した場合の中性子束の時間変化を示し、曲線Ｂ５はこの場合の炉水温度変化率の時間変化を示す。前記直線Ｃ、Ｄ、Ｆ及びＧは前述の第１の実施形態と同様であり、直線Ｊは図８の炉水温度差算出器２９によって算出された炉水温度差である。

制御棒の挿入が遅れた場合の評価例は、前記第１の実施形態と同じであり、制御棒挿入開始した時刻ｔ３(約３５分)で既に加熱源である中性子束Ａ５が上昇し過ぎていたことによって約４３分に炉水温度変化率Ｂ５は最大となり４８℃／ｈに達している。一方、図１０の評価例では、約２０分ころから炉水温度変化率Ｂ４が上昇し始め、このとき図９の第１の制御棒駆動停止時間比較器４１及び第１の原子炉周期逆数比較器４２が条件を満たしている。さらに時刻ｔ１(約２７分)に炉水温度差が設定値(１.５℃)以上となり第１の炉水温度差比較器４８が満たされ、時刻ｔ２(約３０分)に炉水温度変化率が設定値(１５℃／ｈ)以上となり第１の炉水温度変化率比較器４４が満たされ、第１のＡＮＤ回路４５が成立して初期制御制御棒挿入条件成立信号７０が出力され、図３の制御ロジックに従って制御棒挿入操作がなされる。

この制御棒挿入後、約３３分に炉水温度変化率Ｄ２が炉水温度変化率設定値ｂである図中Ｆに達し、図９の第２の炉水温度変化率比較器７４が成立することによって回路７１をＯＦＦにして初期制御を終了し、同時に信号７９を発生させて一定昇圧制御に適用する図４及び図５の制御ロジックに移行する。

時刻約３５分には図４の第２の原炉周期逆数比較器８１、第２の炉水温度変化率比較器７４及び第２の昇温加速度比較器５６が満たされ第５のＡＮＤ回路５７が成立することによって制御棒挿入が行われている。その後、時刻約４１分には図４の第２の原炉周期逆数比較器８１及び第３の炉水温度変化率比較器５２が満たされ第４のＡＮＤ回路５３が成立することによって制御棒挿入が行われ、時刻約５８分には図４の第２の原炉周期逆数比較器８１、第２の炉水温度変化率比較器７４及び第２の昇温加速度比較器５６が満たされ第５のＡＮＤ回路５７が成立することによって制御棒挿入が行われている。

その他、特に説明しない各部は前述の第１の実施形態と同等に構成され、同等に機能する。

このような制御がなされた結果、炉水温度変化率Ｂ４は管理基準Ｄを超えることなく、目標炉水温度変化率Ｃにそった制御を実現できる。すなわち本発明による制御法を用いることで、炉水温度変化率の過大化を有効に抑えることができ、安全で適切な原子炉臨界操作や昇温昇圧操作を容易に行うことができる。

第１の実施形態における原子炉出力制御装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態における初期昇温制御の制御棒挿入条件判定ロジックの構成例を示す図である。 第１の実施形態及び第２の実施形態における初期昇温制御の制御棒挿入に関する制御ロジックの構成例を示す図である。 第１の実施形態及び第２の実施形態における一定昇温制御の制御棒挿入に関する制御ロジックの構成例を示す図である。 第１の実施形態及び第２の実施形態における一定昇温制御の制御棒引抜きに関する制御ロジックの構成例を示す図である。 第１の実施形態における評価例を示す図である。 第１の実施形態における他の評価例を示す図である。 第２の実施形態における原子炉出力制御装置の構成例を示す図である。 第２の実施形態による初期昇温制御の制御棒挿入条件判定ロジックの構成例を示す図である。 第２の実施形態における評価例を示す図である。

符号の説明

２ 炉心
４ 制御棒
８ 制御棒駆動制御器
１０ 原子炉
１２ 中性子束検出器
１８ 原子炉出力制御器
２０ 炉水温度検出器
２２ 温度変化率算出器
２３ 停止時間カウンタ
２６ 中性子束モニタ
２９ 炉水温度差算出器
３４ 制御棒自動制御器

Claims (6)

1. 原子炉内の炉水の温度変化率が所定の基準を満足するように制御棒を操作し、前記原子炉の出力を制御する原子炉出力制御方法において、
   検出された中性子束から原子炉周期を算出する工程と、
   検出された炉水温度から炉水温度変化率及び炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出する工程と、
   を備え、前記工程で算出された前記原子炉周期の逆数、前記炉水温度変化率及び前記昇温加速度がそれぞれ予め設定された値以上であり、制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続しているときに前記制御棒を炉心に挿入することを特徴とする原子炉出力制御方法。
2. 原子炉内の炉水の温度変化率が所定の基準を満足するように制御棒を操作し、前記原子炉の出力を制御する原子炉出力制御方法において、
   検出された中性子束から原子炉周期を算出する工程と、
   検出された炉水温度から炉水温度変化率を算出する工程と、
   制御棒駆動停止の状態が継続している間に検出された炉水温度に生じた炉水温度差を算出する工程と、
   を備え、前記工程で算出された前記原子炉周期の逆数、前記炉水温度変化率及び前記炉水温度差がそれぞれ予め設定された値以上であり、前記制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続しているときに前記制御棒を炉心に挿入することを特徴とする原子炉出力制御方法。
3. 原子炉内の炉水の温度変化率が所定の基準を満足するように制御棒を操作し、前記原子炉の出力を制御する原子炉出力制御方法において、
   検出された中性子束から原子炉周期を算出する工程と、
   検出された炉水温度から炉水温度変化率及び炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出する工程と、
   を備え、
   前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上及び前記炉水温度変化率が予め設定された上限設定値以上であるとき、又は、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上、前記炉水温度変化率が予め設定された前記上限設定値よりも低い予め設定された値以上、及び前記昇温加速度が予め設定された値以上であるときのいずれかのときに前記制御棒を炉心に挿入し、
   前記原子炉周期の逆数が予め設定された値未満及び前記炉水温度変化率が予め設定された下限設定値未満であるとき、又は、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値未満、前記炉水温度変化率が予め設定された前記下限設定値以上の予め設定された値未満、及び前記昇温加速度が予め設定された値未満であるときのいずれかのときに前記制御棒を炉心から引抜くことを特徴とする原子炉出力制御方法。
4. 原子炉内の炉水の温度変化率が所定の基準を満足するように制御棒を操作し、前記原子炉の出力を制御する原子炉出力制御装置において、
   検出された中性子束から原子炉周期を算出する手段と、
   検出された炉水温度から炉水温度変化率及び炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出する手段と、
   前記制御棒の駆動停止時間を計測する手段と、
   前記各算出する手段により算出された前記原子炉周期の逆数、前記炉水温度変化率及び前記昇温加速度がそれぞれ予め設定された値以上であり、制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続しているときに前記制御棒を炉心に挿入させる手段と、
   を備えていることを特徴とする原子炉出力制御装置。
5. 原子炉内の炉水の温度変化率が所定の基準を満足するように制御棒を操作し、前記原子炉の出力を制御する原子炉出力制御装置において、
   検出された中性子束から原子炉周期を算出する手段と、
   検出された炉水温度から炉水温度変化率を算出する手段と、
   前記制御棒の駆動停止時間を計測する手段と、
   前記制御棒の駆動停止状態が継続している間に検出された炉水温度に生じた炉水温度差を算出する手段と、
   前記算出する手段により算出された前記原子炉周期の逆数、前記炉水温度変化率及び前記炉水温度差がそれぞれ予め設定された値以上であり、前記計測する手段により前記制御棒駆動停止の状態が一定時間以上継続していることが計測されたときに前記制御棒を炉心に挿入させる手段と、
   を備えていることを特徴とする原子炉出力制御装置。
6. 原子炉内の炉水の温度変化率が所定の基準を満足するように制御棒を操作し、前記原子炉の出力を制御する原子炉出力制御装置において、
   検出された中性子束から原子炉周期を算出する手段と、
   検出された炉水温度から炉水温度変化率及び炉水温度変化の加速度である昇温加速度を算出する手段と、
   前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上及び前記炉水温度変化率が予め設定された上限設定値以上であるとき、又は、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値以上、前記炉水温度変化率が予め設定された前記上限設定値よりも低い予め設定された値以上、及び前記昇温加速度が予め設定された値以上であるときのいずれかのときに前記制御棒を炉心に挿入させる手段と、
   前記原子炉周期の逆数が予め設定された値未満及び前記炉水温度変化率が予め設定された下限設定値未満であるとき、又は、前記原子炉周期の逆数が予め設定された値未満、前記炉水温度変化率が予め設定された前記下限設定値以上の予め設定された値未満、及び前記昇温加速度が予め設定された値未満であるときのいずれかのときに前記制御棒を炉心から引抜かせる手段と、
   を備えていることを特徴とする原子炉出力制御装置。

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