JP2007147529A

JP2007147529A - 原子炉炉心設計支援システム

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Publication number: JP2007147529A
Application number: JP2005344911A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Sato; 仁佐藤; Hisashi Shiragami; 久之白神; Junichi Sano; 純一佐野; Takemi Narita; 健味成田
Original assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: JP4982820B2

Abstract

【課題】原子炉取替炉心設計の際に、設計案構築時点で考慮すべき制約条件を反映した炉心設計の作業を効率的に行なえるようにする。
【解決手段】本システムは、炉心設計の判定条件等の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段２と、炉心設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判定手段３と、過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段４と、各燃料バンドルごとの燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定手段５と、バンドル反応度情報等を格納する燃料特性データ記憶手段６と、炉停止余裕、燃料配置履歴情報等を配置マップ上に表示する表示手段８と、表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示手段９と、判定条件を満たさない燃料バンドルがある場合に、入れ替え候補となる燃料バンドルを燃料特性データ記憶手段から検索する燃料選定手段７と、を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は原子炉炉心設計支援システムに係り、特に、複数の燃料バンドルの少なくとも一部を取り替えて運転する原子炉炉心の設計時に使用される原子炉炉心設計支援システムに関する。

原子炉取替炉心の燃料配置の設計時においては、前運転サイクルの燃料配置から、高燃焼度低反応度の一部燃料を取り出し、その体数分の新燃料を装荷した燃料の組合せの中から、所定の運転目標を満たす新しい燃料配置を作成する必要がある。炉心燃料の燃焼状況は、沸騰水型原子炉の場合、以下の条件により相違する。（１）炉心構成に用いられた燃料の種別、体数とその配置、（２）運転期間中の原子炉出力レベルと期間、（３）運転期間中の制御棒の挿入量、挿入パターンと操作のタイミング、（４）運転期間中の再循環流量のレベルと操作のタイミング。

このような運転状況はプラントごとに異なり、さらに新設計の燃料の導入状況や運転条件の見直しにより変化するので、定型的な炉心設計は事実上行えない。したがって、炉心設計技術者は、それまでの原子炉の運転実績を踏まえて、シミュレーションコードを利用して原子炉炉心特性を予測し、将来の運転計画を試行錯誤で立案している。この際には、燃料バンドルの最大線出力密度や適切な熱除去のための最大出力などの熱的制限値、および、最大反応度価値を持つ制御棒の引抜時の未臨界度相当の炉停止余裕の制限を詳細に評価している。これら制限値に関わる燃料の特性は、個々の燃料バンドルの燃焼度分布とそれに関連した反応度分布を知ることが重要である。これらは、通常、シミュレーションコードの出力情報として、帳票出力、あるいは、これらを電子的に取り出して数値またはグラフとして確認している。

近年、日本国内の原子炉運転計画では、出力勾配に起因する燃料チャンネルの曲がりや出力レベルの大きな勾配や変化による燃料健全性への影響を重視し、過去の燃料の位置情報を元に、炉心外周位置を経験した燃料やコントロールセル（出力調整に用いる制御棒周りの燃料位置）に対する配置位置の制限条件を考慮するようになった。これらは、炉心設計案を作成する段階で過去の運転実績に基づきチェックする必要がある。

このように炉心の設計者が考慮すべき燃料特性情報は複雑化しているにもかかわらず、これを総合的に効率良く支援する炉心設計支援システムは、これまで提供されていない。

例えば、シミュレーションコードの入力を管理するシステムとしては、特許文献１（プラントシミュレータ）、特許文献２（炉心運転計画作成システム）、特許文献３（炉心管理装置）がある。また、炉心設計結果または原子炉運転実績の熱的制限値を視覚化するシステムとしては、特許文献４（原子炉炉心性能データ視覚化システム）がある。また、設計案を自動構築し定量的な評価関数ベースに性能評価して逐次改善するシステムとしては、特許文献５（原子炉の燃料配置作成装置）および特許文献６（原子炉に関する多重運転制御変数を最適化するためのシステムおよび方法）がある。しかし、前記燃料の位置情報を考慮して設計案を改善する炉心設計者のニーズは満たされていない。

特許文献６では、シミュレーションの結果をもとに２次多項式に写像して構築された多項式予測式により、炉心条件を制御変数として熱的制限値や炉停止余裕を高速に評価する方法を提供している。また、前記特許出願に共通する構成要素として、シミュレータの計算結果をデータ記憶もしくはデータベースに格納して利用するのは公知の技術である。

原子力プラントの稼働率を向上させるためには、定期検査の期間をより短くすることが望まれる。定期検査工程のクリティカルパスとなり得る燃料移動作業は、炉心設計で決定される燃料配置と密接な関係にあるが、個々の設計案構築過程でその影響を評価することは従来の炉心設計支援システムではできなかった。
特開平8-166817号公報特開平9-257990号公報特開平11-352278号公報特開2001-228283号公報特許第2557462号公報特開2001-264478号公報

上述したように従来の炉心設計支援システムでは、原子炉取替炉心設計の際にチェックすべき制約条件を設計案構築時点で提示するインタフェースは提供されていなかった。したがって、計画作成のための実行ジョブの管理や一部の設計案作成自動化が支援されても、設計案の再吟味が必要であった。このため、炉心設計者は設計案構築、シミュレーション実行、評価の反復プロセスが必要であり、設計に時間を要した。また、高度な設計知識およびシミュレーションコードの知識が必要であった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、原子炉取替炉心設計の際に設計案構築時点でチェックすべき制約条件を提示し、これらを確実に反映した炉心設計作業が効率的に行なえるような原子炉炉心設計支援システムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、複数の燃料バンドルと複数の制御棒を配置して、前記複数の燃料バンドルの少なくとも一部を運転サイクルごとに取り替えて運転する原子炉炉心の設計を支援するための原子炉炉心設計支援システムにおいて、原子炉炉心設計の判定条件、炉心設計案に対する炉停止余裕および熱的制限値の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段と、前記判定条件に基づいて炉心設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判定手段と、過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段と、前記燃料配置実績に基づいて各燃料バンドルごとの燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定手段と、設計に用いる燃料のバンドル反応度情報と燃焼度情報と設計案での位置特定情報を格納する燃料特性データ記憶手段と、前記炉停止余裕と熱的制限値、および、燃料配置履歴情報を、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ上に表示する表示手段と、表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示手段と、前記判定条件を満たさない燃料バンドルがある場合に、入れ替え候補となる燃料バンドルを燃料特性データ記憶手段から検索する燃料選定手段と、を有することを特徴とする。

請求項１の原子炉炉心設計支援システムによれば、燃料配置履歴情報を例えば対象燃料イメージ上に判別可能なシンボルで表示し、同時に表示機構に原子炉炉心設計の前記判定条件を満足しない燃料バンドル位置、および、炉心特性を改良する際に必要な燃料バンドル位置のバンドル反応度情報と燃焼度情報を表示する。これにより、炉心設計者は、必要な制限条件を確認しながら、設計案を改良できる燃料の情報を表示機構で集約して判断できる。

また、請求項２に記載の発明は、複数の燃料バンドルと複数の制御棒を配置して、前記複数の燃料バンドルの少なくとも一部を運転サイクルごとに取り替えて運転する原子炉炉心の設計を支援するための原子炉炉心設計支援システムにおいて、原子炉炉心設計の判定条件、炉心設計案に対する炉停止余裕および熱的制限値の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段と、前記判定条件に基づいて炉心設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判定手段と、過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段と、前記燃料配置実績に基づいて各燃料バンドルごとの燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定手段と、設計に用いる燃料のバンドル反応度情報と燃焼度情報と設計案での位置特定情報とを格納する燃料特性データ記憶手段と、前記炉停止余裕と熱的制限値、および、燃料配置履歴情報を、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ上に表示する表示手段と、表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示手段と、指示手段によって指示された少なくとも一つの燃料の位置を順次入れ替えて燃料配置を入れ替える改良候補作成手段と、バンドル入れ替え後の燃料バンドル配置の炉停止余裕と熱的制限値を評価する炉心特性評価手段と、を有することを特徴とする。

請求項２の原子炉炉心設計支援システムによれば、炉心設計者は、必要な制限条件を確認しながら、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ上の燃料バンドル表示において、設計案を改良できる燃料を判断した後の設計案改良を少ない操作で実施し改良効果を確認できる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、前記判定条件を満足しない燃料バンドル位置とその他の少なくとも一つの燃料バンドルの位置の間の複数のバンドル入れ替え案候補のうちで炉停止余裕と熱的制限値の炉心特性評価結果の最適なものを自動選択する自動評価手段をさらに有すること、を特徴とする。

請求項３の原子炉炉心設計支援システムによれば、さらに炉心設計者が選択した範囲で最良の改良案を自動選択できる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、前記表示手段は、前記燃料配置履歴情報として、以前の運転サイクルでの制御棒照射履歴効果量と、炉心外周位置への配置経歴の有無と、反射体隣接経験面をシンボル表示する手段を含むこと、を特徴とする。

請求項４の原子炉炉心設計支援システムによれば、制御棒に面して出力が抑制された履歴を持つ燃料と、外周部反射体近傍で出力勾配の大きな影響を受けた燃料を、炉心設計者が効率的に判断することができる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、前記表示手段は、炉心滞在運転サイクル数ごとまたはバンドル形式ごとのタイプ別に、かつ、前記バンドル反応度情報または燃焼度情報の値の順に、前記炉心特性を改良する際に必要な燃料バンドル位置をソートして表示する手段を含むこと、を特徴とする。

請求項５の原子炉炉心設計支援システムによれば、炉心設計者が入れ替え候補となる燃料バンドルの燃料特性を体系的に把握して、改良候補を効率的に絞り込むことができる。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、前記表示手段は、前記燃料バンドルおよび制御棒配置マップで、選択した燃料バンドルの反応度情報または燃焼度情報の軸方向分布を表示し、かつ１以上の指定バンドルの対応する前記燃料バンドルの反応度情報または燃焼度情報の軸方向分布を同時に表示する手段を含むこと、を特徴とする。

請求項６の原子炉炉心設計支援システムによれば、炉心設計者が３次元の燃料特性を把握して入れ替え候補となる燃料バンドルを効率的に絞り込むことができる。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、バンドル位置入れ替え後の燃料配置の前記バンドル反応度情報と燃焼度情報の対称性をチェックする対称性判定手段と、各対称位置間の前記バンドル反応度情報または燃焼度情報の偏差がそれぞれのしきい値より大きなものを前記燃料バンドルおよび制御配置マップ上に表示する手段と、をさらに有すること、を特徴とする。

請求項７の原子炉炉心設計支援システムによれば、炉心設計者が、炉心内の燃料特性の対称性を確認することで、許容範囲内に燃料特性が収まった設計案改良が実現できる。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、バンドル位置入れ替え後の燃料配置と前サイクル終了時の燃料配置を比較し、燃料移動に要する最少燃料移動ステップ数を計算する燃料移動数評価手段と、制御棒の支持継続を考慮した燃料移動に要する最少燃料移動ステップ数を表示する手段と、をさらに有すること、を特徴とする。

請求項８の原子炉炉心設計支援システムによれば、炉心設計者が定期検査時の燃料移動作業への影響も評価に含めて設計案を評価することができる。

本発明によれば、原子炉取替炉心設計の際に、設計案構築時点でチェックすべき制約条件を提示し、これらを確実に反映した炉心設計作業が効率的に行なえるような原子炉炉心設計支援システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の原子炉炉心設計支援システムの第１の実施の形態を示すブロック構成図である。

第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、炉心設計案に対して炉停止余裕と熱的制限値の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段２と、設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判別機構３と、過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段４と、前記燃料配置実績から燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定機構５と、設計に用いる燃料のバンドル反応度情報と燃焼度情報と設計案での位置特定情報を格納する燃料特性データ記憶手段６と、燃料選定機構７と、表示機構８と、表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示機構９を備える。

設計改善のベースとなる炉心設計案１００を原子炉炉心設計支援システム１が参照する際、シミュレーションコードの実行結果から得られた炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２は、炉心特性データ記憶手段２に格納される。炉心設計案１００に対応する燃料配置１０１と制御棒配置１０２は、表示機構８に燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３として表示される。個々の燃料バンドルについては、Ｘ，Ｙ座標を特定する位置特定情報１０４を対応キーとして、燃料特性データ記憶手段６にバンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６が格納される。バンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６は、シミュレーションコードの実行結果から得られる。

表示機構８と指示機構９により、炉心設計者は、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３の表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択することができる。また、表示モード変更の指示操作によって、燃料特性を表示すべき燃料を特定し、燃料特性データ記憶手段６から当該燃料のバンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６を検索し、数値情報またはカラーコード情報として、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３の表示を変更することもできる。カラーコード情報を用いてバンドルイメージを色別表示した場合は、視認性向上により概略判別が容易になるが、正確な判断のために数値情報を併用して、バンドルイメージ上の数値またはカラーコードの凡例として同時表示するのが望ましい。

また情報量適正化のためにバンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６の表示を随時取りやめることができることが望ましい。

燃料特性データ記憶手段６には、位置特定情報１０４を対応キーに取り出せる情報として、燃料バンドルごとにプラント名コード、装荷された運転サイクルコード、種別コード、一連番号の組合せからなるユニークな燃料識別名２０１を格納する。炉心設計案１００に対応する燃料配置１０１は、燃料識別名２０１が位置特定情報１０４にしたがって配置されたものである。

表示機構８は、前記バンドル反応度情報１０５および燃焼度情報１０６と同様に、指示機構９による燃料バンドルの指示選択か、表示モード変更の指示操作によって、燃料識別名２０１を燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３のイメージを変更して表示する。その一意性から、燃料識別名２０１をキーに位置特定情報１０４、バンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６を特定することも可能である。

条件判別機構３は、炉心特性データ記憶手段２に格納された炉停止余裕１１１と熱的制限値１１２の評価値１３０と判定条件１０を比較し、（１）制限を満たさない位置を特定する。または、（２）制限を満たさない位置近傍の燃料バンドルの反応度情報１０５と燃焼度情報１０６を燃料特性データ記憶手段６から検索し、関連する燃料バンドルの位置を特定する。後者の例としては、バンドル全軸方向の最大値、平均値、軸方向の領域区分での値のいずれかであるしきい値以上の反応度、または、特定領域の平均の反応度以上の反応度を有するバンドルである。後者の場合であっても、炉心設計者は、前記表示機構８でバンドル反応度情報１０５を同時に参照することが可能なので、制限を満たさない原因となった燃料バンドルを厳密に特定する必要はなく、これを含む燃料の部分領域を特定できれば良い。

ここで、炉停止余裕の評価値１１１は、特定の制御棒に対応するものであり、熱的制限値の評価値１１２は、燃料バンドルの限界出力比(CPR)および燃料バンドルの軸方向ノードの線出力密度(LHGR)であって、特定の燃料バンドルに対応する。したがって、表示機構８は、燃料バンドルの位置情報に基づいて、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３の表示に炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２を対応付けることができる。

条件判別機構３は、特定した制限を満たさない位置をもとに、配置改善領域１１３を表示機構８に送る。表示機構８は、前記バンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６と同様に、指示機構９による燃料バンドルの指示選択か、表示モード変更の指示操作によって、炉心特性データ記憶手段２から読み出した炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２を燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３のイメージを変更して表示する。この際、配置改善領域１１３を明確にするため、数値情報の表示形態変更または前記イメージの配置改善領域１１３該当部分の表示形態変更を行なう。例としては、炉停止余裕を満たさない制御棒の赤表示や熱的制限値を満たさない燃料バンドルの赤枠表示である。

配置履歴判定機構５は、炉心設計案１００が対象とする原子力プラントおよび運転サイクルを特定し、その前の連続する数サイクルの燃料配置実績を燃料配置データ記憶手段４から検索する。過去のサイクル数としては、利用可能な範囲で、炉心設計案１００の燃料配置１０１の燃料が含まれている燃料配置実績を選択する。配置履歴判定機構５の処理対象としては、燃料配置データ記憶手段４に格納する燃料配置実績の中の炉心位置依存情報で、かつ、燃料バンドルの健全性に関わる統計情報が扱われる。

第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１では、燃料配置データ記憶手段４の燃料データ２００は、燃料バンドルごとに燃料識別名２０１と位置情報２０２と制御棒照射履歴効果量情報２０３が格納されている。

図２は配置履歴判定機構５による燃料配置履歴情報の作成処理の流れ図である。
燃料配置履歴情報３００は、燃料配置１０１の各燃料バンドルについて求める。燃料識別名２０１をキーとして燃料配置実績を運転サイクルごとに検索し位置情報２０２を得る。位置情報２０２で炉心での位置を最外周反射体境界位置、外周領域、と内部領域として判別する。これに基づき、最外周反射体境界位置または外周領域の経験回数、最大連続経験回数を順次直前サイクルから全ての燃料が燃料配置になかった時点まで時系列の逆順に検索する。最外周反射体境界位置にあった燃料については、隣接面ごとに隣接経験回数を記録する。制御棒照射履歴効果量情報２０３については、前サイクルまでの積算評価値を求める。

配置履歴判定機構５は、各燃料バンドルごとの燃料配置履歴情報３００として、最外周反射体境界位置の総経験サイクル数、前サイクルにおける最外周反射体境界位置の連続経験サイクル数、外周領域の総経験サイクル数、前サイクルにおける外周領域の連続経験サイクル数、バンドル各面の反射体隣接経験回数、制御棒照射履歴効果量積算評価値を算出し、燃料配置１０１と対応する形式で表示機構８に送る。

表示機構８は、前記バンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６と同様に、指示機構９による燃料バンドルの指示選択か、表示モード変更の指示操作によって、燃料配置履歴情報３００を燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３のイメージを変更して表示する。この際、最外周反射体境界位置の総経験サイクル数、前サイクルにおける最外周反射体境界位置の連続経験サイクル数、外周領域の総経験サイクル数、前サイクルにおける外周領域の連続経験サイクル数、バンドル各面の反射体隣接経験回数、制御棒照射履歴効果量積算評価値のうち、炉心設計者が選択した情報をシンボルに符号化し、前記イメージの燃料バンドル分の表示形態変更を行なう。例としては、燃料バンドルイメージの周辺部で数値表示に干渉しない位置に、矩形や三角形、塗りつぶし有無、表示色を変えたシンボルを適用できる。

燃料選定機構７は、前記判定条件１０を満たさない燃料バンドルがある場合、この燃料バンドルの反応度情報１０５と燃焼度情報１０６を燃料特性データ記憶手段６から検索する。得られた反応度情報１０５を基準として、判定条件１０を満たさない炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２を改善するのに有効な、基本的により低反応度の燃料バンドルを燃料特性データ記憶手段６から検索する。反応度の燃焼度依存性は単調な変化ではなく、また運転サイクル期間中の変化も考慮すべきなので、燃焼度情報１０６を検索条件に含めるのが望ましい。燃料選定機構７は、該当する燃料バンドルを選択して、入れ替え候補の位置特定情報１０４として表示機構８に送る。

表示機構８は、指示機構９による配置改善領域１１３内の燃料バンドルの指示選択か、表示モード変更の指示操作によって、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３のイメージを変更して入れ替え候補の燃料バンドルを表示するか、または、入れ替え候補の燃料バンドルの燃料識別名２０１、位置特定情報１０４、バンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６をリスト表示する。リスト表示を行なった場合でも、位置特定情報１０４が特定されるので、指示機構９により、その中の特定のバンドルの選択により、該当燃料の燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３に指示機構９の操作対象を自動切換えすることは可能である。

第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、燃料配置履歴情報を燃料イメージ上に判別可能なシンボルで表示し、同時に表示機構に原子炉炉心設計の前記判定条件を満足しない燃料バンドル位置、および、炉心特性を改良する際に必要な燃料バンドル位置のバンドル反応度情報と燃焼度情報を表示できる。これにより、炉心設計者は、必要な制限条件を確認しながら、設計案を改良できる燃料の情報を表示機構で集約して判断できる。

なお、第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１では、燃料選定機構７における入れ替え候補選定を判定条件１０を満たさない炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２を改善するのに有効な、基本的により低反応度の燃料バンドルを燃料特性データ記憶手段６から検索するとしたが、炉心滞在運転サイクル数ごとまたはバンドル形式ごとのタイプ別に、かつ、前記バンドル反応度情報または燃焼度情報の値の順に、前記炉心特性を改良する際に必要な燃料バンドル位置をソートしてリスト表示するようにしても良い。

炉心滞在運転サイクル数については、燃料特性データ記憶手段６に燃料バンドルごとに記録するか、燃料配置データ記憶手段４から検索することが可能である。バンドル形式ごとのタイプについては、燃料特性データ記憶手段６に記録するか、燃料バンドルの燃料識別名２０１で判定することが可能である。また、表示範囲を低反応度順の何番目までとの条件を付加することは容易である。

通常の炉心設計は１／４ないし１／８炉心対称性を有するので、燃料選定機構７において、検索範囲を判定条件１０を満たさない燃料バンドルの所在象限内に限定することは当然可能である。検索簡略化のために、当該バンドルの燃料特性によらず低反応度の燃料バンドルを燃料特性データ記憶手段６から検索することも可能である。

また、第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１では、燃料選定機構７における入れ替え候補選定に燃料配置履歴情報３００を用いなかったが、判定条件１０を満たさない燃料バンドルの位置特定情報１０４に基づき、適用可能な配置履歴情報３００の条件を限定して、入れ替え候補を絞り込むことも可能である。通常の設計例では、出力操作制御棒の位置の固着のリスクや燃料への出力変化の影響を最小化するため、外周部の装荷履歴をもつ燃料を避ける場合がある。

また、第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１では、表示機構８は、燃料特性データ記憶手段６から燃料のバンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６を検索し、数値情報またはカラーコード情報として、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３の表示を変更するとしたが、通常シミュレーションは３次元計算を行なうので軸方向のバンドル反応度と燃焼度分布情報を持っている。このため、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３において、指示機構９で選択した燃料バンドルの反応度情報または燃焼度情報の軸方向分布を表示することも可能である。

さらに、比較対象とする１以上の指定バンドルの対応する前記燃料バンドルの反応度情報または燃焼度情報の軸方向分布を同時に表示することも可能である。この比較対象の燃料バンドルについては、指示機構９による手動選択、および、燃料選定機構７によって選ばれる自動選択のどちらでも適用可能である。

次に、図３は、本発明の原子炉炉心設計支援システムの第２の実施の形態を示すブロック構成図である。
第２の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、炉心設計案に対して炉停止余裕と熱的制限値の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段２と、設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判別機構３と、過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段４と、前記燃料配置実績から燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定機構５と、設計に用いる燃料のバンドル反応度情報と燃焼度情報と設計案での位置特定情報を格納する燃料特性データ記憶手段６と、表示機構８と、表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示機構９と、指示された１または複数の燃料位置を順次入れ替えて燃料配置を入れ替える改良候補作成機構１１と、バンドル入れ替え後の燃料バンドル配置の炉停止余裕と熱的制限値を評価する炉心特性評価機構１２を備える。

炉心特性データ記憶手段２と、条件判別機構３と、燃料配置データ記憶手段４と、配置履歴判定機構５と、燃料特性データ記憶手段６と、表示機構８の作用は、第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムと共通である。

第２の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムでは、指示機構９により、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３上の燃料バンドル表示において、判定条件１０を満足しない燃料バンドル位置を選択した後、その他の燃料バンドル位置を位置指示操作で１または複数選択し、この間の燃料位置を順次入れ替えて燃料配置を入れ替える指示を行なう。

これにより、改良候補作成機構１１は、バンドル入れ替え後の燃料バンドル配置４０１を作成し、炉心特性評価機構１２に送る。炉心特性評価機構１２は、シミュレータコード５０１の実行、または、事前にシミュレータコードの解析結果に基づいて作成された炉心特性評価モデル５０２に、バンドル配置４０１および制御棒操作計画４０２を入力し、炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２を得る。ここで、制御棒操作計画４０２は、固定計画適用、複数案の順次適用、自動化による最適案の適用のいずれかが適用される。

炉心特性評価機構１２は、以前の改良案を一時領域に退避し、炉心特性データ記憶手段２の改良案を更新する。燃料バンドル配置４０１と制御棒操作計画４０２は、燃料配置１０１と制御棒配置１０２を置換する。表示機構８は、新しい改良案に基づき、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３のイメージを変更して表示する。判定条件１０が満たされない場合は、炉心設計者は別の入れ替え候補を同様に試行する。

第２の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムでは、炉心設計者は、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３上に集約された情報に基づき、必要な制限条件を確認しながら、同じマップ上の燃料バンドル表示に対する少ない操作により、設計案を改良し改良効果を確認できる。また、燃料選定機構７によらず炉心設計者の判断基準で燃料バンドルの入れ替え候補を選択するので、設計に習熟した炉心設計者は、経験則に基づき効率的に候補を絞り込むことも可能である。

なお、燃料選定機構７（図１）で選定されたバンドルの入れ替え候補について、第２の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムの改良候補作成機構１１と炉心特性評価機構１２を適用することも可能である。

次に、図４は、本発明の原子炉炉心設計支援システムの第３の実施の形態を示すブロック構成図である。
第３の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、炉心設計案に対して炉停止余裕と熱的制限値の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段２と、設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判別機構３と、過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段４と、前記燃料配置実績から燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定機構５と、設計に用いる燃料のバンドル反応度情報と燃焼度情報と設計案での位置特定情報を格納する燃料特性データ記憶手段６と、燃料選定機構７と、表示機構８と、表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示機構９と、改良候補作成機構１１と、各階両候補の炉停止余裕と熱的制限値を評価して最適なものを選択する自動評価機構１３を備える。

炉心特性データ記憶手段２と、条件判別機構３と、燃料配置データ記憶手段４と、配置履歴判定機構５と、燃料特性データ記憶手段６と、表示機構８の作用は、第１の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムと共通である。また、燃料選定機構７の作用は、第２の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムと共通である。炉心設計者が燃料選定機構７の処理をバイパスし、炉心設計者の判断基準で燃料バンドルの入れ替え候補を選択することも可能である。

第３の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムでは、指示機構９により、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３上の燃料バンドル表示において、判定条件１０を満足しない燃料バンドル位置を選択した後、その他の燃料バンドル位置を位置指示操作で１または複数選択し、この間の燃料位置のいずれかを入れ替えた中から最適案を自動的に求める指示を行なう。これにより、改良候補作成機構１１は、入れ替え候補リスト４０３を作成し、基準の燃料配置１０１と共に自動評価機構１３に送る。

自動評価機構１３は、基準の燃料配置１０１と入れ替え候補リスト４０３から候補バンドル配置４０４を順次設計案を構成し、制御棒操作計画４０２と組にして評価対象キューに入れる。自動評価機構１３は、評価対象キューから設計案を順次、シミュレータコード５０１の実行、または、事前にシミュレータコードの解析結果に基づいて作成された炉心特性評価モデル５０２によって、炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２を順次得る。自動評価機構１３は、炉停止余裕と熱的制限値の評価値１１１、１１２の結果より、最も望ましい結果の設計案４０６を得る。

自動評価機構１３は、以前の改良案を一時領域に退避し、最も望ましい結果の設計案４０６で炉心特性データ記憶手段２の改良案を更新する。設計案４０６の燃料バンドル配置４０１と制御棒操作計画４０２は、燃料配置１０１と制御棒配置１０２を置換する。表示機構８は、新しい改良案に基づき、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３のイメージを変更して表示する。

第３の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムでは、判定条件を満足しない燃料バンドル位置とその他の燃料バンドル入れ替え案候補に対して炉停止余裕と熱的制限値の炉心特性評価結果の最適なものを自動選択できるので、炉心設計者は、最小限の操作により設計案を改良し改良効果を確認できる。
第２および第３の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１では、ユーザー操作または自動処理により設計案の燃料配置１０１が変更される。

図５は、本発明の原子炉炉心設計支援システムの第４の実施の形態を示すブロック構成図である。
第４の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、第２または第３の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムの構成に加え、対称性判定機構１４を備える。

対称性判定機構１４は、燃料配置１０１が変更された場合、各燃料バンドルの反応度情報１０５と燃焼度情報１０６を燃料特性データ記憶手段６から検索する。次にバンドル反応度情報１０５と燃焼度情報１０６の対称性をチェックして各対称位置間の偏差がしきい値より大きなものの位置特定情報１０４を表示機構８に送る。表示機構８は、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ１０３のイメージを変更して表示する。この際表示形態変更は、他の表示形態変更と区別できるようにカラーコードを変えるか、操作により表示情報を制限するのが望ましい。また、バンドル反応度情報１０５の対称性のみ重視して表示するようにしても良い。

第４の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムは、炉心設計者が、設計過程において炉心内のバンドル反応度情報と燃焼度情報の対称性を確認できるので、許容範囲内に燃料特性が収まった設計案改良が実現できる。

図６は、本発明の原子炉炉心設計支援システムの第５の実施の形態を示すブロック構成図である。
第５の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、第２または第３の実施の形態の原子炉炉心設計支援システムの構成に加え、燃料移動数評価機構１５を備える。

燃料移動作業では、理想的には全ての燃料が現在（移動前）位置から目標位置まで１ステップで移動できるものが最小ステップとなる。取り出し燃料の目標位置と新燃料の現在位置は燃料プールである。ただし、沸騰水型炉の場合は、制御棒は周囲の４燃料バンドルで支えられているので、少なくとも２体で対角に挟む状態を維持する必要がある。これを維持できない場合は、燃料の代わりにダミーバンドルかブレードガイドを用いる必要がある。制御棒を引き抜く場合は、ブレードガイドも併用され４燃料バンドルも取り出されるので、ブレードガイドの移動、制御棒の引き抜きと挿入、配置換え対象燃料の燃料プールへの仮置きをステップ数に加算する。

全燃料体数をN、取り出し燃料体数（＝新燃料体数）をNR、制御棒の引き抜き個所をWR、ある領域の中で取り出される配置換え燃料が含まれる確率ｆ(NR)とする。
WR=0ならば、最小移動数は次式で表される。
STEPmin = (N − NR ) + 2NR = N + NR （１）

同じ制御棒周りの隣の位置に移動する燃料は、必ず制御棒支持を失い、燃料プールへの仮置きとダミーバンドルの使用が発生するので、そのような燃料数をNP、ダミーバンドルの数をNDとすると、最小移動数は次式で表される。
STEPmin = N + NR + 2NP + ND （２）
ここでダミーバンドルは、理想的に順次用いられるとした。

制御棒引き抜きがある場合、ダブルブレードガイドの数をNGとすると、最小ステップは以下の式で近似できる。
STEPmin = N + NR + 2NP + ND + WR (3 + 4ｆ(NR)) + NG （３）

N,ND,NGはプラントごとに決まっている。実際には制御棒引き抜きは定検作業のための作業領域で決まるので、炉心設計上は考慮する必要はない。絶対ステップ数が必要な時に目安として設定することができる。

燃料移動数評価機構１５は、前サイクル終了時の燃料配置を燃料配置データ記憶手段４から得て、バンドル位置入れ替え後の燃料配置と前サイクル終了時の燃料配置を比較し、取り出される燃料（N-NR）と配置換えされる燃料の数NR、および同じ制御棒周りの隣の位置に移動する燃料NPを評価する。次に最少燃料移動ステップ数を前記（２）または（３）式で評価し、表示機構８に送る。表示機構８は、燃料移動に要する最少燃料移動ステップ数を計算し表示する。

第５の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、燃料移動に要する最少燃料移動ステップ数を計算し表示するので、炉心設計者が定期検査時の燃料移動作業への影響も評価に含めて設計案を評価することができる。定期検査工程における燃料移動作業は前定期検査期間に大きな影響を与えており、その所要時間は、燃料交換機の能力が同じならば燃料移動ステップ数にほぼ比例したものとなっている。したがって、第５の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、定期検査の工程にゆとりを与えるか、定期検査の短縮による原子力プラントの稼働率の向上に寄与できる。

なお、第５の実施の形態の原子炉炉心設計支援システム１は、改良案が変更された時点で最少燃料移動ステップ数を計算し表示するとしたが、最初の改良案を表示する時点で最少燃料移動ステップ数を計算し表示することは当然可能である。

以上説明した本発明の炉心設計支援システムの実施の形態では、原子炉取替炉心設計の際にチェックすべき制約条件として、炉停止余裕、熱的制限値、燃料履歴情報を設計案構築時点で炉心設計者に提示できる。情報確認のためのインタフェースは燃料バンドルと制御棒マップと直接対応したものとなっている。設計案が制約条件を満たさない場合は、改良が必要な部分を明示することが可能であり、設計案に修正を加えるのに必要な燃料の特性情報を効率的に参照することができる。

また、上記炉心設計支援システムの実施の形態は、設計案作成を炉心設計者主体で行なう場合と自動作成機能を活用する場合の双方に適用可能である。したがって、設計案作成自動化の整備状況に応じて、設計システムを円滑に移行して運用することができる。

炉心設計者は必要に応じて、設計案構築、シミュレーション実行、評価プロセスを適用するが、本実施の形態のマンマシンインタフェースは効率化されており、設計案構築と評価におけるの人間側プロセスの負荷を軽減できる。したがって、計算機能力の向上に応じて、設計作業時間を短縮することができる。

炉心設計支援システムを利用するための設計知識は整理されたものでよく、シミュレーションコードやシステム固有のパラメータなどの知識を必要としない。したがって、現在の炉心設計者が短期間で利用方法を習熟でき、設計経験の少ない作業者の学習にも適している。以上の効果により、この炉心設計支援システムは、原子炉取替炉心設計に必要な条件を確実に反映した炉心設計作業を効率的に支援することができる。

本実施の形態の炉心設計支援システムでは、炉心設計案の炉心特性評価結果を炉心特性データ記憶手段、設計に使用する燃料の特性を燃料特性データ記憶手段、過去の運転サイクルの燃料配置実績を燃料配置データ記憶手段として構成してあるが、これらへのアクセスはネットワークを通じて行なうことも可能である。

また、炉心設計支援システムの実施の形態の主要処理機構として、条件判別機構、配置履歴判定機構、燃料選定機構、表示機構および指示機構が構成されるが、これらは一つの計算処理装置に限らず、分散された計算処理装置、遠隔指令を処理するエージェント計算プロセス、または、ウェブサービスであっても良い。したがって、インターネットを含むネットワークで機能する処理システムとして、実施できる。このため、原子力プラントサイト、設計会社、計算サービス会社が協調して作業を行なうことも、多国間の複数拠点で作業を行なうことも可能であり、炉心設計業務の生産性の向上に寄与できる。

本発明に係る原子炉炉心設計支援システムの第１の実施の形態を示すブロック構成図。図１の配置履歴判定機構による燃料配置履歴情報の作成処理の流れ図。本発明に係る原子炉炉心設計支援システムの第２の実施の形態を示すブロック構成図。本発明に係る原子炉炉心設計支援システムの第３の実施の形態を示すブロック構成図。本発明に係る原子炉炉心設計支援システムの第４の実施の形態を示すブロック構成図。本発明に係る原子炉炉心設計支援システムの第５の実施の形態を示すブロック構成図。

符号の説明

１…原子炉炉心設計支援システム、２…炉心特性データ記憶手段、３…条件判別機構、４…燃料配置データ記憶手段、５…配置履歴判定機構、６…燃料特性データ記憶手段、７…燃料配置履歴情報、８…表示機構、９…指示機構、１０…判定条件、１１…改良候補作成機構、１２…炉心特性評価機構、１３…自動評価機構、１４…対称性判定機構、１５…燃料移動数評価機構、１００…炉心設計案、１０１…燃料配置、１０２…制御棒配置、１０３…燃料バンドルおよび制御棒配置マップ、１０４…位置特定情報、１０５…バンドル反応度情報、１０６…燃焼度情報、１１１…炉停止余裕、１１２…熱的制限値、１３０…評価値、２０１…燃料識別名、２０２…位置情報、２０３…燃料棒履歴効果情報、４０１…燃料バンドル配置、４０２…制御棒配置、４０３…入替候補リスト、５０１…シミュレータ、５０２…炉心特性評価モデル。

Claims

複数の燃料バンドルと複数の制御棒を配置して、前記複数の燃料バンドルの少なくとも一部を運転サイクルごとに取り替えて運転する原子炉炉心の設計を支援するための原子炉炉心設計支援システムにおいて、
原子炉炉心設計の判定条件、炉心設計案に対する炉停止余裕および熱的制限値の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段と、
前記判定条件に基づいて炉心設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判定手段と、
過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段と、
前記燃料配置実績に基づいて各燃料バンドルごとの燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定手段と、
設計に用いる燃料のバンドル反応度情報と燃焼度情報と設計案での位置特定情報を格納する燃料特性データ記憶手段と、
前記炉停止余裕と熱的制限値、および、燃料配置履歴情報を、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ上に表示する表示手段と、
表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示手段と、
前記判定条件を満たさない燃料バンドルがある場合に、入れ替え候補となる燃料バンドルを燃料特性データ記憶手段から検索する燃料選定手段と、
を有することを特徴とする原子炉炉心設計支援システム。
複数の燃料バンドルと複数の制御棒を配置して、前記複数の燃料バンドルの少なくとも一部を運転サイクルごとに取り替えて運転する原子炉炉心の設計を支援するための原子炉炉心設計支援システムにおいて、
原子炉炉心設計の判定条件、炉心設計案に対する炉停止余裕および熱的制限値の評価値を格納する炉心特性データ記憶手段と、
前記判定条件に基づいて炉心設計案の判定条件を満たさない燃料バンドルを選定する条件判定手段と、
過去の運転サイクルの燃料配置実績を格納する燃料配置データ記憶手段と、
前記燃料配置実績に基づいて各燃料バンドルごとの燃料配置履歴情報を作成する配置履歴判定手段と、
設計に用いる燃料のバンドル反応度情報と燃焼度情報と設計案での位置特定情報とを格納する燃料特性データ記憶手段と、
前記炉停止余裕と熱的制限値、および、燃料配置履歴情報を、燃料バンドルおよび制御棒配置マップ上に表示する表示手段と、
表示イメージの中で特定の燃料バンドルを指示選択する指示手段と、
指示手段によって指示された少なくとも一つの燃料の位置を順次入れ替えて燃料配置を入れ替える改良候補作成手段と、
バンドル入れ替え後の燃料バンドル配置の炉停止余裕と熱的制限値を評価する炉心特性評価手段と、
を有することを特徴とする原子炉炉心設計支援システム。
請求項１または２に記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、
前記判定条件を満足しない燃料バンドル位置とその他の少なくとも一つの燃料バンドルの位置の間の複数のバンドル入れ替え案候補のうちで炉停止余裕と熱的制限値の炉心特性評価結果の最適なものを自動選択する自動評価手段をさらに有すること、
を特徴とする原子炉炉心設計支援システム。
請求項１ないし３のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、前記表示手段は、前記燃料配置履歴情報として、以前の運転サイクルでの制御棒照射履歴効果量と、炉心外周位置への配置経歴の有無と、反射体隣接経験面をシンボル表示する手段を含むこと、を特徴とする原子炉炉心設計支援システム。
請求項１ないし４のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、前記表示手段は、炉心滞在運転サイクル数ごとまたはバンドル形式ごとのタイプ別に、かつ、前記バンドル反応度情報または燃焼度情報の値の順に、前記炉心特性を改良する際に必要な燃料バンドル位置をソートして表示する手段を含むこと、を特徴とする原子炉炉心設計支援システム。
請求項１ないし５のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、前記表示手段は、前記燃料バンドルおよび制御棒配置マップで、選択した燃料バンドルの反応度情報または燃焼度情報の軸方向分布を表示し、かつ１以上の指定バンドルの対応する前記燃料バンドルの反応度情報または燃焼度情報の軸方向分布を同時に表示する手段を含むこと、を特徴とする原子炉炉心設計支援システム。
請求項１ないし６のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、
バンドル位置入れ替え後の燃料配置の前記バンドル反応度情報と燃焼度情報の対称性をチェックする対称性判定手段と、
各対称位置間の前記バンドル反応度情報または燃焼度情報の偏差がそれぞれのしきい値より大きなものを前記燃料バンドルおよび制御配置マップ上に表示する手段と、
をさらに有すること、を特徴とする原子炉炉心設計支援システム。
請求項１ないし７のいずれかに記載の原子炉炉心設計支援システムにおいて、
バンドル位置入れ替え後の燃料配置と前サイクル終了時の燃料配置を比較し、燃料移動に要する最少燃料移動ステップ数を計算する燃料移動数評価手段と、
制御棒の支持継続を考慮した燃料移動に要する最少燃料移動ステップ数を表示する手段と、
をさらに有すること、を特徴とする原子炉炉心設計支援システム。