JP2007538229A - 不安定密度波振動（オシレーション）からの炉芯の保護 - Google Patents

Abstract

本発明は沸騰水型炉を運転する方法を提供し、この方法は中性子束と連動する密度波振動につながる振動挙動のためにＬＰＲＭ信号を分析する工程、振動挙動が信号中に存在するかどうかを見つける工程、振動挙動が見つけられる場合に炉を保護する是正措置を開始する工程、そして加えて、中性子束と連動しない振動が存在する場合に是正措置を開始する工程を有する。後者の検出は分析的に決定された出力流量マップ上の排他的ゾーンを通じて又はいくつかの高出力の管に関するオンライン安定性計算によって実行される。

Description

本発明は沸騰水型炉原子力発電所に関係する。特に、本発明は炉心が温度限界を超えることを引き起こしかつ燃料にダメージを引き起こす不安定密度波振動から沸騰水型炉の炉心を保護することに関係する。

電力発生のために設計された沸騰水型炉（ＢＷＲ）は水冷却剤が流れる垂直な管（channel)の内側に配列（arrange)された燃料集合体を利用する。各燃料集合体はこの垂直管の内側に配置（array)した複数の垂直ロッドから構成される。垂直ロッドは核分裂性物質（例えば酸化ウラン）のセラミックペレットを内部に積みあげた、密封した筒状チューブである。水は上方に向かって管内を流れそして重同位体の核分裂によってペレット内部に発生した熱を除去する。その冷却機能に加えて、水は減速剤としての役目も果たす。減速剤の機能は、核分裂プロセスで発生する中性子が水分子中の水素原子と衝突しそして減速してさらなる核分裂反応を誘発する可能性を増加するさらに低めのエネルギーになりそして核分裂の連鎖反応が持続されることにより、達成される。

沸騰水型炉において、水は燃料集合管内を上昇するように沸騰することが可能である。水の密度は沸騰プロセスによって低減し、そして減速機能もそれに応じて低減する。

沸騰水型炉の運転の通常モードでは、冷却剤の燃料管を通じる流速は定常かつ安定している、しかしながら、定常状態（steady configuration)からの逸脱が、低減された流量運転下で、特に出力レベルが比較的高いときに、生じる可能性がある。このような運転条件は炉を起動する間及び再循環ポンプのトリップ−予想内の過渡変化−の結果として遭遇する。不安定性のメカニズムはいわゆる密度波と結びつけられそして以下のように説明される。沸騰水型炉の燃料集合体は初期に定常な流入水の流速を伴う垂直な沸騰型の管を有する。この二相混合物の密度プロファイルは高度の関数として単調に減少するものでありそしてやがて一定に(fixed)なる。管出口における冷却剤の密度は、高い流速に対しては高く、そして高い出力に対しては低い。流入流速に小さな摂動（perturbation）が与えられると、流れの密度にそれに相当する摂動が沸騰領域で発生し、そして密度の摂動がその流れとともに管を上方へ移動し、密度波を生じる。同じ質量流量の場合、流れに対する抵抗は流れの密度減少を伴って実質的に上昇する。密度波の管の上方部への移動時間が流入流れの摂動の反転と一致する特別なケースにおいて、共鳴効果が結果として生じ、そして流れの抵抗の変化がもとの摂動を増幅する。増幅の大きさ（マグニチュード）は高い純（net)密度変化、すなわち、出力の流量に対する比、の場合により大きくなり、そして発散する流れの振動を生じるほどに十分大きくなることが可能であり、あるサイクルのピークの以前のサイクルのピークに対する流量変化の大きさの比率（減衰率として知られる）が１を超える。

沸騰水型炉において、密度波が冷却剤の減速機能にこれに対応する変化を引き起こしそして周期的に炉心の反応性を変化させる。変化する反応性は結果として対応する中性子束及び出力振動（オシレーション）を生じる。これらの出力振動が燃料ペレットを徐々に染み通り（ろ過）、これが熱拡散プロセスによって生じた（振動の）減衰及び時間遅れを伴い、そして結果として燃料表面の熱流速振動を生じる。熱流速振動は密度波と相互作用しそして概してそれ（密度波）を増幅する。より小さな径の燃料棒はろ過効果を低減させそして安定性に関して反対の（不利な）効果を有することが着目される。

初期の沸騰水型炉の燃料設計は定型の四角い格子の中での単純な７ｘ７のロッド配列を利用した。線形の熱発生速度が比較的高かったので、出力密度は比較的低かった、これは規定された温度限界になることを避けるために、炉の出力レベルを低く維持することを強制したものである。より新しい設計はより多数のロッド、具体的には８ｘ８、９ｘ９、及び１０ｘ１０ロッド配列を使用する。ロッド数の増加は結果として線形の熱発生速度の低減をもたらしそして燃料管の出力密度の増加を可能にした、しかしながら、ロッド数の増加は２つの反対の効果ももたらした。

ロッド数の増加による１つ目の反対の効果は各ロッドの径が小さくされることである。これは結果として熱伝導時間の比例的な減少をもたらし、そしてその安定化効果を減少させる。

より最近の設計におけるロッド数の増加による２つ目の反対の効果は、副管（サブチャンネル）の水力（学）的な（hydraulic)径が低減されることによる、冷却剤の圧力損失である。二相流の抵抗は流路（管）の上方部において上昇し、これが結果として水力的な安定性の減少をもたらす。

不安定な密度波によって大規模な（large magnitude)流れの振動が発達することは、沸騰水型路において許容されることはできない、それは初めに結果として燃料表面に周期的なドライアウトと再濡れをもたらし、そして不可逆的なドライアウトへ導くことがあるからである。不可逆的なドライアウトの発生はクラッド温度の上昇及びクラッドの損傷及びそこからの放射性物質の漏洩を導く。この理由により、沸騰水型炉の発電所は不安定性に対して保護する手段をとっている。これらの手段は以下である：

１. コンピューターシミュレーションを使用することによって出力−流量マップ上に一以上の排他的ゾーン、そこでは広範囲（global)の又は局地的(regional)なタイプの中性子と連動する（coupled)密度波の不安定性が存在し得る、の境界を画定すること及び前記ゾーンでの運転を制限すること。

２． 中性子束の信号にアクセスするハードウェアを導入すること、そして振動挙動が存在するかどうかを見つけるためにこれらの信号を利用すること。存在する場合炉の緊急停止（scrum)のような保護手段がとられる。

従って沸騰水型炉において密度波を防ぎ、一方でそれと連動する中性子束の信号だけに依存するわけではない、設計を提供するという要求が存在する。

従って本発明の目的は沸騰水型炉において密度波を防ぐことである。本発明は沸騰水型炉を運転する方法を提供し、この方法は中性子束と連動する密度波振動につながる振動挙動のためにＬＰＲＭ信号を分析すること、振動挙動が信号中に存在するかどうかを見つけること；振動挙動が見つけられる場合に炉を保護する是正措置を開始すること、排他的ゾーン（その上方では中性子束と連動しない振動が存在しうる）の境界と関連して運転出力及び流量を決めること、及び中性子束と連動しない振動が存在する場合に炉を保護する是正措置を開始することとを含む。

本発明はまた沸騰水型炉を運転する方法も提供し、この方法は中性子束と連動する密度波振動につながる振動挙動のためにＬＰＲＭ信号を分析する工程、振動挙動が信号中に存在するかどうかを見つける工程、振動挙動が見つけられる場合に炉を保護する是正措置を開始する工程、実際の運転条件でオンラインで安定化プログラムを使用して高出力の管のいくつかを分析する工程及び中性子束と連動しない振動が存在しうるかどうかを見つけるためにチェックする工程、そして中性子束と連動しない振動が存在する場合に炉を保護する是正措置を開始する工程を含む。

連邦規制基準（C.F.R.)１０の別表５０の一般設計基準（GDC)１０、１２の遵守。振動条件下で沸騰水型炉を運転することの排除。検知及び鎮静システムは多くの沸騰水型炉で導入されており、このようなシステムはグループ分けした局部出力範囲監視装置（ローカルパワーレンジモニター、ＬＰＲＭ）を使用して振動する中性子束の信号を検知した際に緊急停止信号を発する。これらのシステムは、実質的に中性子信号には連動せずそしてそれゆえに実質的にＬＰＲＭを使用しても検知できない、純粋な熱的、水力的に不安定な密度波に対する保護を顧みない（neglect)。このような不安定波の存在の発見及びこの検知システムからはそれら（不安定波）が切り離されることが本発明の背後の推進力である。本発明は実質的に中性子束の変化と連動しない不安定な熱的、水力的密度波及びこれに対して沸騰水型炉を保護する方法に関係する。この新しいシステムは２つのコンセプト、すなわち「検知と鎮静」及び「予想と鎮静」（ここで各防護コンセプトは特定の振動モードを対象としている）、を組み合わせることによって完全な保護を提供する。「予想と鎮静」機能は単一の（single)管の水力的振動の成長が発生しうる条件を定義するためにコンピューター化された方法を当てにしており、そしてこれを鎮静するために緊急停止信号を発する。単一の管での振動が存在することはないが、一方で位相の揃った（コヒーレントな）炉心に拡がるまたは部分的なモードの中性子束と連動する振動が存在しうる、他の運転条件が、「検知と鎮静」機能にそれら（振動）が安全な運転制限を超えて成長するのを防止するための緊急停止信号を認識しかつ発するようにされる。

本発明によれば、沸騰水型炉の運転モードが識別されるが、その運転モードでは不安定な水力密度波振動が大きく成長するが、一方で（その振動は）広く行き渡っている位相の揃った（コヒーレントな）振動モード（これは中性子束及び出力の振動と連動する）の振動数とは概して異なるその振動数によってそこから派生した中性子束又は信号とは実質的に連動しない、沸騰水型炉の運転モードが識別される。本発明はまた前記中性子と連動しない密度波に対する保護のための配置を、位相の揃った（コヒーレントな）振動タイプのものからそれら（前記中性子と連動しない密度波）を分離することによって、提供する。本発明によれば、この「検知と鎮静」の方法は中性子と連動するモードだけになるように単純化され、一方で中性子と連動しないモードからの明確な保護がコンピューター化した分析方法（詳細は後述される）に委ねられる。

図（１）は標準的な沸騰水型炉の出力−流量運転マップを表している。ほぼ真っ直ぐなライン（Ａ）は制御棒ラインと定義され、これは運転ポンプによって強制される流量が固定された制御棒に対して変化する出力−流量の関係を表す。カーブしたライン（Ｂ）は自然循環下での出力−流量の関係を表し、ここではポンプは運転していない。カーブ（Ｃ）は先行技術の標準的な排他的ゾーンの境界を表し、これは出力−流量マップをカーブの下側の安定的領域とカーブの上側の潜在的な不安定領域とに分け、ここでは不安定領域は中性子と連動するモードによって定義される。カーブ（Ｎ）は本発明による新規な排他的ゾーンの境界を表し、これは出力−流量マップをカーブの下側の安定的領域とカーブの上側の潜在的な不安定領域とに分け、ここでは不安定性は中性子と連動しない密度波のモードによって定義される。本発明の利点は限定された又は排除された領域のサイズが先行技術のものよりも小さく、これがより優れた運転の柔軟性を可能にすることにある。

図（２）は第一の実施態様での全ての起こり得る不安定モードの増大に対して沸騰水型炉の発電所を保護するためのアルゴリズムの論理的フローダイアグラムである。第一ステップ１０は一組のＬＰＲＭ中性子信号を分析し、そしてこの中性子束の信号がステップ１５で規定されるような振動挙動を示す場合に緊急停止２０（または出力低下のような任意の是正措置）を発する。中性子束信号がノイズレベルを超える振動であると検出されなかった場合（これはこの中性子と連動するモードが励起（excite)していないことを示す）、このアルゴリズムはステップ３０に進む。ステップ３０は運転出力と流量の点が図（１）の（Ｎ）で表される排他的境界より上にあるかどうかをチェックし、そして不安定性がステップ３５で用意されるように予想されるときに２０に従って是正措置を発する。アルゴリズムが不安定性についての否定的な兆候を伴う２つの論理的チェックを通過するとき、本プロセスは発電所の運転温度制限に挑む（challenge)ためには十分な程度の期間内であり不安定性の増大を防ぐためには十分短い期間の周期で繰り返される４０。上述したステップは同一のコンピュータープロセッサーで又は別のコンピュータープロセッサーで、連続的にまたは同時に運転するために適用されることが可能であることが注目される。

図（３）は第二の実施態様での全ての起こり得る不安定モードの増大に対して沸騰水型炉の発電所を保護するためのアルゴリズムの論理的フローダイアグラムである。ステップ１００は 一組のＬＰＲＭ中性子信号を分析すること及び中性子束がステップ１１５で見つけるような振動挙動を示す場合に緊急停止（又は出力低下のような他の是正措置）を発すること１２０を含む。中性子束信号がノイズレベルを超えて振動していると検出されない場合（これは中性子束と連動するモードが励起していないことを意味する）、アルゴリズムは次のステップ１３０へ進む。ステップ１３０は前もってセットされた数の比較的高い出力によって特徴づけられた管のいずれかの運転条件（出力、軸方向の出力プロファイル、流量、入口温度及び圧力）が中性子束と連動しない密度波振動に耐え得るかどうかをチェックする。この運転条件はオンライン監視するコンピュータプログラムから得られる。密度波安定アルゴリズムがステップ１３５で問い合わせられるようないずれかの管で不安定性が生じ得ることを示す場合、緊急停止信号または任意の出力低下のような他の是正措置がステップ１２０で発せられる。このアルゴリズムが不安定性についての否定的な兆候を伴う２つの論理的チェックを通過するとき、本プロセスは発電所の運転温度制限に挑む（challenge)ためには十分な程度の期間内であり不安定性の増大を防ぐためには十分短い期間の周期で繰り返される１４０。上述したステップは同一のコンピュータープロセッサーで又は別のコンピュータープロセッサーで、連続的にまたは同時に運転するために適用されることが可能であることが注目される。同様に、識別された管のそれぞれについての安定性の計算は連続的に又は同時に一以上のコンピュータープロセッサーを使用して実施されることが可能である。

本発明はまた沸騰水型炉の運転モードに対する保護も提供するが、そこ（沸騰水型炉）では単一又はいくつかの燃料管へ入っていく流れが管に沿った不安定な密度波によって増大する振動を被り、そこ（燃料管）ではその密度変化の大きさは小さすぎてフィードバックメカニズムを通じた中性子束の変調へ効果的に連動することができず、これが中性子検知器に振動を検知することができなくする、沸騰水型炉の運転モードに対する保護も提供する。

本発明はまた沸騰水型炉を中性子と連動しない水力的振動から保護する方法も提供し、分析手段によって振動が生じうるとみなされる条件に達した際に自動的に運転停止スクラム又は出力低下信号を発することによって保護する。

本発明はまた、運転出力−流量マップ上の排他的ゾーンの境界が水力的密度波をシミュレートしているコンピュータプログラムを使用して計算されている、沸騰水型炉の少なくとも一の管で中性子と連動しない水力的振動が生じうる条件を定義し、排他的ゾーンの内側ではシミュレートした減衰比が事前にセットした制限よりも大きい。

本発明はまた、いわゆる他の共存（co-resident)する管に対して高出力によって特徴づけられるいくつかのトップ候補の管のそれぞれに関する減衰比がオンラインでコンピューターシミュレーションを使用して計算され、そしていずれかの計算した管の減衰比が事前にセットした制限を超えた場合にスクラム又は出力低下信号が発せられる、沸騰水型炉の少なくとも一の管で中性子と連動しない水力的振動が生じうる条件を定義するための方法も提供する。

本発明は出力振動を検知しそしてそれらを制御棒の挿入によって鎮静し、ここでシステム保護パラメーターは位相の揃った（コヒーレントな）中性子束と連動する水力的振動を鎮静し、一方で中性子と連動しない管振動モードを排除するために十分な時間を割り当てるように変えられる。この波長調整は、中性子と連動しない水力的振動が排除される臨界出力比と出力振動の大きさとの関係を創るための、炉の振動のコンピューターシミュレーションを使用することによって得られる。

不安定な密度波は温度安全限界に挑むほど十分大きく成長することが可能であるが、一方で実質的に中性子束信号を通じては検知不可能である。これは比較的少ない数の管がこのような振動を受けそして励起した中性子束レベルが中性子信号において慣習的に（customary)見られるノイズレベルと同等又はそれ以下でしかないことを考慮すれば、その相互作用が弱いレベルであるためである。この事実が振動を識別するために中性子信号にのみ依存する先行技術の主要な欠点を特定する。

本発明によると、この「検知と鎮静」の解決法は出力振動の広範囲の又は局部的なモードとして知られる中性子と連動するモードだけからなるＤＩＶＯＭ分析を実行することにより抜本的に改善されている。これは結果として高度な信頼性を伴いつつ、発電所の運転の継続性に影響を及ぼし得る振動を誤って識別するという問題はなく、「検知と鎮静」の機能が順調に実施されることを可能にする、比較的小さなスロープの計算したＤＩＶＯＭカーブをもたらす。「検知と鎮静」の機能は中性子と連動しない振動モードを防止するための追加的機能が加えられる。中性子束信号に実質的に連動しない不安定性の基礎的性質が効くために、この増強はＬＰＲＭ信号を当てにすることができない。むしろ、この保護は分析的シミュレーションを当てにし、そしてその保護は「予想と鎮静」のものである。これはいくつかの方法でも実施されることが可能であり、そのうちの２つはここで記述される。

第一の実施態様において、分析的シミュレーションは各運転サイクルに対して推測的に又は十分な数の蓋然的な運転条件がカバーされる各発電所に対して一般的に実行される。分析的シミュレーションは出力−流量マップ上の中性子と連動しない振動が存在しうるゾーンを識別する。このゾーンは図（１）のカーブ（Ｎ）の上側にある。このカーブの上側の排他的ゾーンは同図の中のカーブ（Ｃ）のように示される先行技術のものよりも小さく、これが運転の柔軟性を相当に改善する。中性子と連動しない振動を避けるためにこの分析に基づいた排除方法を使用することによって、そして同時に中性子と連動するモードに対する保護をするために「検知と鎮静」を使用することによって、この発明は全ての蓋然性のある振動モードに対する完全な保護を提供する。第一の実施態様のフローチャートは図（２）として与えられる。

第二の実施態様は第一の実施態様と異なり、推測的な排他的ゾーンを創造するために先駆けて中性子と連動しないモードの安定性を計算する代わりに、同じ物（中性子と連動しないモードの安定性）を計算するためにオンラインのアルゴリズムが使用される。このやり方で排他的ゾーンが、全ての蓋然性のある運転条件のうちの最悪のものの代わりに現実の条件で決定される、そしてそれゆえ発電所の操作者が付加的で不必要な保守主義から救われる。安定性アルゴリズムは発電所監視コンピューターからの入力（インプット）を受けとり、そして分析されるそれぞれの管に関する入力は主として出力、出力プロファイル、流量、入り口流温度、及び系の圧力からなる。オンラインで分析される管の選択はそれらの相対的な出力レベルに基づき、そして最高出力の管が選択されることになる。選択される管の数は、適当な数の候補の管がオンライン分析のために選択されることを確実にするため、オフライン分析によって推測的に決定される。しかしながら選択される管の数に対する制限はない、そして分析が、初期の振動が温度の安全制限に挑むことができるレベルまで成長するための十分な時間を有さないほど、十分短い時間内で完了するのであれば、実質的に炉心にある全ての管は分析されることが可能である。同時プロセスを使用することは振動が存在し得る全ての管がその時期間内に分析されることを確実にするために好ましい方法である。第二の実施態様のフローチャートは図（３）に示される。

沸騰水型炉の出力−流量運転マップの図解。 第一の実施態様での全ての起こり得る不安定モードの増大に対して沸騰水型炉の発電所を保護するためのロジカルアルゴリズムのフローダイアグラム。 第二の実施態様での全ての起こり得る不安定な振動のモードの増大に対して沸騰水型炉の発電所を保護するための論理的アルゴリズムのフローダイアグラム。

Claims (7)

1. 沸騰水型炉を運転する方法であって：
   中性子束と連動する密度波振動につながる振動挙動のためにＬＰＲＭ信号を分析すること；
   振動挙動が信号中に存在するかどうかを見つけること；
   振動挙動が見つけられる場合に炉を保護する是正措置を開始すること；
   その上側では中性子束と連動しない振動が存在し得る排他的ゾーンの境界と関連して運転出力及び流量を決めること；及び
   中性子束と連動しない振動が存在し得る場合に炉を保護する是正措置を開始することとを含んでなる方法。
2. 沸騰水型炉を運転する方法であって：
   中性子束と連動する密度波振動につながる振動挙動のためにＬＰＲＭ信号を分析すること；
   振動挙動が信号中に存在するかどうかを見つけること；
   振動挙動が見つけられる場合に炉を保護する是正措置を開始すること；
   実際の運転条件でオンラインで安定化プログラムを使用して高出力の管のいくつかを分析することそして中性子束と連動しない振動が存在し得るかどうかを見つけるためにチェックすること；及び
   中性子束と連動しない振動が存在し得る場合に炉を保護する是正措置を開始することとを含んでなる方法。
3. 炉を保護する是正措置を開始する工程（ステップ）が炉を緊急停止することである、請求項２に記載された方法。
4. 炉を保護する是正措置を開始する工程（ステップ）が炉の出力を低下することである、請求項２に記載された方法。
5. 炉を保護する是正措置を開始する工程（ステップ）が炉を緊急停止することである、請求項１に記載された方法。
6. 炉を保護する是正措置を開始する工程（ステップ）が炉の出力を低下することである、請求項１に記載された方法。
7. 実際の運転条件でオンラインで安定化プログラムを使用して高出力の管のいくつかを分析することそして中性子束と連動しない振動が存在し得るかどうかを見つけるためにチェックすることの工程（ステップ）がオンラインコンピューターシミュレーションの使用によって実行される、請求項２に記載された方法。

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