JP2008175561A - 沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】他のシステムの動作状況に依存せず且つ新たな検出器を設けずに独立で計測できる沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置および方法を提供すること。
【解決手段】原子炉の炉心内に配置された中性子検出器が検出した信号から揺らぎ成分を抽出する第１の手段２と、前記第１の手段により抽出した揺らぎ成分から気泡伝達時間を求める第２の手段３と、前記中性子検出器が検出した信号の平均値と標準偏差を求める第３の手段３と、前記気泡伝達時間、前記中性子検出器が検出した信号の平均値と標準偏差、および前記原子炉の熱出力の計測値から炉心流量を計測する相関式を作成する第４の手段４と、前記相関式を用いて炉心流量を計算する第５の手段５とを備えた沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置、およびその計測方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置および方法に関する。

一般に、沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置においては、差圧を計測して流量に換算する方式が用いられている。また、原理の異なる他の計測方法としては、沸騰による気泡移動速度を利用する方法が提供されている。

このような沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置としては、計測した気泡速度に熱水力計算から求まる計算値を一致させることで流量を計測するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１０２７６号公報

上述した沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置においては、プラントに設置されているプロセス計算機で計算される炉心性能計算の結果を使用するため、この計算が実施されていない状態においては炉心流量を計測することができない、という問題がある。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、他のシステムの動作状況に依存せず且つ新たな検出器を設けずに独立で計測できる沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明では、原子炉の炉心内に配置された中性子検出器が検出した信号から揺らぎ成分を抽出する第１の手段と、前記第１の手段により抽出した揺らぎ成分から気泡伝達時間を求める第２の手段と、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差を求める第３の手段と、前記気泡伝達時間、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差、ならびに原子炉の炉心内に配置された中性子検出器が検出した揺らぎ成分を抽出する第１の手段と、前記第１の手段により抽出した揺らぎ成分から気泡伝達時間を求める第２の手段と、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差を求める第３の手段と、前記気泡伝達時間、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差、ならびに前記原子炉の熱出力の計測値から炉心流量を計測する相関式を作成する第４の手段と、前記相関式を用いて炉心流量を計算する第５の手段とを備えた沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置、および原子炉の炉心内に配置された中性子検出器が検出した信号から揺らぎ成分を抽出し、前記揺らぎ成分から気泡伝達時間を求め、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差を求め、前記気泡伝達時間、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差、ならびに前記原子炉の熱出力の計測値から炉心流量を計測する相関式を作成し、前記相関式を用いて炉心流量を計算する沸騰水型原子炉の炉心流量計測方法、を提供する。

本発明によれば、中性子検出器の検出信号を処理することにより炉心流量を算出するようにしたため、新たにセンサを設置する必要もなく、また他のシステムで得られたデータを使用する必要もないため、完全に独立した炉心流量を計測することができる。

以下、図１を参照して本発明の実施形態につき説明する。

（第１の実施例）
本発明の第１の実施例につき、図１により説明する。この第１の実施例は、６段階の信号処理ステップ１ないし６を含んでいる。それらのステップ１ないし６は、ＬＰＲＭ（局所出力領域モニタ）信号および原子炉熱出力信号を入力する処理ステップ１、入力したＬＰＲＭ信号から揺らぎ成分を抽出する処理ステップ２、入力した各信号の平均値および標準偏差、ならびに同一軸方向に配置された２つのＬＰＲＭ信号から気泡伝達時間の統計量を計算する統計量計算処理ステップ３、ステップ３で求めた統計量から炉心流量を計測するための相関式の係数を求める処理ステップ４、相関式から炉心流量を計算する炉心流量計算処理ステップ５、計測した結果を出力する計算結果出力処理ステップ６である。

この第１の実施例において、ＬＰＲＭ信号および原子炉熱出力信号を入力する処理ステップ１では、一定の間隔でこれら信号の入力を行う。入力した信号のうちＬＰＲＭ信号については、揺らぎ成分を抽出する処理ステップ２により気泡伝達時間の情報を含んでいる周波数帯域の成分をフィルタによって抽出する。

統計量計算処理ステップ３においては、各信号の平均値および標準偏差の計算と、同一軸方向に設置された２つのＬＰＲＭ信号のフィルタによって抽出された変動成分から気泡伝達時間の統計量の計算とを行う。気泡伝達時間は相互相関関数を計算し、そのピーク位置から求めるが、周波数解析によって得られる位相差を直線化しその傾きから求める方法でもよい。

そして、判断ステップＱで、相関式係数が作成済みか否かを見て、その有無に応じて処理ステップ５または４に進む。すなわち、相関式係数が作成されていない場合、相関式係数計算ステップ４により計算を行って相関式係数を用意し、炉心流量計算ステップ５に移行する。

一方、炉心流量を計測するための相関式係数が既にある場合には、その係数を用いて炉心流量計算処理ステップ５によって炉心流量の計測を行い、その結果を出力する（計算結果出力処理ステップ６）。

炉心流量計算処理ステップ５で炉心流量を求める相関式には、炉心流量と関連の強い統計量を用いる。しかし、単一の統計量から求めることはできないので少なくとも２つの統計量が必要となり、相関式係数作成処理ステップ４においては、プラントの様々な運転状態で計測された統計量から炉心流量を求める近似式の係数を求める。

複数の変数を用いた一般的な近似式としては、下式（１）に示すような重回帰近似が知られているが、近似性能がよければどのような方法でもよく、例えば下式（２）に示すようなＧＭＤＨ（Group Method of Data Handling）を用いた近似式でもよいし、あるいは複数入力−１出力としたニューラルネットワークを用いてもよい。

下式（１）,（２）は、２変数を用いた例で示している。

次に、相関式に用いる統計量の選定を行うが、どの統計量を用いるかは作成した相関式の近似性がよければどのような統計量の組み合わせでもよい。例えば、以下のように使用する統計量を考えることができる。

炉心で発生するボイドの量（ボイド率）は、熱出力と比例する関係にあるのは明白であることから、炉心流量が一定であれば熱出力とボイド率とは一定の比率を持って変化する関係となる。

しかし、実際の原子力発電プラントにおいては、炉心流量が一定ということはなく変化しているので、ボイド率は熱出力と炉心流量との関数として表すことができ、この関係を変形することで、下式（３）のように炉心流量をボイド率と熱出力とから求めることが可能となる。
Ｗ＝ｆ（Ｐ,α） （３）
Ｗ：炉心流量 Ｐ：熱出力 α：ボイド率

ただし、この場合、ボイド率αは直接計測することができないので、他の計測可能な統計量を用いた相関式から推定する必要がある。

上述のように、ボイド率αは熱出力と強い相関関係があり、仮に炉心流量が一定であればボイド率は熱出力の１変数で表すことができるが、同じ熱出力でも炉心流量が変わればボイド率は変化する。

例えば、出力および流量が共に１００％の状態から出力のみ低下すればボイド率は減少するが、逆に炉心流量のみが低下した場合、ボイド率は上昇する。したがって、ボイド率は、熱出力と炉心流量との２つの変数を用いて近似することができる。

しかし、上式（３）の被説明変数となっている炉心流量がボイド率を算出する式の説明変数となってしまい、炉心流量の値を特定できない可能性が大きい。そこで、炉心流量の代わりに炉心流量と関連の強い気泡伝達時間を用い、下式（４）によりボイド率を推定する。
α＝ｆ（Ｐ,τ） （４）
ここで、α：ボイド率、Ｐ：熱出力、τ：気泡伝達時間

上式（４）で推定されたボイド率を上式（３）に代入することで、炉心流量を計測することができる。勿論、上式（３）,（４）を統合して、下式（５）としてもよい。
Ｗ＝ｆ（Ｐ,α,τ） （５）

また別の方法として、下式（６）から気泡伝達時間の予測値を計算し、気泡伝達時間の実測値に一致する炉心流量を求める方法もある。
τ＝ｆ（Ｐ，Ｗ） （６）
ここで、τ：気泡伝達時間の予測値

このような計測方法では複数のパラメータを用いているが、特定の運転状態、例えば自然循環状態においては、熱出力の１変数を用いた相関式から炉心流量を求めることもできる。このようにして求めた炉心流量は、計算結果出力処理ステップ６により出力し、炉心流量の記録・表示・監視に利用する。

この第１の実施例によれば、プラントで既に計測されている信号だけから炉心流量を計測することができるので、新たにセンサを設置する必要もなく、また他のシステムで得られたデータを使用する必要もないため、完全に独立した計測方法を提供することができる。

（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例を説明する。原子力発電プラントには、燃料の健全性を確保する目的で、局所的な出力増加を防止するようにＲＢＭ（制御棒引抜阻止モニタ）が備わっており、ＲＢＭは引抜く制御棒の周辺の出力を監視している。

この監視は、ＭＣＰＲ（最小限界出力比）を担保するものであり、ＭＣＰＲは流量に依存する。現状の流量は、炉心流量を使っているが局所的な流量を監視することでＭＣＰＲ尤度を向上できる可能性がある。

そこで、炉心流量を計測するために第１の実施例で用いていた原子炉の熱出力を、監視対象となる制御棒に隣接したＬＰＲＭ信号に置き換えることで局所的な流量を算出し、その結果得られた局所流量をＲＢＭ監視に適用することによりＭＣＰＲ尤度の向上に寄与することができる。

（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例を説明する。原子力発電プラントには、プラントに異常が発生したときにプラントを自動停止させるための安全保護系設備が備わっている。この安全保護系設備は、通常多重化されており、その区分毎に原子炉の出力情報としてのAPRM(平均出力モニタ)信号が入力されている。このAPRM信号から熱力出力が計算され安全保護系で使用されているので、この値を用いて第１の実施例で記載した方法で炉心流量を求めることができる。

上述のように安全保護系は多重化されているので、その区分毎に炉心流量を求めることができる。さらに求められた炉心流量を使用して、APRM信号に対応した安全保護系の区分毎に、計算結果出力処理ステップ６により出力することで本発明により計測した炉心流量を安全保護系にて使用することができる。

（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例を説明する。第１の実施例および第２の実施例に記載の炉心流量を計測するための相関式の係数は予め求めておく必要があるので、少なくとも初めの１回のプラント起動時にはこの係数の作成を行い、その後作成した係数を用いて炉心流量を計測することになる。

これとは別に、プラントを模擬したシミュレーション解析を行うことで事前に様々な運転状態の解析を行い、そこで得られた計算結果から相関式の係数を求めておけば、プラントの運転開始から直ちに炉心流量の計測を行うことができる。

（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例を説明する。第１の実施例のＬＰＲＭ信号から揺らぎ成分を抽出する処理ステップ２では、フィルタを用いて気泡伝達時間の情報を含む周波数成分を取り出すが、その周波数範囲はプラントの運転条件によって変化する。

したがって、周波数範囲を固定で行うと、ある運転状態では精度良く抽出することができても、プラントの運転状態が変われば抽出を正しく行うことができなくなり、気泡伝達時間の計測精度が悪化する。

そこで、取り出す周波数範囲を可変にして原子炉の熱出力をパラメータとして抽出する周波数範囲を決定することで、全ての運転状態で気泡伝達時間の計測を最良の状態で行うことができる沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置を得ることができる。

本発明における炉心流量計測の信号処理ステップを示す流れ図。

符号の説明

１… データ入力処理ステップ
２… 揺らぎ成分抽出処理ステップ
３… 統計量計算処理ステップ
４… 相関式係数計算処理ステップ
５… 炉心流量計算処理ステップ
６… 計算結果出力処理ステップ
Ｑ… 判断ステップ

Claims (9)

1. 原子炉の炉心内に配置された中性子検出器が検出した信号から揺らぎ成分を抽出する第１の手段と、
   前記第１の手段により抽出した揺らぎ成分から気泡伝達時間を求める第２の手段と、
   前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差を求める第３の手段と、
   前記気泡伝達時間、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差、ならびに前記原子炉の熱出力の計測値から炉心流量を計測する相関式を作成する第４の手段と、
   前記相関式を用いて炉心流量を計算する第５の手段と
   を備えた沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
2. 請求項１記載の沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置において、
   前記第５の手段の代わりに、炉心流量を含む計測値から気泡伝達時間を相関式で計算し、実測された気泡伝達時間と一致する炉心流量を求める手段を有する沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
3. 請求項１記載の沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置において、
   前記第５の手段が、熱出力を変数とする換算係数を乗ずることにより流量を算出するものである沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
4. 請求項１ないし３の何れかに記載の沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置において、
   前記第４の手段が、原子炉の熱出力の計測値に代えて、制御棒引抜監視装置に引抜き制御棒周りの流量信号を用いる沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
5. 請求項１ないし３の何れかに記載の沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置において、
   前記第５の手段が、安全系区分ごとに求められる熱出力より流量を算出するものである沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
6. 請求項５記載の沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置において、
   安全系区分ごとに独立して炉心流量を使用した処理を実施できるように信号を供給する、沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
7. 請求項１ないし５の何れかに記載の沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置において、
   前記第４の手段が、実測値の代わりにシミュレーション解析結果を用いる沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
8. 請求項１ないし５および７の何れかに記載の沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置において、
   前記第１の手段で使用するフィルタの条件を、熱出力によって変更する沸騰水型原子炉の炉心流量計測装置。
9. 原子炉の炉心内に配置された中性子検出器が検出した信号から揺らぎ成分を抽出し、
   前記揺らぎ成分から気泡伝達時間を求め、
   前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差を求め、
   前記気泡伝達時間、前記中性子検出器が検出した信号の平均値および標準偏差、ならびに前記原子炉の熱出力の計測値から炉心流量を計測する相関式を作成し、
   前記相関式を用いて炉心流量を計算する
   沸騰水型原子炉の炉心流量計測方法。

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