JP2015108530A - 原子炉出力安定性監視装置および原子炉出力安定性監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉出力の全体的な振動と局部的な振動を監視する。【解決手段】実施形態によれば、原子炉出力安定性監視装置１００は、局部中性子束信号の所定の平均化時間にわたる時間平均である時間平均値を算出する時間平均部３１と、局部中性子束信号と時間平均値との差分を交流成分信号として抽出する高調波用差分演算部３２と、交流成分信号にローパスフィルタリングを施すローパスフィルタ３３と、ローパスフィルタを透過した低周波交流成分信号を検出サンプリング周期より長くかつ平均化時間より短く炉心内の振動を検出するに必要な周期以内の周期でダウンサンプリングを行うダウンサンプリング部３４と、ダウンサンプリングされた低周波交流成分信号にフーリエ変換を行って周波数スペクトル密度分布を出力するフーリエ変換部３５を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、原子炉出力安定性監視装置およびこれを用いた原子炉出力安定性監視方法に関する。

従来の沸騰水型軽水型原子炉の原子炉出力安定性監視装置は、原子炉内の燃料集合体のうち一部を取り囲むように設置した中性子検出器の出力の平均値（局部的な原子炉出力の平均値）を監視している。

このような原子炉出力安定性監視装置としては、出力振動範囲監視（ＯＰＲＭ）装置がある（例えば特許文献１参照）。

沸騰水型軽水型原子炉の原子炉出力の安定性は、非特許文献１に記載されているように、原子炉の燃料装荷領域全体の中性子束の時間的な揺らぎと、原子炉出力の局部的な振動の２面性がある。

また、原子炉出力信号をフーリエ変換して得られるパワースペクトル密度において、高調波の有無を確認することにより、原子炉出力の不安定性を監視することができることは特許文献２および特許文献３に記載されているが、原子炉出力の不安定事象を監視するための具体的な実施方法を記載した文献は見当たらない。

特許第３０６４０８４号公報 特許第２８３８００２号公報 特許第３８４７９８８号公報

IAEA-TECDOC-1474, IAEA, November 2005

沸騰水型軽水型原子炉の安定性については多くの研究が行われてきており、原子炉出力の局部的な振動は熱水力学的特性の不安定状態によって発生し、原子炉全体の振動は核的特性によって発生することが分かっている。

熱水力学的特性の不安定状態とは、炉心下部と上部に於ける冷却材密度の差によって生じるものであり、この振動を検知するには同一燃料チャンネルの下部と上部の出力を別々に監視する必要がある。また、核的特性による振動は、局部的に熱水力学的特性の不安定領域が存在する場合に、炉心の対象位置を最大振幅点とした高次モードの出力分布が発生し、それが減衰せずに継続的に存在することによって生じると考えられている。

炉心出力分布の高次モードの有無を判断するには、炉心中心と局部的な不安定領域を含む平面上に配置された中性子検出器の出力信号を用いて出力分布曲線を作成することで確認できる。しかしながら、局部的な不安定領域が炉心中心を挟んで水平な対称位置に存在するとは限らず、前記平面が水平面に対して傾きを持つ場合もあり得ると考えられる。

しかし、非特許文献１でも指摘されているように、現行の出力振動範囲監視（ＯＰＲＭ）装置においては、原子炉の局部出力を鉛直方向に平均して監視するため、原子炉出力の軸方向の出力分布の振動が監視できないという課題があった。また、局部的な平均出力のみを監視しているため、原子炉全体の出力振動を的確に検知することが難しかった。

さらに、核的特性の不安定状態を特徴づける平面の傾きを事前に予測することは困難であるため、炉心軸方向に４つの高さ（レベルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に設置されている既設の局部出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）検出器を用いて、限られたレベル平面の原子炉出力の揺らぎを監視するだけでは、核的特性による原子炉出力の不安定の度合いを監視するには不十分であった。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、従来の原子炉出力領域中性子監視装置の中性子検出器の信号を用いて、原子炉出力の全体的な振動と局部的な振動をリアルタイムで監視することを目的とする。

上述の目的を達成するため、実施形態は、原子炉の炉心内に配列された複数の中性子検出器からの信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングをすることにより得られる局部中性子束信号に基づいて前記原子炉の出力振動をリアルタイムで監視する原子炉出力安定性監視装置において、前記炉心内の出力分布の不平衡の発生を監視する出力分布監視部と、前記炉心内の出力分布における基本モード以外の高次成分の発生を監視する高調波監視部と、を備え、前記高調波監視部は、前記局部中性子束信号の定常ゆらぎの周期を考慮した所定の平均化時間にわたる時間平均である時間平均値を算出する時間平均部と、前記局部中性子束信号と、前記時間平均部で算出された時間平均値との差分を交流成分信号として抽出する高調波用差分演算部と、前記交流成分信号にローパスフィルタリングを施すローパスフィルタと、前記ローパスフィルタを透過した低周波交流成分信号を前記検出サンプリング周期より長くかつ前記平均化時間より短く前記炉心内の振動を検出するに必要な周期以内の周期でダウンサンプリングを行うダウンサンプリング部と、前記ダウンサンプリングされた低周波交流成分信号にフーリエ変換を行って周波数スペクトル密度分布を出力するフーリエ変換部と、を有し、前記出力分布監視部は、各前記局部中性子束信号の炉心全体平均値を算出する全体平均部と、各前記局部中性子束信号の前記炉心全体平均値との差分を抽出する出力分布用差分演算部と、前記出力分布用差分演算部で抽出された差分の二乗を算出し、この二乗値を前記炉心の全領域にわたり合計する二乗演算部と、を有する、ことを特徴とする。

また、実施形態は、原子炉の炉心内に配列された複数の中性子検出器からの信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングをすることにより得られる局部中性子束信号に基づいて前記原子炉の出力振動をリアルタイムで監視する原子炉出力安定性監視方法において、高調波監視ステップと、前記高調波監視ステップと並行して行いながら各前記局部中性子束信号の前記炉心全体平均値との差分を監視する出力分布監視ステップと、を有し、前記高調波監視ステップは、時間平均部が前記局部中性子束信号の所定の平均化時間にわたる時間平均値を算出する時間平均ステップと、高調波用差分演算部が、前記局部中性子束信号と前記時間平均値との差分を交流成分信号として抽出する高調波用差分演算ステップと、ローパスフィルタが前記交流成分信号にローパスフィルタリングを施すローパスフィルタリングステップと、ダウンサンプリング部が、前記検出サンプリング周期より長くかつ前記平均化時間より短く前記炉心内の振動を検出するに必要な周期を超える周期でダウンサンプリングを行うダウンサンプリングステップと、フーリエ変換部が、前記ダウンサンプリングされた低周波交流成分信号にフーリエ変換を行って周波数スペクトル密度分布を出力するフーリエ変換ステップと、を有し、前記出力分布監視ステップは、全体平均部が各前記局部中性子束信号の炉心全体平均値を算出する全体平均ステップと、出力分布用差分演算部が各前記局部中性子束信号の前記炉心全体平均値との差分を抽出する出力分布用差分演算ステップと、二乗演算部が前記出力分布用差分演算部で抽出された差分の二乗を算出し、この二乗値を前記炉心の全領域にわたり合計する二乗演算ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、従来の原子炉出力領域中性子監視装置の中性子検出器の信号を用いて、原子炉出力の全体的な振動と局部的な振動をリアルタイムで監視することができる。

実施形態に係る原子炉出力安定性監視方法の手順を示すブロック図である。 実施形態に係る原子炉出力安定性監視方法による高調波等の監視の流れを示す図である。 検出サンプリング部でサンプリングされたＬＰＲＭ検出器信号の時間変化を示す図である。 ダウンサンプリング後の信号の時間変化を示す図である。 検出サンプリング部でサンプリングされたＬＰＲＭ検出器信号にＦＦＴを施したとした場合の周波数スペクトル密度分布を示すスペクトル図である。 ダウンサンプリング後の信号にＦＦＴを施して得られた周波数スペクトル密度分布を示すスペクトル図である。 ２次の分布モードを有する原子炉出力の分布状態を示す図である。 ２次の分布モードを有する原子炉出力の場合の差分の二乗値の演算結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る原子炉出力安定性監視装置および原子炉出力安定性監視方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、実施形態に係る原子炉出力安定性監視方法の手順を示すブロック図である。原子炉出力安定性監視装置１００は、原子炉の局部出力を監視する局部出力監視部１０、炉心全体の平均出力を監視する平均出力監視部２０、高調波成分を監視する高調波監視部３０、炉心内の出力分布の偏りを監視する出力分布監視部４０および振動判定部５０を有する。

局部出力監視部１０は、複数の局部出力領域監視（ＬＰＲＭ）検出器１１、ＬＰＲＭ検出器１１の電流出力信号を電圧信号に変換する電流／電圧（Ｉ／Ｖ）変換部１２、電圧信号に変換されたＬＰＲＭ検出器信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングする検出サンプリング部１３、およびサンプリングされた局部中性子束信号にＬＰＲＭゲインを乗じる校正部１４を有する。図３は、検出サンプリング部でサンプリングされたＬＰＲＭ検出器信号の時間変化を示す図である。この場合、２５０ミリ秒毎にＬＰＲＭ検出器信号をサンプリングしており、１０２４データを収集するのに２５６秒（＝４分１６秒）を要する。

平均出力監視部２０は、全局部中性子束信号を平均して平均出力領域監視（ＡＰＲＭ）ゲインを乗じて炉心の平均出力を算出し、振動判定部５０に出力する。

高調波監視部３０は、時間平均部３１、高調波用差分演算部３２、ローパスフィルタ３３、ダウンサンプリング部３４、およびフーリエ変換部３５を有する。時間平均部３１は、局部中性子束信号の所定の時間にわたる時間平均値を演算する。高調波用差分演算部３２は、時間平均部３１で演算した時間平均値と局部中性子束信号との差を交流成分として抽出する。

ローパスフィルタ３３は、高調波用差分演算部３２で抽出された交流成分のうち、炉心内の局部的な振動周波数領域より低周波交流成分信号を通過させ、振動周波数領域より高い高周波交流成分信号を減衰させる。ここで、炉心内の局部的な振動周波数領域は、約０．２Ｈｚ程度の領域である。

ダウンサンプリング部３４は、ローパスフィルタ３３を透過した低周波交流成分信号を局部出力監視部１０の検出サンプリング部１３でのサンプリングの検出サンプリング周期より長く、かつ炉心内の振動を検出するに必要な周期以内の周期でダウンサンプリングを行う。この結果、ローパスフィルタ３３で減衰した高周波交流成分信号を除去する。図４は、ダウンサンプリング後の信号の時間変化を示す図である。図４で示す例では、サンプリング周期＝４秒（サンプリング周波数＝０．２５Ｈｚ）のダウンサンプリングを実施している。この結果、データ数が１０２４個から６４個に圧縮される。

フーリエ変換部３５は、ダウンサンプリングされた低周波交流成分の高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）をディジタルで行うディジタル・フーリエ変換を行い、周波数スペクトル密度分布を、振動判定部５０に出力する。振動判定部５０は、周波数スペクトル密度分布に基づいて、高調波分の変化を監視する。

出力分布監視部４０は、全体平均部４１、出力分布用差分演算部４２および二乗演算部４３を有する。全体平均部４１は、局部出力監視部１０の校正部１４から出力される局部中性子束信号を入力として受け入れて、炉心全体における局部中性子束信号の全体平均（空間的平均）である炉心全体平均値を算出する。

出力分布用差分演算部４２は、全体平均部４１で算出された平均値と、各局部中性子束信号との差分を各々抽出する。二乗演算部４３は、この差分の二乗値を算出し、炉心全体での二乗値の平均値を算出し、振動判定部５０に出力する。

振動判定部５０は、平均出力監視部２０、高調波監視部３０および出力分布監視部４０のそれぞれからの出力を受けて、高調波分の変化を監視する。また、振動判定部５０は、平均出力監視部２０、高調波監視部３０および出力分布監視部４０のそれぞれからの出力をオンラインで表示する表示部５１を有する。また、表示部５１には、異常発生時に警報を発報する警報機能が設けられている。

図２は、実施形態に係る原子炉出力安定性監視方法による高調波等の監視の流れを示す図である。ＬＰＲＭ検出器１１は、たとえば１００Ｖの直流電圧が印加され、中性子束密度に比例した電流信号を出力する。Ｉ／Ｖ変換部１２は、ＬＰＲＭ検出器１１からの電流信号を、電流／電圧変換（Ｉ／Ｖ変換）により電圧信号に変換する（ステップＳ０１）。次に、検出サンプリング部１３が、電圧信号に変換されたＬＰＲＭ検出器信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングする（ステップＳ０２）。ＬＰＲＭ検出器１１は、中性子照射により感度が変化するため、サンプリングされた局部中性子束信号を、校正部１４でＬＰＲＭゲインを乗じ、中性子密度（Ｊ／ｍ^２）に対応した局部中性子束信号を得る。そして、ＬＰＲＭゲインを乗じた局部中性子束信号を監視する（ステップＳ０３）。

次に高調波監視ステップに関連する手順を説明する。まず、時間平均部３１が、局部中性子束信号の所定の時間にわたる時間平均値を演算する（ステップＳ２１）。通常ＬＰＲＭ検出器信号には、冷却材の沸騰に伴う気泡が検出器近傍を通過することで発生する数十秒程度の周期の揺らぎ成分がたとえば２％出力程度含まれている。このため、各ＬＰＲＭ信号の時間平均値を得るには数分間程度にわたる信号を平均する。

次に、高調波用差分演算部３２が、時間平均部３１で演算したこの数分間分にわたる信号の時間平均値と局部中性子束信号との差を交流成分として抽出する（ステップＳ２２）。高調波用差分演算部３２で抽出された交流成分は、ローパスフィルタ３３に入力され、ローパスフィルタ３３は、炉心内の局部的な振動周波数領域より低周波交流成分信号を通過させ、振動周波数領域より高い高周波交流成分信号を減衰させる（ステップＳ２３）。この場合のローパスフィルタ３３のカットオフ周波数は、把握すべき高次モードの高調波の周波数を十分な余裕をもってろ過するように設定される。

ダウンサンプリング部３４は、ローパスフィルタ３３を透過した低周波交流成分信号を、局部出力監視部１０の検出サンプリング部１３でのサンプリングの検出サンプリング周期より長い周期でダウンサンプリングを行う（ステップＳ２４）。この結果、ローパスフィルタ３３で減衰した高周波交流成分信号が除去される。すなわち、ダウンサンプリングの周期をＴｄとすると、周波数ｆｄは、ｆｄ＝１／Ｔｄであり、ｆｄ／２以下の周波数成分が有意な成分として残り、ｆｄ／２を超える周波数成分が除去される。

フーリエ変換部３５は、ダウンサンプリング部３４でダウンサンプリングされた低周波交流成分について、ディジタル・フーリエ変換を行い、周波数スペクトル密度分布を、振動判定部５０に出力する（ステップＳ２５）。

図５は、検出サンプリング部でサンプリングされたＬＰＲＭ検出器信号にＦＦＴを施したとした場合の周波数スペクトル密度分布を示すスペクトル図である。また、図６は、ダウンサンプリング後の信号にＦＦＴを施して得られた周波数スペクトル密度分布を示すスペクトル図である。

高調波用差分演算部３２は、検出サンプリング部１３において、２５０ミリ秒毎にＬＰＲＭ検出器信号をサンプリングした場合の１０２４個のデータの平均値と各データの差分をその４分１６秒間（０．２５秒×１０２４）の交流成分信号とする。フーリエ変換部３５で、この交流成分信号１０２４個を用いて１０２４次のフーリエ変換を実施した場合、図５に示すような当該４分１６秒間の周波数スペクトル密度の分布図を得る。図５に示すように、２次のモードに対応する振動数ｆ２の成分が発生し徐々に増大しており、ｆ２の成分の発生に遅れて、３次のモードに対応する振動数ｆ３の成分が発生していることが分かる。

一方、たとえば、高次の高調波成分の周波数は高々０．１Ｈｚ程度であるので、ローパスフィルタ３３で、カットオフ周波数＝０．１２５Ｈｚのローパスフィルタリング処理を１０２４個の交流成分信号に実施して、サンプリング周期＝４秒（サンプリング周波数＝０．２５Ｈｚ）のダウンサンプリングを実施する。これによりデータ数を１０２４個から６４個に圧縮した場合、図６に示すように、２次のモードに対応する振動数ｆ２の成分が発生し徐々に増大しており、ｆ２の成分の発生に遅れて、３次のモードに対応する振動数ｆ３の成分が発生していることが分かる。このように、この６４個のデータを用いて６４次のフーリエ変換を実施して得られる周波数スペクトル密度の分布図からも１０２４個のデータから得られた周波数スペクトル密度の分布図と同等の情報が得られる。

すなわち、少なくとも２次モード、３次モードなどの主たる高次モードの高調波を通し、高い次数のモードに対応する高調波をカットするローパスフィルタリング処理を行っても、周波数スペクトルには実質的な影響がない。このようにローパスフィルタリングを行い、さらにダウンサンプリングを用いて処理対象の信号を低減させた上で、低次数のフーリエ変換により、高速で信号処理を行うことによって、リアルタイムで、原子炉出力振動の高調波の発生、増幅、高次の高調波の発生を監視することが可能となる。

振動判定部５０は、ダウンサンプリング部３４から出力された周波数スペクトル密度分布に基づいて高調波監視を継続する（ステップＳ２６）。周波数スペクトル密度の分布図は、時系列に表示部５１に表示される。周波数スペクトル密度の分布図は、時系列に並べて比較すると、当該ＬＰＲＭ検出器１１の位置において局部的な原子炉出力の振動が生じている場合には高調波成分が発生し、増幅し、更に高次の高調波成分が発生するようすを視覚的にとらえることができる。

具体的には、振動判定部５０は、周波数スペクトル密度の分布データを走査して、通常時の揺らぎの周波数と異なる周波数成分が出現した場合にその周波数を記録しておく。振動判定部５０は、時間的に連続な周波数スペクトル密度の分布データにおいて同一の周波数成分が観測され、その成分値が増加しないか、あるいは、観測された周波数成分を２次の高調波と仮定して、この２次の高調波の発生以降の３次の高調波および４次の高調波に相当する周波数（１．５倍および２倍の周波数）の信号が出現しないか監視する。この後に、この２次の高調波成分が増大、あるいは新たな１．５倍および２倍の周波数の信号が出現した場合には、局部的な原子炉出力の振動現象が発生したと判定するとともに、判定結果を表示部５１に表示する。

また、振動判定部５０は、この判定結果に基づいて、たとえば、原子炉出力を抑制するために原子炉保護系に選択制御棒挿入信号を発生させることでもよい。

次に出力分布監視ステップに関連する手順を説明する。まず、全体平均部４１が、局部出力監視部１０の校正部１４から出力される局部中性子束信号を入力として受け入れて、炉心全体における局部中性子束信号の全体平均値を算出する（ステップＳ３１）。次に、出力分布用差分演算部４２が、全体平均部４１で算出された全体平均値と、各局部中性子束信号との差分を各々抽出する（ステップＳ３２）。この差分に基づいて、二乗演算部４３は、この差分の二乗値を算出し、炉心全体での二乗値の平均値を算出し、振動判定部５０に出力する（ステップＳ３３）。振動判定部５０は、出力分布監視部４０からの出力を受けて、高調波の有無を監視し、振動の発生の有無を判定し、表示部５１に表示する。

図７は、２次の分布モードを有する原子炉出力の分布状態を示す図である。図７の実線の曲線Ａは、振動の発生のない定常時の炉心内の半径方向の中性子束の分布を示す。また、二点鎖線の曲線Ｂは２次の振動モードによるある瞬間の分布を示す。破線の曲線Ｃは、曲線Ａの分布に曲線Ｂの２次の振動モードの分布の重畳した分布を示す。また、また直線Ｄは、中性子束分布の半径方向についての平均レベルを示す。

ここで、２次のモードによる分布が炉心の中心軸を中心に増加側の増加分と減少側の減少分の絶対値が同じで符号のみ異なる場合を考える。この場合、２次のモードが重畳した曲線Ｃによる分布の平均は、定常状態における平均、すなわち曲線Ａによる分布の平均と、等しいレベルとなる。すなわち、炉心の中心軸を振動の節とする偶数次の分布モードの場合には、分布の山と谷が同数存在する為に、単純な平均を行うと山と谷が互いに相殺される。このため、振動の発生があっても平均値は変化しない。このように、単なる平均値をとることでは、偶数次のモードを把握するのは難しい。

図８は、２次の分布モードを有する原子炉出力の場合の差分の二乗値の演算結果を示す図である。実線の曲線ａは、図７の曲線Ａによる分布すなわち定常状態の分布の場合における平均値との差分の二乗値の分布を示す。また、破線の曲線ｂは、図７の曲線Ｃによる分布すなわち２次モードが重畳した分布の場合における平均値との差分の二乗値の分布を示す。このように、炉心内の出力分布の乱れを、炉心全体に均一に配置された複数のＬＰＲＭ検出器１１の出力の原子炉全体の平均値からの差分の二乗平均値を用いて測定することで判定することが可能である。平均値からの差分の二乗平均を監視することで発振（原子炉出力の乱雑さ）の大きさを監視することが可能となる。

一方、平均出力監視部２０が、全局部中性子束信号を平均して平均出力領域監視（ＡＰＲＭ）ゲインを乗じて炉心の平均出力を算出し、振動判定部５０に出力する。振動判定部５０は、平均出力領域監視（ＡＰＲＭ）ゲインが乗じられた炉心の平均出力の変動を監視する（ステップＳ４１）。

炉心出力の発振の増幅は、減衰と増幅の時定数の相違から増幅の割合の方が大きい場合に発生するので、炉心出力の平均値も徐々に増加する。このため、従来の平均出力領域監視（ＡＰＲＭ）装置も炉心出力の振動発生の監視手段として有効である。たとえば、従来は、警報を発するレベルである原子炉出力高、さらにそれより高い原子炉トリップ用信号を発するレベルである原子炉出力高高に到達しないか否かの監視を行っていたが、新たに第３の設定値を設定し、原子炉平均出力が第３の設定値を超えた場合に選択制御棒挿入信号を発生することにより、原子炉出力の発振とその抑制が可能となる。

以上のように、本実施形態においては、中性子束信号のフィルタリングとダウンサンプリングを行うことによって、信号処理の高速化を図り、高調波の発生、変化の状況についてのリアルタイムでの監視を可能としている。

また、併せて、炉心の中性子束分布の平均値との差の二乗値の分布を監視することにより、定常状態からの変化の大きさをシンプルに把握することが可能である。

以上のように、本実施形態においては、従来の原子炉出力領域中性子監視装置の中性子検出器の信号を用いて、原子炉出力の全体的な振動と局部的な振動をリアルタイムで監視することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、実施形態で示したダウンサンプリングの周期、ローパスフィルタのカットオフ周波数、フーリエ変換の次数は例示であり、発生する高調波の周期、原子炉出力安定性監視装置１００の応答性を考慮して設定される。

さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…局部出力監視部、１１…ＬＰＲＭ検出器、１２…Ｉ／Ｖ変換部、１３…検出サンプリング部、１４…校正部、２０…平均出力監視部、３０…高調波監視部、３１…時間平均部、３２…高調波用差分演算部、３３…ローパスフィルタ、３４…ダウンサンプリング部、３５…フーリエ変換部、４０…出力分布監視部、４１…全体平均部、４２…出力分布用差分演算部、４３…二乗演算部、５０…振動判定部、５１…表示部、１００…原子炉出力安定性監視装置

熱水力学的特性の不安定状態とは、炉心下部と上部に於ける冷却材密度の差によって生じるものであり、この振動を検知するには同一燃料チャンネルの下部と上部の出力を別々に監視する必要がある。また、核的特性による振動は、局部的に熱水力学的特性の不安定領域が存在する場合に、炉心の対称位置を最大振幅点とした高次モードの出力分布が発生し、それが減衰せずに継続的に存在することによって生じると考えられている。

上述の目的を達成するため、実施形態は、原子炉の炉心内に配列された複数の中性子検出器からの信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングをすることにより得られる局部中性子束信号に基づいて前記原子炉の出力振動を監視する原子炉出力安定性監視装置において、前記局部中性子束信号の定常ゆらぎの周期を考慮した所定の平均化時間にわたる時間平均である時間平均値を算出する時間平均部と、前記局部中性子束信号と、前記時間平均部で算出された時間平均値との差分を交流成分信号として抽出する高調波用差分演算部と、前記交流成分信号にローパスフィルタリングを施すローパスフィルタと、前記ローパスフィルタを透過した低周波交流成分信号を前記検出サンプリング周期より長くかつ前記平均化時間より短く前記炉心内の振動を検出するに必要な周期以内の周期でダウンサンプリングを行うダウンサンプリング部と、前記ダウンサンプリングされた低周波交流成分信号にフーリエ変換を行って周波数スペクトル密度分布を出力するフーリエ変換部と、を有する、ことを特徴とする。

また、実施形態は、原子炉の炉心内に配列された複数の中性子検出器からの信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングをすることにより得られる局部中性子束信号に基づいて前記原子炉の出力振動を監視する原子炉出力安定性監視方法において、時間平均部が前記局部中性子束信号の所定の平均化時間にわたる時間平均値を算出する時間平均ステップと、高調波用差分演算部が、前記局部中性子束信号と前記時間平均値との差分を交流成分信号として抽出する高調波用差分演算ステップと、ローパスフィルタが前記交流成分信号にローパスフィルタリングを施すローパスフィルタリングステップと、ダウンサンプリング部が、前記検出サンプリング周期より長くかつ前記平均化時間より短く前記炉心内の振動を検出するに必要な周期を超える周期でダウンサンプリングを行うダウンサンプリングステップと、フーリエ変換部が、前記ダウンサンプリングされた低周波交流成分信号にフーリエ変換を行って周波数スペクトル密度分布を出力するフーリエ変換ステップと、を有することを特徴とする。

実施形態に係る原子炉出力安定性監視装置の構成を示すブロック図である。 実施形態に係る原子炉出力安定性監視方法による高調波等の監視の流れを示す図である。 検出サンプリング部でサンプリングされたＬＰＲＭ検出器信号の時間変化を示す図である。 ダウンサンプリング後の信号の時間変化を示す図である。 検出サンプリング部でサンプリングされたＬＰＲＭ検出器信号にＦＦＴを施したとした場合の周波数スペクトル密度分布を示すスペクトル図である。 ダウンサンプリング後の信号にＦＦＴを施して得られた周波数スペクトル密度分布を示すスペクトル図である。 ２次の分布モードを有する原子炉出力の分布状態を示す図である。 ２次の分布モードを有する原子炉出力の場合の差分の二乗値の演算結果を示す図である。

図１は、実施形態に係る原子炉出力安定性監視装置の構成を示すブロック図である。原子炉出力安定性監視装置１００は、原子炉の局部出力を監視する局部出力監視部１０、炉心全体の平均出力を監視する平均出力監視部２０、高調波成分を監視する高調波監視部３０、炉心内の出力分布の偏りを監視する出力分布監視部４０および振動判定部５０を有する。

局部出力監視部１０は、複数の局部出力領域監視（ＬＰＲＭ）検出器１１、ＬＰＲＭ検出器１１の電流出力信号を電圧信号に変換する電流／電圧（Ｉ／Ｖ）変換部１２、電圧信号に変換されたＬＰＲＭ検出器信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングする検出サンプリング部１３、およびサンプリングされた局部中性子束信号にＬＰＲＭゲインを乗じる校正部１４を有する。図３は、検出サンプリング部でサンプリングされたＬＰＲＭ検出器信号の時間変化を示す図である。図３においてＬＰＲＭ検出器信号は規格化セル値で表示されている。この場合、２５０ミリ秒毎にＬＰＲＭ検出器信号をサンプリングしており、１０２４データを収集するのに２５６秒（＝４分１６秒）を要する。

ダウンサンプリング部３４は、ローパスフィルタ３３を透過した低周波交流成分信号についてダウンサンプリングを行う。以下、「ダウンサンプリング」とは、低周波交流成分信号を局部出力監視部１０の検出サンプリング部１３でのサンプリングの検出サンプリング周期より長く、かつ炉心内の振動を検出するに必要な周期以内の周期でサンプリングを行うことを意味するものとする。この結果、ローパスフィルタ３３で減衰した高周波交流成分信号を除去する。図４は、ダウンサンプリング後の信号の時間変化を示す図である。図３においてＬＰＲＭ検出器信号は規格化セル値で表示されている。図４で示す例では、サンプリング周期＝４秒（サンプリング周波数＝０．２５Ｈｚ）のダウンサンプリングを実施している。この結果、データ数が１０２４個から６４個に圧縮される。

振動判定部５０は、平均出力監視部２０、高調波監視部３０および出力分布監視部４０のそれぞれからの出力を受けて、高調波分の変化に異常がないかを監視する。また、振動判定部５０は、平均出力監視部２０、高調波監視部３０および出力分布監視部４０のそれぞれからの出力をオンラインで表示する表示部５１を有する。また、表示部５１には、異常発生時に警報を発報する警報機能が設けられている。

振動判定部５０は、高調波監視部３０から出力された周波数スペクトル密度分布に基づいて高調波監視を継続する（ステップＳ２６）。周波数スペクトル密度の分布図は、時系列に表示部５１に表示される。周波数スペクトル密度の分布図は、時系列に並べて比較すると、当該ＬＰＲＭ検出器１１の位置において局部的な原子炉出力の振動が生じている場合には高調波成分が発生し、増幅し、更に高次の高調波成分が発生するようすを視覚的にとらえることができる。

Claims (4)

1. 原子炉の炉心内に配列された複数の中性子検出器からの信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングをすることにより得られる局部中性子束信号に基づいて前記原子炉の出力振動をリアルタイムで監視する原子炉出力安定性監視装置において、
   前記炉心内の出力分布の不平衡の発生を監視する出力分布監視部と、
   前記炉心内の出力分布における基本モード以外の高次成分の発生を監視する高調波監視部と、
   を備え、
   前記高調波監視部は、
   前記局部中性子束信号の定常ゆらぎの周期を考慮した所定の平均化時間にわたる時間平均である時間平均値を算出する時間平均部と、
   前記局部中性子束信号と、前記時間平均部で算出された時間平均値との差分を交流成分信号として抽出する高調波用差分演算部と、
   前記交流成分信号にローパスフィルタリングを施すローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタを透過した低周波交流成分信号を前記検出サンプリング周期より長くかつ前記平均化時間より短く前記炉心内の振動を検出するに必要な周期以内の周期でダウンサンプリングを行うダウンサンプリング部と、
   前記ダウンサンプリングされた低周波交流成分信号にフーリエ変換を行って周波数スペクトル密度分布を出力するフーリエ変換部と、
   を有し、
   前記出力分布監視部は、
   各前記局部中性子束信号の炉心全体平均値を算出する全体平均部と、
   各前記局部中性子束信号の前記炉心全体平均値との差分を抽出する出力分布用差分演算部と、
   前記出力分布用差分演算部で抽出された差分の二乗を算出し、この二乗値を前記炉心の全領域にわたり合計する二乗演算部と、
   を有する、
   ことを特徴とする原子炉出力安定性監視装置。
2. 前記フーリエ変換の結果得られる周波数スペクトル密度の分布において、通常時の揺らぎ成分の周波数と異なる周波数成分が検出された場合に、当該周波数のスペクトル密度が通常よりも増大するか、当該周波数の１．５倍または２倍の周波数のスペクトル密度信号が観測された場合に、前記原子炉の出力の局部的な不安定事象の発生と判定する振動判定部をさらに備えることを特徴とした請求項１に記載の原子炉出力安定性監視装置。
3. 前記周波数スペクトル密度の分布図を時系列で表示する表示部をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉出力安定性監視装置。
4. 原子炉の炉心内に配列された複数の中性子検出器からの信号を所定の検出サンプリング周期でサンプリングをすることにより得られる局部中性子束信号に基づいて前記原子炉の出力振動をリアルタイムで監視する原子炉出力安定性監視方法において、
   高調波監視ステップと、
   前記高調波監視ステップと並行して行いながら各前記局部中性子束信号の前記炉心全体平均値との差分を監視する出力分布監視ステップと、
   を有し、
   前記高調波監視ステップは、
   時間平均部が前記局部中性子束信号の所定の平均化時間にわたる時間平均値を算出する時間平均ステップと、
   高調波用差分演算部が、前記局部中性子束信号と前記時間平均値との差分を交流成分信号として抽出する高調波用差分演算ステップと、
   ローパスフィルタが前記交流成分信号にローパスフィルタリングを施すローパスフィルタリングステップと、
   ダウンサンプリング部が、前記検出サンプリング周期より長くかつ前記平均化時間より短く前記炉心内の振動を検出するに必要な周期を超える周期でダウンサンプリングを行うダウンサンプリングステップと、
   フーリエ変換部が、前記ダウンサンプリングされた低周波交流成分信号にフーリエ変換を行って周波数スペクトル密度分布を出力するフーリエ変換ステップと、
   を有し、
   前記出力分布監視ステップは、
   全体平均部が各前記局部中性子束信号の炉心全体平均値を算出する全体平均ステップと、
   出力分布用差分演算部が各前記局部中性子束信号の前記炉心全体平均値との差分を抽出する出力分布用差分演算ステップと、
   二乗演算部が前記出力分布用差分演算部で抽出された差分の二乗を算出し、この二乗値を前記炉心の全領域にわたり合計する二乗演算ステップと、
   を有することを特徴とする原子炉出力安定性監視方法。

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