JP2022111680A - 制御棒自動制御装置および制御棒自動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より適切なタイミングで制御棒の駆動モードを切り替えることで、原子炉の起動時間を短縮することができる。【解決手段】 原子炉の炉心内における制御棒を高速に操作する高速駆動モードと、投入反応度がほぼ等しくなるように前記制御棒の引抜き方向に規定されるブロック量単位で前記制御棒を操作するブロック駆動モードと、前記制御棒の最少操作単位量である１ステップずつ前記制御棒を操作するステップ駆動モードと、を有し、前記駆動モードの切替および前記制御棒の操作を、中性子の実効増倍率の値と、所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向と、に基づいて行うことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、制御棒自動制御装置および制御棒自動制御方法に関する。

特許文献１は、原子炉出力制御装置に関し、「原子炉を制御する原子炉出力制御装置に、炉心内に配設された複数の中性子検出器のそれぞれが検出した中性子束に基づいて局所反応度を推定し、その局所反応度の最大値が所定の値を超えた場合に原子炉は臨界近接モード、それ以外の場合は未臨界モードであると判定する反応度推定部を備える。制御棒引抜量計算部は、反応度と目標反応度との差から単位時間あたりに引き抜くべき制御棒の引抜量である制御棒引抜量偏差を算出する。引抜判定器は、臨界近接モードの場合には制御棒を炉周期に基づいて求められた引抜量だけ引き抜く司令、未臨界モードの場合には制御棒を制御棒引抜量偏差に基づいて求められた引抜量だけ引き抜く指令を生成し、その制御棒操作の指令を制御棒駆動制御装置に伝達する。」と記載されている。

特開２００８－１２２０９４号公報

沸騰水型原子力プラントにおける沸騰水型原子炉（Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）は、その起動にあたり、炉心内に挿入されている制御棒を順次徐々に引き抜いて原子炉に反応度を加えることで、原子炉を臨界状態に到達させる。このような制御棒の操作は、運転の省力化や起動時間の短縮などを目的として自動化したり、あるいは適切なインストラクションを出力する方法が考案されている。

例えば、特許文献１には、制御棒の引抜モードとして、炉周期に基づいて求められた引抜量だけ制御棒を引抜く臨界近接モードと、その時点の反応度と目標反応度の差に基づいて求められた引抜量だけ制御棒を引抜く未臨界モードと、に関する技術が開示されている。具体的には、同文献の技術では、中性子束に基づいて推定された反応度が所定の値に到達したときにモード切替えを行うことで、投入反応度を制御しながら原子炉の臨界状態を達成している。

しかしながら、原子炉停止直後の高温起動時には、炉心内のキセノン濃度が過渡的に変化するため、キセノンのビルドアップによる負の反応度が原子炉に加えられる場合がある。この反応度が大きい場合には、制御棒を引抜いてもなかなか臨界に到達しないため、制御棒の引抜きによる投入反応度を大きくしなければ、臨界到達までにかかる時間が増加することになる。特許文献１に記載の技術では、炉心パラメータが所定値に到達することを制御棒の駆動モードの切替判定に利用しており、炉心パラメータの時間的な変化を考慮していない。そのため、キセノン濃度のビルドアップにより負の反応度が加えられている状態であることを判断できず、投入反応度がより小さい駆動モードに切替えてしまう可能性がある。その場合、制御棒を引抜いても臨界に到達するまでに時間がかかり、起動時間を短縮することが難しい、という課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、より適切なタイミングで制御棒の駆動モードを切り替えることで、原子炉の起動時間を短縮することを目的とする。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記の課題を解決する本発明の一態様に係る制御棒自動制御装置は、原子炉の炉心内における制御棒を高速に操作する高速駆動モードと、投入反応度がほぼ等しくなるように前記制御棒の引抜き方向に規定されるブロック量単位で前記制御棒を操作するブロック駆動モードと、前記制御棒の最少操作単位量である１ステップずつ前記制御棒を操作するステップ駆動モードと、を有し、前記駆動モードの切替および前記制御棒の操作を、中性子の実効増倍率の値と、所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向と、に基づいて行うことを特徴とする。

本発明によれば、より適切なタイミングで制御棒の駆動モードを切り替えることで、原子炉の起動時間を短縮することができる。

炉心の未臨界から臨界に達するまでの中性子の実効増倍率の経時変化と駆動モードとの関係を示したグラフを示す図である。 制御棒自動制御装置の概略構成を示した図である。 制御棒操作の許可・不許可の判定処理を示したフロー図である。 駆動モードを決定する判定処理を示したフロー図である。 制御棒操作演算装置、制御棒操作指示装置および制御棒駆動制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。まず初めに、本発明の原理について説明する。

図１は、炉心の未臨界から臨界に達するまでの中性子の実効増倍率の経時変化と駆動モードとの関係を示したグラフを示す図である。横軸は、制御棒の引抜開始後の時間を示している。また、縦軸は、中性子の実効増倍率（Ｋｅｆｆ）を示している。なお、実効増倍率“１”が臨界を示し、“１”未満が未臨界を示す。また、実効増倍率が“１”を超えると超臨界状態となる。制御棒全挿入時（点Ａ）から臨界判定（点Ｄ）までの操作を実現するのが臨界近接モードである。

本実施形態に係る制御棒自動制御装置１００は、３つの駆動モードを使って制御棒を操作する。具体的には、駆動モードには、高速駆動モードと、ブロック駆動モードと、ステップ駆動モードと、がある。

高速駆動モードは、制御棒を高速に引抜く（操作する）モードである。また、ブロック駆動モードは、制御棒の各ブロックの投入反応度がほぼ等しくなるように制御棒をブロック量単位で操作するモードである。また、ステップ駆動モードは、制御棒を最小操作単位量（ステップ）で操作する駆動モードである。

図１において、Ａ点～Ｂ点が高速駆動モード、Ｂ点～Ｃ点がブロック駆動モード、Ｃ点～Ｄ点がステップ駆動モードによる制御棒の操作を示している。また、それぞれの駆動モードの切替判定は、中性子の実効増倍率の値およびその時間変化に基づいて行われる。

高速駆動モードは、未臨界度が比較的大きく、臨界を超える心配が少ないときに比較的高速で制御棒を引き抜く駆動モードである（Ａ点～Ｂ点）。すなわち、点Ａ～点Ｂにおいては、ペリオド（炉周期）が小さくないため、比較的速い駆動速度で制御棒が引き抜かれる。なお、ペリオド信号は原子炉の安全系に組み込まれており、設定値より短くなると制御棒の引抜きを禁じたり、スクラムする。

なお、高速駆動モードが使用される領域において、制御棒が中性子検出器の近くを通過し、局所的に中性子束が増加するときにペリオドが小さくなる場合がある。そのため、高速駆動モードでは、ペリオドが短くなると予め予想される位置において制御棒の操作を一時停止させ、それ以外は比較的速い駆動速度で制御棒を引き抜くように制御される。

ペリオドτと中性子束φや炉心反応度ρ（未臨界ではρ＜０）の関係は、以下の数１で表すことができる。

一時停止位置では、例えば最低１０秒間、制御棒の引き抜きが停止される。その結果、単位時間当りの投入反応度ｄρ／ｄｔが小さくなり、数１によりペリオドτを大きくできることがわかる。なお、制御棒を一時停止させる位置は事前に決定されている。

高速駆動モードからブロック駆動モードへの切替判定は、実効増倍率Ｋｅｆｆが０．９９５に到達したときに行われる（点Ｂ）。具体的には、制御棒自動制御装置１００は、実効増倍率が０．９９５に到達したとき、その時点を基準に所定時間内（例えば、実効増倍率が０．９９５に到達した時点から遡って５０秒間）の実効増倍率の増加速度が第１の所定値以上（例えば、第１の所定値を下限値とし、任意の上限値との間の所定範囲内）であるときに、高速駆動モードからブロック駆動モードに切替える。なお、実効増倍率の増加速度の一例については後述する。

一方で、制御棒自動制御装置１００は、実効増倍率が０．９９５に到達したとき、その時点を基準に所定時間内（例えば、実効増倍率が０．９９５に到達した時点から遡って５０秒間）の実効増倍率の増加速度が第１の所定値未満（例えば、第１の所定値を下限値とし、任意の上限値との間の所定範囲未満）であるとき、高速駆動モードを継続する。

なお、制御棒自動制御装置１００は、それ以降の実効増倍率の増加速度を監視し、所定時間内（例えば、毎秒ごとに、その時点から遡って５０秒間）の中性子の増加速度が第１の所定値以上（例えば、第１の所定値を下限値とし、任意の上限値との間の所定範囲内）となった場合には、高速駆動モードからブロック駆動モードに切替える。

なお、ブロック駆動モードへの切替判定に用いる実効増倍率の増加速度に関する所定値は、冷温起動時にブロック駆動モードで引抜操作をしているときの代表的な増加速度を参考に設定される。

ブロック駆動モードは、各ブロックの投入反応度がほぼ等しくなるように設定した１ブロック量だけ制御棒を引抜く駆動モードである（点Ｂ～点Ｃ）。なお、１ブロック量とは、制御棒の引抜き方向において設定される引抜き量を示す単位である。制御棒の反応度は、燃料特性や制御棒の位置によって大きく異なるため、制御棒の物理的な引抜き量の最小操作単位である１ステップで１ブロックを構成することもあれば、２０ステップで１ブロックになることもある。１ブロックに相当する引抜き量はあらかじめ計算により求めておく。なお、１ブロック量当りの反応度は、例えば０.０５％Δｋ程度とする。

ブロック駆動モードからステップ駆動モードへの切替判定は、実効増倍率Ｋｅｆｆが０．９９９に到達したときに行う（点Ｃ）。具体的には、制御棒自動制御装置１００は、実効増倍率が０．９９９に到達したとき、その時点を基準に所定時間内（例えば、実効増倍率が０．９９９に到達した時点から遡って５０秒間）の実効増倍率の増加速度が第２の所定値以上（例えば、第２の所定値を下限値とし、任意の上限値との間の所定範囲内）であるときに、ブロック駆動モードからステップ駆動モードに切替える。

一方で、制御棒自動制御装置１００は、実効増倍率が０．９９９に到達したとき、その時点を基準に所定時間内（例えば、実効増倍率が０．９９９に到達した時点から遡って５０秒間）の実効増倍率の増加速度が第２の所定値未満（例えば、第２の所定値を下限値とし、任意の上限値との間の所定範囲未満）であるとき、ブロック駆動モードを継続する。

なお、制御棒自動制御装置１００は、それ以降の実効増倍率の増加速度を監視し、所定時間内（例えば、毎秒ごとに、その時点から遡って５０秒間）の中性子の増加速度が第２の所定値以上（例えば、第２の所定値を下限値とし、任意の上限値との間の所定範囲内）となった場合には、ブロック駆動モードからステップ駆動モードに切替える。

なお、ステップ駆動モードへの切替判定に用いる実効増倍率の増加速度に関する所定値は、冷温起動時にステップ駆動モードで引抜操作をしているときの代表的な増加速度を参考に設定される。

ステップ駆動モードは、微小な反応度の調整を可能とするため、制御棒を最小操作単位量（水圧駆動型制御棒では１ノッチ、電動駆動型制御棒１ステップと呼ぶ）だけ引抜く駆動モードである（点Ｃ～点Ｄ）。なお、最小操作量である１ステップ当りの投入反応度は、例えば０.０５％Δｋ以下になるよう設定される。

なお、制御棒自動制御装置１００は、各駆動モードの操作中に所定時間内の実効増倍率の増加速度が、所定の範囲を超えた場合には、制御棒の引抜き停止を行う。また、制御棒自動制御装置１００は、引抜き停止後も実効増倍率の増加速度が所定の範囲を超える場合には、制御棒の挿入を行う。

本機能により、原子炉に正の反応度が付与される場合、例えば原子炉停止直後の高温起動時のようにキセノン濃度が時間経過に伴って減少して正の反応度が付与される場合や、反応度温度係数が負で炉水温度が低下するような場合でも、制御棒自動制御装置は、適切な制御棒の引抜き操作が可能となる。

また、制御棒自動制御装置１００は、臨界判定後に臨界維持モードにて臨界状態を維持する。すなわち、制御棒自動制御装置１００は、実効増倍率を監視し、未臨界度が所定値を超えた場合には制御棒を引抜き、臨界超過が所定値を超えた場合には制御棒を挿入する制御を行う。

以上のように、未臨界の原子炉を臨界にする場合において、炉心内における中性子の実効増倍率が小さい（未臨界度が大きい）場合には、高速駆動モードで制御棒が引抜かれ、臨界に近くなった場合には、ブロック駆動モードおよびステップ駆動モードを利用してほぼ一定のペリオドで制御棒が引抜かれる。

このように、制御棒自動制御装置１００は、各駆動モードの切替判定を実効増倍率の値だけではなく、所定時間内における中性子の増加速度も考慮して行う。これにより、制御棒自動制御装置は、原子炉停止直後の高温起動時のようにキセノン濃度の過渡変化により正（または負）の反応度が付与される状況下においても、ペリオド短等のリスクが小さく、かつ、最短時間制御に近い最適な駆動モードの切替操作を実現することができる。

また、制御棒自動制御装置１００は、臨界判定後においても実効増倍率を監視することで、自動での臨界維持を可能とし、運転の省力化を実現することができる。

［動作の説明］
以下、制御棒自動制御装置１００で実行される処理について具体的に説明する。

図２は、制御棒自動制御装置１００の概略構成を示した図である。図示するように、原子炉圧力容器１内の炉心２には、原子炉の出力を制御する複数の制御棒３が配置されている。各制御棒３は、制御棒駆動機構５と、制御棒３を動かすモータ６と、により駆動される。また、各制御棒３には、制御棒位置検出器８が設置されている。また、炉心２には、原子炉起動時の中性子束を検出する中性子束検出器１０が配置され、中性子束モニタ（ＳＲＮＭ）４により中性子束検出器１０で検出された値が監視されている。

また、中性子束モニタ４は、中性子束検出器１０からの出力信号を変換し、中性子束レベル信号とペリオド信号と、を生成して制御棒操作演算装置１４に出力する。また、中性子束モニタ４は、反応度計１５に中性子束レベル信号を出力する。反応度計１５は、取得した中性子束レベル信号に基づく実効増倍率信号を制御棒操作演算装置１４に出力する。

以下、制御棒自動制御装置１００が有する制御棒操作演算装置１４と、制御棒の操作を指示する制御棒操作指示装置１３と、制御棒の動作を管理する制御棒駆動制御装置１６と、が実行する動作処理について説明する。

運転員が、制御棒操作指示装置１３の入力装置１２から臨界近接モードを選択すると、制御棒操作演算装置１４は、中性子束モニタ４から取得した中性子束レベル信号およびペリオド信号と、反応度計１５から取得した実効増倍率信号と、を用いて、制御棒操作（引抜きあるいは挿入）の許可または不許可の判定処理と、高速駆動モード、ブロック駆動モード、ステップ駆動モードの中から適切な１つの駆動モードを決定する判定処理と、を行う。また、制御棒操作演算装置１４は、各々の判定結果を示す制御棒操作許可信号および駆動モード信号を制御棒操作指示装置１３に出力する。

制御棒操作指示装置１３は、制御棒操作演算装置１４から受信した制御棒操作許可信号および駆動モード信号を、それぞれ制御棒操作指令および駆動モード信号として制御棒駆動制御装置１６に出力する。また、制御棒操作指示装置１３は、これらの信号と、予め入力した制御棒操作手順データ９と、を用いて、これから操作する制御棒３の炉心２内における配置と、現在の制御棒の引抜き位置と、目標とする制御棒の引抜き位置と、操作に適した駆動モードと、制御棒３を操作することが可能か否かの情報と、を表示装置１１に表示して運転員に知らせる。

制御棒駆動制御装置１６は、制御棒操作指示装置１３から取得した制御棒操作指令および駆動モード信号と、制御棒操作手順データ９と、を用いて、百本以上ある制御棒から操作する制御棒３を選択し、引抜き指令または挿入指令や、制御棒到達目標位置などを、選択した制御棒３に対応するモータ駆動制御装置７に対して送信する。

モータ駆動制御装置７は、制御棒駆動制御装置１６から取得した引抜き指令または挿入指令や、制御棒位置検出器８により検出された値および制御棒到達目標位置に基づいて、各制御棒３に対応するモータ６の回転数を制御する。また、モータ駆動制御装置７は、引抜き指令または挿入指令に応じた制御が完了した場合や、制御棒３が目標位置に到達した場合、かかる制御の完了を示す制御完了信号あるいは制御棒３が目標位置に到達したことを示す目標位置到達信号を制御棒駆動制御装置１６に出力する。

制御棒駆動制御装置１６は、選択した全ての制御棒３に対応するモータ駆動制御装置７から制御完了信号あるいは目標位置到達信号を受信すると、制御棒操作演算装置１４と、制御棒操作指示装置１３と、にこれらの信号を出力する。かかる信号を受けた制御棒操作演算装置１４は、再び、制御棒操作の許可・不許可の判定処理と、次の制御棒操作の駆動モードを決定する判定処理と、を行い、判定結果を示す信号を制御棒操作指示装置１３に出力する。

以上の構成により、上述した３つ駆動モードを用いた制御棒操作を実現することができる。

次に、制御棒操作の許可・不許可の判定と、駆動モードを決定する判定と、の詳細について説明する。

図３は、制御棒操作の許可・不許可の判定処理（アルゴリズム）を示したフロー図である。また、図４は、駆動モードを決定する判定処理（アルゴリズム）を示したフロー図である。

図３の処理は、運転員が臨界近接モードを選択すると開始される。制御棒操作演算装置１４は、ステップＳ００１において初期設定処理の済、未済を判定する。また、制御棒操作演算装置１４は、かかる処理を実施済みと判定した場合（ステップＳ００１でＹｅｓ）、処理をステップＳ００２およびステップＳ００３に移行し、実施が未済と判定した場合（ステップＳ００１でＮｏ）、初期設定を実施する（ステップＳ００４）。ステップＳ００４で実施される初期設定では、第１に制御棒３の駆動モードが高速駆動モードに設定され、第２に制御棒３の引抜き許可信号がＯＮに設定される。

ステップＳ００２およびステップＳ００３では、制御棒操作演算装置１４は、制御棒３の引抜きの不許可または許可の判定を行う。具体的には、制御棒操作演算装置１４は、（１－１）制御棒３が動作中であり、ペリオドが所定値（例えば、５０秒）以下の場合、（１－２）高速駆動モードにおいて制御棒３が停止中であり、制御棒３の停止時間が所定値（例えば、１０秒）以下、または、ペリオドが所定値（例えば、２００秒）以下の場合、（１－３）ブロック駆動モードにおいて制御棒３が停止中であり、制御棒の停止時間が所定値（例えば、１０秒）以下、または、ペリオドが所定値（例えば、２００秒）以下、または、実効増倍率の増加速度が所定値（例えば、０．０１％Δｋ/s）以上の場合、（１－４）ステップ駆動モードにおいて制御棒３が停止中であり、制御棒の停止時間が所定値（例えば、１０秒）以下、または、ペリオドが所定値（例えば、２００秒）以下、または、実効増倍率の増加速度が所定値（例えば、０．０００５％Δｋ/ｓ）以上の場合、のいずれか１つが該当するとき、制御棒３の引抜きを不許可とする判定を行う（ステップＳ００２）。

一方で、制御棒操作演算装置１４は、（２－１）制御棒３が動作中であり、ペリオドが所定値（例えば、５０秒）以上の場合、（２－２）高速駆動モードにおいて制御棒３が停止中であり、制御棒３の停止時間が所定値（例えば、１０秒）以上、かつ、ペリオドが所定値（例えば、２００秒）以上の場合、（２－３）ブロック駆動モードにおいて制御棒３が停止中であり、制御棒３の停止時間が所定値（例えば、１０秒）以上、かつ、ペリオドが所定値（例えば、２００秒）以上、かつ、実効増倍率の増加速度が所定値（例えば、０．０１％Δｋ/s）以下の場合、（２－４）ステップ駆動モードにおいて制御棒３が停止中であり、制御棒３の停止時間が所定値（例えば、１０秒）以上、かつ、ペリオドが所定値（例えば、２００秒）以上、かつ、実効増倍率の増加速度が所定値（例えば、０．０００５％Δｋ/ｓ）以下の場合、のいずれか１つが該当するとき、制御棒３の引抜きを許可する判定を行う（ステップＳ００３）。

かかる処理が終わると、制御棒操作演算装置１４は、図４に示す駆動モードを決定する判定処理を行う。

図４に示す駆動モードを決定する判定処理が開始されると、制御棒操作演算装置１４は、現在の駆動モードを判定する（ステップＳ０１０）。具体的には、制御棒操作演算装置１４は、高速駆動モード、ブロック駆動モードおよびステップ駆動モードの中から現在の駆動モードがどれであるかを判定する。

そして、現在の駆動モードが高速駆動モードと判定した場合、制御棒操作演算装置１４は、実効増倍率に基づいてブロック駆動モードへのモード切替えを行うか否かを判定する。具体的には、制御棒操作演算装置１４は、実効増倍率Ｋｅｆｆが、以下の数２を満たすか否かを判定し（ステップＳ０１１）、満たさないと判定した場合（ステップＳ０１１でＮｏ）、高速駆動モードの継続を決定し（ステップＳ０１４）、本フローの処理を終了する。一方で、数２を満たすと判定した場合（ステップＳ０１１でＹｅｓ）、制御棒操作演算装置１４は、一時的に制御棒３の引抜き不許可の信号を制御棒操作指示装置１３に出力し（ステップＳ０１２）、処理をステップＳ０１３に移行する。

ステップＳ０１３では、制御棒操作演算装置１４は、所定時間内（例えば、実効増倍率が０．９９５に到達した時点から遡って５０秒間）の実効増倍率の増加速度が以下の数３を満たすか否かを判定する。そして、数３を満たすと判定した場合（ステップＳ０１３でＹｅｓ）、制御棒操作演算装置１４は、高速駆動モードからブロック駆動モードへの切替えを決定し（ステップＳ０２２）、本フローの処理を終了する。一方で、数３を満たさないと判定した場合（ステップＳ０１３でＮｏ）、制御棒操作演算装置１４は、高速駆動モードの継続を決定し（ステップＳ０１４）、本フローの処理を終了する。

また、ステップＳ１０において、現在の駆動モードがブロック駆動モードと判定した場合、制御棒操作演算装置１４は、実効増倍率Ｋｅｆｆが以下の数４を満たすか否かを判定する（ステップＳ０２１）。そして、数４を満たさないと判定した場合（ステップＳ０２１でＮｏ）、ブロック駆動モードの継続を決定し（ステップＳ０２２）、本フローの処理を終了する。

一方で、数４を満たすと判定した場合（ステップＳ０２１でＹｅｓ）、制御棒操作演算装置１４は、臨界判定を行う（ステップＳ０３１）。具体的には、制御棒操作演算装置１４は、制御棒停止後のペリオドが２００秒以下の持続時間を計測してから経過時間が１２０秒を超え、かつ、以下の数５を満たす場合に、臨界に到達したと判定する。

制御棒操作演算装置１４は、臨界に到達したと判定した場合（ステップＳ０３１でＹｅｓ）、駆動モードを臨界維持モードに切り替える決定をして（ステップＳ０３４）、本フローの処理を終了する。なお、この時、制御棒操作演算装置１４は、表示装置１１を介して臨界に到達したことを運転員に知らせる。

一方で、臨界に到達していないと判定した場合（ステップＳ０３１でＮｏ）、制御棒操作演算装置１４は、所定時間内（例えば、実効増倍率が０．９９９に到達した時点から遡って５０秒間）の実効増倍率の増加速度が以下の数６を満たすか否かを判定する（ステップＳ０３２）。そして、数６を満たすと判定した場合（ステップＳ０３２でＹｅｓ）、制御棒操作演算装置１４は、ブロック駆動モードからステップ駆動モードへの切替を決定し（ステップＳ０３３）、本フローの処理を終了する。一方で、数６を満たさないと判定した場合（ステップＳ０３２でＮｏ）、制御棒操作演算装置１４は、ブロック駆動モードの継続を決定し（ステップＳ０２２）、本フローの処理を終了する。

また、ステップＳ０１０において、現在の駆動モードがステップ駆動モードと判定された場合、制御棒操作演算装置１４は、前述のステップＳ０３１における臨界判定を行う。なお、ステップＳ０３１～ステップＳ０３４の処理は前述と同様のため、詳細な説明は省略する。

なお、現在の駆動モードが臨界維持モードである場合、制御棒操作演算装置１４は、図３および図４に示す処理は行わずに、以下の数７または数８が満たされるか否かに応じて所定の処理を行う。具体的には、制御棒操作演算装置１４は、数７または数８を満たすか否かを判定し、数７を満たす場合は制御棒３を挿入する決定をし、数８を満たす場合は制御棒３を引抜く決定をする。すなわち、制御棒操作演算装置１４は、中性子の実効増倍率が臨界＝１．０００を超えると制御棒３を挿入し、１．０００未満となると制御棒３を引抜く制御を行う。

また、制御棒操作演算装置１４は、図３に示す制御棒操作の許可・不許可の判定処理の判定結果と、図４に示す駆動モードを決定する判定処理の結果と、を制御棒操作指示装置１３に送信する。

なお、図４の処理で決定された駆動モードが高速駆動モード、ブロック駆動モードおよびステップ駆動モードのいずれかである場合、制御棒操作演算装置１４は、図３および図４に示す一連の処理を定期的（例えば、１秒ごと）に実行する。

このような制御棒自動制御装置によれば、より適切なタイミングで制御棒の駆動モードを切り替えることで、原子炉の起動時間を短縮することができる。すなわち、制御棒自動制御装置によれば、原子炉起動時の操作を最適化・自動化することができるため、起動時間の短縮および運転員の負荷を低減することができる。また、制御棒自動制御装置は、実効増倍率の値およびその時間変化に基づく制御棒の操作判定と駆動モードの切替判定とを行うことで、原子炉停止直後の高温起動時においても起動時間短縮の観点から最適な制御棒の操作制御が可能となる。

図５は、制御棒操作演算装置１４、制御棒操作指示装置１３および制御棒駆動制御装置１６のハードウェア構成の一例を示した図である。図示するように、これらの各装置は、少なくとも演算装置２１０と、主記憶装置２２０と、補助記憶装置２３０と、通信装置２４０と、これらの各装置を電気的に接続するバス２５０と、を有している。

演算装置２１０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｓｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。主記憶装置２２０は、例えばＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）あるいはＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性または不揮発性のメモリである。補助記憶装置２３０は、例えばＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）である。通信装置２４０は、各装置間を通信可能に接続している所定のネットワークに接続するためのＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）である。

制御棒操作演算装置１４、制御棒操作指示装置１３および制御棒駆動制御装置１６は、演算装置２１０に処理を行わせるプログラムによって所定の動作を実行する。このプログラムは、主記憶装置２２０あるいは補助記憶装置２３０に記憶され、プログラムの実行にあたって主記憶装置２２０上にロードされ、演算装置２１０により実行される。また、各装置間における情報通信は、通信装置２４０を介して実行される。

また、制御棒操作演算装置１４、制御棒操作指示装置１３および制御棒駆動制御装置１６における上記の各構成は、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアによって実現されても良い。

また、本発明は上記した実施形態および変形例に限定されるものではなく、同一の技術的思想の範囲内において様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

また、上記説明では、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

１００・・・制御棒自動制御装置、１・・・原子炉圧力容器、２・・・炉心、３・・・制御棒、４・・・中性子束モニタ、５・・・制御棒駆動機構、６・・・モータ、７・・・モータ駆動制御装置、８・・・制御棒位置検出器、９・・・制御棒操作手順データ、１０・・・中性子束検出器、１１・・・表示装置、１２・・・入力装置、１３・・・制御棒操作指示装置、１４・・・制御棒操作演算装置、１５・・・反応度計、１６・・・制御棒駆動制御装置、２１０・・・演算装置、２２０・・・主記憶装置、２３０・・・補助記憶装置、２４０・・・通信装置、２５０・・・バス

Claims (15)

1. 原子炉の炉心内における制御棒を高速に操作する高速駆動モードと、投入反応度がほぼ等しくなるように前記制御棒の引抜き方向に規定されるブロック量単位で前記制御棒を操作するブロック駆動モードと、前記制御棒の最少操作単位量である１ステップずつ前記制御棒を操作するステップ駆動モードと、を有し、
   前記駆動モードの切替および前記制御棒の操作を、中性子の実効増倍率の値と、所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向と、に基づいて行う
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
2. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
   前記高速駆動モードで前記制御棒を操作中に、中性子の実効増倍率が第１の所定値に到達し、かつ、前記所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向が第２の所定値を下限とする所定範囲内であるとき、前記高速駆動モードから前記ブロック駆動モードへの切替を行い、
   前記高速駆動モードで前記制御棒を操作中に、中性子の実効増倍率が前記第１の所定値に到達し、かつ、前記所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向が前記第２の所定値を下限とする所定範囲未満であるとき、前記高速駆動モードを継続する
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
3. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
   前記ブロック駆動モードで前記制御棒を操作中に、中性子の実効増倍率が第３の所定値に到達し、かつ、前記所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向が第４の所定値を下限とする所定範囲内であるとき、前記ブロック駆動モードから前記ステップ駆動モードへの切替を行い、
   前記ブロック駆動モードで前記制御棒を操作中に、中性子の実効増倍率が前記第３の所定値に到達し、かつ、前記所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向が前記第４の所定値を下限とする所定範囲未満であるとき、前記ブロック駆動モードを継続する
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
4. 請求項３に記載の制御棒自動制御装置であって、
   前記ステップ駆動モードで前記制御棒を操作中に、前記所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向が前記第４の所定値を下限とする所定範囲未満になると、前記ステップ駆動モードから前記ブロック駆動モードへの切替を行う
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
5. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
   前記各駆動モードで前記制御棒を操作中に、前記所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向が所定の範囲を超えた場合、前記制御棒の引抜き停止または前記制御棒の挿入を行う
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
6. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
   臨界到達後に、中性子の実効増倍率が第５の所定値よりも大きいとき、前記制御棒の挿入を行い、中性子の実効増倍率が前記第５の所定値よりも小さいとき、前記制御棒の引抜きを行う
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
7. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
   前記制御棒が動作中であり、
   炉周期であるペリオドが第６の所定値以下の場合、
   前記制御棒の引抜きを不許可とする
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
8. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
   前記高速駆動モードにおいて前記制御棒が停止中であり、
   前記制御棒の停止時間が第７の所定値以下、または、
   炉周期であるペリオドが第８の所定値以下の場合、
   前記制御棒の引抜きを不許可とする
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
9. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
   前記ブロック駆動モードにおいて前記制御棒が停止中であり、
   前記制御棒の停止時間が第７の所定値以下、または、
   炉周期であるペリオドが第８の所定値以下、または、
   前記実効増倍率の増加速度が第９の所定値以上の場合、
   前記制御棒の引抜きを不許可とする
   ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
10. 請求項１に記載の制御棒自動制御装置であって、
    前記ステップ駆動モードにおいて前記制御棒が停止中であり、
    前記制御棒の停止時間が第７の所定値以下、または、
    炉周期であるペリオドが第８の所定値以下、または、
    前記実効増倍率の増加速度が第１０の所定値以上の場合、
    前記制御棒の引抜きを不許可とする
    ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
11. 請求項７に記載の制御棒自動制御装置であって、
    前記制御棒が動作中であり、
    前記ペリオドが前記第６の所定値以上の場合、
    前記制御棒の引抜きを許可する
    ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
12. 請求項８に記載の制御棒自動制御装置であって、
    前記高速駆動モードにおいて前記制御棒が停止中であり、
    前記制御棒の停止時間が前記第７の所定値以上、かつ、
    前記ペリオドが前記第８の所定値以上の場合、
    前記制御棒の引抜きを許可する
    ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
13. 請求項９に記載の制御棒自動制御装置であって、
    前記ブロック駆動モードにおいて前記制御棒が停止中であり、
    前記制御棒の停止時間が前記第７の所定値以上、かつ、
    前記ペリオドが前記第８の所定値以上、かつ、
    前記実効増倍率の増加速度が前記第９の所定値以下の場合、
    前記制御棒の引抜きを許可する
    ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
14. 請求項１０に記載の制御棒自動制御装置であって、
    前記ステップ駆動モードにおいて前記制御棒が停止中であり、
    前記制御棒の停止時間が前記第７の所定値以上、かつ、
    前記ペリオドが前記第８の所定値以上、かつ、
    前記実効増倍率の増加速度が前記第１０の所定値以下の場合、
    前記制御棒の引抜きを許可する
    ことを特徴とする制御棒自動制御装置。
15. 制御棒自動制御装置が行う制御棒自動制御方法であって、
    前記制御棒自動制御装置は、
    原子炉の炉心内における制御棒を高速に操作する高速駆動モードと、投入反応度がほぼ等しくなるように前記制御棒の引抜き方向に規定されるブロック量単位で前記制御棒を操作するブロック駆動モードと、前記制御棒の最少操作単位量である１ステップずつ前記制御棒を操作するステップ駆動モードと、により前記制御棒を操作する操作ステップを行い、
    前記操作ステップでは、
    前記駆動モードの切替および前記制御棒の操作を、中性子の実効増倍率の値と、所定時間内における中性子の実効増倍率の増減傾向と、に基づいて行う
    ことを特徴とする制御棒自動制御方法。

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