JP2022173822A - 高速炉の原子炉保護装置及び原子炉保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉の異常発生に対してトリップ信号が出力されるまでの時間を短くする。【解決手段】高速炉の原子炉保護装置１は、高速炉の原子炉の出力値を特定する出力値特定部１２１と、原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得する取得部１２２と、出力値特定部１２１が特定した出力値が所定の閾値未満である場合、取得部１２２が取得した中性子束のレベルに基づく中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、出力値特定部１２１が特定した出力値が所定の閾値以上である場合、当該変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間よりも短い第２時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力する信号出力部１２３と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、高速炉の原子炉保護装置及び原子炉保護方法に関する。

従来、高速炉の原子炉保護装置においては、原子炉に設けられている各種検出器からの入力信号が所定のレベルに達した場合に、原子炉の保護動作を開始させるためのトリップ信号を出力し、原子炉停止系において原子炉の保護動作を行わせることが行われている。例えば、非特許文献１には、保護装置において出力される原子炉トリップ信号の種類が開示されている。

Nobuyuki ISHIKAWA，et al. "Design Study on Safety Protection System of JSFR", 2012 International Congress on the Advances in Nuclear Power Plants （ICAPP'12）, June 24-28, 2012, paper 12383

原子炉においては、異常発生時に、原子炉の熱的余裕を保ち燃料健全性を確保するため、所定のレベルをできるだけ低い設定値にし、早期に異常を検出して保護動作を行えるようにすることが求められている。

これに対し、トリップ信号を出力する閾値である所定のレベルは、原子炉の通常運転中に正常な動作として発生し得る入力信号の変動では作動しないレベルに定める必要がある。例えば、原子炉の正常な動作の一つである原子炉の出力上昇時に、検出器からの入力信号によりトリップ信号が出力されないようにする必要がある。しかしながら、原子炉の出力上昇時にトリップ信号が出力されないようにするために所定のレベルを設定すると、原子炉の異常発生に対してトリップ信号が出力されるまでの時間が遅くなるという問題がある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、原子炉の異常発生に対してトリップ信号が出力されるまでの時間を短くすることを目的とする。

本発明の第１の態様に係る高速炉の原子炉保護装置は、高速炉の原子炉の出力値を特定する出力値特定部と、前記原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得する取得部と、前記出力値特定部が特定した前記出力値が所定の閾値未満である場合、前記取得部が取得した前記中性子束のレベルに基づく前記中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、前記出力値特定部が特定した前記出力値が前記所定の閾値以上である場合、前記変化率が、当該変化率に対して定められた前記第１時間よりも短い第２時間継続したことを条件として前記トリップ信号を出力する信号出力部と、を有する。

前記信号出力部は、前記出力値が前記所定の閾値未満である場合に、取得した前記中性子束のレベルに対して第１微分時間で不完全微分を行うことにより、前記中性子束のレベルの予測変化量を算出し、算出した予測変化量が第１判定値を超えると前記トリップ信号を出力し、前記出力値が前記所定の閾値以上である場合に、取得した前記中性子束のレベルに対して前記第１微分時間とは異なる第２微分時間で不完全微分を行うことにより、前記中性子束のレベルの予測変化量を算出し、算出した予測変化量が第２判定値を超えると前記トリップ信号を出力し、前記第１微分時間と前記第１判定値とは、前記出力値が前記所定の閾値未満である場合における、前記変化率と前記第１時間との関係に基づいて設定され、前記第２微分時間と前記第２判定値とは、前記出力値が前記所定の閾値以上である場合における、前記変化率と前記第２時間との関係に基づいて設定されてもよい。

前記信号出力部は、前記出力値が前記所定の閾値未満である場合に、取得した前記中性子束のレベルに基づいて前記中性子束のレベルの変化率を算出するとともに、算出したレベルの変化率に対応する前記第１時間を特定し、算出した変化率が、当該第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、前記出力値が前記所定の閾値以上である場合に、取得した前記中性子束のレベルに基づいて前記中性子束のレベルの変化率を算出するとともに、算出したレベルの変化率に対応する前記第２時間を特定し、算出した変化率が、当該第２時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力してもよい。

前記信号出力部は、特定した前記中性子束のレベルを、ローパスフィルタに入力した後に微分することにより、前記変化率を算出してもよい。

本発明の第２の態様に係る高速炉の原子炉保護方法は、コンピュータが実行する、高速炉の原子炉の出力値を特定するステップと、前記原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得するステップと、特定した前記出力値が所定の閾値未満である場合、取得した前記中性子束のレベルに基づく前記中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、特定した前記出力値が所定の閾値以上である場合、前記変化率が、当該変化率に対して定められた前記第１時間よりも短い第２時間継続したことを条件として前記トリップ信号を出力するステップと、を有する。

本発明によれば、原子炉の異常発生に対してトリップ信号が出力されるまでの時間を短くすることができるという効果を奏する。

本実施形態に係る高速炉の原子炉保護装置の概要を示す図である。 本実施形態に係る原子炉保護装置の構成を示す図である。 原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合において、ステップ応答又はランプ応答により原子炉出力が変化した場合の中性子束のレベルの変化率を示す図である。 原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合における、中性子束レベルの変化率と、トリップ信号が出力されるまでの経過時間との関係を示す図である。 原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合において、第１微分時間により不完全微分を行った場合の中性子束の予測変化量を示す図である。 原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合において、ステップ応答又はランプ応答により原子炉出力が変化した場合の中性子束のレベルの変化率を示す図である。 原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合における、中性子束レベルの変化率と、トリップ信号が出力されるまでの経過時間との関係を示す図である。 原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合において、第２微分時間により不完全微分を行った場合の中性子束の予測変化量を示す図である。 原子炉保護装置においてトリップ信号が出力されるまでの処理の流れを示すフローチャートである。

［高速炉の概要］
図１は、本実施形態に係る高速炉の原子炉保護装置１の概要を示す図である。高速炉の原子炉保護装置１は、原子炉に所定のレベルを超える異常が発生した場合に異常の拡大を防ぐために、原子炉の保護動作を開始させるためのトリップ信号を出力し、原子炉停止系に原子炉の緊急停止を行わせる装置である。高速炉の原子炉保護装置１は、例えば、コンピュータである。以下、高速炉の原子炉保護装置１を、原子炉保護装置１という。

原子炉保護装置１は、中性子束検出器２から、出力領域における中性子束のレベルを示す中性子束信号を取得する。原子炉保護装置１は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合、取得した中性子束のレベルに基づく中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号をトリップ制御装置３に出力する。

一方、原子炉の出力値が所定の閾値以上であり、１００％の出力の近傍である場合には、所定の閾値未満である場合に比べて出力上昇幅が小さい。このため、原子炉保護装置１は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合、取得した中性子束のレベルに基づく中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた、第１時間よりも短い第２時間継続したことを条件としてトリップ信号をトリップ制御装置３に出力する。トリップ制御装置３は、トリップ信号が入力されると、原子炉停止系に原子炉の緊急停止を行わせる装置である。

このようにすることで、原子炉保護装置１は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合に、通常の出力上昇に対してトリップ信号を出力しないようにすることができる。また、原子炉保護装置１は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合、通常の出力上昇に対してトリップ信号を出力しないようにしつつも、原子炉の異常発生に対してトリップ信号が出力されるまでの時間を短くすることができる。
以下、原子炉保護装置１の構成について説明する。

［原子炉保護装置１の構成例］
続いて、高速炉の原子炉保護装置１の構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る原子炉保護装置１の構成を示す図である。図２に示すように、原子炉保護装置１は、記憶部１１０と、制御部１２０とを有する。制御部１２０は、出力値特定部１２１と、取得部１２２と、信号出力部１２３とを備える。

記憶部１１０は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等である。記憶部１１０は、原子炉保護装置１を機能させるための各種プログラムを記憶する。例えば、記憶部１１０は、原子炉保護装置１の制御部１２０を、出力値特定部１２１、取得部１２２、及び信号出力部１２３として機能させるプログラムを記憶する。

制御部１２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。制御部１２０は、記憶部１１０に記憶されているプログラムを実行することにより、出力値特定部１２１、取得部１２２、及び信号出力部１２３として機能する。

出力値特定部１２１は、高速炉の原子炉の出力値を特定する。例えば、出力値特定部１２１は、中性子束検出器２から、出力領域における中性子束のレベルを示す中性子束信号を受信する。出力値特定部１２１は、受信した中性子束信号が示す中性子束のレベルに基づいて原子炉の出力値を特定する。

取得部１２２は、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得する。具体的には、取得部１２２は、中性子束検出器２から、出力領域における中性子束のレベルを示す中性子束信号を受信することにより、中性子束信号が示す中性子束のレベルを示す情報を取得する。

信号出力部１２３は、原子炉の通常運転時において発生するステップ応答及びランプ応答のいずれにおいてもトリップ信号が出力されず、異常が発生している可能性が高い場合においてのみトリップ信号が出力されるように、トリップ信号の出力条件を制御する。出力条件の詳細については後述する。

ステップ応答は、所定の時間内に原子炉の出力指示値の変化量が第１変化量以上の第１指示に対する原子炉の出力変化である。第１指示は、第１規定時間内に出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示である。ステップ応答は、例えば、電力系統において瞬間的に要求電力が変化した場合に行われる出力変更により発生する。ステップ応答においては、中性子束のレベルが変化する期間はランプ応答時よりも短いが、ランプ応答時よりも急峻に中性子束のレベルが変化する。

ランプ応答は、所定の時間内に原子炉の出力指示値の変化量が第１変化量未満の第２指示に対する原子炉の出力変化である。第２指示は、第１規定時間に比べて長い第２規定時間内に出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示である。ランプ応答は、例えば、１日の日中と夜間に電力需要の違いがあるため、電力需要が大幅に変動する時間に合わせて行われる出力変更により発生する。ランプ応答においては、中性子束のレベルがステップ応答時よりも緩やかに変化するが、ステップ応答時よりも長時間にわたって中性子束のレベルが変化する。

図３は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合において、ステップ応答又はランプ応答により原子炉出力が変化した場合の中性子束のレベルの変化率を示す図である。ここで、所定の閾値は、例えば通常運転時における原子炉の最大出力値の９５％である。図３において、実線は、上昇率が最大のステップ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。破線は、上昇率が最大のランプ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。一点鎖線は、通常のランプ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。

図３では、上昇率が最大のステップ応答に対応する出力指示が行われてから時間Ｔ_１１までの間の中性子束のレベルの変化率が第１変化率を示すＲ１であることが確認できる。また、図３では、上昇率が最大のランプ応答に対応する出力指示が行われた場合の中性子束のレベルの変化率が第１変化率よりも小さい第２変化率を示すＲ２であることが確認できる。また、図３では、通常のランプ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率が第２変化率よりも低い変化率を示すＲ３であることが確認できる。

図３に示す例では、ステップ応答に対応する中性子束のレベルの変化率の例として、上昇率が最大のステップ応答に対応する出力指示が行われてからの中性子束のレベルの変化率を示したが、ステップ応答に対応する上昇率により、中性子束のレベルの変化率が継続可能な時間が異なる。

そこで、信号出力部１２３は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合に、通常運転時に実施される複数の上昇率それぞれに対応するステップ応答が発生した場合、及びランプ応答が発生した場合の両方の場合においても、トリップ信号が出力されず、異常が発生している可能性が高い場合においてのみトリップ信号が出力されるように、トリップ信号を出力する。信号出力部１２３は、出力値特定部１２１が特定した出力値が所定の閾値未満である場合、取得部１２２が取得した中性子束のレベルに基づく中性子束のレベルの変化率が、第１変化率Ｒ１よりも大きいか、第１変化率Ｒ１以下で第２変化率Ｒ２よりも大きい場合に当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力する。

具体的には、信号出力部１２３は、取得部１２２が取得した中性子束のレベルに対して第１微分時間で不完全微分を行うことにより、中性子束のレベルの予測変化量を算出する。そして、信号出力部１２３は、算出した予測変化量が第１判定値を超えるとトリップ信号を出力する。第１微分時間及び第１判定値は、後述するように、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合における、中性子レベルの変化率と、当該変化率に対して定められる第１時間と、第２変化率Ｒ２との関係に基づいて設定される。

図４は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合における、中性子束のレベルの変化率と、トリップ信号が出力されるまでの経過時間（第１時間）との関係を示す図である。図４の縦軸は中性子束変化率を示し、横軸は同じ変化率の継続時間を示している。図４には、算出された予測変化量が判定値に到達し、トリップ信号を出力するまでの経過時間を示すトリップ設定曲線を示している。各々の変化率に対して、図４に示すトリップ設定曲線が示す経過時間で、信号出力部１２３はトリップ信号を出力する。このトリップ設定曲線は図４に示すように、上昇率が最大のステップ応答に対応する出力指示が行われた場合の中性子束のレベルの変化率Ｒ１でも、上昇率が最大のランプ応答に対応する出力指示が行われた場合の中性子束のレベルの変化率Ｒ２でも到達しないように高めに遠ざけて、通常運転時においてトリップ信号が出力されないようにしている。

複数の変化率のそれぞれに対応する出力指示が行われてから、トリップ信号が出力されるまでの経過時間は、以下のように定められる。まず、想定しうる複数の変化率のそれぞれに対し、不完全微分器を用いて、変化率に対応する予測変化量を算出する。予測変化量は、変化率が一定である場合に予測される中性子束レベルの変化量である。不完全微分器は、以下の式（１）の伝達関数により示される。Ｔ_Ｄは微分時間、ηは微分ゲインの逆数である。

中性子束のレベルの変化率をα、経過時間をｔとすると、不完全微分器へのランプ入力に対し、予測変化量ａは、以下の（２）式により算出することができる。ここで、経過時間ｔが無限大のとき、予測変化量ａは、Ｔ_Ｄ・αに漸近するものとする。

通常運転中の原子炉の出力上昇制御において起こり得る変動の大きな応答には、上述のとおりステップ応答及びランプ応答があり、これらステップ応答及びランプ応答に対してトリップ信号が出力されないようにする必要がある。出力値特定部１２１が特定した出力値が所定の閾値未満である場合における通常運転中に発生しうる複数のステップ応答及びランプ応答に対応する変化率αと、トリップ信号が出力されるまでの経過時間ｔとの組み合わせ、及び最大のランプ応答に対応する第２変化率Ｒ２と、第２変化率Ｒ２に対してトリップ信号が出力されないことを示す経過時間ｔ（ｔ＝∞）との組み合わせを式（２）に入力し、当該組み合わせに対してトリップ信号が出力されないようにするために、Ｔ_Ｄとａとを調整する。式（２）を変形すると、以下の式（３）が示される。式（３）におけるＴ_Ｄ１は調整後の微分時間（第１微分時間）であり、ａ_１は調整後の予測変化量（第１判定値）である。このようにすることで、第１微分時間と、第１判定値とを設定することができる。

式（３）は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合に、変化率αの入力に対し、当該変化率αに対してトリップ信号が出力されるまでの原子炉の運転継続時間である経過時間ｔを出力する第１関数である。第１関数が示す変化率αと、経過時間ｔとの関係を示す曲線は、原子炉の出力が所定の閾値未満である場合に、中性子束のレベルの変化率αが継続したときに、トリップ信号を出力するまでの経過時間ｔを示すトリップ設定曲線となる。

図５は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合において、第１微分時間により不完全微分を行った場合の中性子束の予測変化量を示す図である。図５における横軸のタイムスケールは、図３に示す横軸のタイムスケールと同一である。図５において、実線は、上昇率が最大のステップ応答が発生した場合、すなわち、中性子束のレベルの変化率がＲ１である場合の中性子束のレベルの予測変化量を示している。破線は、上昇率が最大のランプ応答が発生した場合、すなわち、中性子束のレベルの変化率がＲ２である場合の中性子束のレベルの予測変化量を示している。一点鎖線は、通常のランプ応答が発生した場合の中性子束の予測変化量を示している。

不完全微分を用いることで、図５に示されるように、予測変化量ａ_１（第１判定値）への到達時間ｔは、ランプ入力（変化率α）の値が大きいと早く、ランプ入力の値が小さいと遅い負の対数になる。このように、微分時間Ｔ_Ｄと予測変化量ａ（判定値に等しくなる）を調整することにより、ステップ応答に対して短い経過時間ｔとなるとともに、ランプ応答に対して長い経過時間ｔとなるように設定することができる。

信号出力部１２３は、設定された第１微分時間Ｔ_Ｄ１を式（１）に示される不完全微分器に適用し、適用後の不完全微分器を用いて、取得部１２２が取得した中性子束のレベルの予測変化量を算出する。そして、信号出力部１２３は、算出した予測変化量が、トリップ判定値（第１判定値）を超えるとトリップ信号を出力する。図５に示す例では、上昇率が最大のステップ応答が予め定められた時間発生した場合、上昇率が最大のランプ応答が発生した場合、通常のランプ応答が発生した場合のいずれにおいても、中性子束のレベルの予測変化量がトリップ判定値（第１判定値）を超えることなく、トリップ信号が出力されないことが確認できる。

このようにすることで、原子炉保護装置１は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合に、通常運転時に実施される複数の上昇率それぞれに対応するステップ応答が発生した場合、及びランプ応答が発生した場合の両方の場合においても、トリップ信号が出力されず、異常が発生している可能性が高い場合においてのみトリップ信号が出力されるようにすることができる。

なお、信号出力部１２３は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合に、取得部１２２が取得した中性子束のレベルを第１微分時間により不完全微分を行うことで算出した予測変化量が第１判定値を超えたことを条件としてトリップ信号を出力したが、これに限らない。

記憶部１１は、原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合における、中性子束のレベルの変化率と、トリップ信号が出力されるまでの経過時間である第１時間との組み合わせを記憶してもよい。この場合、信号出力部１２３は、取得部１２２が取得した中性子束のレベルに基づいて、単位時間当たりの中性子束のレベルの変化率を算出するとともに、記憶部１１を参照し、算出した変化率に関連付けられている第１時間を特定する。そして、信号出力部１２３は、算出した中性子束のレベルの変化率が、特定した第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力する。このようにすることで、原子炉保護装置１は、不完全微分を用いてトリップ信号を出力するのと同様に、トリップ信号を出力することができる。

また、信号出力部１２３は、中性子束のレベルの変化率を算出する場合に、取得した中性子束のレベルを、ローパスフィルタに入力した後に微分する不完全微分器に入力することにより、変化率を算出してもよい。このようにすることで、原子炉保護装置１は、中性子束信号に入力に含まれる高周波成分を抑制することができるので、外乱の影響が抑制された変化率を算出することができる。

続いて、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合にトリップ信号が出力される条件について説明する。図６は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合において、ステップ応答又はランプ応答により原子炉出力が変化した場合の中性子束のレベルの変化率を示す図である。

まず、図６における横軸のタイムスケールは、図３に示す横軸のタイムスケールと同一である。図６において、実線は、上昇率が最大のステップ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。また、破線は、上昇率が最大のランプ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。また、一点鎖線は、所定上昇率のランプ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。

原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合、原子炉の出力値に上限が設けられていることにより、上昇率が最大のステップ応答に対応する出力指示は、所定の閾値未満である場合よりも短い時間で行われる。図６に示すように、上昇率が最大のステップ応答が行われてから時間Ｔ_１１よりも短い時間Ｔ_２１までの間の中性子束のレベルの変化率がＲ１であることが確認できる。また、同様に上昇率が最大のランプ応答に対応する出力指示も、所定の閾値未満である場合よりも短い時間で行われる。図６では、上昇率が最大のランプ応答に対応する出力指示が行われてから時間Ｔ_２２までの間に、中性子束のレベルの変化率がＲ２であることが確認できる。また、図６では、所定上昇率のランプ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率がＲ３であることが確認できる。

図６に示す例では、変化率がＲ１である状態が時間Ｔ_２１を超えた場合、又は変化率がＲ２である状態が時間Ｔ_２２を超えた場合、異常が発生したものとして、トリップ信号を出力する必要がある。また、図６に示す例では、所定上昇率のランプ応答が発生した場合であっても、変化率Ｒ３である状態が時間Ｔ_２３を超えると、原子炉の出力値が原子炉において許容されている出力値を超える可能性が高いため、変化率がＲ３である状態が時間Ｔ_２３を超えたことに応じてトリップ信号を出力する必要がある。

これに対応するために、信号出力部１２３は、出力値特定部１２１が特定した出力値が所定の閾値以上である場合、取得部１２２が取得した中性子束のレベルに基づく中性子束のレベルの変化率が、第１変化率Ｒ１以下で第２変化率Ｒ２よりも大きい場合に、当該変化率に対して定められた第１時間よりも短い第２時間継続したこと、又は第中性子束のレベルの変化率が第２変化率Ｒ２以下の場合に当該変化率に対して定められた第３時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力する。

具体的には、信号出力部１２３は、取得部１２２が取得した中性子束のレベルに対して第１微分時間よりも長い第２微分時間で不完全微分を行うことにより、中性子束のレベルの予測変化量を算出する。そして、信号出力部１２３は、算出した予測変化量が第１判定値よりも低い第２判定値を超えるとトリップ信号を出力する。

図７は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合における、中性子束レベルの変化率と、トリップ信号が出力されるまでの経過時間との関係を示す図である。図４に示したトリップ設定曲線と比較すると、同一の変化率に対して、図４に示したトリップ設定曲線よりも短い経過時間においてトリップ信号が出力されるようにトリップ設定曲線が作成されている。

第２微分時間及び第２判定値は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合における、中性子レベルの変化率と、当該変化率に対して定められる第２時間との関係に基づいて設定される。具体的には、第２微分時間及び第２判定値は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合における、中性子束のレベルの変化率が第１変化率Ｒ１以下で第２変化率Ｒ２よりも大きい場合における当該変化率と第２時間との関係（例えば、第１変化率Ｒ１と時間Ｔ_２１との組み合わせ、及び第２変化率Ｒ２と時間Ｔ_２２との組み合わせ）と、中性子束のレベルの変化率が第２変化率Ｒ２以下の場合における当該変化率と第３時間（例えば、第３変化率Ｒ３と時間Ｔ_２３との組み合わせ）との関係とに基づいて設定される。

すなわち、出力値特定部１２１が特定した出力値が所定の閾値以上である場合における通常運転中に発生しうる複数のステップ応答及びランプ応答に対応する変化率αと、トリップ信号が出力されるまでの経過時間ｔとの組み合わせを特定する。そして、特定した組み合わせを、式（２）に入力した場合に、式（２）が成り立つようにＴ_Ｄとａとを調整する。式（２）を変形すると、以下の式（４）が示される。式（４）におけるＴ_Ｄ２は調整後の微分時間（第２微分時間）であり、ａ_２は調整後の予測変化量（第２判定値）である。このようにすることで、第２微分時間と、第２判定値とを設定することができる。

調整されたＴ_Ｄ２とａ_２とにより定められる式（４）は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合に、変化率αの入力に対し、当該変化率αに対してトリップ信号が出力されるまでの原子炉の運転継続時間である経過時間ｔを出力する第２関数である。第２関数が示す変化率αと、経過時間ｔとの関係を示す曲線は、原子炉の出力が所定の閾値以上である場合に、中性子束のレベルの変化率αが継続したときに、トリップ信号を出力するまでの経過時間ｔを示すトリップ設定曲線となる。

図７に示されるトリップ設定曲線において、各変化率αに対応する経過時間が、図４に示される各変化率αに対応する経過時間よりも短くなっていることが確認できる。例えば、図７に示すように、中性子束のレベルの変化率αがＲ１となってから経過時間Ｔ_１１よりも短い経過時間Ｔ_２１を超えると、トリップ設定曲線に対応する経過時間となり、トリップ信号が出力されることとなる。また、中性子束のレベルの変化率αがＲ２となってからＴ_２２を超えた場合、中性子束のレベルの変化率αがＲ３となってからＴ_２３を超えた場合も、トリップ設定曲線に対応する経過時間となり、トリップ信号が出力されることとなる。

図８は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合において、第２微分時間により不完全微分を行った場合の中性子束の予測変化量を示す図である。図８において、実線は、上昇率が最大のステップ応答が発生した場合、すなわち、中性子束のレベルの変化率がＲ１である場合の中性子束のレベルの予測変化量を示している。破線は、上昇率が最大のランプ応答が発生した場合、すなわち、中性子束のレベルの変化率がＲ２である場合の中性子束のレベルの予測変化量を示している。一点鎖線は、上昇率が所定の上昇率のランプ応答が発生した場合、すなわち、中性子束のレベルの変化率がＲ３である場合の中性子束のレベルの予測変化量を示している。

信号出力部１２３は、設定された第２微分時間Ｔ_Ｄ２を式（１）に示す不完全微分器に適用し、適用後の不完全微分器を用いて、取得部１２２が取得した中性子束のレベルの予測変化量を算出する。そして、信号出力部１２３は、算出した予測変化量が、第２判定値を超えるとトリップ信号を出力する。

信号出力部１２３は、図８に示すように、上昇率が最大のステップ応答に対応する出力指示が行われた場合、上昇率が最大のランプ応答に対応する出力指示が行われた場合のいずれも、トリップ判定値（第２判定値）ａ_２を超えないので、トリップ信号を出力しない。一方、信号出力部１２３は、上昇率が所定の上昇率のランプ応答に対応する出力指示が行われてから異常状態に当たる時間Ｔ_２３（第３時間）が経過すると、算出された予測変化量が第２判定値ａ_２を超えることから、トリップ信号を出力する。このようにすることで、原子炉保護装置１は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合に、通常の出力上昇に対してトリップ信号を出力しないようにしつつも、原子炉の異常発生に対してトリップ信号が出力されるまでの時間を短くすることができる。

なお、信号出力部１２３は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合に、取得部１２２が取得した中性子束のレベルを第２微分時間により不完全微分を行うことで算出した予測変化量が第２判定値を超えたことを条件としてトリップ信号を出力したが、これに限らない。

記憶部１１は、原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合における、中性子束のレベルの変化率と、トリップ信号が出力されるまでの経過時間である第２時間との組み合わせを記憶してもよい。この場合、信号出力部１２３は、取得部１２２が取得した中性子束のレベルに基づいて、単位時間当たりの中性子束のレベルの変化率を算出するとともに、記憶部１１を参照し、算出した変化率に関連付けられている第２時間を特定する。そして、信号出力部１２３は、算出した中性子束のレベルの変化率が、特定した第２時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力する。このようにすることで、原子炉保護装置１は、不完全微分を用いてトリップ信号を出力するのと同様に、トリップ信号を出力することができる。

［フローチャート］
続いて、原子炉保護装置１においてトリップ信号が出力されるまでの処理の流れを説明する。図９は、原子炉保護装置１においてトリップ信号が出力されるまでの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、出力値特定部１２１は、高速炉の原子炉の出力値を特定する（Ｓ１）。
続いて、取得部１２２は、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得する（Ｓ２）。

続いて、信号出力部１２３は、高速炉の原子炉の出力値が所定の閾値未満であるか否かを判定する（Ｓ３）。信号出力部１２３は、出力値が所定の閾値未満であると判定すると、Ｓ４に処理を移し、出力値が所定の閾値以上であると判定すると、Ｓ６に処理を移す。

Ｓ４において、信号出力部１２３は、取得した中性子束のレベルを第１微分時間により不完全微分を行い、予測変化量を算出する。
続いて、信号出力部１２３は、算出した予測変化量が第１判定値ａ_１に到達したか否かを判定し、算出した予測変化量が第１判定値ａ_１に到達したと判定すると、トリップ信号を出力する（Ｓ５）。

Ｓ６において、信号出力部１２３は、取得した中性子束のレベルを第２微分時間により不完全微分を行い、予測変化量を算出する。
続いて、信号出力部１２３は、算出した予測変化量が第２判定値ａ_２に到達したか否かを判定し、算出した予測変化量が第２判定値ａ_２に到達したと判定すると、トリップ信号を出力する（Ｓ７）。

信号出力部１２３は、Ｓ５において出力された信号と、Ｓ７において出力された信号の論理和を出力する（Ｓ８）。これにより、信号出力部１２３は、高速炉の原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合に、算出した予測変化量が第１判定値に到達したとき、又は高速炉の原子炉の出力値が所定の閾値以上である場合に、算出した予測変化量が第２判定値に到達したときに、トリップ信号を出力する。

［従来技術との比較］
同一の高速炉の原子炉をモデルとし、原子炉出力に基づいてトリップ信号を出力する従来技術と、本実施形態に係る原子炉保護装置１とで、トリップ信号が出力されるまでの経過時間のシミュレーションを行った。従来技術は、原子炉出力が１１６％になるとトリップ信号を出力するものであり、原子炉出力が１００％の状態から、変化率２％／分で原子炉出力を上昇させるシミュレーションを行ったところ、約５００秒でトリップ信号が出力されることが確認できた。これに対し、本実施形態に係る原子炉保護装置１は、同条件でシミュレーションを行ったところ、約２００秒でトリップ信号が出力されることが確認できた。これにより、本実施形態に係る原子炉保護装置１により、トリップ信号が出力されるまでの時間が従来技術に比べて半分以下となることが確認できた。

［本実施形態における効果］
以上のとおり、本実施形態に係る原子炉保護装置１は、高速炉の原子炉の出力値を特定するとともに、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得し、高速炉の原子炉の出力値が所定の閾値未満である場合、取得した中性子束のレベルに基づく中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、出力値が所定の閾値以上である場合、当該変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間よりも短い第２時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力する。このようにすることで、原子炉保護装置１は、通常運転時に実施されるステップ応答及びランプ応答が発生した場合の両方の場合においても、トリップ信号が出力されないようにするとともに、トリップ信号が出力されるまでの時間を短くすることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

１・・・高速炉の原子炉保護装置、１１０・・・記憶部、１２０・・・制御部、１２１・・・出力値特定部、１２２・・・取得部、１２３・・・信号出力部、２・・・中性子束検出器、３・・・トリップ制御装置

Claims (5)

1. 高速炉の原子炉の出力値を特定する出力値特定部と、
   前記原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得する取得部と、
   前記出力値特定部が特定した前記出力値が所定の閾値未満である場合、前記取得部が取得した前記中性子束のレベルに基づく前記中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、前記出力値特定部が特定した前記出力値が前記所定の閾値以上である場合、前記変化率が、当該変化率に対して定められた前記第１時間よりも短い第２時間継続したことを条件として前記トリップ信号を出力する信号出力部と、
   を有する高速炉の原子炉保護装置。
2. 前記信号出力部は、前記出力値が前記所定の閾値未満である場合に、取得した前記中性子束のレベルに対して第１微分時間で不完全微分を行うことにより、前記中性子束のレベルの予測変化量を算出し、算出した予測変化量が第１判定値を超えると前記トリップ信号を出力し、前記出力値が前記所定の閾値以上である場合に、取得した前記中性子束のレベルに対して前記第１微分時間とは異なる第２微分時間で不完全微分を行うことにより、前記中性子束のレベルの予測変化量を算出し、算出した予測変化量が第２判定値を超えると前記トリップ信号を出力し、
   前記第１微分時間と前記第１判定値とは、前記出力値が前記所定の閾値未満である場合における、前記変化率と前記第１時間との関係に基づいて設定され、前記第２微分時間と前記第２判定値とは、前記出力値が前記所定の閾値以上である場合における、前記変化率と前記第２時間との関係に基づいて設定される、
   請求項1に記載の高速炉の原子炉保護装置。
3. 前記信号出力部は、前記出力値が前記所定の閾値未満である場合に、取得した前記中性子束のレベルに基づいて前記中性子束のレベルの変化率を算出するとともに、算出したレベルの変化率に対応する前記第１時間を特定し、算出した変化率が、当該第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、前記出力値が前記所定の閾値以上である場合に、取得した前記中性子束のレベルに基づいて前記中性子束のレベルの変化率を算出するとともに、算出したレベルの変化率に対応する前記第２時間を特定し、算出した変化率が、当該第２時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力する、
   請求項１に記載の高速炉の原子炉保護装置。
4. 前記信号出力部は、特定した前記中性子束のレベルを、ローパスフィルタに入力した後に微分することにより、前記変化率を算出する、
   請求項３に記載の高速炉の原子炉保護装置。
5. コンピュータが実行する、
   高速炉の原子炉の出力値を特定するステップと、
   前記原子炉の出力領域における中性子束のレベルを取得するステップと、
   特定した前記出力値が所定の閾値未満である場合、取得した前記中性子束のレベルに基づく前記中性子束のレベルの変化率が、当該変化率に対して定められた第１時間継続したことを条件としてトリップ信号を出力し、特定した前記出力値が所定の閾値以上である場合、前記変化率が、当該変化率に対して定められた前記第１時間よりも短い第２時間継続したことを条件として前記トリップ信号を出力するステップと、
   を有する高速炉の原子炉保護方法。
   

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