JP3172653B2 - 制御棒操作方法および制御棒操作装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉を起動する方法及
びその装置に係り、特に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を
短時間で起動するのに好適な制御棒の操作方法および制
御棒操作装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子力プラントの起動において
は、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、原子炉の出力を上昇させる。この過程は、原子炉
出力の小さい順に、 （１）未臨界の炉心を臨界にする臨界近接モ−ド （２）原子炉圧力と炉水温度を定格値まで上昇させる昇
温昇圧モ−ド （３）炉心で発生した蒸気を発電機に送らずにバイパス
させる原子炉出力制御モ−ド （４）発生蒸気を発電機に送り、定格出力まで出力を増
加させる発電機出力モ−ド に大別できる。これらの過程の制御棒操作は、従来から
運転員によって行われている。

【０００３】これらのモードのうち、運転員の制御棒操
作量が多く且つ操作に注意を要するモ−ドは、１番目の
「臨界近接モ−ド」である。この臨界近接モードでは、
運転員は、原子炉に急激な反応度を与えないように、予
め与えられた制御棒操作手順にしたがって制御棒を操作
しなければならない。ここで「制御棒操作手順」とは、
どの制御棒をどの順番でどれだけ引き抜くかを示したも
のである。従来の起動操作では、運転員は、中性子束φ
でおよその未臨界度（臨界からの隔たり）を把握し、そ
の情報と中性子束の時間変化率を表す原子炉周期（ペリ
オド）τとによって制御棒を操作するタイミングを判断
し、ペリオドがある値よりも小さくならないように原子
炉を制御している。

【０００４】この従来の手法では、臨界到達位置に対す
る適切なインストラクションがなく、またペリオドをあ
る値よりも小さく保つための操作条件も明確ではないた
め、運転員の制御棒操作はゆっくりしたものになる。運
転員の操作の利便を考慮し、予め決定されている制御棒
引き抜き量も、比較的小さな投入反応度に設定してあ
る。その結果、運転員の手動操作による臨界到達までの
時間は、最適制御に比べて一般に２倍以上かかってい
る。

【０００５】近年、運転の省力化や起動時間の短縮など
を目的として、上記のような制御棒操作を自動化した
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。制御棒操作自動化技術の公知例とし
て、特開昭50-146796号公報記載の技術がある。この公
知例は、制御棒を自動的に操作して未臨界の原子炉を臨
界にする装置に関するものであり、制御棒の操作タイミ
ングと引き抜き量を、炉周期に基づいて決定している。
すなわち、炉周期が原子炉の臨界を判定するための所定
値（例えば２００秒）以上であるときに制御棒引き抜き
操作指令を出力し、その時の引き抜き量を炉周期の大き
さに比例した値として求めている。

【０００６】同じく未臨界の原子炉を臨界にする従来技
術として特開昭60-179689号公報記載のものがある。こ
の従来技術では、一点動特性方程式を用いて炉心反応度
を推定し、操作すべき制御棒本数や制御棒位置から引き
抜き速度を設定している。また、日本原子力学会誌Vol.
34 p161に掲載の「沸騰水型原子力発電プラント起動時
の制御棒操作自動化方式」には、推定した炉心反応度を
もとに適切な引き抜き速度を計算し、連続引き抜き開
始、連続引き抜き中止とノッチ引き抜き開始のタイミン
グを判定する方法が記載されている。

【０００７】さらに、特開昭63-286793号公報には、原
子炉を未臨界状態から臨界状態にする場合に、制御棒の
引き抜き総量、前回操作した制御棒の引き抜き量と原子
炉周期をもとに、ファジィ制御の方法により制御棒の次
の引き抜き量を算出し、この情報に従って制御棒を操作
することが示されている。

【０００８】これら公知の従来技術は、計算機の能力を
活用して、原子炉の状態に応じた制御棒引き抜き量をそ
の都度判断しており、安全に原子炉を起動できる最短時
間制御を可能としている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術は、
動特性方程式を解いたり、推定した炉心反応度やファジ
ィ理論で制御棒操作量を計算している。このため、運転
員がその技術を利用して独自に制御棒操作を判断するこ
とが難しい。一方、原子炉は、自動操作ばかりでなく手
動操作でも起動できる必要がある。上記の従来技術を使
って運転員にガイドを出力すれば、手動操作は可能であ
るが、計算機が行ったガイドが適切かどうかを運転員が
独自に判断することは難しい。運転員にとって、独自に
判断しながら行なう手動運転の経験は、原子炉の特性を
把握し、予期せぬ事態に対応するポテンシャルを養うた
めに重要なものである。

【００１０】本発明の目的は、運転員が手動で原子炉の
起動操作をするときに、運転員の判断で操作でき、かつ
短時間で起動できる簡明な制御棒操作方法及びその装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、原子炉起動
時の制御棒操作において、制御棒全挿入時における中性
子束φAに対する中性子束φの比（φ／φA）の値を監視
し、該比の値が所定値に達するまでは高速に制御棒を引
き抜き、それ以降は制御棒を徐々に引き抜いて原子炉を
臨界状態にすることで、達成される。

【００１２】上記目的はまた、原子炉の制御棒操作にお
いて、制御棒引き抜き操作時に原子炉ペリオド信号が設
定値よりも小さくならないように制御棒一時停止位置を
予め設定して制御棒を高速に引き抜く高速駆動モード
と、制御棒操作時の投入反応度がほぼ等しくなるように
制御棒一時停止位置を予め設定して制御棒を予め決めた
ブロック量単位に駆動するブロック駆動モードと、制御
棒最小操作単位量（以下、ステップという。）進んだ位
置に制御棒一時停止位置を予め設定して制御棒を１ステ
ップずつ操作するステップ駆動モードとを用意してお
き、原子炉の未臨界度に基づき選択した前記いずれかの
駆動モードで制御棒を操作することで、達成される。

【００１３】

【作用】原子炉を迅速に臨界状態にするには、臨界近く
までは高速に制御棒を引き抜き、臨界近くなってからは
徐々に制御棒を引き抜けばよいことは分かる。しかし、
どの位置まで高速に制御棒を引き抜けばよいのかの判断
を的確に行う必要がある。本発明では、この判断を炉心
固有値（または、制御棒全挿入時における中性子束φA
に対する中性子束φの比（φ／φA）の値）で行うた
め、的確な判断が可能となる。

【００１４】また、本発明では、制御棒の駆動モードを
高速モード，ブロックモード，ステップモードの３つに
分け、原子炉条件に基づいて各モードを切り替えながら
制御操作を行うので、手操作によっても的確な操作が可
能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。まず、具体的実施例の説明に先立ち、本発明の
原理を図２を用いて説明する。図２は、未臨界の炉心を
臨界にする臨界近接モ−ドでの制御棒操作方法を示した
模式図である。横軸は制御棒引き抜き開始後の時間であ
る。縦軸は、炉心固有値ｋeffであり、固有値“１”が
臨界を示し、“１”未満が未臨界、“１”を超えると超
臨界状態である。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−ドであ
る。

【００１６】本発明では、３つの駆動モ−ドを使って制
御棒を操作する。この駆動モードは、図２におけるＡ点
〜Ｂ点、Ｂ点〜Ｃ点、Ｃ点〜Ｄ点に分けられる。

【００１７】まず、炉心固有値がほぼ０．９９になる点
Ｂを、制御棒全挿入時の中性子束φAとその時点の中性
子束φとの比（φ／φA）で判定する。中性子束検出器
は、炉心内に設置すると放射線の影響で特性が経年変化
するが、比をとることで特性変化の影響を除き、高精度
で炉心固有値を推定することができる。点Ｂまでは未臨
界度が比較的大きく、臨界を超える心配が少ないため、
ペリオドが小さくなければ比較的速い駆動速度で制御棒
を引き抜くことができる。このモ−ドを、高速駆動モ−
ドとよぶ。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き抜きを禁じ
たり、スクラムする。点Ａから点Ｂの間でペリオドτが
小さくなるのは、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φが増加するときである。そこ
で、高速駆動モ−ドでは、ペリオドτが短くなると予め
予想される位置では制御棒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。

【００１８】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、次の数１で表すことが
できる。

【００１９】

【数１】 １／τ＝ｄ(ln φ)／ｄｔ ＝１／φ・ｄφ／ｄｔ ≒−１／ρ・ｄρ／ｄｔ 一時停止位置では、例えば最低１０秒間停止することに
する。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。一時停止させる位置は事前に決定してお
く。

【００２０】Ｂ点〜Ｃ点までは、ブロック駆動モ−ドで
制御棒を引き抜く。ブロック駆動モ−ドは、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
棒を引き抜く駆動モ−ドである。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き抜き量は
あらかじめ計算により求めておき、デ−タとして与え
る。１ブロック当りの反応度は、０.０５％Δｋ程度が
適切である。１ブロック引き抜いたあとでも必ず一定期
間（例えば１０秒間）以上制御棒を停止する。１ブロッ
ク当りの反応度を０.０５％Δｋとすると、ブロック駆
動モ−ドへ移行したときの固有値はおよそ０.９９であ
るから、約２０ブロック引き抜くと臨界に到達する。ブ
ロック駆動モ−ドを持つ利点の一つは、運転員が臨界に
到達する予想位置を容易に推定できることにある。

【００２１】臨界直前のＣ点から臨界と判定するＤ点ま
では、微小な反応度の調整が必要なため、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）だけ駆動する。沸騰水型原
子炉では最小操作量当りの投入反応度は、一般に０.０
５％Δｋ以下になるように設計されている。この駆動モ
−ドをステップ駆動モ−ドと定義する。

【００２２】固有値がおよそ０.９９になる制御棒引き
抜き位置は、炉水の温度や燃料の燃焼の進み具合により
変わるため、事前には決定できない。本発明の大きな特
徴は、固有値がおよそ０.９９になる点を精度よく判定
することにより、その点まではペリオド信号が設定値よ
りも短くならないように制御棒停止位置を設定した高速
駆動モ−ドで制御棒を操作し、その後は、１ブロック当
りの投入反応度がほぼ等しくなるように制御棒停止位置
を設定したブロック駆動モ−ドで制御棒を操作する点に
ある。この方法は、従来の手動操作と異なり炉心の状態
に応じて引き抜き量を変更するので、起動時間が短縮で
きる。また、各駆動モ−ドの制御棒操作量は予め運転員
に提示してあるので、運転員の操作も簡単である。

【００２３】このように、未臨界の原子炉を臨界にする
臨界近接モ−ドにおいて、炉心の固有値が小さい（未臨
界度が大きい）場合には、高速駆動モ−ドで制御棒を引
き抜き、臨界に近くなったばあいには、ブロック駆動モ
−ドとステップ駆動モ−ドを利用してほぼ一定のペリオ
ドで制御棒を引き抜く。各駆動モ−ドの切り替えは、運
転員が容易に判定できる中性子束やペリオドで判断でき
る。高速駆動モ−ドとブロック駆動モ−ドの制御棒操作
手順はあらかじめ決まっており、かつモ−ドの切り替え
が簡単なため、運転員が手動操作しやすく、かつ最短時
間制御に近い制御の制御棒操作が実現できることにな
る。

【００２４】以下、本発明の具体的実施例を説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る制御棒操作装置の構成
図である。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−
タ６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。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モニタ（ＳＲＮＭ）
４の検出器１０が配置されている。中性子束モニタ４
は、中性子束検出器１０の出力信号を変換して、中性子
束レベル信号とペリオド信号を制御棒自動制御装置１４
に出力する。

【００２５】本実施例の制御棒操作装置は、制御棒の操
作タイミングと操作方法を演算する制御棒自動制御装置
１４と、制御棒の動作を管理する制御棒駆動制御装置２
１と、制御棒自動制御装置１４からの情報を運転員に提
示し運転員の指示を制御棒駆動制御装置２１に伝達する
インタ−フェ−スを担当する制御棒操作指示装置１３と
からなる。

【００２６】以下、本実施例における制御棒操作装置の
動作を、臨界近接モ−ドを例にして説明する。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−ドを選択すると、制御棒自動制御装置１４は、中
性子束モニタ４からの中性子束レベルとペリオド信号を
基に、制御棒操作（引き抜きあるいは挿入）の許可ある
いは不許可を判定し、さらに高速駆動モ−ド、ブロック
駆動モ−ド、ステップ駆動モ−ドの中から適切な一つの
駆動モ−ド信号を判定し、制御棒操作指示装置１３に伝
達する。

【００２７】制御棒操作指示装置１３は、上記の信号
と、予め入力した制御棒操作手順デ−タ９に基づき、運
転員に対して、これから操作する制御棒の炉心内配置、
現在の制御棒引き抜き位置、目標とする制御棒引き抜き
位置、操作に適した駆動モ−ド、および制御棒を操作す
ることが可能か否かの情報を表示装置１１に表示する。
運転員は、表示された駆動モ−ドを変更したければ入力
装置１２を用いて変更し、その後、制御棒操作可能の表
示があれば、引き抜きまたは挿入の制御棒操作ボタンを
押下する。

【００２８】運転員の制御棒操作指令は、駆動モ−ド信
号とともに制御棒操作指示装置１３を介して制御棒駆動
制御装置２１に伝達される。制御棒駆動制御装置２１
は、予め入力してある制御棒操作手順デ−タ９を基に、
百本以上ある制御棒から操作する制御棒を選択し、引き
抜き指令や挿入指令と、制御棒到達目標位置とを、選択
した制御棒のモ−タ駆動制御装置７に指示する。モ−タ
駆動制御装置７は、制御棒位置検出器８の指示値と制御
棒到達目標位置を比較して、制御棒３が目標位置で停止
するようにモ−タ６の回転数を制御し、目標位置に到達
したときには、制御棒駆動制御装置２１に、目標位置に
到達した信号を送信する。

【００２９】選択した全ての制御棒のモ−タ駆動制御装
置７から目標位置到達信号を受信した制御棒駆動制御装
置２１は、制御棒自動制御装置１４と制御棒操作指示装
置１３に目標位置到達信号を送信する。この信号を受け
た制御棒自動制御装置１４は、再び、次の操作の駆動モ
−ドを判定し、制御棒操作の許可・不許可の信号ととも
に運転員に表示する。以上の構成により、上述した３つ
駆動モ−ドを用いた起動方法を採用した制御棒操作を実
現できる。

【００３０】図３は、前述した制御棒自動制御装置１４
の行なう駆動モ−ドと制御棒操作の許可・不許可の判定
アルゴリズムを示す図である。演算アルゴリズムは、制
御棒操作の許可・不許可を判定する部分（図３）と、駆
動モ−ドを判定する部分（図４）からなる。

【００３１】図３において、運転員が臨界近接モ−ドを
選択すると、初期設定処理の済，未済を判定し、まだ実
施していなければ初期設定処理を実施する。この初期設
定処理では、以下の３つの設定を行う。第１は、臨界ま
での引き抜きステップ数Δｍを逆増倍法で予測するため
の初期値の設定、第２は、制御棒操作モ−ドを高速駆動
モ−ドに設定すること、第３は、制御棒引き抜き許可信
号をＯＮに設定することである。

【００３２】次に、制御棒引き抜きの不許可または許可
の判定を行う。現在、制御棒が動作中であり、ペリオド
が小さい（この例では５０秒以下）場合には、制御棒引
き抜き不許可とし、それ以外の場合には制御棒引き抜き
を許可する。現在、制御棒が停止中であり、制御棒停止
時間が設定値（この例では１０秒）を超え且つペリオド
が充分大きい（この例では２００秒）場合には、制御棒
引き抜きを許可し、それ以外の場合には制御棒引き抜き
を不許可とする。

【００３３】次に、臨界近接モ−ドでの制御棒操作モ−
ドの判定アルゴリズムを図４を用いて説明する。現在の
駆動モ−ドが高速駆動モ−ドのときには、中性子束でブ
ロック駆動モ−ドへの移行を判定する。その原理を以下
に簡単に示す。外部中性子源強度をＳ、炉心固有値ｋef
fとすると、未臨界の原子炉の中性子束レベルφは次の
数２

【００３４】

【数２】φ＝Ｓ／（１−ｋeff） で近似できる。

【００３５】制御棒全挿入時の中性子束をφAとする。
ＢＷＲプラントでは、この時の固有値は一般に０.８８
〜０.９２なので、数２から、固有値が０．９９のとき
の中性子束φBは、

【００３６】

【数３】φB／φA＝８〜１２ となる。

【００３７】従って、高速駆動モ−ドからブロック駆動
モ−ドへの移行は、中性子束レベルφにより判定でき、
本実施例ではＱ＝８として中性子束レベルφが、

【００３８】

【数４】φ≧Ｑ×φA の時を、高速駆動モ−ドからブロック駆動モ−ドへの移
行条件にする。ブロック駆動モ−ドに移行したときに
は、同時に制御棒引き抜き不許可信号を出す。

【００３９】現在の駆動モ−ドがブロック駆動モ−ドの
ときには、本実施例では、逆増倍法を使ってステップ駆
動モ−ドへの移行を判定する。逆増倍法によれば、現在
位置から臨界点までの予想引き抜きステップ数Δｍは、
現在までの総引き抜きステップ数をｍ1、前回制御棒操
作までの総引き抜きステップ数をｍ0、現在の中性子束
レベルをφ1、前回制御棒操作時の中性子束レベルをφ0
とすると、次の数５

【００４０】

【数５】Δｍ＝(ｍ1−ｍ0)／（φ1／φ0−１） で表せる。

【００４１】数５から、本実施例ではＭ＝１２ステップ
として

【００４２】

【数６】Δｍ≦Ｍ の時を、ブロック駆動モ−ドからステップ駆動モ−ドへ
の移行条件にする。

【００４３】ステップ駆動モ−ドへ移行するときの固有
値は、０．９９５〜０．９９９程度である。固有値では
なく、臨界までの予想引き抜きステップ数でステップ駆
動モ−ドへ移行する利点は、ステップ駆動モ−ドにおけ
る制御棒操作回数がほぼ一定になることにある。

【００４４】ステップ駆動モ−ドに移行した後には、制
御棒停止後ペリオドが２００秒以下の持続時間を計測
し、その時間が１２０秒を超えたならば臨界に到達した
と判定し、表示装置１１により運転員に知らせるととも
に、臨界近接モ−ドの処理を終了する。

【００４５】図５は、図１の実施例に示した制御棒操作
手順デ−タ９の内容を示す図である。この実施例では、
複数の制御棒でグル−プをつくり、同一グル−プに属す
る制御棒は同時に操作する制御棒ギャング操作を実施す
るものとする。図５に示したＧｒ．は制御棒グル−プを
表し、制御棒引き抜きは、Ｇｒ.１→Ｇｒ.２→Ｇｒ.３
→Ｇｒ．４の順序で進むものとする。制御棒位置２００
（ステップ）は、制御棒全引き抜き位置を表す。

【００４６】高速駆動モ−ドの制御棒操作手順デ−タ
は、中性子束検出器が設置されペリオドが小さくなりや
すい８０ステップ位置を中心に制御棒停止位置が設定さ
れている。例えば、Ｇｒ.１の制御棒は、３６、７２、
８０、８４、８８、２００ステップの位置でそれぞれ一
時停止する。一時停止位置は、事前に三次元の炉心特性
解析コ−ドで評価して決定する。高速駆動モ−ドは、３
つの駆動モ−ドのなかで制御棒停止回数が最も少ない。

【００４７】一方、ブロック駆動モ−ドでは、制御棒投
入反応度がほぼ等しくなるように制御棒停止位置を設定
しており、この例では、１ブロックあたりの投入反応度
をほぼ０．０５％Δｋにしている。一時停止位置は、高
速駆動モ−ドと同様に、事前に三次元の炉心特性解析コ
−ドで評価して決定する。ステップ駆動モ−ドでは、最
小操作量である１ステップ毎に一時停止する。

【００４８】この制御棒操作手順デ−タ９は、１燃料サ
イクルが終了して新しい燃料と古い燃料の交換を実施す
る度に、新しいデ−タを入力する。入力方法として、本
実施例では、制御棒操作指示装置１３と制御棒駆動制御
装置２１の両方に入力する構成になっているが、制御棒
操作指示装置１３に入力し、制御棒駆動制御装置２１に
制御棒操作手順デ−タ９を転送する構成にすることもで
きる。このときには、制御棒操作指示装置１３に入力し
た制御棒操作手順デ−タと制御棒駆動制御装置２１に入
力した制御棒操作手順デ−タとが異なるといったミスを
防げる効果がある。

【００４９】また、本実施例では、ステップ駆動モ−ド
のデ−タを予め準備したが、ステップ駆動モ−ドの停止
位置を、

【００５０】

【数７】現在の制御棒停止位置＋制御棒最小操作量 から演算して求めることもできる。

【００５１】この場合は、ステップ駆動モ−ドの停止位
置を入力する必要が無いので、制御棒操作指示装置１３
と制御棒駆動制御装置２１に内蔵した記憶装置の容量を
低減できる。また、例えばＧｒ.１とＧｒ.２の制御棒は
高速駆動モ−ドでしか駆動しないことが事前の評価で判
明しているときには、Ｇｒ.１とＧｒ.２のブロック駆動
モ−ドとステップ駆動モ−ドのデ−タを省略することも
できる。この場合にも、記憶装置の容量を低減できる。

【００５２】上述実施例によれば、原子炉の状態に応じ
て高速駆動モ−ドからブロック駆動モ−ドに操作量を切
り替えるため、起動時間が短くなる効果がある。その
際、制御棒の操作手順が事前に運転員に提示した３パタ
−ン（ステップ駆動モ−ドは数７から容易に求まるか
ら、実質的には２パタ−ン）しかなく、駆動モ−ドの切
り替えも単純なアルゴリズムに基づいているため、運転
員の操作が容易である。また、ブロック駆動モ−ドに移
行した時点では、およそ２０ブロック先で臨界になるこ
とが予想でき、さらにステップ駆動モ−ドに移行した時
点ではおよそ１２ステップ先で臨界になることが運転員
にわかるので、運転員が制御棒操作しやすいという効果
がある。

【００５３】上述した実施例の特徴として、手動操作の
手法が平易で明確なため、そのまま自動運転に利用でき
るという点がある。図６は、制御棒操作装置により制御
棒の操作を自動運転する装置の構成と動作を示した図で
ある。装置構成は、運転員による手動操作方法を示した
図１と同じであり、制御棒操作指示装置１３の機能だけ
が異なっている。

【００５４】図６において、運転員が、制御棒操作指示
装置１３の入力装置１２から自動制御機能を選択する
と、制御棒操作指示装置１３は、制御棒自動制御装置１
４から受信した駆動モ−ド信号と制御棒操作許可信号
を、それぞれ駆動モ−ド信号と制御棒操作指令として制
御棒駆動制御装置２１に直接送信する。その結果、制御
棒自動制御装置１４のアルゴリズムに従って、制御棒操
作が自動的に行われる。操作の手順は手動運転の時と同
一になる。手動運転と異なる点は、運転員が制御棒操作
許可信号を見てから制御棒操作ボタンを押すまでの期間
が短縮できることと、手動制御よりも速く制御できるこ
とである。運転員が手動操作に戻したいときには、入力
装置１２から手動操作機能を選択すれば、手動操作が可
能となる。

【００５５】図７は、図６に示した制御棒自動操作装置
を利用して自動運転したときの、臨界近接モ−ド起動時
間を評価した結果を示す図である。高速駆動モ−ドから
ブロック駆動モ−ドへの切り替え条件は、数４のφ≧８
×φA、ブロック駆動モ−ドからステップ駆動モ−ドへ
の切り替え条件は数６のΔｍ≦１２ステップを利用し、
図５に示した制御棒操作手順デ−タを利用している。図
７の横軸は制御棒引き抜き開始後の時間、縦軸は制御棒
引き抜き総量(ステップ)とペリオドの逆数(1/秒)を表
す。

【００５６】高速駆動モ−ドでは、約７分間の間に４４
８ステップ（Ｇｒ.３の４８ステップ）まで制御棒を引
き抜く。この間に、制御棒は１５回停止している。Ｇ
ｒ.３を４８ステップ引き抜いたときに、中性子束レベ
ルφが数４のφ≧８×φAを満たしブロック駆動モ−ド
に移行する。

【００５７】ブロック駆動モ−ドでは、１６ブロックを
引き抜き、Ｇｒ.３の７２ステップ位置で数６のΔｍ≦
１２ステップの条件を満たし、ステップ駆動モ−ドに移
行する。

【００５８】ステップ駆動モ−ドでは１０ステップを引
き抜き、８２ステップ位置で臨界に達する。この位置
は、ブロック駆動モ−ドに移行してから１９ブロック後
の位置であり、ブロック駆動モ−ド移行後２０ブロック
で臨界に到達するという予測にほぼ合致している。

【００５９】ブロック駆動モ−ド以降のペリオドは１０
０秒から２００秒の一定値を示し、ほぼ最適な制御とな
っていることがわかる。以降、臨界に到達するまでの所
要時間は約１７分で、臨界到達までの時間として充分短
い。

【００６０】ここで、ブロック駆動モ−ドの１ブロック
当りの反応度を約０.０５％Δｋで一定にすると、なぜ
最適な制御になるかという理由を述べる。臨界近接モ−
ドでは、ペリオドを許容できる最小値に持続すれば、最
短時間の制御になる。いま、中性子束をφ、ペリオド
（原子炉周期）をτ、炉心反応度をρ（未臨界ではρ＜
０）、外部中性子源強度をＳ、中性子寿命をLとすると

【００６１】

【数８】−ρ ＝LＳ／φ＝ｃ・φA／φ ここで、φAは制御棒全挿入時の中性子束レベル、ｃは
定数であり、制御棒全挿入時の固有値が０.９程度であ
ることから、ｃは０.１〜０.１５の値を取る。

【００６２】前述した数１と数８より、次の関係が導け
る。

【００６３】

【数９】１／τ＝１／ｃ・φ／φA・ｄρ／ｄｔ ブロック駆動モ−ドでの中性子束レベルφ／φAは８〜
２０であり、ｃの値に０.１を使い、臨界近接モ−ドに
おける適切なペリオドτとして２００秒を数９に代入す
ると、必要な単位時間当りの投入反応度ｄρ／ｄｔとし
て以下の値を得る。

【００６４】

【数１０】ｄρ／ｄｔ＝０．００２５〜０．００６２５
（％Δｋ／秒） （φ／φA＝２０）（φ／φA＝８） 一回のブロック操作の後に最低１０秒間制御棒を一時停
止し、ペリオド２００秒以上になった場合に制御棒引き
抜きを許可する場合の制御棒引き抜き間隔は、解析結果
によるとφ／φA＝８の時には１０秒、φ／φA＝２０の
時には約２０秒となる。そこから、時間平均投入反応度
が数１０となる１ブロック当りの投入反応度Δρを求め
ると、中性子束レベルφにかかわらず、Δρ＝０．０５
％Δｋとなる。これが、１ブロック当りの反応度を０.
０５％Δｋの一定値にすればよい理由である。制御棒の
一時停止時間や、制御棒の引き抜きを許可するペリオド
値が上記の条件から大きく変わる場合には、上記の適切
な１ブロック当りの反応度の値は変化する。

【００６５】図１の実施例では、制御棒の操作の許可・
不許可と駆動モ−ドを制御棒自動制御装置１４が演算
し、運転員に表示することで運転員の負担を低減した
が、この機能のない一般のＢＷＲプラントでも、本発明
による操作方法を適用することは可能である。その場
合、運転員には、図５に示したような制御棒操作手順デ
−タと、高速駆動モ−ドからブロック駆動モ−ドへ移行
する判定条件のＱの値（例えば８）が与えられる。

【００６６】制御棒操作を開始する前に、運転員は制御
棒全挿入時の中性子束レベルφAを記録し、高速駆動モ
−ドからブロック駆動モ−ドへ移行する中性子束レベル
である数４を満たすφの値を計算する。運転員は数４を
満たすまで、高速駆動モ−ドのデ−タに従って制御棒を
操作する。一時停止位置では１０秒以上停止するが、こ
の時間は、運転員が次の制御棒停止位置を制御装置に入
力している間に必然的に経過する。１ブロック当りのお
よその反応度がわかっているので、ブロック駆動モ−ド
へ移行した時点で、運転員には臨界になる制御棒引き抜
き位置が予測できる。ブロック駆動モ−ドでは、運転員
はペリオドが２００秒以上になったことを確認してから
制御棒を１ブロック引き抜く。臨界に近づくとペリオド
がなかなか大きくならないので、例えば、１ブロック引
き抜き後、ペリオド信号τが３０秒間以上２００秒より
小さければ、ブロック引き抜きからステップ引き抜きへ
移行する。

【００６７】ブロック駆動モ−ドへ移行した時点で、運
転員はあと何ブロック引き抜けば臨界になるか、すなわ
ち臨界到達点の制御棒位置を予測できる。臨界到達点の
制御棒位置を予測できることは、運転員の負担を大きく
低減する。

【００６８】以上説明した制御棒操作方法は、臨界近接
モ−ドでの手動操作を早めることを主目的としている
が、高速駆動モ−ド、ブロック駆動モ−ドとステップ駆
動モ−ドの３駆動モ−ドを利用した制御棒操作方法は、
昇温昇圧モ−ドや原子炉出力制御モ−ド、発電機出力制
御モ−ドにおいても利用可能である。この場合の装置構
成は、図１と同じで良い。

【００６９】図８は、制御棒自動制御装置１４に組み込
んだ昇温昇圧モ−ドの制御アルゴリズムの一実施例を示
す図である。昇温昇圧モ−ドでは、炉水温度変化率が目
標値と一致するように制御棒を操作するが、この実施例
では、目標炉水温度変化率から目標中性子束を演算し、
中性子束が目標中性子束と一致するように制御する。

【００７０】まず、目標炉水温度変化率３１と実際に計
測した炉水温度変化率３２の差から炉水温度変化率偏差
信号３３を求め、それに比例定数Ｋｐ、積分時定数Ｔの
ＰＩ制御を施した信号３５に上下限リミッタ処理３６を
施して、目標中性子束３７を得る。つぎに、目標中性子
束３７と実際に計測した中性子束３８との差から中性子
束偏差信号３９（Δφ）を求める。

【００７１】中性子束偏差信号Δφが事前に設定した正
数ａより大きく、かつ制御棒停止後１０秒間以上経過し
ているときには制御棒引き抜き許可信号を発生する。ま
た、中性子束偏差信号Δφが事前に設定した負数ｂより
小さく、かつ制御棒停止後１０秒間以上経過していると
きには制御棒挿入許可信号を発生する。

【００７２】中性子束偏差信号Δφは駆動モ−ドの判定
にも利用する。中性子束偏差信号Δφの絶対値が、事前
に設定した正数ｃより大きい、すなわちｃ＜｜Δφ｜の
時には高速駆動モ−ドを選択する。中性子束偏差信号Δ
φの絶対値が、ｃより小さい正数ｄに対し、｜Δφ｜＜
ｄ＜ｃなる関係にある場合にはステップ駆動モ−ドを選
択する。ｄ＜｜Δφ｜＜ｃの場合にはブロック駆動モ−
ドとする。定数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、制御系や原子炉の応
答特性に依存するが、シミュレ−ションにより事前に最
適値を設定することができる。この装置を使って、臨界
近接モ−ドと同様に、昇温昇圧モ−ドにおいても、制御
棒操作の許可・不許可と、駆動モ−ドとを運転員に指示
することができる。

【００７３】原子炉出力制御モ−ドと発電機出力制御モ
−ドも、基本的には、昇温昇圧モ−ドと同じく、目標と
する熱出力と実際の熱出力との偏差信号を基に、制御棒
操作タイミングと駆動モ−ドを判定できる。すなわち、
偏差信号が小さい場合にはステップ駆動モ−ド、やや大
きい場合にはブロック駆動モ−ド、偏差信号がかなり大
きい場合には高速駆動モ−ドを選択することで、制御棒
操作量の最適化が図られ、起動時間を短縮できる。偏差
信号は運転員が認識しやすく、偏差信号をもとに駆動モ
−ドを切り替え、手動操作でも容易に自動制御に近い短
時間の起動操作を実現することができる。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、運転員が手動で行う原
子炉運転における制御棒操作を、自動制御と同様の短い
時間で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る制御棒操作装置の構
成図である。

【図２】図１に示す制御棒操作装置における臨界近接モ
−ドの制御棒操作方法を説明する模式図である。

【図３】制御棒自動制御装置の臨界近接モ−ドの処理ア
ルゴリズムの一例を示すフローチャートである。

【図４】制御棒自動制御装置の臨界近接モ−ドの処理ア
ルゴリズムの一例を示すフローチャートである。

【図５】本発明による各駆動モ−ドの制御棒停止位置の
一例を示す図である。

【図６】本発明の第２実施例に係る制御棒操作装置の構
成図である。

【図７】本発明のシミュレーションによる臨界近接モ−
ド起動時間の解析結果を示す図である。

【図８】制御棒自動制御装置の昇温昇圧モ−ドの処理ア
ルゴリズムの一例を示す図である。

【符号の説明】

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−タ、７…モ
−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−タ、１０…炉内中性子束検出器、１１…表
示装置、１２…入力装置、１３…制御棒操作指示装置、
１４…制御棒自動制御装置、２１…制御棒駆動制御装
置、３１…目標炉水温度変化率、３２…炉水温度変化
率、３３…炉水温度変化率偏差、３４…ＰＩ制御器、３
６…上下限リミッタ、３７…目標中性子束、３８…中性
子束、３９…目標中性子束偏差。

フロントページの続き (72)発明者 伏見 篤 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株式会社 日立製作所 電力・電機開発 本部内 (72)発明者 東川 裕一 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 深沢 幸久 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 昭61−110087（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−158389（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−124495（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−262496（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−146796（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21D 3/00 G21C 7/08

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原子炉の制御棒操作方法において、制御
   棒引き抜き操作時に原子炉ペリオド信号が設定値よりも
   小さくならないように制御棒一時停止位置を予め設定し
   て制御棒を高速に引き抜く高速駆動モードと、制御棒操
   作時の投入反応度がほぼ等しくなるように制御棒一時停
   止位置を予め設定して制御棒を予め決めたブロック量単
   位に駆動するブロック駆動モードと、制御棒最小操作単
   位量（以下、ステップという。）進んだ位置に制御棒一
   時停止位置を予め設定して制御棒を１ステップづつ操作
   するステップ駆動モードとを用意しておき、制御棒全挿
   入時における中性子束φＡに対する中性子束φの比（φ
   ／φＡ）の値を監視し、該比の値が所定値に達するまで
   は制御棒を高速駆動モードで引き抜き、それ以降は制御
   棒をステップ駆動モードで徐々に引き抜いて原子炉を臨
   界状態にすることを特徴とする制御棒操作方法。
2. 【請求項２】 原子炉の制御棒操作方法において、制御
   棒引き抜き操作時に原子炉ペリオド信号が設定値よりも
   小さくならないように制御棒一時停止位置を予め設定し
   て制御棒を高速に引き抜く高速駆動モードと、制御棒操
   作時の投入反応度がほぼ等しくなるように制御棒一時停
   止位置を予め設定して制御棒を予め決めたブロック量単
   位に駆動するブロック駆動モードと、制御棒最小操作単
   位量（以下、ステップという。）進んだ位置に制御棒一
   時停止位置を予め設定して制御棒を１ステップづつ操作
   するステップ駆動モードとを用意しておき、前記いずれ
   かの駆動モードで制御棒を操作することを特徴とする制
   御棒操作方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、高速駆動モードから
   ブロック駆動モードへの切り替え及びブロック駆動モー
   ドからステップ駆動モードへの切り替えは、炉心の炉心
   固有値の値が夫々予め決められた値に達したとき行うこ
   とを特徴とする制御棒操作方法。
4. 【請求項４】 請求項２において、目標とする中性子束
   と実際の中性子束との偏差、あるいは目標とする出力と
   実際の出力との偏差を判定条件として、前記各駆動モー
   ドを切り替えながら制御棒を操作することを特徴とする
   制御棒操作方法。
5. 【請求項５】 原子炉起動時の制御棒操作装置におい
   て、制御棒引き抜き操作時に原子炉ペリオド信号が設定
   値よりも小さくならないように制御棒一時停止位置を予
   め設定して制御棒を高速に引き抜く高速駆動モードと、
   制御棒操作時の投入反応度がほぼ等しくなるように制御
   棒一時停止位置を予め設定して制御棒を予め決めたブロ
   ック量単位に駆動するブロック駆動モードと、制御棒最
   小操作単位量（以下、ステップという。）進んだ位置に
   制御棒一時停止位置を予め設定して制御棒を１ステップ
   づつ操作するステップ駆動モードとを用意しておき、原
   子炉起動時の制御棒操作装置において、制御棒全挿入時
   における中性子束φＡに対する中性子束φの比（φ／φ
   Ａ）の値を監視する監視手段と、該比の値が所定値に達
   するまでは制御棒を高速モードで引き抜き、それ以降は
   制御棒をステップ駆動モードで徐々に引き抜いて原子炉
   を臨界状態にする制御手段とを備えることを特徴とする
   制御棒操作装置。
6. 【請求項６】 原子炉の制御棒操作装置において、制御
   棒引き抜き操作時に原子炉ペリオド信号が設定値よりも
   小さくならないように制御棒一時停止位置を予め設定し
   て制御棒を高速に引き抜く高速駆動モードと、制御棒操
   作時の投入反応度がほぼ等しくなるように制御棒一時停
   止位置を予め設定して制御棒を予め決めたブロック量単
   位に駆動するブロック駆動モードと、制御棒最小操作単
   位量（以下、ステップという。）進んだ位置に制御棒一
   時停止位置を予め設定して制御棒を１ステップづつ操作
   するステップ駆動モードとの３つの制御棒駆動モードを
   有し、前記いずれかの駆動モードで制御棒を操作する制
   御棒制御手段を備えることを特徴とする制御棒操作装
   置。