JP4117920B2 - 炉心装荷配置を決定する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、一般に原子炉に関し、特に炉心における最適な燃料バンドル装荷配置を確定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の炉心には、多数の、たとえば数百本の、それぞれ特性の異なる個別の燃料バンドルが含まれる。このようなバンドルは、燃料バンドル間の相互作用が政府および顧客が特定した制約など法規上および炉設計上の制約すべてを満たすように、炉心内に配置するのが好ましい。設計上の制約を満たすことに加えて、炉心装荷配置はサイクルエネルギー、すなわち炉心を新しい燃料要素で更新する必要が生じるまでに炉心が発生するエネルギーの量を決めるので、炉心装荷配置により炉心サイクルエネルギーを最適化するのが好ましい。
【０００３】
炉心サイクルエネルギーを最適化するために、一般に反応度の高いバンドルを炉心内側位置に配置する。しかし、いくつかの設計上の制約を満たすためには、一般に反応度の高いバンドルを炉心外側位置に配置する。したがって、好ましい炉心装荷配置を確定することは、種々の制約と折り合いをつけなければならない最適化である。
【０００４】
炉心に可能なバンドル配置または配列の数は１００の階乗を越える。これらの多数の異なる可能な配列のうち、すべての適用される設計上の制約を満たす配列の割合はごくわずかだけである。その上、すべての適用される設計上の制約を満たす配列のごくわずかなものだけしか経済的でない。
伝統的には、炉心装荷配置の決定は、試行錯誤によって行われている。具体的に説明すると、エンジニアの過去の経験に基づいて、炉心装荷配置を確定する。つぎに確定された炉心装荷配置をコンピュータでシミュレーションする。もしも確定された配置が特定の設計上の制約を満足させなければ、その配置を修正し、もう一度コンピュータによるシミュレーションを行う。上述した手順を用いると、適切な炉心装荷配置を確定するまでに、通常数週間分の人的資源を必要とする。
【０００５】
その上、試行錯誤法を用いてすべての設計上の制約を満足する炉心装荷配置を確定し終わった後、このような確定された炉心配置が現実に最高サイクルエネルギーを与えないことがある。したがって、最適な炉心配置が確定されたとエンジニアが確信するまで、試行錯誤法を継続する。しかし、実際には、エンジニアの過去の経験とは必ずしも合致しない特定の炉心配置が現実に最適な炉心配置であることがあり得る。しかし、このような現実に最適な炉心配置は、試行錯誤法によっては必ずしも確定できない。
【０００６】
炉心配置問題は一般に各原子炉およびバンドル特性ごとに特異的であると考えられるので、最適な炉心配置を確定する実行可能な解決策を与える既知のアルゴリズムがない。その上、通例、１組の標準ルールを、すべての原子炉でそれぞれ異なる多数の特異的なかつ複雑な炉心装荷配置に広い範囲の状況下で適用することはできないので、エキスパートシステムは広範に用いられていない。
【０００７】
もちろん、サイクルエネルギーを最適にし、すべての設計上の制約を満足する炉心装荷配置を確定するのに必要な時間を短くするのが望ましい。また、広い範囲の原子炉に適用できる、最適な炉心装荷配置を確定する堅実な信頼性の高い方法を提供することが望ましい。
【０００８】
【発明の概要】
このような目的を達成するために、この発明は、一つの観点によれば、最適な炉心装荷配置を確定する方法を提供する。この方法は、一般に２相からなる。第１相は初期化相であり、第２相はランニングまたはサーチ相である。初期化相においては、装荷すべきバンドルの相対反応度レベルおよび炉心位置に基づいて、初期炉心装荷配置を確定する。
【０００９】
初期炉心装荷配置を確定し終ったら、つぎにこのような配置を、ランニング相において限定された制約内で最適化する。具体的には、ランニング相において、各炉心位置を解析して、制約を満足するかサイクルエネルギーを最適化するかまたは両方のために、このような炉心位置反応度レベルを初期反応度レベルから変更することができるか決定する。
【００１０】
上述したように各炉心位置を解析した後、ランダムな炉心装荷配置を作製し、そのときベストケースであると確定された装荷配置と比較する。このようなランダムに生成した炉心装荷配置を「ランダムジャンプ」と称することがある。このような「ランダムジャンプ」を行って、プロセス処理においてその時点までに確定されたもっとも適切な配置よりもっと適切な、それ以前に考慮されていない炉心装荷配置を潜在的に確定する。
【００１１】
別の観点によれば、この発明は、上述した初期化相およびランニング相のルーチンを実行するようにプログラムされたコンピュータを含むシステムを提供する。コンピュータをこのようなルーチンを実行するようにプログラムすることにより、サイクルエネルギーを最適化し、すべての設計上の制約を満足する炉心装荷配置を確定するのに必要なエンジニア時間の長さを短くすることができる。その上、このような方法およびシステムは、最適な炉心装荷配置を堅実な信頼性の高い態様で確定するのに、広い範囲の原子炉に適用できる、と考えられる。
【００１２】
【具体的な構成】
第１の観点によれば、この発明は最適な炉心装荷配置を確定する方法を提供する。この方法は、通常２相をもつと考えることができる。第１相は初期化相であり、第２相はランニングまたはサーチ相である。一般に、初期化相においては、初期炉心装荷配置を確定し、そしてランニング相においては、炉心装荷配置を設計上の制約内で最適化する。
【００１３】
第２の観点によれば、この発明は、以下に詳述する本方法を実行するようプログラムされたコンピュータを含むシステムを提供する。本方法は、ほとんどあらゆるタイプのコンピュータで、たとえばパーソナルコンピュータでさえ、実施することができる。選択するコンピュータのタイプは、主として、オペレータが最適な燃料装荷配置を確定させたいと望む速度と特定の操作に必要とされるメモリ量によって決まる。このような速度とメモリの要求は、当然、解析中の原子炉の数および、炉心内の燃料バンドルの数によって、変動する。本方法は、ある特定のタイプのコンピュータでの実施に限定されない。
【００１４】
具体的に図１を参照すると、最適な炉心装荷配置を確定するプロセスの初期化相１００で実行される一連の工程が示されている。具体的には、炉心に装荷すべき燃料バンドルに関して、工程１０２で各バンドルに、ある任意の範囲（装荷範囲ということもある）の相対値を割当てる。各バンドルの相対値は各バンドルの反応度を基準とするのが普通である。たとえば、１００本の燃料バンドルを炉心に装荷する予定の場合、各バンドルに、そのバンドルの相対反応度に基づく１〜１００の範囲内の値を割当てる。最高反応度のバンドルに値１００を割当て、最低反応度のバンドルに値１を割当てる。
【００１５】
上述したように各バンドルに相対値を割当てた後、工程１０４で各炉心位置に相対値を割当てる。各炉心位置の相対値は、その位置の許容反応度レベルを基準とするのが普通である。たとえば、１００個の炉心位置がある場合、各炉心位置に、その炉心位置での相対許容反応度に基づく１〜１００の範囲内の値を割当てる。最高反応度の炉心位置に値１００を割当て、最低反応度の炉心位置に値１を割当てる。
【００１６】
各バンドルおよび炉心位置に相対反応度に基づく値を割当て終わったら、工程１０６で設計上の制約を確定し、各制約に許容できる値または範囲を割当てる。たとえば、原子炉停止余裕の設計制約は１％とすればよい。原子炉停止余裕は、少なくとも部分的に、バンドルの反応度および位置に依存する。したがって、原子炉停止余裕の設計制約は、バンドルの反応度と、そのバンドルの配置位置に基づく影響を受ける。
【００１７】
また、工程１０８で、装荷された（シミュレートされた）バンドルを移動してサイクルエネルギーを最大にするか、制約を満足させるかその両方を達成するバンドル移動方向（たとえば、炉心中心または炉心周辺に向かう方向）を特定するルール（規則）を、各炉心位置ごとに確立する。尚、後述するように、「バンドルの移動」は、当該バンドルの反応度の変更を示すルールも含む。これらのルールは、各炉ごとに独特であり、主としてエンジニアの経験に基づく。ルールを画定するにあたり、方向を決定する際に各炉心位置を別個に評価する。
【００１８】
各原子炉の特定の装荷それぞれについて、バンドルおよび炉心位置の相対反応度値および方向ルールを確立しなければならない。もちろん、一度炉心位置の相対反応度値と方向ルールを特定の原子炉について作製したら、このような値とルールは、長期間、たとえば多数のサイクルの期間にわたって相対的に一定のままである。しかし、各サイクルごとに炉心装荷配置の決定を行うときに、少なくともこれらの値を再評価することが推奨される。バンドルの相対反応度値は、もちろん、装荷すべきバンドルの反応度レベルに応じて変動し、通常、各装荷配置ごとに作製しなければならない。
【００１９】
バンドルおよび炉心位置の相対反応度値および方向ルールを決定した後、工程１１０でコンピュータシミュレーションでバンドルを炉心に装荷する。具体的には、各バンドルを、そのバンドルの相対反応度値に等しい炉心位置反応度値を有する炉心位置に装荷する。上述した通りにバンドルを炉心に配置した状態で、工程１１２でサイクルエネルギーおよび設計制約についての初期値を決定し、これで初期化相を完了する。
【００２０】
図２は、最適な炉心装荷配置を確定するプロセスのランニングまたはサーチ相２００で実行される一連の工程を示すフローチャートである。プロセス２００の工程は、図１に示した初期化プロセス１００の工程が完了した後実行する。図２において、工程２０２で、第１炉心位置をランダムにまたは順次に選び、この第１炉心位置に関して、初期化相の最終工程で計算した同位置についての各制約をチェックし、制約の計算値が工程１０６（図１）で決定した通りの許容制約値であるか決定する。もしも１つ以上の制約が満足されないなら、工程１０８（図１）で作製したルールベース（ステップ１０６で確立しておいた制約を満足しない場合のルール）をサーチして、制約を満足させるために炉心位置の値を変更すべき方向を決定する（工程２０４）。このことは、もしも、特定の炉心位置で、設計上の制約が満たされないと、普通その炉心位置での相対反応度レベルを変更しなければならない、ことを意味する。上述したようにルールベースは、特定の炉心装荷配置により生成される特異な条件に応じて、当該炉心位置での反応度レベルを増加させるべきか減少させるべきかを指示するルールを含んでもよい。
【００２１】
当該炉心位置ですべての制約が満たされていると判断されたら、工程２０６で、ステップ１０６で確立しておいた制約が満たされている場合のルールベースをサーチして、サイクルエネルギーを最大にするために炉心位置の値を変更すべき方向を決定する。このことは、特定の炉心装荷配置により生成される特異な条件に基づいて、ルールベース中の１ルールが、サイクルエネルギーを最大にするために特定の炉心位置を変更すべき方向を指示する、ことを意味する。用語「方向」は相対反応度レベルについての方向である。したがって、ルールベースからのルールは、サイクルエネルギーを向上させるために、確定された炉心位置での反応度レベルを変更すべきことを指示する。
【００２２】
もしも特定の条件、たとえば満たされない制約または特定のサイクルエネルギーになにもルールが得られなければ、炉心位置について反応度レベル変更をランダムに選択する。いずれの場合にも、そして前述したところにしたがって、炉心位置の反応度値を変更し、そしてバンドルを炉心内で再配置、すなわちバンドルの反応度レベルがその割当てられた炉心位置の反応度レベルに適合するように、再配置する（工程２０８）。
【００２３】
新しい炉心配置を行った後、新しい配置についての新しい制約値およびサイクルエネルギーを求める（工程２１０）。もしも、すべての炉心位置が工程２０２−２１０と関連して前述した通りに評価されていないならば、解析のために別の炉心位置をランダムにまたは順次選び、そしてプロセス処理は工程２０２に戻り、上述した解析を新たに選ばれた炉心位置と関連して行う。
【００２４】
上述したサーチまたは評価の目的は、もっとも適切な炉心装荷配置を確定するためである。このようなサーチは、「深さ」（depth ）または「幅」（breadth ）モードの操作いずれかで行うことができる。「深さ」モードでは、変更を行って改良された炉心装荷配置を得た後、このような代替配置に次の変更を行う。すなわち、プロセス処理は、改良された配置を「ベース」配置として用いることにより継続し、プロセス処理は初期のやや適切でない炉心装荷配置に戻らない。すべての炉心位置を変更し終ったら、解析中の炉心装荷配置を後述するさらなるプロセス処理のための最善の配置として選ぶ。
【００２５】
「幅」モードでは、代替炉心装荷配置それぞれを初期炉心装荷配置に関して解析する。このことは、新しい配置の評価後、たとえ新しい配置が初期配置より改良されたものであっても、考慮する次の配置は初期配置のバリエーションである、ことを意味する。すなわち、プロセス処理は初期配置に戻り、変更すべき別の炉心位置を選ぶ。すべての炉心位置を変更し終ったら、後述するさらなるプロセス処理のための最善の代替配置を選ぶ。
【００２６】
すべての位置を洗い直し、それ以上の向上が見出せなければ、つぎに解析のために工程２１４でランダムな初期装荷配置を作製する。プロセス処理のこの時点までに確定されたもっとも適切な炉心装荷配置を、ランダムな初期装荷配置との比較のために、選択する。このような「ランダムジャンプ」を行って、プロセス処理のこの時点までに確定されたもっとも適切な炉心装荷配置よりさらに適切なこれ以前に考慮しなかった炉心装荷配置を潜在的に確定する。たとえば、特定のランダムに選ばれた炉心位置はその反応度レベルが変更されている。その炉心位置での反応度レベルがこのように変更されているので、バンドルの反応度レベルがその割当てられた炉心位置の反応度レベルに適合するように、バンドルを炉心内で再配置する。炉心をこのように配置し終ったら、プロセス処理は工程２０２に戻り、ランダムに選んだ炉心配置が、それまでに知られた最善の炉心装荷配置よりさらに適切であるかどうか決定する。
【００２７】
ランダムジャンプの実行数は、もっとも適切な炉心装荷配置を確定するために使用できる時間の長さに基づいて、オペレータが選ぶことができる。ランダムジャンプの数は、たとえば、５のような少数から２０のような多数まで変わる。選択した数のランダムジャンプを実行し終ったら、工程２１６で、すべての設計上の制約を満足するもっとも適切な炉心装荷配置をベストケースとして選択する。
【００２８】
上述した最適な炉心装荷配置を確定する方法によれば、サイクルエネルギーを最適にし、すべての設計上の制約を満足する炉心装荷配置を確定するのに必要なエンジニア時間の長さが短くなる。さらに重要なことに、このような方法は、最適な炉心装荷配置を堅実な信頼できる態様で確定するのに、広い範囲の原子炉に適用することができる、と考えられる。
【００２９】
この発明の種々の実施例についての以上の説明から明らかなように、この発明の目的が達成されている。この発明を詳細に説明し、図解したが、これらは具体的に説明するためであって、限定的なものと考えるべきではない。したがって、この発明の要旨は請求の範囲により限定されるだけである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１実施例にしたがって最適な炉心装荷配置を確定するプロセスにおいて初期化相で実行される一連の工程を示すフローチャートである。
【図２】この発明の１実施例にしたがって最適な炉心装荷配置を確定するプロセスにおいてランニング相で実行される一連の工程を示すフローチャートである。

Claims (11)

1. 炉心に核燃料バンドルを装荷するための炉心装荷配置を決定する方法であって、所定の設計上の制約を満たすように炉心装荷の初期配置を決定する初期化工程（１００）と前記初期配置から最適配置を確定する確定工程（２００）とを具備し、
   前記初期配置を決定する初期化工程（１００）は、
   各バンドルに、当該バンドルの反応度の装荷範囲内での相対値を割当てる工程（１０２）と、
   各炉心位置に、当該炉心位置の許容反応度の相対値を割当てる工程（１０４）と、
   所定の制約それぞれに値を割当てる工程（１０６）と、
   各炉心位置につき、バンドルを移動してサイクルエネルギーを最大にするか、所定の制約を満足させるかその両方を達成するバンドル移動方向を特定するルールを作製する工程（１０８）と、
   初期に、バンドル相対反応度値に等しい炉心位置反応度値を有する炉心位置に各バンドルを装荷する炉心装荷状態のシミュレーションを行う工程（１１０）と、
   初期炉心装荷配置に関してサイクルエネルギーおよび設計上の制約についての初期値を決定する工程と（１１２）
   を備える炉心装荷配置の確定方法。
2. 最適な炉心装荷配置を確定する前記確定工程（２００）が、
   前記装荷範囲内の炉心位置から、第１炉心位置を選ぶ工程と、
   初期炉心装荷配置が第１炉心位置での設計上の制約を満足するかどうか調べる工程（２０２）と、
   もしも１つ以上の設計上の制約が第１炉心位置で満足されない場合に、前記ルールをサーチして、制約を満足させるために第１炉心位置の反応度値を変更すべき方向を決定する工程（２０４）と
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. さらに、すべての設計上の制約が第１炉心位置で満足されたら、前記ルールをサーチして、サイクルエネルギーを改良するために炉心位置の反応度値を変更すべき方向を決定する工程（２０６）を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. さらに、第１炉心位置の反応度値を変更するルールがない場合、第１炉心位置について反応度レベル変更をランダムに選ぶ工程を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. さらに、第１炉心位置の反応度値を変更することから得られる炉心装荷配置についての新しい制約値およびサイクルエネルギーを決定する工程（２１０）を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記確定工程（２００）が、
   （ｉ）炉心位置を選ぶ工程と、
   （ｉｉ）初期炉心装荷配置が選定炉心位置での設計上の制約を満足するか決定する工程（２０２）と、
   （ｉｉｉ）もしも１つ以上の設計上の制約が選定炉心位置で満足されない場合に、前記ルールをサーチして、制約を満足させるために選定炉心位置の反応度値を変更すべき方向を決定する工程（２０４）と、
   （ｉｖ）すべての設計上の制約が選定炉心位置で満足されたら、前記ルールをサーチして、サイクルエネルギーを改良するために選定炉心位置の反応度値を変更すべき方向を決定する工程（２０６）と、
   （ｖ）選定炉心位置の反応度値を変更するルールがない場合、選定炉心位置について反応度レベル変更をランダムに選ぶ工程と、
   （ｖｉ）選定炉心位置の反応度値を変更することから得られる炉心装荷配置についての新しい制約値およびサイクルエネルギーを決定する工程（２１０）とを含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 各炉心位置を選び、このような選定炉心位置それぞれについて工程（ｉｉ）−（ｖｉ）を行う、請求項６に記載の方法。
8. 各炉心位置を深さモードの操作を用いて解析し、深さモードでは、変更を行って改良された炉心装荷配置を得た後、工程（ｉｉ）−（ｖｉ）を行う際にこのような代替配置に対して次の変更を加える、請求項６または７に記載の方法。
9. 各炉心位置を幅モードの操作を用いて解析し、幅モードでは、工程（ｉｉ）−（ｉｖ）を行う際に各代替炉心装荷配置を初期炉心装荷配置に関して解析する、請求項６乃至８のいずれかに記載の方法。
10. さらに、ランダムな炉心装荷配置を発生する工程（２１４）を含む、請求項６乃至９のいずれかに記載の方法。
11. さらに、すべての設計上の制約を満足し、最も高いサイクルエネルギーを有する炉心装荷配置をベストケース炉心装荷配置として選ぶ工程（２１６）を含む、請求項１０に記載の方法。

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