JP4810402B2 - 原子炉出力制御装置、原子炉システム、および、原子炉出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉を制御する原子炉出力制御装置およびそれを用いた原子炉システム、並びに、原子炉出力制御方法に関する。

原子炉を起動する際には、炉心内に挿入された制御棒を順次引き抜いて原子炉に反応度を加え、原子炉が核反応を持続するような状態すなわち臨界状態を達成する。さらに制御棒を引き抜くことにより、原子炉の出力を上昇させる。制御棒は運転員が手動で操作してもよいが、運転員の起動運転操作の負担軽減と自動制御系による均質的な運転操作による起動時間の短縮のために、制御棒の自動操作も行なわれている。

起動運転において制御棒を用いて原子炉を臨界に制御する操作は、たとえば特許文献１に開示されている。この操作では、原子炉の中の異なった位置に配置されている中性子束検出器からの信号に基づいて炉心の反応度を求める。この反応度の変化率は、原子炉の中性子束の対数的な変化率の逆数であるペリオドが一定値になるように決定され、この反応度を達成するよう制御棒を操作して原子炉を制御している。

特許文献１に記載された原子炉出力制御装置は、原子炉の中性子検出器読み値の平均値から炉心の反応度を推定して制御棒の操作量を計算して臨界近接を判断し、制御棒の操作ステップを決める。
特開平１０−２２１４７６号公報 特開昭６３−８９９８２号公報

炉心内の中性子束分布は均一でなくばらつきがある。このため、特に、未臨界度の大きい状態では、制御棒操作に伴い中性子束は局所的に変化し、その変化率から求められるペリオドは中性子束検出器毎に異なる。各中性子束検出器のそれぞれが検出する中性子束は、原子炉が臨界に近づくに従って同時に変化するようになりばらつきは小さくなる。未臨界度の大きいときでもペリオドの制限値に近く大きな中性子束変化率で中性子の増加や臨界操作をしようとした場合には、このばらつきを考慮にいれておくことで判定の精度を上げることができる。

しかし、平均した中性子束から求めた反応度に基づいて臨界近接の判断をすると、炉心内の中性子束分布が均一でない場合、反応度に誤差が生じ、適切な判定パラメータを選択しないと判定がずれる可能性がある。

そこで、本発明は、中性子束に空間的なばらつきがある場合でも原子炉を安全に短時間で起動できるようにすることを目的とする。

上記目的を解決するため、本発明は、炉心内の複数の位置に配設された中性子検出器および制御棒を駆動する制御棒駆動機構を備えた原子炉を制御する原子炉出力制御装置において、前記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、前記原子炉は臨界近接モードであると判定し、それ以外の場合には未臨界モードであると判定する反応度推定判定部と、前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて反応度を推定し、その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制御棒引抜量計算部と、前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて炉周期を求めるペリオド計算部と、前記臨界近接モードの場合には制御棒の１単位の引抜操作の後の所定時間経過後の炉周期が所定値以上であれば制御棒を１単位引き抜く指令を生成し所定値以下であれば前記指令を生成せず、前記未臨界モードの場合には前記制御棒を前記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、生成した制御棒操作の指令を前記制御棒駆動機構に伝達する引抜判定器と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、原子炉システムにおいて、炉心と、前記炉心内の複数の位置に配設されて中性子束を計測する中性子検出器と、前記炉心内に挿入可能な制御棒と、前記制御棒を駆動する制御棒駆動機構と、前記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、前記原子炉は臨界近接モードであると判定し、それ以外の場合には未臨界モードであると判定する反応度推定判定部と、前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて反応度を推定し、その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制御棒引抜量計算部と、前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて炉周期を求めるペリオド計算部と、前記臨界近接モードの場合には制御棒の１単位の引抜操作の後の所定時間経過後の炉周期が所定値以上であれば制御棒を１単位引き抜く指令を生成し所定値以下であれば前記指令を生成せず、前記未臨界モードの場合には前記制御棒を前記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、生成した制御棒操作の指令を前記制御棒駆動機構に伝達する引抜判定器と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、炉心内の複数の位置に配設された中性子検出器および制御棒を駆動する制御棒駆動機構を備えた原子炉を制御する原子炉出力制御方法において、前記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、前記原子炉は臨界近接モードであり、それ以外の場合には未臨界モードであると判定する反応度推定判定工程と、前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて反応度を推定し、その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制御棒引抜量計算工程と、前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて炉周期を求めるペリオド計算工程と、前記臨界近接モードの場合には制御棒の１単位の引抜操作の後の所定時間経過後の炉周期が所定値以上であれば制御棒を１単位引き抜く指令を生成し所定値以下であれば前記指令を生成せず、前記未臨界モードの場合には前記制御棒を前記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、生成した制御棒操作の指令を前記制御棒駆動機構に伝達する引抜判定工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、中性子束に空間的なばらつきがある場合でも原子炉を安全に短時間で起動できる。

本発明に係る原子炉出力制御装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、沸騰水型原子炉を例に説明するが、加圧水型原子炉など他の形式の原子炉出力制御装置にも適用可能である。

［第１の実施の形態］
図４は、本発明に係る第１の実施の形態における原子炉出力制御装置の信号の流れを原子炉圧力容器の模式的な縦断面図とともに示すブロック図である。図５は、本実施の形態の原子炉の炉心を模式的に表した横断面図である。

原子炉圧力容器１の内部には、複数の燃料集合体（図示せず）が配列されて、全体としてほぼ円筒形状の原子炉の炉心２が形成されている。また、燃料集合体の４体に一本の割合で、それら４体の燃料集合体間の間隙に挿入可能な制御棒３が配設されている。なお、炉心２の外周部には制御棒３に隣接しない燃料集合体が装荷される場合もある。これらの制御棒３の挿入および引き抜きによって原子炉の熱出力が制御される。

また、炉心２の内部には、複数の中性子束検出器４が配置されている。原子炉の起動時に使われる中性子束検出器４は、ＳＲＮＭ（Startup Range Neutron Monitor）とも呼ばれる。中性子束検出器４は、中性子束の高い炉心の軸方向の中央部付近に配置されている。また、炉心２の半径方向には炉心２内にほぼ均等となるよう配置されている。

制御棒３は、引き抜きが均等になるよう数本から数十本単位でグループ化されている。通常は、各グループの制御棒３は、決められた順序で同時に複数本又は１本づつ引き抜かれる。

中性子束検出器４で検出された中性子束の読み値は、原子炉出力制御装置６に入力される。制御棒３の位置は、制御棒位置検出器７により検出され、制御棒操作監視装置８を経て原子炉出力制御装置６に入力される。

原子炉出力制御装置６は、これらの信号を基に制御棒３の操作指令を生成し、制御棒駆動機構の制御棒駆動制御装置９に出力する。すなわち、原子炉出力制御装置６は制御棒３の引抜／挿入／停止のタイミングを指令する。

制御棒駆動制御装置９は、原子炉出力制御装置６から操作指令が入力されると、制御棒選択装置１０に予め入力された制御棒引抜シーケンスでの制御棒引抜順序に従って、制御棒駆動装置１１に指令を出す。制御棒駆動装置１１は、モーター１２により制御棒３を駆動して、原子炉を臨界に至らせる。また、中性子源５も炉心２内に均等に配置されており、未臨界状態でも中性子の検出ができるようになっている。

なお、本実施の形態では、制御棒３は、モーター１２により駆動されるが、水圧による駆動や、モーター１２および水圧の両方を用いて駆動してもよい。

図１は、本実施の形態の原子炉出力制御装置のブロック図である。

原子炉出力制御装置６は、制御ブロック部１３、制御ロジック部１４および制御棒ステップ数加算器４２を有している。制御ブロック部１３は、制御棒引抜量計算部３０、ペリオド計算器４０および反応度推定判定部２０を有している。制御ロジック部１４は、引抜判定器４１を有している。

制御棒ステップ数加算器４２は、制御棒操作監視装置８から各制御棒３の位置が入力され、制御棒全ステップ数Ｎ_ａｌｌを次式により計算する。

ここで、Ｎ_{ｓｔｅｐ，ｋ}はｋ番目の制御棒３のステップ位置であり、ＮＣＲは全制御棒本数を表す。

制御ブロック部１３には、各中性子検出器４の読み値の信号および制御棒全ステップ数Ｎ_ａｌｌが入力され、ペリオドτ、制御棒引抜量偏差ΔＮおよび臨界近接判定結果を制御ロジック部１４に出力する。制御ロジック部１４は、これらの入力に基づいて引抜指令を生成し、制御棒駆動制御装置９に出力する。

図２は、本実施の形態におけるペリオド計算器および制御棒引抜量計算部のブロック図である。

制御棒引抜量計算部３０は、平均化回路３１、平均反応度推定器３２、積分器３３、比例器３４、第１ないし第３の減算器３５，３６，３７、並びに、目標反応度設定器３８を有している。

平均化回路３１は、各中性子検出器４の読み値ｎｊから、各中性子束検出器４の読み値の算術平均ｎ_ａｖを次式により算出する。

ここで、ｍは中性子検出器４の個数である。

平均反応度推定器３２は、主に遅発中性子は１群から６群まで求めれば正確な値となるため、中性子検出器４の読み値の平均値ｎ_ａｖから、次式により炉心２の平均反応度ρを推定する。

ここで、

であり、ｉは中性子の群を示すインデックス、Ｃ_ｉはｉ群の遅発中性子先行核濃度、λ_ｉはｉ群の遅発中性子先行核崩壊定数、β_ｉはｉ群の遅発中性子先行核生成割合、ｌは中性子寿命、βは全遅発中性子先行核生成割合、Ｓ_０は中性子源である。

また、制御棒引抜量計算部３０では、推定された炉心２の平均反応度ρと、原子炉を臨界にするときの目標となる目標反応度ρ_ｔを用いた積分および微分演算により制御棒目標位置を求める。目標反応度ρ_ｔは、目標反応度設定器３８によって与えられる。この制御演算の結果得られる制御棒ステップ数目標値Ｎ_ｔは、次式で表される。

ここで、Ｋ_Ｉは積分ゲイン、Ｋ_ｐは比例ゲイン、１／Ｓは積分を表す。

この制御演算は、積分器３３、比例器３４、第１および第２の減算器３５，３６、並びに、目標反応度設定器３８によって実現される。第１の減算器３５によって、目標反応度ρ_ｔから平均反応度推定器３２で計算された推定反応度ρが減じられて（ρ_ｔ−ρ）が積分器３３に入力される。積分器３３では積分ゲインＫ_Ｉを用いて積分演算をしてＫ_Ｉ（ρ_ｔ−ρ）／Ｓを算出する。また、第２の減算器３６によって、この算出結果Ｋ_Ｉ（ρ_ｔ−ρ）／Ｓから推定反応度ρが減じられて［−ρ＋Ｋ_Ｉ（ρ_ｔ−ρ）／Ｓ］が比例器３４に入力される。比例器３４は、比例ゲインＫ_ｐを用いて比例演算をして式（５）で表される制御棒ステップ数目標値Ｎ_ｔを算出する。

これは、反応度が負で大きいとき、中性子束の対数変化率であるペリオドの逆数１／τはＫ_Ｉに制御されることを表す（特許文献２参照）。すなわち、制御されている状態では次式のようになる。

一方、ρ_ｔは目標反応度であるので、臨界付近では臨界達成時の反応度ρ_ｔで決まるペリオド値に制御され臨界状態が達成できる。

また、制御棒引抜量計算部３０は、制御棒ステップ数目標値Ｎ_ｔと制御棒全ステップ数Ｎ_ａｌｌとの差を第３の減算器３７でとることにより、制御棒引抜量偏差ΔＮを算出し、出力する。すなわち、ΔＮ＝Ｎ_ｔ−Ｎ_ａｌｌである。この制御棒引抜量偏差ΔＮは、単位時間当たり引き抜くべき制御棒操作量である。

制御棒操作量の信号は制御ロジック部１４に入力され、制御ロジック部１４から実際の制御棒３の操作指令を制御棒駆動装置９に出力する。これにより、制御棒３が駆動されて原子炉は反応度が０である状態（臨界）に制御される。

ペリオド計算器４０は、平均化回路３１によって求められた各中性子検出器４の読み値の平均値ｎ_ａｖからペリオドτを計算する。

図３は、本実施の形態における反応度推定判定部のブロック図である。

反応度推定判定部２０は、局所反応度推定器２１、最大値選択回路２２および臨界近接判定器２３を有している。局所反応度推定器２１は、各中性子検出器４に対応して設けられている。

局所反応度推定器２１は、ｊ番目の中性子検出器４の読み値ｎ_ｊに対しての局所推定反応度ρ_ｊを次式により求める。

ここで、

であり、ｉは中性子の群を示すインデックス、ｊは各中性子検出器４を示すインデックス、Ｃ_ｉ,jはｊ番目の検出器読み値ｎ_ｊに対するｉ群の遅発中性子先行核濃度である。

最大値選択回路２２は、局所推定反応度ρ_ｊの最大値ρ_ｍａｘを求める。すなわち、
ρ_ｍａｘ＝ｍａｘ（ρ_１，ρ_２，ρ_３，…，ρ_ｍ） …（９）
である。

臨界近接判定器２３は、局所的な推定反応度の最大値が所定の臨界近接判定値ρ_ＮＣよりも大きい場合（ρ_ｍａｘ＞ρ_ＮＣ）には、原子炉が臨界に近接している（臨界近接モード）と判断する。また、それ以外の場合（ρ_ｍａｘ≦ρ_ＮＣ）には、原子炉は臨界に近接していない（未臨界モード）と判断する。

図６は、本実施の形態における制御棒の連続引抜位置の設定例である。なお、この図では、制御棒が全挿入の状態での制御棒の位置を０、全引抜の状態での制御棒の位置を２００としている。

連続引抜とは制御棒３を１ストローク連続的に引き抜くものであり、ステップ引抜とは制御棒３の最小の動作単位である１ステップを逐次引抜ものである。連続引抜の場合は、引抜指令と停止指令との組み合わせにより制御棒の任意量の操作をすることになる。

一般的に、制御棒の価値は、制御棒の先端が炉心の上端付近にあるときには小さく、制御棒の先端が炉心の中央部で大きくなり、炉心の下端付近では小さくなる。つまり、制御棒が単位長さ引き抜かれたときの炉心の反応度は、制御棒の先端が炉心の中央部にある場合には、下端付近あるいは上端付近に位置している場合に比べて、大きく上昇する。また、制御棒の先端が中性子源に近い場合には、制御棒価値が大きくなる場合がある。

そこで、現在操作するｋ番目の制御棒のステップ位置Ｎ_{ｓｔｅｐ，ｋ}が、Ｎ_{ｓｔｅｐ１}≦Ｎ_{ｓｔｅｐ，ｋ}≦Ｎ_{ｓｔｅｐ２}を満足する場合に、制御棒はステップ引抜領域にあるとする。また、ステップ引抜領域以外は連続引抜領域とする。

図７は、本実施の形態における臨界達成前の引抜判定器のロジック図である。図８は、本実施の形態における臨界達成時の引抜判定器のロジック図である。

引抜判定器４１は、原子炉が未臨界モード（ρ_ｍａｘ＞ρ_ＮＣ）にある場合には、制御棒引抜量偏差ΔＮに基づいて、以下のように制御棒操作を要求する。

（１）ΔＮ＞ΔＮ_Ｃのときは、制御棒連続引抜開始要求
（２）ΔＮ_Ｃ≧ΔＮ＞ΔＮ_Ｓのときは、制御棒ステップ引抜要求
（３）ΔＮ_Ｓ≧ΔＮのときは、制御棒連続引抜強制停止要求
ここで、ΔＮ_Ｃは連続引き抜きの判定値であり、ΔＮ_Ｓはステップ引抜の判定値である。

さらに、引抜判定器４１は、制御棒連続引抜開始要求があり、かつ、制御棒が連続引抜位置にある場合には、連続引抜指令を生成する。また、制御棒連続引抜開始要求または制御棒ステップ引抜開始要求があり、かつ、制御棒がステップ引抜位置にある場合には、ステップ引抜指令を生成する。

すなわち、制御棒の位置が制御棒価値の高いステップ引抜位置にある場合には、制御棒引抜量偏差ΔＮによる判定が制御棒連続引抜要求の場合であっても、制御棒はステップ単位で引き抜かれる。つまり、制御棒価値が大きい位置においては、制御棒引抜速度は小さくなるため、炉周期（ペリオド）は制限されることになる。

また、原子炉が臨界近接モード（ρ_ｍａｘ≦ρ_ＮＣ）にある場合には、制御棒操作はペリオドで判定される。すなわち、制御棒の１単位の引抜操作の後に、さらに指定時間経過した後のペリオドの逆数が１／２００（１／秒）未満、すなわち炉周期が２００秒以上であれば、臨界達成とはみなさず、再度制御棒を１単位引き抜く。なお、この指定時間は、たとえば１２０秒とすればよい。

臨界近接モードにおける制御棒操作の１単位は、制御棒の引抜位置がステップ引抜位置の場合にはステップ引抜の１単位であり、制御棒の引抜位置が連続引抜位置の場合には連続引抜の１単位とする。連続引抜の１単位はステップ引抜の１単位よりも大きく、制御棒価値が小さい位置を連続引抜位置としておくことにより、安全を保ったまま制御棒の引抜時間を短縮することができる。

また、制御棒の１単位の引抜操作の後に、さらに指定時間経過した後のペリオドの逆数が１／２００（１／秒）を超えた場合には、臨界が達成されていると判断され、制御棒操作はホールドされる。

図９は本実施の形態の原子炉出力制御装置を用いた場合の推定反応度の最大値の時間変化の例を示したグラフである。図１０は、本実施の形態の原子炉出力制御装置を用いた場合のペリオドの逆数の時間変化の例を示したグラフである。図９および図１０の横軸は時刻を示す。図９の縦軸は反応度を示す。図１０の縦軸はペリオドの逆数を示す。また、図９中の実線は平均反応度、点線は局所推定反応度の最大値を示す。図１０の点線、一点鎖線および実線は、それぞれ１番目、２番目および３番目の中性子検出器４の読み値から求めたペリオドの逆数を示す。

最大反応度により臨界近接判定がなされて、臨界に近接すると制御棒操作がステップ引き抜きに変わり、安定した制御がなされていることが分かる。

このように、本実施の形態の原子炉出力制御装置を用いると、制御棒の操作速度や中性子検出器の読み値に空間的なばらつきがある場合や、装荷される燃料の違いなどに起因する原子炉の応答特性の違いがある場合でも、原子炉を安全に短時間で起動することができる。また、原子炉の出力を自動的に制御できるので、運転員の負担を軽減することができる。

なお、上述の平均化回路３１は、各中性子検出器４が計測した中性子束ｎ_ｊの単純平均を算出するものであるが、次式のように、中性子束ｎ_ｊを規格化して、規格化した中性子束を重みとする重み付け平均を求めるものでもよい。

ただし、

である。このような重み付平均を用いると、反応度をより安全側に評価できる。

また、本実施の形態の引抜判定器４１は、単位時間当たりに引き抜くべき制御棒操作量である制御棒引抜量偏差ΔＮが連続引抜の判定値ΔＮ_Ｃよりも大きい場合には積分演算を続けるものである。この制御棒引抜量偏差ΔＮが所定の上限値ΔＮ_ｒよりも大きいときに、積分動作を一時的に中断させるようにしてもよい。

一般に、操作量に上限がある場合に積分制御を適用すると、積分量の飽和現象が発生する。そこで、制御棒の引抜指令が、制御棒差速度の上限である連続引抜のレベルを超えている場合には、積分器３３の積分演算に制限をかけるため積分値ホールドの指令を積分器３３に与える。すなわち、制御棒引抜量偏差ΔＮが上限値ΔＮ_ｒとなったときは、積分演算を一時的に中断する。これにより、制御棒引抜量偏差ΔＮが上限値ΔＮ_ｒを越えた後は単位時間あたりの制御棒操作量は増加しないので、制御棒の操作速度を大きく超えることはない。その後、制御棒の引抜およびこれに伴う反応度の変化によって制御棒引抜量偏差ΔＮは上限値ΔＮ_ｒ以下となり、積分器３３へのホールド指令が解除され、反応度の制御は継続される。

このように、制御棒引抜量偏差ΔＮが上限値ΔＮ_ｒを超えた場合に、積分器３３に積分値ホールドの指令を与えることにより、より安定した制御を行うこともできる。

また、積分値の制限の方法としては、積分器３３の初期値を更新する方法もある。ΔＮ＝Ｎ_ｔ−Ｎ_ａｌｌを、式（６）に代入することにより、次式が得られる。

（ρｔ−ρ）／Ｓ＝（１／ＫＩ）［｛（ΔＮ＋Ｎａｌｌ）／Ｋｐ｝＋ρ］ …（１２）
この式で積分器３３の初期値を更新することにより、積分器３３の積分値は制限される。ここで、制御棒引抜量偏差ΔＮに対してバイアスＮ_ｂｉａｓを加えて、ΔＮ＝Ｎ_ｔ−Ｎ_ａｌｌ＋Ｎ_ｂｉａｓとしてもよい。

また、制御棒引抜量偏差ΔＮが上限値ΔＮ_ｒを超えた場合に、積分演算における積分量を制御棒引抜量偏差ΔＮに基づいて変化するようにしてもよい。これにより、より精度の高い制御が可能となる。

さらに、原子炉が臨界近接モードになったときに臨界近接のガイダンスを出力するガイダンス出力手段を、たとえば反応度推定判定部２０に設けてもよい。これにより、より精度の高い臨界近接のガイダンスを原子炉の運転員に伝達することができるため、運転員の精神的負担を軽減することができる。

［第２の実施の形態］
図１１は、本発明に係る第２の実施の形態の原子炉出力制御装置における制御棒位置に対する制御棒価値、反応度、ペリオド、積分ゲインおよび比例ゲインのグラフである。図１１の横軸は、制御棒位置を示している。制御棒位置は、制御棒全ステップ数Ｎ_ａｌｌで表している。

一般的に制御棒は、数本から数十本単位でグループされている。図１１は、第１番目のグループ（Ｇｒ．１）から第３番目のグループ（Ｇｒ．３）まで引き抜く場合について示したものである。なお、制御棒のグループ数は３つに限定されるものではない。

本実施の形態では、積分ゲインＫ_Ｉおよび比例ゲインＫ_ｐを可変としている。

制御棒の操作要求指令が連続引抜レベルから大きく離れないようにするためには、目標とするペリオドの値を達成可能な値にすればよい。そこで、制御棒価値が大きい領域では積分ゲインＫ_Ｉを大きくしている。

また、制御棒価値が小さい領域では、できるだけ連続的に制御棒を引き抜くことにより、安全性を保ったまま起動時間を短縮することができる。そこで、制御棒価値が低い領域では比例ゲインＫ_ｐを大きくしている。

このように積分ゲインＫ_Ｉおよび比例ゲインＫ_ｐを可変とすることにより、より精度の高い制御ができる。なお、積分ゲインＫ_Ｉおよび比例ゲインＫ_ｐのいずれか一方のみを可変としてもよい。

［第３の実施の形態］
図１２は、本発明に係る第３の実施の形態における制御棒引抜量計算部のブロック図である。図１３は、本実施の形態における反応度制御器のブロック図である。

本実施の形態の制御棒引抜量計算部３０は、各中性子検出器４に対応して設けられた局所反応度推定器２１にそれぞれ対応する反応度制御器５１を有している。

反応度制御器５１は、各中性子検出器４の読み値ｎ_ｉに対応して局所反応度推定器２１が算出した局所反応度ρ_ｉに基づいて、次式により制御棒ステップ数個別目標値Ｎ_ｔ，ｉを求める。

減算器３９は、制御棒ステップ数個別目標値Ｎ_ｔ，ｉから制御棒全ステップ数Ｎ_ａｌｌを減じて制御棒引抜量個別偏差ΔＮ_ｉを算出し、最小値選択回路５２に伝達する。最小値選択回路５２は、制御棒引抜量個別偏差ΔＮ_ｉの最小値を制御棒引抜量偏差ΔＮとする。すなわち、ΔＮ＝ｍｉｎ（ΔＮ_１、ΔＮ_２、ΔＮ_３、…、ΔＮ_ｍ）である。

ここで得られた制御棒引抜量偏差ΔＮを用いて、第１の実施の形態と同様の制御を行う。

このような原子炉出力制御装置を用いると、制御棒操作量としてより安全側の値を用いることとなるため、制御されるペリオドの逆数は小さめとなる傾向になるが、反応度をより安全側で制御することができる。

なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

本発明に係る第１の実施の形態の原子炉出力制御装置のブロック図である。 本発明に係る第１の実施の形態におけるペリオド計算器および制御棒引抜量計算部のブロック図である。 本発明に係る第１の実施の形態における反応度推定判定部のブロック図である。 本発明に係る第１の実施の形態における原子炉出力制御装置の信号の流れを原子炉圧力容器の模式的な縦断面図とともに示すブロック図である。 本発明に係る第１の本実施の形態の原子炉の炉心を模式的に表した横断面図である。 本発明に係る第１の実施の形態における制御棒の連続引抜位置の設定例である。 本発明に係る第１の実施の形態における臨界達成前の引抜判定器のロジック図である。 本発明に係る第１の実施の形態における臨界達成時の引抜判定器のロジック図である。 本発明に係る第１の実施の形態の原子炉出力制御装置を用いた場合の推定反応度の最大値の時間変化の例を示したグラフである。 本発明に係る第１の実施の形態の原子炉出力制御装置を用いた場合のペリオドの逆数の時間変化の例を示したグラフである。 本発明に係る第２の実施の形態の原子炉出力制御装置における制御棒位置に対する制御棒価値、反応度、ペリオド、積分ゲインおよび比例ゲインのグラフである。 本発明に係る第３の実施の形態における制御棒引抜量計算部のブロック図である。 本発明に係る第３の実施の形態における反応度制御器のブロック図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…炉心、３…制御棒、４…中性子検出器、５…中性子源、６…原子炉出力制御装置、７…制御棒位置検出器、８…制御棒操作監視装置、９…制御棒駆動制御装置、１０…制御棒選択装置、１１…制御棒駆動装置、１２…モーター、１３…制御ブロック部、１４…制御ロジック部、２０…反応度推定判定部、３０…制御棒引抜量計算部、３１…平均化回路、３２…平均反応度推定器、３３…積分器、３４…比例器、３５…減算器、３６…減算器、３７…減算器、３８…目標反応度設定器、３９…減算器、４０…ペリオド計算器、４１…引抜判定器、４２…制御棒ステップ数加算器、５１…反応度制御器

Claims (13)

1. 炉心内の複数の位置に配設された中性子検出器および制御棒を駆動する制御棒駆動機構を備えた原子炉を制御する原子炉出力制御装置において、
   前記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、前記原子炉は臨界近接モードであると判定し、それ以外の場合には未臨界モードであると判定する反応度推定判定部と、
   前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて反応度を推定し、その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制御棒引抜量計算部と、
   前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて炉周期を求めるペリオド計算部と、
   前記臨界近接モードの場合には制御棒の１単位の引抜操作の後の所定時間経過後の炉周期が所定値以上であれば制御棒を１単位引き抜く指令を生成し所定値以下であれば前記指令を生成せず、前記未臨界モードの場合には前記制御棒を前記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、生成した制御棒操作の指令を前記制御棒駆動機構に伝達する引抜判定器と、
   を有することを特徴とする原子炉出力制御装置。
   
2. 前記引抜判定器は、前記制御棒駆動機構による制御棒の操作の後に所定の指定時間が経過した後の前記炉周期が所定の値未満の場合には原子炉は臨界状態であると判定して制御棒操作をホールドする指令を生成するものであることを特徴とする請求項１に記載の原子炉出力制御装置。
3. 前記制御棒引抜量計算部は、前記炉心内の複数の位置において測定された中性子束を規格化し、その規格化した中性子束の値を重みとする重み付け平均の中性子束に基づいて前記反応度を推定するものであ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制御装置。
4. 前記制御棒引抜量計算部は、前記反応度を前記目標反応度から減じたものを積分演算した値から前記反応度を減じて比例演算して制御棒ステップ数目標値を求め、その制御棒ステップ数目標値から制御棒全ステップ数を減じて前記制御棒引抜量偏差をもとめるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の原子炉出力制御装置。
   
5. 前記制御棒ステップ数目標値は、前記局所反応度を目標反応度から減じたものを積分演算した値から前記局所反応度を減じて比例演算して求めた値の最小値であることを特徴とする請求項４に記載の原子炉出力制御装置。
   
6. 前記積分演算における積分ゲインは、前記制御棒全ステップ数の関数であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の原子炉出力制御装置。
7. 前記比例演算における比例ゲインは、前記制御棒全ステップ数の関数であることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の原子炉出力制御装置。
8. 前記制御棒引抜量計算部は、前記制御棒引抜量偏差が所定の上限値を超える場合には、前記積分演算における積分量を前記制御棒引抜量偏差に基づいて変化させるものであることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の原子炉出力制御装置。
9. 前記制御棒引抜量計算部は、前記制御棒引抜量偏差が所定の上限値を超える場合には、前記積分演算を一時的に中断させるものであることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１項に記載の原子炉出力制御装置。
10. 前記引抜判定器は、前記制御棒操作量が第１の判定値より大きい場合には連続引抜要求を生成し、前記制御棒操作量が前記第１の判定値より小さい第２の判定値より大きく前記第１の判定値より小さい場合には、ステップ引抜要求を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の原子炉出力制御装置。
11. 前記臨界近接モードの状態であることを表示する表示手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の原子炉出力制御装置。
12. 炉心と、
    前記炉心内の複数の位置に配設されて中性子束を計測する中性子検出器と、
    前記炉心内に挿入可能な制御棒と、
    前記制御棒を駆動する制御棒駆動機構と、
    前記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、前記原子炉は臨界近接モードであると判定し、それ以外の場合には未臨界モードであると判定する反応度推定判定部と、
    前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて反応度を推定し、その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制御棒引抜量計算部と、
    前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて炉周期を求めるペリオド計算部と、
    前記臨界近接モードの場合には制御棒の１単位の引抜操作の後の所定時間経過後の炉周期が所定値以上であれば制御棒を１単位引き抜く指令を生成し所定値以下であれば前記指令を生成せず、前記未臨界モードの場合には前記制御棒を前記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、生成した制御棒操作の指令を前記制御棒駆動機構に伝達する引抜判定器と、
    を有することを特徴とする原子炉システム。
    
13. 炉心内の複数の位置に配設された中性子検出器および制御棒を駆動する制御棒駆動機構を備えた原子炉を制御する原子炉出力制御方法において、
    前記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、前記原子炉は臨界近接モードであり、それ以外の場合には未臨界モードであると判定する反応度推定判定工程と、
    前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて反応度を推定し、その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制御棒引抜量計算工程と、
    前記中性子検出器が検出した中性子束に基づいて炉周期を求めるペリオド計算工程と、
    前記臨界近接モードの場合には制御棒の１単位の引抜操作の後の所定時間経過後の炉周期が所定値以上であれば制御棒を１単位引き抜く指令を生成し所定値以下であれば前記指令を生成せず、前記未臨界モードの場合には前記制御棒を前記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、生成した制御棒操作の指令を前記制御棒駆動機構に伝達する引抜判定工程と、
    を有することを特徴とする原子炉出力制御方法。
    

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