JP5657441B2 - 原子炉再循環流量制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、原子力発電所において、原子炉出力を調整するための原子炉再循環流量制御装置および制御方法に関する。

原子力発電所における原子炉には、原子炉冷却材再循環ポンプ（以下、適宜「ＲＩＰ」という）が備えられ、このＲＩＰによって、冷却水（冷却材）が原子炉圧力容器内を循環し、原子炉出力が調整されるようになっている。すなわち、ＲＩＰの回転速度を上げて炉心流量を増やすことで、原子炉出力が上昇し、ＲＩＰの回転速度を下げて炉心流量を減らすことで、原子炉出力が降下するようになっている。

また、例えば、原子炉給水ポンプ（ＲＦＰ）がトリップ（停止）した場合、ＲＩＰを通常の回転速度（例えば１００％）で稼動し続けると、冷却水が消費され、原子炉内の冷却水の水位（原子炉水位）が低下する。そして、原子炉水位が下限値に達すると、原子炉を緊急停止（スクラム）させなければならず、このような原子炉のスクラムを防止するために、炉心流量を急速に下げる高速ランバックを行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この高速ランバックは、図６に示すように、例えば、速度制御器からの出力（図中、出力カーブＬ１００）がステップ状に急激に下げられ、これによりＲＩＰの回転速度が、例えば１００％から最低速度である３０％に減速するものである。

特開平０７−３０６２９６号公報

ところで、ＲＩＰの回転速度が例えば１００％から３０％に急激に減速されることで、原子炉圧力容器内を循環する炉心流量は、図６の流量カーブＬ１０１に示すように、急激に低下していく。一方、炉心流量が急激に下がると、炉心（燃料）の熱除去が適正に行われないおそれが生じるため、炉心流量が下限値以上急激に低下した場合には、原子炉を緊急停止（炉心流量急減スクラム）させる制御が行われている。つまり、炉心流量が、図６のスクラムカーブＬ１０２に示す炉心流量急減スクラムセット値以下に達した場合には、原子炉が緊急停止される。このため、流量カーブＬ１０１とスクラムカーブＬ１０２との差（図中、余裕ＣＬ１００）が小さい、あるいは差がないと、高速ランバック時に、減少された炉心流量が炉心流量急減スクラムセット値以下となり、原子炉が緊急停止されるおそれがある。

そこでこの発明は、高速ランバック時において、原子炉水位の低下および炉心流量の急減による原子炉のスクラムを防止することが可能な原子炉再循環流量制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、原子力発電における冷却材の炉心流量を、速度を変えることで調整する原子炉冷却材再循環ポンプを備え、前記炉心流量を急速に下げる必要がある高速ランバック時において、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を瞬時に第１の速度まで低下させ、その後、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を所定の変化経緯で第２の速度まで低下させるものであり、原子炉内の冷却材の水位が所定の水位以下とならず、かつ、各時における炉心流量が所定の炉心流量以下とならないように、前記第１の速度および前記所定の変化経緯が設定され、前記第２の速度が、前記炉心流量の確保や原子炉出力に必要な最低速度に設定され、前記所定の炉心流量が、時間の経過に伴って単調減少するように設定され、前記所定の変化経緯が、前記第１の速度から前記第２の速度に至って所定の変化率で直線的に低下するように設定され、さらに、前記所定の炉心流量に対する前記各時における炉心流量の余裕を炉心流量急減スクラム余裕とし、前記変化率を固定値として前記第１の速度を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記第１の速度が設定され、前記第１の速度を固定値として前記変化率を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記変化率が設定されている、ことを特徴とする原子炉再循環流量制御装置である。

この発明によれば、高速ランバック時において、まず、ＲＩＰ（原子炉冷却材再循環ポンプ）の速度指令が瞬時に第１の速度まで低下し、その後、ＲＩＰの速度指令が所定の変化経緯で第２の速度まで低下する。このとき、原子炉内の冷却材の水位が所定の水位以下とならず、かつ、各時における炉心流量が所定の炉心流量以下とならない。つまり、原子炉水位が下限値に達することによる原子炉水位低下スクラムや、炉心流量が所定値以上急激に低下することによる炉心流量急減スクラムが防止される。

請求項２に記載の発明は、原子力発電における冷却材の炉心流量を、原子炉冷却材再循環ポンプの速度を変えることで調整する原子炉再循環流量制御方法であって、前記炉心流量を急速に下げる必要がある高速ランバック時において、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を瞬時に第１の速度まで低下させ、その後、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を所定の変化経緯で第２の速度まで低下させるものであり、原子炉内の冷却材の水位が所定の水位以下とならず、かつ、各時における炉心流量が所定の炉心流量以下とならないように、前記第１の速度および前記所定の変化経緯を設定し、前記第２の速度を、前記炉心流量の確保や原子炉出力に必要な最低速度に設定し、前記所定の炉心流量を、時間の経過に伴って単調減少するように設定し、前記所定の変化経緯を、前記第１の速度から前記第２の速度に至って所定の変化率で直線的に低下するように設定し、さらに、前記所定の炉心流量に対する前記各時における炉心流量の余裕を炉心流量急減スクラム余裕とし、前記変化率を固定値として前記第１の速度を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記第１の速度を設定し、前記第１の速度を固定値として前記変化率を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記変化率を設定する、ことを特徴とする。

請求項１および２に記載の発明によれば、高速ランバック時において、原子炉内の冷却材の水位が所定の水位以下とならず、かつ、各時における炉心流量が所定の炉心流量以下とならないように、ＲＩＰの速度を２段階で低下させる。このため、所定の水位を原子炉水位の下限値以上に設定し、所定の炉心流量を炉心流量の下限値以上に設定することで、原子炉水位の低下および炉心流量の急減による原子炉のスクラムを防止することが可能となる。

また、第１の速度から第２の速度に至って直線的に低下するように、変化経緯が設定されているため、所定の炉心流量（下限値）が単調減少する場合であっても、炉心流量の急減による原子炉のスクラムを防止することが可能となる。しかも、第１の速度から第２の速度に至って直線的に低下するように変化経緯を設定すればよいため、変化経緯（制御回路）を簡素化、単純化することが可能となる。

さらに、高速ランバックにおける各時の炉心流量が、所定の炉心流量（下限値）に対して所定量以上の余裕を有するため、炉心流量の急減による原子炉のスクラムを、より確実に防止することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る原子炉再循環流量制御装置が適用される改良沸騰水型原子力発電設備を示す概略構成図である。 図１の改良沸騰水型原子力発電設備の概略構成ブロックである。 この発明の実施の形態に係る原子炉再循環流量制御装置の高速ランバックを示す図である。 この発明の実施の形態において、変化率を固定値として第１の速度を変化させた場合の原子炉水位の低下量（ａ）と炉心流量急減スクラム余裕（ｂ）を示す図である。 この発明の実施の形態において、第１の速度を固定値として変化率を変化させた場合の原子炉水位の低下量（ａ）と炉心流量急減スクラム余裕（ｂ）を示す図である。 従来の高速ランバックを示す図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る原子炉再循環流量制御装置１を備える改良沸騰水型原子力発電設備（以下、「ＡＢＷＲ」という）を示す概略構成図である。このＡＢＷＲは、原子炉建物内に原子炉圧力容器１０１が設置され、この原子炉圧力容器１０１内には、燃料集合体１０２が配設されている。また、複数の燃料制御棒１０３が、原子炉圧力容器１０１に対して出し入れ自在に配設され、さらに、原子炉圧力容器１０１の下部に、複数のＲＩＰ（原子炉冷却材再循環ポンプ）２が一体的に内蔵されている。

一方、タービン建物内には、高圧タービン１１１、低圧タービン１１２、発電機１１３および復水器１１４が配設されている。そして、復水器１１４からの水が、複数のＲＦＰ（原子炉給水ポンプ）１１５によって原子炉圧力容器１０１に送られ、原子炉圧力容器１０１で生成された蒸気が、タービン１１１、タービン１１２に送られて、発電機１１３で発電されるようになっている。

このようなＡＢＷＲにおいて、原子炉再循環流量制御装置１が次のように配設されている。すなわち、図２に示すように、原子炉再循環流量制御装置１は、複数のＲＩＰ２とＲＩＰ制御装置（制御手段）３とを備え、ＲＩＰ制御装置３は、ＲＦＰ１１５を監視、制御するＲＦＰ制御装置４と通信可能に接続されている。そして、ＲＦＰ１１５がトリップした場合に、ＲＦＰ制御装置４からＲＩＰ制御装置３に、その停止情報が送られるようになっている。

ＲＩＰ２は、冷却水（冷却材）の炉心流量を、回転速度を変えることで調整するポンプであり、原子炉圧力容器１０１内の炉心流量を確保して燃料集合体１０２を冷却する役割と、炉心流量を調整することで原子炉出力を調整・制御する役割を備えている。また、このＲＩＰ２は、駆動電動機と発電機とが流体継手で接続された電源方式（ＭＦＧやＭＧ）などで、駆動、制御されるようになっている。

ＲＩＰ制御装置３は、ＲＩＰ２を制御する装置であり、速度制御器（図示せず）を備え、速度制御器の出力（流体継手のすくい管位置指令など）を変えることで、ＲＩＰ２の回転速度を制御するようになっている。このＲＩＰ制御装置３による制御のひとつとして、ＲＦＰ１１５のトリップなどが発生した場合に、原子炉のスクラムを防止するために、次のようにして炉心流量を急速に下げる高速ランバックがある。

すなわち、図３のＲＩＰ回転速度指令カーブＬ１に示すように、高速ランバックオンで、速度制御器の出力、つまりＲＩＰ２の回転速度指令を、高速ランバック前の回転速度Ｈ０から第１の速度Ｈ１まで瞬時に（ステップ状に）低下させる。その後、ＲＩＰ２の回転速度指令を所定の変化率（傾き）Ｒで直線状に（所定の変化経緯で）、第２の速度Ｈ２まで低下させ、第２の速度Ｈ２で回転速度を維持する。そして、このようなＲＩＰ２の回転速度指令の変化に伴って、ＭＦＧやＭＧといったＲＩＰ駆動電源が応答し、この結果、ＲＩＰ回転速度が回転速度指令に追従して変化し、炉心流量が、図３の流量カーブＬ２に示すように、急激なカーブで低下した後に、直線的に低下し、一定の流量に維持されるものである。

ここで、第２の速度Ｈ２は、炉心流量の確保や原子炉出力に必要な最低速度に設定されている。また、第１の速度Ｈ１および、第１の速度Ｈ１から第２の速度Ｈ２に至る変化率Ｒ（第２の速度Ｈ２に至る時間Ｔ２）は、原子炉圧力容器１０１内の冷却水の水位（原子炉水位）が所定の水位（後述する境界線Ｌ４）以下とならず、かつ、各時における炉心流量が所定の炉心流量以下とならないように、設定されている。すなわち、例えばＲＦＰ１１５がトリップした場合に、過渡的な原子炉水位の低下を抑制するためには、瞬時にＲＩＰ２の回転速度を下げ、炉心流量をある程度素早く減少させる必要がる。また、ＲＦＰ１１５のトリップにより減少した給水流量でまかなえるだけの原子炉出力に整定させるためには、その後、ＲＩＰ２の回転速度をある変化率Ｒで最低速度まで下げる必要がる。その一方、ＲＩＰ２の回転速度を瞬時に下げすぎると、炉心流量が急激に下がりすぎて、炉心流量の急減による原子炉の緊急停止（炉心流量急減スクラム）が発生するおそれがある。同様に、変化率Ｒが大きすぎると、炉心流量が下がりすぎて、炉心流量急減スクラムが発生するおそれがある。

このような観点から、原子炉水位の低下を抑制しつつ、炉心流量が下がりすぎるのを防止するように、第１の速度Ｈ１および変化率Ｒが決定、設定されている。さらに、高速ランバックオン後における各時における炉心流量が、所定の炉心流量に対して所定量以上の余裕ＣＬ１を有するように、第１の速度Ｈ１および変化率Ｒが設定されている。

具体的には、上記の所定の炉心流量が、炉心流量急減スクラムが発生する炉心流量急減スクラムセット値に設定され、このセット値が、時間Ｔ１前の時点の炉心流量×定数（１より小さい値）＋一定値で設定されるため、図３のスクラムカーブＬ３に示すように、高速ランバックオンしてから時間Ｔ１までは一定の値で、その後、時間の経過に伴って単調減少し、結果的に直線的に低下することになる。そして、このような炉心流量急減スクラムセット値Ｌ３に対して、高速ランバックオン後における各時における炉心流量、つまり流量カーブＬ２が、常に所定量ＣＬ０以上の余裕ＣＬ１を有するように、第１の速度Ｈ１および変化率Ｒが設定されている。ここで、余裕ＣＬ１の所定量ＣＬ０は、炉心流量の時間的な揺らぎ（バラツキ・誤差）、つまりＭＧ速度（ＭＦＧ速度）の揺らぎなどを考慮して設定されている。

このような第１の速度Ｈ１および変化率Ｒは、第１の速度Ｈ１と変化率Ｒの２つのパラメータを変化させて、原子炉水位の低下量および炉心流量急減スクラムセット値Ｌ３に対する余裕ＣＬ１を確認することで、決定、設定されている。すなわち、図４に示すように、変化率Ｒを固定値として第１の速度Ｈ１を変化させ、原子炉水位の低下量および余裕ＣＬ１（炉心流量急減スクラム余裕）を確認する。この結果、第１の速度Ｈ１が大きいほど、初期の炉心流量のステップ状の変化が小さくなるため、余裕ＣＬ１が大きく確保される一方で、原子炉水位の低下量が大きくなることが認められる。そして、例えば、第１の速度Ｈ１が速度ＨＣ以上であれば、所定量ＣＬ０以上の余裕ＣＬ１が確保されることが認められる。

同様にして、図５に示すように、第１の速度Ｈ１を固定値として変化率Ｒを変化させ、原子炉水位の低下量および余裕ＣＬ１（炉心流量急減スクラム余裕）を確認する。この結果、変化率Ｒが大きいほど、炉心流量の減少が早くなるため、余裕ＣＬ１が小さくなる一方で、原子炉水位の低下量に対しては、あまり変化がないことが認められる。ここで、図４、５における３つの線は、高速ランバックオン前の原子炉出力および炉心流量が異なる場合を示している。また、図４における境界線Ｌ４は、原子炉水位の低下による原子炉スクラム（原子炉水位低下スクラム）が発生する下限の水位を示す線である。

このような確認事項から、まず、第１の速度Ｈ１を速度ＨＣに設定すればよいことがわかる。また、変化率Ｒを、余裕ＣＬ１が所定量ＣＬ０以上確保される変化率ＲＣに設定するものである。

次に、このような構成の原子炉再循環流量制御装置１の作用および、この原子炉再循環流量制御装置１による原子炉再循環流量制御方法について説明する。

まず、通常の運用時においては、ＲＩＰ２が所定の回転速度Ｈ０（例えば１００％）で稼動し、原子炉出力および炉心流量が所定の流量となっている。このような状態で、例えば、ＲＦＰ１１５がトリップした場合、ＲＦＰ制御装置４からＲＩＰ制御装置３にＲＦＰ１１５の停止情報が送られ、ＲＩＰ制御装置３において高速ランバックが行われる。すなわち、上記のように、高速ランバックオンで、ＲＩＰ２の回転速度指令が第１の速度Ｈ１まで瞬時に低下し、その後、ＲＩＰ２の回転速度指令が所定の変化率Ｒで直線的に第２の速度Ｈ２まで低下する。そして、このようなＲＩＰ２の回転速度指令の変化に伴って、上記のように、ＲＩＰ回転速度が回転速度指令に追従して変化し、炉心流量が、急激なカーブで低下した後に、直線的に低下し、一定の流量に達する。

このとき、第１の速度Ｈ１および変化率Ｒが上記のように設定されているため、原子炉圧力容器１０１内の原子炉水位が所定の水位（境界線Ｌ４）以下とならず、原子炉水位低下スクラムが発生しない。さらに、各時における炉心流量が、炉心流量急減スクラムセット値Ｌ３以下とならないため、炉心流量急減スクラムも発生しない。

以上のように、この原子炉再循環流量制御装置１およびその制御方法によれば、高速ランバック時において、原子炉水位の低下および炉心流量の急減による原子炉のスクラムを防止することができる。しかも、高速ランバックにおける各時の炉心流量が、炉心流量急減スクラムセット値Ｌ３に対して常に所定量ＣＬ０以上の余裕ＣＬ１を有するため、炉心流量の急減による原子炉のスクラムを、より確実に防止することができる。そして、原子炉のスクラムを防止できることで、電力を円滑に供給維持することが可能となり、さらには、発電プラントの安全性、信頼性が向上する。

また、時間の経過に伴って直線的に変化する炉心流量急減スクラムセット値Ｌ３に対して、ＲＩＰ２の回転速度が第１の速度Ｈ１から第２の速度Ｈ２まで直線的に低下するため、炉心流量の急減による原子炉のスクラムを適正に防止することが可能となる。しかも、第１の速度Ｈ１から第２の速度Ｈ２まで直線的に低下するように変化経緯を設定すればよいため、制御回路（高速ランバック回路）を簡素化、単純化することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、ＲＩＰ２の回転速度を第１の速度Ｈ１から第２の速度Ｈ２まで直線的に低下させているが、炉心流量急減スクラムセット値Ｌ３や余裕ＣＬ１の所定量ＣＬ０などに応じて、他の変化経緯を経て低下させるようにしてもよい。

また、ＲＦＰ１１５がトリップした場合の高速ランバック時のみならず、その他の要因による高速ランバック時にも、本原子炉再循環流量制御装置１による高速ランバックを適用することができる。例えば、原子炉スクラム時に行われる制御棒駆動機構ランインによりオンされるＦＭＣＲＤ−ＲＵＮＩＮランバックや、ＲＩＰ２が所定台数（例えば４台）以上トリップした場合にオンされるＲＩＰ所定台数以上トリップランバックに適用してもよい。ここで、ＦＭＣＲＤ−ＲＵＮＩＮランバックは、原子炉スクラムが正常に行われた場合には、スクラムによる原子炉水位の大幅低下を抑制し、スクラムが万一失敗した場合には、炉心流量を減少させて原子炉出力を下げる効果がある。また、ＲＩＰ所定台数以上トリップランバックは、トリップしていないＲＩＰ２の回転速度を下げ、ＲＩＰ２による過流量を防止する効果がある。そして、このような場合にも本原子炉再循環流量制御装置１による高速ランバックを適用することで、不要なスクラム信号の発生の防止や、高速ランバック回路の統一化、シンプル化などが可能となる。

１ 原子炉再循環流量制御装置
２ ＲＩＰ（原子炉冷却材再循環ポンプ）
３ ＲＩＰ制御装置
４ ＲＦＰ制御装置
１０１ 原子炉圧力容器
１０２ 燃料集合体
１０３ 燃料制御棒
１１１ 高圧タービン
１１２ 低圧タービン
１１３ 発電機
１１４ 復水器
１１５ ＲＦＰ（原子炉給水ポンプ）
Ｈ１ 第１の速度
Ｈ２ 第２の速度
Ｌ１ ＲＩＰ回転速度指令カーブ
Ｌ２ 流量カーブ
Ｌ３ スクラムカーブ（炉心流量急減スクラムセット値）
Ｌ４ 境界線（原子炉水位下限値）
ＣＬ１ 余裕

Claims (2)

1. 原子力発電における冷却材の炉心流量を、速度を変えることで調整する原子炉冷却材再循環ポンプを備え、
   前記炉心流量を急速に下げる必要がある高速ランバック時において、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を瞬時に第１の速度まで低下させ、その後、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を所定の変化経緯で第２の速度まで低下させるものであり、
   原子炉内の冷却材の水位が所定の水位以下とならず、かつ、各時における炉心流量が所定の炉心流量以下とならないように、前記第１の速度および前記所定の変化経緯が設定され、
   前記第２の速度が、前記炉心流量の確保や原子炉出力に必要な最低速度に設定され、前記所定の炉心流量が、時間の経過に伴って単調減少するように設定され、前記所定の変化経緯が、前記第１の速度から前記第２の速度に至って所定の変化率で直線的に低下するように設定され、
   さらに、前記所定の炉心流量に対する前記各時における炉心流量の余裕を炉心流量急減スクラム余裕とし、前記変化率を固定値として前記第１の速度を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記第１の速度が設定され、前記第１の速度を固定値として前記変化率を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記変化率が設定されている、
   ことを特徴とする原子炉再循環流量制御装置。
2. 原子力発電における冷却材の炉心流量を、原子炉冷却材再循環ポンプの速度を変えることで調整する原子炉再循環流量制御方法であって、
   前記炉心流量を急速に下げる必要がある高速ランバック時において、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を瞬時に第１の速度まで低下させ、その後、前記原子炉冷却材再循環ポンプの速度指令を所定の変化経緯で第２の速度まで低下させるものであり、
   原子炉内の冷却材の水位が所定の水位以下とならず、かつ、各時における炉心流量が所定の炉心流量以下とならないように、前記第１の速度および前記所定の変化経緯を設定し、
   前記第２の速度を、前記炉心流量の確保や原子炉出力に必要な最低速度に設定し、前記所定の炉心流量を、時間の経過に伴って単調減少するように設定し、前記所定の変化経緯を、前記第１の速度から前記第２の速度に至って所定の変化率で直線的に低下するように設定し、
   さらに、前記所定の炉心流量に対する前記各時における炉心流量の余裕を炉心流量急減スクラム余裕とし、前記変化率を固定値として前記第１の速度を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記第１の速度を設定し、前記第１の速度を固定値として前記変化率を変化させた場合に、所定量の前記炉心流量急減スクラム余裕が確保されるように前記変化率を設定する、
   ことを特徴とする原子炉再循環流量制御方法。

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