JP5737881B2 - 原子力発電プラント及び原子炉冷却材圧力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電プラントの原子炉冷却系統に存在する原子炉冷却材の圧力を制御することに関する。

原子力発電プラント、特にＰＷＲ（Pressurized Water Reactor：加圧水型原子炉）は、核分裂反応によって生じた熱エネルギーで、原子炉冷却材である加圧された軽水を加熱する形式の原子炉である。ＰＷＲは、原子炉で加熱された原子炉冷却材を用いて蒸気を発生させ、この蒸気でタービン発電機を駆動して電力を生み出す。ＰＷＲは、原子炉冷却材を加圧するための加圧器を備える。特許文献１には、加圧器満水時の圧力制御方法が記載されている。

特開昭６１−２０１１９８号公報

原子力発電プラントを起動する際には、ＲＣＳ（Reactor Cooling System：原子炉冷却系統）内に空気が残留している。このため、ＲＣＰ（Reactor Coolant Pump：原子炉冷却材ポンプ）が起動して原子炉冷却系統内の原子炉冷却材が加圧されると、空気が圧縮されて、ＲＣＳ内に存在する原子炉冷却材の圧力が一時的に低下する。原子炉冷却系統内に存在する原子炉冷却材の圧力が低下すると、原子炉冷却材ポンプを保護するために原子炉冷却材ポンプを停止させる必要があるので、前記原子炉冷却材の圧力が低下しないようにする必要がある。本発明は、原子力発電プラントの起動時において、原子炉冷却系統内に存在する原子炉冷却材の圧力低下を抑制することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る原子力発電プラントは、原子炉冷却系統内の原子炉冷却材を抽出する抽出配管に設けられる抽出水圧力制御弁と、前記原子炉冷却系統内の目標とする圧力と前記原子炉冷却系統内の実際の圧力との偏差が０になるように、前記抽出水圧力制御弁の動作をＰ（Proportional）Ｉ（Integral）制御するとともに、前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前よりも大きくする原子炉冷却材圧力制御装置と、を含むことを特徴とする。

この原子力発電プラントは、起動時において、原子炉冷却系統内の目標とする圧力と実際の圧力との圧力偏差が０になるように、抽出水圧力制御弁の動作をＰＩ制御され、かつ圧力偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方の値は、圧力偏差が閾値を超える前よりも大きくなるように制御される。このように、圧力偏差の大きさに応じて比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方を変化させることにより、抽出水圧力制御弁は迅速に閉じられる。その結果、この原子力発電プラントは、起動時において、原子炉冷却系統内に存在する原子炉冷却材の圧力低下を抑制できる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る原子炉冷却材圧力制御装置は、原子炉冷却系統内の原子炉冷却材を抽出する抽出配管に設けられる抽出水圧力制御弁を制御するものであり、前記原子炉冷却系統内の目標とする圧力と前記原子炉冷却系統内の実際の圧力との偏差が０になるように、前記抽出水圧力制御弁の動作をＰＩ制御するとともに、前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前よりも大きくすることを特徴とする。

この原子炉冷却材圧力制御装置は、原子力発電プラントの起動時において、原子炉冷却系統内の目標とする圧力と実際の圧力との圧力偏差が０になるように、抽出水圧力制御弁の動作をＰＩ制御するとともに、圧力偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方の値を、圧力偏差が閾値を超える前よりも大きくなるようにする。このように、圧力偏差の大きさに応じて比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方を変化させることにより、抽出水圧力制御弁は迅速に閉じられる。その結果、この原子炉冷却材圧力制御装置は、起動時において、原子炉冷却系統内に存在する原子炉冷却材の圧力低下を抑制できる。

前記原子炉冷却材圧力制御装置は、前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、前記比例ゲイン及び前記積分時定数の両方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前よりも大きくすることが好ましい。このようにすることで、原子炉冷却系統内の実際の圧力の低下を抑制するために抽出水圧力制御弁を閉じる際には積分の寄与を小さくできるので、オーバーシュートやハンチングを抑制して、原子炉冷却系統内の圧力を迅速に目標とする圧力にすることができる。

前記原子炉冷却材圧力制御装置は、前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、前記比例ゲインと前記積分時定数との少なくとも一方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前の１０倍以上とすることが好ましい。このようにすれば、抽出水圧力制御弁を必要十分な速度で動作させることができるので、原子炉冷却系統内の圧力を迅速に目標とする圧力にすることができる。

本発明は、原子力発電プラントの起動時において、原子炉冷却系統内に存在する原子炉冷却材の圧力低下を抑制できる。

図１は、原子力発電プラントを示す模式図である。 図２は、原子炉冷却材圧力制御装置の制御ブロック図である。 図３は、比例ゲインの変化例を示す概念図である。 図４は、積分時定数の変化例を示す概念図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

図１は、原子力発電プラントを示す模式図である。本実施形態において、原子力発電プラント１は、原子炉から生み出される熱エネルギーを利用して電力を発生させる原子力発電プラントである。原子力発電プラント１が有する原子炉２は軽水炉である。原子力発電プラント１は、格納容器１Ｗ内に原子炉２と、蒸気発生器３と、加圧器４と、原子炉冷却材ポンプ５とが配置される。また、格納容器１Ｗの外には、タービン８、復水器９及び発電機１０が配置される。原子炉２は、圧力容器２ＰＢの内部に核燃料２Ｃが配置されている。また、圧力容器２ＰＢの内部には原子炉冷却材（冷却水に相当し、例えば軽水が用いられる）Ｃ１が満たされている。原子炉冷却材ポンプ５と原子炉２とは原子炉冷却材第１供給配管６Ａで接続され、原子炉２と蒸気発生器３とは、原子炉冷却材第２供給配管６Ｂで接続される。また、蒸気発生器３と原子炉冷却材ポンプ５とは、原子炉冷却材回収配管６Ｃで接続される。

このような構成により、原子炉冷却材ポンプ５から吐出された原子炉冷却材Ｃ１は、原子炉冷却材第１供給配管６Ａを通って原子炉２の圧力容器２ＰＢ内へ供給される。そして、圧力容器２ＰＢの内部に配置される核燃料２Ｃの核分裂反応によって発生した熱エネルギーで原子炉冷却材Ｃ１が加熱される。加熱された原子炉冷却材Ｃ１は、原子炉冷却材第２供給配管６Ｂを通って蒸気発生器３へ供給される。そして、原子炉冷却材Ｃ１は、蒸気発生器３の伝熱管３Ｔを通過した後、蒸気発生器３から流出し、原子炉冷却材回収配管６Ｃを通って原子炉冷却材ポンプ５へ戻り、再び原子炉冷却材第１供給配管６Ａから原子炉２の圧力容器内へ吐出される。

蒸気発生器３は、前述した伝熱管３Ｔを複数備えており、伝熱管３Ｔ内を流れる原子炉冷却材Ｃ１によって伝熱管３Ｔ外の二次冷却材Ｃ２が加熱されて沸騰し、二次冷却材Ｃ２の高温高圧の蒸気が生成される。蒸気発生器３とタービン８とは蒸気供給配管７Ｓで接続されており、復水器９と蒸気発生器３とは二次冷却材回収配管７Ｒで接続されている。このような構造により、蒸気発生器３で生成された二次冷却材Ｃ２の高温高圧の蒸気は、蒸気供給配管７Ｓを通ってタービン８へ供給されてこれを駆動する。タービン８は、自身の駆動軸に連結された発電機１０を駆動して電力を発生させる。タービン８を駆動した後の二次冷却材Ｃ２は、復水器９で液体となり、二次冷却材回収配管７Ｒを通って再び蒸気発生器３へ送られる。

原子炉２は、加圧器４が原子炉冷却材第２供給配管６Ｂに接続されている。加圧器４は、原子炉冷却材第２供給配管６Ｂ内の原子炉冷却材Ｃ１に圧力を与える。このような構造により、原子炉冷却材Ｃ１は、核燃料２Ｃの核分裂反応によって発生した熱エネルギーで加熱されても沸騰せず、液相の状態で原子炉２及び原子炉冷却系統２ｒｃｓを循環する。原子炉冷却系統２ｒｃｓは、原子炉冷却材ポンプ５、原子炉冷却材第１供給配管６Ａ、原子炉冷却材第２供給配管６Ｂ、蒸気発生器３、原子炉冷却材回収配管６Ｃを有しており、これらの間を原子炉冷却材Ｃ１が流れる系統である。原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の原子炉冷却材Ｃ１の圧力は、原子炉冷却系統２ｒｃｓに設けられた原子炉冷却系統圧力計２１が検出する。

原子炉冷却材回収配管６Ｂには、原子炉冷却系統２ｒｃｓ内を循環する原子炉冷却材Ｃ１を取り出すための原子炉冷却材取り出し配管１２Ａが接続されている。原子炉冷却材取り出し配管１２Ａには、余熱除去ポンプ１３と、余熱除去クーラー１４とが接続されている。余熱除去クーラー１４の出口と原子炉冷却系統２ｒｃｓとは、原子炉冷却材戻し第１配管１２Ｂで接続されている。原子炉冷却材取り出し配管１２Ａと、余熱除去ポンプ１３と、余熱除去クーラー１４と、原子炉冷却材戻し第１配管１２Ｂとが、余熱除去系統系（ＲＨＲＳ：Residual Heat Removal System）１１を構成している。

余熱除去クーラー１４の出口には、抽出配管１５Ａが接続されている。抽出配管１５Ａは、余熱除去クーラー１４と、抽出水圧力制御弁１６と、体積制御タンク１７を接続する。体積制御タンク１７の出口には、原子炉冷却材配管１５Ｂが接続されている。原子炉冷却材配管１５Ｂは、体積制御タンク１７と、充填ポンプ１８と、充填流量制御弁１９とを接続する。このような構造により、原子炉冷却系統２ｒｃｓから取り出された原子炉冷却材Ｃ１は、抽出水圧力制御弁１６と、体積制御タンク１７と、充填ポンプ１８と、充填流量制御弁１９とを流れる。充填ポンプ１８から吐出された原子炉冷却材Ｃ１は、充填流量制御弁１９で流量が調整された後、充填流量制御弁１９と原子炉冷却系統２ｒｃｓとを接続する原子炉冷却材戻し第２配管１５Ｃを通過して、原子炉冷却系統２ｒｃｓに戻される。抽出水圧力制御弁１６は、原子炉冷却材圧力制御装置２０によって開閉動作が制御される。

図２は、原子炉冷却材圧力制御装置の制御ブロック図である。図３は、比例ゲインの変化例を示す概念図である。図４は、積分時定数の変化例を示す概念図である。原子炉冷却材圧力制御装置（以下、圧力制御装置という）２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）とメモリとを含むコンピュータである。圧力制御装置２０は、原子炉冷却系統圧力計２１が検出した原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の原子炉冷却材Ｃ１の圧力を取得する。そして、圧力制御装置２０は、図２に示すように、原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の目標とする圧力（目標圧力）Ｐｔと、原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の実際の圧力、すなわち、原子炉冷却系統圧力計２１が検出した原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の原子炉冷却材Ｃ１の圧力（実圧力）Ｐｒとの偏差（圧力偏差）ΔＰが０になるように、抽出水圧力制御弁１６の動作をＰＩ制御する。

ＰＩ制御は、フィードバック制御の一種であり、制御対象システムに対する制御入力ｕを、目標値と実測値との偏差に比例させるとともに、前記偏差の積分値に比例させる制御である。本実施形態においては、図２に示すように、圧力制御装置２０は、抽出水圧力制御弁１６の動作を、圧力偏差ΔＰに比例させるとともに、圧力偏差ΔＰの積分値に比例させるように制御する。図２に示すＧｐが比例ゲインであり、τが積分時定数である。なお、積分ゲインＧｉは、Ｇｉ／τである。

原子力発電プラント１を起動する際には、原子炉冷却系統２ｒｃｓ内には空気が残留している。このため、原子力発電プラント１を起動させる場合、原子炉冷却材ポンプ５が起動して原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の原子炉冷却材Ｃ１を加圧し、かつ循環させる過程で、空気が原子炉冷却系統２ｒｃｓの外部へ排出される。このとき、原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の原子炉冷却材Ｃ１が加圧されると、原子炉冷却系統２ｒｃｓ内に残留した空気が圧縮され、原子炉冷却系統２ｒｃｓ内の実圧力Ｐｒが低下する。このため、原子力発電プラント１を起動する際には、原子炉冷却材ポンプ５を保護するために、実圧力Ｐｒが低下しないようにする必要がある。

実圧力Ｐｒが低下した場合、圧力制御装置２０は、抽出水圧力制御弁１６を閉じて、実圧力Ｐｒの低下を抑制する。本実施形態では、圧力制御装置２０は、圧力偏差ΔＰが、予め定めた所定の閾値ΔＰｃを超えた場合には、比例ゲインＧｐと積分時定数τとの少なくとも一方の値を、圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超える前よりも大きくする。このようにすることで、圧力偏差ΔＰが大きくなった場合には、抽出水圧力制御弁１６が迅速に閉じられるので、実圧力Ｐｒの低下を速やかに抑制することができる。その結果、原子炉冷却材ポンプ５を確実に保護でき、かつ作業員の負担も低減できる。なお、本実施形態では、圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超えた場合、実圧力Ｐｒが低下したと判定している。また、積分時定数τを大きくする代わりに、積分ゲインＧｉを小さくしてもよい。すなわち、本実施形態において、積分時定数τを大きくすることと、積分ゲインＧｉを小さくすることとは同義である。圧力制御装置２０は、圧力偏差ΔＰが、予め定めた所定の閾値ΔＰｃ内になった場合には、比例ゲインＧｐと積分時定数τとのうち値を変更した方を、変更する前の値に戻す。

本実施形態においては、圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超えた場合、圧力制御装置２０は、比例ゲインＧｐと積分時定数τとの少なくとも一方を大きくすればよいが、少なくとも比例ゲインを大きくすることが好ましく、さらには両方を大きくすることがより好ましい。圧力制御装置２０が、比例ゲインＧｐを大きくするとともに積分時定数τを大きくすることによって、実圧力Ｐｒの低下を抑制するために抽出水圧力制御弁１６を閉じる際には積分の寄与が小さくなるので、オーバーシュートやハンチングを抑制して、迅速に実圧力Ｐｒを目標圧力Ｐｔにすることができる。

図３、図４に示すように、本実施形態では、閾値ΔＰｃをΔＰ１、−ΔＰ１として、圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超える、すなわち、圧力偏差ΔＰがΔＰ１よりも大きくなった、又は−ΔＰ１よりも小さくなった場合には、比例ゲインＧｐと積分時定数τとの少なくとも一方を、閾値ΔＰｃを超える前よりも大きくする。本実施形態では、圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超える前における比例ゲインＧｐはＧｐ１であり、積分時定数τはτ１である。そして、圧力偏差ΔＰがΔＰ２以上、又は−ΔＰ２以下になると（ΔＰ２＞ΔＰ１、−ΔＰ２＜−ΔＰ１）、比例ゲインＧｐはＧｐ２に、積分時定数τはτ２になる（Ｇｐ１＜Ｇｐ２、τ１＜τ２）。

本実施形態では、圧力偏差ΔＰがΔＰ１からΔＰ２に、又は−ΔＰ１から−ΔＰ２に変化する間に、比例ゲインはＧｐ１からＧｐ２に、積分時定数τはτ１からτ２に変化するが、これらの変化の仕方はこれに限定されるものではない。例えば、圧力偏差ΔＰがΔＰ１又は−ΔＰ１になったら、比例ゲインをＧｐ１からＧｐ２に、積分時定数τをτ１からτ２に変化させてもよい。本実施形態において、圧力偏差ΔＰは負の値も考慮しているが、通常、目標圧力Ｐｔは実圧力Ｐｒよりも大きくなるので、圧力偏差ΔＰは正の値のみを考慮すれば十分である。

比例ゲインＧｐと積分時定数τとの少なくとも一方を変化させる場合、圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超える前の１０倍以上とすることが好ましく、１５倍以上とすることがより好ましい。比例ゲインＧｐと積分時定数τとは、変更前後における差を大きくすることにより、抽出水圧力制御弁１６を迅速に動作させることができる。上述した範囲であれば、抽出水圧力制御弁１６を必要十分な速度で動作させることができる。なお、比例ゲインＧｐを大きくしすぎると、実圧力Ｐｒが振動したり発散したりするおそれがあるので、比例ゲインＧｐは、圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超える前の２０倍以下とすることが好ましい。これにともなって、積分時定数τも圧力偏差ΔＰが閾値ΔＰｃを超える前の２０倍以下とすることが好ましい。このようにすることで、実圧力Ｐｒを目標圧力Ｐｔへ迅速に収束させることができる。

以上、本実施形態では、原子力発電プラントの起動時において、目標圧力と実圧力との圧力偏差が０になるように、抽出水圧力制御弁の動作をＰＩ制御し、かつ圧力偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方の値を、圧力偏差が閾値を超える前よりも大きくする。このように、圧力偏差の大きさに応じて比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方を変化させる（可変とする）ことにより、原子炉冷却系統が有する原子炉冷却材ポンプを確実に保護でき、かつ作業員の負担も低減できる。

本実施形態において、圧力制御装置は、ディジタルの情報処理により抽出水圧力制御弁の動作を制御する。より具体的には、圧力制御装置は、抽出水圧力制御弁の動作を制御するためのコンピュータプログラムにしたがって、抽出水圧力制御弁をＰＩ制御する。このように、ディジタル化によって、比例ゲインと積分時定数との少なくとも一方を変更する制御も容易である。

以上のように、本発明に係る原子力発電プラント及び原子炉冷却材圧力制御装置は、原子炉冷却系統内に存在する原子炉冷却材の圧力低下を抑制することに有用である。

１ 原子力発電プラント
２ 原子炉
２ｒｃｓ 原子炉冷却系統
５ 原子炉冷却材ポンプ
６Ａ 原子炉冷却材第１供給配管
６Ｂ 原子炉冷却材第２供給配管
６Ｃ 原子炉冷却材回収配管
１１ 余熱除去系統
１２Ａ 原子炉冷却材取り出し配管
１２Ｂ 原子炉冷却材戻し第１配管
１３ 余熱除去ポンプ
１４ 余熱除去クーラー
１５Ａ 抽出配管
１５Ｂ 原子炉冷却材配管
１５Ｃ 原子炉冷却材戻し第２配管
１６ 抽出水圧力制御弁
１７ 体積制御タンク
１８ 充填ポンプ
１９ 充填流量制御弁
２０ 圧力制御装置（原子炉冷却材圧力制御装置）
２１ 原子炉冷却系統圧力計

Claims (6)

1. 原子炉冷却系統内の原子炉冷却材を抽出する抽出配管に設けられる抽出水圧力制御弁と、
   前記原子炉冷却系統内の目標とする圧力と前記原子炉冷却系統内の実際の圧力との偏差が０になるように、前記抽出水圧力制御弁の動作をＰＩ制御するとともに、前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、比例ゲイン及び積分時定数の両方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前よりも大きくする原子炉冷却材圧力制御装置と、
   を含むことを特徴とする原子力発電プラント。
2. 前記原子炉冷却材圧力制御装置は、
   前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、前記比例ゲイン及び前記積分時定数の両方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前の１０倍以上とする請求項１に記載の原子力発電プラント。
3. 前記原子炉冷却材圧力制御装置は、
   前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、前記比例ゲイン及び前記積分時定数の両方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前の２０倍以下とする請求項２に記載の原子力発電プラント。
4. 原子炉冷却系統内の原子炉冷却材を抽出する抽出配管に設けられる抽出水圧力制御弁を制御するものであり、
   前記原子炉冷却系統内の目標とする圧力と前記原子炉冷却系統内の実際の圧力との偏差が０になるように、前記抽出水圧力制御弁の動作をＰＩ制御するとともに、前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、比例ゲイン及び積分時定数の両方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前よりも大きくする原子炉冷却材圧力制御装置。
5. 前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、前記比例ゲイン及び前記積分時定数の両方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前の１０倍以上とする請求項４に記載の原子炉冷却材圧力制御装置。
6. 前記偏差が予め定めた所定の閾値を超えた場合には、前記比例ゲイン及び前記積分時定数の両方の値を、前記偏差が前記閾値を超える前の２０倍以下とする請求項５に記載の原子炉冷却材圧力制御装置。

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