JP5802406B2 - 原子炉出力制御装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、原子力プラントの起動時における原子炉出力制御技術に関する。

一般に、沸騰水型（ＢＷＲ）原子力発電プラントの起動では、まず制御棒が全挿入されている状態から、この制御棒を引き抜き、原子炉を臨界状態にした後、一定の炉周期（ペリオド）で中性子束を上昇させる。
ここで、臨界状態とは一定の核分裂反応が持続する炉心状態を指し、制御棒の操作を中断した後の中性子束が２倍になる時間（ダブリングタイム）を評価して臨界を判定している。また、炉周期（ペリオド）とは、中性子束が元の値のｅ倍（約２．７倍）になるまでの時間である。

臨界状態に到達した後、中性子束の上昇つまり熱出力の上昇に伴って、炉水温度が上昇するが、この温度上昇率が予め設定した目標値になるように制御棒の位置が制御される。なお、この温度上昇率は５５℃／ｈが上限値となっている。
この温度上昇率の上限値を超えないように熱出力を上昇させ、所定の圧力に到達したところで制御棒の操作を中断し、圧力をホールドして、蒸気式空気抽出器（ＳＪＡＥ）などの原子炉の蒸気を利用する機器の運転を実行する。

圧力をホールドした状態から次の圧力に移行するためには、温度上昇率がゼロの状態から目標の温度上昇率にまで到達させる過程に入る。そして、蒸気を利用する機器の運転が完了すると、再び温度上昇率の上限値を超えないように熱出力を上昇させ、目標圧力に到達したところでタービンバイパス弁を開き、さらに制御棒を引き抜いてバイパス弁開度が所定の値になるまで熱出力を上昇させる。

このように、目標圧力に到達するまでに、機器の起動等を実施するため、何回か圧力をホールドする必要がある。
従来のＢＷＲ原子力発電プラントでは、その起動時において、このように昇温昇圧を繰り返す際の制御棒の操作を、手動で実施していたために、オペレータのワークロードが最も高いものであった。

このために、最近のプラントではこの制御棒の操作を自動化することが検討されている。例えば、炉水の温度上昇率が上限値を超えないように熱出力を上昇させる制御棒の自動制御として、温度上昇率の目標値に対する偏差から炉周期の逆数（投入反応度に相当）の目標値を求め、その目標値に対する偏差から制御棒の操作量を求める方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

一方、近年、ウランとプルトニウムの混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）などの燃焼度の高い燃料が使われるようになり、冷却材温度に対する燃料の反応度係数が正の場合がある。
この反応度係数が負の場合は、熱出力の増加に伴って温度が上昇すると、燃料の反応度は減少の方向となり熱出力は抑制される。その場合、この熱出力の抑制を補償するように制御棒を逐次引き抜いて熱出力を上昇させながら運転していくことになる。

一方、反応度係数が正の場合は、中性子束が増加して温度が上昇するのに伴い、燃料の反応度は増加の方向となるため、逆に制御棒を挿入して熱出力を抑制しながら運転していくことになる。この場合、炉水の温度上昇率、この温度上昇率の加速度、炉周期の逆数から制御棒の操作を判定する方法が提案されている（例えば、特許文献２，３）。また、反動度係数を測定し、判定、表示および音声出力する方法が提案されている（例えば、特許文献４，５）。

特許第２５５３１５２号公報 特開２００６−３２９７０９号公報 特開２００５−２４１３８４号公報 特開２００７−６４９４６号公報 特開２００８−２１６２４２号公報

ところで、上述した反応度係数を測定する制御方法では、高精度な測定が要求され、種々のパラメータが変動する原子炉の運転に対し、包括的な方法ではないという課題があった。また、反応度係数の正／負の判定においてその結果のみの表示では、オペレータにとって運転状態の理解が困難で、また連続的に監視することが困難である課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、原子力発電プラントの起動時における熱出力の上昇過程において、温度上昇率を目標値に安定させる制御棒の自動制御を行う原子炉出力制御技術を提供することを目的とする。

原子炉出力制御装置は、原子炉における中性子束及び炉水温度の応答に基づいて制御棒の挿入／引抜に係る操作シーケンスを格納する格納部と、炉水の温度上昇率の目標値とその計測値との差を第１パラメータを介して積分演算した積分値を出力する積分器と、前記積分値と前記中性子束の対数値との差を第２パラメータを介して比例演算した比例値を出力する比例器と、前記比例値に基づく制御棒の操作量を出力する操作信号出力器と、前記中性子束の対数値の変化率、前記炉水温度及び前記温度上昇率に基づいて前記第１パラメータ及び第２パラメータを可変するパラメータ可変部と、を備え、前記第１パラメータ及び第２パラメータは、前記制御棒を操作した後の前記中性子束の対数値の変化率と前記温度上昇率とに基づいて求められる反応度係数に依存して設定されることを特徴とする。

本発明の原子炉出力制御技術により、燃料の反応度係数が正の場合であっても、原子力発電プラントの起動時における温度上昇率を目標値に安定させることができる。

本発明の原子炉出力制御装置が適用される原子炉発電プラントの実施形態を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る原子炉出力制御装置における自動制御のブロックダイアグラム。 反応度係数が負である炉心の各種応答信号のトレンドを示すグラフ。 反応度係数が負である炉心の場合、炉水の温度上昇率の応答を縦軸に炉周期逆数の応答を横軸に表わしたマップ。 比較例として、従来技術において反応度係数が正である炉心の各種応答信号のトレンドを示すグラフ。 比較例として、従来技術において反応度係数が正である炉心の場合、炉水の温度上昇率の応答を縦軸に炉周期逆数の応答を横軸に表わしたマップ。 本発明の実施形態において、反応度係数が正である炉心の各種応答信号のトレンドを示すグラフ。 本発明の実施形態において、反応度係数が正である炉心の場合、炉水の温度上昇率の応答を縦軸に炉周期逆数の応答を横軸に表わしたマップ。 図８において、制御棒の動作中を点線で、制御棒の停止中を実線で表したマップ。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、原子炉発電プラント１０は、炉水を収容する原子炉１１と、核燃料を保持する炉心１２と、核燃料の核分裂反応を制御する制御棒１３と、炉心１２に対して制御棒１３の引抜／挿入の操作を実行する制御棒駆動部１４と、核分裂反応により放出される中性子束φの検出センサ１５と、この検出センサ１５が検出した中性子束φの計測値を原子炉出力制御装置２０に出力する中性子束計測部１６と、炉水温度Ｔの検出センサ１７と、この検出センサ１７が検出した炉水温度Ｔの計測値を原子炉出力制御装置２０に出力する炉水温度計側部１８と、から構成されている。

そして、原子炉出力制御装置２０は、原子炉１１における中性子束φ及び炉水温度Ｔの応答に基づいて制御棒１３の挿入／引抜に係る操作シーケンスを格納する格納部２１と、温度上昇率の目標値ＨＲ_tを設定する設定部２２と、計測した中性子束φ及び炉水温度Ｔ並びに温度上昇率の目標値ＨＲ_tに基づいて制御棒１３の操作量ΔＣＲを判定する制御棒操作判定部３０と、計測した炉水温度Ｔ及び中性子束φ並びにこれらからそれぞれ導かれる温度上昇率の計測値ＨＲ及び炉周期逆数の計測値τ^-1さらに制御棒位置ＣＲを表示する表示部２４とから構成されている。

このように、原子炉発電プラント１０及び原子炉出力制御装置２０が構成されることにより、原子炉発電プラント１０で計測された炉水温度Ｔ、中性子束φを取得し、温度上昇率の目標値ＨＲ_t、制御棒操作シーケンスに基づいて制御棒１３の操作量ΔＣＲが制御棒駆動部１４に出力される。

さらに、制御棒操作判定部３０は、図２に示すように、炉水の温度上昇率の目標値ＨＲ_tとその計測値ＨＲとの差を第１パラメータＫ_Iを介して積分演算した積分値を出力する積分器３１と、前記積分値と中性子束φの対数値（実施形態において炉周期逆数の計測値τ^-1を例示している）との差を第２パラメータＫ_Pを介して比例演算した比例値を出力する比例器３２と、前記比例値に基づく制御棒の操作量ΔＣＲを出力する操作信号出力器３３と、中性子束φの対数値の変化率（炉周期逆数の計測値τ^-1）、炉水温度Ｔ及び温度上昇率ＨＲに基づいて第１パラメータＫ_I及び第２パラメータＫ_Pを可変するパラメータ可変部３４と、から構成されている。
このように、制御棒操作判定部３０が構成されることにより、原子力発電プラントの起動時における温度上昇率の計測値ＨＲをその目標値ＨＲ_tに安定させることができる。

図２に基づいて、制御棒操作判定部３０の制御動作を説明する。
炉水の温度上昇率の目標値ＨＲ_tと炉水温度上昇率の計測値ＨＲとを比較し、その偏差を比例演算することにより炉周期逆数の目標値τ_t ^-1が次式に従い求められる。
τ_t ^-1＝ｋ₁（ＨＲ_t−ＨＲ） （１）

この炉周期逆数の目標値τ_t ^-1と炉周期逆数の計測値τ^-1とを比較し、その偏差に応じて制御棒の挿入量又は引抜量にあたる制御棒操作量ΔＣＲが次式に従い求められる。
ΔＣＲ＝ｋ₂（τ_t ^-1−τ^-1） （２）

なお、制御棒による反応度の投入は離散的であるために、操作信号出力器３３において不感帯を設け、制御棒の挿入／引抜が頻繁に起こることを防止している。
このような制御系は、温度上昇率の目標値ＨＲ_tと計測値ＨＲとのずれが大きい場合には、炉周期逆数の目標値τ_t ^-1を大きく設定して急速に出力を上昇させ、温度上昇率の計測値ＨＲがその目標値ＨＲ_tに近づいた場合には、炉周期逆数の目標値τ_t ^-1を小さく設定してゆっくり出力を上昇させるという考えに基づいている。

記載を省略するが図２の制御システムを積分したシステムとして、温度外乱を考慮することができる。この積分した制御系においては、上述の（１）、（２）式は、それぞれ（３）、（４）式となる。

lnφ_t＝ｋ₁∫(ＨＲ_t−ＨＲ)dｔ （３）
あるいは、
lnφ_t＝ｋ₁・(ＨＲ_t−ＨＲ)／ｓ （３）´
ＣＲ＝ｋ₂・(lnφ_t−lnφ) （４）
ただし、
φ：中性子束の計測値
φ_t：中性子束の目標値
ｓ：ラプラス演算子
ＣＲ：制御棒の位置（制御棒の全操作量）

つまり、式（４）で演算された制御棒位置ＣＲと、現在の制御棒の位置との差が制御棒の操作量ΔＣＲとなる。操作信号出力器３３の不感帯により、この操作量ΔＣＲがある値の範囲内なら制御棒の操作信号は発生しないが、これがこの範囲を越えると引抜または挿入の操作信号が発生する。
なお、この操作信号のうち引抜側の要求は炉周期τが短い場合は無視されて、炉周期が極端に短くなることを防いでいる。

図３のグラフは、反応度係数が負である炉心の各種信号の応答を示している。図４は、さらに、炉周期逆数の計測値τ^-1と温度上昇率の計測値ＨＲとの応答をマップ上に表したものである。
制御棒の引き抜きに伴い反応度が投入され、計測した中性子束φが上昇し、炉水温度Ｔが増加するが、反応度係数による負のフィードバックにより反応度が低下し、すなわち炉周期逆数の計測値τ^-1が低下し、計測した温度上昇率ＨＲも低下していることが分かる。
なお制御棒位置ＣＲは、縦軸方向を引抜方向としてすなわち引抜／挿入の操作量が示されている。
このように、反応度係数が負である場合、正の温度上昇率ＨＲに対し、反応度が低下する方向にプロセスは動くことになる。

図５のグラフは、比較例として、従来技術において反応度係数が正である炉心の各種信号の応答を示している。図６は、さらに、炉周期逆数の計測値τ^-1と温度上昇率ＨＲとの応答をマップ上に表したものである。
反応度係数が正である場合、正の温度上昇率ＨＲに対し、反応度が増加する方向にプロセスが働くことになる。このために、温度上昇率ＨＲを一定に維持するためには制御棒を逐次挿入することが必要になる。

このように、反応度係数が正である場合、正の温度上昇率ＨＲに対し、反応度が増加する方向にプロセスは動くことになる。このために、従来技術において反応度係数が正である場合、図６のマップに示すように、プロセス値のトレンド線は、制御棒の引抜領域と挿入領域に対して、直角に近い角度で反転を繰り返すことになるため、制御棒の引抜／挿入が頻繁になる可能性がある。

図７のグラフは、本発明の実施形態において反応度係数が正である炉心の各種信号の応答を示している。図８は、さらに、炉周期逆数の計測値τ^-1と温度上昇率ＨＲとの応答をマップ上に表したものである。
図８に示すように、本発明の実施形態においては、引抜側の制御棒の動作条件を緩和している。すなわち、炉水温度Ｔが上昇している場合においては、その他の場合におけるよりも、制御棒の引抜側の判定値を、より引き抜かない方向に設定する。制御棒を挿入した場合であっても、反応度係数が正であるために温度上昇による反応度増加が見込まれるからである。

そのような動作を実現するための具体的な構成が、前述したパラメータ可変部３４である。なお、反応度係数については、制御棒を操作した後の炉水温度Ｔの変化と炉周期逆数の計測値τ^-1の変化とからこの反応度係数の相当値を求めることができる。
パラメータ可変部３４は、計測された反応度係数、炉水温度Ｔ、温度上昇率ＨＲ及び炉周期逆数τ^-1に対応したパラメータＫ（Ｋ_I，Ｋ_P）をテーブルに所持させて、このテーブルを参照してパラメータＫを調整するようにしても良い。

表示部２４は、図３，７に示される制御棒位置ＣＲ（もしくはその操作量ΔＣＲ）、炉周期逆数τ^-1、炉水の温度上昇率ＨＲ及び炉水温度Ｔのトレンド表示をする他に、図４，８に示される炉周期逆数τ^-1−温度上昇率ＨＲのマップを画面表示する。
このマップにおいてプロセス値のトレンドの傾向が正の傾きである場合は反応度係数が正であることを表し、負の傾きである場合は反応度係数が負であることを表すことになる。なお、制御棒が操作中である場合は、反応度係数は分からないため、例えば図９に示すように、操作中の状態を点線で示し、停止中の状態を実線で示すなどして区別して表示する。もしくは、トレンド線の色を変えたり、制御棒操作中はトレンド線の表示をしないことにしたりしても良い。

本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
例えば、原子炉出力制御装置は、コンピュータによって各手段を各機能プログラムとして実現することも可能であり、各機能プログラムを結合して原子炉出力制御プログラムとして動作させることも可能である。

１０…原子炉発電プラント、１１…原子炉、１２…炉心、１３…制御棒、１４…制御棒駆動部、１５…検出センサ、１６…中性子束計測部、１７…検出センサ、１８…炉水温度計側部、２０…原子炉出力制御装置、２１…格納部、２２…設定部、２４…表示部、３０…制御棒操作判定部、３１…積分器、３２…比例器、３３…操作信号出力器、３４…パラメータ可変部、Ｋ_I…第１パラメータ、Ｋ_P…第２パラメータ、Ｔ…炉水温度、ＨＲ_t…温度上昇率の目標値、ＨＲ…温度上昇率の計測値、φ…中性子束の計測値、τ_t ^-1…炉周期逆数の目標値、τ^-1…炉周期逆数の計測値、ΔＣＲ…制御棒の操作量、ＣＲ…制御棒位置。

Claims (6)

1. 原子炉における中性子束及び炉水温度の応答に基づいて制御棒の挿入／引抜に係る操作シーケンスを格納する格納部と、
   炉水の温度上昇率の目標値とその計測値との差を第１パラメータを介して積分演算した積分値を出力する積分器と、
   前記積分値と前記中性子束の対数値との差を第２パラメータを介して比例演算した比例値を出力する比例器と、
   前記比例値に基づく制御棒の操作量を出力する操作信号出力器と、
   前記中性子束の対数値の変化率、前記炉水温度及び前記温度上昇率に基づいて前記第１パラメータ及び第２パラメータを可変するパラメータ可変部と、を備え、
   前記第１パラメータ及び第２パラメータは、前記制御棒を操作した後の前記中性子束の対数値の変化率と前記温度上昇率とに基づいて求められる反応度係数に依存して設定されることを特徴とする原子炉出力制御装置。
2. 請求項１に記載の原子炉出力制御装置において、
   前記原子炉の運転状態を前記中性子束の対数値の変化率の軸と前記温度上昇率の軸とで示すマップを表示する表示部を備えることを特徴とする原子炉出力制御装置。
3. 請求項２に記載の原子炉出力制御装置において、
   前記マップにおいて、前記制御棒が操作中で有る場合と無い場合とを識別できるように表示することを特徴とする原子炉出力制御装置。
4. 請求項３に記載の原子炉出力制御装置において、
   前記制御棒が操作中で有る場合に点線表示し、操作中で無い場合に実線表示することを特徴とする原子炉出力制御装置。
5. 請求項３に記載の原子炉出力制御装置において、
   前記制御棒が操作中で有る場合と操作中で無い場合とを、異なる色により識別表示することを特徴とする原子炉出力制御装置。
6. コンピュータに、
   原子炉における中性子束及び炉水温度の応答に基づいて制御棒の挿入／引抜に係る操作シーケンスを格納する機能、
   炉水の温度上昇率の目標値とその計測値との差を第１パラメータを介して積分演算した積分値を出力する機能、
   前記積分値と前記中性子束の対数値との差を第２パラメータを介して比例演算した比例値を出力する機能、
   前記比例値に基づく制御棒の操作量を出力する機能、
   前記中性子束の対数値の変化率、前記炉水温度及び前記温度上昇率に基づいて前記第１パラメータ及び第２パラメータを可変する機能、を実行させ、
   前記第１パラメータ及び第２パラメータは、前記制御棒を操作した後の前記中性子束の対数値の変化率と前記温度上昇率とに基づいて求められる反応度係数に依存して設定されることを特徴とする原子炉出力制御プログラム。

Images