JP7090096B2 - 原子炉をモデリングするためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
本出願は、「先進的原子炉の統合された設計のためのコンピュータツール」と題する、2017年3月3日に出願された仮出願の米国特許出願第62/466,747号(35 U.S.Cセクション119(e))の非仮出願である。本出願は、「原子炉をモデリングするためのシステムおよび方法」と題する、2017年2月27日に出願された仮出願の米国特許出願第62/464,254号(35 U.S.C.セクション119(e))の非仮出願であり、その両方の出願は、その全体が参照により組み込まれる。
本特許文書の材料の一部は、米国および他の国の著作権法に基づく著作権保護の対象となる。著作権の所有者は、米国特許商標庁の公的に入手可能なファイルまたは記録に現れるように、特許文書または特許開示の誰かによるファクシミリ複製に異議を申し立てることはないが、その他の点では、すべての著作権を留保する。著作権所有者は、37 C.F.R.セクション1.14に従う権利を含むが、これに限定されない、本特許文書を秘密に維持させる権利を一切放棄しない。
原子炉を設計し、シミュレートし、および/または監視(モニタ)するための多くのシステムが存在する。多くのシステムは、分析の様々な部分を実行することができるが、ツールの多くは、コヒーレントな方法で統合されず、設計および/またはリアルタイムの動作および制御に必要なレベルまで速度、最適化、および/または忠実度を提供しないことが理解される。
いくつかのタイプの原子炉では、安全、効率的、例によっては最適な炉心および/または燃料性能を保証するために、原子炉内で燃料集合体(アセンブリ)の多くの移動(運動)を行うことが有利であることが理解される。炉心および燃料性能は、閾値を超える(または複数の境界条件内で)量および/または位置を維持する(出力、流量、温度など)ためのパラメータの任意の1つまたは複数(または組み合わせ)で示すことができる。燃料の燃焼が最適化されるように、燃料補給動作(再燃料挿入操作)の間で燃料を移動させることが有益であり得る。実際、進行波原子炉またはTWRとして当技術分野で知られているこのような原子炉タイプの1つでは、燃料を原子炉内で一連のシャッフリング動作で移動させて、燃料が「増殖」されるように原子炉内に配置され、次いで、動作中の炉心内に存在する定在波に対して燃焼することを確実にすることができることが理解される。
少なくとも1つの例の様々な態様は、添付の図面を参照して以下に説明されるが、添付の図面は、一定の縮尺で描かれることを意図するものではない。図面は、様々な態様および実施例の例示およびさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成するが、特定の実施例の限定の定義として意図されるものではない。図面は、本明細書の残りの部分とともに、説明され、特許請求される態様および実施例の原理および動作を説明するのに役立つ。図において、様々な図に示されている同一またはほぼ同一の各コンポーネントは、同様の数字で表されている。明確にするために、すべてのコンポーネントがすべての図においてラベル付けされているわけではない。
図2Aは、一実施形態による、原子炉のモデリングを実行するための例示的なプロセスを示し、
図2Bは、一実施形態による原子炉のモデリングを実行するための別の例示的なプロセスを示し、
図2Cは、一実施形態による例示的な分岐探索を示し、
図3は、一実施形態による原子炉をモデリングし制御することができるシステムのブロック図を示し、
図4は、一実施形態による、動作中の原子炉に関連して原子炉をシミュレートし、モデリングするための例示的なプロセスを示し、
図5Aは、一実施形態による例示的な炉心および燃料集合体、並びに例示的な燃料移動を示し、
図5Bは、別の実施形態による例示的な炉心および燃料集合体構成を示し、
図5Cは、別の実施形態による例示的な炉心および燃料集合体構成を示し、
図6は、原子炉シミュレーションを実行するための従来のプロセスを示し、
図7は、一態様による原子炉シミュレーションを実行するためのプロセスを示し、
図8Aは、一実施形態による原子炉心モデリングシステムを示し、
図8Bは、一実施形態による原子炉心モデリングシステムの例示的なコンポーネントを示し、
図9は、一実施形態による原子炉心モデリングシステムの一実装形態を示し、
図10は、一実施形態による原子炉の例示的なモデリングを示し、
図11A~図11Bは、一実施形態による例示的なシミュレーションプロセスを示し、
図12A~図12Bは、一実施形態による原子炉心モデリングシステムの一実装形態を示し、
図13は、一実施形態によるインターフェーススタックの一実施例を示し、
図14は、一実施形態によるシミュレーションコンポーネント間の相互作用の一例を示し、
図15は、一実施形態による原子炉心モデリングシステムを実装するように構成されたクラスタインターフェースの一例のユーザインターフェースを示し、
図16は、一実施形態による、シミュレーションパラメータおよび関連する制御を含む1つの例示的なユーザインターフェースを示し、
図17は、一実施形態による別の例示的なインターフェースを示し、
図18A~図18Bは、シミュレーション制御設定を含む例示的なインターフェースを示し、
図19A~図19Bは、一実施形態による、関連する制御を含む別の例示的なユーザインターフェースを示し、
図20は、燃料管理に関連するパラメータおよびシミュレーション制御設定を含む例示的なインターフェースを示し、
図21は、シミュレーションパラメータを含む炉心の幾何学的形状(ジオメトリ)を示す例示的なインターフェースを示し、
図22は、コンピュータクラスタの一実装形態を示す。
一実施態様によれば、原子炉をモデリングし制御することができるシステムが提供される。特に、特定の実施形態は、核分裂原子炉、およびそのようなタイプの原子炉を制御およびモデリングするための装置に関することができる。しかし、核分裂反応炉、高速核分裂反応炉、増殖および燃焼反応炉、並びに例によっては爆燃波を生成する増殖および燃焼反応炉を含む、他の種類の反応炉が、様々な実施形態によって利益を得ることができることを理解されたい。
オリフィシングを用いた熱力学解析およびサブチャネル分析
材料ライブラリと熱膨張解析の提供と維持
高度な燃料管理機能
反応度係数と制御棒値
高速平衡サイクル探索
多目的設計最適化
平行消耗化
燃焼依存性微視的断面
経済分析
履歴追跡と要約
変分およびλ固有モード展開摂動論
ピンフラックス再構成
感度と不確実性の定量化
内因性線源計算
データベースストレージ(SQL、HDF5など)。
1.燃料管理者(燃料集合体を異なる場所に移動させる)
2.数値密度を更新するための消耗モジュール
3.断面を更新するMC2
4.出力およびフラックス分布を計算するためのDIF3D
5.温度・圧力分布を更新するCOBRA
6.固有中性子源を計算するための内因性源モジュール
7.燃料サイクルコストを計算するための経済モジュール
8.(例えば、人間が可読な出力として)要約を生成する要約モジュール
9.データベース(SQLデータベースなど)への出力を持続するデータベースモジュール。
図22は、様々な態様を実装するために使用され得る分散システム2200の一実施形態を示す。上述のように、いくつかのノードを含むクラスタベースのシステムを使用して、原子力プラントのモデリングおよびシミュレーションを実行することができる。例えば、クラスタ2200を使用することができ、クラスタ2200は、それぞれが1つまたは複数のコアプロセッサ(例えば、コアプロセッサ2203A~2203Z)、1つまたは複数のメモリデバイス(例えば、meまたはデバイス2204A~2204Z)、1つまたは複数のストレージデバイス(例えば、ストレージデバイス2205)、および1つまたは複数のネットワークインターフェース(例えば、インターフェース2206)を有する、いくつかのノード(例えば、ノード2200A~2201ZZZZ)を備える。
Claims (35)
- 原子炉データを分析する方法であって、
複数の燃料集合体を含む炉心を有する原子炉をモデリングするように適合された原子炉心モデリングシステムによって、炉心内の複数の燃料集合体の特定の複数のグループに対して、上記炉心から燃料集合体を除去することなく、炉心内の既存の燃料集合体の複数の燃料移動を決定することを含み、
複数の上記燃料移動を決定することは、
上記原子炉心モデリングシステムによって、原子炉の複数の燃料サイクルについて、複数の可能なグループ移動のうちの可能なグループ移動が複数の燃料サイクルのうちの少なくとも1つの燃料サイクルに関連し、複数の上記可能なグループ移動の少なくとも1つは、上記炉心内の臨界を維持しながら、燃料補給動作の前に、上記複数の燃料サイクルの同じ燃料サイクル内で、上記炉心内の複数の燃料集合体を移動させるような、複数の可能なグループ移動を決定すること、および、
少なくとも1つの燃料サイクルのための最適なグループ移動を決定することを含む、方法。 - 上記最適なグループ移動は、燃焼波を定在波にする移動を含む、請求項1に記載の方法。
- 上記最適なグループ移動は、上記少なくとも1つの燃料サイクルにわたって燃料の最適な燃焼度を達成する、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも1つの他のグループ移動が、別の燃料サイクル内で後の時間に行われる、請求項2に記載の方法。
- 上記原子炉心モデリングシステムによって、上記複数の可能なグループ移動からグループ移動の最適なシーケンスを決定することをさらに含み、
上記グループ移動の最適なシーケンスを決定することは、
上記グループ移動の最適なシーケンスにわたって、上記炉心内の燃料の最適な燃焼度を達成する、請求項1に記載の方法。 - 上記原子炉心モデリングシステムによって、上記グループ移動の最適シーケンスを決定することは、
上記原子炉心モデリングシステムによって、上記複数の可能なグループ移動に対応して、選択された原子炉プラントパラメータの結果を評価する分岐探索を実行することを含む、請求項5に記載の方法。 - 上記グループ移動の最適シーケンスを決定することは、
複数の燃料サイクルにわたって可能なグループ移動を決定することを含む、請求項6に記載の方法。 - 上記分岐探索を実行することは、
上記選択された原子炉プラントパラメータの1つ以上の不満足な値を達成する可能なグループ移動を除去することをさらに含む、請求項6に記載の方法。 - 上記分岐探索を実行することは、
複数のグループ移動の各グループ移動についての上記原子炉のシミュレーションに対応して、複数のグループ移動を評価することをさらに含む、請求項6に記載の方法。 - 複数のグループ移動の各グループ移動について上記原子炉のシミュレーションに対応して複数のグループ移動を評価することは、
上記選択された原子炉プラントパラメータの値を評価することをさらに含む、請求項9に記載の方法。 - 上記選択された原子炉プラントパラメータの値を評価することは、
上記選択された原子炉プラントパラメータの値が許容限度内にあるかどうかを決定することをさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 上記選択された原子炉プラントパラメータの値を評価することは、
上記選択された原子炉プラントパラメータの値に基づいてスコアを決定することをさらに含む、請求項10に記載の方法。 - 上記複数の可能なグループ移動から上記グループ移動の最適シーケンスを決定することは、
上記炉心内の臨界を維持しながら、上記炉心内で最適燃焼を達成するグループ移動の少なくとも1つのシーケンスを決定することをさらに含む、請求項5に記載の方法。 - 上記複数の可能なグループ移動から上記グループ移動の最適シーケンスを決定することは、
上記炉心内で臨界を維持するグループ移動の少なくとも1つのシーケンスを決定することをさらに含む、請求項5に記載の方法。 - 上記複数の可能なグループ移動から上記グループ移動の最適シーケンスを決定することは、
上記炉心内の実質的に同じ領域に燃焼波を維持するグループ移動の少なくとも1つのシーケンスを決定することをさらに含む、請求項5に記載の方法。 - 上記原子炉心モデリングシステムは、上記原子炉に結合され、上記原子炉の1つ以上の動作パラメータを受信するように動作可能であり、
上記複数の可能なグループ移動から上記グループ移動の最適シーケンスを決定することは、
上記原子炉の上記1つ以上の動作パラメータに対応して決定される、請求項5に記載の方法。 - 上記原子炉心モデリングシステムは、上記炉心内の上記複数の燃料集合体の特定の複数のグループについて上記複数の燃料移動を決定することを実行するように動作可能な分岐探索計算器を含む、請求項5に記載の方法。
- 上記分岐探索計算器によって、上記複数の可能なグループ移動と並行して、上記グループ移動の最適なシーケンスを探索することをさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 上記分岐探索計算器は、インターフェースを含み、
さらに、上記分岐探索計算器によって、上記グループ移動の最適シーケンスの探索を制限する1つ以上の入力を受信することを含む、請求項17に記載の方法。 - 上記インターフェースは、ユーザインターフェースであり、
上記ユーザインターフェースを介して、ユーザから、上記1つ以上の入力を受信することをさらに含む、請求項19に記載の方法。 - 上記分岐探索計算器は、1つ以上の出力を決定する、請求項19に記載の方法。
- 上記1つ以上の出力は、移動サイクルにわたる炉心内の反応度変化と、炉心内の上記複数の燃料集合体の上記特定の複数のグループの炉心内移動を識別する指標とを含むグループのうちの少なくとも1つを含む、請求項21に記載の方法。
- 上記1つ以上の出力は、以下:
燃料集合体を移動すべき位置を識別する第1指標、
炉心の臨界の第2指標、
燃料集合体を横切る圧力降下、
サイクル中の燃料集合体の出力変化、
燃料集合体の冷却の第3指標、
特定サイクルの移動回数の第4指標、
特定サイクルの移動のチェーンの第5指標、
燃料集合体のk∞の第6指標、および、
特定サイクルにわたる反応度変動の第7指標
を含むグループのうちの少なくとも1つを含む、請求項21に記載の方法。 - 上記1つ以上の入力は、以下:
特定サイクルにわたる反応度変動に対する許容限度の第1指標、
燃料集合体に関連する物理的限界、および、
燃料集合体における許容可能な出力変化の第2指標
を含むグループのうちの少なくとも1つを含む、請求項19に記載の方法。 - 上記炉心内の複数の燃料集合体の特定の複数のグループについて複数の燃料移動を決定することは、
上記炉心内に存在する定在爆燃波に対する上記特定の複数のグループの配置を決定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 上記炉心内の複数の燃料集合体の特定の複数のグループについて複数の燃料移動を決定することは、
燃料補給動作の前に、上記炉心内の上記特定の複数のグループの配置を決定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 上記炉心内の複数の燃料集合体の特定の複数のグループについて複数の燃料移動を決定することは、
複数の可能なカスケード燃料移動を上記燃料補給動作まで決定することをさらに含む、請求項26に記載の方法。 - 上記複数の可能なカスケード燃料移動を上記燃料補給動作まで決定することは、
上記炉心から燃料集合体を除去することなく、上記複数の可能なカスケード燃料移動を上記燃料補給動作まで決定することをさらに含む、請求項27に記載の方法。 - 上記原子炉心モデリングシステムによって、上記原子炉の摂動の決定に対応して、上記複数の可能なグループ移動のスコアを決定することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 上記原子炉の上記複数の燃料サイクルのための原子炉心モデリングシステムによって、1つ以上の特定のタイプの燃料に少なくとも部分的に基づいて、上記複数の可能なグループ移動を決定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 上記1つ以上の特定のタイプの燃料のうちの少なくとも1つは、供給タイプの燃料またはドライバタイプの燃料のうちの少なくとも1つを含み、
上記原子炉の複数の燃料サイクルのための上記原子炉心モデリングシステムによって、上記供給タイプの燃料または上記ドライバタイプの燃料のうちの少なくとも1つと、上記原子炉内の定在波の現在位置とに基づいて、上記複数の可能なグループ移動を決定することをさらに含む、請求項30に記載の方法。 - 上記原子炉心モデリングシステムによって、上記複数の可能なグループ移動から上記グループ移動の最適シーケンスを決定することは、
上記原子炉心モデリングシステムによって、1つ以上の原子炉パラメータに基づいて、上記シーケンスにわたる上記炉心内の燃料の最適燃焼度を決定することをさらに含み、
上記1つ以上の原子炉パラメータは、以下:
燃焼履歴、
燃焼限界、
温度履歴、
冷却材流量、
冷却材流量履歴、
所望の出力分布、
反応度、および、
反応度のフィードバック
を含むグループからの1つ以上のパラメータを含む、請求項5に記載の方法。 - 上記1つ以上の原子炉パラメータは、さらに、以下:
温度、
中性子工学、
燃費性能、
燃焼、
反応度、
出力生産量、
滞留時間、
燃料浪費、
構造物の設計限界、
構造物の安全性限界、
毒物、
臨界レベル、および、
定在波の位置
を含む、請求項32に記載の方法。 - 原子炉内のグループ移動の最適シーケンスを実行するように燃料ハンドラ機構を制御することをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 上記グループ移動の最適シーケンスは、収束-発散シャッフリングパターンを達成する、請求項5に記載の方法。
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