JP7385548B2 - 原子炉制御装置および原子炉制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉制御装置および原子炉制御方法に関する。

原子炉制御装置および原子炉制御方法に関する技術として、下記特許文献１に開示の技術がある。この特許文献１には、「複数の制御棒を同時に操作したときの操作対象制御棒のうち各中性子検出器毎にその検出値に関連性大で影響を与える制御棒を制御棒操作情報の中から選択し、各中性子検出器の検出値に基づく炉心状態監視情報を前記選択した制御棒の炉心内での位置に対応付けて表示する」と記載されている。

特開平９－１５９７８４号公報

ところで原子炉の起動時には、炉心内に挿入した制御棒を順次炉心の外へ引き抜き、中性子による核分裂反応を徐々に増加させることで、インターロックでスクラム等を発生させることなく、炉心を臨界状態にする必要がある。このため、炉心状態の時間変化を高精度に予測することが可能な技術が求められている。

そこで本発明は、炉心状態の時間変化を高精度に予測することが可能な原子炉制御装置および原子炉制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、炉心内に設けられた複数の中性子検出器の出力に基づいて、前記炉心内に挿入された制御棒の引き抜き操作を制御する制御棒駆動制御装置と、前記制御棒駆動制御装置による前記制御棒の引き抜き操作の情報と、前記中性子検出器の出力に影響を及ぼす複数のパラメーターとに基づいて前記中性子検出器の出力の時間変化を予測演算する原子炉シミュレーターと、前記複数の中性子検出器の出力に基づいて、前記複数のパラメーターのうちの少なくとも１つの補正を行うシミュレーター調整装置とを備えた原子炉制御装置である。

本発明によれば、炉心状態の時間変化を高精度に予測することが可能な原子炉制御装置および原子炉制御方法を提供することができる。

第１実施形態に係る原子炉制御装置の全体構成図である。 制御棒駆動制御装置に保持された操作量テーブルの一例を示す図である。 操作指令装置に接続された入出力装置のタッチ操作画面の一例を示す図である。 シミュレーター調整装置の一例を表す構成図である。 パラメーター入力装置の入力画面の一例を示す図である。 予測値表示装置の表示例を示す図である。 操作指令装置の動作を示すフローチャートである。 原子炉シミュレーターの動作を表すフローチャートである。 シミュレーター調整装置の動作を表すフローチャートである。 炉心反応度または中性子断面積を調整対象とした場合のパラメーターの調整を説明する図である。 中性子源の強度を調整対象とした場合のパラメーターの調整を説明する図である。 中性子検出器の感度を調整対象とした場合のパラメーターの調整を説明する図である。 第２実施形態に係る原子炉制御装置の全体構成図である。

以下、本発明の原子炉制御装置および原子炉制御方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態に係る原子炉制御装置１０の全体構成図である。この図に示す原子炉制御装置１０は、原子炉２０の運転を制御するためのものである。ここではまず、原子炉制御装置１０の構成の説明に先立ち、一例として沸騰水型の原子炉２０を図示して構成を説明する。

－原子炉２０－
原子炉２０は、原子炉圧力容器２１を備え、原子炉圧力容器２１の内部に炉心２２を保持している。炉心２２は、ここでの図示を省略した棒状の燃料集合体を収容する。また炉心２２内には、複数本の中性子源固定具２３（図１では１本のみ図示）が取り付けられており、それぞれの中性子源固定具２３の所定高さに中性子源２４が固定され、中性子源２４によって原子炉起動時の中性子の増加を促進している。

また炉心２２には、出力を制御するための複数の制御棒２５（図１では１本のみ図示）が設けられている。制御棒２５は、駆動装置２５ａにより、炉心２２内に収容された燃料集合体間への挿入および引き抜きが自在である。

さらに炉心２２には、複数の炉内計装管２６（図１では２つのみ示す）に内包されて、中性子検出器２７が設置されている。中性子検出器２７は、例えば核分裂電離箱などである。各中性子検出器２７は、コネクタ２８およびケーブル２８ａを介して、次に説明する原子炉制御装置１０の中性子束監視装置１に接続されている。

このような構成の原子炉２０は、起動時において炉心２２内に挿入されている制御棒２５を順次徐々に引き抜くことにより、未臨界の炉心２２を臨界状態にする必要があり、そのための原子炉制御装置１０を備えている。

―原子炉制御装置１０－
原子炉制御装置１０は、中性子束監視装置１、操作指令装置２、制御棒駆動制御装置３、入出力装置４、シミュレーター調整装置５、原子炉シミュレーター６、パラメーター入力装置７、および予測値表示装置８を備えている。これらは次のような構成のものである。

＜中性子束監視装置１＞
中性子束監視装置１は、コネクタ２８およびケーブル２８ａを介して原子炉２０の中性子検出器２７に接続され、さらに操作指令装置２、シミュレーター調整装置５、および原子炉制御装置１０とは別の原子炉保護系３０に接続されている。この中性子束監視装置１は、中性子検出器２７の出力に基づいて、中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］を算出し、算出した値を操作指令装置２、シミュレーター調整装置５、および原子炉保護系３０に出力する。なお、原子炉保護系３０は、炉心２２内が、万一、局所的に臨界に近づく等により中性子束値［φ０］が急激に上昇したときにペリオド値［τ］に基づいてスクラムや制御棒阻止を動作させるための設備である。

中性子検出器２７からの検出信号（出力）は、パルス電流であり、中性子束監視装置１はパルスの計数率、または計数率を相対出力に換算した値を中性子束値［φ０］として算出する。また、中性子束監視装置１は、中性子束値［φ０］から、下記式（１）にしたがってペリオド値［τ］を算出する。

＜操作指令装置２＞
操作指令装置２は、中性子束監視装置１、制御棒駆動制御装置３、および入出力装置４に接続されている。この操作指令装置２は、中性子束監視装置１から取得した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］と、入出力装置４からの入力情報とに基づいて制御棒２５の操作方法を選択する。また選択した操作方法と操作開始指令とを、制御棒駆動制御装置３に対して出力する。このような操作指令装置２は、計算機によって構成されている。計算機は、いわゆるコンピューターとして用いられるハードウェアであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）やＨＤＤ（hard disk drive）のような不揮発性の記憶部、さらにはネットワークインターフェースを備えていてもよい。なお、計算機の構成は、以降において同様である。

操作指令装置２によって指示される制御棒の操作方法としては、例えば、複数の操作モードから適宜の操作モードを選択して指示する方法が例示される（特開平８－３１３６６９号公報参照）。一例としてこれらの操作モードは、（ａ）高速駆動モード、（ｂ）ブロック駆動モード、および（ｃ）ステップ駆動モードである。（ａ）高速駆動モードは、あらかじめペリオド値［τ］が短くなると予想される位置では制御棒２５を一時停止させ、それ以外では比較的早い速度で制御棒２５を引き抜く操作モードである。（ｃ）ステップ駆動モードは、制御棒２５の物理的な最小操作単位である１ステップだけ駆動する操作モードである。また（ｂ）ブロック駆動モードは、両者の中間的な操作モードであり、投入反応度がほぼ等しくなるように設定したブロック量だけ制御棒２５を引き抜く操作モードである。このような操作指令装置２の動作は、以降の原子炉の制御方法において詳細に説明する。

＜制御棒駆動制御装置３＞
制御棒駆動制御装置３は、操作指令装置２と、原子炉２０における制御棒２５の駆動装置２５ａとに接続されている。この制御棒駆動制御装置３は、操作指令装置２から入力される操作方法と操作開始指令および引抜停止指令に基づいて、制御棒２５の駆動を制御する。特に、本実施形態において、制御棒駆動制御装置３は、制御棒２５の操作量テーブルを保持しており、操作指令装置２から入力された制御棒２５の操作方法の指令に基づいて、保持した操作量テーブルの中から適宜、制御棒２５の操作量を選択する。そして、制御棒２５の駆動装置２５ａの駆動を制御し、操作量に対応する停止位置にまで制御棒２５の引き抜きを実施させる。

図２は、制御棒駆動制御装置に保持された操作量テーブルの一例を示す図である。この図に示すように、制御棒駆動制御装置３が保持する操作量テーブルは、（ａ）高速駆動モード、（ｂ）ブロック駆動モード、および（ｃ）ステップ駆動モードの各駆動モードにおいて、制御棒２５のグループごとの引き抜き位置を段階的に示している。制御棒駆動制御装置３は、操作指令装置２から操作モードが指示されると、指示された操作モードの操作量テーブルを参照して、制御棒２５の操作量を選択する。

＜入出力装置４＞
図１に戻り、入出力装置４は、操作指令装置２に接続されている。この入出力装置４は、操作指令装置２に対する入力手段と、操作内容および操作状況を示す表示手段とを備えており、例えばタッチ操作可能な表示装置であることとする。

図３は、操作指令装置に接続された入出力装置４のタッチ操作画面の一例を示す図であり、操作指令入出力画面４ａを示す図である。この図に示すように、操作指令入出力画面４ａには、自動手動選択ボタン４０１、自動制御開始終了ボタン４０２、手動操作方法選択ボタン４０３、および手動操作開始ボタン４０４の各タッチ入力ボタンが表示される。また操作指令入出力画面４ａには、各ボタンの選択ステータスが表示されるとともに、特に自動制御中においては、現在の制御棒の操作状況が表示される。このような入出力装置４の操作の手順は、以降の原子炉の制御方法において詳細に説明する。

＜シミュレーター調整装置５＞
図１に戻り、シミュレーター調整装置５は、計算機を用いて構成され、中性子束監視装置１と原子炉シミュレーター６とに接続されている。このシミュレーター調整装置５は、中性子束監視装置１から取得した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］と、次に説明する原子炉シミュレーター６の予測演算の結果とに基づいて、原子炉シミュレーター６においてのシミュレーションに用いるパラメーターを補正（調整）する。またシミュレーター調整装置５は、補正（調整）したパラメーターを原子炉シミュレーター６にフィードバックする。

図４は、シミュレーター調整装置５の一例を表す構成図である。この図に示すように、シミュレーター調整装置５は、演算制御装置５０１と、中性子束監視装置１に接続されたデータ取込装置５０２と、原子炉シミュレーター６に接続されたデータ取込装置５０３と、運転員用インターフェース５０４と、出力装置５０５とを備えている。

演算制御装置５０１は、データ取込装置５０２，５０３および運転員用インターフェース５０４から入力された情報にもとづいて、パラメーターの調整およびパラメーターの調整に必要な各処理を実施する。中性子束監視装置１に接続されたデータ取込装置５０２は、中性子束監視装置１で算出した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の実時系列データを入力して格納する。原子炉シミュレーター６に接続されたデータ取込装置５０３は、原子炉シミュレーター６で予測した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の実時系列データを入力して格納する。

運転員用インターフェース５０４は、パラメーター選択メニュー５０４ａ、採取開始ボタン５０４ｂ、演算開始ボタン５０４ｃ、および調整実行ボタン５０４ｄを有し、演算制御装置５０１での処理に必要な情報の入力がなされる。出力装置５０５は、演算制御装置５０１での処理によって算出されたパラメーターの調整値を、原子炉シミュレーター６に出力する。このようなシミュレーター調整装置５によるパラメーターの調整は、以降の原子炉の制御方法において詳細に説明する。

＜原子炉シミュレーター６＞
図１に戻り、原子炉シミュレーター６は、計算機によって構成され、シミュレーター調整装置５と、制御棒駆動制御装置３と、パラメーター入力装置７とに接続されている。この原子炉シミュレーター６は、制御棒駆動制御装置３から取得した制御棒２５の駆動情報と、パラメーター入力装置７から入力されたパラメーターの設定情報と、シミュレーター調整装置５において補正（調整）されたパラメーターとに基づいて、中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測値の予測演算を行う。原子炉シミュレーター６が予測演算に用いるパラメーターは、中性子検出器の出力に影響を及ぼす複数のパラメーターである。原子炉シミュレーター６による中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測の手順は、以降の原子炉の制御方法において詳細に説明する。

＜パラメーター入力装置７＞
パラメーター入力装置７は、原子炉シミュレーター６に接続されたもので、原子炉シミュレーター６での中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測に必要なパラメーターの設定情報を入力するための入力部である。

図５は、パラメーター入力装置７のパラメーター入力画面７ａの一例を示す図である。この図に示すように、パラメーター入力画面７ａには、原子炉シミュレーター６でのシミュレーションに必要な各パラメーターの設定画面が表示される。これらの設定画面は、燃料パラメーター設定部７０１、外部中性子源設定部７０２、および中性子検出感度設定部７０３である。燃料パラメーター設定部７０１においては、パラメーターの種類が選択される。

これらの各設定画面においては、それぞれ位置とパラメーター値（強度および感度）とが入力される構成となっている。特に、燃料パラメーター設定部７０１においては、燃料パラメーターの種類を選択し、選択した燃料パラメーターの種類についての位置とパラメーター値とが入力される構成となっている。

このようなパラメーター入力装置７から入力されるパラメーターは、炉心反応度、炉心２２の中性子断面積、制御棒反応度、炉心２２内の中性子源２４の強度および位置、複数の中性子検出器２７の感度および位置である。

また図５の画面例では２種類の入力方法を選択可能な構成となっている。２種類とは、すなわち、個別入力とファイル入力とである。個別入力を選択した場合には、各パラメーターの位置と対応するパラメーターを手動で入力する。またファイル入力を選択した場合には、パラメーター入力装置７に備えられた外部媒体読み取り装置（図示省略）に格納されたファイル名を指定して、ＣＳＶファイル等の指定フォーマットで記載されたファイルからデータを読み取って各パラメーターの位置と対応するパラメーターを自動で入力する方法とである。

＜予測値表示装置８＞
図１に戻り、予測値表示装置８は、原子炉シミュレーター６に接続されたもので、原子炉シミュレーター６で得られた中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測のシミュレーション結果を表示する。

図６は、予測値表示装置の表示例を示す図である。この図に示すように、予測値表示装置８の予測値表示画面８ａには、原子炉シミュレーター６で得られた中性子束値［φ０］の時間変化予測８０１と、ペリオド値［τ］の時間変化予測８０２とが示される。また、予測値表示画面８ａには、制御棒の次操作表示８０３が画面最下段に表示される。各時間変化予測８０１，８０２は、制御棒の次操作表示８０３に示された操作を開始した瞬間を０秒として４５秒後までの中性子束値［φ０］とペリオド値［τ］の逆数である逆ペリオドの時間変化予測が示される。

図６に表示した例では、中性子束値［φ０］は初期値に対して約５０倍から３００倍に上昇し、逆ペリオド（１／Ｓ）は初期値に対して１／１５０程度までに抑制されている。運転員は、中性子束値［φ０］のレベルによって、過去の経験から臨界までのおよその近さを判断するとともに、逆ペリオドが上限設定（図６では約１／５５）に到達しないことを事前に確認することができる。

―原子炉制御方法－
次に、原子炉制御装置１０によって実施される原子炉制御方法を、先の図１～図６および他の必要図に基づいて説明する。

＜操作指令装置２による制御棒の引き抜き操作の指令手順＞
図７は、操作指令装置２の動作を示すフローチャートであって、操作指令装置２による制御棒の引き抜き操作の指令手順を示すフローである。以下、図７のフローチャートに示す順に、図１～図６を参照しつつ操作指令装置２による制御棒の引き抜き操作の指令手順を説明する。

［ステップＳ１］
ステップＳ１において操作指令装置２は、入出力装置４からの入力が、自動であるか手動であるかを判断し、自動である場合にはステップＳ２に進み、手動である場合にはステップＳ１８に進む。

［ステップＳ２］
ステップＳ２において操作指令装置２は、操作方法を高速駆動モードとし、初期の中性子束値［φ_０］を現在の中性子束値［φ０］に初期化する。

［ステップＳ３］
ステップＳ３において操作指令装置２は、入出力装置４における自動開始終了ボタンの「開始」の入力を受け付け、自動制御を開始する。

［ステップＳ４］
ステップＳ４において操作指令装置２は、入出力装置４における自動開始終了ボタンの「終了」の入力があったか否かを判断し、「終了」の入力があった（ＹＥＳ）場合には、制御を終了させる。一方、「終了」の入力がない（ＮＯ）場合には、ステップＳ５に進む。

［ステップＳ５］
ステップＳ５において操作指令装置２は、現在選択されている操作方法の判断を実施する。操作指令装置２は、現在選択されている操作方法が、（ａ）高速駆動モードである場合にはステップＳ６に進み、（ｂ）ブロック駆動モードであればステップＳ１０に進み、（ｃ）ステップ駆動モードでればステップＳ１２に進む。以降に進んだ各ステップにおいては、操作指令装置２は現在の操作方法に基づいて、別な操作方法への移行が必要かを判定する。

［ステップＳ６］
ステップＳ６（現在、（ａ）高速駆動モードの場合）において、操作指令装置２は、［φ］／［φ_０］が、所定値［Ｑ］以上であるか否かを判断し、［φ］／［φ_０］≧［Ｑ］である（ＹＥＳ）場合にはステップＳ７に進む。それ以外（ＮＯ）の場合にはステップＳ９に進む。

［ステップＳ７］
ステップＳ７において操作指令装置２は、制御棒の引抜を不許可として停止し、ステップＳ８に進む。

［ステップＳ８］
ステップＳ８において操作指令装置２は、操作方法を（ｂ）ブロック駆動モードに移行し、ステップＳ１４に進む。

［ステップＳ９］
ステップＳ９において操作指令装置２は、操作方法を（ａ）高速駆動モードのままとし、ステップＳ１４に進む。

［ステップＳ１０］
ステップＳ１０（現在、（ｂ）ブロック駆動モードの場合）において、操作指令装置２は、臨界までの予想引抜ステップ数［Δｍ］が所定数［Ｍ］以下であるか否かを判断し、［Δｍ］≦［Ｍ］である（ＹＥＳ）場合には、臨界が近いと判断してステップＳ１１に進む。それ以外（ＮＯ）の場合にはステップＳ８に進み、操作方法を（ｂ）ブロック駆動モードのままとする。

［ステップＳ１１］
ステップＳ１１において操作指令装置２は、操作方法を（ｃ）ステップ駆動モードに移行し、ステップＳ１４に進む。

［ステップＳ１２］
ステップ１２（現在、（ｃ）ブロック駆動モードの場合）において、操作指令装置２は、制御棒停止後にペリオド値［τ］が２００秒以下の持続時間が、１２０秒以上継続したか否かを判断する。ペリオド値［τ］は、中性子束監視装置１から取得した値である。１２０秒以上である（ＹＥＳ）と判断した場合には、ステップＳ１３に進む。それ以外は（ＮＯ）はステップＳ１１に進み、操作方法を（ｃ）ステップ駆動モードのままとする。

［ステップＳ１３］
ステップＳ１３において操作指令装置２は、臨界状態に達したと判定し、処理を終了させる。

［ステップＳ１４］
ステップＳ１４において操作指令装置２は、中性子束監視装置１から取得したペリオド値［τ］が、５０秒以下であるか否かを判断し、５０秒以下である（ＹＥＳ）と判断した場合にはステップＳ１５に進み、それ以外はステップＳ１６に進む。

［ステップＳ１５］
ステップＳ１５において操作指令装置２は、制御棒の引抜を停止し、ステップＳ４に戻る。

［ステップＳ１６］
ステップＳ１６において操作指令装置２は、制御棒停止後１０秒以上を経過しており、かつペリオド値［τ］が２００秒以上である（ＹＥＳ）である場合には、ステップＳ１７に進み、それ以外はステップＳ４に戻る。

［ステップＳ１７］
ステップＳ１７において操作指令装置２は、制御棒の引き抜きの操作の開始を指示し、その後ステップＳ４に戻る。

［ステップＳ１８］
一方、ステップＳ１８において操作指令装置２は、手動での操作方法と操作開始指令を入出力装置に出力する。これにより、オペレーターは、手動操作方法選択ボタンで操作方法を選択し、手動操作開始ボタンで操作開始指令を出力し、所望の制御を実施する。

以上のようなステップＳ２～ステップＳ１７のような操作指令装置２の動作により、制御棒駆動制御装置３が、制御棒２５の引き抜きを自動的に制御して炉心２２を臨界状態にする。ただし、操作指令装置２は、中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］に基づいて制御棒駆動制御装置３を動作させて炉心２２を臨界状態にすることができれば、上述した動作に限定されることはない。例えば、特開平０１－２６２４９６号公報に記載の方法を適用することもできる。また、操作指令装置２には、前述した臨界までの制御方法のほかに、例えば、特開平１１－８４０７７号公報にしめされた臨界後の昇温昇圧過程の制御方法等を同時に組み込んでもよく、その場合は複数の制御方法から１つの制御方法を選択するボタンを入出力装置４に追加して運転員が選択すればよい。

＜原子炉シミュレーター６によるシミュレーション方法＞
図８は、原子炉シミュレーター６の動作を表すフローチャートであって、原子炉シミュレーター６による中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測値の予測演算の手順を示す図である。以下、図８のフローチャートにしたがって、図１～図６を参照しつつ原子炉シミュレーター６による中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測の手順を説明する。

［ステップＳ１０１］
ステップＳ１０１において原子炉シミュレーター６は、パラメーター入力装置７から入力された、各パラメーターの設定を取得する。ここで取得する各パラメーターは、原子炉の３次元中性子動特性計算を実施するために必要なパラメーターの全てであり、その詳細については以降に説明する。

［ステップＳ１０２］
ステップＳ１０２において原子炉シミュレーター６は、シミュレーター調整装置５から、調整（補正）したパラメーターを取得する。また原子炉シミュレーター６は、パラメーター入力装置７から取得したパラメーターを、シミュレーター調整装置５から取得した調整済みのパラメーター値に更新する。なお、シミュレーター調整装置５で調整していないパラメーターの更新は実施しなくてよい。

［ステップＳ１０３］
ステップＳ１０３において原子炉シミュレーター６は、制御棒駆動制御装置３から制御棒の操作情報、すなわち次に操作する制御棒の現在の位置と操作後に停止する位置、および操作方法を取得する。ここで操作方法は、例えば（ａ）高速駆動モード、（ｂ）ブロック駆動モード、または（ｃ）ステップ駆動モードである。

［ステップ１０４］
ステップＳ１０４において原子炉シミュレーター６は、以上のステップＳ１０１～ステップＳ１０３で取得した情報に基づいて、３次元中性子動特性計算を実施する。３次元中性子動特性計算は、例えば、次式（２），（３）で示される拡散近似方程式により炉心２２内の各中性子検出器２７の位置においての中性子束分布［φ］の時間変化を算出し、これにより炉心２２内における中性子束分布［φ］の時間変化を算出することができる。

なお、式（２），（３）中の中性子束分布［φ］および遅発中性子先行核の個数密度［Ｃ］以外は、以降に説明するように、事前にパラメーター入力装置７から入力されたパラメーター値であり、そのうちの少なくとも１つがステップＳ１０２で更新されたパラメーターとなる。

上記式（２），（３）は、中性子束分布［φ］を同一とした単速近似と、遅発中性子先行核の崩壊定数［λ］を同一とした近似を用いているが、中性子束分布［φ］を多群にする、あるいは遅発中性子先行核の崩壊定数［λ］を多群にしてもよい。これにより、精密な基礎式とすることもできる。

また３次元中性子動特性計算の他の方法として、上記式（２），（３）における中性子束分布［φ］を、炉心平均の振幅関数［Ｎ］と、３次元相対分布を表す形状関数［Ψ］に分離し、形状関数［Ψ］が振幅関数に比べてゆっくり変化する近似を用いて次式（４），（５）で算出する方法もある。

このときの形状関数［Ψ］については、定常状態の中性子拡散方程式と同様の形式で解くことができる。そのため、初期に形状関数［Ψ］を求めておき、その値を制御棒操作中に変化しないと近似して用いるか、振幅関数よりも大きなタイムステップで計算して求める。そして、このようにして求めた振幅関数［Ｎ］および形状関数［Ψ］から、３次元の中性子束分布［φ］は、次式（６）以下のように求めることができる。

以上の式（２），（３）または式（４）～（６）により求めた３次元の中性子束分布［φ］は、マクロ生成断面積［Σｒ］やマクロ除去断面積［νΣｆ］を通じて、３次元的な燃料設計や制御棒２５の位置の影響が考慮されている。また、外部中性子源［Ｓ］の項により、中性子源２４の３次元的な位置が考慮されている。

さらに、３次元中性子束分布［φ］に、中性子検出器２７の感度［Ｆｉ］（ｉは中性子検出器２７の番号）を乗じることで、複数の中性子検出器２７の各位置で検出した中性子束値［φ０］を求め、上記式（１）によりペリオド値［τ］を算出する。これにより各中性子検出器２７の感度［Ｆｉ］が考慮される。

以上のように算出した３次元の中性子束分布［φ］に基づいて、各中性子検出器２７の出力に基づく中性子束値［φ０］およびペリオド［τ］の時間変化を求めることにより、燃料設計や制御棒２５の位置、中性子源２４の位置および強度を３次元的な位置関係を考慮した精度のよい時間変化予測が可能となる。

そして、以上のような３次元中性子動特性計算を実施するためのパラメーターが、図５に示したパラメーター入力装置７のパラメーター入力画面７ａから事前に入力される。例えば、図５の燃料パラメーター設定部７０１で設定される燃料パラメーターは、上記式（２），（３）を用いて３次元中性子動特性計算する場合であれば、代表中性子速度［Ｖ］、拡散係数［Ｄ］、マクロ除去断面積［Σｒ］、マクロ生成断面積［νΣｆ］、遅発中性子先行核の遅発中性子割合［β］、遅発中性子先行核の崩壊定数［λ］、初期状態における実効増倍率［κ_０］などを含む。また燃料パラメーターは、上記式（４）～（６）を用いて３次元中性子動特性計算する場合であれば、炉心反応度［ρ］および即発中性子寿命［Λ］が追加される。

また、図５の外部中性子源設定部７０２で設定されるパラメーターは、式（２）で用いられる外部中性子源［Ｓ］を含む。

［ステップＳ１０５］
ステップＳ１０５において原子炉シミュレーター６は、ステップＳ１０４で得られた３次元の中性子束分布［φ］と、中性子検出器２７の感度とに基づいて、中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測値を求める。ここで用いる中性子検出器２７の感度は、ステップＳ１０２においてシミュレーター調整装置５から取得したパラメーターであるか、またはステップＳ１０２において更新されたパラメーターの場合もある。

［ステップＳ１０６］
ステップＳ１０６において原子炉シミュレーター６は、ステップＳ１０５で求めた中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測値を、予測値表示装置８に出力する。これにより、予測値表示装置８は、先の図６に示したように、ステップＳ１０５で求めた時間変化予測値を表示する。

なお、原子炉シミュレーター６は、以上で説明した手順の他に、シミュレーター調整装置５からの指示による予測演算処理を実施する。この手順については、次に説明する。

＜シミュレーター調整装置５によるパラメーターの調整方法＞
図９は、シミュレーター調整装置５の動作を表すフローチャートであって、シミュレーター調整装置５によるパラメーターの調整方法の手順を示す図である。ここで調整されるパラメーターは、図８を用いてせつめいした原子炉シミュレーター６による中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測の手順で用いるパラメーターであることとする。以下、図９のフローチャートにしたがって、図１～図６を参照しつつシミュレーター調整装置５によるパラメーターの調整方法を説明する。

［ステップＳ２０１］
ステップＳ２０１において、演算制御装置５０１は、運転員用インターフェース５０４のパラメーター選択メニュー５０４ａにおいて選択入力された調整対象となるパラメーター、すなわち補正を実施するパラメーターを取得する。

［ステップＳ２０２］
ステップＳ２０２において、演算制御装置５０１は、運転員用インターフェース５０４の採取開始ボタン５０４ｂが操作されたことにより、データ取込装置５０２に対してデータの取り込みを指示する。これによりデータ取込装置５０２は、中性子束監視装置１から中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の取得と、取得したデータの格納を開始する。

［ステップＳ２０３］
またステップＳ２０３において、演算制御装置５０１は、運転員用インターフェース５０４の採取開始ボタン５０４ｂが操作されたことにより、データ取込装置５０３に対してデータの取り込みを指示する。これによりデータ取込装置５０３は、原子炉シミュレーター６においての予測結果である中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の取得と、取得したデータの格納を開始する。

この場合、原子炉シミュレーター６は、シミュレーター調整装置５からの指示により、図８で示した手順とは別に、現在のパラメーター値による予測演算を実施する。この予測演算では、補正前（調整前）の現在のパラメーター値と、制御棒の操作情報とに基づき、図８のステップＳ１０４およびステップＳ１０５で説明した手順と同様の予測演算を実施する。この際、調整対象として選択されたパラメーターによっては、予め決めた割合（例えば±１０％）だけパラメーター値を増減させた予測演算も実施する。このように、パラメーター値を増減させた予測演算を実施するパラメーターは、例えば中性子検出器２７の感度以外のパラメーターであることとする。

［ステップＳ２０４］
ステップＳ２０４において、演算制御装置５０１は、運転員用インターフェース５０４の演算開始ボタン５０４ｃが操作されるまで待機し、操作された（ＹＥＳ）と判断した場合に、次のステップＳ２０５に進む。

［ステップＳ２０５］
ステップＳ２０５において、演算制御装置５０１は、データ取込装置５０２に対して、中性子束監視装置１からのデータの採取および格納を終了させる。

［ステップＳ２０６］
ステップＳ２０６において、演算制御装置５０１は、原子炉シミュレーター６での全ての予測演算の結果がデータ取込装置５０３に格納されたと判断されるまで待機し、全ての予測演算の結果がデータ取込装置５０３に格納された（ＹＥＳ）と判断した場合に、次のステップＳ２０７に進む。

［ステップＳ２０７］
ステップＳ２０７において、演算制御装置５０１は、原子炉シミュレーター６から取得した予測演算の結果と、中性子束監視装置１から取得したデータとに基づいて、調整対象として選択されたパラメーターを補正（調整）し、調整後のパラメーター値を決定する。この場合、中性子束監視装置１から取得した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化に最も一致するように、調整後のパラメーター値を決定する。このようなパラメーターの補正の手順は、以降に具体例を例示して説明する。

［ステップＳ２０８］
ステップＳ２０８において、演算制御装置５０１は、運転員用インターフェース５０４の調整実行ボタン５０４ｄが操作されるまで待機し、操作された（ＹＥＳ）と判断した場合に、次のステップＳ２０９に進む。

［ステップＳ２０９］
ステップS２０９において、演算制御装置５０１は、出力装置５０５に対し、原子炉シミュレーター６への調整後のパラメーターの出力を指示する。これにより、出力装置５０５は、ステップＳ２０７で決定した調整後のパラメーター値を原子炉シミュレーター６に出力する。以降における原子炉シミュレーター６による予測演算では、調整後のパラメーター値を用いた予測演算が実施される。つまり、先に図８を用いて説明した原子炉シミュレーター６の動作におけるステップＳ１０２では、以上のようにしてシミュレーター調整装置５の出力装置５０５から出力された調整後のパラメーター値が、原子炉シミュレーター６によって取得され、以降のステップが実行されることになる。

＜調整後のパラメーターの決定手順－１＞
図１０は、炉心反応度または中性子断面積を調整対象とした場合のパラメーターの調整を説明する図であって、上述したステップＳ２０７において実施されるパラメーターの補正の手順（調整後のパラメーター値の決定手順）を説明するための図である。ここでは、調整すべきパラメーターとして、マクロ除去断面積［Σｒ］（ドップラー補正量）を選択した場合の一例を模式的に示したものである。図１０とともに図４を参照すると、この例では制御棒引抜操作の開始時に、シミュレーター調整装置５の採取開始ボタン５０４ｂを押下し、５０秒後に演算開始ボタン５０４ｃを押下して演算開始している。逆ペリオドは、制御棒を引き抜いくと一旦上昇し、その後、燃料棒温度が上昇し、ドップラー反応度と呼ばれる負の反応度により制御棒の引き抜きで印加された反応度が相殺され、逆ペリオドはゼロにむけて減少していく。ドップラー補正項を含むマクロ除去断面積［Σｒ］は、例えば一般的に用いられている方法、すなわち下記式（７）に示すように燃料温度に依存しない項と燃料温度の１／２乗に比例するドップラー補正項の和で与える。

図１０は、ドップラー補正量の係数［β］を、現在値のまま予測演算して得た予測値（ｘｊ，ｙ０ｊ）と、ドップラー補正量の係数［β］を－１０％にして予測演算して得た予測値（ｘｊ，ｙ１ｊ）と、ドップラー補正量の係数［β］を＋１０％にして予測演算して得た予測値（ｘｊ，ｙ２ｊ）とを示している。ここで、［ｘｊ］は、予測計算の対象とした計測時間であり、［ｙ０ｊ］，［ｙ１ｊ］、［ｙ２ｊ］は、予測計算の結果として得られた計測時間［ｘｊ］での逆ペリオドの値である。また、図１０には中性子束監視装置１の実データ（ｘｉ，ｙｉ）も併せて示している。ここで、［ｘｉ］は、中性子束監視装置１が計測した時間であり、［ｙｉ］は計測時間［ｘｉ］での逆ペリオドの計測値である。これらの値を用いて、一例として、以下の手順で最適な調整量を決定することができる。

まず始めに、予測演算した上記の各予測値（ｘｊ，ｙ０ｊ）、（ｘｊ，ｙ１ｊ）、（ｘｊ，ｙ２ｊ）から、実データの計測時間［ｘｊ］での内挿値を求める。例えば、予測値（ｘｊ，ｙ０ｊ）の計測時間［ｘｉ］での内挿値［ｙ０ｊ］は、下記式（８）のようにして求めることができる。

同様に、予測値（ｘｊ，ｙ１ｊ）、（ｘｊ，ｙ２ｊ）に対しても、計測時間［ｘｉ］に対する内挿値［ｙ１ｊ］と［ｙ２ｊ］を求めることができる。

次に、ドップラー補正量の係数［β］に対して補正量［η％］を施したときの予測値（ｘｊ，ｙηｊ）を内挿により求める。例えば、図１０のように実データ［ｙｉ］が、ドップラー補正量の係数［β］を現在値のまま予測した値［ｙｉ］より大きい場合、すなわち［η％］が正と推定される時は、ドップラー補正量の係数［β］を現在値のまま用いた予測値［ｙ０ｉ］と、ドップラー補正量の係数［β］を＋１０％にしたときの予測値［ｙ１ｊ］の内挿により、補正量［η％］のときの予測値［ｙηｊ］を、下記式（９）のようにして求めることができる。

そして、このように求めた予測値［ｙηｊ］と実データ［ｙｉ］との差の２乗和を最小にする、いわゆる最小２乗法を適用することで最適な補正量［η％］を求めることができる。すなわち下記式（１０）により、最適な補正量［η％］を決定する

実データ［ｙｉ］が、ドップラー補正量の係数［β］を現在値のまま予測した予測値［ｙ０ｉ］より小さい場合、すなわち補正量［η％］が負と推定される時は、ドップラー補正量の係数［β］を現在値のまま用いた予測値予測値［ｙ０ｉ］とドップラー補正量の係数［β］をー１０％にしたときの予測値［ｙ２ｊ］の内挿により、上述と同様の方法により最適な負の補正量［η％］を決定することができる。

なお、上述した方法以外に、上記式（４）～（６）の基礎式を用いて、炉心反応度［ρ］の補正量としてドップラー反応度による補正項を調整しても良い。

＜調整後のパラメーターの決定手順－２＞
図１１は、中性子源強度を調整対象とした場合のパラメーターの調整を説明する図であって、上述したステップＳ２０７において実施されるパラメーターの補正の手順（調整後のパラメーター値の決定手順）の他の例を説明するための図である。臨界到達までに必要な反応度が大きい状態では、中性子束値［φ０］は炉心反応度［ρ］に反比例し、外部中性子源の強度に比例する。図１１では、個々の中性子源の強度を変化させるのではなく、より簡易に、全体を同時に＋１０％および－１０％にしたものである。

図１１とともに図４を参照すると、この例では制御棒引抜操作の開始時に、シミュレーター調整装置５の採取開始ボタン５０４ｂを押下し、３００秒後に演算開始ボタン５０４ｃを押下して演算開始している。図１０を用いて説明した例と同様に、３つの予測演算結果を内外挿し、中性子束監視装置１からのデータに最も合う補正値を、最小２乗法を用いて決定することができる。

なお、中性子源の強度を求める方法は、原子炉シミュレーター６の予測演算結果を使わない方法も考えられる。例えば、中性子束監視装置１から出力される中性子束値［φ０］の揺らぎを用いて、ファインマンα法等により直接反応度を求め、この反応度と中性子束監視装置１から出力される中性子束値［φ０］を、上記式（４）～（６）に代入し、外部中性子源の強度を求める方法を用いることができる。

＜調整後のパラメーターの決定手順－３＞
図１２は、中性子検出器２７の感度を調整対象とした場合のパラメーターの調整を説明する図であって、上述したステップＳ２０７において実施されるパラメーターの補正の手順（調整後のパラメーター値の決定手順）のさらに他の例を説明するための図である。図１２とともに図４を参照すると、この例では制御棒操作後で中性子束値が静定した時にシミュレーター調整装置５の採取開始ボタン５０４ｂを押下し、１０秒後に演算開始ボタン５０４ｃを押下して演算開始している。中性子検出器２７の感度は、個々の中性子検出器２７に対して夫々調整する。中性子検出器２７の感度は、感度に比例して中性子検出器２７で検出される中性子束値が増減することが分かっているため、図１０および図１１のケースとは異なり、＋１０％およびー１０％%した予測演算は実施せず、現在値の感度による予測演算を実施し、中性子束監視装置１からのデータに最も合う補正値を最小２乗法を用いて決定できる。

また、図示しないが、同様の方法により制御棒２５が引き抜かれた時の吸収断面積の変化または反応度を中性子束監視装置１の出力で調整することができる。例えば、上述したように、制御棒２５の引き抜き時のペリオド値［τ］は、制御棒２５の引き抜き時の正の炉心反応度［ρ］およびドップラー反応度によって決まるが、ドップラー反応度が合っていることを前提に、制御棒２５の反応度を一定割合（例えば±１０％）で増加または減少させた予測演算と現在値のままとした予測演算結果とから、図１０や図１１と同様の方法により制御棒２５を引き抜いた時の吸収断面積または炉心反応度［ρ］を最適値に調整することができる。

＜第１実施形態の効果＞
以上のように、入出力装置４から入力した燃料、制御棒２５、中性子源２４、および中性子検出器２７の位置関係を考慮して、３次元中性子動特性計算を実施することにより、中性子源２４や中性子検出器２７に隣接する制御棒２５を引き抜くときの大きな中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の変化を取り込むことができる。また、シミュレーター調整装置５により、中性子束監視装置１の出力と一致するよう、３次元中性子動特性計算に用いるパラメーターを調整することで、比較的簡易なモデルで実機相当の精度の高い中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の予測値を得ることができる。

そして、自動制御による制御棒操作後の実機相当の中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の高精度な予測が可能となり、その予測値を予測値表示装置８に表示することで、運転員は容易に自動操作の継続または解除を判断することができる。

ここで、原子炉の起動時においては、スクラムや制御棒動作ブロックの発生を抑制するために、制御棒２５の引き抜きの自動操作を停止するための指標となるペリオド値［τ］を設定している。このため、上述したように実機相当のペリオド値［τ］を高精度に予測することが可能となることで、設定するペリオド値の余裕を減少させることができる。この結果、原子炉の起動時において、効率的な制御棒２５の引き抜き操作が可能となり、臨界状態に達する時間を短縮することが可能となる。

≪第２実施形態≫
図１３は、第２実施形態に係る原子炉制御装置１０’の全体構成図である。この図に示す原子炉制御装置１０’が、第１実施形態の原子炉制御装置１０と異なるところは、操作指令装置２’が操作量算出装置２ａを備えているところにあり、他の構成は第１実施形態の原子炉制御装置１０の構成と同様である。このためここでは第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、第１実施形態とは異なる構成要素のみを説明する。

＜操作指令装置２’＞
操作指令装置２’は、中性子束監視装置１、制御棒駆動制御装置３、および入出力装置４に接続され、さらにここでは原子炉シミュレーター６に接続されている。この操作指令装置２’は、中性子束監視装置１から取得した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］と、入出力装置４からの入力情報とに基づいて制御棒２５の操作方法を選択する。また選択した操作方法と操作開始指令とを、制御棒駆動制御装置３に対して出力する。

また操作指令装置２’は、原子炉シミュレーター６において図８に示す手順で算出した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測値を取得する。

このような操作指令装置２’に設けられた操作量算出装置２ａは、原子炉シミュレーター６から取得した中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測値に基づいて、制御棒２５の操作量を算出する。例えば、制御棒２５の操作方法が、ブロック引き抜きある場合、操作量算出装置２ａは、複数の制御棒２５の操作量に対応して予測演算されたペリオド値［τ］から、ペリオド値［τ］が設定した範囲内となる中で最大の操作量を内外挿により算出する。操作指令装置２’は、操作量算出装置２ａで算出した操作量を、操作方法、操作開始指令とともに制御棒駆動制御装置３に出力する。

＜第２実施形態の効果＞
以上説明した第２実施形態によれば、操作量算出装置２ａによって、実機相当の精度の高い中性子束値［φ０］およびペリオド値［τ］の時間変化予測値に基づいて制御棒２５の引き抜きの操作量が算出される。このため、制御棒２５の引き抜き操作に対して設定していた時間的な裕度を小さくすることができ、プラント起動を効率化することができる。さらに、第１実施形態においては、制御棒駆動制御装置３が操作量テーブルを保持していたが、本第２実施形態ではその必要がなくなるため、制御棒駆動制御装置３に対して操作量テーブルを格納する作業を削減することができる。

なお、本発明は上記した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…中性子束監視装置、２ａ…操作量算出装置、３…制御棒駆動制御装置、５…シミュレーター調整装置、６…原子炉シミュレーター、７…パラメーター入力装置、８…予測値表示装置、１０，１０’…原子炉制御装置、２２…炉心、２５…制御棒、２７…中性子検出器、５０４ａ…パラメーター選択メニュー（パラメーターを選択する選択部）、［φ］…中性子束値、［τ］…ペリオド値

Claims (15)

1. 炉心内に設けられた複数の中性子検出器の出力に基づいて、前記炉心内に挿入された制御棒の引き抜き操作を制御する制御棒駆動制御装置と、
   前記制御棒駆動制御装置による前記制御棒の引き抜き操作の情報と、前記中性子検出器の出力に影響を及ぼす複数のパラメーターとに基づいて前記中性子検出器の出力の時間変化を予測演算する原子炉シミュレーターと、
   前記複数の中性子検出器の出力に基づいて、前記複数のパラメーターのうちの少なくとも１つの補正を行うシミュレーター調整装置とを備えた
   原子炉制御装置。
2. 前記原子炉シミュレーターは、前記シミュレーター調整装置で補正されたパラメーターに基づいて前記予測演算を実施する
   請求項１に記載の原子炉制御装置。
3. 前記原子炉シミュレーターは、前記複数の中性子検出器の感度を、前記複数のパラメーターのうちの１つとして前記予測演算を実施する
   請求項１または２に記載の原子炉制御装置。
4. 前記シミュレーター調整装置は、前記中性子検出器の出力と、前記補正を実施する前のパラメーターに基づく前記原子炉シミュレーターにおいての予測演算の結果とに基づいて、前記パラメーターの補正を実施する
   請求項１～３のうちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
5. 前記シミュレーター調整装置は、前記複数の中性子検出器から得られる時系列出力値に基づいて、前記パラメーターの補正を実施する
   請求項１～４うちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
6. 前記シミュレーター調整装置は、前記複数のパラメーターのうちから補正するパラメーターを選択する選択部を備えた
   請求項１～５うちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
7. 前記複数のパラメーターを前記原子炉シミュレーターに入力するパラメーター入力装置を備えた
   請求項１～６のちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
8. 前記原子炉シミュレーターでの予測演算の結果を表示する予測値表示装置を備えた
   請求項１～７うちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
9. 前記原子炉シミュレーターでの予測演算の結果に基づいて、前記制御棒駆動制御装置による前記制御棒の引き抜き操作量を算出する操作量算出装置を備え、
   前記制御棒駆動制御装置は、前記操作量算出装置で算出された引き抜き操作量に基づいて、前記制御棒の引き抜き操作を制御する
   請求項１～８のうちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
10. 前記制御棒駆動制御装置は、前記制御棒の引き抜き操作量に関する操作量テーブルを保持し、前記操作量テーブルから選択した引き抜き操作量に基づいて、前記制御棒の引き抜き操作を制御する
    請求項１～８のうちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
11. 前記中性子検出器の出力に基づいて中性子束値およびペリオド値を算出する中性子束監視装置を備え、前記中性子検出器の出力として、前記中性子束値およびペリオド値を用いる
    請求項１～１０のうちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
12. 前記複数のパラメーターのうちの１つとして、炉心反応度、炉心の中性子断面積、制御棒反応度、前記炉心内の中性子源の強度、前記炉心内の中性子源の位置、前記複数の中性子検出器の感度、および前記複数の中性子検出器の位置のうちの少なくとも１つを含む
    請求項１～１１のうちの何れか１項に記載の原子炉制御装置。
13. 制御棒駆動制御装置が、炉心内に設けられた複数の中性子検出器の出力に基づいて、前記炉心内に挿入された制御棒の引き抜き操作を制御し、
    原子炉シミュレーターが、前記制御棒駆動制御装置による前記制御棒の引き抜き操作の情報と、前記中性子検出器の出力に影響を及ぼす複数のパラメーターとに基づいて前記中性子検出器の出力の時間変化を予測演算し、
    シミュレーター調整装置が、前記複数の中性子検出器の出力に基づいて、前記複数のパラメーターのうちの少なくとも１つの補正を行う
    原子炉制御方法。
14. 操作量算出装置が、前記原子炉シミュレーターでの予測演算の結果に基づいて、前記制御棒駆動制御装置による前記制御棒の引き抜き操作量を算出する
    請求項１３に記載の原子炉制御方法。
15. 前記制御棒駆動制御装置が、前記操作量算出装置で算出された引き抜き操作量に基づいて、前記制御棒の引き抜き操作を制御する
    請求項１４に記載の原子炉制御方法。

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