JPH01244393A - 制御棒駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は沸騰水型原子炉等の制御棒駆動制御装置に関す
る。

（従来の技術） 一般に沸騰水型原子炉においては、原子炉格納容器に原
子炉圧力容器が収納されており、この原子炉圧力容器内
に多数の核燃料を収容した燃料集合体が装荷されて炉心
部が構成されている。通常原子炉の°出力制御は中性子
吸収材である制御棒と減速材である冷却水の°流量を変
化させることにより行っている。制御棒による出力制御
は、以下に示す最小限界出力比という概念に基づいて行
われている。

一般に沸騰水型原子炉において、通常の運転状態では炉
心内の沸騰は核沸騰の状態にある。沸騰が核沸騰の状態
にある場合には、熱伝達率がよいので、被覆管と冷却材
との温度差は小さく、被覆管温度は充分抑えられて燃料
棒の健全性は保たれる。

ところが原子炉出力が上昇し熱流束が高くなると、核沸
騰から遷移沸騰の状態へと移って被覆管温度が上昇し始
め、熱流束がさらに高くなると膜沸騰へと移行し、被覆
管の破損に到る可能性が出てくる。この核沸騰から遷移
沸騰へ移行する状態が沸騰遷移である。

原子炉の熱的余裕が表わす指標として、最小限界出力比
（以下ＭＣＰＲと称す）が用いられる。これは、沸拍遷
移が起こり始めると予想される燃料集合体出力と、実際
の出力との比である。すなわち、最小限界出力比（ＭＣ
ＰＲ）　＝ である。

そこで原子炉を安全に運転するためにＭＣＰＨに運転制
限値を設け、たえず一定の余裕をもって運転するように
している。このＭＣＰＨの運転制限値（以下ＯＬＭＣＰ
Ｒと称す）は、第７図に示すようにＭＣＰＲの安全限界
値（以下ＳＬＭＣＰＲと称す）に運転中予想される種々
の過渡変化でΔＭＣＰＲ（ＭＣＰＲの低化量）が最大と
なるものを加え求めている。

ところで従来のプラントではサイクル初期は末期では末
期の方がΔＭＣＰＲが大きくなる傾向にある。

それは、サイクル末期では炉心の反応度を上げるため制
御棒を引き抜いて運転しているため過渡事象が起った場
合、スクラム信号が入っても制御棒の挿入遅れがあるた
めである。

このΔＭＣＰＲは大きくなる程運転制限が大きくなるた
め運転領域は狭くなる。そこで考えられたのが高速スク
ラムであり、この高速スクラムの採用より挿入時間が短
くなるためΔＭＣＰＲは小さくなり運転領域を広げるこ
とが可能となる。ところで従来の高速スクラム採用のプ
ラントでは、種々の過渡変化の中で、給水加熱喪失のと
きがΔＭＣＰＲ最大となっている。この事象は給水温度
の制御系に異常が発生し給水温度が減少することによっ
て起り、炉心入口部の冷却材の温度が低下し炉心中の気
泡の体積割合が下がるため冷却材密度が上昇し、中性子
束密度、すなわち原子炉出力が異常に高くなり最終的に
中性子束高によりスクラムに至る。

（第１２図参照） 従って従来の高速スクラム採用のプラントではＯＬＭＣ
ＰＲ＝　ＳＬＭＣＰＲ＋　（給水加熱喪失時ΔＭＣＰＲ
）となり、運転中ＯＬＭＣＰＲを越えぬよう出力−原子
炉再循環流量特性にロンド・ブロック・ライン（ＲＢＬ
）を設け、このライン以上の出力が出ないよう制御棒引
抜きを阻止する方法を採っている。

一方炉心流量による制御は、炉心流量が出力に対してほ
ぼ比例して変化する特性を利用して行っている（第８図
Ｃの流量制御曲線）。

この流量制御曲線Ｃは、安定性への制約及び出力を流量
で制御する場合の下限となる最低ポンプスピード曲線Ｅ
により運転中宮に炉心が安定に保たれるように設定され
る。

ところで、沸騰水型原子炉の安定性には１局所的なチャ
ンネル安定性と全体的な炉心安定性とがある。チャンネ
ル安定性は、燃料チャンネルボックス内に流れるチャン
ネル流量の振動により減速材への熱の移動が妨げられ、
局所的に炉出力が振動する燃料チャンネルボックス内の
熱水力学的安定性を意味し、チャンネル入口流量、チャ
ンネル内圧力損失との間の輸送遅れおよび帰還効果によ
り定まるチャンネルボックス内の気液二相流の安定性で
ある。これに対し、炉心安定性は、炉心平均の中性子束
安定性を意味し、炉心全体の中性子束と炉心内のボイド
量との間の輸送遅れおよび原子炉全体の反応度帰還効果
により定まる炉心全体的安定性である。

炉心安定性及びチャンネル安定性を示す指標として第９
図に示す安定性減幅比Ｘ、／Ｘ、が用いられる。安定性
減幅比はステップ状外乱に対する応答量関係を示すもの
で、オーバーシュート量の比で表わされる。安定性減幅
比が１．０より大きければ応答は発散振動となり不安定
になる。最低ポンプスピードは出力を流量で制御する場
合の下限であり、この点では安定性は最も厳しいものと
なる。

従って、この最低ポンプスピードは、第８図に示すとお
り最低ポンプスピードの最大出力時Ｈに安定性が一定余
裕Ｙをもつように設定されている。

ところで現在燃料サイクルコスト低減化のため省ウラン
化が考えられておりそのため次に示すようなスペクトル
シフト法の考え方が強まっている。

スペクトルシフト法とは中性子スペクトルをサイクル中
変化（シフト）させることにより反応度利得を得ようと
いうものである。

スペクトルシフト法による反応度利得は、原理的には、 ■　サイクル初期から末期にかけて冷却材（減速材）の
減速効果を弱め、中性子エネルギーを高エネルギー側に
シフトさせることにより、中性子を核燃料親物質（Ｕ−
２３８）に多く吸収させてプルトニウムの蓄積促進を図
る。

■　サイクル末期に於ては冷却材の減速効果を高め、中
性子エネルギーを低エネルギー側にシフトさせることに
より、熱中性子による核分裂をより促進させ、炉心反応
度を高める。

ことにより達成される。

ＢＷＲ炉心では冷却材のボイド率を変えることにより減
速効果（減速材密度）を変化させることが、できるので
、上記■の減速効果を弱めることは、炉心流量減少、又
は軸方向出力分布を下方ピークとしてボイド率を高め中
性子スペクトルを硬くすることにより、また■の減速効
果を高めることは、炉心流量増加、又は軸方向出力分布
を上方ピークとして炉心のボイド率を減らし、中性子ス
ペクトルを軟くすることによって実現することができる
。

これらを実施するための具体的態様は、■　流量スペク
トルシフト運転 ■　軸方向出力分布制御法 である。これらの運転は以下に示す方法により行なわれ
る。

■　流量スペクトルシフト運転 ＢＷＲ炉心では、通常適度に挿入した制御棒により余剰
反応度を制御し炉心流量は定格として運転を行っている
が、炉心流量を定格より減らして制御棒挿入量を減らし
た状態で運転することも可能である。従って、サイクル
初期から末期にかけて低炉心流量で運転を行い、中性子
スペクトルを硬化させてプルトニウムの蓄積を促進させ
、サイクル末期で制御棒挿入量がゼロとなった時点で炉
心流量を増加させることによって炉心反応度を高ぬるこ
とができる。（第１０図参照） ■　軸方向出力分布制御方法 サイクル初期から末期にかけて熱的制限値を満足させる
範囲で炉心軸方向出力分布を下方ピークとすることによ
って炉心平均ボイド率を高めてプルトニウムの蓄積を促
進させる。サイクル末期では軸方向出力分布を上方ピー
クとし炉心平均ボイド率を下げ中性子スペクトルを軟化
して核分裂反応を促進させる。したがってプルトニウム
の容積効果と相まって炉心反応度を高めることができる
。

このような軸方向出力分布の変化は燃料集合体軸方向濃
縮度・ガドリニア分布設計によって達成さｌ れる。（第称図参照） 従ってスペクトルシフト運転を行う場合には第１０図に
示すようにサイクル初期〜中期にかけては低流量・高出
力の運転となる。

（発明が解決しようとする課題） スペクトルシフト運転は低流量／高出力状態に運転状態
を持っていく際、不安定領域（低出力／低流量）をさけ
るため−度通常運転方法で定格点までもっていき、除々
に流量を減らしながら制御棒を引き抜き定格出力まで上
げる方法を採用している。しかし現状では制御棒引抜き
はＲＢＬにかかるため定められた範囲でしか運転領域を
広げることが出来ない。

ところが先に述べた高速スクラム採用のプラントにおい
てＯＬＭＣＰＲを決定する給水加熱喪失の過渡事象は、
第１２図に示すように比較的緩やかな事象であることと
、高速スクラムが採用されていること等から安全側にま
だ余裕が見られる。従ってＲＢＬを広げることが可能と
考えられる。ところがＲＢＬを広げスペクトルシフト運
転を行っている際に、例えばタービン駆動の給水ポンプ
（ＴＤＲＦＰ）が故障し、さらに、これをバッファアッ
プするはずであるモータ駆動の給水ポンプ（ＭＤＲＦＰ
）が２台とも起動に失敗した場合には、出力が高い値を
とるのに対し給水が減るため、炉心内の冷却水が減少し
、炉心が露出する恐れがある。そのため再循環ポンプを
トリップすることによって出力を低下させる。この場合
には第１３図に示すＸ点は再循環ポンプトリップにより
、琴点に至り、不安定領域に入ることが考えられる。

本発明はこの様な点を考慮してなされたものであり、ス
ペクトルシフト運転を行う際にはＲＢＬをあらかじめ広
げておき、安定性への制約を守った上で運転領域を広げ
ることが可能な制御棒駆動装置を提供することを目的と
する。

〔発明の構成〕

（ｉｌｌ１題を解決するための手段） 本発明による制御棒駆動制御装置は、炉心状態を検出す
る中性子計装系からの信号より炉心の出力分布を観測し
、現在の出力よりポンプ速度を落したときの出力分布を
予測し、炉心圧損等各種実験結果に基づく相関式等から
成る安定性ライン計算プログラム、及び炉心の運用方法
等から決定される再循環流量制御曲線計算プログラムよ
り、安定性上重要となる最低ポンプスピード最大出力時
及び自動流量制御下限において十分安定性の保たれる再
循環流量制御曲線を求め、各流量曲線と１００％出力と
の交点を求め、流量の大きい方をスペクトルシフト運転
の下限流量と設定することにより、その流量以下におけ
るスペクトル運転を阻止するよう制御棒引抜き阻止信号
を出すことを特徴とする。

（作　　用） 本発明に係る制御棒駆動制御装置は、以上示す通りスペ
クトルシフト運転の下限を安定性の制約を守った上で決
定している。このため運転中に例えば１台のＴＤＲＦＰ
かトリップし、２台のＭＤＲＦＰの起動を失敗し、最低
ポンプスピードまでランバックしても、また夜間・負荷
要求が小さくなり流量を減少し出力を落す場合において
も十分に安定性を保つことが出来る。従って本発明によ
りスペクトルシフト運転中室に炉心を安定に保てるよう
な運転領域の拡大が可能となる。

（実　施　例） 本発明における制約枠駆動制御装置の実施例について、
第１図から第６図を用いて説明する。

第１図に示すように、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器
１０内には多数の燃料集合体が装荷された炉心部１１が
形成される。炉心部１１は冷却材（減速材）により浸漬
される一方この炉心部１１に原子炉の炉出力を計装する
中性子計装系１２を構成する炉内中性子検出器１３が複
数個配設される。炉内中性し １４Ｂとを有し、　これらのモニタ系に中性子束信号が
入力される。これらのモニタ系１４Ａ、　１４Ｂがらの
ＬＰＲＭ信号およびＡＰＲＭ信号は出力分布測定器１５
に入力され、ここで炉心の出力分布状態が測定される。

この出力分布測定器からの信号１５ｓはブロック１に入
り、ここで第２図のシーケンスに従ってスペクトルシフ
ト運転を行う際の下限流量が決定されその再循環流量制
御曲線が出力される。尚、ブロック１における安定性計
算プログラム及び再循環流量制御曲線計算プログラムは
、本来設計において両曲線を求めるために用いている各
プログラムをオンライン化したものであり、運転状態（
運転期間、出力分布等）を入力することによってより現
実的な曲線を求めることが出来る。以下にブロック１に
おいて行われる計算方法について第３図〜第６図を用い
て説明する。

今、運転状態が第３図のａにあると仮定する。

ａでの出力分布が出力分布測定器１５によって測定され
、この信号１５ｓがブロック１に入り、ここで第３図に
示す最低ポンプスピードｂおよび自動流量制限下限Ｃ（
６５％出力）における出力分布が予測され決められる。

これらの各出力分布はそれぞれ安定性ライン計算プログ
ラムに入力され、安定性上の制約より、通常の流量制御
において最も安定性の悪くなる最低ポンプスピード最大
出力に対し減幅比設定値ｍを、また負荷追従運転を自動
で行う場合最も厳しい自動流量制御下限Ｃに対し減幅比
設定値ｎを仮定し、各点の近傍における等減幅比曲線ｄ
、ｅを求める。（第４図、第５図参照）そしてさらに最
低ポンプスピード曲線と求められたｍの等−幅比曲線と
の交点ｂｂ、また自動流量制御下限の出力（この場合６
５％出力）とｎの等減幅比との交点ｃｃを求めることに
よって新たな最低ポンプスピード最大出力点と自動流量
制限下限点を設定し、これらの点を再循環流量制御曲線
計算プログラムに入力することによって、ｂｂ、　ｃｃ
を通る再循環流量制御曲線ｆ９ｇを求める。そしてさら
に、これらの曲線ｆ＋ｇが１００％出力と交差する点α
。

βを求め、各再循環流量制御曲線に対するスペクトルシ
フト運転下限流量を決定する。最終的にスペクトルシフ
ト運転中は常に炉心を安定に保つようにするためα、β
を比較し、炉心流量の大きい方を最終的にスペクトルシ
フト運転の下限と設定する。

ブロック１によって設定された下限流量（ここではαを
する）はブロック２に入力され、ここでこの流量以下で
のスペクトルシフト運転を阻止するようにこの下限流量
を通る再循環流量制御曲線上に、ＲＢＬを設定しく第６
図参照）このライン以上の出力が出ないよう制御棒引き
抜き阻止信号を出すものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように１本発明による制御棒駆動制御装置は
、スペクトルシフト運転を行う際にその下限流量を実際
の出力状態から安定性上重要と考えられる最低ポンプス
ピード及び自動流量制御下限において安定性の制約を守
るよう設定しているため、スペクトルシフト運転中最低
ポンプスピードまで再循環流量をランバックしなければ
ならないような過渡事象が起きた場合、また夜間運転中
など負荷の要求が減少し流量を自動モードで落す場合に
も、炉心を安定に保つことができる。従って本発明によ
りスペクトルシフト運転を行う際、運転中炉心状態を安
定に保つような運転領域の拡大が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御棒駆動制御装置の概略ブロック図
、第２図は本発明の要部を示すブロヅク図、第３図は本
発明に関する特性図、第４図は本発明に関する特性図、
第５図は本発明に関する特性図、第６図の本発明に関す
る特性図、第７図は従来のＭＣＰＲの特性図、第８図は
従来の特性図、第９図は安定性を示す特性図、第１θ図
は従来の特性図、第１１図の従来の炉心軸方向出力分布
特性図、第１２図は従来の過渡変化を示す特性図、第１
３図は従来の特性図である。 １０・・・原子炉圧力容器　　１１・・・炉心部１３・
・・炉内中性子検出器 １４Ａ・・・局所出力領域モニタ系 １４Ｂ・・・平均出力領域モニタ系 １５・・・出力分布測定器　　１６・・・制御棒駆動機
構代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 第１３図 第２図 第３図 ラフ５ノじ　５Ｌ　づ；ト（うノシ） 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 Ｂ１間（ネ少） 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 原子炉の炉心状態を検出する中性子計装系と、この中性
   子計装系からの中性子検出信号より炉心の出力分布を測
   定する出力分布測定器と、この出力分布測定器からの出
   力分布信号より最低ポンプスピード最大出力点及び自動
   流量制御下限点における出力分布を予測する出力分布予
   測器と、この出力分布予測器からの信号より、最低ポン
   プスピード最大出力時及び自動流量制御下限近傍におけ
   る等減幅比曲線を求める安定性計算手段と、等減幅比曲
   線から最低ポンプスピード最大出力点及び自動流量制御
   下限点でそれぞれ安定性が満足できるような再循環流量
   制御曲線を求める再循環流量制限曲線計算手段と、高出
   力／低流量運転のスペクトルシフト運転を行う場合の下
   限流量を求め、それ以下におけるスペクトルシフト運転
   の阻止を行うため制御棒引き抜き阻止信号を出す手段と
   を具備する制御棒駆動制御装置。