JPH028796A - 炉心反応度を測定し、妥当性を検査する方法 - Google Patents

炉心反応度を測定し、妥当性を検査する方法

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JPH028796A
JPH028796A JP1008777A JP877789A JPH028796A JP H028796 A JPH028796 A JP H028796A JP 1008777 A JP1008777 A JP 1008777A JP 877789 A JP877789 A JP 877789A JP H028796 A JPH028796 A JP H028796A
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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】 11へ11 ■朋lすL」 本発明は、制御棒価値を決定するのに要する期間を最小
にすることを可能にする方法及び反応度計算装置に関し
、特に、原子炉炉心内の制御棒を移動することが可能で
あることをオペレータに指示する前に、制御棒価値を決
定することができるようにするシステムに関するもので
ある。
m生脱団− 原子力発電プラントの新しい運転サイクルの開始時に、
設置された炉心の核特性が、既に確立されている成る種
の許容基準を満たしていることを検証するために測定を
行うことは、ずっと以前から実施されている要件である
。検査すべき特性の中には、制御棒バンク価値(バンク
内の制御棒の中性子吸収値) 減速材温度係数等のよう
な成る種の微分及び積分反応度価値がある。
炉内中性子束レベルの時間依存変化を瞬時的な炉心反応
度に関係付けるために、アナログ又はディジタル式の反
応度コンピュータもしくは計算装置を使用することが既
に古くから一般的慣行として行われている。この関係を
創成するのに用いられている周知のアルゴリズムは、°
゛ポイント運動°゛方程式と称されている。実際上は、
1つ又は2つ以上の中性子検出器から発生されて炉心内
の中性子束レベルに比例すると考えられる連続した電気
信号が、上記ポイント運動方程式を解くようにプログラ
ムされているアナログ又はディジタル・コンピュータに
入力されて、該コンピュータにより、炉心反応度を表す
出力、通常はアナログ出力が発生され、ストリップ・チ
ャート型記録装置のような記録装置に供給される。
数年に亙って発生され記録された反応度トレースの解析
及び評価方法により、使用者もしくはオペレータは、記
録から、測定すべき種々の微分く差分)反応度価値の値
を抽出することができる。
この種の方法においては、特に、ストリップ・チャート
におけるトレースの成る箇所の公称直線状部分の同定も
しくは識別が行われると共に、該直線状部分に対する適
合もしくは調整で、トレースが線形でない記録部分に対
する外挿が行われる。
解析者の誤り又はストリップ・チャートのトレースの公
称上の直線部分が実際には直線でないことが原因で、外
挿の基礎となる線の調整が正しくない場合には、抽出さ
れた反応度価値の値は正しくなくなり、炉心の特性に関
し誤った結論が引き出され、場合によっては、潜在的に
危険な状態が検出されないままに見過ごされることが有
り得る。
最新の原子力発電プラントに見られる大型炉心の核特性
の中には、典型例として制御棒移動のような炉心におけ
る擾乱に応答し炉心内の中性子束分布或は分布形状に変
動が生じものがある。この中性子束再分布もしくは分布
変化は、−時的に反応度コンピュータを“混乱させ′、
その結果として記録された反応度トレースには“行き過
ぎもしくはオーバーシュート°°及び°“不足もしくは
アンダーシュード°と称される現象が生ずる。このオー
バーシュート及びアンダーシュートは、直線形であるべ
き反応度トレースの線分を初期の段階で非線形にし、適
切に考慮しない場合には、上述の外挿に誤りを生じさせ
、このような誤りが由々しい事態を招来する可能性があ
る。また、解析者が確立されている解析及び評価方法に
良心的に従った場合でも、得られる結果が或は正しくな
いのではないかという疑念が常に存在する。成る原子力
発電プラントの最近の燃料交換後の起動中に得られた第
1図に示しである特定試験データは、実際に、慣用の解
析及び評価で、正しくない結果が、検出されないままに
看過され得ることを明瞭且つ明確に例証している。
反応度測定期間中、原子炉冷却材系におけるホウ素濃度
は、通常の希釈操作により公称的に一定の率で連続的に
減少する。このホウ素濃度の減少は、炉心反応度の連続
的な直線状の増加をもたらし、この増加は、単一の中性
子検出器反応度トレース上に一定の正の傾きもしくは勾
配を有する線として現れる。上記の連続的なホウ素濃度
減少の効果を補償するために制御棒バンクを移動すると
、その結果として炉心反応度は急激に減少する。制御棒
は、約1秒の時定数で非常に迅速に移動され、そしてホ
ウ素濃度の減少は時間的にほぼ線形であるので、通常、
反応度トレースは、直線的に増加する線分と、殆ど瞬時
的に負になる段部と、上記線分と同じ勾配を有する別の
直線的に増加する線分とからなると予想される。制御棒
移動に応答しての炉心内の中性子束分布変化で、制御棒
の移動に続く期間中に、指示された反応度トレースのさ
もなければ予想されないような非線形挙動が生ずる。
第1図は、炉心の異なった領域を観察し、制御棒移動に
より生ぜしめられる炉心内の中性子束分布変化によって
異なった影響を受ける2つの中性子検出器の各々により
検出された制fillnバンクの指示微分反応度価値を
示す。微分反応度価値のプロットされた2つのグラフ1
0(下部の検出器に対応)及び12(上部の検出器に対
応)が、互い異なるという事実は、少なくとも1つそし
て恐らくは2つの指示測定量が無効であり、原子炉が安
全に運転することができることを検証するのに使用すべ
きではないことの明らかな証左である。従って、試験運
転を正し〈実施した場合に上に述べたような誤りが生ぜ
ず、得られる結果が、上述のポイント運動方程式を解く
のに用いられる幾つかの物理定数の値の精度内で有効且
つ適性であると証明できるような仕方で、反応度コンピ
ュータの企図せる機能を遂行する装置が必要である。
l吐へ11 本発明は、炉心の全領域における局所的な中性子母集団
が同じ分数変化率を示す時の炉心反応度を測定する。ま
た、本発明は、炉心の異なった領域を観察する中性子検
出器からの反応度を比較することによ、り変化率の安定
性を測定する6本発明の実施例は、原子炉における制御
棒価値を決定するための試験期間を最小にするのを可能
にし、また、原子炉安定化時間に関する試験前の計算を
回避し、原子炉をしてオペレータに対し安定化期間が終
了したことを報知する。
上述の目的は、複数の中性子検出器からの信号を処理し
て、局所もしくは領域的炉心反応度の指示量を発生する
簡素な構成の反応度コンピュータにより達成することが
できる。このコンピュータは、異なった検出器からの反
応度の値を比較し、これ等の値が、標準の統計的テスト
の基準を満足するのに充分長い時間一致している場合に
、オペレータに対して、真の炉心反応度を決定すること
ができることを指示する。オペレータが制御棒を移動し
た後に、コンピュータは、複数の中性子検出器に対し反
応度の値が一致する部分に対して統計的適合もしくは調
整を用いて制御棒価値を決定し、相続く制御棒移動から
統計的適合もしくは調整を用いて、調整された線間で制
御棒移動中に生じた反応度変化を決定する。
本発明は、広義の形態によると、原子炉のための次のよ
うな方法及び装置にある。即ち、炉心反応度が、計算さ
れた制御棒価値に基づいて、中性子を吸収する制御棒の
制御された挿入、引き抜きにより制御される、形式の原
子炉において、炉心反応度を測定し妥当性を検査する方
法であって、炉心反応度の測定を繰り返すと共に1.(
a)少なくとも2個の中性子検出器を使用して炉心反応
度の測定値を求め、(b)炉心反応度のこれ等の測定値
を比較し、前記少なくとも2個の中性子検出器の炉心反
応度の測定値が実質的に一致した時に、炉心反応度が妥
当であると指示する、諸ステップを含むことを特徴とす
る、炉心反応度を測定し妥当性を検査する方法にある。
本発明の詳細は、添付図面に例示した好適な実施例に関
する以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
t   の辛口 中性子母集団の分数変化率が炉心の全領域において実際
に同じであるという条件下で、即ちそれと等価的には、
中性子束分布の形状が静的であるという条件下において
、反応度という概念を原子炉の炉心に最も容易に適用し
得ることは良く知られているところである。
本発明は、炉心内の中性子束レベルを表すものと考えら
れる単一の信号を受は入れて当該信号に3よれる情報を
ポイント運動方程式の単一の“解”として用いる代わり
に、2つ又は3つ以上のこのような入力信号を用いて、
各信号が有する情報をポイント運動方程式の同じである
が独立した“解”により処理することを提案するもので
ある6次いで、幾つかの“解゛′により発生される出力
反応度値を比較して、全ての独立した反応度値が予め設
定された公差範囲内で一致した場合に、全ての独立した
値の平均値を瞬時的炉心反応度の有効測定値として受は
入れる。
本発明の反応度コンピュータにより処理される入力信号
の許容量小組は、測定の進捗に際し半径方向中性子束分
布に対称性の擾乱しか生起しないとした場合に、単一の
長いイオン室の上部部分及び下部部分により発生される
信号からなる。原子炉の炉心内の適当な箇所に一時的又
は永久的に配置された1個又は2個以上の可動の炉内検
出器或は適当な固定炉内検出器によって発生される信号
は、上述の許容最小入力信号組に対する極めて望ましい
補足信号となろう、単一の制御棒引抜き又は挿入即ちN
−1制御棒価値試験から生じ得るような炉心内の中性子
束分布に対する非対称性擾乱が測定中に生じた場合、全
ての利用可能な長いイオン室部分からの信号は許容最小
入力信号組を構成することになろう、また、零出力レベ
ルにおいて炉心内に、非常に近似した臨界形態を維持す
るために制御棒移動と制御棒移動との間で、一定の率で
ホウ素希釈を行うことが好ましく推奨しておく。
また、本発明の実施例は、上述の方法で求められた瞬時
的反応度値を妥当もしくは有効として受は入れ、そして
ディジタル処理の不可避的な離散的時間段階内で連続的
に、現在の許容瞬時的反応度値の組に対する線形適合度
をちょうど良い時期に発生し、このように発生された適
合度に関し統計学的な許容テストを行う1時間の関数と
しての反応度挿引線の調整もしくは適合が統計的根拠か
ら受は入れられることにより示されるように、充分に有
効なデータが収集されて処理されたならば、現在時刻、
反応度並びに反応度変化率、即ち適合度の傾きもしくは
勾配の値の組が記録される。これ等の値の組を用いて、
最も最近に得られた値の組の時点に時間的に遡及して時
間の関数としての反応度の適合度を外挿する。充分な数
の許容し得る反応度値が生成された場合、又は現在の反
応度変化に対する許容し得る適合度が得られた場合に、
点灯された指示ランプ光の形態とすることができる信号
により、原子炉のオペレータに対し、現在の制御棒位置
におけるデータ収集及び処理が完了したこと並びに制御
棒バンク位置を調整し測定プロセスを続行し得ることを
報知する。
本発明の装置の簡略ブロック図が第2図に示しである。
少なくとも2個の中性子検出器20が、炉心内に発生す
る中性子束を検出して、検出された中性子束に比例する
電気信号を発生する。この電気信号は、慣用の信号調整
装置22により処理されて、アナログ値として反応度コ
ンピュータ24に供給される。同反応度コンピュータ2
4は、単一チャンネルの中性子検出器から反応度を決定
する慣用のディジタル反応度コンピュータと同じコンピ
ュータから構成することができる。アイ・ビー・エム(
IBM)のPC−AT型のようなパーソナル・コンピュ
ータに接続して2系統中性子検出器系のための反応度コ
ンピュータ24を形成することができる適当な一対の単
チャンネル・ディジタル反応度コンピュータは、本願の
出願人であるウェスチングハウス社から入手することが
できる1反応度コンピュータ24は、約lOミリ秒の期
間に互って各検出器毎に採取された典型的には10個の
標本もしくはサンプルを平均化することにより異なった
領域毎に炉心内の反応度を決定し、既知のポイント運動
方程式を解き、瞬時的反応度をストリップ・チャート記
録装置型の表示装置26上に表示する。複数個の中性子
検出器により発生される反応度が、推定誤差標準テスト
(The 5tandard Error of Es
timaLeTest)のような“良好性1に関する統
計的テストを満足する程に充分に長い期間に亙って一致
した状態に留どよる時には、反応度コンピュータ24は
表示装置28を介してオペレータに対し、現時点で測定
した反応度は有効であることを報知し、それによりオペ
レータは、次のステップ状増分だけ制御棒を動かすこと
ができる。制御棒の移動後に、反応度コンピュータ24
は、一致反応度値を基にして、制御棒価値を決定し、オ
ペレータに対し、先の制御棒移動に対する微分(差分)
制御棒価値情報を与える。
第3図には、炉心外部に設けられた上下の中性子検出器
によって発生される典型的な反応度トレースが示しであ
る6実質的に垂直な線分40は、例えば、180ステッ
プ位置から190ステップ位置への制御棒の移動中に生
ずる反応度変化を示している。
制御棒が一旦移動されると、下部の中性子検出器により
発生される反応度挿引線もしくはトレース42は、上部
の中性子検出器によって発生されるトレース44から散
開する。制御棒移動間における反応度変化期間中、反応
度は冷却材中の中性子吸収材(ホウ素)の減少が原因で
増加する。一定率での希釈期間中は、中性子検出器によ
り発生されるl・レースは直線となるべきであり、オペ
レータが2回目に制御棒を移動することが許される前に
、反応度変化率は安定化して実質的に直線で表されるよ
うになるはずである。第3図に示しである部分46は、
反応度トレースが交差した後に、上部及び下部中性子検
出器によって測定された反応度が散開することを示して
いる。反応度トレース42及び44が一致せず実質的に
直線のトレースが得られない部分46は、炉心反応度、
従って制御棒価値を決定するには不適当な領域である。
これに対し、第3図に示しである領域48は、トレース
が一致し直線状である故に炉心反応度が有効である領域
である。第3図のこの大体の領域48が、第4図に相当
に拡大して示しである。
本発明によれば、同定することができる最初の一致点5
0を探索するために、下部中性子検出器42及び上部中
性子検出器44の瞬時的反応度が比較される。一致は、
双方の反応度値が測定中の最大予測ステップ状反応度変
化の0.5%内にある時に生ずる。本発明は、この一致
の開始後、統計的適合もしくは当て嵌め(staLis
tical fit)を行うのに充分な時間Tの間一致
を維持することを必要とする。時間Tの間一致が存続し
た場合には、制御棒の移動を行うことが許される旨を示
す情報をオペレータに与えることができる6期間T中に
生ずる一致反応度52の値に対し“最小自乗法の適合“
を行って直線54を生成すると共に、該直線54に対す
る対応の傾きもしくは勾配と切片で表した方程式を発生
する。次いで、コンピュータは直線54と垂直線58と
の交点56を求める。垂直線58は、制御棒移動中に反
応度がOに等しい点を通る1次いで、交点56と、先の
適合で求められた直線が垂直線58に交わる点60との
間における反応度差により制御棒価値を決定する0次い
で、垂直線58に関連した制御棒移動に対する制御棒価
値を表示装置28を介しオペレータに呈示する。
上述のプロセスは第5図にフローチャートで図解しであ
る。対応のディジタル・コンピュータ・プログラムに対
し適当な言語はパスカル(r’AscAL)である、プ
ロセスはステップフOで始まり、ステップ72及び74
では、それぞれ、最初の適合フラグがオフにセットされ
、オペレータ信号フラグがオンにセットされる。この最
初の適合フラグは、新しい測定サイクルの開始時にセッ
トされるものである。また、オペレータ・フラグオン”
は、オペレータに対し制御棒を移動できることを指示す
る。
オペレータによる制御棒の移動で、炉心内の反応度及び
中性子束分布は急激に変化する。フラグのセット後、反
応度コンピュータ24は、時間及び制御棒位置のような
反応度を決定するのに必要とされる他のパラメータと共
に、各中性子検出器により発生される中性子束の値の1
0個のサンプルを採取する(ステップ76)0M終時間
段階において、制御棒が移動されなかった場合(ステッ
プ78)、コンピュータ24は、値を平均化し、ステッ
プ80で、各中性子束検出器に関連した反応度を計算で
求めて、算出された反応度の値を記憶すると共にストリ
ップ・チャート型記録装置に出力する。最終時間段階に
おいて制聞棒が移動された場合には、最初の適合フラグ
がセットされ(ステップ82)、オペレータ信号フラグ
はオフに切り換えられる(ステップ日ぺ)。
ステップ80におけるような反応度の計算に一般的に用
いられている基準は、°“原子力科学と工学(Nucl
ear 5cience and Engineeri
ng)”3 、52−70(1958)に掲載されたエ
イ・エフ・ヘンリー(^、Fllenry)の論文゛実
験解析に対する原子炉動力学の応用(The Appl
ication of Reactor Kineti
cs t。
the Analysis of Experimen
ts)’に記載されている。この論文において、ヘンリ
ーは、該論文に式(6)として見られる周知の原子炉動
力学方程式を導出している。この方程式(6)は、その
単純化が有効となるためには、上記論文に記載されてい
る方程式(5)の条件が満たされなければならないこと
を必要とする。方程式(5)は、反応度を測定すること
が可能であるためにはその前に原子炉が定常変化率状態
にならなければならないことを本質的要件としている。
この定常変化率状態への安定化期間は、典型的に、制御
棒移動後2〜4分である。定常状態での安定化が生ずる
と、中性子検出器の反応度値開における一致が生じ始め
る。
ヘンリーの方程式の原始環(source ter鴎)
Qが中性子バランスに対し無視し得る程しか寄与しない
という条件下及び時間微分項dt(t)/dtが炉心特
性における擾乱後退速に無視し得る寄与項となる情況下
で炉心反応度の測定を行うのが通常である。
このような2つの簡略化条件で、ヘンリーの論文の方程
式(6)から次式が導出される。
ρ(t);β・〈Δ/T(t))Σλ1C1(t)(1
)Δclc、(t)/dt=βtT(t)−λ、AC,
(t)      (2)従って、 ρ(t);β−(1/T(L))Σλ、C,(t)  
    (3)clc、<t)/dt=β+T(t)−
λ、C,(t)      (4>上式中、 亡1“ΔC,、(5) であり、βは中性子比率、β1は遅発中性子比率、T(
t)は時間振幅関数であり、 C,(t)及びλ、は1
番目の遅発中性子エミッターの濃縮度及び崩壊定数を定
義しており、Δは吸収材の導入に関連した反応度、ρ(
1)は時間tにおける中性子密度である。
勿論、大型原子炉の振幅関数T(t)の実際の値を測定
することは実際上不可能である。従って、通常、適当に
設置された中性子検出器からの応答信号は任意の時点に
おいて振幅関数の値に比例するという前提が用いられる
。従って、 T(L)・μDlt(t)             
 (6)上式中、D R(t )は、検出器応答信号の
大きさであり、実際に解かれる方程式は ρ(L)・β−(1/DR(L))Σ^↑C,(t) 
    (7)dで、/1lL=/3訓(1)−入でC
,(t)     (8)となり、上式中、 C,(t)=ΔμC,(t)            
(9>この最終形態における方程式群が、−mに、゛ポ
イント運動(point kinetics)”方程式
と称されているものである。大型原子炉の炉心の反応度
と、外部から生ぜしぬられた炉心特性の変化による反応
度の変化とは、上述の連立線形微分方程式を解くことに
より、容易に、連続的にオンライン評価することができ
る。
ポイント運動方程式により一旦反応度が決定されると、
ステップ86において、反応度が等しいが否かに関する
判定が行われる。即ち、反応度が全て予め選択された分
散範囲内にある場合には等しいと見做される。この判定
は、3個以上の中性子検出器が比較において用いられる
場合、各反応度を他の全ての決定された反応度と比較す
ることにより、検出された全ての反応度に対して行われ
る。
ステップ86において反応度が等しくない場合には、プ
ロセスは再び測定パラメータのサンプリングステップに
ループ・バックする0反応度が予め選択された分散範囲
内にある場合には、平均反応度が達成される(ステップ
88)1次いで、この平均反応度を、先に記憶されてい
る平均反応度と共に用いて、時間の関数で最小自乗法の
適合を行う(ステラ790)、変化率が近似的に零であ
る場合には、このプロセスは終了する(ステップ94)
、変化率が近似的に零に等しくない場合には、標準推定
誤差テスlゝ(Standard Error or 
Estimate Te5t)を用いて、値の適合の統
計的チエツクを行う(ステップ96)、この適合が許容
できない場合(ステップ98)には、新たなパラメータ
組を求めてこのプロセスを繰り返す、適合が許容し得る
場合には、適合されたパラメータ、炉心条件及び時間を
記憶する(ステップ100)、  i初の適合フラグが
オンでない場合(ステップ102)には、適合変数と初
期化しくステップ104)、新たなパラメータ集合をサ
ンプリングする。これにより、このプロセスで、オペレ
ータが迅速に制御棒を移動しない場合に新たな適合を行
うことができる。新たな適合度が得られたならば、これ
は、将来の微分燃料棒価値の計算に用いられる。適合フ
ラグがオンである場合には、第4[2Iと関連して説明
した手続きに従い交差点及び差を求める(ステップ10
6)。次いでこの差を用いて微分制御棒価値を計算しく
ステップlog)、その結果をオペレータに出力した後
に、オペレータ信号フラグをオンにしくステップ110
)、最初の速きフラグも、ステップ112でオンに切り
1負え、然る後にプロセスは新たなサンプルパラメータ
を求めるステップに戻る。
オペレータが挿入ステップのための最終制御棒価の値を
得たならば、オペレータは、これ等の値を、最新の燃料
装填のために炉心設計者により作成された図表値と比較
する。この比較で、設計値が正確であるか否かが判明す
る。
安全上の理由から望ましくはないが、一致期間が検出さ
れた場合に、オペレータが制御棒を移動するのを待つ代
わりに反応度コンピュータ24で制御ffl1捧移動を
開始させることも可能である。このようにすれば、制i
n棒価値試験の効率が更に改良される。また、゛°良好
性′°に関し多かれ少なかれ厳格な制限的統計的基準を
設定することにより、反応値が有効化される前に一致に
要する時間を変えることも可能である。本発明の更に改
良された実施態様として、ホウ素のバランス(又は価値
)を計算し、原子炉の温度を測定して、これ等の値を、
反応度及び制御棒価値と共に出力として得ることが可能
であろう。
本発明の多くの特徴及び利点は、上の詳細な説明から明
らかである。従って、本発明は、その精神及び範囲に入
るこのような全ての特徴及び利点を含むものである。更
に、当業者には、数多の変形や変更を容易に想到し得る
であろうところから、本発明を、ここに開示した構成及
び動作そのものに限定する意図はなく、本発明の範囲内
で有らゆる適当な変更及び均等物の交換等が可能である
ことを付記する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、2つの異なった中性子検出器から求められた
反応度価値を示す図、第2図は、本発明の構成要素のブ
ロック図、第3図は、2つの中性子検出器で求められる
時間変化に対する反応度のトレースを示す図、第4図は
、第3図のトレースの一部分の拡大図、等−嗣ト第5八
図と第5B図に1ふ を一4=ゐ−、本発明によって実施される方法を図解す
るフローチャート図である。 20・・中性子検出器  22・・・信号調整装置24
・・・反応度コンピュータ 26・・表示装置    28・・・表示袋π出願人 
 ウェスチングハウス・エレクトリック・コーポレーシ
ョン FIG、 1

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 炉心反応度が、計算された制御棒価値に基づいて、中性
    子を吸収する制御棒の制御された挿入、引き抜きにより
    制御される、形式の原子炉において、炉心反応度を測定
    し妥当性を検査する方法であって、炉心反応度の測定を
    繰り返すと共に、次のステップ、即ち (a)少なくとも2個の中性子検出器を使用して炉心反
    応度の測定値を求め、 (b)炉心反応度のこれ等の測定値を比較し、前記少な
    くとも2個の中性子検出器の炉心反応度の測定値が実質
    的に一致した時に、炉心反応度が妥当であると指示する
    、 ステップを含むことを特徴とする、炉心反応度を測定し
    妥当性を検査する方法。
JP1008777A 1988-01-19 1989-01-19 炉心反応度を測定し、妥当性を検査する方法 Expired - Lifetime JPH07119828B2 (ja)

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