JPH09113683A - 原子炉出力自動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】原子炉の制御棒や炉心流量を操作して原子炉出
力を自動調整する制御システムで、炉心反応度特性が必
ずしも負でない炉心状態に対しても安定した制御を実現
するに好適な原子炉出力自動制御装置を提供する。 【解決手段】原子炉の制御棒や炉心流量を操作して運転
目標に対し自動的に追従するように原子炉出力を調整す
る原子炉出力自動制御装置で、今回発行している制御命
令に従って次回発行する制御命令の作成を開始する手段
３と、オンラインで入力するプラントパラメータから現
在の原子炉の運転状態を表わす評価値を計算する手段
４，５と、評価値の履歴とプラントパラメータから制御
命令を作成する手段６からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原子炉の制御棒や炉
心流量を操作して原子炉出力を自動調整する制御システ
ムに係り、特に、炉心反応度特性が必ずしも負でない炉
心状態に対しても安定した制御を実現するに好適な原子
炉出力自動制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉の運転には、制御棒全挿入状態か
ら臨界達成までの臨界モード，原子炉の定格圧力達成ま
での昇温昇圧モード，発電機併入後の発電機出力モード
等がある。現在、各運転モードで運転員は運転手順書に
基づき各種運転制限値を遵守しながら制御棒や炉心流量
の操作で原子炉出力を調整し運転を実施しているが、最
近、原子炉起動時間の短縮や運転の省力化を目的とし
て、原子炉出力の自動制御装置や運転操作を運転員に提
示する支援装置が望まれている。

【０００３】この種の従来技術は、特開昭64−32191 号
公報の制御棒操作システムがある。このシステムは、各
運転モードで制御棒引抜量を原子炉の状態変化に応じて
オンライン計算で変更していくこと、及びオンライン計
算で求めた制御棒引抜量が何らかの理由で不適切な場合
でも事前にオフライン計算で求めた最大引抜量で制限す
ることで、中性子束の急激な上昇を防止し安定した原子
炉出力制御を可能とする。

【０００４】ところが、制御棒操作システムは、基本的
に沸騰水型原子炉のように炉心反応度特性が常に負を満
足する炉心に対して制御棒の引抜量の制限を与えている
に過ぎない。したがって、例えば、新型転換炉の昇温昇
圧時のように、冷却材温度反応度係数が正になることで
制御棒を挿入しながら運転しなければならない場合に対
しては、従来のシステムでは以下の問題点がある。

【０００５】まず、炉心特性の場合、炉水温度の上昇に
よって連続的に印加される正の反応度に対しては、厳密
に各種反応度の時系列変化を予測できないので、過去の
運転状態の適否から原子炉の状態を同定し制御棒操作を
する必要があるが、従来のシステムでは、制御棒操作量
の判断に瞬時のプラントパラメータを参照しているだけ
で過去の運転履歴を利用していないので、特に昇温昇圧
時のような炉水温度の変化に時間遅れを伴う運転に対し
ては目標通りに制御できない可能性がある。

【０００６】また、従来例のように、事前にオフライン
計算で制御棒引抜量を設定しようとしても、前述したよ
うに、冷却材反応度も含め各種反応度の時系列変化を厳
密に計算することは現在のところ不可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、炉心
反応度特性が必ずしも負でない場合でも、運転操作の履
歴を活用し炉心状態の変化に適応して制御命令を作成
し、制御棒もしくは炉心流量の操作により原子炉出力を
調整する原子炉出力自動制御装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、原子炉の制御棒や炉心流量を操作して
運転目標に対し自動的に追従するように原子炉出力を調
整する原子炉出力自動制御装置で、今回発行している制
御命令に従って次回発行する制御命令の作成を開始する
第１の手段と、オンラインで入力するプラントパラメー
タから現在の原子炉の運転状態を表わす評価値を計算す
る第２の手段と、評価値の履歴とプラントパラメータか
ら制御命令を作成する第３の手段を有することを特徴と
する。

【０００９】また、原子炉出力自動制御装置で、評価値
の時系列変化が事前に設定した閾値を越えたとき、制御
命令作成時に参照する評価値の履歴を解消して標準的な
運転操作を実行する基本制御命令に強制的に移行し、制
御を再開する手段を有することを特徴とする。

【００１０】さらに、原子炉出力自動制御装置で、今回
発行している制御命令に対し評価値の履歴から制御パラ
メータを補正する手段を有することを特徴とする。

【００１１】本発明の原子炉出力自動制御装置では、各
手段が以下のように動作する。

【００１２】まず、今回発行している制御命令に含まれ
る制御命令作成に関するパラメータが事前に設定した閾
値を越えるとき、次回の制御命令を作成するための処理
を開始する。次に、オンラインで入力するプラントの物
理状態を表わすパラメータと運転モードにおける運転目
標値とを比較して現在の運転状態に対し制御の適応度を
判定する評価値の計算をし、この評価値に関する時系列
データ、すなわち、運転の履歴を作成する。

【００１３】ここで、この評価値の履歴が時系列的に増
加傾向であれば、現在実行している制御命令が原子炉の
状態に適応していることになるので、この制御命令を強
化し次回以降の制御命令作成時に優先させる。

【００１４】一方、評価値の履歴が時系列的変化がなけ
れば、現在実行している制御命令を維持するが、もし、
減少傾向であれば、現在実行している制御命令が原子炉
の状態に適応していないことになるので、この制御命令
を抑制しより原子炉の状態に適応した制御命令の探索を
開始し次回以降の制御命令作成時に利用する。

【００１５】この制御命令の探索は、現在実行している
制御命令の他に取りうる制御命令に対する優先度を評価
値を用いて更新するもので、例えば、現在の制御命令に
対し評価値が減少し、制御命令間の優先度を更新したと
き別の制御命令の優先度が大きくなった場合に、次回制
御命令は最大の優先度を持つ制御命令に変更することを
意味する。

【００１６】各手段の動作により、仮に炉心反応度特性
が正であっても、炉心状態の時間的変動に適応し制御棒
操作が可能となる。また、時間的な遅れを伴う運転操作
でも目標追従性のよい制御を実現できる。

【００１７】また、本原子炉出力自動制御装置では、通
常運転状態から何らかの原因で原子炉の状態が急変した
場合に対しても、評価値の時間的挙動により異常を検出
し、それまでの運転履歴で積算した各制御命令に対する
優先度を解消し、事前に設定した基本制御命令を実行す
る。そして、優先度の更新を再開することで、急変した
原子炉の状態に積極的に適応する制御を探索実行するこ
とが可能になる。

【００１８】さらに、本原子炉出力自動制御装置では、
一度次回制御命令を作成した後、当該制御命令を実行す
るまでの間に評価値の時系列変化を参照することで、制
御命令を補正しより精度の高い制御を実現することが可
能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（実施例１）以下、本発明の原子炉出力自動制御装置の
一実施例を図面を参照して説明する。図１に本発明の一
実施例のブロック図を示す。１は原子炉、２は原子炉１
からプラントパラメータａを参照して制御パラメータ偏
差ｃを設定する制御パラメータ偏差計算部、３は原子炉
１に対する制御命令ｂを発行する制御命令発行部、４は
原子炉１のプラントパラメータａとその運転目標値との
偏差ｇに基づいて現在の原子炉の制御状態の適応度を表
わす評価値ｅを計算するとともに、制御命令発行部３か
ら制御命令作成開始信号ｄを受け取り次回制御命令の作
成を開始する制御命令評価部、５は制御命令評価部４で
計算した評価値ｅの時系列データｆを作成する評価値判
定部、６は評価値判定部５からの評価値ｅの時系列デー
タｆと制御パラメータ偏差計算部２からの原子炉１のプ
ラントパラメータａとその運転目標値との偏差ｇから次
回制御命令における制御命令パラメータｈを作成する制
御命令作成部である。

【００２０】また、図２に従来例のブロック図を示す。
本実施例で制御命令評価部４と評価値判定部５を有する
点及び制御命令作成部６で評価値の時系列データｆを参
照する点が従来例との相違点で、これより、仮に炉心反
応度が正の状態でも、評価値の履歴を利用して炉心状態
変化に適応した制御が可能となる。

【００２１】以下、この構成で原子炉起動時の昇温昇圧
運転に対する本発明の実施例を具体的に説明する。

【００２２】昇温昇圧運転は、原子炉臨界のあと原子炉
が定格圧力（定格温度）を達成するまでの運転で、沸騰
水型原子炉や新型転換炉，高速増殖炉等では制御棒操作
による核加熱と呼ばれる方法で実施している。ここで、
プラント機器の熱的健全性を守るため炉水温度の温度変
化率に対し制限値が設定されており、通常この制限値以
下の温度変化率を運転目標値としている。

【００２３】そこで、昇温昇圧運転時の制御に参照する
プラントパラメータは、炉水温度，炉水温度変化率であ
るが、本実施例では、制御パラメータ偏差計算部２とし
て図３に示すＰＩ制御により炉水温度変化率の目標に対
する追従性を中性子束の目標に対する追従性に置き換え
て制御する。すなわち、制御パラメータ偏差ｃは中性子
束の目標の中性子束に対する偏差で、この値がある設定
した閾値を越えたときに、制御棒操作を実行する制御と
する。

【００２４】したがって、制御命令に含まれる制御命令
パラメータは、制御棒の引抜量，中性子束偏差の閾値で
あるが、さらに、次回制御命令作成開始の閾値として中
性子束偏差閾値、もしくはその定数倍（１以下）した値
を設定する。すなわち、中性子束偏差閾値が成立すると
制御命令発行部３から原子炉１へ制御命令ｂが発行さ
れ、また、次回制御命令作成開始の閾値が成立すると制
御命令発行部３から制御命令評価部４に制御命令作成開
始命令ｄが発行される。

【００２５】図４に各制御命令の作成と実行の時系列関
係を示す。図中Ｏ_n，Ｏ_n+1，Ｏ_n+2はそれぞれｎ番目，
（ｎ＋１）番目，（ｎ＋２）番目の制御命令で、制御命
令Ｏ_nの実行直前に次回制御命令作成開始の閾値が成立
して制御命令Ｏ_n+1が作成され、さらに制御命令Ｏ_n実行
後、制御命令Ｏ_n+1の次回制御命令作成開始の閾値が成
立したときに制御命令Ｏ_n+2が作成され、そのあと制御
命令Ｏ_n+1が実行されている。

【００２６】次に、本発明の中心である制御命令評価部
４，評価値判定部５，制御命令作成部６について説明す
る。

【００２７】まず、制御命令評価部４では、制御パラメ
ータ偏差計算部２から入力した運転目標値に対する偏差
ｇ，本実施例の昇温昇圧運転時では炉水温度と炉水温度
変化率の各目標値との偏差ΔＴ，ΔＴ′（以下、ダッシ
ュは微分量を表わす）を用いて、現在の原子炉の制御状
態を以下の式で評価する。

【００２８】

【数１】 ｒ＝ｆ(ΔＴ,ΔＴ′) （０≦ｒ≦１） …（数１） ここで、評価関数ｆは、ΔＴ，ΔＴ′がともに０のとき
評価値ｒに最大値１を与える減少関数である。

【００２９】また、制御命令評価部４は、制御命令発行
部３から制御命令作成開始命令ｄを受け取ると、そのと
きの数１の評価関数の評価値ｒを制御命令作成時の評価
値として以下の処理に利用するとともに、次回制御命令
の作成を開始する。以下では、ｎ番目の制御命令を作成
するとし、それを表わす添字をｎとする。ただし、添字
の整数が大きいものほど最近の状態を示すものとする。

【００３０】つぎに、評価値判定部５では、制御命令評
価部４からの原子炉の状態を表わす評価値ｒ_n を入力
し、これまでに入力していた評価値ｒ_n-2，ｒ_n-1等と共
に以下のような時系列データＲ_nを作成する。

【００３１】

【数２】 Ｒ_n＝｛…，ｒ_n-2，ｒ_n-1，ｒ_n，：ｎは整数｝ …（数２） ここで用いる評価値の数は、少なくとも三つとする。す
なわち、三つの評価値で時系列データとすることで、現
在の原子炉の制御状態を、 １）ｒ_n-2＜ｒ_n-1＜ｒ_nならば、適応状態 ２）ｒ_n-2＜ｒ_n-1＞ｒ_nもしくはｒ_n-2＞ｒ_n-1＜ｒ_nなら
ば、準適応状態 ３）ｒ_n-2＞ｒ_n-1＞ｒ_nならば、不適応状態 と、判定することができるからである。さらに、利用す
る評価値を増やすことで、より詳細に原子炉の制御状態
を表現することが可能となるが、以下では簡単のため三
つの評価値からなる時系列データを用いる。

【００３２】評価値の時系列データがなるべく大きな評
価値を常に獲得できるように、次の制御命令作成部６で
原子炉の状態に適応した制御命令を作成する。図５に制
御命令作成部６の基本的な処理フローチャートを示す。
簡単に言うと、後述する制御命令マップ上で指定される
現在の制御命令の他の制御命令に対する重みの変更を、
評価値の時系列データＲ_n と制御パラメータ偏差計算部
２から入力する運転目標値に対する偏差（本実施例では
炉水温度と炉水温度変化率の各目標値との偏差ΔＴ，Δ
Ｔ′）で行い、次回制御命令の更新を実行する。まず、 イ）評価値判定部５から評価値の時系列データＲ_nを入
力し、評価値ｒ_n-2とｒ_n-1とｒ_nとの大小関係より原子
炉の制御状態を判定する。

【００３３】ロ）この制御状態が準適応状態であるかど
うか判断し、もし、準適応状態であれば、現在の制御命
令について重みの変更をしないで、次回制御命令は現在
の制御命令と同じにする。

【００３４】ハ）この制御状態が適応状態であるかどう
か判断し、ハ′）もし、適応状態であれば、現在の制御
命令について重みを強化して、次回制御命令は現在の制
御命令と同じにする。

【００３５】ニ）この制御状態が不適応状態であれば、
図６に示す炉水温度と炉水温度変化率の各目標値との偏
差ΔＴ，ΔＴ′に基づく制御命令変更ルールを参照し、
図７に示す制御命令マップで指定される現在の制御命令
に対し、制御棒の引抜量の増減の調整と引抜間隔の補正
を行う。例えば、現在の原子炉の状態がΔＴ＞０，Δ
Ｔ′＞０，制御命令が制御棒引抜量‘＋ｌ’引抜間隔
‘通常’であれば、次回制御命令作成時には制御棒引抜
量を現在より多く(制御棒引抜量‘＋２ｌ'に）かつ引抜
間隔を早く（‘大’に）する方向の重みを増加する。

【００３６】ホ）ニ）における処理の結果、現在の制御
命令の他の制御命令に対する（自分自身の制御命令も含
めて）重みの中で最大の制御命令を次回制御命令とす
る。

【００３７】ヘ）ホ）で設定した制御命令が前回制御命
令から変更しているかどうか判定する。

【００３８】ト）制御命令が変更したときに、変更した
制御命令に対する重みを最大にする。 チ）変更した制御命令によって原子炉の制御状態が改善
しているかどうか判定する。

【００３９】リ）変更した制御命令によって原子炉の制
御状態が改善しない、すなわち、評価値の時系列データ
が不適応状態のままのとき、図６の制御命令変更ルール
に従って変更した方向の制御に対し負の重みを適用す
る。これは、原子炉の状態が制御命令変更ルールで与え
る制御方法にそぐわない状態になったとき負の重みを適
用することで、相対的に制御命令変更ルールで推奨する
制御とは別の制御命令に対する重みが増加し、当該原子
炉の状態に適応することが可能となる。制御命令作成部
６の処理の結果、次回制御命令に関する制御命令パラメ
ータｈ、ここでは、制御棒の引抜量，中性子束偏差の閾
値及び次回制御命令作成開始の閾値を、制御命令発行部
３に出力する。

【００４０】以上のようにシステムが動作すれば、従来
のシステムが必ずしも負でない炉心反応度特性の原子炉
の制御に適応できなかったのに対し、本実施例では、反
応度特性に応じて積極的に制御棒操作を実施することで
昇温昇圧運転を自動化し、起動時間の短縮や運転の省力
化が可能となる。

【００４１】尚、本実施例は原子炉起動時における昇温
昇圧運転に対するものであるが、制御命令変更ルールや
制御命令マップに用いるパラメータを変更することで、
他の運転モードについても同様に原子炉出力自動制御が
可能である。

【００４２】（実施例２）実施例１では、原子炉の昇温
昇圧運転についての通常運転動作に関するものである
が、本実施例では、何らかの原因（例えば、炉内蒸気使
用による外乱）で、それまでの運転状態と大きく変化し
た場合について本システムがいかに動作して安定した制
御を実現するか図８を参照して説明する。

【００４３】まず、原子炉の状態変化が生じたことを、
制御命令評価部４で計算する評価値と前回値との偏差で
把握する。すなわち、評価値判定部５で偏差がある閾値
を越えたとき、評価値判定部５から制御命令作成部６に
制御命令作成見直し命令ｉが発行される。

【００４４】制御命令作成見直し命令ｉを制御命令作成
部６が受け取ると、現在採用している制御命令から事前
に定義され基本制御命令保存部７に保存された基本制御
命令に強制的に移行するとともに、制御命令に伴う重み
を解消する。この基本制御命令は、原子炉の状態変化の
傾向がまだ把握できていないときに試行的に実施する制
御命令で、原子炉に与える影響が小さくなるよう評価さ
れたもので、運転を開始する前に制御命令作成部６に定
義する制御命令である。

【００４５】基本制御命令を実行していく過程で同様
に、制御命令評価部４で評価値を計算し、評価値判定部
５で作成した評価値の時系列データをもとに、制御命令
作成部６で基本制御命令の他の制御命令に対する重みの
更新を再開する。

【００４６】以上の動作より、本システムでは、原子炉
の状態が大きく変動した場合でもその状態に適応するよ
うに制御命令を作成することができるが、従来のシステ
ムではこのような機能を有していなかった。

【００４７】（実施例３）本実施例は、一度設定した次
回制御命令に対し、その制御命令を実行する前に制御命
令評価部４で計算する評価値で補正を施すことで、より
原子炉の状態に適応した制御を実現しようとするもの
で、図９を参照して説明する。

【００４８】通常の制御命令パラメータは、制御棒の引
抜量，中性子束偏差の閾値及び次回制御命令作成開始の
閾値（中性子束偏差閾値、もしくはその定数倍α（１以
下）した値）であるが、さらに、制御命令補正開始の閾
値として中性子束偏差閾値の定数倍β（β＜α）と定義
し制御パラメータに追加することで、図９に示すように
制御命令Ｏ_n+1が実行される前に制御命令Ｏ_nの実行の影
響を考慮した補正を実施する。

【００４９】すなわち、一度作成した制御命令Ｏ_n+1 に
対し制御命令発行部３で制御命令補正開始の閾値が成立
すると、通常の制御命令作成時と同様に、制御命令発行
部３から制御命令評価部４へ制御命令作成開始命令が発
行され、以後実施例１と同様な手続きで再度制御命令Ｏ
_n+1が作成される。

【００５０】これより、通常新規に制御命令を作成した
ときに考慮されない直後の制御棒操作の影響を取り入れ
ることでより精度の高い制御が実現されるが、従来のシ
ステムではこのような機能をもっていなかった。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、オンラインで入力する
プラントパラメータから原子炉の制御状態を表わす評価
値を計算し、その評価値の履歴を用いて制御命令を作成
することで、必ずしも負でない炉心反応度特性をもつ原
子炉に対しても、安定した制御を実現することができ
る。

【００５２】原子炉の制御状態が大きく変化したとき
に、制御命令を強制的に基本制御命令に移行しそれまで
の運転履歴を解消することで、状態変化に適応すること
が可能となる。

【００５３】一度設定した制御命令に対し、その制御命
令が実行される前に評価値の時系列変化を用いて制御命
令パラメータの補正を実施することで、より精度の高い
制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の原子炉出力自動制御装置の
ブロック図。

【図２】従来の原子炉出力自動制御装置のブロック図。

【図３】制御パラメータ偏差計算部の説明図。

【図４】制御命令の実行と作成の時系列関係の説明図。

【図５】制御命令作成部の処理フローチャート。

【図６】制御命令変更ルールの説明図。

【図７】制御命令マップの説明図。

【図８】実施例２の原子炉出力自動制御装置のブロック
図。

【図９】制御命令の実行と作成と補正の時系列関係の説
明図。

【符号の説明】

１…原子炉、２…制御パラメータ偏差計算部、３…制御
命令発行部、４…制御命令評価部、５…評価値判定部、
６…制御命令作成部、７…基本制御命令保存部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉の制御棒や炉心流量を操作して運転
   目標に対し自動的に追従するように原子炉出力を調整す
   る原子炉出力自動制御装置において、 今回発行している制御命令に従って次回発行する制御命
   令の作成を開始する第１の手段と、オンラインで入力す
   るプラントパラメータから現在の原子炉の制御状態を表
   わす評価値を計算する第２の手段と、前記評価値の履歴
   とプラントパラメータから制御命令を作成する第３の手
   段を有することを特徴とする原子炉出力自動制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記評価値の時系列変
   化が事前に設定した閾値を越えたとき、制御命令作成時
   に参照する評価値の履歴を解消して標準的な運転操作を
   実行する基本制御命令に強制的に移行し、制御を再開す
   る原子炉出力自動制御装置。
3. 【請求項３】請求項１において、設定した次回発行の制
   御命令に対し、前記評価値の履歴から制御パラメータを
   補正する原子炉出力自動制御装置。