JPS591997B2 - 原子炉撚料の最適調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉に装荷された燃料要素を装荷状態のま
まで調整する事によって、出力上昇運転およびそれ以後
の運転において燃料被覆材の損傷が極めておこりにくく
する原子炉燃料の最適調整方法に関する。

従来、原子炉燃料破損の原因は急激な出力密度（単位ｋ
Ｗ／ｆｔ又はＷ／ｃＩｉｔ）の増加によって、燃料ペレ
ットが急激に膨張し、被覆材の膨張がそれに追従できな
くなることにより、その結果被覆材が破損に至るもので
ある。

この破損は一般的に燃料ペレット対被覆材の相互作用（
Ｐｅ１１ｅｔ Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉ
ｏｎ）（以下ＰＣＩと称する）に起因する燃料破損であ
る。

このＰＣＩによる燃料破損を防止する方法としては、特
開昭５０−１４３９９９号公報に示されているように、
ＰＣＩのおこる最低出力より所望の最大出力レベルまで
ＰＣＩによって被覆材損傷をおこす臨界速度以下で上昇
させること、さらにその上昇によって被覆管の外径がゆ
っくりとペレットによって押し拡げられ、この拡げられ
た状態に順応しやすくするために、到達した出力密度（
学習出力密度という。

）を一定時間（学習期間という。

）維持することによって後続の運転において、個々のペ
レットが学習出力密度以下ならば。

比較的急激な出力上昇を伴う運転を行っても、極めて燃
料破損が少いことが知られている。

以下に損傷が極めて少くなるよう調整する方法のメカニ
ズムについて説明する。

（１） 燃料が核分裂することによって、ペレットは
核分裂による発生熱によって膨張する。

（２）従来よく使用されている、例えばジルコニウム合
金などの被覆材の熱膨張率は、燃料ペレットの燃膨張率
より小さい。

したがって、出力密度がＰＣＩのおこる出力密度Ｐ。

をこえると、ペレットは被覆管を押し拡げるようになる
。

（３）もし、出力密度が急激にＰ。

を大きくこえると、被覆管がその応力に耐えられず亀裂
を生じて損傷する。

（４）シかし、Ｐｏをこえてもゆっくりと出力密度を上
昇させると、すなわちある臨界上昇率ＵＬ以下で上昇さ
せれば、被覆管はペレットに押拡げられながらではある
が損傷することなく半径が増大する。

（５）シかも、臨界上昇率ＵＬ以下の上昇率であればこ
われないのは勿論、被覆管からみればペレットを押えつ
けていることにもなるため、ペレット内の細片の構造が
より整列化されるため、半径の増加が緩和される方向に
ある。

（６）ある出力密度（学習出力密度）で一定時間（学習
期間）維持した後は、一定の燃焼期間（記憶期間という
）内は学習出力密度以下の出力変動を急速に行っても被
覆材の損傷は極めて少ない。

（７）このことは、一旦、記憶した学習出力密度を超え
て、出力密度の上昇率を臨界上昇率ＵＬ以下に押えて上
昇させ、被覆材の延びがある限界り以内までで再度、学
習期間以上、その出力密度分布を維持すればこの出力密
度分布以下の出力密度分布で出力変動を急速に行っても
被覆材の損傷は極めて少い。

以上より、ある時点での急速出力変動してもよい最大の
出力密度分布（エンベロープきいう。

）をＰｉｊｋとし、この関係を示す為にＵという記号を
用いることにすると、次式のようになる。

次に最初にできた学習出力密度△０． の記ｔｊｋ 憶期間がすぎたときのエンベロープは である。

（８）上記のように１Ｐｉｊｋを定義するとき、燃料は
、エンベロープＩＰｉｊｋまで調整されているという。

又、全く学習を行なわなくてもすべての燃料要素のすべ
ての方向位置について（２）に示したＰＣＩのおこる出
力密度Ｐ。

までは調整されているとみなしてよい。

以上の調整方法を原子炉の燃料要素にそのまＸ適用する
と次の難点がある。

すなわち、ＰＣＩをおこさない出力密度は、従来使用さ
れている直径約０．４９インチペレットと、約０．０３
２インチの被覆厚さを有する燃料要素を用いた場合、６
〜１０ｋＷ／ｆｔ の出力密度よりＰＣＩがおこるが、
原子炉を１００％定格出力運転での最大出力密度は、約
１６〜１８ｋＷ／ｆｔである。

すなわち出力密度をＰＣＩがおこる出力密度をＰＣＩが
おこる出力密度より約１０ｋＷ／ｆｔ上昇させねばなら
ない。

ところが比較的高い出力レベルで制御棒を引き抜くこと
は局所的に急激に出力密度の上昇をもたらす。

このように数秒間に数ｋＷ／ ｒ ｔの出力密度の上昇
は、炉心のどの部分でも臨界上昇率を大きく逸脱し、被
覆管の損傷をきたす危険性がある。

したがって、緩慢な出力密度の上昇を行っていく必要が
ある。

ところが、ＰＣＩがおこらないように出力上昇する場合
、原子炉出力は所望の最大出力レベルに１回の単調な出
力上昇で達成することは不可能である。

そのため、従来は、試行錯誤的に制御棒の中間パターン
（中間制御□□棒パターンという）の選定を行なうこと
によって、所望の最大出力レベルまでの原子炉燃料の調
整を行っているが、このように試行錯誤的に明確な方針
なしに制御棒の選定を行うとすると、調整に極めて長い
時間が必要となり、原子炉の稼動率の著しい低下を招く
ことになる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは効果的な制御棒の中間パターンの選定
を行い、燃料調整に要する時間を短縮化することにより
、原子炉燃料の最適調整方法を得ることにある。

以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。

第１図は沸騰水形原子炉システム図を示す。

原子炉１内部の炉心２は冷却材１人で冠水されている。

制御棒３は制御棒選択制御装置５による制御棒駆動装置
４によって駆動され、炉心２に挿入したり、炉心２より
引抜いたりする。

原子炉１内部の冷却材１Ａは再循環ループのポンプ６に
よって循環させ、炉心２内部の流量を変化させている。

原子炉１内部に発生する蒸気１Ｂはタービン７を駆動し
、直結の発電機８で発電している。

タービン７の復水は給水ポンプ９による原子炉１へ給水
に供されている。

原子炉１の出力は、炉心２より制御棒３を引抜いたり、
挿入したり、制御棒３の位置によって制（財）される。

さらに、原子炉１の出力は、再循環ループのポンプ６に
よって、炉心２内部の流量を変化させることによって制
御される。

原子炉１の内部炉心２には、第２図に示す、多数の燃料
要素２０が装荷されている。

これら燃料要素２０は円筒状の被覆管２１内部に多数の
ペレット２２を収納している。

ペレット２２の上部には発生ガスを貯留させるプレナム
２３を設けている。

このプレナム２３を貫通してばね２４を設け、ペレット
２２を押えている。

被覆管２１の上端は上端プラグ２５で、下端（才下端プ
ラグ２６で密封されている。

第３図に燃料要素２０の断面図を示す。

原子炉冷態時のペレット２２の等価半径寸法をｒで、被
覆管２１とペレット２２との間隙寸法ｄをもたせである
。

従って、制御棒３を駆動したり、再循環ポンプ６による
炉心流量を変えることによって、原子炉１出力を上昇さ
せていく場合、すなわち、燃料要素２０の出力密度を上
昇させると、第４図に示すように、ペレット２２の方が
被覆管２１より熱膨張による径の増加が太さい。

ＰＣＩのおこる出力密度Ｐ。

をこえるとペレット２２は被覆管２１を押し拡げるよう
にして熱膨張を行う。

そのため、ＰＣＩのおこる出力密度Ｐ。

以上の出力密度に急激に上げると被覆管２１は第５図に
示すような損傷５０をおこしてしまうこ吉となる。

従って、出力密度Ｐ。

以上ではペレット２２の熱上昇を緩慢にして、被覆管２
１を緩慢に押し拡げていくこさが必要である。

そのため、第６図に示すように、被覆管２１が損傷５０
をおこさないように、制（財）棒３の操作と再循環ポン
プ６による炉心２の流量変化とによって、ゆっくりと出
力密度を上昇させながら原子炉出力を上昇させていくと
、定格出力の高々約８０％出力しか達成できないことに
なってしまう。

これは、炉心２の流量のみて上昇しうる出力密度は約５
〜７ｋＷ／ｆｔであるためである。

よって前述のように、所望の出力レベルを１回の操作だ
けでは達成することができないことにもなってしまうの
で、次のようにして、燃料要素２０の最適調整を行う。

まず、第７図口に示すように、ある定格炉心流量で定格
出力を達成出来る制御棒の目標パターン（ターゲットパ
ターンという）Ｔを三次元核熱水力計算コード等により
決定する。

これは第γ図イに示すように、開側１捧を炉心中心方向
より外側に同心円柱状にいくつかの領域に分割する。

この分割の仕方は、できるだけその領域が炉心中央を中
心として４５°、９０°又は１８０°回動した際対称と
なり、かつ、できるだけ外周が円に近い方が望ましい。

又、それらの領域は、中心より数えて２〜３本の制御棒
を含む幅をもっているのが望ましい。

沸騰水形軽水炉の場合は、通常、ＰＣＩのおこらない最
高出力に達する以前に、約７０％の制御棒は、全部引抜
くか、もしくは極く浅くしか挿入されていない状態とな
り又そのときはすてに制商Ｊ棒は、はぼ１列おきのチェ
ッカーボード状にしか挿入されない形となるため、ター
ゲットが決定されればそれに伴い二次的に決定される。

即ち、炉心中心部の深く挿入されている制御棒の領域を
第Ｔの制候棒領域とする。

第１領域の外側の次に深く入っている制（財）棒の領域
を第■領域とし、残る外側を第■領域とする。

このようにこの例では第１、第…、第■のように３つの
領域に分割している。

次に第７図の二、へに斜線で示すように、中間制御棒パ
ターンＣＲ１，ＣＲ２を決定する。

ここでＣＲ１は、第７図ハに示すように領域■及び■の
制御棒をターゲットパター２１以上に引き抜いたパター
ンであり、ＣＲ２は領域■をターゲットパター２１以上
に引き抜いたパターンである。

このＣＲ１では基本的には、領域Ｉ、ＩＩＩの制御棒を
ターゲットパターンＴよりどれだけ引き抜くかを決定す
るだけでよい。

その引抜き位置も次の決定基準に留意すれば容易に決定
することができる。

〔決定基準〕

（１） 該当する制御棒をすべてターゲットパターン
Ｔより１単位位置（以後ノツチという。

）以上引き抜く。

（２）同一領域内の該当する制御棒の引き抜き度の順序
を守る。

後述するように同一領域内の制御棒も異ったノツチ位置
を有する。

（第１０図参照）即ちたとえばターゲットパターンＴで
の制御棒Ａ（図示せず）が制御棒Ｂ（図示せず）より深
く挿入されているときはＣＲ１では制御棒Ａが制御棒Ｂ
より引き抜かれる形となること・へ を避ける。

（３）各制御棒のノツチ位置は２ノ′ノ千以上間隔をあ
ける。

（後述の第１０図参照）（４）燃料の濃縮度、可燃毒物
の量等の軸方向分布及び、制御棒が全引抜きなるときの
中性子束分布などによって、制御棒をある位置におくと
、出力分布に歪みを生じたり、熱的制限値が厳しい等の
好ましくない位置（これはターゲット決定のための予備
計算、又は、実際の運転の経験より容易に推測される）
などを避ける。

（５）ターゲット位置より制御棒の全長のＨ以上引き抜
かない。

これは、制御棒の全長のに以上の差をもたせると、燃料
の軸方向出力分布が犬ぎく変化しすぎて、好ましくない
結果をもたらす事が多いためである。

以上の基準が満されるように制御棒の引き抜き位置を定
める事は、制御棒の挿入位置が軸方向に２５個の位置と
いう、段階的な位置しかとれないことより、容易に決定
できる。

ＣＲ２についても同様に行う。

本発明による原子炉燃料の最適調整方法について説明す
る。

第８図は最適調整方法の運転手順のプロセス図を示す。

〔手順〕

（ａ） 炉心流量最低状態で、制御棒引抜きにより出
力を上昇させる。

手順は、第８図、Ｚ−Ａに相描する。

即ち、制御棒全挿入の原子炉停止状態Ｚより、制御棒引
抜きを行い、第７図二に示したように、第１■領域の制
御棒をターゲットパターン以上に引き抜き、第Ｈ領域を
ターゲットパターンより深く挿入した先述のＣＲ１パタ
ーンを達成する。

この詳細手順は、全制御棒全挿入より、まず均等に約半
数の制御棒を全引抜とし、そののち主に第１、第■領域
の制御棒をＣＲ１の位置まで徐々に引抜く。

その途中では定期的に、又は。任意に三次元出力分布計
算を計算機（プロセス計算機）におこなわせてＰＣＩの
おこる出力密度に達していないかを確認する。

第１、第■領域の制御棒をターゲットパターン以上に引
き抜きおわるまえにエンベロープに達することは殆んど
ないがＸｅ （キセノン）の挙動により達したときは、
数時間待つか、その間に第…領域の制御棒を主に抜くか
してＸｅの挙動をみながら、徐々にターゲ゛ントパター
ン以上に引き抜くことができる。

制御棒を引き抜いて、出力を上昇させ、制御棒がエンベ
ロープ以下の出力密度ではこれ以上引き抜けなくなった
段階では終了する。

その点が第８図のＡ点である。

（ｂ） 炉心流量を増加させて、出力を上昇させ、一
定時間その出力を維持する。

炉心流量を増加させるには再循環ポンプ流量（強制循環
流量）を増加させればよい。

流量増加率に対する出力の増加率は、経験的又は計算上
からもわかっているので出力上昇率を臨界上昇率ＵＩ、
（ＰＣＩによる燃料損傷をおこすとみられる出力上昇率
）以下に制御するのは容易である。

そして、出力がターゲットパターンＴの炉心流量最下限
値で示すと思われる出力（第８図Ｅ点での出力）以上の
第８図に示すＢ点となったとき、一定時間維持する。

（ｃ） 第８図Ｂ点より炉心流量を最下限まで短時間
に減少させて、制御棒パターンを組みかえる。

第８図Ｂ点より炉心流量を最下限まで短時間に減少させ
るとそれに応じて出力が低下するが炉心流量最下限値で
の出力はキセノン（Ｘｅ）の毒作用によって、Ａ点で記
録した出力よりも低出力となる（第８図Ｘ点）。

この状態で制御棒をＣＲ１のパターンより、ＣＲ２の状
態に組みかえる。

この方法は次のようである。

まず、第１．Ｉ［Ｉ領域の制御棒をターゲット以下とし
、次に第…領域の一部の制御棒をひき抜いては、第１１
第■領域の制御棒を挿入する。

この手順をくりかえすことによって組みかえは可能であ
る。

第…領域内での引抜き順序はなるべく、ＣＲ２で浅くし
か挿入されない予定の制御棒を早い時期に引き抜く、次
いでだんだん深く挿入されるべき制御棒を引き抜くよう
にする。

勿論途中三次元出力分布計算も参考にして引抜く。

このような方法がエンベロープ以内で可能である。

これは次の２点より理解出来る。即ち、第１にはキセノ
ンの毒作用を発揮して出力を炉心流量減少時より約１２
〜１５ｈｒはＡ点における出力以下に押えておくこと、
第２には、第８図のＢ点での学習出力密度もエンベロー
プの一員に加えることが出きるため、エンベロープが拡
張されていること。

この組みかえが終了したとき出力はＡ点とほぼ同様の出
力レベルに達する（第８図の０点）。

（ａ） （ｂ）と同様の手順をここでくりかえす。

（第８図り点で一定時間出力の維持を行う。

）（ｅ） 再び炉心流量を最下限までさげて制御棒を
ターゲットにあわせる。

炉心流量を最下限まで減少させることによって、出力は
第８図Ｘ点とほぼおなし、Ｆ点まで下がる。

このあと、まず、第■領域の制御棒をターゲットまで挿
入し、そののち、第１、第■領域の制御棒を引き抜き、
ターゲットにあわせる。

この手順で出力は第８図Ｅ点からＥ点に移る。

（ｆ） 再び第８図Ｅ点より（ｂ）の手順を繰りかえ
し第８図Ｅ点で一定時間出力の維持を行う。

以上の手順（ａ）〜（ｆ）によって、その後の運転で燃
料がＦ点に於る出力密度分布までは急速に出力を増減し
ても燃料損傷の極めて少い運転が保証される。

こ＼では、ＣＲ１パターンの後ＣＲ２パターンを実施し
ているが、この逆のＣＲ２パターン後ＣＲ１パターンを
行ってもよい。

第９図は運転手順に対する原子炉出力の状態を日数の経
過と合わせて示している。

第１０図は第７図の制御棒パターンの具体例を示す一実
施例である。

所望の最大出力レベルを達成するパターン、即ちターゲ
ットパターンＴを第１０図イに示す。

ここで日中に示される数字は制御棒の全ストロークを４
８としたときの引抜き割合、即ち、口のとき医引抜乃）
れていることを示す。

又、全引抜き制御棒（即ち、ｎ＝４８）は空白で、区は
全挿入制御棒を示す。

第８図、第９図に示される手順（ａ）で達成された制御
棒パターンは第１０図口であり、この手順（ａ）に２日
を要しているのは、このときの原子炉が長期炉停止状態
にあり、燃料中のキセノン蓄積もまったくなく、出力が
低いにもかかわらず局所出力係数も大きいので、キセノ
ンの蓄積をまって出力を上昇するためである。

従って調整開始前に、このターゲットパターンＴとは、
別の制御棒パターンで運転しているときのように、キャ
ノンの蓄積が期待できるときは手１＠（ｃ）や（ｅ）の
ように、手順（ａ）に要する時間は３〜６時間でよい。

第１０図口のパターンで炉心流量を約７５％定格流量ま
で上昇して、６５％定格出力まで到達している。

臨界上昇率ＵＬはこの例では約０．０６（Ｋ Ｗ／ ｆ
ｔ ）／ｈ ｒである。

ターゲットパターンでは炉心流量最下限においての出力
は６０％定格と予想されるため、約１０％の余裕をみて
いるものである。

そののち炉心流量を急減させて最下限付近とし、手順（
ｃ）の制御棒の組みかえに要する時間は６時間である。

このときの制御棒パターンは第１０図ハに示すものであ
る。

再度流量を約７５％定格流量まで約０．０６ ＫＷ／
ｆ ｔ／ｈ ｒの上昇率で出力を上昇し、６５％出力で
約１２時間維持し再び流量を下げ、制御棒パターンをタ
ーゲットパターンに組みかえに要する時間は２．５時間
である。

そののちこの出力密度がキセノンの毒作用により、どの
程度変化するかをみるため、約１２ｈｒ監視しエンベロ
ープを超えないことを確認し、出力が０．０６ＫＷ／
ｆｔ／ｈｒの上昇率で増加するように炉心流量を調節す
る。

そして１００％出力１００％流量を達成し、約１２ｈｒ
の出力維持を行い出力の調整を終える。

出力密度の上昇、及びエンベロープを超えないか否かに
ついては三次元出力分布計算を定期的に又は、任意時に
行って監視している。

それ以後急激な出力の上昇下降を次のように行っている
が、調整中は勿論それ以後の運転でエンベロープ以下で
行っているため、燃料破損が発生したか否かを検知する
排ガス放射能レベルの上昇は全く見られない。

更にＣＲ１パターン、ＣＲ２パターンにおいて、１２ｈ
ｒ維持後第８図、第９図のＢ、Ｄ点の出力密度分布をＥ
点での出力密度分布と比較しているのが第１０図二、ホ
である。

図中口部がＥ点での出力密度がＢ点又はＤ点の出力密度
より小さい部分であり、Ｅ点での出力密度分布をＰ（Ｅ
）ｉｊｋとし、Ｂ点、Ｄ点でのそれをＰ（Ｂ）ｉＪｋ、
Ｐ（Ｄ）・ ｋとすると、Ｄ点での調整終了後のエンベ
ロープをＩＰ（Ｂ、Ｄ）ｉｊｋとすると 炉内のすべての局所位置でＰ（Ｂ、Ｄ）ｉｊｋ＞Ｐ（Ｅ
）ｉｊｋがみたされたことが確認される。

すなわちＢ点及びＤ点を経過することにより、炉心のす
べての点でこの不等式が成立する。

これ等の関係を第１１図に示す。

曲線１００はＣＲ１パターンの出力密度、曲線１０１は
ＣＲ２パターンの出力密度、曲線１０２はＣＲ，とＣＲ
２とのエンベロープとしての学習出力密度、曲線１０３
はターゲットパターンの出力密度である。

この出力密度特性より明らかなように、学習出力密度は
ターゲットパターンの出力密度を超えているわけで、第
８図に示す手順（ｆ）の本格的な原子炉出力上昇に先立
ち、燃料要素のＰＣＩの十分な学習が完了していること
を示すものである。

炉心の中間制御棒パターン設定のための他の実施例とし
て、第１２図に示すように、炉心を４分割以上の偶数の
扇形状に領域分割を行っている。

この領域分割に対する運転手順とそれに伴う出力密度の
ＰＣＩ学習効果は、第７図の実施例の場合と同様に原子
炉燃焼の最適調整が可能である。

以上の原子炉燃料の最適調整を計算機に行わせるために
、前記のように第８図に示す最適調整の運転手順をプロ
グラム化し、更に臨界上昇率ＵＬとエンベロープを計算
機に記憶しておき、定時又は運転員の要求に応じて三次
元出力分布計算を行い、エンベロープと現在の出力密度
分布とを比較し、現在の運転が最適調整の運転手順中の
どこにあるかによって、適切と思われる判断結果を運転
員に知らせる機能を計算機にもたせることは燃料調整に
とって極めて有効である。

何故なら、沸騰水形原子炉では長さ１２ｆｔ（約４ｍ）
の燃料要素、例えば燃料要素を７×７のマトリックス状
に束ねて燃料集合体を構成し、３６８体の燃料集合体で
炉心の燃料を構成している。

ここで、燃料要素に内蔵されるペレットは、高さ約１イ
ンチのものが使われているが、ここで全ベレット数は（
３６８Ｘ７Ｘ７Ｘ１４４より）数百刃側となる。

これら１つ１つのペレットノ出力密度の上昇速度や、エ
ンベロープと比較する作業は、とても人間の手に負える
ところではない。

以下にこの運転指導機能を発揮させるための計算手段に
ついてのべる。

まず、原子炉が現在最適調整の運転手順中のどれに相当
するかを判断する。

これは、原子炉起動時にリセットするか又は運転員がど
の手順を行っているかを入力する方法によって可能であ
る。

手順を大別すると制御棒位置調整と炉心流量増減に大き
く分かれる。

制御棒位置調整の場合は、現在の状態が炉心のどの局所
的位置でもエンベロープを超えていない事を確認し、次
に引抜き予定の制御棒を指定又は自動的に捜すことによ
って見出し、この制御棒を１７ソチ引き抜いても、引き
抜きによって生ずる出力密度変化がエンベロープを超え
ることがないかを調べる。

この調べ方は、最も大きな変化を示す燃料の軸方向位置
（即ち、制御棒動作前は、制御棒によって出力を抑制さ
れており、動作によって抑制を解かれる制御棒に隣接す
る燃料集合体の軸方向位置）の変化分を予測することに
よって、大部分引き抜きの可否は決定される。

そこで、制御棒引抜前の最大出力密度ＰＩ（Ｋ） （た
だしＫはノード番号１から２４の値をとる。

）、制御棒引抜後の最大出力密度をＰ２（Ｋ）とする。

ノードにでの出力変化が最も大きいと仮定し、引き抜き
後のノードにでの出力密度と、そのすぐ上のノードの引
き抜き前の出力密度の比をｃＫとすると、Ｐ２ （Ｋ）
二ＣＫ−Ｐ１（Ｋ＋１）Ｋ＝１〜２３゜このｃＫは、燃
料の軸方向濃度分布や、燃焼度分布、更には可燃性毒物
（ガドリニウムなど）の分布によっても変化するが、そ
の最大値をＣｍａＸさすれば引き抜き後のＰ２（Ｋ）は
引き抜き前のＰｌ（Ｋ＋１）をもちいて、Ｐ２（Ｋ）≦
Ｃｍａｘ” Ｐｌ（Ｋ＋１）とあられせる。

従って、エンベロープＩＰ （Ｋ）が次の式１式％（） （） よって、制御棒引き抜きの可否は、上記（ω式を満すか
否かが第１条件として比較される。

同様に近接のノード、近接の燃料集合体についてもこの
上記Ｃｍａｘに類する係数及び関係を与えておき、これ
らを乗じてのち、エンベロープを超えるか否かを比較す
ることによって制御棒引抜きの可否が判定される。

炉心流量増加による出力上昇段階においては、炉心流量
の増加は再循環ポンプの流量と、そのときの炉出力の関
数として表わせるので臨界上昇率ＵＬ以下の出力増加に
押えるために再循環ポンプの流量をどれだけ上昇させる
ことができるかを決定するのは容易である。

更に、これらの予測と別に例えば数時間にわたっての実
績より流量増加率を修正するなどのフィードバックをか
ける機能などが付加される。

このようにして下された正しい運転の為の助言の判断は
、適切な形で運転員に種々の表示装置によって指示とし
て出力される。

この計算機の導入によって運転がより容易になるばかり
でなく、より正しい燃料調整が出来、より一層燃料破損
の防止に貢献する。

前記計算機においては、定期的に又は運転員の要求によ
って計算される時点でのみ出力上昇率に対するチェック
と修正がなされるとしているが、出力密度を計算した時
点での炉内外に配置された中性子検出器の指示と、その
中性子検出器まわりの出力密度の間の関係を求めて出力
密度がエンベロープをこえるとみなされる中性子検出器
の読み、又は臨界上昇率以下に設定された制限上昇率に
みあった中性子検出器の読みの増加率を予測することに
よって、次の三次元出力分布計算を行うまでの監視を行
い、もしそれらの制限値を超えたときは、警報を発し操
作阻止ロジックを励磁させる方法をとることも容易にで
きる。

その１例を以下に示す。

例えば、炉内中性子検出器束が炉心に複数個設置され、
更にこの１つの検出器束は軸方向に複数個の検出器によ
って構成されている沸騰水形原子炉においては、各検出
器より各燃料集合体までの距離によって中性子検出器の
よみで各燃料集合体の出力密度を代表させる。

従っである中性子検出器りに代表される燃料集合体のノ
ードの集合を５（Ｌ）とする。

このとき、５（Ｌ）に含まれる各ノード（ｓ）の出力密
度をＰ（ｓ）とし、そこまでのエンベロープをＰ（ｓ）
Ｐ（ｓ） とするとき、Ｋｌ （Ｌ）二ｍｉｎ −とする。

Ｐ（ｓ） 中性子検出器りの現在に最も近い三次元出力分布時のよ
みをＲ（Ｌ）とすれば、警報設定値令（Ｌ）は介（Ｌ）
−に１ （Ｌ）・Ｒ（Ｌ）として与えられる。

次に、出力上昇における臨界上昇率ＵＬにみあう中性子
検出器のよみの増加率の予測の例を示す。

前述と同様に５（Ｌ） 、 ｓ 、 Ｐ（ｓ）を定義し
、臨界上昇率をｍＫＷ／ｆｔ／ｈｒとするとき に２＝ｍｉｎ（１＋ ） ×Ｔｏとする。

Ｐ（ｓ） ここでＴ。

は定期的に実行される三次元出力分布計算の間隔（時間
）である。

上のようにに２を決定するとき三次元出力分布計算を行
った時刻をもってｔ二〇とし、ｔｈｒ経過後の出力上昇
率に対する中性子検出器の警報設定値は、 Ｒ（Ｌ、ｔ）＝に２・Ｒ（Ｌ）・ｔによって与えられる
。

このようにして三次元出力分布を計算していないときの
チェックもできる方法である。

斯して、本発明の原子炉燃料の最適調整方法は原子炉燃
料の調整期間は従来−ケ月以上かかつていたものが長期
炉停止後でも最大で約１７日間あれば定格出力に到達す
ることができる。

燃料が調整されて運転されることによって、燃料損傷が
極めて少くなるので、定期検査時の作業が早く終了し、
又、作業員の放射線被ばく量も減少し、ひいては大気中
に放出される放射能が極めて少くなる。

従来のように中間制御棒パターンを試行錯誤的に選定し
ていたときには、その中間パターンの是非を何十回とな
く、オフライン熱水力コードでチェックする必要があっ
たが、本発明ではＣＲ１゜ＣＲ２のパターンを設定した
とき、数回安全を確かめる意味で行うだけでよい。

前記のように調整期間の短縮さ調整精度を向上させ、原
子炉の熱供給能力（発電用であれば給電能力）を適確に
予測することができ従来のように燃料調整中は他のエネ
ルギー供給機関（たきえば火力、水力等）等も含めた供
給計画がたたないといった不都合がなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水形原子炉システム図、第２図は代表的な
燃料要素の部分断面図、第３図は第２図に示す燃料要素
を■−■で切断する断面図、第４図は被覆管内径とベレ
ットとの出力密度に対する熱膨張による径の増加を示す
特性図、第５図はペレットの熱膨張により被覆管がその
応力に耐えられず亀裂を生じて損傷する例の図、第６図
は被覆管が損傷をおこさない程度に出力密度をゆるやか
に上昇させていくときの原子炉出力状況図、第７図のイ
は原子炉炉心を炉心の中心よりの同心円で輪ぎりに領域
分割を行う実施例図、口はイの領域分割における所望の
最大出力レベルを達成する制御棒パターン実施例図、ハ
、二、ホ、へは中間制御棒パターン実施例図で、ハ、二
はＣＲ１パターン、ホ、へはＣＲ２パターンの場合であ
る。 ト。チはＣＲ１パターンとＣＲ２パターンによって、タ
ーゲットパターンが学習出力密度と学習期間とを完了し
たことを示す図、第８図は原子炉燃料の最適調整の運転
手順のプロセス実施例図、第９図は運転手順に対する原
子炉出力の状態を日数の経過と合わせて示す実施例図、
第１０図イは第１図の領域分割における所望の最大出力
レベルを達成する制御棒位置を示す実施例図、口はＣＲ
１パターンの制御棒位置を示す実施例図、ハはＣＲ２パ
ターンの制御棒位置を示す実施例図、二は第８図のＢ点
とＥ点との出力密度の比較図、ホは第８図のＤ点とＥ点
との出力密度の比較図、第１１図はターゲットパターン
の出力密度と達成されている学習出力密度との関連を示
す図、第１２図は炉心を４分割以上の偶数の複数の扇形
状に領域分割の他の実施例図である。 ２０・・・・・・燃料要素、２１・・・・・・被覆管、
２２・・・・・・ ペレット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管状の被覆管に円柱状のベレットを内蔵してなる燃
   料要素と、この燃料要素の出力を制御する制御棒と、炉
   心を通過する冷却材の流量を制御する再循環ループとを
   有する沸騰水型原子炉において、燃料要素を所望の最大
   出力レベルまで出力を上昇させるために炉心を複数の領
   域に分割設定し、前記所望の最大出力レベルにおける制
   御棒位置をターゲット位置古してあらかじめ定め、出力
   上昇に伴う燃料のベレット対被覆材相互作用を起さない
   範囲で出力を上昇させ、各々の燃料棒をターゲット位置
   の出力密度以上の学習出力密度にし、その後一定時間の
   学習時間を維持させながら以下の手順を基本要素として
   、運転途上状況の確認判断をしながら、後続の急速な出
   力変化にも順応するようにしている原子炉燃料の最適調
   整方法。 （イ）ヨ次元核熱水力計算コード等により所望の最大出
   力レベルにおける熱的制限値を満す制御棒位置をターゲ
   ゛ント位置としてあらかじめ設定する。 （ロ）前記ターゲット位置をもとに、炉心の複数の領域
   分割の制御棒の中間パターンを定め、炉心の一部の燃料
   棒を燃料ベレット対被覆材相互作用を起さない範囲で炉
   心流量を変化させながら出力を上昇させ、これら炉心の
   一部の燃料棒を出力密度以上にすることによってこの出
   力密度を学習させ、その後一定時間維持させることによ
   って学習期間をもたせ、その後炉心流量を急激に減少さ
   せて出力をさげる。 （／→ さらに必要ならばここに示す操作を１回以上く
   り返す、すなわち前記ターゲット位置をもとに、炉心の
   複数の領域分割の制（財）棒の他の中間パターンを定め
   、炉心の残りの燃料棒を燃料ペレット対被覆材相互作用
   を起さない範囲で炉心流量を変化させながら出力を上昇
   させ、これら燃料棒の出力密度をターゲット位置の出力
   密度以上にすることによってこの出力密度を学習させ、
   その後一定時間維持させることによって学習期間をもた
   せ、その後炉心流量を急激に減少させて出力をさげる。 に）制御棒位置を前記ターゲ゛ント位置に設定し、炉心
   流量を変化させながら、前記燃料ペレット対被覆材相互
   作用を起さない範囲で出力を上昇させ所望の最大出力レ
   ベルを得る。 ２ 炉心の複数の領域分割法は、炉心を炉心の中心より
   の同心円で輪ぎりに領域分割を行うことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の原子炉燃料の最適調整方法。 ３ 炉心の複数の領域分割法は、炉心を４分割以上の偶
   数の複数の扇形状に領域分割を行うことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の原子炉燃料の最適調整方法。 ４ 運転途上状況の確認判断法は、前記最適調整の運転
   手順を計算機にプログラム化し、さらに臨界上昇率およ
   びエンベロープを計算機に記憶しておき、定時または運
   転員の要求に応じて三次元出力分布計算を行い、エンベ
   ロープと現状の出力密度とを比較し、最適調整の運転手
   順のどの段階にあるかによって確認判断し、その結果を
   報知していくことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の原子炉燃料の最適調整方法。 ５ 運転途上状況の確認判断（Ｊ、計算機による出力密
   度の算出と同時に中性子検出器等による原子炉出力指示
   と、これにもとづく出力密度との関係を求めて、出力密
   度がエンベロープをこえると予測される原子炉出力指示
   の増加率を予測し、次の三次元出力分布計算を行うまで
   の監視を行い、もし制限値を超えるとぎは報告し、制御
   棒操作を阻止させるようにしていくことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の原子炉燃料の最適調整方法。