JPS597295A - 原子炉燃料棒健全性監視装置 - 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】 本発明は、原子炉に装荷されている燃料棒の出力変化時
に、燃料ペレットと神覆管との相互作用による被覆管損
傷をひきおこさないよう、燃料棒の健全性を監視する装
置に関するものである。

以下、沸騰水型原子炉を例にとって説明する。

燃料棒被覆管の損傷の一つには、出力上昇時、燃料ペレ
ットと被覆管の相互作用により被覆管に過大な応力ある
いは歪が発生することにより生じるものがある。

原子炉の出力を上昇略せると、燃料棒の燃料ペレットの
温度が上昇し、燃料ベレットの熱膨張により製造時に設
けられていた燃料ベレットと被覆管の間のギャップが狭
められる。燃料棒の線出力密度がある暗に達すると、こ
のギャップが無くなり、燃料ベレットと被覆管の間に機
械的相互作用が働らき始める。きらに原子炉の出力を増
加させると、機械的相互作用が強くなり、被覆管に機械
的相反作用による応力および歪が発生する。

原子炉の出力上昇時に燃料棒被覆管に過大な応力および
歪が発生するのを防止するため、従来、制御棒操作は燃
料棒線出力があらかじめ設定されたしきい線出力以下の
範囲でのみ許され、燃料棒被覆管がしきい線出力を越え
ると流量制御によりあらかじめ設定された臨界値以下の
線出力上昇速度で徐々に出力を上昇させるような原子炉
出力上昇方法が採用されている。

従来の方法の欠点は、（ａ）原子炉の運転中、とくに、
出力上昇時に燃料棒の線出力をどのレベルまで上昇させ
ても燃料棒に損傷が生じないかについての情報を提供で
きないこと、（ｂ）シきい線出力が燃料棒の損傷を防止
するため十分余裕を見込んで低目に設定されており、出
力上昇時に連続して行ないうる制御棒操作の許容範囲が
狭く、必要な制御棒パターンの構成に長時間を要し、し
た７５；って、原子炉の出力上昇に約１週間の日数を要
し、原子炉の稼動率の低下を余儀なくされていること、
にある。

本発明は上記に鑑みてなさ７’したもので、その目的と
するところは、原子炉の運転中、とくに出力上昇時の燃
料棒の損傷発生確率を予測し、燃料棒の健全性を監視装
置を提供することにある。

本発明の第１の特徴は、原子炉・炉心性能計算機の出力
量である燃料集合体の出力分布および燃焼度分布のデー
タを使用して、燃料棒の温度分布、応力分布、歪分布、
核分裂生成物濃度分布等の燃焼挙動ｆ、計算する燃料棒
燃焼挙動計算装置と、上記の計算値と燃料棒被覆材に対
する温度、応力、歪、核分裂生成物濃度と損傷発生確率
の間の実験的相関式とを使用して燃料棒損傷発生確率を
算出する燃料棒損傷発生確率計算装置と、上記燃料棒損
傷確率を表示する損傷発生確率表示装置とで構成した点
にある。

第２の特徴は、さらに、制御棒操作に対する燃料集合体
の出力分布の変化を予測する原子炉出力分布予測＠置を
追加し、この原子炉出力分布予測装置により予測した上
記燃料集合体の出力分布のデータを使用して、前記燃料
棒燃焼挙動計算装置および前記燃料棒損傷発生確率計算
装置で計算した燃料棒構ｆ需発生確率を前記表示装置で
表示できるようにした点にある。

以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。

第１図は燃料棒の縦断面図である。燃料棒２１は、被稼
管２２内に多数の燃料ベレット２３を積み獣ね、被覆管
２２の上下両端は端栓２４，２５を溶接して密封構造と
しである。燃料棒２１の上部には、核分裂により生成さ
れたガスを蓄積するカスプレナム２６が設けてあって、
このガスプレナム２６内に設けたコイルバネ２７により
、燃料ペレット２３を上部から押えつけている。

燃料棒被覆管の損傷についての種々の試験お上び解析を
実施した結果、次のような状況において被覆管に損傷が
発生することがわかった。

（ａ）　　被覆管に臨界値を越える応力を加え、か２、
被覆管を臨界（４度を越える腐食性物質にさらした場合
、 （ｂ）　　被覆管に臨界値を越えろ過大な歪を発生させ
た場合、 （Ｃ）　　被覆管に外力を加え次に外力を取り除くとい
う操作を多数回操り返し、その応力変化のサイクル数が
臨界値を越えた場合。

上記（ａ）の場合においては、被覆管の損傷発生に要す
る時間は、第２図に示すように、被覆管に加えた応力が
大きいほど憩１かく、また、腐食性物質たとえばヨウ素
等の濃度が旨いほど短かい。被覆管の損傷の度合を表わ
す指標（以下、Ｉｓ力属食損傷指標とよぶ）を次式で定
義する。

ここで、ｆ、は応力腐食損傷指標、Δｔ〔σ、（７）〕
は被覆管応力σ、腐食性物質ｍの被覆管表面における濃
度錆の状態の持続時間、ｔｙ［ＩσｒＯｎ〕は被覆管応
力σ、腐食性物質ｍの被覆管表面における濃度−のとき
の被覆管の損傷発生に要する時間、Σは持続時間Δｔ〔
σ、ｃ（Ｍｉ））についての総和である。応力腐食損傷
指標ｆ、が１を越えれば被覆管に損傷が発生する確率が
高く、ｆｌが１未ン岡のときは被覆管に損傷が生じる確
率は小さい。損傷発生に要する時間の実験データによる
バラツキを考慮すると、４Ｊ１ｔＪ％確率Ａ、は次の関
係式で表わされる。

Ａ＋　　−ｇ＋　　（ｆ　ｔ　）　　　　　　　・・・
・・・・・・（２）ここで、ｇ（ｆ＋）は被覆管の種類
に応じて実験的に決定することができる関数であり、例
を第３図に示した。

」二記（ｂ）の場合においては、被覆管の損傷発生の伺
；率Ｖよ、第４図に示したように、被覆管に生じた塑性
歪が増加するほど増力１１の傾向を示す。過大な歪発生
による被覆管の損傷（以下、過大全損傷とよぶ）の確率
Ａ、と塑性歪の関係は、次式で与えられる。

Ａ　ｔ　　＝　ｇ　ｔ　　（’　”’　Ｉ　　　　　　
　　・・・・・・・・・（３）ここで、ｇ２（εｒ′１
）は塑性歪εｐ１に利して被覆管に損傷が発生する確率
であり、実験的に決定されるものである。

上記（Ｃ）の場合においては、被覆管の損傷発生に要す
る応力代Ｉイクル数は、第５図に示シ７フζよりに、被
覆管に加えられるｌら力が大きいほど減少する。

応カザイクルによる被覆管の損１塙の度合を表わす指４
ｒ、！　（す、下、疲労損傷指標とよぶ）を次式で定義
する。

ここで、ｒ、は疲労指（票、ｎ　（σ）（・まはｒＯ管
１芯力σの応力サイクル数、ＮＦ（σ）（・」、彼！′
！管応力σの応力丈イクルにより被覆管にＪ’ＳＩ傷が
発生したときの１しカナイクル数、Σｋｉ応カサイクル
についての総和である。疲労損傷指標ｆ、が１　ｆ：越
えれば被覆管に損１易が発生する確率が高く、ｆ３が１
未南のときは被覆管に損傷が生じる確率は小さい。

実験データのバラツギを考慮すると、疲労損傷の発生確
率Ａ３は次の関係式で表わされる。

Ａｓ　”　ｇｓ　（ｆｓ　）　　　　　　　　・・・・
・・・・・（５）ここで、ｇ３（ｆ３）は被覆管の種類
に応じて実験的に決定することができる関数であり、そ
の例を第６図に示した。

次に、以上に述べた第（１）〜（５）式を使用して、燃
料棒の損傷発生の確率を算出する方法について述べる。

燃料棒の線出力が与えられると、燃料ベレットおよび被
覆管の熱伝導方程式を解くことにより、燃料ペレノ［・
および被覆管の温度分布が決まる。

次に温度分布から燃料ベレットおよび被覆管の熱膨張量
”が央ｊる。燃料棒を長期間燃焼させると、・燃料ペレ
ット内の核分裂性核種の核分裂により核分裂生成物が燃
料ペレット内に蓄積され、燃料ベレットは体積膨張を示
す。この現象を燃料ベレット・の照射スウェリングと呼
んでおり、実験により照射スウェリング量と燃焼度の関
係式が得られている。燃料ペレット内で生成した核分裂
生成物の一部は・燃料ベレットから放出され、燃料棒の
ガス圧力が上昇するとともに、燃料ペレットと被覆管の
間の熱伝達率に影響を与える。この影響はガスによる熱
伝達率の測定実験から決定されている。

燃料棒の・燃焼度が大きく、かつ、線出力が高い場合、
燃料ペレットの照射スウェリングおよび熱膨張により製
造時に設けておいたギャップが狭められる。線出力がと
くに高い場合には、ギャップが無くなり・燃料ペレット
と被覆管の間に機械的相互作用が生じる。第７図に、出
力上昇時に燃料ペレットと被覆管の間に機械的相互作用
が開始する線出力Ｐｃ０例を燃焼ＩＷの関数の形で示し
た。燃料伸線出力が第７図に示した線出力Ｐｃを越えて
上昇する場合、燃料ペレットと被ｉＳ、管の間の機械的
相互作用により被覆管に応力が発生する。この応力は、
燃料ペレットと被覆管の間の力の釣り合い式を解くこと
により決定できる。牛た、被覆管に生じる塑性歪は、第
８図および第９図に示すように、被覆管の応力をもとに
して決定できる、降伏応力を越えたとき発生する塑性変
形歪と、降伏応力以下で生じるクリープ変形歪のオ［］
で与えられる。

以上述べたようにして燃料棒被覆管の温度、応力、塑性
歪および被覆管表面における核分裂生成物中の腐食性物
質の濃度を決冨すれば、第（１）〜（５）式に示した実
験的相関式を使用して、燃料棒の損傷発生確率Ａを次式
により算出することができる。

Ａ＝１１ｌ−Ａｌｌ（１−Ａり（１−Ａｌｌ）・・・・
・・（６）以上の検討結果から燃料棒被覆管の損傷発生
の確率を燃料棒の出力履歴および燃焼度の関数として決
定することができることがわかる。

なお、第７図で示したように、燃料ペレット・被覆管間
（幾械的相互作用開始線出力Ｐｃは燃料棒の燃焼度に依
存するだけでなく、燃料棒の過去の線出力レベルにも強
く依存する。第７図では、異なる２つの１腺出力に対す
る燃料ペレット・被覆管間機械的相互作用開始線出力Ｐ
ｃ０例を示した。

したがって、燃料棒の応力分布や歪分布および損傷発生
確率は燃料棒の出力履歴および燃焼度に依存して異なる
ため、燃料棒の健全性を監視したり、制御棒操作や流量
制御による制御操作の許容範囲を決定するには、炉心内
の全燃料集合体についての燃料棒損傷発生確率の計算を
実行する必要がある。

第１０図は本発明の装ｊ直の一実施例を示すブロック図
である。第１０図において、３０は原子カプラントの各
測定信号を処理するプロセス計算機、３１は燃料棒の１
品度分布、応力分布、歪分布、核分裂生成物濃度分布を
計にする計算装置、３２は燃料棒の損傷発生の確率を計
算する計算装置、３３は・燃料棒の線出力や損傷発生確
率を表示する表示装置である。

プロセス計算機３０では、炉心１内に配置された中性子
束検出器１７の出力信号、匍■叩欅３の炉心１への挿入
深さを検出する制御棒位置検出器５の出力信−号および
ジェットポンプ７人口と出口との間の差圧を利用して炉
心冷却利流量を測定する流量測定装置１８の出力信号等
を人力として処理し、原子炉炉心１に装荷された燃料集
合体２の出力分布および燃焼度分布を算出する。

燃料棒燃焼挙動計算装置３１ば、電子計算機により構成
してあり、プロセス計算機３０のアウトプットである燃
料集合体２の出力分布および燃焼度分布のデータを入力
として、各燃料棒２１の線出力、燃焼度、温度分布、応
力分布、歪分布および核分裂生成物濃度分布を計算する
。

燃料棒損傷発生確率計算装置３２は、電子計算機により
構成してあり、燃料棒燃焼挙動計算装置３１のアウトプ
ットである燃料棒２１の燃焼度、温度分布、応力分布、
歪分布および核分裂生成物濃度分布のデータを入力とし
て、燃料棒損傷発生確率を計ｐ、する。

燃料棒損傷発生確率表示装＠３３としては、タイプライ
タ−や図形表示機能を有する装置を用いである。

燃料棒２１の損傷発生確率は一定時間経過するごとに周
期的に計算する場合と、運転員の要求により随時計算す
る場合とを考慮しである。

第１１図は時刻ｔにおける燃料棒２１の温度分布、応力
分布、歪分布および被覆管表面の腐食性物質濃度の計算
フローチャートである。第１２図は、時刻ｔにおける燃
料棒２１の損傷発生確率のｉ−ｔ　ｉ、フローチャート
である。ここに、ｉおよびｊは燃料集合体２のＸ座標お
よびｙ座標を、ｋは燃料実合体２の軸方向座標を、ｌは
燃料集合体２内の燃料棒２１を指定する座才票を表わす
。以下、時変１１　ｔにおける燃料棒の損傷発生確率Ａ
＋ｊｋの計算処理法を第１１図および第１２図を用いて
説明する。

まず、中性子束検出器１７で測定さｔｔた中性子データ
を用いて、ステップＳ１で燃料集合体２の出力分布Ｐｔ
１Ｆｌｉ＋１　ボイド率分布Ｖ＋１＊を反復目算によす
ｔｔ算する。また、ステップＳ２で燃料集合体２の燃焼
度分布Ｂ１”ｆｋを増分計算によりｉ’ｆｔ　３１ル、
ステップＳ３でボイド率と燃焼度によって浅才る燃料集
合体２内燃料棒出力分担率「Ｌを言−１算する。

ステップＳ４で、燃料集合体２の出力分布ＰＩｊｋ１燃
料棒出力分担ｇ　ｆ　ｔおよび燃料集合体出力力・ら燃
料棒線出力への変換係数Ｃ２の積として与えられる燃料
棒２１の線出力ＰＩＩｋｔを計算し、さらに、燃料ｎ２
１の燃焼度分布Ｂ＋１ｈｚを増分計算により計算する。

ステップＳ５で、燃料ペレットおよび被覆管の照射スウ
ェリング最εｌ１ｋｔ（γ）を、実験で得られた燃料棒
燃焼度ｆ３ＩＨｋｌの相関式ｆ　８（Ｂ　ｘｈｔ　）を
用いて計算する。ステップＳ６でＶユ、燃料ペレットと
被覆管のギヤツブ幅ｇＨｂｌ接触圧力Ｆ　＋４ｋｔおよ
びギャップ内のガスｍの濃度Ｍゎ＋、ｋ１．の実験的相
関式を使用して、ギャップ熱伝達率１＋１１１．ｚを計
算する。ステップＳ７では、ギャップ熱伝達率ｈ　１ｌ
ｋｌを用いて・燃料ペレットおよび被覆管の熱伝導方程
式を解くことにより、燃料ペレットおよび被覆管の温度
分布ＴＩｊｂｔ（γ）を！ｔ１．Ｌ、さらに温度分布丁
目ｋｚ（γ）により決才る熱膨Ｉｌ長量ｅＩｌｋｔ（γ
）を言十算する。ここで、γｖｊ、燃料ペレットおよび
被覆管の半径方向位置を表わす。ステップＳ８およびＳ
９では、燃料ベレツ）・および被Ｆ３′！管の応力分布
σ＋１ｋｔ（γ）、歪分布ε１ｌｋｔ（γへ塑性変形歪
εｌ’／に／、（γ）およびクリープ変形歪ｅＩｌｋ７
（γ）を反復計算法により計算する。

即ち、１ず最初に燃料ペレットおよび被覆管の応力分布
σ１ｊｋｌ（γ）を適当に仮定し、実験的に決定された
応力と歪の関係式（第８図参照）、応力とクリープ歪の
関係式（第９図参照）を使用して、燃料ペレットおよび
ｗＪ、覆管の塑性変形歪分布ε１ｌｋｔ（γ）、クリー
プ変形歪分布εｌｋ／（γ）を計算する。

次に、燃料ペレットおよび被覆管の熱膨張量ε１１ｋｌ
（ｒ）、照射スウェリング量εｚ＊ｚ（ｒ）、塑性変形
歪分布ε１ｐｌｋｌ（γへクリープ変形歪分布εｌ４ｋ
ｌ　（γ）を使用して、燃料ペレットおよび被覆管の力
の釣り合いを表わす剛性方程式を解くことにより、燃料
ペレットおよび被覆管の応力分布σ１Ｉｋｌ（ｒ）、歪
分布ε＋ｊｋｔ　（γ）を計算する。こうして得られた
応力分布σ１ｌｋｌ（γ）が最初に仮定した応力分布σ
’１ｌｋｌ（γ）に等しいかどうかを判定し、もし等し
くなければ応力分布σ’１ｋｊｉ（γ）を変更して再度
塑性歪分布εｒｊ’ｋｔ（γ）およびクリープ変形歪分
布εＩｊｋｔ（ｒ）を計算しなおす。この反復計算を、
仮定した応力分布σ’１ｌｋＬ（γ）と得られた応力分
布σ１ｌｋｌ（γ）とが近似的に等しくなるまで繰り返
す。ステップ８１０では、燃料ペレット内核分裂生成物
ｍの生成量Ｇ・ｌ１ｋｔを〜燃焼度Ｂ＋１＋＋ｚと核分
裂により物質ｍが生成される割合Ｃ′：　　との積とし
て計算する。また、燃料ペレットから燃料棒内に放出さ
れる核分裂生成物ｍの放出量１（ｍｔ’＋ｈｔを、燃料
ペレット内の核分裂生成物ｍの生成量Ｇ、、Ｉｊｋと、
燃料ペレットの温度分布Ｔ＋１ｈｚ（γ）と燃焼度分布
Ｂ＋Ｈｂｔの関数として実験的に決められた核分裂生成
物ｍの放出率Ｒｍ　（Ｔｚｋｚ　（γ）、Ｂ＋ｊｋｚ　
　）との積として計算する。ステップ８１１で、燃料ペ
レットから放出された核分裂生成物のうち被覆管腐食物
質たとえばヨウ素等の被覆管単位前面積当らの濃度Ｃ１
１ｌｋｌを、燃料棒全長における被覆管腐食物質ｍの合
計と被覆管内面の全長面積８１Ｈｔとの商として計算す
る。

以上の計算のうちステップＳ１からステップ８１０４で
の計算を燃料棒の全軸方向ノードについて実行する。ス
テップＳ１１の計算は、全軸方向ノードについてのステ
ップＳ１からステップ８１０−！での計算が終了した後
実行する。以上の計算により、燃料棒の温度分布、ＴＩ
Ｉｋｔ（γ）、応被覆管表面の腐食性物質１ｎの濃度Ｃ
，＋１ｋｔを全軸方向ノードについて計装することがで
きる。

第１２図において、ステップＳ１２で、燃料棒の被覆管
応力が応力腐食損傷発生の臨界応力σＣを越７えたかど
うかを判定し、もし被覆管応力σｌ１ｋｔ（γＣ）が臨
界１ｂ勾σＣを越えれば、ステップ８１４で、時間増分
Δを間における被覆管応力腐食損傷指標増分Δｆｌ　　
Ｂｋｚを、被覆管応力σＩＪｋｔ（γＣ）と被覆管表面
の腐食性物質ｍの濃度Ｃ＋ｙ＋１ｈｔの関数として実験
的に決められた被覆管の損傷発生に要する時間ｔｒｃσ
１ｌｋｔ（γＣ）、Ｃｍ　ＩＨｂｚｌと時間増分Δｔを
用いで計算する。もし被覆管応力σ＋１ｈｚ（γＣ）が
臨界応力σＣ以下であれば、ステップ８１３において、
被覆前厄、力腐食損傷指標増分Δｆ、　　＋ｊｂｔを０
とおく。ステップ８１５で、時刻ｔにおける被覆管応力
腐食損傷指標を増分引算で計算する。ステップＳ１６で
、被覆管応力腐食損傷発生確率Ａ１＋Ｈｈｚを、被覆管
応力腐食損傷指標ｒｌｌｌｋｔの関数として実験的に決
定された相関式を用いて計算する。ステップＳ　］、　
７において、被覆管塑性歪が過大歪損傷発生の臨界歪ε
Ｃを越えたかどうかを判定し、もし越えれば、ステップ
Ｓ１９で、被覆管塑性歪損傷発の関数として実験的に決
定された相関式を用いて計算する。もし被覆管塑性歪が
臨界歪εＣ以下であれば、ステップ８１８において、被
覆管過大歪損傷発生確率Ａ、目ｋをＯとおく。ステップ
８２０において、被覆管応力が椋太値σ１ｌｋｔ□よ（
γｃｌｔで増加し次に減少して設定値σ。以下になると
いう応力の変化のサイクルが終了したがどうかを判定し
、もし応力変化のサイクルが終了した場合、ステップＳ
２２で、時間増分Δを間における被覆管疲労損傷指標増
分Δｆｌ　　Ｉｊｋｔを、被覆管が受けた応力変化のサ
イクルの最大応力σ１．Ｉｋｔｍａｘ　　（γＣ）の関
数として実験的に決められた被覆管損傷発生に要するサ
イクル数ＮＦ〔σＩｌｋ　ｌ　ｍａｘ　　（γＣ）〕の
逆数として計算する。

もし、被覆管応力の変化のサイクルが終了していない場
合は、被覆管疲労損傷指標増分をＯとおく。

ステップＳ２３で、時刻ｔにおける被覆管疲労損傷指標
を増加計算で計算する。ステップ８２４で被覆管疲労損
傷発生確率ＡＭ　ｌｂｔを、被覆管疲労損傷指標ｆ３１
１ｋｌの関数として実験的に決定された相関式ｇｓ　　
（ｆｓ　＋１ｋｚ）を使用して計算する。

ステップ８２５で、軸方向、ノードＫにおける被覆管損
傷発生４率Ａ＋＋νｔを、被覆管応力腐食損傷発生確率
ＡＩ　　ＩＩｋｔ％被覆管過大歪損傷発生確率Ａ２　ｘ
ｋｔおよび被覆管疲労損傷発生確率ＡＩ　ＩＨｋｔを用
いて計算する。以上ステップ８１２からステップＳ２５
までの！＋−７１：を燃料棒の全軸方向ノードについて
実行する。ステップ８２６では、燃料棒の損傷発生確率
Ａ＋１ｚを、各軸方向ノードの損傷発生確率ＡＩＨｋｔ
を使用して計算する。

以上の計算を炉心内の全燃料集合体について実行する。

ただし　１Ｊｉｔ算時間の短縮をはかるため、燃料集合
体当り数本の代表燃料棒を選び、その燃料棒に対しての
み上記の計算を実行し、その結果を燃料棒の健全性監視
に役立てるのが便利である。

第１１図および第１２図のフローチャートに基づいて計
算した燃料棒の損傷発生確率の例を第１１３図に示す。

第１３図において、燃料棒線出力上昇時、線出力がＰ、
未満のとき燃料棒損傷発生確率には変化が生じず、線出
力がＰｌを越えたとき燃料棒損傷発生確率が増加し始め
る。第１３図において、Ｐ２は従来の制御棒操作が許容
されるしきい線出力を示す。

したがって、実施例の燃料棒健全性監視装置を用いれば
、燃料棒線出力が従来のしきい線出力であるＰ、より高
す線出力Ｐ、に達する１では制御棒操作や流量制御によ
り原子炉出力を旬時間で上昇させることができる。燃料
棒線出力がＰｌを越えた後は、流量制御により原子炉出
力を徐々に一ヒ昇させ燃料棒損傷発生確率が大幅に増加
しないよう監視しながら運転する。

このような原子炉運転法を採用することにより、燃料棒
の損傷発生を防止し、かつ、原子炉の稼動率を大幅に向
上させることができる。

実施例の燃料棒健全性監視装置を設けた原子炉において
、万一計画外の出力変化が発生した場合でも、燃料棒に
損傷が発生したがどうがを予測することができる。寸た
、万一燃料棒に損傷が発生し７’Ｃ場合には、炉心内の
どの燃料棒が損傷を受けたかを予測することができ、燃
料棒の損傷を拡大しないように損１易発生確率の大きい
燃料棒の線出力を低下させる、という対応策−ｋ　Ｍ４
すことができる。

第１４図は本発明の装置の他の実施例を示すグロック図
である。第１４図において、３０はプロスセ計算機、３
１は燃料棒燃焼挙動計算装置、３２は燃料棒損傷発生確
率計碧装首、３３は表示装置、３４（／ｉプロセス計算
機３０からの出力分布および・燃焼度分布等のデータ全
使用して制御棒操作に２」する炉心出力分布変化を予ｉ
ｔ＋ｌｌする原子炉出力分布予測装置である。

第１５図、第１６図は第１４図の原子炉出力分布予測装
置の一実施例を示すブロック図である。

第１５図はパラメータ設定手段３５のブロック図で、第
１５図において、３５０ばＫ　■分布計算手段、３５１
はカーネル分布計算手段、３５２は燃焼度・制御棒位置
検出手段、３５３はボイド分布引算手段、３５４は反射
率計算手段である。ＫｃＯけ、現状出力分布、燃焼度、
制御棒位置、ボイド分布によシ決定される。また、カー
ネルはボイド分布から＝−ｔ　Ｘされる。出力分布、Ｋ
（Ｘ）、カーネルが力えられると、次式から、 Ｐｘ　＝ＫｏｏＫ（Ｗｘ−１Ｐ　Ｋ、　＋’ｖＶＫ、、
　　Ｐ　Ｋ−１・・・・・・・・・（６） ここに、ＰＫ　　；高さ方向ノードにの出力ＫＯＯ，；
ノードにの中性子無限増倍係数ＷＫ　　；ノードにの中
性子が上または下に隣接するノードで吸収される 確率（カーネル） ＷＫ　　薔ノードにの中性子が水平方向に隣接するノー
ドで吸収される確 率（カーネル） αｘ＋ノードにの中性子反射率 反射率αＫが下記の式より求まる。

−１＋２Ｗ；　＋４Ｗ聞　）　　　　　　　　　・・・
・・・・・・（力以上の一連の計算により、モデルのパ
ラメータである反射率αＫが求甘り、次の予測引算では
、このαＫを用いる。

第１６図は出力分布予測計ｑ１手段３６と予測条件指定
手段３７のブロック図で、第１６図において、３６０は
ＫＣｙ：Ｉ分布計算手段、３６１はカーネル分布計算手
段、３６２は燃焼度、：ｉｉ！Ｉ御棒位押棒出手段、３
６３はボイド分布削尊手段、３６５は出力分布Ｈ１算手
段、３７０はキセノン濃度設定手段、３７１は炉心流量
設定手段である。出力分布計算手段３６５では、与えら
れたに■、カーネル、反射率に対する出力分布ＰＫを計
算する。予測したい炉心のキセノン濃度、炉心流′Ｍ′
はプロセス計ｑ機の出力量として与えられキセノン濃度
設定手段３７０、炉心流量設定手段３７１全通して与え
られ、ＫＯＯ、ボイド分布計算の入力情報となる。

なお、ボイド分布と出力分布は、互に影響しろうので、
出力分布、ボイド分布の計算を予測出力分布が収れんす
るまで、交互に繰り返す。結果は予測出力分布表示手段
３８で運転員に示す。

第１４図に示す原子炉運転監視装置を使用すれば、Ｊｉ
式子炉出力上昇時に制御棒操作を行うときに、その操作
を実行する前に、操作する制御棒に近接する燃料集合体
内の燃料棒の線出力の変動をあらかじめ予測し、予測さ
れた燃料棒の線出力の変動に対する燃料棒損傷発生確率
を予測し、燃料棒損傷発生確率が設定値以下の範囲に入
るかどうかを判定して表示することができる。運転員は
、それらの表示ｆｉｉ！を参照して制御棒操作を合理的
に選定することができる。例えば、ある制御棒操作に対
して燃料棒の損傷発生確率が設定値を越えると判定され
た場合には、その制御棒操作を禁止する。

このような方法によシ、燃料棒の健全性を保持し、かつ
、制御棒の引抜き操作、挿入操作の可能な範囲全最大限
に拡大でき、原子炉出力を効率よく上昇させることがで
きる。

［ゾ上説明したよりに、本発明によれば、原子炉運転時
の燃料棒の健全性を監視できるとどもに、出力上昇時の
制御棒操作による出力制御の自由度を最大限に拡大し、
燃料棒の破損を防止し、かつ、原子炉の稼動率を高める
ように原子炉を合理的に運転制御することが可能になる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料棒の縦断面図、第２図は応力腐食損傷に対
する「し力と腐１“（性物質濃度および破断時間の関係
図、第３図は応力腐食損傷指標と応力腐食損傷発生確率
の関係図、第４図は塑性歪と累積破損確率の関係図、第
５図は疲労損傷に対する応力と破断サイクル数の関係図
、第６図は疲労損傷指標と疲労損傷発生確率の関係図、
第７図は燃料ペレット・被覆管間機械的相互作用開始線
出力と燃焼度の関係図、第８図ｄ、応力と虫の関係図、
第９図はクリープ歪速度と応力の関係図、第１０図は本
発明の原子炉燃料棒健全性監視装置の一実施例を示すブ
ロック図、第１１図ｆｄｌＨｏ図の燃料棒燃焼挙動計算
装置での計算処理の一実施例を示す計算フローチャート
、第１２図は第１０図の燃料棒損傷発生確率計算装置で
の計算処理の一実施例を示す計算フローチャート、第１
３図は燃料棒線出力の履歴および燃料棒損傷発生確率の
関係の一例を示す線図、第１４図は本発明の他の実施例
を示すブロック図、第１５図、第１６図は第１４図の原
子炉出力分布予測装置の一実施例を示すブロックトメ！
］である。 １・・・原子炉炉心、２・・・燃料集合体、３・・・制
御棒、４・・・ｉｆ；１１御棒駆動機構、５・・・制御
棒位置検出器、６・・・再循環ポンプ、７・・・ジェッ
トポンプ、９・・・再循環ポンプ制御架向、１０・・・
主蒸気管、１１・・・タービン、１２・・発電機、１３
・・・復水器、１４・・・給水系ポンプ、１５・・・給
水管、１６・・・原子炉圧力容器、１７・・・中性子検
出器、１８・・・炉心流量測定装置、２１・・・・燃料
棒、２２・・・被覆管、２３・・・燃料ペレット、２４
・・・土部端栓、２５・・・下部端栓、２６・・・ガス
プレナム、２７・・・スプリング、２８・・・ギャップ
、３０・・・プロセス計算機、３１・・・燃料棒燃焼挙
動計算装置、３２・・・燃料棒損傷発生確率計算装置、
３３・・・損傷発生確率表示装置、３４．・・原子炉出
力分布予測装置。 ５１７ 葛２ｍ θη走ノケσ＋間ノ４食・１・主ケリ’￥４７Ｆノ　　
（１１３ｒｔ６θ）４３ｍ 葛４Ｉ１２］ ’ＩＬ　７ｔ・Ｌ　Ｌ　　　　＃ｇｒｔ４ｉソ躬、５′
ｍ 鎌酢＋ｔ４フル此 第乙ｍ 第７ｍ 葛ｇｍ Ｙｑ図 九カ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御棒、冷却材流量才たは中性子吸収物質濃度変化
   等により出力分布を制ｆｌＩＩＩする原子炉において、
   燃料集合体出力分布および燃焼（Ｗ分布のデータを使用
   して燃料棒の温度分布、［ｔスカ分布、歪分布、核分裂
   生成物濃度分布等の燃料棒の燃焼挙動を計算する燃料棒
   燃焼挙動計算装置と、燃料棒燃焼挙動の計算値と燃料棒
   被覆管材に対する温度、応力、歪、腐食性物質濃度と被
   削管材損傷発生確率の間の相関式とを使用して燃料棒の
   損ｆ鳩発生の確率を計算する燃料作損偶発生６？ｅ率計
   算装置と、前記燃料棒損傷発生確率を表示する表示装置
   とよりなることを特徴とする原子炉燃料棒健全性監視装
   置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の原子炉燃料棒健全性監
   視装置において、燃料棒損傷発生確率を、（ａ）被覆管
   に応力が発生した状態の保持時間と、前記被覆管材の前
   記と同一の温度、応力および被覆管材表面における腐食
   性物質濃度に対し実験的に決定した被覆管材応力腐食損
   傷発生に要する時間との比で力える応力腐食損傷指標、
   又は（ｂ）被覆管の温度および塑性歪と、実験的に決定
   し７た前記被覆管材の温度と塑性歪と損傷発生確率の間
   の相関式上から算出した歪損傷確率、又は（Ｃ）被覆管
   の応力変化のサイクル数と、前ＩｊＬ被覆管材の前記と
   同一応力の応力変化ザイクルに対して実験的に決定した
   破断に至るサイクル数との比で与える疲労損傷発生指標
   を用いて計算することを特徴とする原子炉燃料棒健全性
   監視装置。 ３、制御棒、冷却材離開または中性子吸収物質濃度変化
   等により出力分布を制御する原子炉において、燃料集合
   体出力分布および燃焼度分布のデータを使用して燃料棒
   の温度分布、応力分布、歪分布、核分裂生成物濃度分布
   等の燃料棒の燃焼挙動を計算する燃料棒燃焼挙動計算装
   置と、燃料棒燃焼挙動の計算価と燃料棒被覆管材に対す
   る温度、応力、歪、腐食性物質濃度と被覆管材損傷発生
   確率の間の相関式とを使用して燃料棒の損傷発生の確率
   を計算する燃料棒損傷発生確率計算装置と、前期制御棒
   の操作に対するｍＪ記燃料棒集合体の出力分布の変化を
   予測する原子炉出力分布予測装置と、該原子炉出力分布
   予測装置により予測した前記燃料集合体の出力分布を使
   用して前記燃料棒燃焼挙動計算装置および前記燃料棒損
   傷発生確率計算装置で算出した燃料棒損傷発生確率を表
   示する表示装置とよりなることを特徴とする原子炉燃料
   棒健全性監視装置。