JPS59799B2

JPS59799B2 - 原子力発電所の炉出力予測装置

Info

Publication number: JPS59799B2
Application number: JP52106262A
Authority: JP
Inventors: 勉大塚; 浩一関水; 一雄門田
Original assignee: Nippon Genshiryoku Jigyo KK; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1977-09-06
Publication date: 1984-01-09
Also published as: JPS5439795A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は原子炉の炉心中を流れる冷却材流量を変化させ
て、出力制御を行なう原子力発電所の炉出力予測装置に
関する。

原子炉の炉心中を流れる冷却材流量を変化させ原子炉出
力を制御しうるプラントにおいて、原子炉出力の予測は
簡単には従来の一点モデルによるＸｅシュミレータと第
１図に示す出力−流量制御曲線とを組合わせて行なうこ
とができる。

すなわち第１図は原子炉出力ｐと流量ｍの位相面におけ
る特性を示したもので、図中ａ、ｂ、ｃはそれぞれ制御
棒位置を一定に保ったまま、流量ｍを変更したとき得ら
れる出力変化を表わす曲線である。

しかし大型商業用原子炉の場合は、従来のこのやり方か
ら時間の関数として正解な炉出力を予測することは困難
である。

理由は原子炉炉内におけるＸｅの濃度分布、ボイドの分
布、出力分布、制御棒パターン等の変化により、出力−
流量の関係が変化するためである。

前述の変数を考慮して、オフラインで炉出力の予測を行
なうことは可能であるが、計算の入力データとなるべき
変数の初期値、たとえばＸｅ濃度などは時々刻々変化し
ており、数も多いため、これらの値を準備するには非常
に労力を要し、さらに原子炉スクラム後のように急を要
する場合にはほとんど予測は不可能である。

さらに燃料被覆管保護のためにゆっくりとした上昇率で
出力を変更する場合に、目的とする出力に達するか否か
を予測することは、運転員の労力を軽減し、かつ出力上
昇期間のむだな増加を防ぎ経済的にも非常に有用である
。

本発明の目的は原子力発電所の炉出力の変更を行なうに
当り、オンラインで求めた現在の炉心データを基にして
、流量を変化させた場合の炉出力をＸｅの動特性を考慮
して予測する装置を提供するにある。

以下本発明の実施例について第２図により詳細に説明す
る。

第２図は本発明装置のブロック図である。

図において原子炉容器１内に収められた炉心２には複数
本の制御棒３と中性子束検出器４が挿入されている。

また炉内ジェットポンプ５、前記ポンプ５に冷却材を送
る再循環ポンプ６が付属している。

制御棒駆動装置７からの制御棒位置信号８、前述の中性
子検出器４からの中性子束信号９さらに炉心内外のプロ
セス信号１０（炉心圧力、炉内や配管等の温度・流量）
から炉心性能を計算する炉心性能計算装置１１は従来よ
り使用されているものである。

軸方向炉出力分布予測装置１２は炉心を軸方向−次元の
拡散モデルで近似してＸｅ濃度や炉心流量変化に伴なう
炉出力の予測を必要な精度で迅速に求める装置である。

一方Ｘｅ濃度分布計算装置１３は前者に必要とされる軸
方向Ｘｅ濃度分布の現在値を炉心の運転データに基づい
て推定する装置である。

炉心性能計算装置１１から軸方向炉出力分布予測装置１
２に転送するデータとしては炉出力分布、ボイド履歴分
布、燃焼度分布、制御棒位置、プロセスデータ等があり
、これらは予測を必要とするたびに軸方向炉出力分布予
測装置１２からのデータ要求信号１６に基づいて転送さ
れる。

一方Ｘｅ濃度は過去の出力履歴に基づいて決まるもので
あり、これが反応度に及ぼす効果は非常に大きく、将来
の炉出力予測を行なうためには、正確な値を必要とする
。

Ｘｅ濃度分布計算装置１３は次に示す（１）、（２）式
から周期的に解を求めＸｌ（ｔ）を更新している。

すなわちＸｅ−１３５およびその先行核であるｌ−１３
５の濃度は次式で与えられる。

ここに１はｌ−１３５の濃度、λ□はその崩壊定数、γ
Ｉは核分裂当りのｌ−１３５の発生割合、Σｆは核分裂
断面積、φは熱中性子束、ＸはＸｅ−１３５の濃度、
λ、はその崩壊定数γ、は核分裂当りのＸｅ−１３５の
直接発生割合、σ、はＸｅ−１３５の中性子吸収断面積
、ｉは軸方向のノードを表わしている。

次に軸方向炉出力分布予測装置１２は軸方向−次元拡散
モデルに基づいているがその理由を次に述べる。

（１）一点モデルにおいて必要となる流量制御曲線が不
要となる。

本来流量制御曲線は制御棒パターン、燃焼度などにより
変化するものである。

従って流量制御曲線の近似式等を準備する作業がなくな
る。

（２）数学モデルの精度が向上する。

すなわち軸方向初期出力分布（初期Ｘｅ濃度分布）が利
用できる。

しかも流量制御による出力分布の変化は主として軸方向
分布の変化である。

初期値はすべてオンラインでプラントから得られる。

（３）計算時間が短縮できる。

軸方向炉出力分布予測装置１２は炉心性能計算装置１１
、Ｘｅ濃度分布計算装置１３よりのデータ要求信号１６
に基づいて最初のデータを受け、以下に示す方法により
炉出力の予測を行なう。

また本装置には炉心流量、炉出力分布、ボイド分布、Ｘ
ｅ分布、制御棒位置等から核定数（たとえばに、Ｍ２）
を求める装置を含む。

原子炉工学講座３（原子炉物理培風館昭和４８年７
月２５日発行石森富太部）によれは、原子炉の中性子
分布は基本モードに従い次式（３）を満足する。

ここで、つφは、中性子の拡散を表わす項であり、ｘ−
ｙ−ｚの３次元直行座標系で表わすと、となる。

これを軸方向１次元の拡散方程式とするには、とおく、
（３）式はとなる。

本発明においてはこの一次元拡散方程式を用いて予測計
算を行う。

上記から、次の拡散方程式が成立する。

ここで、Ｋ″ｉ、Ｍ２ｉ、Ｂ２ｉは、それぞれ軸方向ノ
ードｉでの無限増倍率、移動面積、半径方向へのもれを
示す。

ＫＯＯ２Ｍ２は、燃料の燃料度、冷却材密度、ゼノン濃
度、制御棒密度、燃料温度などに依存する。

これらのＦａｃｔｏｒのに２Ｍ２に与える効果は、燃料
集合体を対象とするオフラインの詳細計算′により求め
たＦｉｔｔｉｎｇ定数を用いた計算により評価される。

なお、ここでの燃焼度、冷却材密度、ゼノン濃度、制御
棒密度、燃料温度は、軸方向位置ｉでの、径方向を平均
（あるいは、径方向での代表点）した値が使用される。

現在の半径方向のもれＢｉ２は（３）式を逆算すること
により求まる。

ここでＢ２１は現時点（Ｔ＝０）での径方向への中性子
のもれを評価するものであり、Ｋｃｏｉ。

Ｍ２ｉは、炉心性能計算装置１１で計算された出力分布
を平均した軸方向１次元出力分布（Ｔ−０の出力分布と
考える）より、ボイド分布を計算し、これにより、上述
の方法により求めたものである。

（なお、出力分布Ｐｉと中性子束分布φｉの関係ＯＯは、−φ１−ＰｉであられされるがΣａもΣａＫｏＯ２Ｍ２と同様に計算される。

）したがって（８）式のＢ２ｉを（７）式に代入すれば
、Ｔ−０での軸方向出力分布は、炉心性能計算装置の結
果と一致する。

（３）式では半径方向のもれはＢ２で表わしているが、
これは出力が変化すると、もれ量（一般にボイドが多く
なるともれも大きくなる傾向がある）も変化するため、
これを補正する手段として冷却材密度の変化量（Ｔ−０
における冷却材密度に対する出力予測を行なう時点での
冷却材密度の差）に依存するとすれば（３）式は次の式
で表わされる。

ただしＣはボイド補正係数、ＷＤｉは炉出力制御を行な
う際の水の密度、ＷＤｌｏ、Ｂｉ２はそれぞれＴ＝０で
の水の密度および半径方向のもれを示す。

炉出力の予測を行なう際は、たとえば燃料棒の時定数な
どが影響する短時間の過渡的変化は無視し、出力の変化
に伴なって変るＸｅのフィードバックを（１）、（２）
式から求め、ボイド分布に関しては次式より与えられる
ものを考慮する。

ここにαはボイド率を示しＫは定数、ρｇ、ρｆはそれ
ぞれ飽和蒸気と飽和水の密度、Ｇは質量流量、ＶＢはボ
イドのドリフト速度、σは表面張力、ｇは重力の加速度
、ｇｃはｇの換算係数、Ｃｏはｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉ
ｏｎｐａｒａｒｎｅｔｅｒ、Ｘｆはクォリティを
示す。

Ｘｆは水と蒸気の混合体における蒸気の重量率であり、
軸方向位置でのエンタルピによって決まる量である。

エンタルピは軸方向の出力の積分量に比例する量である
。

ここで、αとＷＤの関係について示す。

ＷＤ−αρ ＋（１−α）ρｆ・・・・・・０２）
軸方向炉出力分布予測装置１２で出力予測を行なうには
、オペレータ入力装置１４より流量を時間の関数で入力
し、初期条件には炉心性能計算装置１１で得られるプラ
ントデータと、Ｘｅ濃度分布計算装置１３のデータを利
用する。

また流量の予測を行なうにはオペレータ入力装置１４よ
り、出力を時間の関数として与えることにより可能とな
る。

炉出力予測または炉心流量予測の結果は予測出力表示装
置１５に出力される。

軸方向炉出力分布予測装置１２およびＸｅ濃度分布計算
装置１３は穴１）、（２）、（９）、（１
０）等を模擬するアナログ回路あるいはプロセスコンピ
ュータ等の計算装置を用いて構成することができる。

以上述べた事柄について、第４図について計算の流れを
説明する。

（イ）炉心性能計算装置１１およびＸｅ濃度分布計算装
置１３より計算の初期値を入力する。

（ロ）冷却材密度分布ＷＤｉｏを（１０）、（１
１）、（１２）式から求める。

（／→ 炉心の状態量に応じた核定数（ＫｏＯｉ、Ｍ
２ｉ）を求める。

に）Ｋ ″１．Ｍ２ｔ’、Ｉｉが既知となり、また、臨
界状態の固有値を１．０とみなすことができる。

よって未知数であるＢ２１は（８）式から求まる。

これにより、Ｔ−０での炉心状態と計算式（７）とが一
致する。

（ホ）これより後は、予測計算部分を示す。

予測計算は、炉出力を指定し、炉心流量を求める場合と
、炉心流量を指定して、炉出力を求める場合がある。

ここで前者を例として示す。予測部には、ある時間に対
応する炉出力を入力する。

（へ）Ｉｉ、ＷＤｉ、Ｗを仮定して、Ｋ″ｉ、Ｍ２ｉ
を求める。

（ト）拡散方程式（９）を解くことにより、Ｉｉ、λ。

Ｗが得られる。

（チＩｉ、Ｗ、Ｐを入力してＷＤｉを求める。

（１力 λ、Ｉｉの収斂判定を行う。

収斂しなければ、（へ）〜（す陪繰り返す。

ここで解が、得られたならば、次の（図へ進む。

（ヌ）計算の対象とする時間を進めるとともに、Ｉｉ、
Ｘｅｉの更新を行ない、予測すべき時間を満す迄（ホ）
〜（図を繰り返す。

第３図は本発明装置による原子炉出力予測の１例を示す
図である。

図は流量４２．５％、出力６７．５％での現在の状態か
ら、流量を破線で示すように変化させた場合の炉出力を
予測したものである。

１４０時間以後、流量を一定としたがＸｅの影響で出力
は下降している。

本発明による炉出力予測装置を原子力発電所に設けるこ
とによって、第３図に示すように長時間にわたるＸｅの
濃度変化を考慮した炉出力予測を行なうことができる。

出力変更後の炉心状態を予測しつることは発電プラント
の運転を容易にし、さらに原子炉の稼動率向上に大いに
役立つものである。

制御棒パターンを入力として炉出力予測を行なうことも
本発明の一変形例である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来使用される原子炉の出力−流量制御曲線図
、第２図は本発明による原子力発電所の炉出力予測装置
のブロック図、第３図は本発明装置により得られる炉出
力予測の１例を示す図、第４図は本発明における計算の
流れを示す図である。１・・・・・・炉容器、２・・・・・・炉心、３・・・
・・・制御棒、４・・・・・・中性子検出器、５・・・
・・・ジェットポンプ、６・・・・・・再循環ポンプ、
７・・・・・・制御棒駆動装置、８・・・・・・制御棒
位置信号、９・・・・・・中性子束信号、１０・・・・
・・プロセス信号、１１・・・・・・炉心性能計算装置
、１２・・・・・・軸方向炉出力分布予測装置、１３・
・・・・・Ｘｅ濃度分布計算装置、１４・・・−・・オ
ペレータ入力装置、１５・・・・・・予測出力表示装置
、１６・・・・・・データ要求信号。

Claims

【特許請求の範囲】

１原子炉の炉心に挿入される制御棒の位置を示す位置
信号、原子炉の炉心に挿入される中性子検出器の中性子
束信号および炉心内外のプロセス信号から炉心性能を計
算する炉心性能計算装置と、前記炉心性能計算装置と、
前記炉心性能計算装置で計算されるデータを利用してＸ
ｅ濃度を計算するＸｅ濃度分布計算装置と、前記炉心性
能計算装置のデータから軸方向−次元拡散モデルを用い
、とくに半径方向の洩れ量を予測開始時の炉心状態に一
致するように補正し、さらに予測開始時と予測時点の水
の密度分布の偏差により補正する軸方向炉出力分布予測
装置とからなることを特徴とする原子力発電所の炉出力
予測装置。