JPS6146799B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉制御方法に関するものであり、
特には負荷要求の関数である可変温度設定点に応
答して制御が達成されるような原子炉制御方法に
関係する。

設定点として平均原子炉冷却材温度を基礎とす
る加圧水型原子炉用の原子力制御システムが知ら
れている。これら公知の制御システムは、一定平
均温度設定点か或いは原子炉出力の増大に伴い増
大する平均温度設定点いずれかを利用している。
設定点への平均温度の制御は、原子炉制御棒の変
位及び（或いは）炉冷却材中の硼素濃度の変化に
より為されている。急激な出力変化は、反応度の
追加の為には制御棒の全長にわたる移動に依りそ
して炉内での出力分布制御の為には制御棒の部分
長の移動に依るのが慣例とされてきた。しかし、
制御棒の近傍の炉燃料棒、特に部分長移動制御棒
の近くのものへの熱流の大きな変化は、ペレツト
−被覆相互反応として知られる現象に鑑みて燃料
棒被覆の完全性に関して問題を呈し、これに最近
関心が持たれるようになつた。

部分長移動制御棒を原子炉から完全に取出した
状態での炉運転は、ペレツト−被覆相互反応に対
する危険性を減じるが、反面炉心内での大きな出
力不均衡を制御する方法が容易に得られない為に
全長移動制御棒に基く炉の制御機能は制約される
ことが良く知られている。硼素濃度における変化
を利用する迅速な出力変化は、可能ではあるが、
既製の炉設計に対して非常に費用のかかるハード
ウエアの改変を必要としそして放射能廃棄物処理
の必要性を相当に増大する。

炉冷却材は炉の反応性に対して固有の負の減速
材温度係数を有しているため、平均炉冷却材温度
を減ずることによる正の反応度の追加及び迅速な
出力増大を実現する方法が知られている。しか
し、既知の方法はすべて出力と共に一般に増大す
る一つの設定点以下への温度降下を使用し、これ
は再循環式蒸気発生器を使用する原子力プラント
に対する標準的制御方式である。

結局、これまで必要とされたものは、毎分５％
全出力までの速度で大きな出力負荷変化を許容し
そして一回通し型（once−through）蒸気発生器
を使用する原子炉システムの既存の設計から部分
長制御棒を排除することと組合せて至当な価格で
組込まれうる制御システムであつた。

本発明は、既知の温度設定点である一定平均冷
却材温度、降下平均冷却材温度及び一定炉出口冷
却材温度を使用する方法を組合せて単一の制御概
念にした特別な制御方法であり、これは一回通し
型蒸気発生器を使用するプラントについて個別に
これまで知られた温度制御方法のいずれよりも著
しく有意義な利点を与える。本発明は、毎分５％
全出力までの急速度な炉出力変化を可能ならしめ
同時に廃棄すべき冷却材の抜出し量を最小限にす
ると共に、ペレツト−被覆相互反応の懸念を最小
限として燃料棒を保全する方法及び装置を提供す
ることによつて、先行技術装置その他と関連する
問題を解決する。

これを達成する為に、負荷による出力要求量の
関数である可変的平均冷却材温度設定点が用いら
れる。この可変設定点は、出力負荷範囲の中間部
分にわたつては一定温度設定点を有しそして出力
負荷範囲の高出力端側においては次第に減少する
温度設定点を与えるものとされる。この可変設定
点に応答して炉の制御は制御棒の変位によつて自
動的に為される。プログラム化された平均炉冷却
材温度による制御は減速材温度を通じて反応度の
制御に有効な働きを与え、これは制御棒変位及び
高出力水準での操作中硼素濃度を変更する必要性
を著しく減じる。可変的平均冷却材温度設定点の
曲線の一定温度設定点範囲では、出力要求量は小
さいから制御棒の変位によつてこの出力要求量は
充足される。例えば出力要求量の増大に応じて制
御棒を引抜くとその分だけ温度が上昇するから、
その上昇を抑えるに充分な冷却水を導入する。一
方、出力要求量が大きくなると制御棒を大きく引
抜く必要があるが、上記曲線の減少する温度設定
点範囲のように制御棒の引抜き量を補う以上に冷
却材流れを増すことにより平均炉冷却材温度を減
少してより大きい出力を発生し、出力要求量に応
じさせる。これにより制御棒の変位は少なくてす
み、また硼素濃度の変更も小さくてすむ。

上記の制御は出力の変化率が小さい場合に適す
る。これに対して、急速な変化の場合には上記の
設定点曲線に沿う制御では十分に出力要求に応じ
ることができない。従つて上記の制御は下記の手
動による垂下型制御に切換えられる。

５％全出力／分に至る割合での大きな出力要求
変化に見合うようにする為に、手動の垂下型
（droop mode）制御が提供され、ここでは炉冷却
材の温度は上記設定点以下に所定の限度内で降下
せしめられる。この手動的に作動される制御作用
中、出力要求量の増大は、蒸気発生器への給水流
量を増大して炉冷却材温度を減じ、それにより炉
の反応性を増大することによつて満される。この
制御方式を使用することは更に、５％全出力／分
までの速度で負荷による出力要求を満しつつ制御
棒変位及び硼素濃度変化を最小限にする。

上記に鑑みて、本発明は、負荷による出力要求
量の関数であり、中間出力負荷範囲において一定
温度をそして高出力負荷範囲において減少せる温
度を有する設定点曲線を利用する原子炉制御の為
の方法及び装置を提供することであることが理解
されよう。

本発明は、給水流量にもつぱら基きそして本発
明を使用しなければ必要とされるよりも少い硼素
濃度変化でもつて出力要求の大きい変化を可なら
しめる手動原子炉制御法を提供する。

以下、本発明について具体的に説明する。

図面を参照すると、本発明の好ましい具体例を
開示する目的で、本発明の出力要求量の関数たる
温度設定点及び手動垂下特性制御を利用する制御
システム１０の基本的ブロツク図が第１図に示さ
れている。

制御システム１０は、制御ライン１２を通して
自動指令システムに接続される。指令システムは
自動的に所望の負荷要求変化（負荷による出力要
求量の変化・・・以下同じ）の指示を与える。自
動指令システムからのこれら制御信号は代表的に
は、論理負荷増大接点閉成、論理負荷減少接点閉
成或いは論理零で加えられる。原子炉負荷要求変
化の割合は接点閉成数即ちパルスの数に依存す
る。代表的に、パルス期間は1/2ミリ秒乃至それ
以上でなければならず、それは約1MWに相当す
る。制御システム１０はまた制御ライン１４を通
して％負荷要求変化を手動入力されうる。制御ラ
イン１４は負荷要求目標を設定するプラント操作
員の制御下にある。制御ライン１２及び１４は共
にORゲート１６に入り、これは、ライン１４か
らの手動制御信号が入つてくる時のみ自動指令シ
ステム１２からの信号を排除してその手動制御信
号を通す。いずれの場合も、目標負荷入力がライ
ン１８を通してユニツト負荷要求モジユール２０
に入力される。モジユール２０は制限作用をも含
みうる。

タービン発電機周波数誤差信号もまたライン２
２を通してユニツト負荷要求モジユールに入力さ
れる。この周波数誤差信号は、主（一次）制御を
達成することを意図するものでなく、むしろター
ビン発電機の従来からの周波数制御作用を予測し
そして支持する作用を為す。

ユニツト負荷要求モジユールは、ライン１８及
び２２を通してそれぞれ入力された負荷要求信号
及び周波数誤差信号を電気的MW（メガワツト）
要求信号に変換しそしてライン２４に沿つてその
信号をMW加算ステーシヨン２６に出力する。こ
のステーシヨンは、ライン２４からの所望のMW
信号をライン２８から送られる実際の測定炉MW
出力と比較しそして誤差信号を発生する。誤差信
号はライン３１を通して絞り圧制御モジユール３
０に入力される。絞り圧制御モジユール３０はま
た絶対絞り圧誤差モジユール３２からの入力信号
をライン３４を通して受取る。絶対絞り圧誤差モ
ジユール３２は、ライン３６を通して入力される
一定絞り圧設定点とライン３８を通して入力され
る実際の絞り圧測定信号とを比較しそして両者の
誤差信号をライン３４を通して絞り圧制御モジユ
ール３０に送る。ライン３１を通して入力される
MW誤差信号とライン３４を通して入力される絞
り圧誤差信号との間の比較からの誤差出力は、ラ
イン４０を通してタービン弁制御モジユール４２
に送られる。モジユール４２は、上記信号をライ
ン２２からのタービン発電機周波数誤差信号と組
合せそしてライン４４を通して制御信号を与え
る。この制御信号は、図示されていない周知の位
置決め装置によつてタービン弁を位置決めするの
に使用される。

モジユール２０からのMW負荷要求を指示する
電気的信号はまた、ライン４６及び４８を通して
炉給水主比較ステーシヨン５０に伝えられる。こ
のモジユール５０は、絶対絞り圧誤差モジユール
３２からの信号をもライン５２を通して受取り、
そしてこの信号は絶対絞り圧誤差に対する修正と
して使用される。炉給水主制御モジユール５０の
出力はライン５４，５６を通して変換モジユール
５８（給水量対MWe特性）及び６０（MWt対
MWe特性）にそれぞれ送られる。変換モジユー
ル５８は、ライン５４からMW要求を表す電気信
号を受取りそしてそれをポンプ速度及び弁位置信
号に変換しそしてその信号をライン６２を通して
制御システム６４によつて示される給水弁及びポ
ンプ制御位置決め器及び速度制御装置に出力す
る。同様に、変換モジユール６０は、ライン５６
からの負荷要求を表すMW信号を制御棒位置信号
に変換し、ライン６６に沿つて加算ステーシヨン
６８に送り、その出力はライン７０に沿つて７２
において示される制御棒作動制御システムに制御
信号を提供する。変換モジユール５８と６０と
は、ライン７４に沿つて、それぞれによつて達せ
られる限界に依存して交互に作動を行うクロスリ
ミツト制御を受ける。

炉MW要求を表すユニツト負荷要求信号はま
た、ライン４６に沿つて関数発生器７６に送ら
れ、これは出力負荷要求を第２図におけるグラフ
７９に従つて炉冷却材平均温度信号に変換する。
本明細書目的の為には、「炉容器平均温度」及び
「炉冷却材平均温度」という言葉は共に、炉容器
入口においてそして炉容器出口において温度感知
装置によつて測定されるものとしての炉冷却材温
度の代数平均を意味する。グラフ７９に従うよう
に負荷に依存する炉冷却材平均温度設定点信号が
その後ライン７８を通して比較器８０に伝達さ
れ、比較器はそれをライン８４に沿つて温度平均
ステーシヨン８２から比較器８０に与えられた実
際の炉冷却材平均温度と比較する。温度平均ステ
ーシヨン８２はライン８６を通して炉入口からの
実際の測定温度をそしてライン８８を通して炉出
口からの実際の測定温度を受取つて実際の測定平
均温度を提供する。従つて、比較器８０の出力
は、グラフ７９に従つて負荷に依存する炉冷却材
平均温度設定点と実際の炉冷却材平均温度との間
の偏差を表す誤差信号である。この誤差信号はラ
イン９０を通して加算ステーシヨン６８に伝えら
れ、ここでこれは炉制御モジユール７２を通して
炉制御棒の位置を制御する信号を修正するのに使
用される。

手動的に作動される垂下方式の制御に続ける前
に、第２図において曲線７９により示されるよう
な炉冷却材平均温度に応答しての炉の自動制御を
詳細に検討してみよう。零％全出力から20％全出
力への出力増大中、炉冷却材平均温度は548.8〓
から606〓まで直線的に増加する。20％全出力と
70％全出力との間では、炉冷却材平均温度は606
〓で一定に保持され、これは先行技術の定温度設
定点制御原子炉における597.5〓の一定炉冷却材
平均温度より8.5〓高い。炉冷却材平均温度は70
％全出力における606〓から定設定点操作の為に
使用された100％全出力における597.5〓の温度ま
で直線的に減少する。この標準即ち自動方式にお
ける操作はこの指示曲線７９に沿う。炉冷却材の
出口温度は、共に炉出力要求の関数である炉冷却
材平均温度及び給水流量により決定され、以つて
炉冷却材出口温度が曲線８１をほぼ追従しそして
現在の原子炉に対する626〓の制限を越えないよ
うにされる。

低速度での炉出力減少及び出力増大の制御はす
べて７９において指定された曲線に沿う。斯くし
て、原子炉は負荷要求の関数である炉冷却材平均
温度のプログラムされた値に管理される。標準方
式の操作の利点は、出力減少中、プログラム化さ
れた平均温度増大が所要の棒挿入或いは硼素投入
を減じるよう働くことである。出力増大中、プロ
グラム化された炉冷却材平均温度の減少は、所要
の棒引上げ或いは脱硼素への必要性を減じる。

もつと急速な速度（５％全出力／分に及ぶ）で
炉の出力を増大することが所望される時、炉の制
御棒は抜出されそして炉冷却材平均温度は曲線７
９を追従し、最終的に制御棒は完全に抜出される
か或いはバランスの崩れといつた管理上賦課され
る炉心出力分布制限がそれ以上の棒の抜出しを制
約する。ひとたび制御棒抜出し限界に達すると、
モジユール５８と６０を繋ぐライン７４を通して
制御システム１０により賦課されるクロスリミツ
トが制御システム１０を正常作動状態に置きそし
て負荷要求におけるそれ以上の増大を妨げる。こ
のような時点で、制御システム１０が制御棒を引
込めえなくとも、増大せるユニツト負荷要求に応
答して炉出力を増大し続けるのに垂下方式手動制
御が使用されうる。この方式においては、後述す
るように給水は増大せるユニツト負荷要求に合う
よう増大し続けそして炉冷却材平均温度は曲線７
９によつて定義される平均温度設定点以下に所定
量降下せしめられる。炉冷却材平均温度が曲線７
９によつて定義される平均温度設定点以下に降下
する時、反応容器入口及び反応容器出口温度は曲
線８１及び８９によつて定義される通常の値以下
に同じ温度だけ降下する。炉作業者は遅い速度で
の出力増大中でもこれら遷移期と関連する抜出し
容積を減ずる為に制御システム１０をこの垂下方
式に置くよう選択しうる。

垂下方式操作の利点は、それが標準或いは自動
制御モードでの操作による出力増大中与えられる
より一層大きな温度減少従つて負の減速材温度係
数に由る一層大きな正の反応性付加を可能とする
ことである。曲線７９により定義されるようなプ
ログラム平均温度設定点以下への降下量は斜線域
８３により示されるようなものであり592.5〓の
下限を有する。今第１及び第２図を参照すると、
操作員は、押しボタン８５を押すことにより垂下
方式操作を開始する。これは曲線７９の設定点と
実際の炉冷却材温度との間の誤差を表すライン９
０からの信号を阻止する。ボタン８５からの制御
信号はまたライン８７を通してクロスリミツト連
結ライン７４に伝えられ、これは、給水について
の制限を外すので、制御システム１０は、ステー
シヨン２０からの増大せるユニツト負荷要求に応
答して給水量を増大しうるしまた炉冷却材平均温
度が592.5〓以下に減少しない限り平均温度誤差
信号によつて制限を受けない。一般に、ライン７
４により課せられるクロスリミツトは炉冷却材温
度平均が温度平均設定点以下に減少すると給水の
増大を阻止する。クロスリミツトライン７４は、
ライン８７に沿う制御信号によつて阻止される
時、制御棒の引上げを阻止し、それにより制御シ
ステム１０が炉冷却材平均温度が棒引上げにより
設定点に回復しようとするのを防止する（棒挿入
は禁止されない）。通常、制御棒は垂下方式制御
を開始する前に十分に引上げられていよう。この
制御棒引上げの阻止は、それ以上の制御棒の引上
げが炉心出力分布或いはバランスの崩れの制限を
越えるようになる時点で、操作員が制御システム
１０を垂下方式制御に置くことを可ならしめそし
て出力の増大を続けることを可ならしめることに
よりシステムの融通性を与える。しかしながら、
操作員によつて制御棒駆動ステーシヨンから操作
制御卓において棒を引上げることは禁止されるも
のでない。万一炉冷却材平均温度が592.5〓の限
界以下数度落ちたなら、制御システム１０は垂下
方式制御から標準方式へと自動的に切換りそして
給水流量を減じることにより或いは完全には引上
げられていない制御棒を僅かに引上げることによ
り炉冷却材平均温度をその設定点に回復する。こ
の自動作用は、システムを操作員が通常操作モー
ドにタイミングよく切換えるのを誤るような失敗
から保護する為に設けられている。操作員は、炉
冷却材平均温度が曲線７９として指定される標準
モード設定点の0.5〓以内にある時はいつでも押
しボタン８５をリセツトすることにより標準操作
に戻しうる。この制限は、制御システム１０が炉
冷却材平均温度をその設定点値に回復せんとする
際所望されざる遷移状態を開始するのを防止する
為に課せられる。

設定点への温度回復はゼノンバーンアウト或い
は硼素除去いずれかにより実現されうる。

597.5〓以下への垂下方式制御において、高出
力における所望のスチーム過熱限界を超えないよ
うにする為にタービン絞り弁圧力を減ずることが
必要となろう。これは、絞り圧力リセツトモジユ
ール９３において発生しそしてライン９１を通し
て絞り圧力制御モジユール３０に伝えられる論理
信号により実現される。絞り圧力リセツトモジユ
ール９３への入力は、ライン２８を通しての実際
のユニツトMW信号、ライン８４を通しての炉冷
却材平均温度及びライン８７を通しての「垂下方
式制御」論理信号である。モジユール９３は炉冷
却材平均温度が597.5〓以下にありそして炉出力
が90％全出力におけるメガワツト定格より大きく
そして垂下方式制御が作動される時絞り圧力を50
乃至60pal減ずる。

本発明の好ましい具体例は、既存の設計へ至当
なコストでの組込みの為に開発された。従つて、
この明細書において与えられる特定の数字は特定
の設計への組込みの為のものでありそしてその設
計の既存の制約を反映するものであり、従つて本
発明の制御概念を制限するものと解釈されるべき
でない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の可変式温度設定点を利用す
る制御システムの概略図である。第２図は、出力
負荷に対する温度設定点の作用関係及びドラルー
プ制御域を示すグラフである。 ２０：ユニツト負荷要求モジユール、２６：
MW加算ステーシヨン、３０：絞り圧制御モジユ
ール、４２：タービン弁制御モジユール、３２：
絶対絞り圧誤差モジユール、５０：炉給水主比較
ステーシヨン、７６：関数発生器、８２：温度平
均ステーシヨン、５８，６０：変換モジユール、
８５：押しボタン、７２：制御棒作動制御システ
ム、６４：給水弁及びポンプ制御システム、９
３：絞り圧リセツトモジユール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉の出力を制御する方法であつて、制御
   棒の移動により炉出力を制御する為に低い炉出力
   要求に対して一定の温度部分と大きい炉出力要求
   に対して減少する温度部分とを有する平均炉冷却
   材温度設定点曲線を設け、 可変の給水流量に応答して炉出力を制御する為
   に前記温度設定点曲線以下に平均炉冷却材温度の
   制御範囲を設け、 前記曲線に従つた制御棒移動及び前記制御範囲
   に従つた給水流量調節による炉制御の一方を実行
   し、炉出力要求の変化が所定の一定値以上になつ
   たときに前記曲線に従つた炉制御から前記制御範
   囲に従つた炉制御に切換え、前記平均炉冷却材温
   度が所定の下限値以下になつたときに前記曲線に
   従つた炉制御に切換える、ことより成る原子炉制
   御方法。 ２ 冷却材温度の制御範囲が炉出力要求の中間及
   び高出力端にわたつて一定の温度下限を有してい
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 切換えが炉出力における所要の変化が５％全
   出力／分の範囲内に実質上ある時に為される特許
   請求の範囲第１または２項記載の方法。 ４ 切換えが炉制御棒の移動を防止しそして温度
   設定点曲線以下へ冷却材温度を減ずるべく給水流
   量の変化を可ならしめる制御信号の手動動作によ
   りなされる特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５ 平均炉冷却材温度が冷却材温度の制御範囲の
   下限値以下に落ちる時はいつでも炉制御棒の温度
   設定曲線に従う制御に戻すよう炉制御を自動的に
   切換える段階を含む特許請求の範囲第４項記載の
   方法。