JPS6225290A - 原子炉出力降下方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は原子炉出力降下方法に係シ、特に減速材中に液
体ポイズンを含有させた原子炉の定格出力から高温停止
までの原子炉出力降下に好適な原子炉出力降下方法に関
するものである。

〔発明の背景〕

炉心管理については、動力炉技報４４４１９８２゜１２
　ｐ３６〜４８の第子丸氏などによる”新型転換炉原型
炉「ふげん」の炉心管理“と題する文献があるが、原子
炉の出力を降下させるためには、中性子吸収物質を炉心
内に挿入する必要があり、この目的のために制御棒を設
置しである。しかし、重水および黒鉛等を減速材として
使用する原子炉では、その反応度特性が軽水を減速材と
して使用する原子炉と異なり、特に出力係数が軽水炉と
比べて非常に小さく、零近傍の値を示すことが多い。

ここで、出力係数とは、原子炉の出力を変化させた場合
に原子炉の状態（冷却材のボイド率、燃料の温度等）が
変化したときのそれによって原子炉に印加される反応度
の単位出力変化当りの変化割合のことである。

一方、原子炉の出力が変化すると、上記の炉心状態変化
による反応度以外に燃料中のキセノンの濃度が変化し、
反応度が投入される。これがキセノン反応度である。キ
セノンの濃度変化は大別すると、キセノンの生成として
は核分裂生成物であるＩ　−１３５の崩壊、消滅として
はキセノンの中性子吸収に分けられる。前者はｌ−１３
５の半減期が数時間と長いため、出力を変化させてもキ
セノン濃度が変化するには数時間の時間遅れをともなう
。一方、後者は出力を変化させるとたちどころにキセノ
ンの中性子吸収景が変化する。この結果は、原子炉の出
力を降下させた場合のキセノンの濃度変化が、まず、後
者の効果によシ中性子吸収量が減少し、その結果キセノ
ンの消滅が減少するため、キセノン濃度が増加する。し
かし、第７図に示すように、数時間経過すると前者の効
果によるＩ　−１３５の濃度の減少によ＃）、　　ｌ−
１３５の崩壊によって生成されるキセノンが減少する結
果、キセノン濃度が減少に転じる。

以上のごとく、出力を変化させた場合に炉心に投入され
る反応度変化としては、炉心状態変化による反応度（こ
れを一応、出力係数の反応度と呼ぶことにする。）とキ
セノン反応度とがあり、出力を降下させた場合には出力
係数の反応度は正の反応度となるが、キセノン反応度は
前述したごとく降下後数時間は負の反応度が投入される
ことになる。

この場合、軽水炉では出力係数が大きい結果。

キセノン反応度（負）に比べて出力係数の反応度（正）
が大きく、出力降下にともなう出力係数の正の反応度を
打ち消すように制御棒が挿入され。

原子炉の出力降下が行われる。

一方、重水炉や黒鉛ｆでは、前述したごとく出力係数が
小さい結果、キセノン反応度（負）Ｋ比べて出力係数の
反応度（正）の方が小さく、出力降下にともなうキセノ
／反応度の負の反応度を打ち消すように炉心に挿入され
た制御棒または重水減速材中に含有させた液体ポイズン
を引き抜いてゆく必要がある。しかし、原子炉の出力降
下が行われる燃焼サイクル末期では、一般に制御棒およ
び液体ポイズンは炉心から引き抜かれている場合が多い
、もし、炉心から引き抜かれる制御棒または液体ポイズ
ンがない場合には、前述した出力降下にともない投入さ
れるキセノン反応度の負の反応度を打ち消すことが困難
と々る結果、原子炉の出力はますます降下し、遂にはス
クラムすることになる。

例えば、第８図に示すような電気出力６００ＭＷｅ級の
圧力管型原子炉の場合の出力降下を計算機でシミュレー
ション解析すると、第９図に示すような結果が得られる
。ここで、出力降下の際、引き抜くために使用する制御
棒４は出力降下直前に丁度半挿入位置とする。シミュレ
ーション解析の結果、第９図に示すごとく、約２．３時
間で出力が急激に降下することが分った。これは、第９
図に示すようＫ、出力降下にともないキセノン濃度が増
加し、負の反応度が投入され、それを打ち消すために炉
心内に半挿入された制御棒４を引き抜き、正の反応度を
投入するが、約２３時間で制御棒４が炉心よシ全引き抜
きされてしまうため、その後はキセノン反応度を打ち消
すことができず、急激に出力が降下する結果となる。こ
のように、重水炉等では、出力係数がキセノン反応度と
比べて小さいため、出力降下時にはキセノン反応度の投
入により急激な出力降下ひいては原子炉スクラムを招く
場合がある。これを避けるためには、常時炉心内に制御
棒４を深挿入しておく必要があるがこの場合には、挿入
する制御棒４が不足し、十分な制御性を確保することが
困難となる可能性がある。なお、第８図において、１は
炉心タンク、２は燃料集合体、３は重水である。

〔発明の目的〕

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的とする
ところは、原子炉の出方降下を容易に達成することがで
きる原子炉出方降下方法を提供することＫある。

〔発明の概要〕

本発明は、原子炉の出力降下時に、原子炉出ヵが急激に
降下することを防止し、計画的に出力降下を行うために
、原子炉出力降下を行う前に、出力降下に必要な制御棒
操作量を予測し、予測した位置まで減速材中の液体ポイ
ズンを除去することによって制御棒を探挿入位置に挿入
して出力降下を計画的に行うようにしたことを特徴とし
ている。

〔発明の実施例〕

以下本発明の出力降下方法の一実施例を第１図〜第６図
を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の原子炉出力降下方法の一実施例を説明
するための具体的な一例を示す動作原理路線図である。

以下、重水減速沸騰軽水冷却型原子炉に適用した場合に
ついて説明する。

第１図において、１は炉心タンク、２は重水減速沸騰軽
水冷却型原子炉の燃料集合体、３は重水。

４は制御棒で、燃料集合体２は一般に炉心タンク１内に
設置されている圧力管５内に挿入され、圧力管５内を流
れる沸騰軽水によって冷却される。

減速材である重水３は、重水循環ポンプ６によって循環
し、案内管７全通して炉心タンク１内に導かれる。また
、重水３中には、燃料の反応度を制御するために液体ポ
イズン（通常ボロン）を溶解させてあり、必要に応じて
ポイズン除去塔８に重水３を通水することによって重水
３中のポイズンを除去したり、また、ポイズン溶解槽９
中のポイズンを重水３中に注入し、重水３中のポイズン
濃度を調整するようにしである。原子炉の出力を変更し
たい場合には、炉心内に挿入された制御棒４を制御棒駆
動装置１０によって駆動させることによって実施する。

また、炉内には中性子検出器１１を挿入し、炉内の燃料
の出力を監視する。中性子束から出力への換算は換算器
１２によって実施する。

原子炉の出力降下を実施する場合には、通常、制御棒４
を中性子検出器１１の読みを見ながら駆動させて行うが
１本発明の場合は次の手順で実施する。

まず、出力降下速度設定器１５に今回の出力降下計画の
出力降下軌跡を入力する。出力降下軌跡は Ｐ　（ｔ）　＝　ａ　ｔ　＋　Ｐ　ｏ　　　　　　　　
　　−＝”・（１）で一般に表わされることから、（１
）式のａ、Ｐ６を出力降下速度設定器１５に入力するこ
とになる。

ここに１ Ｐ（ｔ）ｉ時間ｔでの原子炉熱出力 Ｐｏ；時間零、すなわち、出力降下直前の熱出力 ａ　；原子炉熱出力降下速度 である。出力降下速度設定器１５に入力された（１）式
のａ＋ＰＯは、出力降下時反応度予測装置１６に送られ
る。反応度予測装置１ｉ１６では設定器１５のデータを
もとに出力降下時に炉心に投入される反応度を計算・予
測する。反応度予測装置１６の演算装置を第２図に示す
。第２図中、設定器１５のデータは、まず、計画出力軌
跡設定器３１に入力され、そこで、各時間毎の原子炉熱
出力が（１）式を用いて算出される。算出された各時間
の熱出力は、初期キセノン濃度計算器３３へ送られる。

初期キセノン濃度計算器３３にはこれ以外にキセノン・
サマリウム基本データ記憶装置３０よりキセノン・サマ
リウムの崩壊定数、生成率等のデータが、また、実機熱
出力データ入力装置３２からは出力降下直前の実機の熱
出力データが入力され。

それらのデータをもとに、出力降下直前のキセノン・サ
マリウムの濃度が計算される。ここで、実機熱出力デー
タ入力装置３２には換算器１２から信号が送られてくる
。

初期キセノン濃度計算器３３には下記の式が内蔵されて
おり、これらにより演算される。

Ｉｏ＝φ０ΣｒＹｔ／λｓ　　　　　　　　−（４）Ｐ
ヨ０＝φ０Σｔ　Ｙ　ｐ　／λｐ　　　　　　−”　（
５）ここに。

Ｘ＊ｏ；初期キセノン濃度 Ｓ＋ａ６：初期サマリウム濃度 工０　；初期ヨウ素濃度 Ｐ　ｍ６　；初期プロメチウム濃度 φ０；計算開始時刻の熱出力に対応する中性子束 Ｙ　ｔ　＋　Ｙｘ　ＨＹ　ｐ　、Ｙｍ　；ヨウ素、キセ
ノン、プロメチウムおよびサマリウ ムの核分裂による生成率 （記憶装置３０よ少入力） Σｔ　：燃料のマクロ分裂断面積（記憶装置３０より入
力） λ！、λ工、λＰ；ヨウ素、キセノン、プロメチウムの
崩壊定数（記憶装置 ３０よ少入力） σ、、σ、；キセノン、サマリウムのミクロ吸収断面積
（記憶装置３０より入力） α；サマリウムの平衡濃度に対する割合（記憶装置３０
よ少入力） である。

ここで、（２）〜（５）式のφＧは次式で計算される。

ここに、 Ｐｏ　：出力降下直前時の熱出力（入力装置３２よす入
力） Ｖ１ｗｅｔｉ燃料体積（記憶装置３０より入力）Ｃ；核
分裂当りの発生エネルギー である。

以上の計算式に基づいて初期キセノン濃度計算器３３で
は出力降下直前（ｔ＝ｔｏ　）のキセノン、サマリウム
、ヨウ素、プロメチウムの濃度が計算され、計算結果は
キセノン・サマリウム濃度過渡計算器３４へ送られ、出
力降下時、すなわち、ｔ＝１０＋Δを時のキセノン・サ
マリウム濃度が計算される。計算器３４に内蔵されてい
る計算式は次の通りである。

λｐ　Ｐ　、（ｔ）−φΣｔＹｐ　　　−λ十〔λｇ＋
φｃｒａｇ−２，〕ｅ”’　”’（１０）ここＫ。

１、ｘ、（ｔ）、ｐ、（ｔ）、ｓ、（ｔ）Ｈ時間ｔＫｋ
けるヨウ素、キセノン、プロメチウム、サマリウムの濃
度であり、他の記号の意味１’ｉ　（２）〜（５）式と
同じである。

（７）〜（１０）式に基づく計算は、微小時間ステップ
Δｔの間は中性子束φが一定と仮定し、（２）〜（５）
式よりｔ＝＝ｊ、として求めた各濃度を初期値として。

時間をΔｔずつ進めて実施する。

以上の計算式より各時間でのキセノン・サマリウム濃度
が計算器３４で算出されると、その結果はキセノ／・サ
マリウム反応度計算器３５に送られ、次式により出力降
下時に投入されるキセノン・サマリウム反応度ΔＫｘｅ
＋ΔＫ　ａ　ｍが計算される。

ここに、 と 七ノン・サマリウム反応度（入 力） Ｘ・（ｔＤ）・Ｓ・（ｔｏ）　；降下後の原子炉熱出力
達成時間（ｔ＝ｔｏ）のキセノン・サマ リウム濃度（計算器３４にて計 算） 一方、出力降下にともなう炉心の状態変化忙よる反応度
投入、すなわち、出力係数による反応度は１次のように
して算出される。

まず、出力係数実績値入力装置３６に最も確からしい出
力係数の実績値が入力され、そのデータが出力係数反応
度計算器３７に送られ、出力係数による反応度ΔＫｐが
次式で計算される。

ここに。

Ｐｏ；降下直前時の熱出力 ＰＤ：降下達成時の熱出力 である。

以上のごとく計算されたキセノン反応度ΔＫｘ０、サマ
リウム反応度ΔＫｍｍおよび出力係数反応度ΔＫｐは、
第１図の出力降下必要制御反応度算出器１７に送られ、
次式によって出力降下に必要な制御反応度ΔＫＮが算出
される。

ΔＫＮ＝ΔＫＰ＋ΔＫｘａ＋ΔＫ１１．ｍ　　　・・−
（１４）以上のごとく求められた必要制御反応度ΔＫＮ
は第１図の出力降下判定器２０に送られ、制御棒挿入位
置検出器１８の出力が入力されている挿入制御棒反応度
価値算出器１９で計算された炉心に挿入されている制御
棒反応度価値ΔＫ　ｃ　ｍと比較される。比較の結果、
ΔＫｃｍ＞ΔＫＮの場合には、必要制御反応度よシも制
御棒反応度価値が上廻っているため、制御棒４による制
御可能と判断でき、出力降下許可信号発生器２１に信号
が送られ、運転員に出力降下許可がアナウンスされる。

一方、ΔＫｅｎ＜ΔＫＮの場合には、制御棒挿入位置算
出器２２に信号が送られる。

次に、第３図を用いて制御棒挿入位置算出器２２の演算
内容を説明する前に、挿入制御棒反応度価値算出器１９
の演算内容について説明する。

第３図は第１図の挿入制御棒反応度価値算出器１９と制
御棒挿入位置算出器２２の一例を示す構成図で、制御棒
挿入位置検出器１８で検出された現状の制御棒４の挿入
位置ｄのデータは、挿入制御棒反応度価値算出器１９の
制御棒挿入位置信号発生器３８を介して制御棒挿入反応
度価値計算器３９へ送られる。この計算器３９には、制
御棒挿入位置信号発生器３８より送られてくる現在の制
御棒位置ｄ。のほかに、制御棒全反応度価値入力装置４
０より制御棒の全挿入、全引き抜きの全反応度価値ΔＫ
ｃｉ〒が、また、制御棒反応度係数記憶装置４１より制
御棒挿入位置と反応度価値の関係を表わす係数が入力さ
れる。制御棒４の挿入位置と反応度価値の関係は、第４
図に示すような形状を示すことから、全引き抜きを１．
０として相対制御棒反応度価値ΔＫｃＲＲは、制御棒引
き抜き距離ｄによって次式で表わされる。

ＪＫｃｘｉ＝ａｄ＋ｂｄ”−４−ｃｄ”　　　　　−（
１５）（１５）式中の係数ａ、ｂ、ｃは第４図の曲線に
最小自乗法でベストフィッティングするように決定され
る。

制御棒挿入反応度価値計算器３９では制御棒挿入位置信
号発生器３′８より送られてきたｄと制御棒全反応度価
値入力装置４０より送られてきたΔＫＣＲＴと制御棒反
応度係数記憶装置４１よシ送られてきたａ、ｂ、ｃに基
づき、まず（１５）式によシΔＫｃ口を計算し、制御棒
挿入反応度価値ｌＫｃ凰を次式で算出する。

ΔＫＣＭ＝ΔＫＣＩ？ＸΔＫｃ■　　　・・・（１６）
以上のごとく算出された制御棒挿入反応度価値ΔＫｃｍ
のデータは第１図の出力降下判定器２０お゛よび制御棒
挿入位置算出器２２に送られる。

次に、第３図を用いて、制御棒挿入位置算出器２２の演
算内容を説明する。制御棒挿入位置算出器２２内の制御
棒挿入位置修正器４２には出力降下判定器２０の信号が
入力され、制御棒挿入位置修正のための計算開始信号が
制御棒挿入位置決定器４３に送られる。制御棒挿入位置
決定器４３はその信号に基づいて新しい制御棒挿入位置
を次のようにして決定する。すなわち、出力降下判定器
２０から制御棒挿入位置修正器４２を介して送られてく
る出力降下制御必要反応度ΔＫＮと制御棒挿入反応度価
値計算器３９よシ送られてくるΔＫＣＲが一致するよう
な新しい制御棒挿入位置ｄを見つけることになる。具体
的には（１６）式のΔＫＣＲをΔＫＮに置換し、新しい
ΔＫ　（！　ＩｌＫを（１６）式から逆算して求め、そ
のΔＫ　ｃ　ａ　ｎを（１５）式に使用して、（１９式
の根であるｄを算出する。このようＫして算出したｄに
若干の余裕αを加算し、新しい制御棒挿入位ｆｌ　ｄ　
Ｎを決定する。

次に、このようＫして求められた新しい制御棒挿入位置
ｄＮは第１図の制御棒挿入位置判定器２３に送られ、制
御棒挿入下限位階設定器２４より送られてくる下限位置
以下でないことを確認する。判定器２３でこれが確認さ
れれば、ポイズン除去信号発生器２５に信号が送られ、
ポイズン除去信号発生器２５よりポイズン除去塔流量調
整弁１３に信号が送られ、調整弁１３が開き、ポイズン
除去塔８に重水３が通水され、重水３中のポイズンが除
去される。ポイズンの除去により、原子炉に正の反応度
が投入されることから、これを打ち消し、原子炉出力を
一定に保つように制御棒４が原子炉内に挿入され、新し
い制御棒挿入位置ｄＮまで制御棒４が挿入される壕でポ
イズンが除去される。このようにして、原子炉出力降下
が十分制御できる位置まで制御棒４が挿入され、出力降
下時のキセノン反応度の制御が制御棒４の引き抜きによ
って可能となる。

一方、出力降下判定器２０の判定の結果、新しい制御棒
挿入位置ｄＮが下限位置ｄσを超えていた場合には、信
号が出力降下速度算出器２６に送られ、新しい出力降下
速度を再設定することになる。例えば、第５図に示すご
とく、出力降下速度を０．５％／分よｐｏ、ｓ％／分へ
変更する。このように降下速度を上げることによυ、キ
セノン濃度が十分蓄積して負の反応度が投入される前に
出力の降下を実施するため、制御必要反応度を小さくす
ることができる。新しく再設定した出力降下速度ＶＮは
出力降下速度判定器２７で、出力降下速度上限値設定器
２８より送られてくる上限値Ｖ。

と比較され、ＶＮ＜Ｖσであれば、新しい出方降下速度
ＶＮが第１図の出力降下速度設定器１５に送られ、これ
まで説明した７０−により、出方降下判定器２０にて新
しい降下速度でのΔＫＮがΔＫＮ＜ΔＫ　ｃ　ｍと判定
されれば、出力降下許可信号発生器２１に信号が送られ
、出力降下許可がアナウンスされる。

以上、本発明の出力降下方法にしたがい、制御棒挿入位
置を第４図に示す如く、５０％位置から３０％位行位置
更した場合の出方降下時の制御を計算機でシミュレーシ
ョンした結果を第６図に示す。従来例の第９図の場合と
違って第６図は出力降下が計画通り実施可能であること
を示している。

上記した本発明の実施例によれば、 （１）原子炉の出力降下が容易となり、いかなる炉心状
態からでも速やかに計画通りの出力降下を実施できるか
ら、炉の安全性が向上する。

（２）制御棒４を出力降下直前にポイズン濃度を調整し
て深挿入する方法を採用した結果、通常運転時に常時制
御棒４を深挿入しておく必要がなくなり、制御棒４を制
御上適切な位置（通常上下どちらへも移動可能な半挿入
位置）に挿入しておくことが可能となり、通常運転時の
制御性が向上する。

（３）原子炉の出力降下時に出力が急激に降下し。

原子炉スクラムを生じる可能性がなくなり、原子炉の稼
動率が向上する。

などの利点がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、原子炉の出力降
下を容易に達成することができ、炉の安全性が向上する
ほか、通常運転時に制御棒を制御上適切な位置に挿入し
ておくことができ、通常運転時の制御性を向上でき、さ
らに、原子炉の出力降下時に出力が急激に降下すること
がなく、原子炉の稼動率が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原子炉出力降下方法の一実施例を説明
するための具体的な一例を示す動作原理路線図、第２図
は第１図の反応予測装置の演算装置の一例を示す図、第
３図は第１図の挿入制御棒反応度価値算出器と制御棒挿
入位置算出器の一例を示す構成図、第４図は制御棒反応
度価値と制御棒引き抜き距離との関係を示す線図、第５
図は原子炉熱出力降下速度を示す線図、第６図は本発明
の出力降下方法による出力降下時の熱出力、キセノン濃
度変化を示す線図、第７図は原子炉出力降下時のキセノ
ン濃度変化を説明する線図、第８図は重水減速圧力管型
原子炉の炉心断面図、第９図は従来の出力降下時の熱出
力、キセノン濃度変化を示す線図である。 ３・・・重水、４・・・制御棒、８・・・ポイズン除去
塔、１０・・・制御棒駆動装置、１３・・・調整弁、１
５・・・出力降下速度゛設定器、１６・・・出力降下時
反応度予測装置、１７・・・出力降下必要制御反応度算
出器、１８・・・制御棒挿入位置検出器、１９・・・挿
入制御棒反応度価値算出器、２０・・・出力降下判定器
、２１・・・出力降下許可信号発生器、２２・・・制御
棒挿入位置算出器、２３・・・制御棒挿入位置判定器、
２４・・・制御棒挿入下限位置設定器、２５・・・ポイ
ズン除去信号発生器、２６・・・出力降下速度算出器、
２７・・・出力降下速度判定器、２８・・・出力降下速
度上限値設定器、２９・・・アナウンス発生器、３０・
・・キセノン・サマリウム基本データ入力装置、３１・
・・計画出力軌跡設定器、３２・・・実機熱出力データ
入力装置、３３・・・初期キセノン・サマリウム濃度計
算器、３４・・・キセノン・サマリウム濃度過渡計算器
、３５・・・キセノン・サマリウム反応度計算器、３６
・・・出力係数実績値入力装置、３７・・・出力係数反
応度計算器、３８・・・制御棒挿入位置信号発生器。 ３９・・・制御棒挿入反応度価値計算器、４０・・・制
御棒全反応度価値入力装置、４１・・・制御棒反応度係
数記憶装置、４２・・・制御棒挿入位置修正器、４３（
ほか１名） 茅４　固 第　５　目 軒町　（０ 茅　６　目 Ｊｊ′ｒＩｒｌ（えジ 茅８　日 第ｑ　図 府内　（え）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉の反応度制御を制御棒と減速材中に溶解した
   液体ポイズンで実施する原子炉において、原子炉の出力
   降下に必要な制御棒操作量を予測する予測手段と、前記
   減速材中の液体ポイズンを除去する除去手段とを設け、
   前記原子炉の出力降下を実施する前に、前記出力降下に
   必要な制御棒操作量を予測し、前記減速材中の液体ポイ
   ズンを除去して前記制御棒を探挿入位置に調整して出力
   降下を行うことを特徴とする原子炉出力降下方法。 ２、前記制御棒を探挿入位置に調整しても出力降下に必
   要な制御棒操作量に達しない場合には、あらかじめ原子
   炉出力降下速度を増加させることによつて必要な制御棒
   操作量を減少させる特許請求の範囲第１項記載の原子炉
   出力降下方法。 ３、前記原子炉出力降下速度は、降下時間間隔毎に適切
   に決定するようにする特許請求の範囲第２項記載の原子
   炉出力降下方法。