JPS63193090A - 過熱比の警告閾値の決定方法及び該方法の実施装置及び原子炉の制御方法 - 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】 本発明は原子炉の制御に係る。本発明は、種々のタイプ
の制御棒によってその制御及び調整が行なわれる加圧水
型核分裂炉に適用される。

かかる原子炉は公知素子として、炉心と冷却材回路と測
定手段と制御棒とを含む。

炉心は、原子炉の炉心スペース内部で中性子束を生成す
る核分裂反応に供給される核反応性燃料要素を内蔵し、
また、該炉心スペースの各ゾーンでは該ゾーンに存在す
る中性子束による核分裂反応が生起し、これら中性子束
に従って変化する核出力が熱の形態で放出される。

冷却材回路は、前記出力を原子炉外部の可変負荷で利用
するために前記出力を取り出す分岐パイブをもち該パイ
プが前記炉心を通過する。

測定手段は特に温度測定手段であり、一方で、熱流束最
大のホットスポットの実効局部熱流束に対する発生箇所
で炉心の重大な損傷を生じる所定臨界熱流束の比を示す
過熱比（臨界加熱比、ｒａｐ−ｐｏｒｔ　ｄ’ｅｃｈａ
ｕｆｆｅｍｅｎｔ　ｃｒｉｔｉｃａｌ）を指示し、他方
で、発電所を最適稼動せしめる標準値に近い冷却材の平
均温度を指示する。

制御棒は、炉心の対応ゾーンで該制御棒を長手方向に出
し入れすることによって制御棒の位置を制御する移動手
段及び制御手段を備える。各制御棒の位置はその突出の
割合（％）によって定義される。

これらの制御棒の各々は中性子吸収材を含む。

中性子吸収材は制御棒の長手方向に沿って分配され、制
御、棒の挿入深度に対応する炉心ゾーンの中性子束と前
記核出力とを減少させる負の反応度を与える。これらの
制御棒の移動によって炉心の核出力を増減できるが、そ
の代償として中性子束の分布に歪みが生じて炉心の消耗
が進行するという欠点が伴う。

１つのタイプの制御棒は微調整棒から成り、正常制御操
作中にかなりの高さを移動でき、比較的箱にしか生じな
い外部負荷のかなり大きい変化に核出力を追従させる。

別のタイプの制御棒は調整棒から成る。この制御手段は
冷却材の平均温度を受信し、この温度が標準値を上回る
か下回るかに従って調整棒の突出の割合（％）を増減す
る。この制御手段は、外部負荷に頻繁な影響を与える小
変化に核出力を追従させることによって前記平均温度を
前記標準値に近い値に自動的に維持し、また核出力が一
定のときは前記温度を変化させる調整ループを形成する
。

正常稼動中はこれらの制御手段は、調整棒が２つの高い
突出率（％）の間に限定された調整範囲内に維持される
ように調整棒の移動を制御する。このため、調整棒の移
動によって生起し易い中性子束の歪みの大きさが制限さ
れ、炉心の消耗が抑制される。

かかる原子炉の公知の制御方法の１つでは、外部負荷の
大きい変化に核出力を追従させるべく正常制御操作中に
制御棒を移動させ、更に、警告に応じた出力低減操作中
に付加的な制御棒の挿入を行なう。警告は、前記過熱比
が下限警告閾値より低い値になると発生する。このとき
の制御棒挿入の目的は、過熱比を少なくとも下限警告閾
値まで戻すことである。下限警告閾値は、１を十分に上
回る安全度で決定されるのでこの閾値に達している限り
ある種の想定事故が発生した場合にも危険な過熱に近付
くことはない。

この公知方法において、過熱比の下限警告閾値は２．１
７に設定されている。しかしながら、原子炉の稼動中に
は比較的短時間の不可避的な変動がときどき生じる。こ
のため、冷却材の平均温度から判断すればより高い出力
で稼動できる筈のときにも、過熱比を閾値より高い値に
戻すなめに発電所の作業員が制御棒を挿入して原子炉の
出力を低減させる必要がしばしば生じる。その結果、外
部負荷に供給できる出力が減少する。外部負荷は一般に
、配電網電源に給電する同期タービン発電機である。か
かる出力減少は最終的に、発電所の給電能力をかなり低
下させることになる。

本発明の目的は特に、原子炉の炉心で局部過熱による危
険を全く生じることなく、過熱比に影響を与える変動に
起因する出力低減の回数を簡単に且つ経済的に減らすこ
とである。

本発明の目的はまた、原子力発電所の給電能力、採算性
及び平均出力を増加させることである。

本発明の制御方法の特徴は、選択される過熱比の下限警
告閾値が調整範囲内の異なる調整棒の位置毎に異なって
いることである。調整棒の突出率（％）が比較的低いと
きは比較的高い値が選択される、逆にこの率が比較的高
いときは比較的低い値が選択される。この結果、調整棒
が調整範囲内に位置している限り、過熱比が前記の２つ
の閾値の間に維持されていると、核出力の低減が行なわ
れず従って外部負荷に供給される電力が減少しない。

より詳細には、調整棒が前記位置にある限り、想定事故
が発生した場合にも調整範囲内で調整棒を適当に移動さ
せれば危険な過熱に近付くおそれは全くない。

本発明によれば、下限警告閾値の決定が制御補助装置の
内部で自動的に行なわれるのが好ましい。

この制御補助装置の回路は調整棒の突出率に関するデー
タを受信し、この突出率の所定関数、−ｍには漸減関数
の形態で決定された下限警告閾値の値を発電所の作業員
に常時供給する。

本発明の目的はまた、この装置及びこの装置を使用した
閾値決定方法を提供することである。

本発明の非限定具体例を示す添付図面に基づいて以上の
ごとく開示された本発明をより詳細に以下に説明する。

複数の図面で同じ素子は同じ参照符号で示される。

前記のごとく過熱比はホットスポットの局部熱流束に対
する臨界熱流束の比に等しい。この臨界熱流束は、−次
回路の内部を循環し一時冷却流体を構成する冷却材即ち
水を沸騰開始から完全沸騰及び蒸気層の形成まで移行さ
せる熱流束である。

第１図及び第２図で矢印６は防護被覆２と接触する水５
の移動方向を示す。この被覆はジルコニウム合金から成
る。該被覆は燃料要素を構成する燃料棒１を内蔵する。

考察すべき過熱現象は１つ又は複数の燃料棒の周囲で出
現する。この現象の特徴は、第１図のごとく燃料棒１の
被覆２の周囲に蒸気泡３が形成されることである。加熱
が続くと蒸気泡３の形成が促進され、第２図のごとく蒸
気層４が形成される。

この蒸気層は被覆の全部又は一部を冷却材５から絶縁し
熱交換効果を低下させる。この現象は一次流体の平均温
度の上昇に結合する。その結果、被覆が十分に冷却され
ないので８００℃より高い温度に加熱され脆くなる危険
がある。

即ち、熱流束が臨界値に到達すると炉心の部分溶融又は
完全溶融のごとき原子炉の炉心の極めて重大な損傷を生
じる危険がある。従ってこの過熱比を十分に認識するこ
とは原子炉運転における至上命令である。

臨界熱流束の値は、原子炉内の圧力、−次流体の流速及
びシステムの熱力学的状態の関数として計算によって決
定される。

ホットスポットの局部熱流束は局部温度値から決定され
る。これらの値自体は一次回路の高温分岐パイプ及び低
温分岐パイプの温度、該−次回路の内部圧力、炉心外部
の測定室で測定された核出力及び制御棒の位置から決定
される。

特に高い出力値の原子炉の出力低減の回数をできるだけ
少なくしてしかも安全性を確保すること、即ち燃料被覆
の損傷の危険を完全に阻止することが重要な課題である
。

より詳細には、原子炉を製造し制御するときに過熱比は
いかなる場合にも、緊急停止閾値に相当する比より大き
い第一所定値を下回ってはならない、この閾値は下限値
であり、この値を下回ると原子炉の炉心は極めて損傷さ
れ易くなる。

第一所定値より大きい第二所定値は下限警告閾値であり
、過熱比がこの値を逸脱したときは過熱比を迅速にこの
値より高い値に戻す必要がある。

過熱比が第二所定値より低くなったときは、原子炉の運
転作業員は種々のパラメータを操作して過熱比を該第二
所定値より高い値にする必要がある。第二所定値は、以
下のごとき事故が発生したときの十分な安全度を確保す
るように決定される。

−各々が複数の制御棒の集合体から成る１つ又は複数の
クラスターの偶発的落下、 −かかるクラスターの完全離脱、 一蒸気パイブの破損。

前記クラスターはクラスターを構成する制御棒のＲ能次
第で微調整クラスターまたは調整クラスターである。

かかる事故が前記の想定事故である。

これらの事故は過熱比を低下させ、このような低下に関
連した危険は事故発生のときに炉心に存在するクラスタ
ーの負の反応度の関数である。

調整クラスターの偶発的落下が生じると全自動出力調整
装置は原子炉の炉心から残りのクラスターを抜き出す、
このため中性子束の径方向歪み及び軸方向歪みの二重効
果によって過熱比が低下する。

原子炉の炉心からのクラスターの離脱が生じるると、中
性子束の径方向歪みに関連した平均出力の増加が生じこ
のためホットスポットでの局部熱流束が増加し従って過
熱比が低下する。

もう１つの事故は、前記冷却材を収容した一次回路から
蒸気発生器を介して熱を受容する二次回路の蒸気パイプ
の破損である。この場合、原子炉が出力中のとき蒸気が
外気に漏れて蒸気発生器の熱量が放出され一次回路の極
めて急激な冷却が生じる。この温度低下の結果、全自動
調整装置によって与えられた命令の制御下で制御棒クラ
スターが引き出され炉心の反応度が上昇し従って温度が
上昇する。この場合、調整クラスターの引き出しが中性
子束の軸方向歪みを生起し燃料棒に沿った反応度を増加
させ一次回路の冷却材が全体として冷却されるにもかか
わらず炉心のある高さでは局部熱流束の増加が局部的に
生じる。この増加が過熱比を低下させる。この場合、別
のパラメータの変化によって原子炉の緊急停止が生じる
。

下限警告閾値は、これらの事故のときに現れる過熱比の
低下によって燃料の結合性が損なわれるおそれがないよ
うに決定される。

第３図は前記のごとき従来技術の制御方法において緊急
停止閾値及び下限警告閾値に相当する過熱比の値Ｐ及び
Ｑを示す、これらの値は０〜１００％の範囲の調節クラ
スターの突出率の関数として一定値で与えられる（０％
のとき調節クラスターは炉心に完全挿入されている。１
００％のとき調節クラスターは炉心から完全に抜き出さ
れている）。

過熱比の値Ｐ　＝　１．６８は緊急停止閾値でありこの
値以下では原子炉を強制停止する必要がある。この値は
、臨界束を決定する計算における誤差を考慮し、これに
燃料棒の撓みを考慮にいれた安全度を加え、更に全自動
緊急停止システムの測定回路の誤差を考慮にいれて決定
される。

値Ｑ＝２．１７は、緊急停止閾値に前記想定事故中に現
れる加熱比の最大変化を加算し、更に緊急停止システム
の測定回路以外の測定回路の誤差に対応する新しい安全
度を加算して選択されている。

従って警告閾値のこの値は制御クラスターの位置にかか
わりなく決定される。発電所の運転作業員には過熱比を
この一定値より高い値に維持せよという断固とした命令
が与えられる０例えば核ボイラがその出力の１００％で
作動しているときは過熱比を上げるなめに作業員はその
出力を低下させる必要がある。

即ち、前記のごとく下限警告閾値の逸脱が生じたときに
比の値を下限警告閾値より高い値に戻すなめに従来技術
の制御方法で使用された措置の１つでは原子炉の出力を
低減する。原子炉の炉心に微調整棒を挿入することによ
って出力低減を生じさせる。

残念ながら発電所の設計出力に対する出力低減は発電所
の給電能力を低下させる。このような措置が頻繁に行な
われると発電量の顕著な減少が生じる。

本発明によれば、過熱比が従来技術のごとき一定の下限
警告閾値より低い値に維持される期間が長く、またこれ
は、特に調整クラスターが炉心の上部に位置するときに
原子炉の炉心の危険状態を生起することはない。その理
由は、発電量の減少をできるだけ回避するために本発明
では下限警告閾値の値を原子炉の炉心の温度調整棒の関
数として決定するからである。棒の突出部分の割合が大
きくなるほど過熱比の警告閾値の値が小さくなる。

より詳細には、全自動袋Ｗは、調整クラスターの位置及
び−次流体の温度の関数として過熱比の下限警告閾値の
値を変化させる。

警告閾値は更に、前記のごとき想定事故の１つの最中の
過熱比の最大変化に関連するが、同時に調整クラスター
の位置も考慮される。温度調整クラスターの位置の関数
としての警告閾値の変化の１つの例が第４図のグラフＢ
で示される。このグラフの第１区分Ｆに示すように、突
出の割合が３０％未満のとき過熱比の下限警告閾値は一
定値２．１７である。３０％以上になると閾値は同じグ
ラフの第２区分Ｇで示すようにこの割合に伴って直線状
に減少する。温度調整クラスターが完全に抜き出される
と閾値の値は最小になり従ってかなりの余裕運転になる
。

次に１つのクラスターの脱落のごとき事故の場合につい
て検討する。

制御クラスター集合体は例えば、原子炉の出力１００％
となるように炉心に配置されている。温度調整クラスタ
ーは例えば炉心の高さの７０％まで挿入されている。こ
れは突出率３０％に対応し、個々のクラスターの負の反
応度をｍ著に上回る負の反応度の総計に対応する。個々
のクラスターの負の反応度は常に１８０ｐｃｎ（ｐａｒ
ｔｓ　ｐｅｒ　ｈｕｎｄｒｅｄ　ｔｈｏｕ−ｓａｎｄ）
を下回る。

クラスターが偶発的に脱落すると（これは調整クラスタ
ーでないと想定する）、温度調整クラスター集合体が自
動的に炉心の上方に上昇し炉心温度を正常値に維持する
。このため、局部熱流束が増加し過熱比はグラフＢに平
行なグラフＡに従って減少する。

過熱比は２つの累積効果によって減少する。第一に、中
性子束の軸方向ひずみに関連した量だけ減少し初期位置
から完全抜出（１００％）までの調整クラスターの抜き
出しに対応する最大値をもつ。

この最大値は初期位置に依存する。初期位置が抜出１０
０％に対応するときは最大値はＯである。考察実施例で
は初期位置が３０％突出に対応しているので最大値はグ
ラフの区分Ｃで示される。

第二に過熱比は、脱落したクラスターが炉心に存在する
とき他のクラスターの位置に拘わりなくこの脱落クラス
ターによって生じる束の径方向ひずみに対応する一定値
Ｊだけ減少する。過熱比の減少の総計は調整クラスター
集合体の初期位置に伴って変化し、いかなる場合にも過
熱比を１．３０より低い値にすることはない、この１，
３０なる値は、グラフＥに対応し、考察中の原子炉の場
合に炉心の結合性を維持するために超過してはならない
絶対臨界閾値である。

第４図によれば、警告閾値がグラフＢの左の区分Ｆに対
応する一定値２．１７に維持されているならば幾つかの
場合には過熱比が警告閾値の値を下回るであろう。

しかしながら閾値が変化するのでこれらの場合にも過熱
比が該閾値を下回ることはない。従って作業員は所定の
運転状態を維持するために原子炉の出力を必要もないの
に低減しなくてもよい。

過熱比が前記のごとく決定された警告閾値より高い値に
維持されている限り、いかなる場合にも過熱比の減少に
よって炉心の結合性が損なわれる危険はない。

符号りは記載の原子炉の場合に過熱比に対して維持でき
る付加的安全度を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は過熱比に近付いた加圧水型原子炉の炉心向部の
熱交換流体を構成する水と接触した燃料要素の軸方向断
面図、第２図は過熱の存在下の同じ素子の第１図同様の
断面図、第３図は公知方法による原子炉の下限警告閾値
と過熱比の下限警告閾値と緊急停止閾値との値を調整棒
の突出パーセントで示すグラフ、第４図は本発明方法に
よる第３図同様のグラフである。 １・・・・・・燃料棒、２・・・・・・被覆。 メ願人　　　　７ラマト瓜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数タイプの制御棒を用いる原子力発電所の原子
   炉の制御方法であって、前記原子炉が、炉心と冷却材回
   路と測定手段と制御棒とを含み、炉心は、原子炉の炉心
   スペース内部で中性子束を生成する核分裂反応の燃料と
   なる核反応性燃料要素を内蔵し、また、該炉心スペース
   の各ゾーンでは該ゾーンに存在する中性子束による核分
   裂反応が生起され、これら中性子束に従って変化する熱
   の形態で核出力を放出すべく機能し、 冷却材回路は、前記出力を原子炉外部の可変負荷で利用
   するために前記出力を取り出す１つの分岐パイプをもち
   該パイプが前記炉心を通過しており、 測定手段は特に前記冷却材の温度測定手段であり、一方
   で、熱流束最大のホットスポットの実効局部熱流束に対
   する発生箇所で炉心に極めて危険となる所定臨界熱流束
   の比を示す過熱比を指示し、他方で、発電所を最適稼動
   せしめる標準値に近い冷却材の平均温度を指示すべく機
   能し、 制御棒は、炉心の対応ゾーンで該制御棒を長手方向に出
   し入れしこれによって制御棒の位置を制御する移動手段
   及び制御手段を備えており、各制御棒の位置はその突出
   パーセンテージによって定義され、該制御棒の各々はそ
   の長手方向に沿つて分配された中性子吸収材を含み、該
   中性子吸収材は制御棒の挿入深度に対応して炉心ゾーン
   の中性子束と前記核出力とを減少させる負の反応度を与
   えるべく機能し、これらの制御棒の移動によつて炉心の
   核出力を増減させ、その代償として中性子束の分布に歪
   みが生じて炉心の付加的消耗が生起し、１つのタイプの
   制御棒は、標準制御操作中にかなりの高さを移動でき、
   外部負荷で比較的希にしか生じない大きい変化に核出力
   を追従せしめる微調整棒であり、別のタイプの制御棒は
   調整棒から成り、該調整棒の制御手段は冷却材の平均温
   度を受信し、該平均温度が標準値を上回るか下回るかに
   従って調整棒の突出パーセンテージを増減し、外部負荷
   に頻繁な影響を与える小変化に核出力を追従させて前記
   平均温度を前記標準値に近い値に自動的に維持し、また
   、核出力が一定のときは前記温度を変化させる調整ルー
   プを形成し、前記制御手段は、正常稼動中は調整棒の移
   動を２つの高い突出パーセンテージの間に限定された調
   整範囲内に制限し、これにより調整棒の移動によつて生
   起され易い中性子束の歪みの大きさを制限して、炉心の
   消耗を抑制する機能を果たすような方法であって、該方
   法が、外部負荷の大きい変化に核出力を追従させるべく
   正常制御操作中に微調整棒を移動させるだけでなく、更
   に、前記過熱比が下限警告閾値より低い値になると直ち
   に発生する警告に応じて出力を低減すべく、過熱比を少
   なくとも下限警告閾値まで上げるために付加的な制御棒
   の挿入を行なう操作を含んでおり、下限警告閾値は、１
   を十分に上回る安全度で決定されるので、この閾値に達
   している限りある種の想定事故が発生した場合にも危険
   な状態で過熱に近付くことはないように設計されており
   、過熱比の下限警告閾値として選択される値は、調整範
   囲内の異なる調整棒の位置毎に異なる値であり、調整棒
   の突出パーセンテージが比較的低いときは比較的高い値
   が選択され、該パーセンテージが比較的高いときは比較
   的低い値が選択されており、これにより、過熱比がこれ
   らの２つの閾値の間に維持されているときは調整棒の位
   置は、想定事故が発生した場合にもこれらの棒が調整範
   囲内で適当に移動して危険な状態で過熱に近付くお ■黷■Sくないような位置に維持される間は核出力の低
   減が行なわれず従って外部負荷に供給される電力が減少
   しないことを特徴とする方法。
2. （２）前記調整範囲の少なくとも一部においては、前記
   下限警告閾値として、前記調整棒の突出パーセンテージ
   の関数として実質的に直線状の減少する変動値が選択さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。
3. （３）前記調整範囲の下部においては前記下限警告閾値
   として実質的に一定の値が選択され、該調整範囲の上部
   においては実質的に直線状に減少する値が選択されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の方法。
4. （４）特許請求の範囲第１項に記載の方法を実施するた
   めの制御補助装置であって、過熱比の下限警告閾値の自
   動決定回路を含み、該回路が前記調整棒の突出パーセン
   テージを示すデータを受信し、このパーセントの所定関
   数、一般には減少関数が警告閾値の値として与えられる
   ことを特徴とする装置。
5. （５）原子炉の過熱比の下限警告閾値の決定方法であっ
   て、温度調整棒の位置が高いほど低い値の下限警告閾値
   が決定されることを特徴とする方法。