JPS63208796A - 原子炉自動起動装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は原子炉起動運停時の臨界達成以後がら昇温昇圧
過程における制御棒操作を自動的に行う原子炉自動起動
装置に関する。

（従来の技術） 一般に、沸騰水型原子炉の起動は、始め制御棒を予め決
められたシーケンスに沿って引き抜くことにより炉心に
反応度を投入し行われるが、制御棒引き抜きにより中性
子の増倍率が１である状態すなわち臨界を達成した後、
さらに制御棒を引き抜くことにより中性子束を増加させ
熱の発生を促し、原子炉冷却水を加熱する。このとき同
時にタービン加減弁およびタービンバイパス弁を閉じて
おくことによりタービンと原子炉を隔絶しておき、炉圧
が定格値に到達するまで昇温昇圧がなされる。

第１３図のグラフは、臨界後の中性子束上昇がら昇温昇
圧過程において、従来の手動による制御棒操作で、炉周
期が約１００秒、炉水温度変化率が５５℃／ｈｒ以下と
なるよう運転を行った場合の主要パラメターの変化の例
を示している。なお、炉周期はペリオドとも呼ばれ、中
性子束のレベルがｅ（＝２．７１　＞倍になる時間であ
り、次式によって定義され−る。ものである。

Ｔ’＝ｌｎ（φ（ｔ２）／φ（ｔ＋　））／（ｔ２−１
＋　）ここで、　Ｔ：炉周期（単位：秒） φ：中性子東レベル ｔ２、ｔｌ：時刻 同図における運転操作は以下のように説明される。

すなわち、まず運転員が臨界を判定した時点から炉周期
を１００秒とし、炉周期一定で中性子束を上昇させる。

この炉周期を、中性子束の上昇に伴う炉水温度上昇によ
るドツプラー効果による増倍率の減少および冷却材密度
の低下による中性子増倍率の減少をもたらす熱的フィー
ドバックにより中性子束の上昇率の抑制が始まる中性子
束レベル（核加熱レベル）まで保ちながら運転を行う。

この間、制御棒の操作は中断され、主に中性子束が１０
　　から２Ｘ１０９の領域で用いられるＳＲＨ（Ｓｏｕ
ｒｃｅ　Ｒａｎｇｅ　Ｎｏｎ目０「：中性子源領域検出
器）を引き抜き、このＳＲＨに換えて、中性子束が、１
０８から１０１３の範囲で用いられるＩＲＮ　　（１ｎ
ｔｅｒｎｅ−ｄｉａｔｅ　Ｒａｎｇｅ’Ｈｏｎ１ｔｏｒ
：中間領域中性子束検出器）により中性子束が監視され
る。

なお、ＩＲＨは１２５ｚレンジで１０８駕指示のとき制
御棒引き抜き阻止を機能し、１２５％レンジで１２０％
のときスクラムトリップ信号を発する。したがって、上
述の過程ではＩＲＮレンジ切り替えのタイミングを逸す
ることのないようにするため、一定の適切な炉周期で中
性子束を核加熱レベルまで上昇させる必要がある。

中性子束が定格の０．１χ程度である核加熱レベルに達
し熱的フィードバックがかかつてくると、炉周期的には
熱出力にほぼ比例して炉水温度上昇率が変化するように
なり炉水温度が上昇し始める。

熱出力がこれより低いときは、炉水温度は一定か、ある
いはＣＩＪ％１Ｉ（Ｃｌｅａｎ　Ｕｐ　Ｗａｔｅｒ；原
子炉浄化系）等による熱の流出により徐々に低下してい
る。その後、炉水温度が上昇するに従って原子炉からの
熱損失が増加し、これを補償するために定格圧力までは
制御棒を徐々に引き抜いて、タービン起動のための原子
炉圧力ずなわち定格圧力まで昇温昇圧を行っていく。

この昇温昇圧過程においては、原子炉圧力容器に熱的衝
撃を加えないようにするために炉水温度上昇率を５５°
Ｃ／ｈｒ以内に保って昇温することが規定されている。

したがって、制御棒の引き抜きが早過ぎると炉水温度上
昇率は大きくなり過ぎてしまい、このような場合には、
制御棒を挿入して発熱量を減少させるかタービンバイパ
ス弁を開いてエネルギーを放出する必要がある。

（発明が解決しようとする問題点） 上述の従来方法による昇温昇圧過程の運転には、次のよ
うな問題があった。すなわち、昇温前の中性子束上昇過
程では、ＩＲＨレンジ切り替えのため、炉周期を一定と
しているが、この炉周期に対する反応度による炉水温度
の初期の上昇は、必ずしも昇温率５５℃／ｈｒの制限条
件を満足しているとは限らない、このため、第１３図に
示すように炉水温度変化率がその制限を越えてしまう場
合がある。

上記開門を回避するためには、上記炉周期を、予め炉水
温度変化率が制限値を越えないような値に設定しておく
ことが考えられる。しかしながら、炉周期が大きくなる
と起動に要する時間が長くなり効率的でなく、またオフ
ライン的に予め評価するのは難しい。

また、炉水温度変化率が制限値を越えそうな場合は、制
御棒を挿入し炉水温度変化率の上昇を抑制する方法が考
えられる。しかしながら、燃料から炉水への熱伝達には
時間がかかる。またノイズ成分を除去するために一定の
時間平均操作をする必要があり、炉水温度変化率の評価
にも時間を要する。さらに、制御棒の座標および位置に
よって制御棒価値が異なる。このため、炉水温度変化率
のみで制御棒の引き抜き挿入を判定した場合、制御棒操
作による炉水温度変化率の制御が間に合わない場合等が
生じ、炉水温度の変化率が制限値を越えることなく効率
よく昇温するには運転員の熟練を要する。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので
、安全かつ効率的に、臨界後の中性子束！−昇からＲ温
昇圧時の制御棒操作を自動的に行うことのできるＫ（子
軸自動起動装置を提供しようとするものである。

「発明の構成」 （問題点を解決するための手段） すなわち、本発明の原子炉自動起動装置は中性子束測定
信号を入力され炉周期を算出する炉周期算出部と、炉水
温度Ｍ１１信号を入力され炉水温度変化率を算出する炉
水温度変化率算出部と、前記炉周期と炉周期制御＠値お
よび前記炉水温度変化率と炉水温度変化率制限値とをそ
れぞれ比較しこれらの偏差に応じて制御棒装置量を決定
する制御規則に従って制御棒操作指令信号を出力する制
御棒繰作判定部とを備え、制御棒を操作して所定の炉圧
となるまで原子炉の炉水温度を上昇させることを特徴と
する。

（作　用） 本発明の原子炉自動起動装置では、炉周期と炉周期制限
値および炉水温度変化率と炉水温度変化率制限値とをそ
れぞれ比較し、制御規則に従いこれらの偏差に応じて制
御棒繰作量を決定する。

そして、自動的に制御棒を操作して所定の炉圧となるま
で原子炉の炉水温度を上昇させる。

（実施例） 以［Ｊ、本発明の詳細を図面を参照して実施例について
説明する。

第１図は、本発明の一実施例の原子炉自動起動装置を示
すもので、この実施例のがｆ子軸自動起動装置１は、炉
周期算出部２と、炉水温度変化率算出部３と、制限条件
設定部４と、制御棒操作判定部５と２表示装置６とから
構成されている。

炉周期算出部２は、原子炉１０に配置された中性子束検
出器１１からの中性子束測定信号が入力され、この信号
から炉周期を算出して制御棒操作判定部５に出力する。

また、炉水温度変化率算出部３は、原子炉１０に配置さ
れた炉水温度検出器１２からの炉水温度測定信号および
炉圧検出器１３からの炉圧測定信ｒ）゛が入力され、こ
の信号から炉水温度変化率を算出して制御棒繰作判定部
５に出力する。

制御ｐＰ操作判定部５には、［記炉周期、炉水温度変化
率の他に、中性子束測定信号が入力され、制限条件設定
部４から入力される炉周期設定値、炉水温度変化率設定
値、核加熱レベル中性子束値とそれぞれ比較する。

そして、これらの比較結果に応じて、効率的に中性子束
のＥ昇および炉水温度の上昇ができるように制御ｊｌ棒
繰作量を算出し、何ノッヂ挿入するか引き抜くかの制御
棒操作員と操作すべき制御棒の座標である制御棒操作指
令１１号を制御棒位置制御装置１４に出力する。

制御棒装置制御装ｒｒ！、１４は、この制御棒操作指令
信号により制御棒駆動機構１５を作動させ、原子炉］Ｏ
内への制御棒の挿入および引き抜きを行う。

また、操作される制御棒の位置・座標および上記の炉心
状態を表すパラメータは、表示装置６により表示される
。

ここで、臨界以後から昇温Ｊ？圧時の制御は次のように
して行われる。

すなわち、横軸を炉周期、縦軸を炉水温度変１ヒ串とし
た第２図のグラフに示すように、臨界がら）′１温昇圧
までの炉周期および炉水温度変化率を表すと図示点線の
ようになる。

臨界達成時には炉周期は無限大から正の大きな値であり
、中性子束レベルは低く熱出力は無視できる程度であり
、炉水温度変化率は零が負の値である（点Ａ）。なお、
炉水温度の低下は給水などの炉心外部との循環あるいは
熱の放散によるものである。

臨界後の中性子束の増加は、中性子増倍率が１である物
理的な臨界の達成点より制御棒を数ノツチ引き抜き、炉
周期を１００秒程度に維持することによって行われる（
点Ｂ）。

中性子束の上昇に伴い炉水温度が増加してくると、炉水
温度変化率は正の値となり、増加の傾向を示す。一方、
炉周期は炉水温度上昇に伴う負の核的フィードバックの
ため反応度が減少し、増加の傾向を示す、中性子束上昇
時に投入された反応度により炉水温度変化率は上昇する
が、この炉水温度変化率が制限ｒ１５５℃／ｈｒを越え
そうであると判断されたときは、制御棒を挿入して、炉
周期を大きくして中性子束の上昇および炉水温度変化率
の上昇を抑える（点Ｃ）。

制御棒挿入後炉周期は急激に大きくなるが、炉水温度変
化率り町一定に落着いた後は、炉水温度の上昇により中
性子束が低トシ、炉水温度変化率も低下する（点Ｅ）。

したがって、ここで制御棒をノツチ引き抜きし炉水温度
を上昇させる。このとき制御棒を引き抜くことにより、
炉周期は瞬間的に上昇するが、この間は制御棒操作を中
断する（点Ｆ）。

中性子束の増加により炉水温度変化率が上昇し、炉水温
度変化率は制限条件を越えることなく、かつ５５℃／ｈ
ｒに近い値で制御される（点Ｄ）。

但し、このケースでは５５℃／ｈｒの炉水温度変化率を
目標値かつ制限条件としたが、昇温時の炉水温度変化率
の目標値は、５５°Ｃ／ｈｒ程度で正であれば任意の値
でよい。

以上の、臨界後の中性子束増加から昇温昇圧時の制御棒
操作のための制御規則は、以下のように表せる。

■炉水温度変化率の小さいときは、適正な炉周期目標値
、たとえば１００秒程度合維持するよう制御棒位置を調
整する。

■炉水温度変化率が大きいときは、炉周期と炉水温度変
化率を同時に評価し、炉周期が正、かつ、炉水温度変化
率が制限値を越えそうな場合、あるいは一時的に越えた
ような場合には、制御棒を挿入する。

■炉水温度変化率が制限値以下で設定範囲内ならば、制
御棒操作を中断する。

なお、第２図には、土の制御棒操作の規則を炉周期と炉
水温度変化率の関係で領域分けして示しである。

すなわち同図の炉周期と炉水温度変化率によるマツプ上
で中性子束増加時の炉周期の逆数と炉水温度変化率のピ
ーク値はほぼ比例するため、炉水温度変化率のピークが
制限値５５℃／１１「を越えないよう、かつ目標炉水温
度変化率に整定するような炉周期の逆数と炉水温度変化
率の関係を、点Ｂ１→Ｃ１→Ｄのようなガイドラインと
して求め、このガイドラインに沿うように、炉水温度変
化率の上昇途中で制御棒の挿入・引き抜きを行う。

これらの引き抜き挿入中断の境界は、実際の運転の結果
の炉水温度変化率と炉周期のマツプより得ることができ
る。

さらに、中性子束上昇をより大きな炉周期で行う場合に
は、中性子束の上昇時の炉周期の設定値を中性子束レベ
ルに応じて変えるようにする。

すなわち、中性子束レベルが低く、炉水温度への熱出力
の寄り・が全く無視できるような場合には、制御棒引き
抜きにより炉周期の設定値を上げＢ２のような点で運転
する０次に、中性子束レベルが炉水温度変化に影響を与
えるような核加熱のレベルになったならば、制御棒を挿
入し点Ｂでの運転を行い、以下Ｂ→Ｃ４Ｃ１→Ｄという
運転を行う。

この核加熱の中性子束レベルとしては、定格出力の０．
１ｘ程度とすれば十分である。

第２図において制御棒の引き抜き挿入は、第３図に示す
ような炉心３０において内周部の制御棒３１の上部にお
ける２ノツチを表している。同図において斜線で示すよ
うな最外周の制御棒３２および炉心下部の制御棒のよう
な価値の低い制御棒に対しては、制御棒価値の比率を求
め、操作ノツチ数を補正する。

臨界から昇温昇圧領域においては、熱出力は定格の数％
以下であり、ボイドの発生量は少なく、出力分布の変化
は小さい。また、制御棒価値は出力分布にほぼ比例する
ため、オフライン計算にまり昇温時の炉心３次元出力分
布を計算し、第４図および第５図のグラフに示すように
径方向および軸方向について平均化して、これをさらに
各領域で平均化してその逆数を制御棒操作量のゲインと
する。すなわち、第４図および第５図のグラフに示す点
線がそれぞれ制御棒の軸方向および径方向の制御棒価値
となり、実際の制御棒操作ノツチ数Ｎは、次式で求めら
れる。

−≦Ｒ Ｎ二　　Σ　　ΔＮ 讐（Ｌｉ、ｊ）＝　　−−−ΔＮ Ｗ２（ｋ）／ＷＺ１１ａｘ　　　ＷＲ（ｉ、ｊ）／Ｗｆ
ｌｉａｘここで、 ＷＺ（ｋ）　　　：軸方向制御棒ワースのにノツチにお
ける値 Ｗ２ｔａｘ　　　：軸方向制御棒ワースの最大値Ｗｌｌ
ｎａｘ　　：　（ｉ、ｊ）座標における制御棒ワースＷ
（ｋ、　ｉ、ｊ）　：　（ｋ、　ｉ、ｊ）座標における
制御棒価値ΔＮ　　＝１回に操作するノツチ数 上式は、現在制御棒価値からシーケンスに沿って積算し
て制御棒価値が求めた操作ノツチ数Ｒに達するまでに要
する制御棒ノツチ数を表ず。但し、Ｎの値は四捨五入に
より２ノツチｌｉｔ位の整数にする。

以上は、制御棒価値を炉心３次元計算を基に４バンドル
毎に重み付したが、制御棒価値は、内周と外周および上
部と下部の２領域に分は重み付してもよい。さらに全て
の制御棒を同じ重みとしてもよい。この場合外周部や炉
心下部での制御棒価値が低いため、制御棒操作の頻度が
多くなることによって反応度が印加されていくことにな
る。

第６図は、制御棒操作判定部５の動作を示すフローチャ
ートである。

制御棒繰作判定部５は、始めに制御装置が出力した制御
棒繰作指令信号が達成されたかどうか調べ（イ）、制御
棒操作指令信号が実行された場合にはタイマーをリセッ
トシて（ロ）、時刻を更新し操作後の経過時間をカウン
トする（ハ）。

そして、この経過時間が予め定められた待ち時間以上の
場合には制御棒操作量を求めるための推論を行い、待ち
時間以上経過していない場合には、制御棒操作量の推定
演算をバイパスする（二）。

これは制御棒操作後、直ちには炉心状態が変化しないた
めである。この待ち時間は、炉心状態変化の現れる十分
な時間であるが、急激な変化にも対応できるに十分な短
い時間である。

この一定時間経過後、炉水温度と中性子束を入力して（
ホ）、炉水温度変化率および炉周期を計算して、制御棒
ワースを予め与えられた制御ルールにより推論し求める
（へ）。

次に、求められた制御棒操作量を制υμ棒の径方向およ
び軸方向位置に関して重み付けをし実際の制御棒操作量
を求める（ト）。

以下に、ファジィ推論を用いたときの制御棒操作判定手
順を示す。第２図の制御規則をファジィ制御規則で表し
たものが第７図である。また、各々の変数に対するメン
バーシップ関数を第８図および第９図に示す。炉周期お
よび炉水温度変化率は、正で大きい（ＰＢ）、工ｔで小
さい（ＮＳ）などのファジィ変数で分割され、各々の変
数に対して制御規則がある。図中の制御棒の引き抜きノ
ツチ数は、ＣＯは２ノツチ引き抜き、Ｃ１は操作中断、
Ｃ２は２ノツチ挿入を表ずファジィ量である。すなわち
、個々の制御規則は、たとえば、 ［もし、炉周期Ｉが正で小さく　（ＰＳ）、かつ炉水温
度変化率ＤＴが正で小さい（ＰＳ）ならば、制御棒をＣ
Ｏノツチ引き抜きする。」 のように表わせる。

一般的には、 「もし、炉周期■が＾ｉでかつ炉水温度変化率０■がＢ
ｉならば、制御棒をＣｉノツチ引き抜きする。」。

ｉ＝１．２．・・・・・・ｎ のように表わせる。但し１は規則の番号であり、ｎは制
御規則の総数である。

この制御規則を用いたファジィ推論の方法を以下に説明
する。第１０図はこの推論方法を図示したものである。

いま、推論部の入力すなわち、炉周期が１０で炉水温度
変化率がＤＴＯであったとすると、まず、上記の各々制
御規則の条件に入力がどれだけ適合するか、その適合度
を求める。前件ｒＴｉｓＡｉ」に対する入力ｒＴｉｓＴ
Ｏ」の適合度は、＾１（ＴＯ）ずなわち、ファジィ集合
＾ｉの１０におけるメンバーシップ値であり、前件部は
八ＮＯで結び付けられているので、 Ｗｉ＝！ｌｉｎ［＾１（Ｔｏ）、Ｂｉ（ＤＴＯ）］　Ａ
＝１．２．−−−−・−ｎとなる。したがって１番目の
規則による推論結果は、 Ｃｉｓ　Ｗｉ　ｘＣｉ となる。これらの１１個の規則による推論結果は、ｃ＝
ｕ　　ｗｌｘｃｉ 但し、上式はファジィ集合の和集合を取る演算である。

Ｃのメンバーシップ関数の重心を求め、制御棒縁０“Ｊ
ｌｃ２が決定される。

ｆ　ｃＣ（ｃ）　　ｄｃ Ｃ２−□ ｆ　Ｃ（Ｃ）　　ｄｃ 上述のこの実施例の原子炉自動起動装置を用いて、制御
棒を自動程作し臨界から昇温昇圧を実行した結果の一例
を第１１図のグラフに示す。

このグラフに示されるように、臨界後は、炉周期一定で
運転され中性子束が指数的に増加している。中性子束の
上昇に伴い炉水温度変化率が上昇し、正の値となると第
７図に示す制御ルールにより制御棒が挿入され、炉周期
は、無限大に近付き炉水温度変化率も一定になる。その
後、制御棒を徐々に引き抜き制限条件５５°Ｃ／ｈｒを
満足した」−で効率的な昇温か行われている。

また、第１２図のグラフに炉圧３８ＫＧ、炉水温度２４
７°Ｃからの昇温昇圧を行った結果を示す。５５℃／ｈ
ｒを越えずに効率的な昇温か行われている。

［発明の効果］ 上述のように、本発明の原子炉自動起動装置によれば、
炉水温度変化率の制御が制限条件を越えることなく、安
全かつ効率的に、臨界後の中性子束上昇から昇温昇圧時
の制御棒操作を自動的に行うことができ、原子力発電所
運転の効率化および省力化、さらには安全性の向上にも
寄り・できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原子炉自動起動装置を示ず
梢成図、第２図は臨界から昇温昇圧までの炉周期および
炉水温度変化率を示すグラフ、第３図は制御棒位置を示
す説明図、第４図は径方向出力分布を示すグラフ、第５
図は軸方向出力分布を示すグラフ、第６図は制御棒操作
判定部の動作を示すフローチャー１・、第７図はファジ
ィ制御規則を示ず説明図、第８図および第９図はメンバ
ーシップ関数を示す説明図、第１０図はファジィ推論の
方法を示す説明図、第１１図および第１２図は第１図に
示す原子炉自動起動装置を用いた場合の原子炉パラメー
タの変化を示すグラフ、１３図は従来方法による原子炉
パラメータの変化を示すグラフである。 １・・・・・・・・・原子炉自動起動装置２・・・・・
・・・・炉周期算出部 ３・・・・・・・・・炉水温度変化率算出部４・・・・
・・・・・制限条件設定部 ５・・・・・・・・・制御棒操作判定部１０・・・・・
・・・・原子炉 １１・・・・・・・・・中性子束検出器１２・・・・・
・・・・炉水温度検出器１３・・・・・・・・・炉圧検
出器 １４・・・・・・・・・制御棒位置制御装置１５・・・
・・・・・・制御棒駆動ｎｇｉ第１図 −２００００’ＸＸ）　　　　　１００　　　　５０１
ｙＩ周ｗ４（紗） 第２図 ！蚤方局（’１１１９得１．座碌Ｊ＝３（ｐＩｅ）第４
（２１ １０２０砺り１ｔｉｉ物牽 第５図 に八と一計ト寒 第９図 時開（匍 一、、　１２　ｆ：；＊Ｊ 第１３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）中性子束測定信号を入力され炉周期を算出する炉
   周期算出部と、炉水温度測定信号を入力され炉水温度変
   化率を算出する炉水温度変化率算出部と、前記炉周期と
   炉周期制限値および前記炉水温度変化率と炉水温度変化
   率制限値とをそれぞれ比較しこれらの偏差に応じて制御
   棒装置量を決定する制御規則に従って制御棒操作指令信
   号を出力する制御棒操作判定部とを備え、制御棒を操作
   して所定の炉圧となるまで原子炉の炉水温度を上昇させ
   ることを特徴とする原子炉自動起動装置。
2. （２）前記制御棒操作判定部は、中性子束レベルに応じ
   て前記制御規則を変更する特許請求の範囲第１項記載の
   原子炉自動起動装置。