JPS633279B2

JPS633279B2 -

Info

Publication number: JPS633279B2
Application number: JP54057045A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Nishizawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-05-11
Filing date: 1979-05-11
Publication date: 1988-01-22
Also published as: US4333797A; JPS55149900A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、沸騰水形原子炉出力制御装置に関す
るものである。

近年、総発電量に占める原子力の比率は増加す
る傾向にあり、原子炉の運転は現在のベースロー
ド運転から、近い将来、電力需要の増減に応じた
負荷追従運転に移行するものと予想されている。

原子炉出力を変更する場合、運転操作によつて
炉心の出力分布が制限条件に違反することがない
よう、操作手段と操作量を決定しなければならな
い。上述の負荷追従運転の場合には、炉心状態は
速いスピードで変化するため、これに応じた短い
周期で炉心の出力分布を監視しながら、出力分布
が制限条件に違反しない方法で原子炉出力を変更
しなければならない。

本発明はこのような要求を満たし、炉心の出力
分布を監視しつつ、炉心流量制御手段を用いて、
出力分布が制限条件を満たすように原子炉出力を
制御する出力制御装置を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明に係る沸騰水
形原子炉出力制御装置は、現在の全炉心出力分布
を炉内中性子検出器位置における代表的な監視量
に集約し、この集約した監視量の現在値と、負荷
変動に対する感度計算に基づいて、上記監視量の
変動モデルを決定し、この変動モデルを用いて出
力変更運転中の該監視量を短い周期で計算し、こ
れより全炉心出力分布を算出し、この全炉出力分
布より燃料棒出力密度の変化率が算出し、該算出
された変化率があらかじめ定めた制限値を越えた
場合に炉心流量を増加又は減少させるようにし、
もつて燃料棒出力密度上昇率が上記制限値以下に
なるように原子炉出力を制御するものである。

以下、出力分布監視の方法について述べる。

第１図はBWRの燃料集合体１、制御棒２およ
び炉内中性子検出器３，４の相対位置を示す。
BWRには２種類の中性子検出器が設置されてい
る。１つは走行型中性子（Traversing In−core
Probe、TIP）で、必要に応じて炉心内に挿入さ
れ、監視ストリング３上の軸方向中性子束分布を
測定する。他の１つは局所出力領域モニタ
（Local Power Range Monitor、LPRM）４で、
これは軸方向に４個設置された位置固定型の検出
器である。これらは第２図に示す径方向位置に配
置され、炉心が対称（対称軸６，７に関する鏡対
称または90゜回転対称）の場合には、仮想的監視
ストリング５も監視ストリング３と同等である。

炉心の出力分布は通常TIP指示値を周囲４燃料
集合体出力に振り分けることにより算出される。

式(1)に出力分布振分け式の一例を示す。

Pi(K)＝φ(K)・Ci｛Ｍ(K)、Ｉ(K)｝・f₁｛(K)、 (K)・f₂｛(K)｝f₃｛(K)｝・f₄ ｛Vi(K)｝・f₅｛Ei(K)｝gi(K)………(1) ここに、ｉ：監視ストリングを囲む４燃料集合体の番号Ｋ：軸方向位置 Pi(K)：燃料集合体軸方向出力分布 φ(K)：軸方向中性子束分布（TIP指示値）Ｍ(K)：高さＫにおける、監視ストリングまわりの
制御棒挿入状態を示すインデツクスＩ(K)：監視ストリング囲りの、燃料の配列状態を
示すインデツクス Ci｛Ｍ(K)、Ｉ(K)｝：燃料集合体の種類、制御棒挿入
状態および燃料の配列タイプにより定まる定数Ｅ(K)：監視ストリング周囲４燃料集合体平均軸方
向燃焼度分布Ｖ(K)：監視ストリング周囲４燃料集合体平均軸方
向ボイド率分布 f₁｛(K)、(K)｝：(K)、(K)の多項式 f₂｛(K)｝：(K)の多項式 f₃｛(K)｝：(K)の多項式 Vi(K)：燃料集合体ｉの軸方向ボイド率分布 f₄｛Vi(K)｝：Vi(K)の多項式 Ei(K)：燃料集合体ｉの軸方向燃焼度分布 f₅｛Ei(K)｝：Ei(K)の多項式 gi(K)：径方向の中性子束勾配を考慮した補正係数上記したf₁〜f₅の各多項式の係数は、制御棒挿
入状態Ｍ(K)、燃料の配列タイプＩ(K)に応じて、あ
らかじめ作成した定数フアイルから選択して使用
する。

式(1)において、φ(K)は実測のTIP指示値から、
またgi(K)はTIP指示値の径方向勾配から定められ
る。また、燃焼度分布Ei(K)は炉心性計算により周
期的に計算された値を用いる（(K)はEi(K)の平均
値）。制御棒パターンが決まると、式(1)における
未知変数はPi(K)とVi(K)のみとなる（(K)はVi(K)
の平均値）。２種類の変数を求めるため繰り返し
計算が実行される。すなわち、ボイド分布Vi(K)
の初期値を与えて、出力分布Pi(K)を求め、改めて
Vi(K)をPi(K)の関数として求める手順を繰り返す。
計算が収束した段階でPi(K)とVi(K)が最終的な解
として同時に定まる。

このようにして定められた出力分布Pi(K)、Vi
(K)を用いて、熱的制限条件の１つである燃料棒最
大線出力密度が算出される。式(2)はその換算式の
一例である。

Xi(K)＝Pi(K)・Di｛Ｍ(K)、Ｉ(K)｝・f₆｛Ei(K)｝・f
₇｛Vi(K)｝……(2) ここに、 Xi(K)：燃料集合体ｉの軸方向最大線出力密度分
布 Di｛Ｍ(K)、Ｉ(K)｝：燃料集合体の種類、制御棒挿
入状態および燃料の配列タイプにより定まる定
数 f₆｛Ei(K)｝：Ei(K)の多項式 f₇｛Vi(K)｝：Vi(K)の多項式従来の炉心性能計算システムは通常１時間に１
回の割合で全炉心について上記の計算を実行し、
熱的余裕を監視している。しかし、先に述べたよ
うに負荷追従運転の場合には、より短い周期の監
視が必要である。

問題は、繰り返し計算を含む、上記全炉心計算
に要する時間が長く、短周期の監視には適してい
ないことである。本発明では、高速度の出力分布
監視を可能にするため、つぎの方法を用いた。

(1) 炉内中性子束検出器（LPRM）位置を代表
監視点にとり、監視量は全炉心出力分布を集約
した値を用いる。

(2) ある時期に全炉心出力分布計算を実行し、そ
の結果から上記監視量の現在値を求めた後、感
度解析により、この監視量の変動モデルを作成
する。

(3) 上記した監視量変動モデルを用いて、監視量
を短い周期で演算し、これを内外挿により全炉
心出力分布に変換する。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明
する。

第３図は本発明による出力制御装置の構成を示
す。以下、出力分布監視がとくに必要とされる、
出力上昇時を例にとり、各部の動作を説明する。

出力分布監視装置９は、原子炉８より取り込ま
れる中性子束（TIP指示値、LPRM指示値）、炉
心熱出力、炉心流量、制御棒パターンにもとづい
て式(1)により全炉心の出力分布を求め、これから
式(2)を用いて線出力密度分布を算出する。この計
算を周期的に実行して、結果を上昇率演算装置１
０に転送する。上昇率演算装置１０は最新の線出
力密度分布とその前回値、前々回値等より、現在
の線出力密度上昇率を算出する。これがあらかじ
め定めた制限値を越えた場合、この制限値と、現
在の線出力密度上昇率の比をとり、この比を現在
の炉心熱出力上昇率に乗ずることにより、炉心熱
出力の制限上昇率を決定する。一方、負荷変動計
画より、炉心熱出力の目標上昇率が求められる。
この目標上昇率は、負荷要求入力装置１３より転
送される電気出力上昇率を炉心熱出力上昇率に換
算（換算方法は後述する）することにより定め
る。この目標上昇率が上記した制限上昇率より大
きい場合には、負荷要求にしたがつて出力を上昇
させると、線出力密度上昇率は制限値を越える。
このため、上記した制限上昇率と目標上昇率のい
ずれか小さい方を、改めて制限上昇率として設定
する。このようにして求めた制限上昇率から現在
の炉心熱出力上昇率を差し引き、その差を操作量
指示装置１１に転送する。操作量指示装置１１は
上記の炉心熱出力上昇率の制限値と現在値の差
を、あらかじめ定めた変換式により、炉心流量の
変更率に換算し、この炉心流量変更率を現在の炉
心流量変更率に加え、炉心流量操作量を決定す
る。この炉心流量短作量を炉心流量制御装置１２
に転送し、炉心流量を変更することにより原子炉
出力を制御する。

以上、式(1)および式(2)を用いた全炉心出力分布
計算にもとづいて、炉心熱出力を制御する場合に
ついて、本発明の出力制御装置を説明した。しか
し前記したように、全炉心出力分布計算は、計算
時間が長いため、短い周期での監視には適してい
ない。そこでつぎに、出力変動が激しく、とくに
短い周期の監視が必要とされる場合に用いる、出
力分布高速監視装置の実施例を第４図に示す。第
４図は、第３図における出力分布監視装置９に相
当する部分の機能構成図で、出力制御装置として
の構成は第３図の場合と同一である。

第４図において１４は現在の出力分布を算出
し、これからLPRM位置での監視量を抽出する
現状データ演算部、１５はこの監視量の変動モデ
ルを決定する監視モデル作成部、１６は高速監視
部である。

出力・ボイド演算部１８は、データ取込処理部
１７により取り込まれた現在の中性子束φ⁰（Ｌ、
Ｋ）炉心熱出力Pth⁰、炉心流量F⁰、制御棒パタ
ーンCR⁰にもとづいて現在の全炉心出力分布P⁰
（Ｌ、Ｊ、Ｋ）とボイド分布V⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）を
求める。すなわた、先に述べた出力・ボイド繰返
し計算を用いて、全監視ストリング、仮想ストリ
ングに関して式(1)を解く。ここで、添字Ｌ、Ｊ、
Ｋはストリング番号、ストリング囲り燃料集合体
番号および軸方向位置を表わす（この時、P⁰
（Ｌ、Ｊ、Ｋ）は総和がPth⁰に等しくなるように
規格化される。炉心流量F⁰はボイド分布の算出
に用いられる）。線出力密度演算部１９はP⁰（Ｌ、
Ｊ、Ｋ）およびV⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）を用いて式(2)に
より線出力密度分布X⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）を求める。
出力・ボイド演算部１８、線出力密度演算部１９
の処理内容は従来の性能計算と同一である。

監視量抽出部２０は、X⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）から、
式(3)で定義される監視量Z⁰（Ｌ、KL）を抽出する
とともに、LPRM位置近傍の平均ボイド率W⁰
（Ｌ、KL）を式(4)により求める。

φ₀（Ｌ、KL）：LPRM位置でのTIP指示値 Σ^jk ：LPRMを囲む燃料セグメントに関する和を
示す Njk：LPRMを囲ぶ燃料セグメントの数式(3)は、式(1)のPi(K)を式(2)に代入して、中性子
束φ(K)とそれ以外のすべてを含む項とに分離して
書いた表式である。すなわち、Z⁰（Ｌ、KL）は線
出力密度相等値X⁰（Ｌ、KL）を算出するための、
中性子束φの比例項として扱つたもので、ボイド
率の関数形となる（制御棒パターン、燃焼度を既
知としたことによる）。

ボイド変化幅演算部２２は、負荷変動幅判定部
２１で求められた、電気出力の最大値、最小値を
つぎの操作により、ボイド変化幅に変換する。

(1) 電気出力の最大値、最小値を、あらかじめ定
めた換算式(5)により、炉心熱出力Pthの最大
値、最小値に変換する。

Pth＝a₁（１＋a₂Pe＋a₃Pe²） ………(5) a₁〜a₃：定数 Pe：電気出力の最大値、最小値 (2) 炉心熱出力の最大値Pth^max、最小値Pth^min
と、現在の炉心熱出力Pth⁰から、炉心熱出力の
変化幅ΔPthをつぎのように定義する。

ΔPth＝Max｛（Pth^max−Pth⁰）、（Pth⁰−Pth^min）｝ ………(6) (3) 炉心熱出力の変化幅ΔPthを、ボイド率の変
化幅ΔV(K)に換算する。この換算には、あらか
じめオフライン計算で定めた換算テーブルを用
いる。

出力演算部２３は、出力・ボイド演算部１８
で算出されたボイド分布V⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）を、
式(7)で定義されるV¹（Ｌ、Ｊ、Ｋ）およびV²
（Ｌ、Ｊ、Ｋ）で置換して、式(1)により、繰り
返し計算なしで出力分布を求める。

V¹（Ｌ、Ｊ、Ｋ）＝V⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）＋ΔV(K) V²（Ｌ、Ｊ、Ｋ）＝V⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）−ΔV(K)
………(7) 式(7)において、V¹（Ｌ、Ｊ、Ｋ）が１を越え
た場合にはこれを１でおきかえる。また、V²
（Ｌ、Ｊ、Ｋ）が負になつた場合には、これを
０で置きかえる。V¹（Ｌ、Ｊ、Ｋ）、V²（Ｌ、
Ｊ、Ｋ）に対応する出力分布をP¹（Ｌ、Ｊ、
Ｋ）、P²（Ｌ、Ｊ、Ｋ）で表わす。

このようにして定められたP¹（Ｌ、Ｊ、Ｋ）、
P²（Ｌ、Ｊ、Ｋ）、V¹（Ｌ、Ｊ、Ｋ）、V²（Ｌ、Ｊ、
Ｋ）を、１９，２０と同様の線出力密度円算部２
４、監視量抽出部２５を用いて、対応する監視量
とボイド率Z¹（Ｌ、Ｊ、Ｋ）、W¹（Ｌ、KL）およ
びZ²（Ｌ、KL）W²（Ｌ、KL）に変換する。

フイツテイング係数演算部２６は、各LPRM
位置（Ｌ、KL）について、式(8)で表わされるフ
イツト式の係数b₁（Ｌ、KL）〜b₃（Ｌ、KL）を決
める。

Ｚ（Ｌ、KL）＝b₁（Ｌ、KL）＋b₂（Ｌ、KL）・Ｗ（Ｌ
、KL）＋ b₃（Ｌ、KL）｛Ｗ（Ｌ、KL）｝² ………(8) 式(8)の係数b₁（Ｋ、KL）〜b₃（Ｋ、KL）は、Ｚ
（Ｌ、KL）およびＷ（Ｌ、KL）に既知のZ⁰（Ｌ、
KL）Z¹（Ｌ、KL）、Z²（Ｌ、KL）およびW⁰（Ｌ、
KL）、W¹（Ｌ、KL）、W²（Ｌ、KL）を代入し、
b₁（Ｌ、KL）〜b₃（Ｌ、KL）について解くことに
より求められる。

このようにして係数値を定めた式(8)を以後の監
視モデルとして使用する。

高速監視部１６では、まずデータ取込処理部２
７でLPRM値φ（Ｌ、KL）と炉心熱出力Pth、炉
心流量Ｆを取込み、ついでボイド演算部２８にお
いてつぎの方法により、LPRM位置（Ｌ、Ｋ）
でのボイド率を求める。

(1) 出力・ボイド演算部１８で求められた出力分
布P⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）を式(9)により補正、規格化
した出力分布Ｐ（Ｌ、Ｊ、Ｋ）を用いて、ボイ
ド分布Ｖ（Ｌ、Ｊ、Ｋ）を算出する。

式(9)のΔφ（Ｌ、Ｋ）は、新しく取り込んだ
LPRM指示値φ（Ｌ、KL）と、現状データ演
算部１４で用いたTIP指示値のLPRM位置での
値φ⁰（Ｌ、KL）の差を軸方向にフイツトして
定める。この時のフイツト式は、LPRM4点で
の差φ（Ｌ、KL）−φ⁰（Ｌ、KL）と、炉心上下
の外挿点での値０の計６個をフイツトする５次
式である。

(2) LPRM位置での平均ボイド率Ｗ（Ｌ、KL）
を式(4)と同様にしてLPRM周囲の燃料セグメ
ントのＶ（Ｌ、Ｊ、Ｋ）より求める。

監視量演算部２９は、このＷ（Ｌ、KL）を式
(6)に代入して監視量Ｚ（Ｌ、KL）の値を求め、
これにLPRM指示値φ（Ｌ、KL）を乗じて線
出力密度相等値Ｘ（Ｌ、KL）に換算する。内外
挿処理部３０は、このLPRM位置での線出力
密度相等値Ｘ（Ｌ、KL）と、監視量抽出部２０
で式(3)の第２式により求めたX⁰（Ｌ、KL）の
比を軸方向にフイツテイングして、比Ｒ（Ｌ、
Ｋ）を算出し、このＲ（Ｌ、Ｋ）を線出力密度
演算部１９で求めたX⁰（Ｌ、Ｊ、Ｋ）に乗じ
て、燃料セグメントの線出力密度Ｘ（Ｌ、Ｊ、
Ｋ）を算出してこれを操作量指示装置１１に転
送する。以後の処理は第３図の説明で述べたと
同一である。

以上の記述から明らかなように、高速監視部１
６内の演算処理は、ボイド分布計算と軸方向フイ
ツテイング以外は簡単な四則演算のみであり、通
常の全炉心出力分布計算の場合に実行される、ボ
イド・出力繰返し計算を含む式(1)の出力配分、お
よび式(2)の線出力密度計算は除外されている。こ
のため、計算時間は大幅に短縮され、したがつて
短い周期で高速監視部１０を起動することが可能
である。

以上述べたように、本発明により、炉心の出力
分布を監視しつつ、炉心流量制御手段を用いて、
出力分布が制限条件を満たすように原子炉出力を
制御し、かつ必要に応じて出力分布高速監視方法
を適用することができる。

以上述べたように、本発明によれば、炉内中性
子検出器位置における代表的な監視量で全炉心出
力分布を計算するようになつているので、全炉心
出力分布を、従来のものに比較して著しく短い時
間で得ることができ、負荷追従運転の如き運転条
件でも出力分布について制限条件を満すようにす
ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水型原子炉（BWR）における燃
料集合体、制御棒および炉内中性子束検出器の相
対位置を示す配置図、第２図はこれらの径方向位
置を示す炉心断面図である。第３図、第４図はそ
れぞれ本発明による原子炉出力制御装置の実施例
図および出力分布高速監視装置の機能構成図であ
る。１……燃料集合体、４……局所出力領域モニタ
（LPRM）、９，１２……出力分布監視装置、流
量制御装置、１４……現状データ演算部、１５…
…監視モデル作成部、１６……高速監視部。

Claims

【特許請求の範囲】

１現在の全炉心出力分布を炉内中性子検出器位
置における代表的な監視量に集約し、この集約し
た監視量の現在値と、負荷変動に対する感度計算
に基づいて、上記監視量の変動モデルを決定し、
この変動モデルを用いて出力変更運転中の該監視
量を短い周期で計算し、これより全炉心出力分布
を算出し、この全炉心出力分布より燃料棒出力密
度の変化率を算出し、該算出された変化率があら
かじめ定めた制限値を越えた場合に炉心流量を増
加又は減少させるようにし、もつて燃料棒出力密
度上昇率が上記制限値以下になるように原子炉出
力を制御する沸騰水形原子炉出力制御方法。