JPS63758B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、制御棒駆動方式により原子炉の熱出
力を変化させる場合に、制御棒操作後における原
子炉の熱出力分布を予測計算する原子炉の熱出力
分布予測装置に関する。

原子炉の熱出力を制御する方法として、沸騰水
形原子力発電所においては、再循環流量制御方式
と制御棒駆動方式とが主に採られている。

再循環流量制御方式は、再循環流量を変えるこ
とにより中性子減速材である水の密度を変化させ
て原子炉の熱出力を制御しようとするものであ
り、また、制御棒駆動方式は、中性子吸収材であ
る制御棒の炉心内での位置を調整することにより
原子炉の熱出力を制御しようとするものである。

再循環流量制御方式においては、炉心内の各燃
料棒の熱出力分布は、ボイド発生量の変化によ
り、各燃料棒の高さ方向でやや異なるが、この点
を除けば、各燃料棒の熱出力分布はほぼ一定の割
合で変化する。

これに対して、制御棒駆動方式においては、挿
入位置の変化した制御棒近辺に存在する燃料棒の
熱出力分布は大きく変化するが、これから遠ざか
るにつれて、燃料棒の熱出力分布の変化は減少し
て行く。

沸騰水形原子炉の熱出力の制御はこのようにし
て行なわれるが、燃料棒の健全性を確保するため
に、燃料棒の発熱量には、いくつかの制約条件が
課せられており、このような制御方法により熱出
力を変化させる場合には、制御後の熱出力分布が
この制約条件を破ることがないことをあらかじめ
確認しておく必要がある。

再循環流量制御方式により熱出力を変化させる
場合には、前述のように炉心に存在する各燃料棒
の熱出力分布は一様に変化することとなるので、
例えば本出願人が出願した特開昭54―39795号に
開示されているような軸方向一次元計算を用い
て、変化後の燃料棒の熱出力分布が前記した制約
条件を満たしているかどうかの予測を、比較的容
易にすることができる。

これに対して、制御棒駆動方式により熱出力を
変化させる場合には、すでに述べたように炉心に
存在する各燃料棒の熱出力分布は挿入位置の変化
した制御棒近辺に存在する燃料棒の熱出力分布が
大きく変化することとなるので、制御棒を変化さ
せた後の炉心内の熱出力分布は、各燃料棒の熱出
力分布を計算して求める必要がある。

この計算は、従来例えば、３次元拡散方程式か
ら導かれる全炉心３次元核・熱出力計算コードを
用いて、大型電子計算機によりオフラインで行な
われている。

この、全炉心３次元核・熱推力計算コードを用
いて計算する場合には、計算に多大な時間を要
し、かつ、記憶容量の大きい電子計算機が必要と
なるため、これを、例えばプロセス電子計算機の
ようなオンライン電子計算機で求めることは困難
であるという欠点があつた。

本発明者は、かかる従来の欠点を解消すべく鋭
意研究を重ねた結果、操作される制御棒からある
程度離れると熱出力分布の変動はほとんどなくな
ることに着目して、３次元拡散方程式を解く領域
を操作される制御棒の周辺に限定することによ
り、炉心内熱出力分布を短時間で計算する方法を
案出した。

すなわち、この３次元拡散方程式を解く領域と
して、例えば、第１図に示すように、操作される
制御棒１の周辺に存在する、実線および破線で囲
まれた白地で示される20バンドルの領域に限定
し、この領域を計算領域Ａと定義する。

制御棒１の操作により熱出力分布の変化はこの
計算領域Ａのさらに外側の領域にも及ぶが、その
変化量は計算領域Ａにおける変化量に比較してか
なり小さい。

そこで、この計算領域Ａの周辺に存在する、実
線および破線で囲まれた斜線で示される32バンド
ルを境界領域Ｂと定義する。

この境界領域Ｂについては、３次元拡散方程式
を解かずに、計算領域Ａで計算された熱出力変化
量をもとにして、その熱出力変化量を近似的に計
算する。

このように、熱出力分布を予測計算する領域
を、計算領域Ａと境界領域Ｂとに限定し、しか
も、３次元拡散方程式を解く領域を計算領域Ａに
限定することにより、炉心内熱出力分布の計算時
間は大巾に短縮される。

しかし、計算時間をさらに短縮するために、実
線で囲まれた、制御棒周りの４バンドルを平均化
し、これをセルＣと定義して３次元拡散方程式を
解くことにする。

このように、制御棒周りの４バンドルを平均化
したのは、この４バンドルの高さ方向の熱出力分
布は、お互いに似かよつた形をしており、制御棒
１の操作により、熱出力分布は同じように変化す
ることによる。

４バンドル平均セルを単位とし、さらに高さ方
向に24等分にメツシユ分割して、３次元拡散方程
式を差分近似して実現すると次式のようになる。

B²i，ｊ，ｋ＝Ｋ∞ｉ，ｊ，ｋ／λ−１／M²i，ｊ，ｋ ここで、 φi，ｊ，ｋ…………中性子束 Pi，ｊ，ｋ……………熱出力 △Ｘ………………………径方向メツシユ巾 △Ｚ………………………高さ方向メツシユ巾 K^∞ｉ，ｊ，ｋ…無限増倍率 λ…………………………実効増倍率 M²i，ｊ，ｋ…………中性子移動面積 （Σ₁）ｉ，ｊ，ｋ……除去断面積 （D₁）ｉ，ｊ，ｋ……拡散係数 （）ｉ，ｊ，ｋ…１核分裂当り生成する平均中
性子数 である。

この方程式を計算領域Ａについてだけ解くこと
になるが、(1)式右辺の計算を行なうためには、着
目する位置（ｉ，ｊ，ｋ）の周りの中性子束、例
えばφi＋１，ｊ，ｋ等の値が必要である。

そのため、操作される制御棒１周り４バンドル
平均セル、すなわち、中心セルS_A0に対しては、
計算領域Ａ内のセルS_A1〜S_A4の中性子束分布だけ
で(1)式は表現されることとなるが、その他の４個
のセルS_A1〜S_A4に対しては境界領域Ｂの中性子束
分布も必要となる。

そこで、これらのセルS_A1〜S_A4に対しても計算
領域Ａ内のセルS_A0〜S_A4の中性子束分布のみで計
算できるように(1)式を変形する。

この目的のために、まず境界領域Ｂに属するセ
ルS_B1〜S_B8の中性子束分布の変化を考える。

この境界領域Ｂに属するセルS_B1〜S_B8のいずれ
か１つのセルを取り囲む４セルは計算領域Ａに属
するセルS_A0〜S_A4と、境界領域Ｂのさらに外側の
セル（図示せず）だけであり、境界領域Ｂに属す
る他のセルがこれに接することはない。

そこで境界領域Ｂのさらに外側のセルの中性子
束分布の変化量は非常に小さいので、これを無視
することとすると、境界領域ＢのセルS_B1〜S_B8の
中性子束分布の変化量は計算領域Ａに属するセル
S_A0〜S_A4の中性子束分布の変化量のみによつて求
めることができる。

よつて、制御棒１操作後の境界領域Ｂの中性子
束分布は、制御棒１操作前の境界領域Ｂの中性子
束分布および制御棒１操作後の計算領域Ａの中性
子束分布のみによつて表わすことができる。

この結果、３次元拡散方程式の(1)式を用いて計
算領域Ａに属する中心セルS_A0以外のセルS_A1〜
S_A4の中性子束分布を計算するのに必要な、境界
領域ＢのセルS_B1〜S_B8の中性子束分布は、制御棒
１操作前の境界領域Ｂの中性子束分布と、制御棒
１操作後の計算領域ＡのセルS_A1〜S_A4の中性子束
分布で表わすことができ、(1)式は、制御棒１操作
後の中性子束分布計算時に計算領域ＡのセルS_A0
〜S_A4の中性子束分布のみが未知数となるため、
この(1)式を解いて、計算領域Ａに属するセルS_A0
〜S_A4の中性子束分布を求めることができる。

このようにして中性子束分布が求まれば、(2)式
を用いて、炉心熱出力分布を求めることができ
る。

本発明はかかる知見に基づいてなされたもの
で、制御棒駆動方式により、熱出力の制御を行な
う場合に、制御棒操作後における炉心内の熱出力
分布の変化を、オンライン電子計算機を用いて、
短時間にかつ高精度で予測し、これがすでに述べ
た、制御棒の熱的制約条件を満たすかどうかを確
認することができる原子炉の熱出力分布予測装置
を提供しようとするものである。

以下本発明の詳細を図面に示す一実施例につい
て説明する。

第２図に示す、原子炉の熱出力分布予測装置
は、原子炉状態量入力装置２と、現状炉心状態計
算装置３と、運転員要求入力装置４と、熱出力分
布予測装置５と、予測結果表示装置６とから構成
されている。

原子炉状態量入力装置２は、原子炉７の炉心流
量、炉心圧力、炉心温度、制御棒位置等の炉心現
状データを測定する炉心現状データ測定器および
炉心中性子束測定器からの計数値を取り込んでこ
れを記憶する。

ここで、炉心中性子束測定器とは、いわゆる局
部出力モニタ系（LPRM）に配設される中性子
検出器を示している。

現状炉心状態計算装置３は、原子炉状態量入力
装置２に記憶された炉心現状データおよび炉心中
性子測定器からの計数値を取り込み、予め内蔵さ
れた物理モデルに基づき現状の３次元熱出力分布
を算出するとともに、過去の運転履歴に基づいて
きまる燃料の特性を表わす燃焼度分布、ボイド履
歴等のパラメータ値を計算する。これらのパラメ
ータ値は熱出力分布予測装置において物理モデル
である３次元拡散方程式を解くのに必要とされ
る。

なお現状の３次元熱出力分布は、既設のプロセ
ス電子計算機により周期的にあるいは運転員の要
求により実行されている全炉心熱出力計算の結果
を用いることもできるが、制御棒操作時には、短
時間で炉心状態が変化することとなるので、例え
ば、本出願人が先に出願した特開昭54―40996号
に開示されている局所出力分布計算を用いて、炉
心内の熱出力分布を短時間で計算するのが望まし
い。

運転員要求入力装置４は、運転員が操作しよう
とする制御棒の番号および制御棒操作後の制御棒
の位置を入力し、これを記憶する。

熱出力分布予測装置５は、運転員要求入力装置
４に記憶された制御棒の番号および制御棒操作後
の制御棒の位置を読出し、運転員の要求どおりに
制御棒操作を実行した後の炉心熱出力分布を予測
計算する。

この予測計算は、前述したように、３次元拡散
方程式を解く領域を操作される制御棒まわりに限
定することにより、プロセス電子計算機のような
オンライン電子計算機により簡単に予測計算する
ことができる。

しかし、物理モデルとして、３次元拡散方程式
を差分近似して求められた(1)，(2)式を用いる場合
には、原子炉７の現状の熱出力分布から(2)式を逆
算して求めた中性子束分布が(1)式を満足しないこ
とが往々にしてある。

この理由としては、(1)，(2)式に含まれる核定数
のもつ誤差および(1)，(2)式を導出するにあたつて
の物理モデルに含まれる近似や簡略化の操作によ
るものと考えられる。

そこで実機の熱出力分布が(1)，(2)式を満足する
ように何らかの補正を行なう必要がある。

この補正量は制御棒１の挿入位置により異なる
ため、制御棒１操作後の熱出力分布を予測計算す
るためには、制御棒１位置の変化したセルS_A0に
対する補正量をあらかじめ求めておく必要があ
る。

このような補正量を求める方法として、種々の
方法が考えられるが、制御棒１操作後の補正量を
容易に推定でき、しかも、補正量のもつ誤差が予
測結果に与える影響のできるだけ小さなものを選
ぶ必要がある。

本発明者は、鋭意研究の結果、このような目的
に沿つた補正方法として、(1)，(2)式に含まれる核
定数であるM²（中性子移動面積）を補正する方法
が最も優れていることを見出した。

この核定数であるM²は中性子の拡散距離に係
るものであり、瞬間ボイド率および制御棒の有無
によつてのみ与えられる定数である。

補正後の中性子移動面積をM_C ²、補正前の中性
子移動面積をM²とし、 M_C ²＝M²×α ……(3) とすると、制御棒が全引抜きされている場合
と、全挿入されている場合の補正係数αの値は、
それぞれ例えば、第３図および第４図に示すよう
に表わされる。

第３図および第４図において、横軸には補正係
数αの値が、縦軸には燃料棒を高さ方向に24等分
したときの位置がとられており、SPはスペーサ
の位置を示している。

第３図から、スペーサの存在する位置では、補
正係数αの値が特に大きくなつているのがわかる
が、これは(1)，(2)式を導出した物理モデルには含
まれていなかつたものである。

また、第４図から、補正係数αは制御棒が挿入
されている場合にはスペーサの影響を受けないこ
とがわかる。

さらに、第３図および第４図に示した補正係数
αは炉心内位置や燃料特性等による影響をほとん
ど受けないことがわかつた。

このような補正係数αを用いて、制御棒１操作
前の中性子移動面積M²を補正し、制御棒１操作
後における中性子移動面積M_C ²を求める方法につ
いて説明する。

第１の方法は、現状炉心状態計算装置３で求め
られた現状の３次元熱出力分布を用いるものであ
る。

すなわちこの３次元熱出力分布から、制御棒全
引き抜きおよび全挿入状態に対する補正係数αの
値を求め、これを制御棒１操作後の制御棒位置に
応じて合成し補正係数αの値を求め、制御棒操作
後におけるM_C ²の値を求める。

第２の方法は、あらかじめ求めておいた、制御
棒全引き抜きおよび全挿入に対する補正係数αを
用いるものである。

すなわち前述したように補正係数αは炉心内位
置や燃料特性等による影響をほとんど受けないの
で、この補正係数αを、例えば、最も精度が高い
と考えられるTIP（Traveling Incore Prove）走
査時に求められた３次元熱出力分布から求めてお
き、この補正係数αを、現状炉心状態計算装置３
で求められた現状の補正係数αとLPRMストリ
ングに配置された中性子検出器の位置で一致する
ように補正しこの補正量を制御棒が引き抜かれて
いる位置および挿入されている位置それぞれにつ
いて、一次式で内外挿して高さ方向全ノードに対
する補正係数αの値を求め、制御棒１操作後にお
けるM_C ²の値を求める。

第３の方法は、第２の方法と同様に、補正係数
αを例えばTIP走査時における３次元熱出力分布
から求め、この補正係数αをもとに制御棒１操作
前の熱出力分布を求め、このようにして求められ
た熱出力分布が現状炉心状態計算装置３で求めら
れた熱出力分布とLPRMストリングに配置され
た中性子検出器の位置で一致するように熱出力分
布に対する補正量を求め、この補正量を、制御棒
が引き抜かれている位置および挿入されている位
置それぞれについて、１次式で内外挿して、高さ
方向全ノードに対する補正量を求め、制御棒１操
作後の予測された熱出力分布に、この補正量をか
ける。

熱出力分布予測装置５は以上述べたような３通
りの補正方法を有しているが、現状炉心状態計算
装置３で求められた３次元熱出力分布の精度が高
い場合には第１の方法で充分であるが、その信頼
性が落ちる程、補正係数αの誤差を少なくするた
めに、第２、第３の方法を用いるようにするのが
望ましい。

以上のように構成された熱出力分布予測装置３
を用いて求めた、制御棒１操作後の熱出力分布を
第５図に示す。

なお、ここで、補正係数αは第３図、第４図の
ものを用い、さらに第３の方法によつて補正した
ものである。

第５図は横軸に熱出力を、縦軸に熱料棒を高さ
方向に24等分したときの位置をとつており、曲線
は制御棒１操作前の原子炉７の熱出力分布を、
曲線は制御棒１操作後の原子炉７における熱出
力分布を、曲線は熱出力分布予測装置５により
予測された制御棒１操作後の熱出力分布を示して
いる。

なお、斜線で示される棒グラフは制御棒の位置
を示しており、ａは制御棒１操作前の制御棒位置
を、ｂは制御棒１操作後の制御棒位置をそれぞれ
示している。

第５図から明らかなように、曲線と曲線と
はほぼ近似しており、このような予測方法による
ときは、非常に精度よく制御棒１操作後の熱出力
分布を予測できることがわかる。

予測結果表示装置６は、熱出力分布予測装置５
で得られた制御棒１操作後の熱出力分布をもとに
線出力密度およびCPRを計算し、計算された値
が、その制限値を越えるかどうか判断し、この判
断結果を表示する。

以上述べたように構成された本発明の原子炉の
熱出力分布予測装置によれば、制御棒操作後の熱
出力分布をオンライン電子計算機を用いて、短時
間にかつ高精度で予測することができ、制御棒操
作後において、燃料棒が、この燃料棒の熱的制約
条件を満たすかどうかを迅速に確認することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、操作される制御棒の周辺を計算領域
と境界領域とに別けた状態を示す説明図、第２図
は、本発明の原子炉の熱出力分布予測装置の一実
施例を示すブロツク図、第３図は、制御棒全引き
抜き時における補正係数αの値を示すグラフ、第
４図は、制御棒全挿入時における補正係数αの値
を示すグラフ、第５図は、第２図に示す装置で予
測計算された燃料棒の熱出力分布を示すグラフで
ある。 １……制御棒、２……原子炉状態量入力装置、
３……現状炉心状態計算装置、４……運転員要求
入力装置、５……熱出力分布予測装置、６……予
測結果表示装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉心流量、炉心圧力、炉心温度、制御棒位置
   等の炉心現状データを測定する炉心現状データ測
   定器および炉心中性子束測定器の計数値を取込ん
   で予め内蔵された物理モデルに基づき現状の炉心
   熱出力分布を算出するとともに、物理モデルであ
   る３次元拡散方程式を解くのに必要とされる過去
   の運転履歴に基づいて決定される燃料の特性を表
   わす燃焼度分布、ボイド履歴等のパラメータ値を
   算出する現状炉心状態計算装置と、操作される制
   御棒の位置に対応して、炉心内を計算領域、境界
   領域およびこれ等のいずれにも属さない領域に区
   分し、前記３次元拡散方程式に含まれる中性子束
   を前記制御棒操作前の境界領域の中性子束と制御
   棒操作後の計算領域の中性子束とで表わすととも
   に、制御棒操作後における前記パラメータ値の一
   つである中性子移動面積の値を補正し、前記３次
   元拡散方程式に前記中性子移動面積の値と、前記
   現状炉心状態計算装置で求められた境界領域の中
   性子束およびその他のパラメータ値とを代入し、
   制御棒操作後の計算領域の中性子束を求めるとと
   もに、炉心内の熱出力分布を予測計算する熱出力
   分布予測装置とから成ることを特徴とする原子炉
   の熱出力分布予測装置。 ２ 中性子移動面積の値の補正は、前記現状炉心
   状態計算装置で求められた現状の３次元熱出力分
   布から制御棒全引き抜きおよび全挿入状態に対す
   る補正係数の値を求め、これを制御棒操作後の制
   御棒位置に応じて合成することにより行なわれる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原
   子炉の熱出力分布予測装置。 ３ 中性子移動面積の値の補正は、あらかじめ求
   めておいた制御棒全引抜きおよび全挿入に対する
   補正係数の値を、前記現状炉心状態計算装置で求
   められた現状の補正係数と局部出力モニター系に
   配置された中性子検出器の位置で一致するように
   補正しこの補正量を制御棒が引抜かれている位置
   および挿入されている位置それぞれについて、一
   次式で内外挿して高さ方向全ノードに対する補正
   係数の値を求めることにより行なわれることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の原子炉の熱
   出力分布予測装置。 ４ 中性子移動面積の値の補正は、あらかじめ求
   めておいた制御棒全引抜きおよび全挿入に対する
   補正係数の値をもとに制御棒操作前の熱出力分布
   を求め、しかる後このようにして求められた熱出
   力分布が前記現状炉心状態計算装置で求められた
   熱出力分布と局部出力モニター系に配置された中
   性子検出器の位置で一致するように熱出力分布に
   対する補正量を求め、この補正量を、制御棒が引
   抜かれている位置および挿入されている位置それ
   ぞれについて、１次式で内外挿して、高さ方向全
   ノードに対する補正量を求め、制御棒操作後の予
   測された熱出力分布にこの補正量をかけることに
   より行なわれることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の原子炉の熱出力分布予測装置。