JP2004333433A - 燃料集合体熱的特性評価方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体の熱的健全性を詳細に評価できる燃料集合体熱的特性評価方法及び装置を得ること。
【解決手段】沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体における燃焼度とボイド率とチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を使用して計算したピーキング係数を用いて、燃料集合体の線出力密度と限界出力比の一方または両方を計算する。そして、その線出力密度と限界出力比の一方または両方により、燃料集合体の熱的健全性を評価する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体の熱的健全性を評価する燃料集合体熱的特性評価方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉心は、図７に示すように構成されている。炉心内には、複数の燃料集合体１と複数の制御棒２、中性子束を検出するための複数個の炉内中性子検出器３が配置されている。各々の燃料集合体１は、図８に示すよう構成されており、５０〜１００本の燃料棒４と数本のウォータロッド５を行列形に配置し、約１５ｃｍ角のチャンネルボックス６で覆われた構造となっており、有効長さは約３．７ｍである。
【０００３】
沸騰水型原子炉の運転中における燃料集合体１の健全性を確保するためには、燃料集合体１を構成する燃料棒２の単位長さ当りの発生熱出力（以下「線出力密度」と呼ぶ）を制限値以下に抑えることが必要である。また、運転時の異状な過渡変化が起きた場合においても、冷却不十分のために生ずる燃料棒損傷が発生する出力（以下「限界出力」と呼ぶ）に至らないように、限界出力と通常運転時の燃料集合体１の発生熱出力との比（以下「限界出力比」と呼ぶ）が制限値以上となるようにする必要がある。
【０００４】
従来の技術では、炉心の監視あるいは予測において、以下のような方法により線出力密度及び限界出力比を計算し評価するのが一般的である。
【０００５】
すなわち、まず炉心を構成する各燃料集合体１を軸方向に複数の単位ノードに分割し、この単位ノード内では燃料の組成が均質であると近似することにより、少数群または修正１群の中性子拡散方程式を解き、単位ノード平均の中性子束および熱出力（密度）を計算する。次に、燃料集合体内で最も熱出力の出る燃料棒のピーキング係数（「局所ピーキング係数」）を単位ノード平均の熱出力（密度）に掛けることにより、最大出力となる燃料棒の線出力密度を計算する。上記のようにして求まった線出力密度を定められた制限値以下になるように制御すれば、燃料集合体１の熱的健全性は確保できるものとして評価する。
【０００６】
また、限界出力は、燃料棒４を模擬した電熱管を実際の燃料集合体１の形状に構成した実験から得られた実験式を用いて評価する。実験式は、冷却材流量、圧力、燃料集合体形状因子のデータと共に、Ｒ因子と呼ばれるピーキング係数に関する因子を使用して整理されているので、各燃料集合体１の冷却材流量、圧力、形状因子、Ｒ因子により限界出力が求まる。限界出力比は、各燃料集合体１の限界出力と実際の発生熱出力との比として計算する。上記のようにして求まった限界出力比を定められた制限値以上になるように制御すれば、燃料集合体１の熱的健全性は確保できるものとして評価する。
【０００７】
上記の計算には、各燃料集合体１についてのピーキング係数として、線出力密度計算用の局所ピーキング係数と限界出力比計算用のＲ因子が必要となる。局所ピーキング係数とＲ因子は、同一形状の燃料集合体１が規則的に配置された状態を仮定して、単位燃料集合体核計算コードで計算しておき、燃料集合体１の燃焼度とボイド率の関数として与えておくのが一般的である。図９は、中心型格子タイプの燃料集合体１の規則的配置を示す模式図であり、各燃料集合体のチャンネルボックス間のウォータギャップ幅（Ｗ）が全て等しい値となっている。図１０は、偏心型格子タイプの燃料集合体１の規則的配置を示す模式図であり、各燃料集合体のチャンネルボックス間のウォータギャップ幅のうち、制御棒挿入側の幅（Ｗｗ）が制御棒非挿入側の幅（Ｗｎ）より広い格子タイプであるが、全ての燃料集合体について、Ｗｗの値は等しく、またＷｎの値も等しくなっている。
【０００８】
従来の技術で使用するピーキング係数は、同一形状の燃料集合体が図９または図１０に示すように、規則的に配置された状態を仮定して計算するので、評価が簡単にできるようになっている。
【０００９】
【特許文献】
特願２００１−３６０６６５号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、今後の燃料集合体では、形状の異なるチャンネルボックスを使用することが検討されるようになってきた。通常、１回の定期検査中に全ての燃料集合体を取り替えるのではなく、１／５〜１／３づつ取り替えるため、同一炉心内に形状の異なるチャンネルボックスが存在することになり、従来技術のように、同一形状の燃料集合体が規則的に配置された状態を仮定して計算したピーキング係数を使用する方法では、燃料集合体の熱的健全性を正確に評価できない欠点がある。また、従来の評価方法では、同一形状のチャンネルボックスを使用する場合でも、チャンネルボックスの製造公差や使用中の変形については考慮できないため、評価誤差分に対応する過度の余裕を取った制限値を定めて運用する必要があり、燃料の経済性を損なうことになる。
【００１１】
このように、従来技術の評価方法では、形状の異なるチャンネルボックスを使用する場合に、燃料集合体の熱的健全性を正確に評価できない欠点がある。また、同一形状のチャンネルボックスを使用する場合でも、過度の余裕を取った制限値を定めて運用する必要があり、燃料の経済性を損なうことになる。
【００１２】
本発明は、このような点に鑑み、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体の熱的健全性を詳細に評価できる燃料集合体熱的特性評価方法及び装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体における燃焼度とボイド率とチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を使用して計算したピーキング係数を用いて燃料集合体の線出力密度と限界出力比の一方または両方を計算し、上記線出力密度と限界出力比の一方または両方により、燃料集合体の熱的健全性を評価することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、ピーキング係数は、燃焼度とボイド率及びチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を関数として計算することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体について、チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された状態で燃焼度とボイド率の関数として計算したピーキング係数に、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅が不規則になったためのピーキング補正量を掛けることにより燃料集合体のピーキング係数を計算し、燃料集合体の線出力密度と限界出力比の一方または両方を評価することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体について、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅を、個々の燃料集合体の設計データまたは使用前の測定データを使用して計算することを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体について、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅を、個々の燃料集合体の設計データまたは使用前の測定データに、チャンネルボックスの中性子照射による伸びに起因する変形量を加えて計算することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体について、隣接した燃料集合体の影響による中性子束の変化量および片燃えの影響による中性束の変化量の少なくとも一方によりピーキング係数を補正することを特徴とする。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれか記載の発明において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体について、全部または特定の燃料棒のピーキング係数を計算して最大の値を燃料集合体のピーキング係数とすることを特徴とする。
【００２０】
請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体について、全部または特定の燃料棒のピーキング係数を計算した結果を使用して、限界出力比計算用のＲ因子を計算することを特徴とする。
【００２１】
請求項９に係る発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体について、炉内中性子検出器の信号を利用して、燃料集合体のノード出力分布の計算値を補正することを特徴とする。
【００２２】
請求項１０に係る発明は、評価の対象となる沸騰水型原子炉の運転状態を設定し、データ記憶部に格納する計算条件設定部と、上記計算条件設定部で設定された運転状態に対して、燃料集合体を軸方向に複数に分割した領域を単位ノードとした単位ノード平均の中性子束、熱出力およびボイド率分布を計算し、上記データ記憶部に格納するノード出力計算部と、単位ノード平均熱出力とボイド率分布を使って、単位ノード燃焼度を計算し、データ記憶部に格納するノード燃焼度計算部と、個々の燃料集合体のチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を計算し、データ記憶部に格納するウォータギャップ幅計算部と、単位ノード燃焼度とボイド率分布とウォータギャップ幅を使って燃料集合体のピーキング係数を計算し、データ記憶部に格納するピーキング係数計算部と、単位ノード平均熱出力とボイド率分布とピーキング係数を使って、燃料集合体の線出力密度と限界出力比の一方または両方を計算する熱的特性計算部と、計算結果を集計し原子炉内の最も厳しい燃料集合体の情報や詳細情報を出力する計算結果出力部を有することを特徴とする。
【００２３】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に係る発明において、チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された状態のピーキング係数を燃焼度とボイド率の関数として計算する単位ノードピーキング係数計算部と、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅が不規則になったためのピーキング補正量を計算するウォータギャップ幅依存ピーキング補正計算部を有するピーキング係数計算部を有することを特徴とする。
【００２４】
請求項１２に係る発明は、請求項１０または１１に係る発明において、チャンネルボックスの中性子照射による伸びに起因する変形量を計算するチャンネルボックス変形量計算部を有することを特徴とする。
【００２５】
請求項１３に係る発明は、請求項１０乃至１２のいずれかに係る発明において、隣接した燃料集合体の影響による中性子束の変化量および片燃えの影響による中性束の変化量の少なくとも一方によりピーキング係数を補正するピーキング係数補正計算部を有することを特徴とする。
【００２６】
請求項１４に係る発明は、請求項１０乃至１３のいずれかに係る発明において、炉内中性子検出器の信号を利用して、燃料集合体のノード出力分布の計算値を補正するノード出力補正計算部を有することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示すブロック構成図である。
【００２８】
図１において符号１０は計算条件設定部であって、この計算条件設定部１０において評価の対象となる原子炉の運転状態を設定すると、そこで設定された運転状態がデータ記憶部１１に格納される。上記データ記憶部１１には、ノード出力計算部１２で計算された単位ノード平均の中性子束、熱出力（密度）及びボイド率分布、ノード燃焼度計算部１３で計算された単位ノード燃焼度、ウォータギャップ幅計算部１４で計算されたウォータギャップ幅、ピーキング係数計算部１５で計算されたピーキング係数がそれぞれ入力格納される。
【００２９】
すなわち、ノード出力計算部１２では、計算条件設定部１０で設定された運転状態に対して、中性子拡散方程式を解き、単位ノード平均の中性子束、熱出力（密度）およびボイド率分布が計算され、その単位ノード平均の中性子束、熱出力（密度）およびボイド率分布がデータ記憶部１１に格納される。また、ノード燃焼度分布計算部１３では、ノード出力計算部１２で計算された単位ノード平均熱出力を使って、単位ノード燃焼度が計算され、その単位ノード燃焼度がデータ記憶部１１に格納される。さらに、ウォータギャップ幅計算部１４では、各燃料集合体のチャンネルボックス間のウォータギャップ幅が計算され、ウォータギャップ幅がデータ記憶部１１に格納される。出力ピーキング係数計算部１５では、ノード燃焼度計算部１３で計算された単位ノード燃焼度とノード出力計算部１２で計算されたボイド率分布とウォータギャップ幅計算部１４で計算されたウォータギャップ幅を使って、燃料集合体のピーキング係数が計算され、データ記憶部１１に格納される。
【００３０】
熱的特性計算部１６では、ノード出力計算部１２で計算された単位ノード平均熱出力とピーキング係数計算部１５で計算されたピーキング係数を使って、燃料集合体の線出力密度と限界出力比が計算され、計算結果出力部１７では、その計算結果を集計し原子炉内の最も厳しい燃料集合体の情報や詳細情報が出力される。
【００３１】
評価の対象となる沸騰水型原子炉の炉心は、従来技術と同様に、図７に示すように構成されている。炉心内には、複数の燃料集合体１と複数の制御棒２、中性子束を検出するための複数個の炉内中性子検出器３が配置されている。各々の燃料集合体１は、図８に示すように、５０〜１００本の燃料棒４と数本のウォータロッド５を行列形に配置し、約１５ｃｍ角のチャンネルボックス６に覆われた構造となっており、有効長さは約３．７ｍである。
【００３２】
この実施の形態において、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体１を軸方向に複数の単位ノードに分割するが、代表的な例として、１１０万級沸騰水型原子炉では７６４体の燃料集合体１があり、軸方向の分割数を２４分割とすると、１８３３６の単位ノードとなる。
【００３３】
ノード出力計算部１２は、単位ノード内で燃料の組成が均質であると近似することにより、少数群（中性子群を高速中性子群、熱外中性子群および熱中性子群の少数のエネルギー群に分けたもの）、または修正１群（中性子群を高速中性子群の一群だけからなると修正したもの）の中性子拡散方程式を解き、核熱水力特性計算をカップリングさせて、単位ノード平均の中性子束、熱出力（密度）およびボイド率分布を計算する。
【００３４】
ノード燃焼度計算部１３は、単位ノード平均熱出力と起点状態からの時間増分を掛けて、単位ノード燃焼度増分を求め、データ記憶部１１の計算起点の単位ノード燃焼度に加えることにより、対象となる時点の単位ノード燃焼度を計算する。
【００３５】
ウォータギャップ計算部１４は、図２に示すような不規則な燃料集合体１の配置に対して、計算対象である燃料集合体１（図２では中央の燃料集合体）のチャンネルボックス６の４つの面毎に、隣接する燃料集合体１のチャンネルボックス６との間隔としてウォータギャップ幅（Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ）を計算する。ウォータギャップ幅を計算する時に使用するチャンネルボックス６の幾何学的形状としては、個々のチャンネルボックス形状と据付位置に関する設計データを使用する方法と使用前の測定データを使用する方法がある。なお、チャンネルボックス６は高さが約４ｍあるために途中に曲りが存在することがあるので、使用前の測定データとして軸方向位置での曲りデータが存在する場合には、単位ノード位置での曲りとして測定データを使用し、ウォータギャップ幅を軸方位置ごとに詳細に計算することができる。
【００３６】
ピーキング係数計算部１５は、単位ノード燃焼度とボイド率とウォータギャップ幅を使って、ピーキング係数及びＲ因子を下記の（１）及び（２）式により計算する。
ＬＰＦ＝ｆｌ（ＥＮ、ＶＦ、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ） ………………（１）
ＲＦ＝ｆｒ（ＥＢ、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ） ………………（２）
ここで、
ＬＰＦ ：単位ノードの局所ピーキング係数
ＲＦ ：燃料集合体のＲ因子
ＥＮ ：単位ノード燃焼度
ＶＦ ：単位ノードのボイド率
ＥＢ ：燃料集合体の燃焼度
Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ ：ウォータギャップ幅
ｆｌ ：局所ピーキング係数を計算する関数
ｆｒ ：Ｒ因子を計算する関数
【００３７】
上記の式で使用する局所ピーキング係数を計算する関数とＲ因子を計算する関数を作成するには種々の方法があるが、本実施の形態では、単位燃料集合体計算コードを使用して予め計算しておく例を示す。
【００３８】
単位ノード内の局所ピーキング係数は、一般に着目する単位ノード内の燃料集合体の幾何学的形状と各燃料棒の濃縮度、ガドリニアなどの可燃性毒物の分布等で区別される単位ノード固有のインデックス（燃料タイプ）で整理される。その燃料タイプ毎に、個々のウォータギャップ幅を複数の状態（Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗａ３…）、（Ｗｂ１、Ｗｂ２、Ｗｂ３…）、（Ｗｃ１、Ｗｃ２、Ｗｃ３…）、（Ｗｄ１、Ｗｄ２、Ｗｄ３…）を仮定して、燃焼度Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…、及びボイド率Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…の各々について、単位燃料集合体計算コードを使用して局所ピーキング係数を予め計算しておき、その値を数表またはフィッティング式の係数の数表形式としてデータ記憶部１１に記憶しておく。フィッティング式としては、燃焼度Ｅｉ（ｉ＝１、２、…）毎にボイド率の多項式からなる関数で記憶する方法と、燃焼度Ｅとボイド率Ｖに関する多項式からなる関数で記憶する方法がある。なお、数表およびフィッティング式の係数の数表は、着目する単位ノードに制御棒２が入っている場合と入っていない場合について、２通り得ておき、各々を記憶しておく。
【００３９】
燃料集合体のＲ因子は、燃料集合体の幾何学的形状と各燃料棒の濃縮度、ガドリニアなどの可燃性毒物の分布等で区別される燃料集合体固有のインデックス（バンドルタイプ）で整理される。そのバンドルタイプ毎に、個々のウォータギャップ幅を複数の状態（Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗａ３…）、（Ｗｂ１、Ｗｂ２、Ｗｂ３…）、（Ｗｃ１、Ｗｃ２、Ｗｃ３…）、（Ｗｄ１、Ｗｄ２、Ｗｄ３…）を仮定して、燃焼度Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…の各々について、単位燃料集合体計算コードを使用してＲ因子を予め計算しておき、その値を数表またはフィッティング式の係数の数表形式としてデータ記憶部１１に記憶しておく。なお、数表およびフィッティング式の係数の数表は、着目する燃料集合体に制御棒２が挿入されている割合に従った数表またはフィッティング式の係数の数表で記憶しておく。
【００４０】
局所ピーキング係数を計算する関数とＲ因子を計算する関数において、ウォータギャップ幅の取扱いには、他に種々の方法がある。例えば、個々のウォータギャップ幅をそのまま使用するのではなく、チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された時の設計データからの偏差で整理する方法がある。また、偏差の絶対値について４面の最大値で処理する方法や、偏差の絶対値の４面平均値で処理する方法もある。さらに、燃料集合体の設計の対称性を考慮して、ＷａとＷｂの最大値及びＷｃとＷｄの最大値で処理する方法や、ＷａとＷｂの平均値及びＷｃとＷｄの平均値で処理する方法がある。
【００４１】
熱的特性計算部１６は、単位ノード平均熱出力と局所ピーキング係数を使って、単位ノード毎の線出力密度を次式により計算する。
ＬＨＧＲ＝α＊ＰＮ＊ＬＰＦ ………………（３）
ここで、
ＬＨＧＲ ：単位ノードの線出力密度
ＰＮ ：単位ノードの平均熱出力
ＬＰＦ ：単位ノードの局所ピーキング係数
α ：比例係数
【００４２】
また、熱的特性計算部１６は、燃料集合体の平均熱出力とＲ因子を使って、燃料集合体の限界出力比を次式により計算する。
ＣＰＲ＝ＣＰ／ＰＢ ………………（４）
ＣＰ ＝ｆｃ（ＦＢ、ＲＦ、ＰＲ、β） ………………（５）
ここで、
ＣＰＲ ：燃料集合体の限界出力比
ＣＰ ：燃料集合体の限界出力
ＰＢ ：燃料集合体の平均熱出力
ｆｃ ：限界出力を計算するための実験式
ＦＢ ：燃料集合体の冷却材流量
ＲＦ ：燃料集合体のＲ因子
ＰＲ ：原子炉圧力
β ：燃料集合体の形状因子
【００４３】
計算結果出力部１７は、熱的特性計算部１６の出力である線出力密度と限界出力比を集計し、炉心内で最も厳しい値や個々の燃料集合体の情報を出力する。
【００４４】
上記のように、本発明では、燃焼度とボイド率とチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を関数として計算したピーキング係数を使用して、燃料集合体の線出力密度と限界出力比を計算し、これらを例えば制限値と比較することにより、燃料集合体の熱的健全性を正確に評価することができる。
【００４５】
図３は、本発明の第２の実施の形態を示すブロック構成図であり、第１の実施の形態のピーキング係数計算部１５を、単位格子ピーキング計算部１５ａとウォータギャップ幅依存ピーキング補正計算部１５ｂに分離している。単位格子ピーキング係数計算部１５ａは、チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された状態（単位ノード）でピーキング係数を燃焼度とボイド率の関数として計算する。また、ウォータギャップ幅依存ピーキング補正計算部１５ｂは、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅が不規則になったためのピーキング補正量を計算する。つまり、ピーキング係数計算部１５は、ピーキング係数を次式により計算する。
ＬＰＦ＝ｆｌｄ（ＥＮ、ＶＦ）＊ｆｌｇ（ＶＦ、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ、ＬＩＪ） ………（１ａ）
ＲＦ＝ｆｒｄ（ＥＢ）＊ｆｒｇ（Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ、ＲＩＪ） ………（２ａ）
ここで、
ＬＰＦ ：単位ノードの局所ピーキング係数
ＲＦ ：燃料集合体のＲ因子
ＥＮ ：単位ノード燃焼度
ＶＦ ：単位ノードのボイド率
ＥＢ ：燃料集合体の燃焼度
Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ ：ウォータギャップ幅
ＬＩＪ ：局所ピーキング係数発生燃料棒の位置
ＲＩＪ ：Ｒ因子発生燃料棒の位置
ｆｌｄ ：単位格子の局所ピーキング係数を計算する関数
ｆｌｇ ：局所ピーキング係数をウォータギャップ幅に依存して補正する関数
ｆｒｄ ：単位格子のＲ因子を計算する関数
ｆｒｇ ：Ｒ因子をウォータギャップ幅に依存して補正する関数
【００４６】
単位格子の局所ピーキング係数は、一般に着目する単位ノード内の燃料集合体の幾何学的形状と各燃料棒の濃縮度、ガドリニアなどの可燃性毒物の分布等で区別される単位ノード固有のインデックス（「燃料タイプ」）で整理される。その燃料タイプ毎に、燃焼度Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…の各々について、ボイド率Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…の各々について、単位燃料集合体計算コードを使用して局所ピーキング係数を予め計算しておき、その値を数表またはフィッティング式の係数の数表形式としてデータ記憶部１１に記憶しておく。フィッティング式としては、燃焼度Ｅｉ（ｉ＝１、２、…）毎にボイド率の多項式からなる関数で記憶する方法と、燃焼度Ｅとボイド率Ｖに関する多項式からなる関数で記憶する方法がある。なお、数表およびフィッティング式の係数の数表は、着目する単位ノードに制御棒２が入っている場合と入っていない場合について、２通り得ておき、各々を記憶しておく。
【００４７】
局所ピーキング係数をウォータギャップ幅に依存して補正する関数は、ウォータギャップ幅を複数の状態（Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗａ３…）、（Ｗｂ１、Ｗｂ２、Ｗｂ３…）、（Ｗｃ１、Ｗｃ２、Ｗｃ３…）、（Ｗｄ１、Ｗｄ２、Ｗｄ３…）を仮定して、濃縮度が一様の燃料集合体について、単位燃料集合体計算コードを使用して局所ピーキング係数を計算し、チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された状態（単位ノード）の局所ピーキング係数と比較し、燃料棒位置毎の感度関数を予め決定しておく。上記の感度関数は、ボイド率Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…の複数個について計算しておき、数表またはフィッティング式の係数の数表形式としてデータ記憶部１１に記憶しておく。なお、数表およびフィッティング式の係数の数表は、着目する単位ノードに制御棒２が入っている場合と入っていない場合について、２通り得ておき、各々を記憶しておく。
【００４８】
単位格子のＲ因子は、燃料集合体の幾何学的形状と各燃料棒の濃縮度、ガドリニアなどの可燃性毒物の分布等で区別される燃料集合体固有のインデックス（バンドルタイプ）で整理される。そのバンドルタイプ毎に、燃焼度Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…の各々について、単位燃料集合体計算コードを使用してＲ因子を予め計算しておき、その値を数表またはフィッティング式の係数の数表形式としてデータ記憶部１１に記憶しておく。なお、数表およびフィッティング式の係数の数表は、着目する燃料集合体に制御棒２が挿入されている割合に従った数表またはフィッティング式の係数の数表で記憶しておく。
【００４９】
Ｒ因子をウォータギャップ幅に依存して補正する関数は、ウォータギャップ幅を複数の状態（Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗａ３…）、（Ｗｂ１、Ｗｂ２、Ｗｂ３…）、（Ｗｃ１、Ｗｃ２、Ｗｃ３…）、（Ｗｄ１、Ｗｄ２、Ｗｄ３…）を仮定して、濃縮度が一様の燃料集合体について、単位燃料集合体計算コードを使用してＲ因子を計算し、チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された状態（単位格子）のＲ因子と比較し、燃料棒位置毎の感度関数を予め決定しておく。上記の感度関数は、着目する燃料集合体に制御棒２が挿入されている割合に従った数表またはフィッティング式の係数の数表でデータ記憶部１１に記憶しておく。
【００５０】
局所ピーキング係数をウォータギャップ幅に依存して補正する関数とＲ因子をウォータギャップ幅に依存して補正する関数において、ウォータギャップ幅の取扱いには、他に種々の方法がある。例えば、個々のウォータギャップ幅をそのまま使用するのではなく、チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された時の設計データからの偏差で整理する方法がある。また、偏差の絶対値について４面の最大値で処理する方法や、偏差の絶対値の４面平均値で処理する方法もある。さらに、燃料集合体の設計の対照性を考慮して、ＷａとＷｂの最大値及びＷｃとＷｄの最大値で処理する方法や、ＷａとＷｂの平均値及びＷｃとＷｄの平均値で処理する方法がある。
【００５１】
また、単位格子の燃料集合体内の全部または特定の燃料棒について、ピーキング係数とＲ因子をデータ記憶部１１に記憶しておき、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅が不規則になったための補正を行った結果について、燃料集合体内の最大値を求めることによって、燃料集合体の局所ピーキング係数とＲ因子を決定する方法もある。
【００５２】
更に、単位格子の燃料集合体内の全部または特定の燃料棒について、ピーキング係数をデータ記憶部１１に記憶しておき、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅が不規則になったための補正を行った結果を用いてＲ因子を計算し、燃料集合体内の最大値を求めることによって、燃料集合体のＲ因子を決定する方法もある。
【００５３】
しかして、この実施の形態においても、必要なデータ量を削減しつつ、第１の実施の形態と同様な作用効果を奏する。
【００５４】
図４は、本発明の第３の実施の形態を示すブロック構成図であり、第１の実施の形態に、チャンネルボックス変形量計算部１８が追加されている。チャンネルボックス変形量計算部１８は、チャンネルボックスの中性子照射による伸びに起因する変形に基づくチャンネルボックスの曲り量を計算する。ウォータギャップ幅計算部１４は、個々の燃料集合体の設計データまたは使用前の測定データに、チャンネルボックス変形量計算部１８で計算されたチャンネルボックスの曲り量を加えて、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅を計算する。
【００５５】
チャンネルボックス変形量計算部１８は、データ記憶部１１に記憶されたチャンネルボックスの４つの面の中性子照射量を使って、チャンネルボックスの４つの面の長手方向の伸び量を計算し、その伸び差からチャンネルボックスの曲り量を計算する。この計算のために、ノード出力計算部１２でノード出力を計算する時にチャンネルボックスの４つの面の中性子束を計算しデータ記憶部１１に格納する。また、ノード燃焼度計算部１３でノード燃焼度を計算する時にチャンネルボックスの４つの面の中性子照射量を計算しデータ記憶部１１に格納する。
【００５６】
他の方法として、チャンネルボックス変形量計算部１８は、データ記憶部１１に記憶されたノード燃焼度を使って、隣接する燃料集合体の燃焼度増分の差からチャンネルボックスの４つの面の中性子照射量の勾配を求め、その勾配からチャンネルボックスの伸び差を計算し、チャンネルボックスの曲り量を計算する。
【００５７】
このようにして、本実施例では、チャンネルボックスの変形を考慮したウォータギャップ幅を使用して燃料集合体内のピーキング係数をより正確に求めることができる。しかして、この実施の形態においても、計算精度を向上させつつ、第１及び第２の実施の形態と同様な作用効果を奏する。
【００５８】
図５は、本発明の第４の実施の形態を示すブロック構成図であり、第１の実施の形態に、ピーキング係数補正計算部１９が追加されている。第１の実施の形態において、ピーキング係数計算部１５は、ピーキング係数を計算する時に、単位格子体系の計算結果である数表またはフィッティング式の係数の数表を使用した。しかし、原子炉内に配置された燃料集合体内の中性子分布は、制御棒２が挿入されていた状態の片燃えの影響や隣接した燃料集合体の影響を受けるために、単位格子体系の中性子分布とは多少の差が発生する。そのため、原子炉内に配置された燃料集合体内のピーキング係数をより正確に求めるためには、単位格子体系のピーキング係数に、制御棒が挿入されていた状態の片燃えの影響や隣接した燃料集合体の影響を考慮する必要がある。第４の実施の形態は、上記の補正を行うために、ピーキング係数補正計算部１９を追加したものである。ピーキング係数補正計算部１９の計算方法の例として、制御棒が挿入されていた状態の片燃えの影響は、制御棒挿入期間に比例したピーキング係数の変化量を数表またはフィッティング式の係数の数表で補正する方法がある。また、隣接した燃料集合体の影響を考慮する方法としては、単位格子体系の着目する燃料集合体の中性子束と着目する燃料集合体に隣接する燃料集合体の中性子束から着目する燃料集合体内の中性子拡散方程式の境界値を求め、この境界値を用いて着目する燃料集合体内の中性子拡散方程式を解き、単位格子体系の中性子束からの変化量を計算し、ピーキング係数の補正量を計算する方法がある。したがって、制御棒が挿入されていた状態の片燃えの影響や隣接した燃料集合体の影響を考慮した燃料集合体内のピーキング係数をより正確に求めることができる。しかして、この実施の形態においても、計算精度を向上させつつ、第１乃至第３の実施の形態と同様な作用効果を奏する。
【００５９】
図６は、本発明の第５の実施の形態を示すブロック構成図であり、第１の実施の形態に、ノード出力補正計算２０が追加されている。一般に、ノード出力計算部１２は、中性子拡散方程式を解き、単位ノード平均の中性子束、熱出力（密度）を計算するが、モデル化に起因する計算誤差が含まれる。原子炉炉心内には、複数個の固定形中性子検出器による局部出力モニタと、軸方向にある管の内部を動く可動形中性子検出器の読みから燃料集合体間隙の中性子束分布が測定できるように、炉内中性子検出器３が設置されている。ノード出力補正計算部２０は、ノード出力計算部１２で計算された燃料集合体間隙の中性子束分布計算値と炉内中性子検出器３の測定値を比較することにより、燃料集合体内の中性子束や熱出力分布が測定値に合うようにする出力分布補正係数を算出する。そして、その出力分布補正係数を使用して、ノード出力計算部１２で中性子拡散方程式の解が修正され、モデル化に起因する計算誤差が修正される。なお、上記の出力分布補正係数は、モデル化に起因する計算誤差を修正するものであり、原子炉の将来の運転状態を評価する場合にも、適用できる利点がある。しかして、この実施の形態においても、計算精度を向上させつつ、第１乃至第４の実施の形態と同様な作用効果を奏する。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体の熱的特性を正確に評価することが可能であり、原子力発電所を安全に運転することができる。また、従来のように過度の余裕を取った制限値を定めて運用する必要が無いため、燃料の経済性を損なうこともなくなり、原子力発電所の経済性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料集合体熱的特性評価方法の第１の実施の形態のブロック構成図。
【図２】燃料集合体の不規則配置例を示す模式図。
【図３】本発明の燃料集合体熱的特性評価方法の第２の実施の形態のブロック構成図。
【図４】本発明の燃料集合体熱的特性評価方法の第３の実施の形態のブロック構成図。
【図５】本発明の燃料集合体熱的特性評価方法の第４の実施の形態のブロック構成図。
【図６】本発明の燃料集合体熱的特性評価方法の第５の実施の形態のブロック構成図。
【図７】沸騰水型原子炉の炉心の断面図。
【図８】沸騰水型原子炉の燃料集合体の断面図。
【図９】中心型ノードタイプの燃料集合体の規則的配置を示す模式図。
【図１０】偏心型ノードタイプの燃料集合体の規則的配置を示す模式図。
【符号の説明】
１ 燃料集合体
２ 制御棒
３ 炉内中性子検出器
４ 燃料棒
５ ウォータロッド
６ チャンネルボックス
１０ 計算条件設定部
１１ データ記憶部
１２ ノード出力計算部
１３ ノード燃焼度計算部
１４ ウォータギャップ幅計算部
１５ ピーキング係数計算部
１５ａ 単位格子ピーキング係数計算部
１５ｂ ウォータギャップ幅依存ピーキング補正計算部
１６ 熱的特性計算部
１７ 計算結果出力部
１８ チャンネルボックス変形量計算部
１９ ピーキング係数補正計算部
２０ ノード出力補正計算部

Claims (14)

1. 沸騰水型原子炉の炉心内に配置された燃料集合体における燃焼度とボイド率及びチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を使用して計算したピーキング係数を用いて、燃料集合体の線出力密度と限界出力比の一方または両方を計算し、上記線出力密度と限界出力比の一方または両方により、燃料集合体の熱的健全性を評価することを特徴とする燃料集合体熱的特性評価方法。
2. ピーキング係数は、燃焼度とボイド率及びチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を関数として計算することを特徴とする、請求項１記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
3. チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された状態で燃焼度とボイド率の関数として計算したピーキング係数に、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅が不規則になったためのピーキング補正量を掛けることにより燃料集合体のピーキング係数を計算することを特徴とする、請求項１記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
4. チャンネルボックス間のウォータギャップ幅を、個々の燃料集合体の設計データまたは使用前の測定データを使用して計算することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
5. チャンネルボックス間のウォータギャップ幅を、個々の燃料集合体の設計データまたは使用前の測定データに、チャンネルボックスの中性子照射による伸びに起因する変形量を加えて計算することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
6. 隣接した燃料集合体の影響による中性子束の変化量および片燃えの影響による中性束の変化量の少なくとも一方によりピーキング係数を補正することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
7. 燃料集合体の全部または特定の燃料棒のピーキング係数を計算して最大の値を燃料集合体のピーキング係数とすることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
8. 燃料集合体の全部または特定の燃料棒のピーキング係数を計算した結果を使用して、限界出力比計算用のＲ因子を計算することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
9. 炉内中性子検出器の信号を利用して、燃料集合体のノード出力分布の計算値を補正することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価方法。
10. 評価の対象となる沸騰水型原子炉の運転状態を設定し、上記設定された運転状態をデータ記憶部に格納する計算条件設定部と、上記計算条件設定部で設定された運転状態に対して、燃料集合体を軸方向に複数に分割した領域を単位ノードとした単位ノード平均の中性子束、熱出力およびボイド率分布を計算し、上記データ記憶部に格納するノード出力計算部と、単位ノード平均熱出力とボイド率分布を使って、単位ノード燃焼度を計算し、データ記憶部に格納するノード燃焼度計算部と、個々の燃料集合体の設計データまたは使用前の測定データを使用してチャンネルボックス間のウォータギャップ幅を計算し、データ記憶部に格納するウォータギャップ幅計算部と、単位ノード燃焼度とボイド率分布とウォータギャップ幅を使って燃料集合体のピーキング係数を計算し、データ記憶部に格納するピーキング係数計算部と、単位ノード平均熱出力とボイド率分布とピーキング係数を使って、燃料集合体の線出力密度と限界出力比の一方または両方を計算する熱的特性計算部と、計算結果を集計し原子炉内の最も厳しい燃料集合体の情報や詳細情報を出力する計算結果出力部を有することを特徴とする、燃料集合体熱的特性評価装置。
11. チャンネルボックスが同一の形状で規則的に配置された状態のピーキング係数を燃焼度とボイド率の関数として計算する単位ノードピーキング係数計算部と、チャンネルボックス間のウォータギャップ幅が不規則になったためのピーキング補正量を計算するウォータギャップ幅依存ピーキング補正計算部を有するピーキング係数計算部を有することを特徴とする、請求項１０記載の燃料集合体熱的特性評価装置。
12. チャンネルボックスの中性子照射による伸びに起因する変形量を計算するチャンネルボックス変形量計算部を有することを特徴とする、請求項１０または１１記載の燃料集合体熱的特性評価装置。
13. 隣接した燃料集合体の影響による中性子束の変化量および片燃えの影響による中性束の変化量の少なくとも一方によりピーキング係数を補正するピーキング係数補正計算部を有することを特徴とする、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価装置。
14. 炉内中性子検出器の信号を利用して、燃料集合体のノード出力分布の計算値を補正するノード出力補正計算部を有することを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の燃料集合体熱的特性評価装置。

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