JP2019207131A

JP2019207131A - 高速炉の原子炉保護装置及び原子炉保護方法

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Publication number: JP2019207131A
Application number: JP2018101976A
Authority: JP
Inventors: 貴志平松; Takashi Hiramatsu
Original assignee: Mitsubishi FBR Systems Inc
Current assignee: Mitsubishi FBR Systems Inc
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: JP6856577B2

Abstract

【課題】安全保護系における信頼性を維持しつつ、安全保護系に係る設備を削減する。【解決手段】高速炉の原子炉保護装置１は、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを特定し、特定した中性子束のレベルに基づいて、中性子束のレベルの変化率を算出する変化率演算部１１１と、変化率演算部１１１が算出した変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び変化率演算部１１１が算出した変化率が所定時間継続して第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号を出力する信号出力部１１２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、高速炉の原子炉保護装置及び原子炉保護方法に関する。

従来、高速炉の原子炉保護装置においては、原子炉に設けられている各種検出器からの入力信号が所定のレベルに達した場合に、原子炉の保護動作を開始させるためのトリップ信号を出力し、原子炉停止系において原子炉の保護動作を行わせることが行われている。例えば、非特許文献１には、保護装置において出力される原子炉トリップ信号の種類が開示されている。

Nobuyuki ISHIKAWA，et al. "Design Study on Safety Protection System of JSFR", 2012 International Congress on the Advances in Nuclear Power Plants （ICAPP'12）, June 24-28, 2012, paper 12383

高速炉においては、原子炉に所定のレベルを超える異常が発生した場合に異常の拡大を防ぐために、安全保護系の検出器からの信号を受けて高速炉の原子炉保護装置の作動により、炉心内の中性子を吸収する制御棒と制御棒駆動装置で構成される原子炉停止系で炉心の核分裂を直ちに停止させる。原子炉の異常を検出するパラメータには中性子束、温度、流量等がある。従来の高速炉においては、そのうちの１つとして、炉心燃料の温度が過度に上昇することを防ぐために、制御棒の位置偏差が閾値を超えたことを条件として制御棒を直ちに炉心に挿入して原子炉を停止する保護動作が行われており、制御棒の位置を検出する位置検出器が確実な作動が期待される安全保護系として設けられている。

ところで、安全保護系では信頼性を高めるために、あるチャネルの故障や試験等のための取外しを想定してもその機能を失わないように、同一種類の検出器を電路を含めて複数チャネル分設けることが求められる。安全保護系として構成することにより、設備物量が増大するという問題がある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、安全保護系における信頼性を維持しつつ、安全保護系に係る設備を削減することができる高速炉の原子炉保護装置及び原子炉保護方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る高速炉の原子炉保護装置は、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを特定し、特定した前記中性子束のレベルに基づいて、前記中性子束のレベルの変化率を算出する変化率演算部と、前記変化率演算部が算出した前記変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び前記変化率演算部が算出した前記変化率が所定時間継続して前記第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、前記原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号を出力する信号出力部と、を備える。

前記信号出力部は、前記変化率演算部が算出した前記変化率が前記第１閾値よりも大きいか否かを判定する第１判定部と、前記変化率演算部が算出した前記変化率が前記第２閾値よりも大きいか否かを判定する第２判定部と、前記第２判定部による判定結果が、前記所定時間継続して前記変化率が前記第２閾値よりも大きいことを示している場合に、当該判定結果を出力する遅延出力部と、前記第１判定部から出力される出力値と、前記遅延出力部から出力される出力値との論理和を出力する論理和回路と、を有していてもよい。

前記信号出力部は、前記変化率演算部が算出した前記変化率が、所定の時間内の出力指示値の変化量が第１変化量以上の第１指示に対する前記原子炉の出力変化であるステップ応答が発生した場合における前記中性子束のレベルの上昇率の上限値以上の前記第１閾値よりも大きいとき、及び前記変化率演算部が算出した前記変化率が、前記所定時間継続して、前記所定の時間内の出力指示値の変化量が前記第１変化量未満の第２指示に対する前記原子炉の出力変化であるランプ応答が発生した場合における前記中性子束のレベルの上昇率の上限値以上の前記第２閾値よりも大きいときに、前記トリップ信号を出力してもよい。

前記第１指示は、第１時間内に前記出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示であり、前記第２指示は、前記第１時間よりも長い第２時間内に前記出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示であってもよい。

前記信号出力部は、前記変化率演算部が算出した前記変化率が前記第１閾値よりも大きい場合、及び、前記変化率演算部が算出した前記変化率が、前記原子炉において想定される最大の出力変化を示す前記ステップ応答が発生した場合において前記中性子束のレベルの上昇率が前記第１閾値から所定範囲内となる時間である前記所定時間継続して前記第２閾値よりも大きい場合に、前記トリップ信号を出力してもよい。

本発明の第２の態様に係る高速炉の原子炉保護方法は、コンピュータが実行する、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを特定するステップと、特定された前記中性子束のレベルに基づいて、前記中性子束のレベルの変化率を算出するステップと、算出された前記変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び算出された前記変化率が所定時間継続して前記第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、前記原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号を出力するステップと、を備える。

本発明によれば、安全保護系における信頼性を維持しつつ、安全保護系に係る設備を削減することができるという効果を奏する。

本実施形態に係る原子炉保護装置の概要を示す図である。本実施形態に係る原子炉保護装置の構成を示す図である。本実施形態に係る原子炉の出力変化がステップ応答又はランプ応答を示す場合の中性子束のレベルの変化量の解析結果を示す図である。図３に示すステップ応答又はランプ応答により原子炉出力が変化した場合の中性子束のレベルの変化率を示す図である。第１閾値と第２閾値と所定時間との関係を示す図である。

［高速炉の概要］
図１は、本実施形態に係る高速炉の原子炉保護装置１の概要を示す図である。高速炉の原子炉保護装置１は、原子炉に所定のレベルを超える異常が発生した場合に異常の拡大を防ぐために、原子炉の保護動作を開始させるためのトリップ信号を出力し、原子炉停止系に原子炉の緊急停止を行わせる装置である。高速炉の原子炉保護装置１は、例えば、コンピュータである。

高速炉の原子炉保護装置１は、中性子束検出器２から、出力領域における中性子束のレベルを示す中性子束信号を取得すると、取得した中性子束信号に基づいて、単位時間当たりの中性子束のレベルの変化量である変化率を算出する。高速炉の原子炉保護装置１は、算出した変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び算出した変化率が所定時間継続して第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号をトリップ制御装置３に出力する。トリップ制御装置３は、トリップ信号が入力されると、原子炉停止系に原子炉の緊急停止を行わせる装置である。

このようにすることで、高速炉の原子炉保護装置１は、原子炉の出力目標値を想定される範囲内で瞬時に大きく変化させた場合、及び一定の勾配で緩やかに変化させた場合のいずれにおいても、原子炉の保護動作が行われることを抑制しつつ、異常な出力変化に対して早期に保護動作を開始させることができる。

また、従来の高速炉では、制御棒の異常な引抜きによる出力の上昇を検知するために、制御棒間の位置の偏差が閾値を超えたことを条件としてトリップ信号を出力するのに対し、高速炉の原子炉保護装置１は、出力領域における中性子束のレベルの変化率に基づいてトリップ信号を出力する。このように、制御棒の位置偏差を用いる代わりに中性子束のレベルの変化率を用いることによっても、従来の高速炉と同様に、制御棒の異常な引抜きによる出力の上昇を検知することができる。これにより、高速炉の原子炉保護装置１は、従来の高速炉に設けられている制御棒の位置を検出する位置検出器をトリップ信号の出力用すなわち安全保護系として設置する必要がないので、位置検出器の設置数を例えば１つにすることができる。

さらに、中性子束のレベルの変化率は、従来の高速炉においても設けられており、信頼性を高めるために複数チャネルある中性子束検出器２から出力された中性子束信号に基づいて算出することができることから、高速炉の原子炉保護装置１は、新たに検出器を原子炉に設ける必要がない。したがって、高速炉の原子炉保護装置１は、制御棒の位置を検出する位置検出器を安全保護系として構成する必要がないので、安全保護系における信頼性を維持しつつ、安全保護系に係る設備を削減することができる。
以下、高速炉の原子炉保護装置１の構成について説明する。

［高速炉の原子炉保護装置１の構成例］
続いて、高速炉の原子炉保護装置１の構成について説明する。

図２は、本実施形態に係る原子炉保護装置１の構成を示す図である。図２に示すように、原子炉保護装置１は、変化率演算部１１１と、信号出力部１１２とを備える。

変化率演算部１１１は、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを特定する。具体的には、まず、変化率演算部１１１は、高速炉の原子炉に設けられている中性子束検出器２から、出力領域における中性子束のレベルを示す中性子束信号を受信する。

変化率演算部１１１は、特定した中性子束のレベルに基づいて、単位時間当たりの中性子束のレベルの変化量すなわち変化率を算出する。例えば、変化率演算部１１１は、第１の時間において特定した中性子束のレベルと、第２の時間において特定した中性子束のレベルとの差分を、第１の時間と第２の時間との差分で除算することにより、中性子束のレベルの変化率を算出する。第２の時間は、例えば第１の時間に単位時間の倍数を加算した時間である。

信号出力部１１２は、例えば論理回路により構成される。信号出力部１１２は、第１判定部１１３と、第２判定部１１４と、遅延出力部としてのオンディレータイマ１１５と、論理和回路１１６とを備える。信号出力部１１２は、原子炉の通常運転時において発生するステップ応答及びランプ応答のいずれにおいてもトリップ信号が出力されず、異常が発生している可能性が高い場合においてのみトリップ信号が出力されるように、トリップ信号の出力条件を制御する。出力条件の詳細については後述する。

ステップ応答は、所定の時間内に原子炉の出力指示値の変化量が第１変化量以上の第１指示に対する原子炉の出力変化である。第１指示は、第１時間内に出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示である。ステップ応答は、例えば、電力系統において瞬間的に要求電力が変化した場合に行われる出力変更により発生する。ステップ応答においては、中性子束のレベルが変化する期間はランプ応答時よりも短いが、ランプ応答時よりも急峻に中性子束のレベルが変化する。

ランプ応答は、所定の時間内に原子炉の出力指示値の変化量が第１変化量未満の第２指示に対する原子炉の出力変化である。第２指示は、第１時間よりも長い第２時間内に出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示である。ランプ応答は、例えば、１日の日中と夜間に電力需要の違いがあるため、電力需要が大幅に変動する時間に合わせて行われる出力変更により発生する。ランプ応答においては、中性子束のレベルがステップ応答時よりも緩やかに変化するが、ステップ応答時よりも長期間にわたって中性子束のレベルが変化する。

図３は、本実施形態に係る原子炉の出力変化がステップ応答又はランプ応答を示す場合の中性子束のレベルの変化量の解析結果を示す図である。図３に示すグラフにおいて、横軸は、原子炉出力の変化発生からの経過時間であり、縦軸は、中性子束のレベルの変化量である。

図３において、実線は、原子炉出力が最大付近である場合に出力がステップ応答を示す時の上昇率が最大の場合の中性子束のレベルの変化量を示している。また、破線は、原子炉出力がランプ応答を示す時の上昇率が最大の場合の中性子束のレベルの変化量を示している。なお、通常運転時には、図３に示すステップ応答及びランプ応答に対応する出力指示を超過することなく、図３に示すステップ応答及びランプ応答以下の上昇率のステップ応答及びランプ応答が示される。

図３に示されるように、ステップ応答では、中性子束のレベルは、時間Ｔ１まで中性子束のレベルが急激に上昇し、その後、時間Ｔ２となるまでに緩やかに上昇していることが確認できる。また、図３では、ランプ応答では、中性子束のレベルが一定の変化量で上昇していることが確認できる。

図４は、図３に示すステップ応答又はランプ応答により原子炉出力が変化した場合の中性子束のレベルの変化率を示す図である。図４に示すグラフにおいて、横軸は、原子炉出力の変化発生からの経過時間であり、縦軸は、中性子束のレベルの変化率である。

図４において、実線は、原子炉出力が最大付近である場合に上昇率が最大のステップ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。また、破線は、原子炉出力が最大付近である場合に上昇率が最大のランプ応答が発生した場合の中性子束のレベルの変化率を示している。

図４では、ステップ応答に対応する出力指示が行われてから時間Ｔ１までの間の中性子束のレベルの変化率がＲ１であり、その後、時間Ｔ１から時間Ｔ２までの間の中性子束のレベルの変化率がＲ３であることが確認できる。また、図４では、ランプ応答に対応する出力指示が行われた場合の中性子束のレベルの変化率がＲ２であることが確認できる。また、図４では、変化率Ｒ２が一定であり、変化率Ｒ１よりも小さいことが確認できる。

原子炉の通常運転時においてステップ応答が発生した場合、中性子束のレベルの変化率は、ステップ応答を開始してから時間Ｔ１までの間に変化率Ｒ２を超えることがあるものの、変化率Ｒ１を超えることがない。また、原子炉の通常運転時においてランプ応答が発生した場合、中性子束のレベルの変化率は、変化率Ｒ２を超えることがない。

そこで、信号出力部１１２は、ステップ応答が発生した場合、及びランプ応答が発生した場合の両方の場合においても、トリップ信号が出力されず、異常が発生している可能性が高い場合においてのみトリップ信号が出力されるように、以下の出力条件によりトリップ信号を出力する。

すなわち、信号出力部１１２は、変化率演算部１１１が算出した中性子束のレベルの変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び変化率演算部１１１が算出した中性子束のレベルの変化率が所定時間継続して第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号を出力する。

具体的には、第１判定部１１３は、変化率演算部１１１が算出した変化率が第１閾値よりも大きいか否かを判定する。第１判定部１１３は、変化率演算部１１１が算出した変化率が第１閾値よりも大きいと判定すると、１を出力し、変化率演算部１１１が算出した変化率が第１閾値以下であると判定すると、０を出力する。

第２判定部１１４と、オンディレータイマ１１５とは、第１判定部１１３と並列に実行される。第２判定部１１４は、変化率演算部１１１が算出した変化率が第２閾値よりも大きいか否かを判定する。第２判定部１１４は、変化率演算部１１１が算出した変化率が第２閾値よりも大きいと判定すると、１を出力し、変化率演算部１１１が算出した変化率が第２閾値以下であると判定すると、０を出力する。

オンディレータイマ１１５は、第２判定部１１４による判定結果が、所定時間継続して変化率が第２閾値よりも大きいことを示している場合に、当該判定結果を出力する。すなわち、オンディレータイマ１１５は、第２判定部１１４から所定時間継続して１が出力されている場合に１を出力し、所定時間継続して１が出力されていないか又は０が出力されている場合に０を出力する。

論理和回路１１６は、第１判定部１１３から出力される出力値と、オンディレータイマ１１５から出力される出力値との論理和を出力する。すなわち、論理和回路１１６は、第１判定部１１３及びオンディレータイマ１１５の少なくともいずれかが１を出力したことに応じて１を出力し、そうでない場合に０を出力する。

ここで、信号出力部１１２は、第１閾値を変化率Ｒ１とし、第２閾値を変化率Ｒ２とする。さらに、信号出力部１１２は、ステップ応答により原子炉の出力が上昇する場合に、第２閾値を超えてもトリップ信号が出力されないように、変化率演算部１１１が算出した中性子束のレベルの変化率が変化率Ｒ２を超えても時間Ｔ１が経過するまでは、トリップ信号が出力されないように制御する。

図５は、信号出力部１１２がトリップ信号の出力の判定に用いる第１閾値と第２閾値と所定時間との関係を示す図である。図５における横軸は原子炉出力の変化発生からの経過時間であり、縦軸は中性子束のレベルの変化率である。信号出力部１１２は、図５における横軸及び縦軸と太線との間の領域で示される経過時間及び変化率の条件においてはトリップ信号を出力せず、当該領域とは異なる領域である斜線領域で示される経過時間及び変化率の条件においてトリップ信号を出力する。

すなわち、信号出力部１１２は、変化率演算部１１１が算出した中性子束のレベルの変化率が、ステップ応答が発生した場合における中性子束のレベルの上昇率の上限値以上の第１閾値（変化率Ｒ１）よりも大きい場合、トリップ信号を出力する。また、信号出力部１１２は、変化率演算部１１１が算出した中性子束のレベルの変化率が所定時間継続して、ランプ応答が発生した場合における中性子束のレベルの上昇率の上限値以上の第２閾値（変化率Ｒ２）よりも大きい場合に、トリップ信号を出力する。ここで、所定時間は、原子炉において想定される最大の出力変化を示すステップ応答が発生した場合において中性子束のレベルの上昇率が第１閾値から所定範囲内となる時間である。図５に示す例では、所定時間は、時間Ｔ０から時間Ｔ１までの時間である。

［炉心燃料の温度検証］
中性子束レベルの変化率を用いてトリップ信号を出力した場合の炉心燃料の温度変化を解析した。制御棒を複数の異なる速度で引抜いて出力を異常に上昇させた場合において、中性子束レベルの変化率を用いてトリップ信号を出力した場合の炉心燃料の最高温度を解析したところ、最高温度は、いずれも、原子炉において許容し得る燃料の最高温度を下回ることが確認できた。したがって、中性子束レベルの変化率を用いてトリップ信号を出力した場合、制御棒の位置偏差が閾値を超えたことを条件としてトリップ信号を出力する従来の高速炉と同様に、原子炉に異常な出力上昇が発生した場合であっても炉心燃料の温度を適切な範囲に維持できることが確認できた。

［本実施形態における効果］
以上のとおり、本実施形態に係る高速炉の原子炉保護装置１は、高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを特定し、特定した中性子束のレベルに基づいて、中性子束のレベルの変化率を算出する。高速炉の原子炉保護装置１は、算出した中性子束のレベルの変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び算出した中性子束のレベルの変化率が所定時間継続して第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号を出力する。

このようにすることで、高速炉の原子炉保護装置１は、通常運転において想定される範囲内のステップ応答が発生した場合、及びランプ応答が発生した場合の両方の場合においても、原子炉の保護動作が行われることを抑制しつつ、異常な出力上昇に対して早期に保護動作を開始させることができる。

また、高速炉の原子炉保護装置１は、出力領域における中性子束のレベルの変化率に基づいてトリップ信号を出力することにより、従来の高速炉と同様に、制御棒の異常な引抜きによる出力の上昇を検知することができる。これにより、高速炉の原子炉保護装置１は、従来の高速炉に設けられている制御棒の位置を検出する位置検出器をトリップ信号の出力用すなわち安全保護系として設置する必要がないので、位置検出器の設置数を、通常動作監視用の１つにすることができる。

さらに、中性子束のレベルの変化率は、従来の高速炉においても設けられており、信頼性を高めるために複数チャネルある中性子束検出器２から出力された中性子束信号に基づいて算出することができることから、高速炉の原子炉保護装置１は、新たに検出器を原子炉に設ける必要がない。したがって、高速炉の原子炉保護装置１は、制御棒の位置を検出する位置検出器を安全保護系として構成する必要がないので、安全保護系における信頼性を維持しつつ、安全保護系に係る設備を削減することができる。

また、高速炉の原子炉保護装置１は、制御棒の位置を検出する位置検出器を通常動作監視用の１つに減らすことができるので、制御棒の駆動装置の構造を簡素化できるとともに、設計の尤度を広げることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

１・・・高速炉の原子炉保護装置、１１１・・・変化率演算部、１１２・・・信号出力部、１１３・・・第１判定部、１１４・・・第２判定部、１１５・・・オンディレータイマ、１１６・・・論理和回路、２・・・中性子束検出器、３・・・トリップ制御装置

Claims

高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを特定し、特定した前記中性子束のレベルに基づいて、前記中性子束のレベルの変化率を算出する変化率演算部と、
前記変化率演算部が算出した前記変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び前記変化率演算部が算出した前記変化率が所定時間継続して前記第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、前記原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号を出力する信号出力部と、
を備える高速炉の原子炉保護装置。
前記信号出力部は、
前記変化率演算部が算出した前記変化率が前記第１閾値よりも大きいか否かを判定する第１判定部と、
前記変化率演算部が算出した前記変化率が前記第２閾値よりも大きいか否かを判定する第２判定部と、
前記第２判定部による判定結果が、前記所定時間継続して前記変化率が前記第２閾値よりも大きいことを示している場合に、当該判定結果を出力する遅延出力部と、
前記第１判定部から出力される出力値と、前記遅延出力部から出力される出力値との論理和を出力する論理和回路と、
を有する、
請求項１に記載の高速炉の原子炉保護装置。
前記信号出力部は、前記変化率演算部が算出した前記変化率が、所定の時間内の出力指示値の変化量が第１変化量以上の第１指示に対する前記原子炉の出力変化であるステップ応答が発生した場合における前記中性子束のレベルの上昇率の上限値以上の前記第１閾値よりも大きいとき、及び前記変化率演算部が算出した前記変化率が、前記所定時間継続して、前記所定の時間内の出力指示値の変化量が前記第１変化量未満の第２指示に対する前記原子炉の出力変化であるランプ応答が発生した場合における前記中性子束のレベルの上昇率の上限値以上の前記第２閾値よりも大きいときに、前記トリップ信号を出力する、
請求項１又は２に記載の高速炉の原子炉保護装置。
前記第１指示は、第１時間内に前記出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示であり、前記第２指示は、前記第１時間よりも長い第２時間内に前記出力指示値が出力目標値に達するように入力される指示である、
請求項３に記載の高速炉の原子炉保護装置。
前記信号出力部は、前記変化率演算部が算出した前記変化率が前記第１閾値よりも大きい場合、及び、前記変化率演算部が算出した前記変化率が、前記原子炉において想定される最大の出力変化を示す前記ステップ応答が発生した場合において前記中性子束のレベルの上昇率が前記第１閾値から所定範囲内となる時間である前記所定時間継続して前記第２閾値よりも大きい場合に、前記トリップ信号を出力する、
請求項３又は４に記載の高速炉の原子炉保護装置。
コンピュータが実行する、
高速炉の原子炉の出力領域における中性子束のレベルを特定するステップと、
特定された前記中性子束のレベルに基づいて、前記中性子束のレベルの変化率を算出するステップと、
算出された前記変化率が第１閾値よりも大きい場合、及び算出された前記変化率が所定時間継続して前記第１閾値よりも低い第２閾値よりも大きい場合に、前記原子炉の保護動作を行うためのトリップ信号を出力するステップと、
を備える高速炉の原子炉保護方法。