JPH01158389A - 制御棒操作システム - 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】 【産業上の利用分野〕 本発明は、未臨界の原子炉を臨界にする制御棒操作シス
テムに係り、特に、原子炉が未臨界状態か、臨界直前の
状態か、臨界に到達している状態かを的確に自動判定す
るのに好適な制御棒操作システムに関する。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子炉の起動時には、炉心内に挿入している約
二百本の制御棒を、順次、徐々に引抜いて、原子炉を未
臨界状態から臨界状態にする。このような制御棒操作は
、現在、運転員の的確な判断に基づいて行われているが
、将来、運転の省力化やプラント起動時間の短縮などを
目的として、運転を自動化することが要望されてくるも
のと考えられる。

運転を自動化する際には、炉心に急激な反応度を投入し
ないようにするため、原子炉が未臨界状態か、臨界直前
の状態か、臨界に到達している臨界状態のいずれである
かを的確に自動判定するシステムが必要となる。

本発明に最も近い第一の公知例は、特開昭５０−１４６
７９６号公報の原子炉の自動臨界装置である。この公知
例は、炉周期Ｔに基づいて原子炉が臨界か否かを判定し
ている。

本発明に関連する第二の公知例は、特開昭６１−１１０
０８７号公報の制御棒引抜き操作装置である。この公知
例は、逆増倍係数法を用いて原子炉が臨界となる制御棒
引抜き位置を推定し、推定した結果を表示装置に表示す
る装置である。その特徴は、物理モデルなどを用いて炉
心の反応度を推定し。

臨界となる制御棒引抜き位置の推定精度を向上させるよ
うにしたことである。

なお、炉周期Ｔと中性子束ｎの関係は次式で表わすこと
ができ、１／Ｔをここでは中性子束変化率を呼ぶ。

〔発明が解決しようとする問題点〕

炉周期Ｔは、後で説明する第５図からもわかるように、
原子炉が臨界に近づいている度合いの他、制御棒の引抜
き量Ｑ　（物理的、には、制御棒操作に伴う投入反応度
）にも依存する。しかし第一の公知例では単に炉周期の
みに基づいて原子炉状態を判定しているため、原子炉が
未臨界のとき制御棒の引抜き量Ｑが大きいと、原子炉が
臨界に到達したものと誤った判定をしてしまうという問
題がある。

また、伏見康治；原子炉、共立出版、（１９７２年）や
第二の公知例に記載されている逆増倍係数法では、中性
子束レベルが初期の値に対して非常に大きくなる制御棒
引抜き位置を推定しているだけであるので、この引抜き
位置の推定値だけでは、原子炉が臨界に到達したか否か
を自動的に判定することが難しい。

本発明の目的は、原子炉が未臨界状態か、臨界直前の状
態（ここでは臨界近接状態と呼ぶ）か。

臨界に到達している状態のいずれであるかを、的確に自
動判定できるシステムを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、原子炉で計測した炉周期と原子炉が臨界と
なる制御棒引抜き位置の推定値との両方の状態量を用い
て原子炉状態を判定することによす達成できる。

本発明は、原子炉の制御棒を操作して未臨界の原子炉を
臨界にする制御棒操作システムにおいて、原子炉が臨界
となる制御棒引抜き位置を推定する第一の手段と、第一
の手段で推定した臨界時の制御棒引抜き位置と原子炉で
計測した炉周期との両方の状態量を用いて、原子炉が未
臨界状態か、臨界直前の臨界近接状態か、臨界に到達し
ている臨界状態かのいずれであるかを自動的に判定する
第二の手段とその判定結果を表示装置に表示する第三の
手段とを設けたことを特徴とする。本発明の第二の特徴
は、原子炉が臨界直前の臨界近接状態と判定したときは
制御棒の引抜き量を最小値とし。

また、臨界状態と判定したときは制御棒の引抜きを中断
することを表示装置に表示する第四の手段を設けたこと
である。第三の特徴は、上記第四の手段の判定結果に基
づいて、制御棒を自動的に操作する第五の手段を設けた
ことである。なお、原子炉が臨界となる制御棒引抜き位
置は、逆増倍係数法などを用いて推定する。

〔作用〕

本発明では、第一の手段で推定した原子炉が臨界となる
制御棒引抜き位置の推定値と実際の制御棒引抜き位置が
ほぼ一致し、かつ、原子炉で計測した炉周期が臨界判定
の条件を満たしたときにはじめて、第二の手段で原子炉
が臨界に到達したものと判定するので、誤った判定をす
ることがない。

第二の手段で原子炉状態を判定した結果を第三の手段で
表示装置に表示して運転員に知らせるので、運転員の負
担を軽減することができる。第二の手段において、原子
炉が未臨界状態か、臨界直前の臨界近接状態かの判定も
、上記と同様に、臨界となる制御棒引抜き位置の推定値
と炉周期との両方の状態量に基づいて行うので、原子炉
状態の判定を誤ることはない。この判定方法の妥当性は
、計算機を用いたシミュレーションにより確認した。

なお、臨界直前の状態になったときは第四の手段または
第五の手段により制御棒の引抜き量を最小値とするので
、炉心への投入反応度を最小にして原子炉出力の急激な
上昇を未然に防ぐことができる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を図面を用いて具体的に述べる
。

まず、最初に本発明の特徴を、第１図を用いて説明する
。第１図は、本システムの表示画面の一例であり、上側
の図は、原子炉が未臨界状態か、臨界直前の臨界近接状
態か、それとも臨界に到達した臨界状態かを判定するた
めの図である。横軸は、制御棒を引抜いた後に炉周期Ｔ
の逆数１／Ｔである中性子束変化率が低レベル（例えば
、ｏ、ｏｏｓ（秒−９）以上を持続する持続時間である
。縦軸は、逆増倍係数法により推定した原子炉が臨界と
なる制御棒引抜き位置と現時点の制御棒引抜き位置の差
に対応する、制御棒引抜き残量である。この引抜き残量
は、現時点から臨界までに引抜く必要があると推定され
た制御棒引抜き量の総和である。本実施例では、第１図
に示すように、中性子束変化率の持続時間と制御棒引抜
き残量に基づいて、原子炉が未臨界状態か、臨界近接状
態か、臨界状態のいずれであるかを自動判定している。

例えば、現時点が点Ｂのときは、臨界近接状態であり、
第１図の下側には、原子炉状態が臨界近接状態で、現在
の制御棒引抜き位置が第ニゲループの引抜き位置１１９
（全挿入状態でＯ１全引抜き状態で２００）の状態であ
り、逆増倍係数法で求めた臨界時の制御棒引抜き位置が
１３０であり、現時点から臨界までに引抜く必要がある
と推定された引抜き残量は１１ステップ幅（５，５ｍに
対応）であり、制御棒の引抜き量を最小値である１ステ
ップ幅（０，５ｍ）にすることを示している。

本発明の特徴を実現する実施例を、第２図から第５図を
用いて具体的に述べる。

第２図は、本発明の一実施例のシステム構成図である。

図において、１は原子炉、２は炉心、３は制御棒、４は
制御棒駆動装置、５は制御棒位置制御装置、６は制御棒
操作監視装置、７は中央監視制御盤、１１は制御棒自動
操作装置、１１１は制御棒自動操作装置１１の原子炉状
態判定部。

１１２は制御棒操作タイミング判定部、１１３は制御棒
引抜き量判定部である。

このシステムにおける各装置の機能は次のようである。

原子炉１の炉心２には、約二百本の制御棒３が挿入され
ている。原子炉起動前にはこれらの制御棒３は炉心２内
に全て挿入されており、原子炉１は未臨界の状態になっ
ている。このとき、原子炉出力に対応する中性子束ｎの
初期値ｎｏは、定格値１００％に対して５×１０″″８
％程度であり、制御棒３を炉心２から徐々に引抜くと、
中性子束ｎのレベルが上昇する。すなわち、制御棒３の
炉心内での引抜き位置を上・下に変更することにより、
ＪＦＸ子炉１の出力を調整する。

中央監視制御盤７には、第１図のような画面を表示する
ＣＲＴ表示装置や、各装置の動作を制御するためのスイ
ッチ、押ボタン等が設けられている。原子炉の起動を開
始する際には、「制御棒を自動的に操作して原子炉を臨
界にせよ」という内容の指令ａを制御棒自動操作装置１
１に出力する。

また、制御棒自動操作装置１１で判定した原子炉状態や
制御棒引抜き量Ｑなどは信号ｆとして中央監視制御盤７
に出力し、中央監視制御盤７の表示装置に第１図のよう
な画面を表示する。

制御棒自動操作装置１１は、従来運転員が判断していた
原子炉状態、制御棒の操作タイミング、引抜き量を自動
的に判定し、制御棒の操作指令すを制御棒位置制御装置
５に出力する。

制御棒位置制御装置５は、操作指令すに従って、指定さ
れた制御棒３の引抜き位置を制御棒駆動装置４を介して
調整する。信号ｄは制御棒駆動指令であり、信号ｅは計
測した制御棒引抜き位置であ°す、信号Ｃは制御棒操作
が終了したことを示す信号である。

制御棒操作監視装置６は、炉心２の中性子束レベルや炉
周期などの計測値りに基づいて、炉心２の熱的余裕が十
分か否かなどを監視し、必要に応じて制御棒の引抜きを
阻止するための信号ｇを出力する。

次に、本発明で重要な役割を担っている制御棒自動操作
装置１１を中心に、実施例の動作を説明する。

表１に、制御棒自動操作装置１１に内蔵している、制御
棒の引抜き操作手順を示す。

この手順は、制御棒の引抜きを開始する前に計画した手
順であり、例えば、操作ステップ虱１では、グループ＆
１の二十六本の制御棒３を引抜き位置０から引抜き位置
５０まで（引抜き量５０ステップ幅）引抜き、操作ステ
ップＮα２では、同一の制御棒３を５０から１００まで
引抜くことを示している。ここで示した引抜き量は、引
抜き量判定部１１３の判定結果に基づいて部分的に修正
され、例えば、５０ステップ幅が３０ステップ幅と２０
ステップ幅に分割されたり、１０ステップ幅が１ステッ
プ幅十回に分割されたりする。

表２に制御棒操作タイミング判定部１１２で用いる論理
の例を示す。

第３図は、表２に示したような論理に基づいて制御棒を
引抜き操作したときの特性を示す。第３図において、制
御棒の引抜きを開始すると、中性子束変化率が一時的に
上昇し、引抜きが終了すると同変化率は徐々に低下する
。中性子束変化率が低レベル（０，００５（秒−１）以
下）となり、制御棒引抜き終了後、十秒以上経過す”る
と、表２の論理に基づいて、再び、引抜き手順に従った
次の制御棒３の引抜きが開始される。なお、中性子束変
化率の値は、フィルタによりノイズを除去した値である
。中性子束変化率の持続時間（第３図で示す低レベル持
続時間Δｔ）は、原子炉が臨界に近づくに従って長くな
る。臨界時の制御棒引抜き総量の推定値は、次の第４図
で示す逆増倍係数法により推定した値である。

第４図の横軸は、制御棒の引抜き総量であり、Ｏｍは制
御棒３が全挿入状態、１００ｍはグループ１の制御棒の
引抜き位置が２００の状態（表１参照）を示す、縦軸の
逆増倍率ｎｏ／ｎは、初期の中性子束レベルｎｏ　　（
＝５Ｘ１０−８％）と現時点の中性子束レベルｎとの比
である。効増倍係数法では、逆増倍率ｎｏ／ｎの値がＯ
となる所（すなおち、中性子束レベルが初期の値に対し
て非常に大きくなる所）を、臨界時の制御棒引抜き総量
として推定する。例えば、引抜き総量が８０ｍのとき、
それ以前の逆増倍率ｎｏ／ｎの値（図中・印）を外挿し
、逆増倍率ｎｏ／ｎがＯとなる臨界時の制御棒引抜き総
量が１２８ｍであると推定する。このときの引抜き残量
は、臨界時の引抜き総量１２８ｍから現時点の引抜き総
量８０ｍを差し引いた値４８ｍである。なお、第４図に
おける０印は引抜き総量が８０ｍ以上になったときの逆
増倍率である。逆増倍率ｎ　／　ｎ　ｏと制御棒引抜き
量との関係が非線形となるのは、制御棒の価値が複雑に
変化するためである。

この実施例の特性を計算機でシミュレートした結果を第
５図に示す、横軸は制御棒３の引抜きを開始した時点か
らの時間である。時間五分の時の特性が第３図に対応し
、制御棒引抜き残量が５０ｍ（臨界時の制御棒引抜き総
量推定値が１７０ｍ、制御棒引抜き総量が１２０ｍ）で
、中性子束変化率の持続時間が六秒であることから、第
１図の点Ａとなり、原子炉状態判定部１１１で原子炉が
未臨界状態であると判定している０時間１２分になると
引抜き残量が２ｍで持続時間十二秒であることから第１
図に示す点Ｂとなり、原子炉状態判定部１１１で原子炉
が臨界直前の臨界近接状態と判定し、それ以後の引抜き
量を最小値−ステップ幅にしている。時間２１分では、
引抜き残量が０．２ｍで持続時間が１２０秒であること
から第１図の点Ｃとなり、原子炉状態判定部１１１で原
子炉が臨界に到達したものと判定し、それ以後の制御棒
引抜き操作を中断している。このときの実効増倍率には
１．０００３と原子炉が丁度臨界であることを示す１．
０　をわずかに超過しており、本実施例による臨界の判
定が妥当であることを示している。なお、本実施例では
、制御棒引抜き量を臨界直前の臨界近接状態で最小値−
ステップ幅としているだけでなく、未臨界状態でも、引
抜き残量や中性子束変化率の持続時間などに基づいて、
表１に示した引抜き量を自動的に修正している。

本発明の実施例によれば、逆増倍係数法を適用して求め
た現時点から臨界までに引抜く必要があると推定された
制御棒引抜き残量と炉周期の逆数に対応する中性子束変
化率が低レベル以上を持続する時間との二つの状態量に
基づいて、原子炉が未臨界状態か、臨界直前の臨界近接
状態か、臨界到達している臨界状態のいずれであるかを
、的確に自動判定することができる。その結果、炉周期
を、例えば、百秒以上（中性子束変化率０．０１以下）
に維持しながら原子炉を自動的に臨界にすることができ
、運転員の負担を軽減することができる。

本発明の他の実施例として、制御棒を自動的に操作する
のではなく、ｒ！Ａ子炉状態や引抜き量などを自動的に
判定して、その結果を表示するだけで。

その後の操作は運転員の判断にまかせるシステムもある
。この場合でも、運転員の負担を軽減することができる
。

本発明のさらに他の実施例として、制御棒の引抜き量Ｑ
を原子炉が未臨界状態のときは表１に示したような事前
に計画した値とし、臨界直前の状態になったときのみ最
小値１ステツプ値に修正するシステムもある。この場合
、中性子束変化率の変動は第５図に示した場合より多少
大きくなるが、実施例に比べて制御棒自動操作装置１１
の制御棒引抜き量判定部１１３のアルゴリズムがより簡
単になるという効果がある。

本発明のさらに他の実施例として、原子炉状態の判定に
用いる炉周期に関する状態量を、中性子束変化率の持続
時間とするのではなく、制御棒引抜き終了後所定時間（
例えば、十秒とか二十秒）経過時の炉周期、または、炉
周期の変化率、とするシステムもある。この場合でも、
原子炉状態を的確に自動判定でき、前記した一実施例と
同様な効果がある。

なお、本発明の他の実施例として、臨界時の制御棒引抜
き位置（または制御棒引抜き総量）を推定する際に、制
御棒の軸方向と径方向による制御棒価値の変化などを考
慮するシステムもある。この場合、第４図に示した制御
棒引抜き総量を単純に制御棒引抜き量の総和とするので
はなく、制御棒引抜き量を制御棒の相対的な価値で補正
した値の総和とする。この結果、逆増倍率ｎ　／　ｎ　
ｏと制御棒引抜き総量との関係は、第４図のような非線
形の関係ではなく、はぼ直線で表せる線形の関係になる
ので、臨界時の制御棒引抜き総量の推定精度が向上しく
第５図の臨界時の制御棒引抜き総量推定値の変動幅が小
さくなり）、原子炉状態の推定がより的確になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原子炉が未臨界状態か、臨界直前の状
態か、臨界に到達している状態のいずれであるかを的確
に判定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の画面の説明図、第２図は本
発明の一実施例のシステム構成図、第３図は制御棒操作
時の原子炉特性図、第４図は逆増倍係数法により臨界時
の制御棒引抜き位置を推定する方法の説明図、第５図は
本発明の一実施例をシミュレートした結果を示す図であ
る。 １・・・原子炉、２・・・炉心、３・・・制御棒、４・
・・制御捧第　１　図 第２０ 第４０ 靭ａｐ秤σｌ沃ぎ軟量ＬＣｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉の制御棒を操作して未臨界の前記原子炉を臨
   界にする制御棒操作システムにおいて、前記原子炉が臨
   界となる前記制御棒の引抜き位置を推定する第一の手段
   と、前記第一の手段で推定した前記制御棒の引抜き位置
   と前記原子炉で計測した炉周期とに基づいて、前記原子
   炉が未臨界状態か、臨界直前の臨界近接状態か、臨界状
   態のいずれであるかを自動的に判定する第二の手段と、
   前記第二の手段で判定した前記原子炉の状態を表示装置
   に表示する第三の手段とを設けたことを特徴とする制御
   棒操作システム。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記第三の手段に
   代えて、前記第二の手段で前記原子炉が臨界近接状態と
   判定されたときは前記制御棒の引抜き量を最小値とする
   ことを、また臨界状態と判定されたときは前記制御棒の
   引抜きを中断することを表示装置に表示する第四の手段
   を設けたことを特徴とする制御棒操作システム。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項の制御棒操作シ
   ステムにおいて、 前記第二の手段で前記原子炉が臨界近接状態と判定され
   たときは前記制御棒を最小引抜き量だけ自動的に引抜き
   、かつ臨界状態と判定されたときは前記制御棒の引抜き
   を自動的に中断する第五の手段を設けたことを特徴とす
   る制御棒操作システム。 ４、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項の制御
   棒操作システムにおいて、 前記原子炉が臨界となる前記制御棒の引抜き位置を逆増
   倍係数法を用いて推定することを特徴とする制御棒操作
   システム。