JPH0241716B2

JPH0241716B2 -

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Publication number: JPH0241716B2
Application number: JP56083490A
Authority: JP
Priority date: 1981-05-30
Filing date: 1981-05-30
Publication date: 1990-09-19
Also published as: JPS57198890A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、沸騰水形原子力発電所の所内または
所外に原子炉出力を低下すべき原因が発生した際
に、原子炉再循環ポンプをトリツプまたはランバ
ツクし、必要に応じて選択制御棒の全部または一
部を緊急挿入することにより、原子炉の低出力連
続運転を可能にした沸騰水形原子炉の出力制御装
置に関する。

一般に、大容量のタービンバイパス弁を有する
沸騰水形原子力発電所においては、所外の電力系
統事故発生時またはタービントリツプ時に所内単
独運転を継続することを目的として、事故発生ま
たはタービントリツプ発生と同時に原子炉再循環
ポンプをトリツプまたはランバツクさせるととも
に、あらかじめ選択された選択制御棒を炉心へ緊
急挿入して原子炉出力を低下させ、またタービン
バイパス弁を急開させて原子炉から発生する蒸気
を復水器へ逃がすことにより、原子炉の低出力連
続運転を可能にしている。

このように原子炉を低出力連続運転する場合、
タービンには発電所内の必要電力をまかなえるよ
うに約10％定格程度の蒸気流量が供給されるが、
このように蒸気流量が少ない状態ではタービンか
ら抽出して給水を加熱する給水加熱器がその本来
の機能を果すことができず、復水器で冷却された
水が加熱されずに原子炉へ供給されることにな
る。そうすると炉心入口の冷却水温度が低下して
原子炉内のボイド率が低下し、炉心熱出力が次第
に増加して低出力運転を継続できなくなるので、
この不具合を防止するため、あらかじめ選択され
た選択制御棒を緊急挿入するようにしている。こ
れを第１図により説明する。第１図は原子炉を低
出力運転に移行させた際の炉心熱出力の経時的変
化を示すもので、縦軸は炉心熱出力を定格に対す
るパーセントで示し、横軸は時間の経過を示して
いる。第１図の曲線Ａは炉心熱出力100％（定格
に対して）、炉心流量100％（定格に対して）の初
期状態から原子炉再循環ポンプをランバツクさせ
た場合について示し、曲線B₁は炉心熱出力100
％、炉心流量100％の初期状態から、曲線B₂は炉
心熱出力80％、炉心流量100％の初期状態から、
曲線B₃は炉心熱出力60％、炉心流量100％の初期
状態からそれぞれ原子炉再循環ポンプをランバツ
クさせ、かつ選択制御棒の挿入を行なつた場合に
ついて示している。なお、曲線B₁〜B₃について
の選択制御棒の挿入本数はいずれも同数である。
これらの曲線の比較から、次の点が明らかにな
る。

曲線Ａのように、原子炉再循環ポンプのラン
バツクのみで、選択制御棒の挿入を行なわない
場合には、炉心熱出力が次第に増加していき、
低出力運転の継続が困難となるが、選択挿入棒
の挿入を行なえば、曲線B₁〜B₃の如く炉心熱
出力の増加を低く抑えることができ、低出力運
転の継続が可能になる。

曲線B₁〜B₃の比較により、選択制御棒の挿
入本数を同数にすると初期状態によつて原子炉
整定出力は大幅に相違することがわかる。そし
て原子炉整定出力が広範囲の値をとると、原子
炉出力を安定に制御することが困難になる。そ
こで、原子炉整定出力を初期状態のいかんに拘
らず挾範囲に維持することが望まれる。

一方、原子炉の部分出力運転時において、出
力をあまり増加させると炉心の安定性が損なわ
れ、また復水器がバイパス蒸気処理機能を果せ
ないことにもなる。さらに、部分出力運転状態
から初期状態へ復旧させる際の時間短縮と円滑
化を図るためには、原子炉整定出力を50％程度
の高レベルに維持することが望まれるのであ
る。

本発明は以上の考察結果にもとづいてなされた
もので、その目的は、原子炉出力を低下すべき原
因が発生した際に原子炉を部分出力運転に移行さ
せる沸騰水形原子炉の出力制御装置において、部
分出力運転移行後の原子炉出力を安定に制御で
き、かつ発電所内の必要電力をまかなえ、また部
分出力運転から初期状態へ復旧する際の時間短縮
と円滑化を図ることができるようにすることにあ
る。

以下、本発明の構成を第２図に示す実施例にも
とづいて説明する。

原子炉圧力容器１内の炉心２にて発生した蒸気
は主蒸気管３を通り、主蒸気加減弁４を介してタ
ービン５へ供給され、タービン５を駆動する。こ
のタービン５の回転により発電機６が駆動されて
発電をなし、この電気エネルギは主変圧器７、主
遮断器８を介して送電系９へ送られる。一方、タ
ービン５を駆動した蒸気は復水器１０で凝縮され
て水となり、復水ポンプ（図示せず）により給水
加熱器１１へ送られて、タービン５より抽気され
た蒸気により加熱され、給水ポンプ１２によつて
原子炉圧力容器１内へ環流する。

一方、前記主蒸気管３の途中より分岐して設け
られたタービンバイパス管１３は復水器１０に連
通し、このバイパス管１３の途中には、タービン
５をバイパスして前記復水器１０へ蒸気を逃がす
タービンバイパス弁１４が設けられている。また
図中１５は、原子炉圧力容器１内の冷却材を炉心
２を通して再循環させる原子炉再循環ポンプであ
り、１６…は炉心２に対する制御棒（図示せず）
の挿入または引抜きを行ない炉心２内の反応度を
制御する制御棒駆動機構である。また図中１７は
タービン５の回転数および主蒸気の圧力等を制御
するタービン・圧力制御回路であり、これは制御
部１８とアンバランスリレー１９とを備えてい
る。そして発電機６からの信号をアンバランスリ
レー１９に入力し、送電系９の故障その他の、原
子炉出力を低下すべき原因が発生すると、これを
出力低下要求信号としてアンバランスリレー１９
で受けて制御部１８へ送り、制御部１８からの出
力で前記主蒸気加減弁４を急閉させてタービン５
の過回転を防止すると同時に、タービンバイパス
弁１４を急開させて余剰の蒸気を復水器１０へ逃
がすように構成されている。また、上記制御部１
８からの信号を給水ポンプ制御回路２０へ送出
し、原子炉の部分出力運転に対応して複数台ある
給水ポンプ１２…の一部を停止させ、給水流量を
制御する。さらに、上記制御部１８からの信号
は、タービンバイパス弁１４からの開弁信号と共
に出力制御回路２１へ送出される。また、原子炉
圧力容器１には原子炉現状監視回路２２が設けら
れ、この監視回路２２より、炉心２の熱出力その
他の、原子炉状態に対応した原子炉状態信号を前
記出力制御回路２１へ送出するようにしている。
そして出力制御回路２１からの信号を選択制御挿
入回路２３、緊急停止用制御棒挿入回路２４およ
び再循環ポンプ制御回路２５へそれぞれ送出し、
制御棒挿入回路２３または緊急停止用制御棒挿入
回路２４を介して制御棒駆動機構１６…を制御
し、また再循環ポンプ制御回路２５を介して原子
炉再循環ポンプ１５を制御して、原子炉を部分出
力運転に移行させるように構成されている。ま
た、原子炉圧力容器１には容器１内の水位を測定
する炉水位計２６が設けられ、この炉水位計２６
からの信号を緊急停止用制御棒挿入回路２４へ送
出するように構成されている。

以上の如く構成された沸騰水形原子力発電所に
おいて、たとえば送電系９または発電機６に何ら
かの故障が発生すると、主遮断器８および主変圧
器７が開らき、タービン・圧力制御回路１７のア
ンバランスリレー１９に出力低下要求信号として
の負荷遮断信号が入力する。上記信号は制御部１
８を介して主蒸気加減弁４およびタービンバイパ
ス弁１４へ送出され、主蒸気加減弁４を一時的に
急閉してタービン５の過回転を防止するととも
に、タービンバイパス弁１４を急開する。そこ
で、原子炉圧力容器１よりタービン５へ送られる
蒸気は主蒸気加減弁４によつて急速遮断され、タ
ービンバイパス弁１４を介して復水器１０へ送給
される。一方、出力制御回路２１は炉心熱出力お
よび炉心流量を原子炉状態信号として受け、再循
環ポンプ制御回路２５を介して原子炉再循環ポン
プ１５をトリツプまたはランバツクさせると同時
に、負荷遮断信号が発生した際の原子炉状態に応
じてあらかじめ選択された選択制御棒の挿入の必
要性を判定し、挿入の必要がある場合にはさらに
選択制御棒のうち挿入すべき本数を判定してその
信号を選択制御棒挿入回路２３へ送出し、所要本
数の制御棒を炉心２内に緊急挿入させて原子炉出
力を低下させる。なお、ここで、タービンバイパ
ス弁１４の開信号が確認できないときは、出力制
御回路２１は緊急停止用制御棒挿入回路２４へ信
号を送出し、すべての制御棒を炉心２内に緊急停
止させて原子炉の運転を停止させる。また給水ポ
ンプ制御回路２０は、タービン・圧力制御回路１
７からの信号を受けて複数ある給水ポンプ１２…
の一部を停止させる。そしてタービン５の回転数
が安定したとき、主蒸気加減弁４およびタービン
バイパス弁１４の開度がタービン・圧力制御回路
１７により自動的に調整され、原子炉を部分出力
運転に移行させる。

また、たとえば原子炉圧力容器１内の水位が設
定値まで低下する事態が発生したときは、炉水位
計２６がこれを検出して水位低信号を緊急停止用
制御棒挿入回路２４へ送出し、すべての制御棒を
炉心２内へ緊急挿入させて原子炉の運転を停止さ
せ、原子炉の安全性を確保する。

なお、この実施例では出力制御回路２１を動作
させる原子炉状態信号として、原子炉蒸気出力お
よび原子炉再循環ポンプ１５の回転速度を用いる
ものとして説明したが、原子炉現状監視回路２２
の出力を原子炉状態信号として用いてもよい。

次に、第３図の原子炉運転特性図により、上記
実施例の作用を説明する。

第３図の縦軸は炉心熱出力を定格値に対するパ
ーセントで示し、横軸は炉心流量を定格値に対す
るパーセントで示している。図中、曲線S₁〜S₂は
自然循環時について示し、曲線MP₁〜S₂は熱出
力105％、炉心流量100％を初期状態（MP₁点）
として炉心流量を減少させていつた場合の流量制
御曲線である。また曲線MP₂〜C₁は原子炉再循
環ポンプの最少流量運転時について示し、曲線
C₀〜C₁は熱出力100％、炉心流量100％を初期状
態（C₀点）として炉心流量を減少させていつた
場合の流量制御曲線である。さらに曲線C₀〜CV₂
は原子炉再循環ポンプの定格運転時について示
し、曲線CV₁〜CV₂はキヤビテーシヨンラインで
ある。熱出力がキヤビテーシヨンライン以下にな
ると、ジエツトポンプのキヤビテーシヨンが生ず
るので、このキヤビテーシヨンラインより上の領
域で運転しなければならない。すなわち曲線
MP₁〜S₂とキヤビテーシヨンラインCV₁〜CV₂と
の間の領域が原子炉の運転許容領域であり、この
領域から外れない範囲で制御棒の挿入制御および
原子炉再循環ポンプの流量制御をする必要があ
る。

そこで、たとえばC₀点を初期状態として、タ
ービンバイパス弁１４が急開し、原子炉再循環ポ
ンプ１５が最少流量運転に移行すると、炉心熱出
力と炉心流量との関係はC₁点まで移動し、その
後、炉心入口温度が低下すると、熱出力が上昇し
て運転許容領域を越えてC₂点まで移動しようと
する。ところが、選択制御棒の挿入により熱出力
は低下してC₃点に落着くことになる。

また、挿入する選択制御棒の本数が初期状態の
如何にかかわらず一定であると、次のような不具
合を生ずる。たとえば初期状態がD₀点の場合に
おいて、初期状態がC₀点の場合と同数の選択制
御棒を挿入したとすると、熱出力と炉心流量との
関係は、D₀点より、曲線C₀〜C₁とほぼ平行な流
量制御曲線に沿つてD₁点に達し、さらに熱出力
が低下して運転許容領域より下側のD₃点に落着
くことになり、このような出力レベルでは熱出力
より蒸気出力が小さいため発電所内で必要な電力
の供給も行なうことができず（すなわち10％定格
の蒸気流量を確保することができず）、原子炉出
力の回復も期待できないこととなるのである。こ
のようなわけで、選択制御棒の挿入本数は初期状
態に応じて異ならせ、できる限り原子炉出力の回
復にも都合のよい出力レベルによつて部分出力運
転がなされるようにする必要があるのである。

そこで、前記出力制御回路２１において、選択
制御棒の挿入の必要性およびその挿入本数等の判
定は次のように行なわれる。まず原子炉の初期状
態における炉心熱出力P₀と炉心流量（または原
子炉再循環ポンプ１５の回転速度、以下同じ）
W₀とを原子炉状態信号として入力し、ｂ＝Pe−aW₀ を算出する。ただし、ａは定数で、これは第３図
におけるMP₁〜S₂やC₀〜C₁等の流量制御曲線の
傾きに相当し、ほぼ線型で近似できることがわか
つている。そして、このｂの値を用い、原子炉再
循環ポンプ１５をランバツクした後の炉心入口温
度の低下に伴なう炉心熱出力の増加を見込んで所
定の値ｃを設定し、ｂ≦ｃの場合は選択制御棒の挿入は行なわず原子炉再循
環ポンプ１５をランバツクさせて最少流量運転に
移行させるのみとする。また、ｂ＞ｃの場合は原子炉再循環ポンプ１５を最少流量運転
に移行させるとともに、選択制御棒の挿入を行な
うものとし、その挿入本数はｂの値の大きさに応
じて段階的に増加することとする。挿入本数の区
分を第４図の原子炉運転特性図上に例示する。こ
れは流量制御曲線C₀〜C₁とキヤビテーシヨンラ
インCV₁〜CV₂との間の原子炉運転許容領域を、
上記流量制御曲線C₀〜C₁とほぼ平行な選択制御
棒反応度区分線l₁、l₂、l₃と選択制御棒挿入判定
線l₄にて“Ｉ”〜“Ｖ”の５つの領域に区分し、
上位より下位に向つて、初期状態が“Ｉ”の領域
にあるときは選択制御棒の挿入本数を16本とし、
以下、“”、“”、“”、“”の領域ではそれ
ぞれ12本、８本、４本、０本とするのである。す
なわち、炉心熱出力をＰ、炉心流量をＷとする
と、選択制御棒反応度区分線l₁、l₂、l₃は、それぞれ d₁＝Ｐ−aW d₂＝Ｐ−aW d₃＝Ｐ−aW と近似でき、また選択制御棒挿入判定線l₄は、ｃ＝Ｐ−aW と近似できる。したがつて、ｂの値がｂ＞d₁ の場合は選択制御棒の挿入本数を16本とし、ｂの
値が d₁≧ｂ＞d₂ の場合は選択制御棒の挿入本数を12本とし、ｂの
値が d₂≧ｂ＞d₃ の場合は選択制御棒の挿入本数を８本とし、ｂの
値が d₃≧ｂ＞ｃの場合は選択制御棒の挿入本数を４本とし、ｂの
値がｂ≦ｃの場合は選択制御棒を挿入しない。なお、挿入本
数の区分は第４図に限らず、たとえばタービンバ
イパス弁急開時の原子炉出力を最大50％定格、最
小10％定格程度の範囲で制御する場合は挿入本数
区分をもつと減じてもよい。

また、選択制御棒の挿入本数を異ならせるのみ
でなく、選択制御棒の挿入位置を変え、または各
選択制御棒の挿入量を異ならせるようにしてもよ
い。また、選択制御棒の配置も適宜設定すればよ
いものであるが、第５図および第６図に選択制御
棒の配置パターン例を示す。

第５図および第６図において、２７…は単位格
子、２８…は制御棒を示し、丸印で囲んだ制御棒
があらかじめ選択された選択制御棒である。ま
た、数字を付した制御棒は運転中に炉心２内へ挿
入して使用されるものを示し、数字は挿入量を表
わすノツチ数である。ここで、第５図のように最
外周部位の制御棒の中から選択制御棒を選べば、
最外周部位の制御棒は１本当りの反応度価値が低
いため微小な出力調節が行ない易く、引抜き等の
出力変化も小さく抑えることができる利点があ
り、逆に第６図のように中央部位の制御棒の中か
ら選択制御棒を選べば、少数の制御棒を挿入する
だけで比較的大きな出力変化を与えることがで
き、このように選択制御棒の挿入位置を変えるこ
とによつても原子炉を部分出力運転に移行させる
ことができる。

ところで、原子炉を高出力で運転中、負荷遮断
信号の発生により主蒸気加減弁４の急閉、タービ
ンバイパス弁１４の急開、原子炉再循環ポンプ１
５の最少流量運転および選択制御棒の挿入等が行
なわれると、炉心熱出力が急速に低下する。しか
し、万一、タービンバイパス弁１４が開らかない
事態が生じた場合には炉心の圧力が急上昇し、燃
料の熱的制限である最少限界燃料出力比
（MCPR）が厳しくなる。このような場合、出力
制御回路２１はタービンバイパス弁１４が開らか
ないことを確認した上で、緊急停止用制御棒挿入
回路２４へスクラム信号を送出し、すべての制御
棒を炉心２へ緊急挿入させることになるが、ター
ビンバイパス弁１４の開動作を確認するための時
間遅れが必要なため、その遅れ時間分だけ燃料の
熱的制限が厳しくなる。そこで、初期状態の出力
レベルが80％定格以上の高出力運転時には出力制
御回路２１はタービン・圧力制御回路１７より負
荷遮断信号を受けたとき、再循環ポンプ制御回路
２５にトリツプ信号を送出すると同時に選択制御
棒挿入回路２３に挿入信号を送出し、原子炉再循
環ポンプ１５をトリツプさせ、再循環流量を急速
低下させるようにしている。これは、タービンバ
イパス弁１４の不動作時における最少限界燃料出
力比（MCPR）の低下を改善し、過渡特性の改
善を図るためである。

また、原子炉再循環ポンプ１５を長時間停止さ
せておくと、再循環ポンプ１５のループ温度が急
速に低下し、熱応力上の不具合が生じるととも
に、自然循環による低出力運転は炉心熱出力の安
定性を欠くことにもなるので、タービンバイパス
弁１４が急開して炉心がほぼ安定した後、たとえ
ば約６分経過した後に、自動的に原子炉再循環ポ
ンプ１５を最少流量運転に移行させることとし、
これによつて原子炉再循環ポンプ１５の健全性を
確保するとともに、原子炉の低出力運転時におけ
る安定性を維持するようにしている。

さらに、原子炉出力がたとえば20％定格以下の
場合、炉心入口温度の低下に伴なう出力上昇があ
つても炉心の安定性が損なわれない程度の出力レ
ベルに抑えられるので、原子炉再循環ポンプ１５
のランバツクやトリツプを行なう必要はない。再
循環ポンプ１５のランバツクやトリツプを行なう
と却つて故障が直つた際に原子炉出力を上昇させ
るための手順が増すことにもなる。そこで低出力
レベルでは出力制御回路２１が負荷遮断信号を受
けても再循環ポンプ制御回路２５および選択制御
棒挿入回路２３へ信号を送出しないように構成す
ることによつて、低出力レベルにおける原子炉圧
力上昇のための繁雑な手順を避けることができ
る。

以上、実施例にもとづいて説明したように、本
発明に係る沸騰水形原子炉の出力制御装置は、原
子炉出力を低下すべき原因が発生した際に選択制
御棒の挿入により炉心に与えられる負の反応度を
そのときの原子炉状態に応じて変化させることに
より、部分出力運転移行後の原子炉出力を狭い範
囲の低出力に安定に維持でき、かつ発電所内の必
要電力をまかなえ、また部分出力運転から初期状
態へ復旧する際の時間短縮と円滑化を図ることが
できるなど、優れた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子炉再循環ポンプの最少流量運転時
における炉心熱出力の経時的変化を示す線図、第
２図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第３
図および第４図は本発明の作用を説明するための
原子炉運転特性図、第５図および第６図は本発明
の一実施例における選択制御棒の配置パターン例
を示す炉心模式図である。１……原子炉圧力容器、２……炉心、４……主
蒸気加減弁、５……タービン、１４……タービン
バイパス弁、１５……原子炉再循環ポンプ、１６
……制御棒駆動機構、１７……タービン・圧力制
御回路、２１……出力制御回路、２２……原子炉
現状監視回路、２３……選択制御棒挿入回路、２
５……再循環ポンプ制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１原子炉出力を低下すべき原因が発生した際に
タービンバイパス弁を開いて蒸気を復水器へ逃が
し、あらかじめ選択された選択制御棒を炉心に挿
入するとともに炉心流量を調整して原子炉を部分
出力運転に移行させる沸騰水形原子炉の出力制御
装置において、炉心流量制御曲線とほぼ平行な選
択制御棒反応度区分線で区分される複数の領域
に、上記選択制御棒の挿入により炉心に与えられ
る負の反応度を前記領域の上位より下位に向つて
段階的に減少させるようにあらかじめ設定し、か
つ前記選択制御棒反応度区分線より下方であつて
炉心流量制御曲線とほぼ平行に選択制御棒挿入判
定線を設定し、上記原因が発生したときの原子炉
の炉心熱出力と炉心流量に対応した原子炉状態信
号を受け、この原子炉状態信号が前記領域のいず
れかに入るかを判定して上記選択制御棒の挿入に
より炉心に与えられる負の反応度を変化させる出
力制御手段を具備したことを特徴とする沸騰水形
原子炉の出力制御装置。