JPH0360077B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原子炉炉心内の出力領域モニタの測
定値を用いて、出力分布を監視し、特に、最小の
モニタ個数で、必要十分な出力分布監視精度を得
る原子炉の出力分布監視装置に関する。

〔発明の背景〕

動力炉等の大型原子炉の炉心内には、複数個の
出力領域モニタが設置されている。この設置の目
的の一つは、炉心内の出力分布を監視することに
より、燃料をより安全かつ経済的に燃焼させるこ
とである。

以下、本明細書では沸とう水型原子炉
（BWR）を例にとり、詳細に説明する。

第１図は、炉心の水平断面図である。燃料は燃
料集合体１という形で、炉心内に規則的に配置さ
れている。燃料集合体１は、炉心最外周の一部分
（図中、斜線で示したもの）を除き、２×２のメ
ツシユ（図中の太線）で区分できる。このように
して区分した燃料集合体４体からなる正方形を、
セル２と呼ぶ。第２図は、セルの１つを取出して
拡大したものである。セルの中には、前述したよ
うに、４体の燃料集合体１ａ〜１ｄがあり、その
周囲には４本の十字型制御棒３ａ〜３ｄがある。
図の例では、制御棒３ｄの１本のみが部分挿入さ
れており、他の３本はすべて引抜かれている。各
セルの中央には、炉内出力領域モニタ用のストリ
ング４が設置可能である。ストリング４の中に
は、２種類の出力領域モニタが入る。その１つ
は、局所出力領域モニタ（LPRM）５ａ〜５ｄ
であり、炉心の高さ方向４個所で、中性子束を常
時測定する。他の１つは、移動式炉内計装系
（TIP）である。TIPは、常時は炉心外に格納さ
れており、炉心高さ方向の連続的な中性子束分布
を測定する場合のみ、導管６内を走行する。

従来は、このTIPおよびLPRMの測定値を使用
し、次のような方法で出力分布を監視してきた
（第３図）。

(1) TIPを走行し、各ストリングの炉心高さ設置
の連続的な中性子束分布R^O _l,kを測定する。ここ
で、添字ｌはストリング番号、ｋは炉心高さ方
向のノード位置である。

通常、炉心高さ方向は24ノードに分割し、炉
底をｋ＝１、炉頂をｋ＝24としている。

(2) 出力分布監視時には、その時点でのTIP測定
値に相当するR_l,kを、次式で計算する。

R_l,k＝R^O _l,k＋ΔR^CR _l,k＋ΔR^LPRM _l,k ……(1) ここで、ΔR^CR _l,kは、R^O _l,kを測定した後、ストリ
ングに隣接する制御棒が動いた影響を補正する
もので、制御棒の移動量および、ノードｋと制
御棒先端との距離に応じ、あらかじめ作成して
おいた定数を用いて計算する。これに対して、
ΔR^LPRM _l,kは、出力分布監視時のLPRM測定値と、
（R^O _l,k＋ΔR^CR _l,k）から計算したLPRM測定値に相
当する値との差から、そのつど計算する。

(3) 式(1)で計算したTIP相当値R_l,kから、そのス
トリングｌの周囲の４燃料集合体ｊ（＝１〜４）
の出力P_l,j,kを、次式で計算する。

P_l,j,k＝F_j・R_l,k ……(2) ここで、変換係数F_jは、燃料集合体ｊの燃料
タイプ・、燃焼度・減速材密度、およびストリ
ング周囲の燃料タイプ組合せ・制御棒挿入状態
等の関数であり、あらかじめ作成しておいた定
数を用いて計算する。

(4) 式(1)の補正量ΔR^CR _l,k、ΔR^LPRM _l,kが大きくなつ
て
きた場合には、TIPを走行し、R^O _l,kを更新する。

本方法によれば、TIPの走行を以下のように実
施すれば、出力分布監視誤差（注） を４〜５％以
下に維持できる。

制御棒挿入パタンが変更された時。

制御棒挿入パタンが一定のままでも、前回の
TIP走行から、炉心平均の燃焼度がIGW・
ｄ／ｔ程度進んだ時。

出力分布監視誤差σは、次式で定義する。

ここで、 R^M _l,k、R^C _l,k：ストリングｌ、ノードｋのTIP測定
値、計算値（平均値１）、 Ｌ、Ｋ：ストリング総数、ノード数。

この程度の監視誤差ならば、原子炉は十分に安
全に運転できる。しかし、以上のような方法で出
力分布を計算するためには、本来、すべてのセル
毎に、出力領域モニタを内蔵したストリングが必
要となる。第１図に示した炉心では、ストリング
本数は204本となる。しかし、実際には、第４図
に示すように52本のストリングしか実装されてい
ない（図中の●印）。これは、原則として炉心が
４分の１対称で運転されることを利用するためで
ある。４分の１対称とは、図中の１点鎖線を対称
軸として、燃料装荷パタンおよび制御棒パタン
が、鏡面対称あるいは４分の１回転対称となつて
いることである。この場合には、第５図に一例を
示すように、実装されたストリングＬでの出力領
域モニタの測定値を、他の象限の対称位置（鏡面
対称の場合にはL^M ₁〜L₃ ^L、回転対称の場合には
L₁ ^R〜L₃ ^R）での仮想的な測定値として利用でき
る。この性質を利用し、第４図の右上の象現に、
他の３つの象現に実装されたストリングを仮想的
に移すと、図中〇印で示すようになる。すなわ
ち、炉心が４分の１対称で運転されていれば、実
効的に、すべてのセル毎にストリングがあること
になり、前記(1)〜(4)の方法で、精度よく出力分布
が監視できる。

しかし、この方法では、炉心中の全セル数の1/
４のストリング本数が必要であり、炉心が大きく
なるにつれ、次のような問題が生ずる。

(i) ストリング本数が多くなり、設置のためのコ
ストが増大する。また、炉心内に常時置かれる
LPRMが徐々に劣化するため、ストリングは
定期的に交換が必要であるが、この交換のコス
トも増大する。

(ii) R^O _l,kを測定するためにTIP走行が必要である
が、ストリング本数が多くなると、全ストリン
グの走行に要する時間が長くなる。TIP走行中
には、出力分布を安定させておく必要があるの
で、その間、運転融通性が低下する。

すなわち、第４図に示すように多数のストリン
グを配置することは、経済性および効率の向上を
はかるためには、好ましくない。

そこで、近年、ストリング本数を減らす方法が
検討され始めている。第６図は、その方法の一例
であり、第４図に示す従来の配置から、１本置き
にストリングを削減している。その結果、ストリ
ング本数は、第４図の52本から、半分以下の24本
になる。

しかし、この配置方法では、炉心が４分の１対
称に運転されている場合、第６図に〇印に示すよ
うにストリングを１象限に移しても、ストリング
の存在しないセルが生ずる。ストリングが存在せ
ず、出力領域モニタの測定値が得られないセルで
は、従来の方法(1)〜(4)では出力分布が監視でき
ず、したがつて、出力分布監視誤差が大きくな
る。

この問題点を解決するために、さらに、出力分
布の計算に原子炉の物理的モデルを内蔵したプロ
グラムを使用する方法が提案されている。 ⁽¹⁾原
子炉の物理的モデル（以下、原子炉モデルと略
す）とは、炉心内の核特性および熱水力特性を記
述した式を用い、炉心熱出力・炉心冷却材流量・
制御棒位置等のデータから、出力分布を計算する
ものである。ノード結合型モデルFLARE ⁽²⁾は、
その一例である。

原子炉モデルを使用した出力分布計算では、本
来、出力領域モニタの測定値を必要としない。し
かし、その場合の出力分布監視誤差は６〜７％程
度である。これは、オンラインでプロセス計算機
を使用して、数分以内に計算を終了させる必要が
あるために、原子炉モデルを簡略化していること
に起因する。

すなわち、原子炉モデルを使用する場合におい
ても、従来通りの出力分布監視精度を達成するた
めには、出力領域モニタの測定値を利用する必要
がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、炉心内のストリングの数を低
減でき、しかも従来と同程度の精度で出力分布を
監視できる原子炉の出力分布監視装置を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、４本の制御棒に取囲まれた４
体の燃料集合体により構成される複数のセルを炉
心内に有し、中性子モニタを内蔵するストリング
が配置される前記セルを有する原子炉の出力分布
監視装置において、炉心中心を通り互いに直交す
る２軸で前記炉心の横断面を４つの領域に分割し
たとき、１つの領域に配置された前記ストリング
は、他の３つの領域においてそのストリングと鏡
対称または1/4回転対称の位置での中性子束を検
出するように配置され、分割して得られる１つの
領域に他の３つの領域にあるすべての前記ストリ
ングを対称性を利用して仮想的に移したとき、当
該１つの領域において前記ストリングを有する前
記セルと前記ストリングを有しない前記セルとが
市松模様状に配置され、モデルを用いて出力分布
を計算する装置と、前記ストリング内の中性子モ
ニタの測定値を用いて前記出力分布を補正する装
置を備えたことにある。具体的には、第７図に示
すように、出力分布の監視精度を向上させるた
め、以下のように、出力領域モニタの測定値を補
助的に利用する。

(1) TIP走行時に、原子炉モデルで計算した出力
分布を換算して得たTIP測定値に相当する値
と、実際のTIP測定値とを比較し、両者の差が
最小になるように、モデルのパラメータを調整
する。

(2) 出力分布監視時に、原子炉モデルで計算した
出力分布を換算して得たLPRM測定値に相当
する値と、実際のLPRM測定値とを比較し、
両者の差で出力分布を補正する。

ここで、上記(1)で調整するパラメータは、炉心
の局所的な部分に影響するものではなく、全炉心
に影響を与えるものを５〜６個前後選定する。ま
た、LPRM測定値による出力分布の補正量は、
出力分布の監視誤差が２〜３％減少する程度であ
る。ストリングの本数が削減できる理由について
は後で説明するが、パラメータの個数が少なく、
出力分布の補正量が小さいことも、本数が削減で
きる１つの理由である。

以上、出力分布監視方法の基本的手順について
説明した。次に、ストリングの配置方法について
説明する。

ストリングは、炉心の４分の１に注目した場
合、第８図のａあるいはｂの〇印で示すように市
松模様になるように配置する。いずれも、次の２
つの規則を満たすようにしてある。

２セル毎に１ストリングずつの密度となる。

ストリング同志の間隔が均等となる。

これらの２つの規則は、それぞれ、次のような
理由により、物理現象に対応して必然的に定ま
る。

ストリングの配置に関する規則は、各燃料集
合体からの影響が、少なくとも１つのストリング
中の出力領域モニタに反映するようにする、とい
う原則より定まる。この原則を満たすためには、
ある燃料集合体で発生した高速中性子が、減速さ
れて熱中性子となり、吸収されて次の核分裂に使
用されるまでの平均飛程が、その燃料集合体から
最寄りのストリングまでの距離よりも長くなるよ
うに、ストリングの密度を定めればよい。拡散理
論に基づくと、熱中性子炉では、近似的に次式が
成立する。 ^{(3) 2}＝６・M₂ ……(3) ここで、² ：中性子の発生点から吸収点までの直線距離の
自乗の平均 M²：移動面積 BWRでは、 M²＝100〜150〔cm²〕 であり、これを式(3)に代入すると、 ²＝600〜900〔cm²〕 となる。したがつて、平均飛程は、 √²＝25〜30〔cm〕 である。一方、BWRにおいては、セルの１辺は
1ft（約30cm）である。すなわち、第８図のａある
いはｂのようにストリングを配置すれば、第９図
にその一部拡大図を示すように、すべての燃料集
合体は最寄りのストリングから中性子の平均飛程
以内（図中の破線の円）に入る。

以上説明したようなストリングの配置で十分な
のは、先に説明したように、出力分布の監視方法
を改良するためである。すなわち、従来のような
出力領域モニタの測定値を基にした方法とは異な
り、まず、出力領域モニタの測定値を使用しない
で、原子炉モデルにより出力分布を直接計算し、
この出力分布を補正するために、補助的に出力領
域モニタの測定値を使用する方法を採用してい
る。したがつて、各燃料集合体の影響を反映する
ストリングが１本あれば、その燃料集合体の出力
分布を正しく補正できる。

次に、ストリングの配置に関する規則を定め
た根拠は、出力分布の補正を合理的に実施するた
めである。すなわち、まず第一に、第８図に示す
ように均等に配列すると、各燃料集合体の出力分
布の補正量が同程度となる。これは、燃料集合体
毎の出力分布の計算精度が、ほぼ同程度になるこ
とを意味する。計算精度に局所的にむらがないこ
とは、監視を容易にするばかりか、安全性を向上
できる。第二に、均等に配列すると、すべての場
所で同一の手順で出力分布の補正ができる。補正
の処理は、計算機に格納したプログラムで実施す
るので、プログラムの簡素化および演算時間の短
縮がはかれる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例図面に基づいて詳細に説
明する。

まず、出力分布の監視方法に関する実施例につ
いて説明する。第７図に示す手順のうち、TIP走
行時の実施例については、特公昭53−22639「原子
炉の出力分布監視装置」の方法が利用できるの
で、ここでは詳細な説明は省略する。この方法で
は、原子炉モデルとしてFLAREを使用し、調整
用パラメータは６個（中性子輸送核の混合パラメ
ータ２個、アルベド４個）である。このパラメー
タを調整した原子炉モデルにより出力分布を計算
すると、監視誤差は７％程度である。

この監視誤差を小さくするために、本発明の出
力分布の監視方法では、さらにLPRM測定値に
より出力分布を補正する。この補正方法の実施例
を第１０図に示す。その手順は、以下の通りであ
る。

(1) 原子炉モデルで計算した出力分布P^M _l,j,kをTIP
相当値R^M _l,kおよびLPRM相当値L^M _l,oに変換する。
この変換は、式(2)の逆変換である。

(2) 各ストリングｌ毎に、LPRM位置ｎ（＝１〜
４）で、次式により、LPRM測定値と計算値
との差ΔL_l,oを計算する。

ΔL_l,o＝L_l,o−L^M _l,o ……(4) ここで、L_l,oはLPRM測定値である。

(3) 各ストリングｌ毎に、炉心高さ方向に４点あ
るΔL_l,oを直線内外挿し、TIP相当の24ノード
の差ΔR^LPRM _l,kを計算する。

(4) ストリングｌに隣接する燃料集合体ｊ（＝１
〜４）について、次式で出力分布を補正する。

P_l,j,k＝P^M _l,j,k・（１＋C_l,j,k） ……(5) ここで、 C_l,j,k＝ΔR^LPRM／_l,k／R^M／_l,k P_l,j,kが補正後の出力分布である。

(5) ストリングの存在しないセルについては、第
１１図に示すように、周囲ストリングl₁〜l₄で
の補正係数C_l1,j,k〜C_l4,j,kを使用し、次式で仮想
的な補正係数C_lc,j,kを求める。

C_lc,j,k＝１／４_l4 〓^l=l1 C_l,j,k ……(6) 以上の手順でLPRM測定値により出力分布を
補正すれば、出力分布の監視誤差は、さらに２〜
３％向上し目標の４〜５％以下となる。なお、第
８図において、炉心最外周にあつてストリングの
存在しないセルについては、第１１図および式(6)
に示す方法で補正係数が計算できない。このよう
な場合には、周囲の２〜３のストリングの補正係
数の平均値を使用すればよい。

次に、ストリングの配置方法に関する実施例に
ついて説明する。炉心が４分の１対称で運転され
ている場合の実施例を、第１２図および第１３図
に示す。対称性を利用して右上の象限に全ストリ
ングを仮想的に移すと、第１２図からは第８図ａ
が、第１３図からは第８図ｂが得られる。すなわ
ち、両実施例とも、前述したストリングの配置に
関する規則・を満足している。

さらに、第１２図および第１３図の実施例にお
いて、全炉心のストリングの配置を見ると、局所
的なかたよりがなく、全炉心にほぼ一様に分布し
ている。LPRMの測定値は、出力分布の監視の
他に、平均出力領域モニタ（APRM）あるいは
制御棒引抜阻止モニタ（RBM）等の原子炉保護
系への入力として使用されている。したがつて、
全炉心に一様に分布していることは、どこで異常
が発生しても、すぐ原子炉保護系を作動できるこ
とを意味する。

以上説明した実施例の他に、本発明の出力分布
監視方法およびストリング配置方法の基本的考え
方を変更することなく、次のような実施例も実現
できる。

(i) 炉心の外周部では出力が低く、出力分布の監
視精度が多少悪化しても、安全上および経済上
に大きな影響はない、したがつて、第８図にお
いて、炉心最外周のセルに存在するストリング
を削除することも可能である。このようにすれ
ば、(a)で４本、(b)で６本、ストリング本数を削
減できる。

(ii) ストリングの存在しないセルの補正係数を求
める方法として、式(6)のように単純な平均をと
るのではなく、周囲のストリングの補正係数を
なめらかに内挿する方法も可能である。

(iii) 炉心が８分の１対称で運転される場合には、
第１４図に実施例を示すように、^LPRM _l,k印の位置
にストリングを配置すればよい。１領域に集め
た時に、〇印で示すように市松模様になる。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく、本発明によるストリング
の配置方法および出力分布の監視方法を採用すれ
ば、ストリングの本数が半数に削減でき、経済性
の向上がはかれると共に、誤差の少ない状態で出
力分布が監視でき、効率の向上がはかれる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は炉心の水平断面図、第２図はセルの構
成を示す図、第３図は従来の出力分布監視方法を
示す図、第４図は従来のストリング配置を示す
図、第５図はストリングの対称関係を示す図、第
６図はストリング本数削減の一例を示す図、第７
図は本発明の出力分布監視方法を示す図、第８図
は本発明のストリング配置方法を示す図、第９図
は第８図の一部を拡大した図、第１０図・第１１
図は出力分布監視方法の実施例を示す図、第１２
図・第１３図・第１４図はストリング配置方法の
実施例を示す図である。 １……燃料集合体、２……セル、３……制御
棒、４……ストリング、５……LPRM、６……
TIP導管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ４本の制御棒に取囲まれた４体の燃料集合体
   により構成される複数のセルを炉心内に有し、中
   性子モニタを内蔵するストリングが配置される前
   記セルを有する原子炉の出力分布監視装置におい
   て、炉心中心を通り互いに直交する２軸で前記炉
   心の横断面を４つの領域に分割したとき、１つの
   領域に配置された前記ストリングは、他の３つの
   領域においてそのストリングと鏡対称または1/4
   回転対称の位置での中性子束を検出するように配
   置され、分割して得られる１つの領域に他の３つ
   の領域にあるすべての前記ストリングを対称性を
   利用して仮想的に移したとき、当該１つの領域に
   おいて前記ストリングを有する前記セルと前記ス
   トリングを有しない前記セルとが市松模様状に配
   置され、モデルを用いて出力分布を計算する装置
   と、前記ストリング内の中性子モニタの測定値を
   用いて前記出力分布を補正する装置とを備えた原
   子炉の出力分布監視装置。