JPH04236B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉の事故時に、炉内の
状態変化を予測する方法と装置に係り、特に配管
破断事故発生事象の大きさを推定すると共に、以
後の炉内に生じる変化を予測する方法と装置に関
する。

〔発明の背景〕

原子力発電所では、事故を回避するために、種
種の安全システムが用意されている。更に、万一
の事故が発生した場合にも、事故の周辺への波及
を防止し、炉を安全に停止させる運転ガイダンス
が与えられるようになつている。このように、原
子力発電所二重・三重の安全対策が講じられてい
るが、スリーマイル島事故を契機に、万一事故が
発生した場合、その事故による原子炉の変化を予
測できる装置の必要性がいわれている。これは、
多種配管破断のような事故が発生した場合、その
おおよその発生規模を推察し、最も適切と思われ
る運転手順を決定するためであり、この目的を充
足させるには、原子炉内状態の動的挙動を高速で
予測する必要がある。

原子炉内状態の動的挙動をシミユレートするた
めに、従来から各種の動的シミユレータが開発さ
れてきた。しかし、これらの動的シミユレータ
は、現象の進む速さよりも長い演算時間を要する
ものが多く、一部で用いられている運転員訓練用
シミユレータでも、実際の現象の進展とようやく
同じ速さの演算、すなわち実時間演算ができるに
すぎない。したがつて、事故発生時に予め事故に
よる現象の進展を予測することは、この種のシミ
ユレータでは不可能である。

これを改良するために、原子炉状態をシミユレ
ートするモデルを簡素化し、実時間の数倍高速な
シミユレータの開発も行なわれるようになつてき
た。この方法では、高速演算性が得られる反面、
単純化により予測時の演算精度を犠牲にすること
になる。原子炉事故の現象進展を予測するには、
２〜３時間の長時間分の予測が必要であり、精度
が十分保証されない予測方式では、予測としての
機能そのものが果されないといえる。他方、予測
精度改善方法として、予測シミユレータの一部パ
ラメータを実データをもとにして調整する方法も
あるが、この方法も、上記の長時間予測に役に立
たたない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、沸騰水型原子炉に事故が発生
した場合に、十分な精度を保ちながら、２〜３時
間先までの現象の進展を10〜20分程度で予測でき
る原子炉の事故時炉内状態予測方法と装置とを提
供することである。

〔発明の概要〕

本発明は、事故発生時の原子炉プラントの測定
データをもとにして、必要十分な簡略化モデルに
より、事故規模を短時間で推定すると共に、推定
されたパラメータをもとに、精度が十分保証でき
る程度に簡略化の程度を低くしたモデルで初期設
定を行ない、これに基づき事故による長期の現象
を進展を予測可能にしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第１図〜第８図に基づき説明す
る。

まず、本発明による沸騰水型原子炉の炉内状態
予測装置の一例のシステム構成について説明す
る。第１図はそのシステム構成を示したものであ
る。原子炉プラント１からのプロセス量は、本シ
ステムの入力装置２に取り込まれる。このプロセ
ス量は、原子炉水位、原子炉圧力、原子炉出力、
再循環流量制御信号、制御棒駆動信号等、事故規
模推定装置に用いられる信号８と、炉心流量、主
蒸気流量、給水流量、格納容器温度、格納容器圧
力、再循環流量、各種非常用冷却系の流量信号等
の信号９からなる。事故規模推定装置３では、上
気プロセス信号８を用いて例えば配管破断の規模
を推定する。後述のように、本装置でのシミユレ
ーシヨン・モデルは、事故の規模を短時間で推定
できるようにモデルの簡略化の度合が大きく、配
管破断規模の推定項目を破断面積および破断クオ
リテイに限定せざるを得ない。なおここで、破断
面積とは破断部分から内容物が漏出する断面積で
あり、破断クオリテイとは漏出物中の水分の含有
量を表わし、０から１の間の数値になる。すなわ
ち水分がなければ０で、水だけのときは１とな
る。一方、事故後の長時間の現象を予測するに
は、上記すべてのプロセス量をシミユレートでき
る比較的詳細なシミユレーシヨン・モデルが予測
装置５に用意されている。このモデルでは、各種
配管もシミユレートされている。したがつて本装
置で予測を開始するには、既に得られた破断面積
および破断クオリテイから、実際の破断位置に見
合う破断面積に切り換えることが必要であり、そ
のための破断位置推定装置４及びデータベース７
が用意されている。予測装置５で得られた原子炉
内あるいはプラントの状態の予測値は、CRT等
の表示装置６に時系列的に表示され、運転員の判
断を支援する。

次に本システムによる原子炉状態予測装置の各
装置を説明する。第２図は破断規模推定装置３の
構成を示したものである。上記規模推定用プロセ
ス信号８は、状態判定部１０に入力される。状態
判定部１０では、これらのプロセス信号８をもと
に、炉水位、炉圧力等の変化が事故によるものか
どうかを判定する。判定の一例として例えば、炉
出力が変化ありを事象Ａとし、 Ａ＝｛炉出力変化あり｝ と表現する。同様に Ｂ＝｛炉水位変化あり｝ Ｃ＝｛炉圧力変化あり｝ Ｄ＝｛再循環流量制御信号変化あり｝ Ｅ＝｛制御棒駆動信号変化あり｝ とする。

Ａ∧Ｂ∧（Ｃ∧（∧）） が真、すなわち Ａ∧Ｂ∧（Ｃ∧（∧））＝１ ……(1) のとき、判定部１０は開放となり、プロセス信号
８は記憶装置１１に入力される。上記プール代数
式において、∧はAND、・−はNOTを示す。

記憶装置１１にはプロセス信号８の時系列デー
タがストアされる。また、本システムに運転員が
加えるトリガ信号１４によつて、プロセス信号８
は現状推定部１２と比較部１５に出力される。判
定部１０では、上記の理論判定が否の場合にも約
１時間に１度は開放となる。すなわち事故が発生
しない場合にも判定部１０が開放となり、プロセ
ス信号８が記憶装置１１に入力される。この場合
判定部１０は２〜３分程度で閉じ、論理判定が否
の場合の信号は、平均化され、それぞれ１つの値
として記憶されるようになつている。この値は同
様にトリガ信号によつて定常状態信号１６として
現状推定部１２に入力される。

現状推定部１２では、定常状態信号１６の値か
ら、モデルの初期値設定が自動的に行なわれる。
これと共に、プロセス信号８のうち、冷却系流量
及びエンタルビ、再循環流量を取り込み、破断ク
オリテイと破断面積とを仮定の値に設定して、推
定部１２のモデルにより、炉水位、炉圧力を演算
する。この演算を数分分行なわせ、シミユレーシ
ヨン区間に相当する実測の炉水位および炉圧力と
上記演算で得られた値とを比較部１５で比較す
る。いま炉水位および炉圧力の実測値をそれぞれ
x₁（ｔ）、x₂（ｔ）、炉水位および炉圧力の演算値を
y₁（ｔ）、y₂（ｔ）とすると、 Ｊ＝∫^t ₀ ^+T _t。〔α｛t₁（ｔ）−y₁（ｔ）｝²＋
β｛x₂（ｔ）−y₂（ｔ）｝²〕dt ……(2) という評価量を最小にする破断面積と破断クオリ
テイを与えるように、シミユレーシヨン破断面積
と破断クオリテイの仮定値を逐次変化させる機能
を、最適推定部１３が持つている。上記評価量の
αとβは非負の適当な値であり、t₀はトリガー信
号１４によつて演算が開始される時刻、Ｔは実測
値と演算値の評価を行なう時間であり、先に述べ
たように約数分でよい。

この最適推定部１３は上記評価量をもとにした
非線形計画法を用いることができる。最適推定部
１３で得られた破断クオリテイと破断面積は、現
状推定部１２で先に用いたそれらの値と入れ替わ
り、他の入力データは前回と同じ値とし、同一時
間区間で再び炉水位、炉圧力の変化を求め、再度
上記評価Ｊを求める。評価値Ｊが予め定めた十分
小さな値εよりも大きい場合には再度最適推定部
１３による波断クオリテイと破断面積の推定を行
ない、同様に現状推定部１２でシミユレーシヨン
を繰り返す。

このような手順を繰り返して評価量Ｊの値が定
められた値εより小さくなると、この時の破断ク
オリテイと、破断面積が、この場合の事故の規模
を表わしていることになる。

さて、このような現状推定部１２で用いる簡略
モデルのプロセス量の種類について簡単に述べ
る。現状推定部１２のモデルには、他のプロセス
量、例えば、炉圧力、炉水位、給水流量、非常時
冷却系流量、同エンタルピ等を用いてもよい。し
かしここでは、第３図に示すようにモデル化して
いる。すなわち、原子炉圧力容器内を飽和水１７
と飽和蒸気１８で満たされる２領域に分割し、圧
力は圧力容器内で均一であるとしている。また炉
心部での発熱をシミユレートするのに発熱体１９
を考えている。冷却水の圧力容器への出入口は、
図に示すように、飽和蒸気出口流路２０、飽和水
出口流路２１、冷却水入口流路２２からなるもの
とする。このような体系について、水、蒸気に関
する質量バランス、エネルギーバランスを考えて
モデル化を行なうのである。

このモデルをもとにして得られた結果の一例を
第４図に示す。

いま、破断面積0.1ft²（平方フイート）破断ク
オリテイ0.0の再循環系配管破断が発生したとす
る。このような事故は仮定上の事故であり、実測
データはないが、詳細な事故解析プログラムを用
いた解析例が第４図の実線である。２本の実線は
それぞれ炉水位、炉圧力を示している。いまｔ＝
t₀の時点から約２分間（Ｔ＝125秒）のデータを
用い、上記の方式に従いシミユレートした結果を
それぞれ破線で示す。この結果はよく解析例と合
致していて、この場合の破断面積は0.107ft²、破
断クオリテイは0.079となり、それぞれ破断面積
0.1ft²、破断クオリテイ0.0をよく推定しているこ
とがわかる。

このように、破断面積と破断クオリテイを推定
する限りでは、第３図に示したようなモデルによ
り簡略化された原子炉モデルでも十分な機能をは
たし得ることが明らからである。

ところが、第３図に示したモデルは実際の原子
炉に比較すると極度に簡素化がなされていて、こ
のようなモデルをもとにその後の長時間の現象を
予測することは不可能である。そこで本発明で
は、原子炉内状態の動的な挙動を必要十分な精度
でシミユレートできる動的モデルを備えている。

上記の破断規模推定装置では、実測のデータを
もとにして、配管破断事故の破断面積と破断クオ
リテイを推定した。この値から、各種配管の破断
がシミユレートできる動的モデルの入力値を設定
するために配管の位置を決定することが必要であ
る。各種配管には主蒸気流路配管、再循環流路配
管、給水流路配管、水位計装配管がある。破断ク
オリテイとこれらの配管との関係は、炉水位、炉
圧力によつて一意的に決めることができる。

例えば炉圧力と炉水位が十分保たれた状態での
再循環流路配管の流体は単相流であり、この場合
破断クオリテイはゼロになる。しかし、給水配
管、計装配管の破断クオリテイもゼロになる場合
がある。この場合には、炉圧力が低下する50〜
100秒程度待つことによつて、炉内で上位に位置
する給水配管や計装配管位置でのクオリテイはあ
る値（０＜ｘ１）をもつことになる。この場合
も再循環還流路配管中の流れは単相である。この
ように、炉水位、炉圧力、および破断クオリテイ
から一意的に破断位置を決定できる。

第１図に述べたデータベース７は炉水位、炉圧
力、破断クオリテイと対応する破断位置のデータ
をフアイルしたものであり、このデータベース７
の情報をもとに、破断位置推定装置４では破断位
置の決定が行なわれる。

第２図で述べた、破断規模推定のためのトリガ
ー信号１４は、上に述べたように推定開始時刻の
設定に用いられ、これはCRTと共に設けられて
いるキーボードから入力できる。このトリガー信
号１４は、例えば事故発生のアラーム信号を取り
込み、同時に破断位置推定装置を動作させると共
に、一定の時間、例えば50秒後に再度同推定装置
を動作させて、設定を自動化することも可能であ
る。

つぎに、このような事故時に長時間にわたる現
象の進展を予測するための予測装置５について第
５図により説明する。

予測装置５には、事故発生の有無にかかわらず
一定の周期でプロセス信号８，９を入力してい
る。入力部２３はこのためのものであり、この場
合各各の信号は平均化操作が行なわれる。プロセ
ス信号８，９には同時に、事故発生のアラーム信
号が重畳され、この信号が活性化すると共に、平
均化操作は停止される。その後遅くとも数10秒の
後に、破断位置および破断面積の値が信号２６で
入力される。モデル初期値設定部２４では、定常
状態のプロセス信号および破断位置と面積の値を
もとにして初期値の設定が行なわれる。第６図に
関して後述のように、予測シミユレーシヨン部２
５のモデルは先に述べた破断規模推定のための動
的モデルに比較して、複雑であり、計測されてい
ない物理量に関して、初期化設定を行なうための
代数方程式系が用意されることになる。

初期値設定が行なわれると、予測シミユレーシ
ヨン部２５によつて、事故後の現象の変化が逐次
予測される。この際の予測開始のコマンドおよび
予測時間は運転員がキーボードで入力することも
できるが、通常は標準的な設定によつて動作す
る。

第６図は予測シミユレーシヨン部２５に用いる
原子炉モデルの規模を示したものである。原子炉
内は Ａシユラウド内未沸騰領域 Ｂシユラウド内飽和水混合領域 Ｃシユラウド外未沸騰領域 Ｄシユラウド外飽和水領域 Ｅドーム内蒸気領域 の５領域に分割し、それぞれの領域で、液体およ
び蒸気に関するエネルギーおよび質量バランスの
動特性方程式を定義する。炉心２７内発熱部に関
しては燃料棒２７Ａからの熱伝達を考慮してい
る。各種配管、すなわち再循環流路配管２８、給
水配管２９、計装配管３０、主蒸気流路配管３
１、がそれぞれシミユレートされると共に、隔離
弁３２および逃し弁３３もシミユレートされてい
る。この他に冷却系のシミユレートも行なわれて
いる。

このようなモデルで、破断面積0.1ft²の再循環
流路破断事故後の1000秒間をシミユレートした結
果を第７図と第８図に示す。本予測シミユレーシ
ヨンの結果は破線で、先に述べた詳細計算の結果
を実線で示す。この方法により予測すると、1000
秒程度経過しても炉水位、炉圧力ともに詳細計算
（実測値担当）と差がなく精度が十分保証されて
いることがわかる。なおこの計算に要した演算時
間は実時間の約1/10であり、十分な高速性が得ら
れている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、事故後の原子炉内状態変化を
予測する際に、簡単な動的モデルを用いて事故規
模を短時間に推定し、この推定結果と比較的大規
模なモデルを用いてその後の経過を予測するため
に、２〜３時間の長時間にわたり高精度予測が可
能となり、かつ実時間の10倍程度の高速予測がで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子炉の事故時炉内状態を予測する本
発明の予測装置の構成を示すブロツク図、第２図
は破断規模推定装置のブロツク図、第３図は破断
規模推定のための簡略化した原子炉モデル図、第
４図は破断規模推定結果を示す図、第５図は予測
装置のブロツク図、第６図は推定後の比較的長時
間予測に用いるより詳細な原子炉モデル図、第７
図は原子炉水位の予測結果を示す図、第８図は原
子炉圧力の予測結果を示す図である。 １……原子炉、２……入力装置、３……事故規
模推定装置、４……破断位置推定装置、５……予
測装置、６……表示装置、７……データベース、
８，９……プロセス信号、１０……状態判定部、
１１……記憶装置、１２……現状推定部、１３…
…最適推定部、１４……トリガ信号、１５……比
較部、１６……定常状態信号、１７……飽和水、
１８……飽和蒸気、１９……発熱体、２０……飽
和蒸気出口流路、２１……飽和水出口流路、２２
……冷却水入口流路、２３……入力部、２４……
モデル初期値設定部、２５……予測シミユレーシ
ヨン部、２６……破断位置及び面積信号、２７…
…炉心、２７Ａ……燃料棒、２８……再循環流路
配管、２９……給水配管、３０……計装配管、３
１……主蒸気流路配管、３２……隔離弁、３３…
…逃し弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉の事故時炉内状態を長時間にわたり予
   測する方法において、原子炉のプロセス信号のう
   ち比較的少数のパラメータに基づき簡易動的モデ
   ルを用いて事故の規模と事故位置とを推定し、こ
   れを実測データと短時間に比較しながら両者が一
   致するように推定値を更改して実測データに合致
   させる高速推定段階と、実測データと合致した推
   定値および推定位置と前記プロセス信号とを比較
   的簡易化の低い原子炉の動的モデルに適用して炉
   内状態を長時間にわたり予測する段階とからなる
   ことを特徴とする原子炉の事故時炉内状態予測方
   法。 ２ 原子炉の事故時炉内状態を長時間にわたり予
   測する装置において、原子炉のプロセス信号のう
   ち原子炉圧力や水位等の比較的少数のパラメータ
   のトレンドに基づき簡易動的モデルを用いて事故
   の規模を推定しこれを実測データと短時間に比較
   しながら両者が一致するように推定値を更改して
   実測データに合致させる事故規模推定装置と、事
   故規模推定装置の推定値と保有している予測デー
   タから事故が発生した位置を推定する事故位置推
   定装置と、事故規模推定装置および事故位置推定
   装置が推定した事故規模および事故位置の推定値
   と前記プロセス信号とを比較的簡易化の低い原子
   炉の動的モデルに適用して炉内状態を長時間にわ
   たりシユミレートする予測装置と、予測結果を表
   示する装置とからなることを特徴とする原子炉の
   事故時炉内状態予測装置。