JPH0513600B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子力発電プラントにおける原子炉
を制御棒落下状態から保護するための装置、特
に、大きな負荷損失のような類似の表示を発生す
る殆ど危険でない事象に対し不必要に応答するこ
となく上記のような保護を与える装置に関するも
のである。

加圧水形原子炉（PWR）のような商用原子炉
の反応度を制御するための１つの手段として、炉
心内に制御棒を挿入することによる手段がある。
これ等の制御棒は、中性子を吸収して核分裂反応
の回数を制御する。制御棒は、制御されたシーケ
ンスで炉心内に挿入されたり炉心から引き出され
て、炉心における出力分布を調整する。しかし、
これ等の制御棒は、電気機械的ジヤツキにより炉
心内に増分的に且つ段階的に出し入れされ、そし
てこの電気機械的ジヤツキは時として機能不全と
なり、その結果、制御棒が炉心内に落下し、落下
した制御棒の近傍における出力が減少する。加圧
水形原子炉の運転性能から、原子炉は、炉心内の
いずれかの個所における出力を増加することによ
り、落下制御棒により生ぜしめられた反応度の局
部的損失を補償し、原子炉が課せられている需要
を満そうとする。一方、これにより、炉心の他の
部分において局部出力限界を超す事態が起り得
る。

加圧水形原子炉に設けられている或る形式の保
護装置においては、中性子束を監視し、予め選択
された値を超える中性子束の負の変化率が検出さ
れた場合に原子炉のトリツプを行つている。この
ような中性子束の負の変化率は、例えば、制御棒
落下を表わすことができる。と言うのは、落下し
炉心内に挿入された制御棒で局部反応度が減少
し、出力を需要レベルに戻すのに炉心内のいずれ
かの個所における出力が増加するのに時間がかか
るからである。従つて、中性子束の変化率を監視
することにより、局部出力限界が超えられる前の
十分早い機会に原子炉を停止することができるよ
うに制御棒落下を検出することができる。

しかし、局部出力ピークが設計限界以下に維持
できる場合には、制御棒落下に応答して原子炉を
トリツプする必要はない。従つて、本出願人の米
国特許第4399095号明細書には、非常に大きい負
の中性子束変化が生じた場合に原子炉の運転を停
止するが、出力の比較的緩慢な低下の場合には、
出力が、制御棒落下により最初に惹起にされた減
少出力レベルを予め選択された大きさだけ超えな
い限り、原子炉を連続して運転できるようにする
ことが提案されている。また、制御棒の引き抜き
に対する制限や新しい限界値以下に原子炉出力を
維持するためのタービン出力の減少が要求され
る。本出願人の特開昭61−256287号明細書に開示
されている制御棒落下に対する別の保護装置にお
いては、原子炉は、予め規定された軸方向偏差限
界を超えない限り、高い負の中性子束変化率が存
在しても原子炉は停止されない。

制御棒落下の表示として大きい負の中性子変化
率の検出に依拠する保護装置は、或る条件下で不
必要に原子炉を停止することが有り得る。発電プ
ラントが給電する電気的負荷の減少もしくは損失
で、制御棒落下により発生されるのと大きさにお
いて類似する負の中性子束変化率の発生に到る一
連の事象が生じる。しかし、このような負荷遮断
では、制御棒落下の場合のように問題となる局部
的出力ピークは発生せず、従つて、このような状
況下で原子炉を停止するのは不必要であり、発電
プラントに対し経済的負担をかけることになる。

本発明の主たる目的は、原子炉を不必要に停止
することなく原子力発電プラントの原子炉を制御
棒落下に対して保護することにある。

上に述べた目的から、本発明は、原子力発電プ
ラントにおける原子炉の中性子束の変化率を監視
する監視手段と、前記中性子束の変化率が制御棒
落下状態を表す所定の負の値以上に負になつた時
に前記監視手段に応答して前記原子炉を停止させ
る原子炉停止手段とを備える原子炉の保護装置に
おいて、予め選択された正の値を越える前記中性
子束の正の変化率に応答して前記原子炉停止手段
の以後の作動を禁止する禁止手段を備え、前記中
性子束の変化率が前記所定の負の値以上に負にな
つた場合でも、前記中性子束の変化率が既に前記
予め選択された正の値を超えた時には原子炉の運
転停止を行わないことを特徴とするものである。

即ち、具体的に述べると、発電プラントによる
負荷の損失は最初、原子炉出力に増加を生じさ
せ、この増加は、中性子束変化率を予め選択され
た正の値の設定点と比較することにより検出され
る。この初期における中性子束変化率の増加に続
いて、制御棒落下により誘起される大きさに類似
する大きさの負の中性子変化率が生ずる。従つ
て、本発明は、中性子束変化率を制御棒落下を表
わす負の設定点と比較して中性子変化率が負の設
定点値よりも大きく負である場合に原子炉を停止
するばかりではなく、中性子束変化率を予め選択
された正の設定点と比較して、正の設定点を超え
る正の中性子束変化率が先行する負の設定点より
も更に負の中性子変化率に応答しての原子炉の停
止を禁止する装置を提案するものである。過度に
負の中性子束変化率に応答しての停止は、制御棒
落下保護機能の遮断を最小限にするために、負荷
損失過渡状態の正及び負の中性子束変化率ピーク
間の期間と調和した期間だけ禁止される。

次に、添付図面に関連して本発明の好適な実施
例について説明する。

以下、本発明を、第１図に示した加圧水形原子
炉（PWR）の原子力発電プラントに適用される
ものとして説明する。発電プラント１は、圧力容
器７内部に設けられた炉心５からなる原子炉３を
備えている。炉心５は核分裂性物質を含んでお
り、この核分裂性物質内では、核分裂反応が持続
されて熱を発生し、この熱が、炉心５を貫流する
軽水の形態にある原子炉冷却材により吸収され
る。原子炉冷却材は、炉心５からの加熱原子炉冷
却材を蒸気発生器１１の１次側に搬送する出口側
配管９を含む１次ループ内で循環される。蒸気発
生器１１において、熱は、２次側の給水に伝達さ
れて蒸気が発生する。原子炉冷却材は、原子炉冷
却材ポンプ１５により入口側配管１３を介し炉心
５に戻される。尚、図示を簡略する目的で第１図
には１つの１次ループしか示されていないが、実
際には、典型的なPWRは２〜４の１次ループを
有し、各１次ループが加熱された原子炉冷却材を
炉心５からそれ自身に関連の蒸気発生器に供給す
る。

蒸気発生器１１内で発生された蒸気は、絞り弁
２１を介してタービン１９に蒸気を供給する蒸気
ヘツダ１７を備えている２次ループ内で循環され
る。タービンからの冷却蒸気は、復水器２３内で
凝縮されて、復水は非常に単純な仕方で給水ポン
プ２７により給水管２５を介して蒸気発生器１１
に戻される。タービン１９は、発電機２９を駆動
して電気を発生し、この電気は、負荷を表わす電
力網３１に印加される。また、発電機２９は 、原子炉冷却材ポンプ１５及び給水ポンプ２７を
備えている発電プラントにも電力を供給する。

発電プラント１の出力は、炉心５の反応度によ
り決定される。反応度の長期調整は、炉心を循環
する原子炉冷却材中にホウ素のような中性子吸収
物質を溶解することにより制御される。また、原
子炉冷却材は、核分裂反応により解放された高速
中性子を核分裂の持続に要求されるエネルギレベ
ルにまで減速する減速材としての働きもする。加
圧水形原子炉は、水が低温になり従つて密度が高
くなるにつれて、より多くの高速中性子を核分裂
臨界レベルにまで減速しそれにより炉心の反応度
を高めるという点で負の温度係数を有する。

また、炉心５の反応度は、上方から垂直に炉心
５内に挿入される中性子吸収物質からなる制御棒
（原子炉停止手段）３３により調整される。制御
棒３３は、後述する本発明の保護装置を含む制御
装置３７の指令下で、制御棒駆動装置（原子炉停
止手段）３５により位置決めされる。制御棒３３
は、炉心内で軸方向に移動するので、炉心内にお
ける軸方向出力分布に影響を与える。制御棒３３
の位置決めもしくは位置付けは、制御装置３７に
より管理される。

原子炉３によつて発生される出力は、炉心５か
ら漏れる高速中性子束に比例することは既に久し
く認識されているところである。従つて、出力
は、圧力容器７の周囲に離間した位置で垂直方向
に延びる細長い中性子検出器３９（１つだけを示
す）により測定するのが典型的である。通常の慣
行によれば、圧力容器の周囲に均等間隔でこのよ
うな中性子検出器（監視手段）を４個設けて、中
性子束の別個の４つの測定を行つている。このよ
うな多重の検出器により付与される冗長性によ
り、保護及び制御目的に要求される信頼性が確保
される。中性子検出器３９によつて得られた中性
子束測定結果は、ライン４１を介して制御装置３
７に伝送される。

通常の運転条件下においては、制御棒３３の運
動は、炉心の縦軸線を中心とし対称となるように
同期されているので、炉心５内における半径方向
の出力分布は問題とはならない。しかし、既に述
べたように例えば制御棒の落下により上記のよう
な対称性が破れる可能性がある。PWRの物理的
特性からして、制御棒が落下すると、その近傍に
おいて発生されていた出力が直ちに減少し、その
結果、初期の局面においては、炉心により発生さ
れる全出力の減少が生ずる。次いで、原子炉は、
炉心の残余の部分における出力を増加することに
よつて、２次側ループにおける蒸気需要により課
せられている負荷に適合しようと試み、そのため
に、炉心の何処かの個所に局部的過熱が生じ得
る。

本発明においては、高速中性子束の負の変化率
が、米国特許第4399095号明細書の場合と同様に
監視される。しかし、大きい負の中性子束変化率
が原子炉の運転停止を必要とするような制御棒落
下に起因するものか、或は大きい負の中性子束変
化率がこのような運転停止を要求しない他の事象
に起因するものか、を判定するために、新規な手
段が用いられる。この点に関し具体的に述べる
と、大きな正味の（純粋の）負荷遮断で、落下制
御棒により生ぜしめられる大きさに類似する大き
さの負の中性子束変化率が発生し得る。これは、
発電プラントに対する大きな負荷の損失で初期に
タービン、従つて発電機が超過速度になるためで
ある。発電機が超過速度になると、発生される交
流の周波数が増加する。発電機は、電力網の負荷
が切り離された場合でも発電プラントに対しては
電力を供給し続けるので、発生される電力の高い
周波数により原子炉冷却材ポンプ１５は超過速度
になる。この結果、炉心５を流れる原子炉冷却材
の流量が増加し、その温度が下がる。そのため、
既に述べたように、負の温度係数により炉心の反
応度が増加する。このように反応度が増加する
と、炉心の出力が一時的に増加するので、高い正
の中性子束変化率が生ずる。しかし、この時点ま
でに、出力の不均衡のため蒸気発生器内で冷却材
の温度上昇が始まつており、加熱された冷却材が
炉心に達する時に、炉心の反応度が上昇する。更
に、タービン（図示せず）に対する速度制御が有
効となつて、絞り弁を、タービン速度を所望速度
近傍に低減するのに必要な程度まで閉じる。同時
に、制御装置３７は原子炉冷却材温度を基準値に
戻すために制御棒３３の再位置決めを開始する。
これ等の事象の総合的効果として、原子炉の出力
は低下せしめられ、落下制御棒により生ぜじめら
れるものに類似する大きさの負の中性子束変化率
が発生する。負の中性子束変化率に対する最も大
きな寄与因子は温度上昇であり、温度係数が大き
く負になればなる程、負の中性子束変化率の大き
さが応分に高くなる。この現象は、切断前に周波
数を低くするような故障が電力網に生じて負荷の
損失が発生した場合には更に由々しくなる。

このように、大きい負荷損失で、高い正の中性
子束変化率が生じ、それに続いて大きな負の中性
子束変化率が生じ、原子炉のトリツプが起こり得
る。本発明は、高い正の中性子束変化率が先行す
る大きい負の中性子束変化率に応答しトリツプを
禁止することによつてこのような不必要な運転停
止を阻止するものである。第２図は、この制御方
式を実施する制御装置３７の一部分を示す。中性
子検出器３９の各々に対し類似の回路が設けられ
る。検出器３９によつて発生される中性子束信号
は、ライン４１を介して、慣用の変化率・遅延の
動的補償回路（監視手段）４３に印加され、該補
償回路４３は、中性子束の変化率を表わす出力を
発生する。この補償回路の出力が予め選択された
設定点を越える程に十分に負である場合には、こ
れは、制御棒落下事象を特徴的に表わし、負の変
化率の双安定回路４５が論理「１」出力を発生す
る。この双安定回路４５の出力は、論理アンド回
路４７に印加される。

補償回路４３の出力が、（負の中性子束変化率
の設定点を越える負の中性子変化率が続いて起こ
ることが予想される程に減速材の温度係数が負で
ある場合に）正味の負荷遮断により初期に発生さ
れた正の中性子束変化率を表わす設定点よりも正
である時には、双安定回路（禁止手段）４９は論
理「１」出力を発生する。この信号は、調節可能
な時間遅延回路（禁止手段）５１に印加され、該
時間遅延回路５１は、論理「１」入力信号に応答
して論理「１」出力信号を発生し、入力信号が取
り払われた後にも選択された期間に渡りこの出力
を維持する。時間遅延回路５１の出力信号は、論
理ノツト回路（禁止手段）５３により反転されて
論理アンド回路（禁止手段）４７に第２の入力と
して印加される。中性子束変化率が、双安定回路
４９に加えられている設定点以下に留まつている
限り、ノツト回路５３アンド回路４７に論理
「１」信号を印加し、それにより、双安定回路４
５の出力はメモリ５５に送られる。このメモリ５
５に通された論理「１」信号は、メモリが手動で
リセツトされるまで保持される。第２図から明ら
かなように、中性子束変化率が双安定回路４９に
加えられている正の設定点を越えると、時間遅延
回路５１によつて決定される期間内に双安定回路
４５により発生される論理「１」信号は禁止さ
れ、論理アンド回路４７によりメモリ５５へと通
されることはない。

補償回路４３の出力が、制御棒放出
（ejection）保護に用いられている原子炉に対す
る慣用の高中性子束変化率限界を表わす第２の高
い正の設定点を越えると、双安定回路（原子炉停
止手段）５７の出力は論理「１」になる。この信
号は、手動リセツト信号によりクリアされるまで
メモリ５９に格納される。メモリ５５及び５９の
出力は、論理オア回路６１及びライン６３ａを介
して「４のうち２（2out−of4）」の一致回路６５
に印加される。他の３つの中性子束検出器と関連
する類似の回路から発生され部分トリツプ信号と
称するこれ等の信号は、ライン６３ｂ，６３ｃ及
び６３ｄを介して一致回路（原子炉停止手段）６
５に印加される。この一致回路は、論理「１」信
号が４つのライン６１ａ〜６１ｄのうち少なくと
も２つのラインに論理「１」信号が現れる時には
常にライン６７に原子炉トリツプ信号を発生す
る。ライン６７に発生されたこのトリツプ信号は
第１図の制御棒駆動装置３５に印加されて、全て
の制御棒３３を炉心５内に完全に挿入することに
より原子炉を停止する。双安定回路４５，４９及
び５７の設定点は、例えば、それぞれ約２秒内
で、約−５、＋３及び＋10％とすることができる。

第３図は、制御棒落下事象中における第２の回
路動作を図解する図である。曲線ａは補償回路４
３の出力を表わし、制御棒落下で、点Ｗにおいて
双安定回路の設定点よりも大きく負になる中性子
束変化率の現象が直ちに惹起することを示してい
る。制御棒落下に応答して他の制御棒が引き出さ
れると、中性子束変化率は正になり、点Ｘで双安
定回路４９の設定点を越える。しかし、中性子束
変化率は、双安定回路５７の出力を示す曲線ｂで
表わす高中性子束変化率によるトリツプを発生す
る程十分に正にはならない。曲線ｃに示すように
補償回路４３の出力が双安定回路４９の設定点よ
りも高いレベルに留つている限り、双安定回路４
９の出力は、論理「１」レベルに留まり、時間遅
延回路５１の出力は、曲線ｄに示すように子め選
択された期間論理「１」の値を取る。しかし、曲
線ｄ及びｅに示すように、時間遅延回路の出力が
論理「１」に達する前に負の中性子束変化率限界
値が達せられるので、アンド回路４７は、双安定
回路４５の出力をメモリ５５に通し、曲線ｆに示
すように部分トリツプ信号が発生される。ここ
で、少なくとも他の１つのチヤンネルが部分トリ
ツプ信号を発生しているとすると、「４のうち２」
の一致回路６５はライン６７に原子炉トリツプ信
号を発生する。

第４図は、正味の負荷遮断中における同じ信号
のシーケンスを図解する図である。曲線ａに示す
ように、中性子束変化率は初期においてタービン
の超過速度の作用に応答し増加して、点Ｙで双安
定回路４９の設定点を越える。出力不平衡に起因
する温度増加が炉心にまで伝播すると、制御装置
が有効に働いて、タービン速度は減少し始め、制
御棒は炉心内に挿入され、中性子束変化率は負に
なり、点Ｚで双安定回路４５の設定点よりも負に
なる。第４図の曲線ｂは双安定回路５７の出力を
表わす。図から明らかなように、補償回路４３に
より発生される正の中性子束変化率信号は、この
過度状態中、双安定回路５７に対する設定点とし
て加えられる高中性子束変化率に達することはな
く、その出力は低レベルに留まる。第４図曲線ｄ
は、時間遅延回路５１の出力を表わす。この回路
５１は双安定回路４９の出力が論理「１」である
限り論理「１」出力を発生し、双安定回路４９の
出力が論理「０」レベルに戻つた後にも予め設定
された期間この出力を維持する。曲線ｅは、中性
子束変化率がその設定点よりも更に負になる時に
点Ｚにおいて論理「１」状態に移行する双安定回
路４５の出力を表わす。この中性子束変化率の負
への移行は、制御棒落下を特徴的に表わす負の中
性子束変化率であり、双安定回路４５のこの出力
は、中性子束変化率が再び設定点よりも正になる
までこの値に留まる。第４図に見られるように、
時間遅延回路５１に対して選択される遅延期間
は、曲線ｄにより表わされるその出力が、中性子
束変化率が再び双安定回路４５の設定点よりも正
になるまで論理「１」レベルに留まるように決定
される。従つて、ノツト回路５３は、第４図に曲
線ｆで示すように、この期間中論理「０」をアン
ド回路４７に印加して、原子炉トリツプ信号の発
生を禁止する。

従つて明らかなように、本発明の好ましい実施
例によれば、制御棒落下を特徴的に表わす予め選
択された負の中性子束変化率が超えられた場合に
は原子炉の運転停止を行う原子炉トリツプ信号が
発生されるが、この予め選択された負の中性子束
変化率信号に対し、予め選択された期間内で、正
味の負荷遮断を表わす正の中性子変化率信号が先
行している場合には、原子炉トリツプ信号は禁止
される。トリツプの禁止に対し適当な時間もしく
は期間を選択することにより、制御棒落下に対す
る保護を不当に犠牲にすることなく、正味の負荷
遮断に対する応答としての不必要なトリツプが無
くなる。

典型的なPWRにおいて通常の高中性子束変化
率に応答するトリツプは、約２秒内で約５％の変
化率に設定されている。本発明の好ましい実施例
では、この高中性子束変化率に応答するトリツプ
の設定点は約＋10％に緩和され、上述のように、
典型的には＋３％の第２の正の中性子束変化率応
答設定点が加算される。負の中性子束変化率によ
るトリツプを禁止する上で、正味の負荷トリツプ
を検出するために他の方法を使用することもでき
る。例えば、＋５％の正の中性子束変化率トリツ
プ設定点を単独で維持して、正味の負荷トリツプ
と関連する周波数及び（又は）原子炉冷却材ポン
プ速度過渡状態の検出の予め設定された期間、高
い正及び負の中性子束変化率応答トリツプを禁止
することができる。別法として、正の中性子束変
化率応答トリツプ設定点の緩和と関連し、負の中
性子束変化率応答トリツプを、(1)予め選択された
中性子束とタービン負荷との間の差に基づき、(2)
発電プラントの遮断器が開かれた場合、或は(3)２
つのタービン負荷保護チヤンネルの読み量が予め
設定された負荷を下回つた時に禁止することがで
きる。

以上、本発明の特定の実施例について詳細に説
明したが、当該技術分野の専門家には、ここに開
示した全体的教示に照らし、実施例に対する種々
の変更或は変形が可能であろうことは明らかであ
る。従つて、ここに開示した特定の構成は単なる
例示に過ぎず、均等物を含め本発明の範囲を制限
するものではないと理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を組み込んだ原子力発電プラ
ントを簡略ダイヤグラムで示す図、第２図は、本
発明を実施するように適応された第１図の原子力
発電プラントの制御装置の一部分を簡略ダイヤグ
ラムで示す図、第３図は、制御棒落下事象中に第
２図に示した制御装置の部分により発生される信
号の時間的関係を図解する時間ベースの信号波形
図、第４図は、負荷遮断過渡状態中に第２図に示
した制御装置の部分により発生される信号シーケ
ンスを図解する時間ベースで信号波形を示す図で
ある。 １……原子力発電プラント、３……原子炉、３
３……制御棒（原子炉停止手段）、３５……制御
棒駆動装置（原子炉停止手段）、３７……制御装
置（保護装置）、３９……中性子検出器（監視手
段）、４３……動的補償回路（監視手段）、４７…
…論理アンド回路（禁止手段）、４９……双安定
回路（禁止手段）、５１……時間遅延回路（禁止
手段）、５３……論理ノツト回路（禁止手段）、５
７……双安定回路（原子炉停止手段）、６５……
一致回路（原子炉停止手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子力発電プラントにおける原子炉の中性子
   束の変化率を監視する監視手段と、前記中性子束
   の変化率が制御棒落下状態を表す所定の負の値以
   上に負になつた時に前記監視手段に応答して前記
   原子炉を停止させる原子炉停止手段とを備える原
   子炉の保護装置において、予め選択された正の値
   を越える前記中性子束の正の変化率に応答して前
   記原子炉停止手段の以後の作動を禁止する禁止手
   段を備え、前記中性子束の変化率が前記所定の負
   の値以上に負になつた場合でも、前記中性子束の
   変化率が既に前記予め選択された正の値を超えた
   時には原子炉の運転停止を行わないことを特徴と
   する原子炉の保護装置。 ２ 前記禁止手段は、前記中性子束の変化率が前
   記予め選択された正の値を超えた時から測定した
   所定時間の間、前記原子炉停止手段の作動を禁止
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の原子炉の保護装置。