JPH0517514B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は沸騰水形原子炉における燃料バンドル
の熱水力学的振動（チヤンネル安定性）の監視方
法及びその装置に係り、特に各燃料バンドルの出
力と流量並びに軸方向の出力分布等から、安定性
の悪いと予想される燃料バンドルを数体限定した
上で、それらの燃料バンドルの中から安定性解析
により最も安定度の小さい燃料バンドルを決定し
てその燃料バンドル近傍の局所出力検出器集合体
の信号を炉心平均出力検出器の信号と共に制御盤
上に表示することにより、局所的現象であるチヤ
ンネル安定性を監視する方法とその装置に関す
る。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般に、沸騰水形原子炉の炉心内に配置された
燃料バンドルを通る冷却材は水と蒸気の二相流を
なして、炉心内に発生する熱を除去するが、この
二相流には冷却材中の蒸気泡の量（ボイド量）、
圧力損失、流量間のフイードバツクに基づく熱水
力学的振動の可能性があることが知られている。
炉心内には多数の燃料チヤンネルがあり、これら
は並行流路を形成するので、各燃料チヤンネルに
とつてはその熱水力学的振動は入口、出口間の差
圧一定の条件の下で他の燃料バンドルと一応独立
に生ずるものと考えてよい。さらに、振動の局所
性から核特性を介するフイードバツクは二義的な
ものと考えられるので、第一近似としてはこれを
無視することができる。このような振動モードを
“チヤンネル安定性”と呼ぶ。一方、燃料チヤン
ネルの二相流のフイードバツク現象に炉心の核特
性及び再循環流路の動特性が関係する振動のモー
ドを“炉心安定性”と呼んでいる。通常、炉心安
定性の振動は炉心全体での中性子束（或いは出
力）の振動として現われる。

実際の原子力発電所の運転時の炉心安定性は炉
心平均出力検出器信号、再循環流量等の全体的信
号によつて監視することが可能であるが、チヤン
ネル安定性についてはそれが局所的な現象である
ために、炉心内に多数の局所出力検出器集合体が
設置されているものの炉心平均出力検出器信号の
ように常時監視に用いられているわけではないの
で、振動を常に監視することはできない。従つ
て、設計段階においてチヤンネル安定性について
十分解析して、安定に運転できる範囲を決定する
ようにしている。

このような設計段階における運転範囲は最も苛
酷な状態を基にして決定されているので、通常の
場合にはかなりの安定余裕があるものと考えられ
るが、運転に入つた原子力発電所では長年月の間
には燃料の種類、運転に関する制約等の変化によ
つてその運転条件は変りうるものであり、その場
合には当然安定性解析を実施して運転範囲の再決
定を行なつているが、それに至らないような小さ
な変化例えば燃料チヤンネルの微小な変形等も含
めれば、実際の原子炉におけるチヤンネル安定性
の安定余裕は時々刻々変化していると言つても過
言ではない。

従つて、このようなチヤンネル安定性の安定余
裕つまりは安定度を現実の運転状態において全て
の燃料バンドルについて一定時間毎に評価するこ
とができ、そしてその中で最も安定度の小さい燃
料バンドルを選び出すことができれば、その燃料
バンドル近傍の局所出力検出器集合体の信号を監
視することによつて、チヤンネル安定性を常時監
視することができる。そしてこれによつて、万一
安定性の限界を越えて、振動が発生したことがわ
かれば、速やかに近傍の制御棒を挿入するなどし
て出力を下げるような処置をとることができる。

しかしながら、全燃料バンドルについてチヤン
ネル安定性の解析を行なつて最も安定性の悪い燃
料バンドルを決定するには時間がかかり効率が悪
いという問題がある。

［発明の目的］ 本発明はかかる事情に対処してなされたもの
で、全燃料バンドルについて安定性解析を行なう
ことなくチヤンネル安定性の安定度を評価して、
最もチヤンネル安定性の安定度の小さい燃料バン
ドルを効率よく検出し、その燃料バンドル近傍に
配置された局所出力検出器集合体の信号を制御盤
上に表示することにより、炉心内の全ての局所出
力検出器集合体の信号を表示して監視するよりも
容易にチヤンネル安定性を監視することができる
原子炉のチヤンネル安定性監視方法及びその装置
を提供することを目的とする。

［発明の概要］ すなわち本発明は、原子炉炉心内に配置される
燃料バンドルの炉心平均に対する出力比と軸方向
の出力分布形とに基づいてチヤンネル安定性の悪
い複数の燃料バンドルを選択し、これらの燃料バ
ンドルについて行なつた安定性解析から最もチヤ
ンネル安定性の悪い燃料バンドルを決定してこの
燃料バンドル近傍の局所出力検出器集合体を選定
し、このように選択された局所出力検出器集合体
の信号と炉心平均出力検出器の信号とを制御盤上
に表示することによつてチヤンネル安定性を監視
することを特徴とする原子炉のチヤンネル安定性
監視方法、および、原子炉炉心内の核熱水力計算
を行なう炉心性能計算装置と、この炉心性能計算
装置の計算結果を入力して各燃料バンドルのチヤ
ンネル安定性を評価するパラメータを計算する安
定性評価パラメータ計算装置と、この安定性評価
パラメータ計算装置の計算結果に基づいてチヤン
ネル安定性の悪い複数の燃料バンドルを選択する
燃料バンドル選択装置と、この燃料バンドル選択
装置によつて選択された燃料バンドルについて前
記炉心性能計算装置の出力データを用いてチヤン
ネル安定性の安定度を計算し安定度の最も小さい
燃料バンドルとその時の安定度を決定する安定性
計算装置と、この安定性計算装置によつて決定さ
れた安定度の最も小さい燃料バンドル近傍に配置
された局所出力検出器集合体を複数選定する局所
出力検出器集合体選定装置と、この局所出力検出
器集合体選定装置によつて選定された局所出力検
出器集合体の信号を炉心平均出力検出器の信号と
共に表示する表示装置とから成ることを特徴とす
る原子炉のチヤンネル安定性監視装置である。

［発明の実施例］ 以下、一実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。

第１図に本発明のチヤンネル安定性監視装置の
一実施例の構成を示す。図において符号１は原子
炉を示しており、例えば、原子炉１の炉心２に設
置されている各検出器より、炉心性能計算装置３
は炉心流量、炉心圧力、炉心出力、制御棒パター
ン等のプロセス量を入力し、各燃料バンドルの出
力、流量及び軸方向出力分布を計算する。

安定性評価パラメータ計算装置４は炉心性能計
算装置３の計算結果を用いて、安定性評価パラメ
ータを計算する。

燃料バンドル選択装置５は、安定性評価パラメ
ータ計算装置４で計算された安定性評価パラメー
タとその他のチヤンネル安定性に影響を及ぼすフ
アクターとを考慮に入れて、チヤンネル安定性の
安定度が低いと思われるものから順に数体の燃料
バンドルを選択する。

安定性計算装置６は燃料バンドル選択装置５で
選択された数本の燃料バンドルについて炉心性能
計算装置３のデータを用いて安定性解析を行な
い、チヤンネル安定性の安定度の最も小さい燃料
バンドルを決定しかつその安定度を算出する。

局所出力検出器集合体選定装置７は安定性計算
装置６による安定性解析の結果定まつた燃料バン
ドルの位置の近傍の４体の局所出力検出器集合体
を自動的に選定し、それによつて制御盤上にある
表示装置８に、このように選定された４体の局所
出力検出器集合体の信号と炉心平均出力検出器９
との信号とを合わせて表示する。

ここで、安定性評価パラメータ計算装置４で計
算される安定性評価パラメータについて詳述す
る。一般にチヤンネル安定性に影響を及ぼすパラ
メータとしては数多くのものが考えられるが、原
子力発電所の通常の運転範囲内で問題となるの
は、冷却材が燃料バンドルに流れ込む入り口とな
る部分の穴（以下オリフイスと呼ぶ）の面積、各
燃料バンドルの出力と流量、並びに軸方向の出力
分布形である。

通常、炉心内に流れ込む冷却材は未飽和状態で
あり、単相流である。従つてオリフイスの面積の
大小は単相部での圧力損失に影響を与える。即
ち、面積が小さいと流れに対する抵抗（以下オリ
フイス係数と呼ぶ）が大きく圧力損失が大きくな
る。チヤンネル安定性は全圧損の中で単相部の圧
損の割合が大きい程安定となるので、オリフイス
係数が大きい程安定であると言える。通常の炉心
では最外周の燃料バンドルはその内部の燃料バン
ドルよりオリフイス係数がずつと大きくなつてお
り、また最外周の燃料バンドルは出力も小さいこ
ともあり、チヤンネル安定性上殆ど問題ない。

次に出力と流量に関しては出力が高い程、かつ
流量が低い程、チヤンネル安定性の安定度は低化
する。従つて、一般的に高出力低流量の運転状態
程安定度が小さくなる。また、これら以外でチヤ
ンネル安定性に大きな影響を及ぼすものとして、
軸方向の出力分布形があげられる。

すなわち、この軸方向の出力分布形はチヤンネ
ル安定性に大きな影響を及ぼす上に、実際の運転
状態において、制御棒の出入れや燃焼に伴なう核
種ゼノンの効果等によつてかなり変化し、かつ、
燃料チヤンネル毎に異なつた形になつているの
で、現実の運転状態に即した安定度評価を行なう
ためには、軸方向の出力分布形の効果を考慮する
必要がある。

ところで、軸方向の出力分布形とチヤンネル安
定性の安定度との関係は、一般的には、軸方向の
出力分布形のピークの高さが高ければ高い程、か
つ、ピーク位置が炉心（燃料バンドル）の下部で
あればある程、安定度が小さくなるということが
できる。

すなわち、ピークの高さが高くかつ、ピーク位
置が下部であるということは下部での発熱量が多
いことを意味し、下部での発熱量が多いと、冷却
材の沸騰開始点が下部になり、不安定化要素であ
る２相流の領域が長くなるので安定度が小さくな
ると考えることができる。

この実施例では以上の点を考慮に入れて、燃料
バンドルの出力と流量、軸方向出力分布形に着目
してチヤンネル安定性を監視する。

すなわち、炉心内に収容される多数の燃料バン
ドルのうちｊ番目の燃料バンドルの出力の大きさ
を表わすパラメータとしてバンドルの出力係数P^r _j
を用いる。

このP^r _jは次の式で表わせる。

P^r _j＝Q_j１（Ｑ／Ｎ） ここでQ_jはｊ番目の燃料バンドルの出力、Ｑ
は炉心全体の出力、Ｎは原子炉炉心内の燃料バン
ドルの本数である。

また、軸方向の出力分布形を特徴づけるものと
して軸方向の出力のピーキング係数とピークの位
置を採用する。

一般に、軸方向の出力分布形は、例えば第２図
に示すように燃料バンドルを軸方向に沿つて例え
ば１〜24の多数のノードに分けて求められるので
ここでもそれに従うこととする。

なお、第２図において、横軸には出力が、縦軸
には軸方向ノードがとられており、各曲線(A)，
(B)，(C)は、それぞれ燃料バンドルの出力分布を示
している。

いま、ｊ番目の燃料バンドルの軸方向のｉ番目
のノードでの軸方向出力係数をPⁱ _jとすると、Pⁱ _jは
次の式で表わせる。

Pⁱ _j＝Qⁱ _j／（Q_j／Nax） ここでQⁱ _jはｊ番目の燃料バンドルのｉ番目の
ノードでの出力、Naxは軸方向のノード数であ
る。

このPⁱ _jのうちで最大のものを軸方向ピーキング
係数P^ax _jとする。

従つて、 P^ax _j＝^max _j（Pⁱ _j） と表わすことができる。

このP^ax _jによつて、軸方向出力分布形のピーク
の高さを評価することができる。

すなわち、P^ax _jが大きい程ピークの高さは高く
なる。

次に軸方向出力分布形のピークの位置を表わす
ためのパラメータとして次の量を定義する。

P^l _j＝（Nax−N^p _j）／Nax ここでN^p _jはｊ番目の燃料バンドルのピークの
存在するノード番号で、ノード番号は燃料バンド
ルの下部から順に上方へ向かつてつけられるもの
とする。

このP^l _jによるとP^l _jの値が大きい程ピークの位置
は燃料バンドルの下部であることがわかる。

ｊ番目の燃料バンドルの軸方向出力分布形は上
で定義した２つのパラメータP^ax _j，P^l _jの積として、 P^p _j＝P^ax _j・P^l _j で定義されるP^p _jによつて評価することができる。

また、出力の大きさも含めて次のパラメータPj
を定義する。

Pj＝P^r _j・P^p _j＝P^r _j・P^ax _j・P^l _j 各燃料バンドルのチヤンネル安定性の安定度の
大小はパラメータPjの大きさにより大体予測する
ことができる。すなわち一般的な傾向として安定
性評価パラメータPjが大きい程安定性が悪いと考
えられる。

次に、前述の構成のチヤンネル安定性監視装置
の作用及びそのチヤンネル安定性監視方法につい
て説明する。

上述した安定性評価パラメータPjは核熱水力計
算する炉心性能計算装置３のデータを用いれば非
常に簡単かつ短時間に計算することができるの
で、安定性評価パラメータ計算装置４は一定時間
毎に定期的に核熱水力計算をする炉心性能計算装
置３の計算結果を入力して燃料バンドル全てにつ
いて安定性評価パラメータPjを計算する。そし
て、その計算結果を用いて燃料バンドル選択装置
５において、まず第一段階として安定性評価パラ
メータPjの値が大きいものから順に全炉心の中で
チヤンネル安定性が悪い燃料バンドルが数体選択
される。この場合、オリフイス係数がかなり大き
い最外周燃料バンドルは除くことにし、又、もし
も炉心内に異なつたタイプの燃料バンドルが混在
している場合には各タイプ毎にPjの大きい燃料バ
ンドルが数体選択される。このようにして選ばれ
た数体の燃料バンドルに関して、安定性計算装置
６により安定性解析が行なわれ、チヤンネル安定
性の最も悪い燃料バンドルとその時の安定度が求
められる。次いで、局所出力検出器集合体選定装
置７において、チヤンネル安定性の最も悪い燃料
バンドル近傍の４体の局所出力検出器集合体が選
定され、これら局所出力検出器集合体の信号が表
示装置８に炉心平均出力検出器信号と共に表示さ
れて監視される。

ここで、第３図、第４図及び第５図にそれぞ
れ、局所出力検出器集合体の炉心内水平方向の設
置位置、局所出力検出器集合体内の局所出力検出
器の垂直方向の配置及び局所出力検出器集合体の
炉心全体の水平方向の配置を示す。これらの図に
おいて、符号１０，１１，１２はそれぞれ燃料バ
ンドル、制御棒、局所出力検出器集合体であり、
ａ，ｂ，ｃ，ｄは局所出力検出器集合体１２にお
いて垂直方向に等間隔で配置されている局所出力
検出器である。

局所出力検出器集合体選定装置７において４つ
の局所出力検出器集合体が、これら４つの局所出
力検出器集合体を結んでできる正方形内に安定性
計算装置６で決定した最もチヤンネル安定性の悪
い燃料バンドルが入るように自動的に選定される
ものとし、このようにすることによつて、出力の
変動が生じた場合にその炉心内での拡がりの程度
も監視できるようにする。但し、表示に際して
は、チヤンネル安定性の最も悪い燃料バンドルに
一番近い局所出力検出器集合体の信号と、他の３
つの局所出力検出器集合体の信号とは区別できる
ように表示装置８に表示され、チヤンネル安定性
の最も悪い燃料バンドルに一番近い局所出力検出
器集合体信号と炉心平均出力検出器の信号が最低
監視されれば良いようにする。そして、他の３つ
の信号は参考に用いられる。

なお、炉心性能計算装置３により計算は一定時
間毎に定期的に行なわれるが、制御棒操作等炉心
状態を変える時等に運転員の要求によつて行なわ
れることもある。そして、チヤンネル安定性の安
定度が最も小さい燃料バンドルとその近傍の局所
出力検出器集合体の決定は、その都度行なわれる
ものとし、それによつて監視すべき局所出力検出
器集合体の位置が移動した場合、自動的に表示信
号が切り換えられる。

以上述べた方法によつて、炉心性能計算装置３
による計算が行なわれた時点では安定性解析によ
つてチヤンネル安定性も最も悪い燃料バンドルの
位置とその時の安定性がわかり、次の計算までの
間は、制御盤上の計器による出力検出器信号表示
によつてチヤンネル安定性の監視を行なうことが
できる。

なお、安定性解析の結果、チヤンネル安定性の
安定度が非常に小さく、安定性の限界に近い場合
には、制御棒の引抜きによる出力上昇等の安定性
が悪くなるような操作は控えるようにする。ま
た、万が一安定性の限界を越えて振動が発生した
場合には、すみやかに近傍の制御棒を挿入するな
どして出力を下げるような操作を行なうことは言
うまでもないが、それを自動的に実施することも
できる。

［発明の効果］ 以上の説明からも明らかなように、本発明によ
れば、安定性評価パラメータPjの大きさによつて
予め数体の燃料バンドルを選択するという方法を
とることによつて、全燃料バンドルのチヤンネル
安定性の解析を行なつて最も安定度の小さい燃料
バンドルを決定するよりも非常に効率よく短時間
で安定性の悪い燃料バンドルを求めることができ
ると共に、各時刻で自動的にチヤンネル安定性が
最も悪い燃料バンドルの近傍の局所出力検出器集
合体を選定して、それらの信号を表示するので、
炉心内の全ての局所出力検出器集合体の信号を表
示し、監視するのと比較して、見落しの可能性も
少なく、かつ炉心平均出力検出器信号により炉心
安定性を監視するのと同じ程度に容易に局所的な
出力変動の監視が行なえる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のチヤンネル安定性監視装置の
一実施例を示すブロツク図、第２図は燃料バンド
ルの軸方向出力分布を示すグラフ、第３図は燃料
バンドル、制御棒及び局所出力検出器集合体の炉
心内の水平方向における配置関係を示す横断面
図、第４図は局所出力検出器集合体内の垂直方向
の局所出力検出器の配置を示す斜視図、第５図は
炉心内における局所出力検出器集合体の水平方向
の配置を示す炉心平面図である。 １……原子炉、１０……燃料バンドル、１１…
…制御棒、１２……局所出力検出器集合体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉炉心内の配置される燃料バンドルの炉
   心平均に対する出力比と軸方向の出力分布形とに
   基づいてチヤンネル安定性の悪い複数の燃料バン
   ドルを選択し、これらの燃料バンドルについて行
   なつた安定性解析から最もチヤンネル安定性の悪
   い燃料バンドルを決定してこの燃料バンドル近傍
   の局所出力検出器集合体を選定し、このように選
   択された局所出力検出器集合体の信号と炉心平均
   出力検出器の信号とを制御盤上に表示することに
   よつてチヤンネル安定性を監視することを特徴と
   する原子炉のチヤンネル安定性監視方法。 ２ 軸方向の出力分布形は、燃料バンドルの軸方
   向の平均出力に対する最高出力の比と、燃料バン
   ドルを軸方向に沿つて多数のノードに均一に分割
   したときのその全ノード数に対する出力ピークの
   位置より上方のノード数の比との積で評価される
   特許請求の範囲第１項記載の原子炉のチヤンネル
   安定性監視方法。 ３ 原子炉炉心内の核熱水力計算を行なう炉心性
   能計算装置と、この炉心性能計算装置の計算結果
   を入力して各燃料バンドルのチヤンネル安定性を
   評価するパラメータを計算する安定性評価パラメ
   ータ計算装置と、この安定性評価パラメータ計算
   装置の計算結果に基づいてチヤンネル安定性の悪
   い複数の燃料バンドルを選択する燃料バンドル選
   択装置と、この燃料バンドル選択装置によつて選
   択された燃料バンドルについて前記炉心性能計算
   装置の出力データを用いてチヤンネル安定性の安
   定度を計算し安定度の最も小さい燃料バンドルと
   その時の安定度を決定する安定性計算装置と、こ
   の安定性計算装置によつて決定された安定度の最
   も小さい燃料バンドル近傍に配置された局所出力
   検出器集合体を複数選定する局所出力検出器集合
   体選定装置と、この局所出力検出器集合体選定装
   置によつて選定された局所出力検出器集合体の信
   号を炉心平均出力検出器の信号と共に表示する表
   示装置とから成ることを特徴とする原子炉のチヤ
   ンネル安定性監視装置。 ４ 燃料バンドルのチヤンネル安定性を評価する
   パラメータは、燃料バンドルの炉心平均に対する
   出力比と、軸方向の平均出力に対する最高出力の
   比と、燃料バンドルを軸方向に沿つて多数のノー
   ドに均一に分割したときの全ノード数に対する最
   高出力の位置より上方のノード数の比との積で表
   わされる特許請求の範囲第３項記載の原子炉のチ
   ヤンネル安定性監視装置。