JPH05256991A - 自然循環型原子炉の起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】冷温停止状態にある自然循環型原子炉１を起動
するに際し、原子炉内を脱気することにより炉心入口サ
ブクーリングを原子炉出力と炉心入口サブクーリングで
定まる不安定発生条件以下に設定したのちに出力上昇を
開始することを特徴とする自然循環型原子炉の起動法。 【効果】従来、沸騰水型原子炉で実施している脱気を行
うことにより自然循環型原子炉において、冷却水中の溶
存酸素の除去はもとより、自然循環状態での起動時に特
有なガイセリングの発生を防止し起動時間を短縮するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉の冷温停止後の
起動法に係り、特に、起動時に自然循環状態にある原子
炉の熱水力安定性を確保するのに好適な起動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に沸騰水型原子炉では、自然循環時
に原子炉を安定に運転できる範囲（安定性余裕）が狭い
という特性がある。

【０００３】このため、原子炉起動時には安定性余裕に
十分考慮して運転する必要がある。図６は原子炉出力と
炉心流量との関係および従来の知見にもとづく不安定発
生領域を示したものである。自然循環時には原子炉を安
定に運転できる範囲が狭いことがわかる。

【０００４】安定性余裕を大きくする方法としては、再
循環ポンプにより原子炉の冷却水を強制循環させる方法
がある。図６に示すように強制循環型原子炉では、冷却
水を定格の２０％ポンプ速度で循環させながら出力を上
昇させる方法を用いている。このような方法により、起
動時には自然循環状態で運転した時よりも安定性余裕を
大きくすることが可能である。

【０００５】以上に述べた従来の原子炉起動法はこれま
でに知られていた不安定現象しか考慮していないもので
あった。ところが、原子炉が炉心でボイド発生を伴う自
然循環状態にある時には上記した不安定とは別な不安定
が存在することが明らかになった。このため、自然循環
により起動する原子炉では、起動時に十分な安定性余裕
を確保できないという問題があった。

【０００６】この自然循環に特有な不安定現象の発生を
防止するための従来技術は、特開昭59−143997号公報に
記載のように、原子炉の起動時において、定期点検時熱
供給用ボイラからの熱を原子炉圧力容器内の冷却水に供
給することにより、冷却水を昇温しサブクーリングを減
少した後に核加熱を開始し、安定性の低下を防止するも
のや、特開昭60−69598 号公報に記載のように、原子炉
の下部プレナムに設けた熱交換器により炉心入口での冷
却水のサブクーリングを、不安定が発生する限界サブク
ーリング度よりも小さい範囲に設定したのちに出力上昇
を開始することにより、原子炉の安定性を確保しながら
起動できるようにするものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術はとも
に、冷却水の昇温に核加熱を用いず、外部加熱源を用い
るため、格納容器内外あるいは圧力容器内に熱交換器と
熱供給系を設けて冷却水を昇温するものであり、熱供給
のための配管群およびサブクーリング設定のための制御
系を必要とし原子炉の構造が複雑となるため建設に係る
経済性が低くなる問題があった。

【０００８】本発明の目的は、自然循環型原子炉の起動
時に特有な不安定現象の発生を防止する最適な起動法を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、従来の沸騰
水型原子炉において、原子炉起動前に冷却水中の溶存酸
素を取除くことを目的として実施している脱気運転を自
然循環型原子炉においても採用し、自然循環状態の起動
時に脱気運転実施後、制御棒を引抜き核加熱により昇温
昇圧を行い、定格出力を得ることにより達成される。

【００１０】

【作用】本発明は、従来から知られていた原子炉の不安
定モード(従来の不安定モード)の他に新たに見出された
不安定モード（以下、新たな不安定モードをガイセリン
グと呼ぶ）を考慮して、いかなる場合にも原子炉の起動
が安定に行われるようにしたものである。

【００１１】本発明の動機となったガイセリングの発生
機構とその特徴を従来の不安定モードと関連づけて以下
に説明する。

【００１２】図７に発熱部と冷却部がある自然循環回路
を示す。自然循環回路を用いた実験結果を図８に示す。
図８はガイセリングが発生する条件を発熱量とサブクー
リングを用いて表示したものである。図中には、従来の
不安定モードも観察される。従来の不安定モードが低サ
ブクーリング、高出力条件で発生するのに対し、ガイセ
リングはそれとは逆に高サブクーリング、低出力条件下
で発生することがわかる。前者は炉心の出口クオリティ
が高い状態で発生し、後者は逆にクオリティが低い条件
下で発生する。その機構は以下のように説明される。

【００１３】自然循環流量Ｑは、図７に示すような自然
循環回路において上昇流路１５と下降流路１６における
冷却材の密度差に起因する浮力Ｆと主として上昇流路１
５における２相流の摩擦損失ΔＰとの釣合から定まる。
浮力Ｆはボイド率αの関数Ｆ(α)であり、摩擦損失ΔＰ
はクオリティχと流量Ｑの関数ΔＰ(χ，Ｑ)と考えられ
る。一方、２相流中のボイド率とクオリティについては
一般に図９に示すような関係がある。今、図７に示した
自然循環回路に流量外乱δＱが生じた時の系の応答を考
える。

【００１４】従来の不安定モード：図９より高クオリテ
ィ領域(χ＞０.１０）はクオリティの変動に対するボイ
ド率の変化分∂α／∂χは小さい。したがって、δχと
同オーダの変動量δＱに対するボイド率の変化分∂α／
∂χも小さく、変動量δＱに対して浮力は影響を受けな
い(δＦ＝０)と考えられる。一方、摩擦損失ΔＰは次式
で与えられる。

【００１５】

【数１】

【００１６】ф²(χ）：２相流増倍係数 したがって、δＱに対する変動量δΔＰは次式

【００１７】

【数２】

【００１８】で与えられる。

【００１９】図１０に示すように出口クオリティ変動δ
χの位相は流量変動δＱに対して反転しているから∂χ
／∂Ｑ＜０である。また、∂φ²(ｘ）／∂χ＞０である
ことが知られているから、(２)式の右辺第１項は負、第
２項は正の符号をもつ。

【００２０】したがって、(２)式の左辺＜０となる条件
下(高クオリティ条件で成立)では、正の流量変動に対し
て摩擦損失の減少をきたすので流量変動は助長され不安
定が発生する。

【００２１】以上のように従来の不安定モードは水力的
な負性抵抗に原因する。

【００２２】ガイセリング：図１０において、低クオリ
ティ領域では∂α／∂χはクオリティ変動δχ、したが
って、また流量変動δＱのオーダよりも大きな変動を示
す。それゆえ、この領域では従来の不安定モードとは逆
に駆動力(浮力)の変動δＦが現象を支配する。すなわ
ち、正の流量変動δＱに対して出口クオリティの減少δ
χがおこると、図９よりボイド率の急減少δαが生じ
る。このため、外乱δＱの作用が終了するや流量は急減
して突沸がおこる。沸騰によるボイドの増加は駆動力δ
Ｆを増す方向に作用するから、流量は再び増加して最初
の状態に戻る。このサイクルが持続して不安定な状態に
なる。ガイセリング不安定発生時の流量Ｑの時間変化
は、図１１に示すような波形を示す。

【００２３】また、自然循環回路を用いた実験より、図
１２に示すようにガイセリングの発生レンジは上昇流路
１５の出口クオリティによって一義的に定まることがわ
かった。更に、非沸騰状態ではガイセリングは生じない
ことも明らかになった。ガイセリングが発生するクオリ
ティを限界クオリティＸｃと呼ぶことにする。

【００２４】自然循環型原子炉における、ガイセリング
発生領域を、自然循環回路を用いた実験に基づき理論的
に求めた結果を図１３に示す。ガイセリング発生領域
は、限界クオリティ曲線１７Ｘ＝Ｘｃと沸騰開始曲線１
８Ｘ＝０で囲まれる領域として表すことができる。図よ
り、ガイセリング発生領域には、サブクーリングの極小
値が存在することがわかる。

【００２５】本発明になる運転法の特徴は、ガイセリン
グを回避するため原子炉起動時に、原子炉出力と炉心入
口サブクーリングが図１３に示されるガイセリング発生
領域より下の範囲にあるようにすることである。

【００２６】

【実施例】図１は自然循環型原子炉１と原子炉廻りの系
統図を示す。

【００２７】原子炉の廻りの系統は、原子炉１からの蒸
気により回転するタービン６と、タービン駆動後の蒸気
を凝縮する復水器７と、原子炉起動時に復水器７を真空
に引くための真空ポンプ１１と、真空ポンプにより吸い
込んだ空気を大気に排出するための排気筒１２により構
成される。

【００２８】従来の沸騰水型原子炉では、冷却水中の溶
存酸素を取除くことを目的に、原子炉起動前に脱気運転
を実施している。本発明の原子炉の起動法も、原子炉起
動前に脱気運転を実施する。これにより、従来、脱気運
転の目的である冷却水中の溶存酸素の除去はもとより、
自然循環状態での起動時に特有なガイセリングの発生を
回避することができる。

【００２９】以下、本発明の原子炉の起動手順を説明す
る。

【００３０】手順１：原子炉脱気 真空ポンプ１１により復水器７を真空化し、主蒸気隔離
弁８を閉じたまま、主蒸気ドレン弁９を開いて原子炉内
の脱気を行う。

【００３１】このとき、原子炉圧力は約０.３ 気圧程度
まで下がるようにする。

【００３２】原子炉圧力，冷却水温度および復水器７の
圧力変化を図３に示す。まず、真空ポンプ５を起動し、
復水器７を真空化することにより復水器７の圧力は０.
１ 気圧以下まで下がった状態となる。この状態となっ
た後、主蒸気ドレン弁３を開いて原子炉内を脱気するこ
とにより圧力を約０.３ 気圧まで下げる。この過程で、
原子炉内の冷却水中の溶存酸素が取除かれる。

【００３３】原子炉圧力約０.３ 気圧が確立した後、手
順２に移行する。

【００３４】手順２：核加熱開始 脱気運転により原子炉圧力を０.３ 気圧程度まで下げた
後、制御棒３を引抜き核加熱を開始する。出力は、定格
出力の約１％程度におさえるようにする。

【００３５】この時点での状態を図５のガイセリング発
生領域と比較して説明する。原子炉圧力０.３ 気圧にお
ける飽和温度は約７０℃である。一方、冷却水の温度は
原子炉起動前は室温であるため、約２０℃である。従っ
て、炉心入口サブクーリングは、約５０℃(＝７０℃−
２０℃)となっている。出力約１％炉心入口サブクーリ
ング約５０℃の状態は、図５におけるガイセリング発生
領域の左側、すなわち、ガイセリングが発生しない状態
であることがわかる。この理由は、核加熱による冷却材
の沸騰が開始されていないためである。

【００３６】手順３：昇温昇圧 原子炉１の冷却水温度約２０℃の状態から、出力約１％
で核加熱を継続すると、次第に冷却水が加熱され、原子
炉圧力約０.３ 気圧における飽和温度約７０℃まで昇温
される。この時点で、冷却水の沸騰が開始され、図２に
示されるような原子炉内のチムニー部４とダウンカマ部
５における冷却水の密度差に起因する浮力により自然循
環が始まる。自然循環により循環する冷却水の温度は、
飽和温度に達しているため炉心入口サブクーリングをほ
ぼ０とすることができる。炉心入口サブクーリング０の
状態は、図５におけるガイセリング発生領域の下側、す
なわち、ガイセリングが発生しない状態であることがわ
かる。

【００３７】冷却水が沸騰し蒸気が発生することによ
り、原子炉圧力が上昇し、冷却水の温度は圧力の上昇と
ともに各時点の圧力の飽和温度で上昇する。このとき、
冷却水温度の上昇割合が５５℃／hr以下となるように原
子炉出力を制御する。冷却水温度の上昇割合を５５℃／
hr以下とするのは、起動・停止による圧力容器の熱疲労
をおさえるためであり、これは従来火力ボイラ等で用い
られている基準と同一である。原子炉内を昇温昇圧して
いる間、冷却水温度は飽和温度となっているため炉心入
口サブクーリング０を保つことができる。炉心入口サブ
クーリング０であれば、図５におけるガイセリング発生
領域の下側であるため、昇温昇圧の過程でガイセリング
が発生する心配はない。

【００３８】核加熱による原子炉内の昇温昇圧を継続
し、温度圧力ともに定格状態を得る。 手順４：出力上昇 原子炉内の温度圧力ともに定格状態を確保した後、制御
棒３を引抜くことにより原子炉出力を定格値まで上昇さ
せる。原子炉圧力を高くしたときのガイセリング発生領
域は、図５に示すように上方に移動するためガイセリン
グを回避して運転できる範囲が広がる。原子炉出力を上
昇させると、蒸気となってタービンへ送られる冷却水の
分を給水で補充するため、原子炉内のダウンカマ部５の
冷却水温度が飽和温度以下となるので炉心入口サブクー
リングが上昇する。しかし、既に述べたように圧力が定
格に達しているためガイセリング発生までの余裕が大き
くなっており、炉心入口サブクーリングは図５でガイセ
リング発生領域の下側を維持することができる。すなわ
ち、ガイセリングの発生を回避することができる。原子
炉出力が定格に到達した時点で起動操作は完了する。

【００３９】以上述べた、手順１から手順４までの原子
炉圧力，温度および出力の変化を図４に示す。

【００４０】ここで、手順１における脱気運転がガイセ
リング回避のためにどのような役割をはたしているかを
説明する。原子炉を一旦起動し、冷温停止した後再起動
する場合には炉心の崩壊熱により炉心内の冷却水が加熱
されているため、脱気運転により到達する原子炉圧力約
０.３ 気圧における飽和温度程度まで昇温されている。
従って、脱気運転により原子炉圧力を０.３ 気圧程度ま
で低下すると、炉心内の冷却水は減圧沸騰の状態とな
る。原子炉内の冷却水温度が飽和温度と等しくなってい
る状態は、炉心入口サブクーリング０の状態である。

【００４１】すなわち、一旦、起動した原子炉を冷温起
動した後、再起動する場合には、脱気することにより炉
心入口サブクーリングを０とすることが可能となる。炉
心入口サブクーリングを０とすることにより、図５にお
いてガイセリング発生領域から下側の状態を維持するこ
とができるため、原子炉出力に依らずガイセリングの発
生を回避することができる。

【００４２】従って、手順２以降、ガイセリングを回避
する目的で原子炉出力を定格の約１％に保つ必要はな
く、冷却水の昇温割合が５５℃／hrを越えない範囲で原
子炉出力を最大にすることができるため、起動時間が短
縮される。

【００４３】もちろん、脱気により炉心入口サブクーリ
ングを０とすることができなくとも、手順３において炉
心入口サブクーリングを０とすることができるため、こ
れ以降は原子炉出力を冷却水温度の昇温割合が５５℃／
hrを越えない範囲で上昇してもよいが、少くとも手順２
で制御棒を引抜いて手順３で炉心入口サブクーリングが
０となるまでは、原子炉出力を約１％程度におさえてお
く必要がある。

【００４４】本実施例により、原子炉を起動した場合の
原子炉出力と炉心入口サブクーリングの軌跡をガイセリ
ング発生領域と比較して図５に示す。原子炉を始めて起
動する場合は、脱気により炉心入口サブクーリングを０
とすることができないため、原子炉出力を定格の約１％
程度とすることにより、運転状態は軌跡ＡＢ上をＡ点か
らＢ点に移行する。原子炉を昇温昇圧している間、温度
圧力が定格に到達するまで運転状態はＢ点にある。

【００４５】この間、原子炉圧力が上昇するため図５に
おいてガイセリング発生領域は上方に移動する。原子炉
出力を、定格まで上昇する過程で運転状態は軌跡ＢＣ上
をＢ点からＣ点に移行する。

【００４６】原子炉を冷温停止後、再起動する場合には
炉心の崩壊熱により冷却水が加熱されているため、脱気
することにより炉心入口サブクーリングをほぼ０とする
ことができるので、核加熱をＢ点から開始することがで
きる。すなわち、脱気により軌跡ＡＢの移行過程を省略
することができるため、ガイセリングを回避した起動に
要する時間を短縮することができる。また、従来、沸騰
水型原子炉で脱気の目的である冷却材中の溶存酸素を取
除くことも同時に満足できる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、従来、沸騰水型原子炉
で実施している脱気を行うことにより自然循環型原子炉
において、冷却水中の溶存酸素の除去はもとより、自然
循環状態での起動時に特有なガイセリングの発生を防止
し、起動に要する時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す自然循環型原子炉の系統
図。

【図２】自然循環型原子炉構造を示す説明図。

【図３】本発明による原子炉脱気運転状態を示す特性
図。

【図４】本発明による原子炉起動状態を示す特性図。

【図５】本発明による原子炉起動曲線をガイセリング発
生領域と比較して示す特性図。

【図６】原子炉出力と炉心流量との関係における運転曲
線を示したグラフ図。

【図７】原子炉自然循環を示す説明図。

【図８】従来の不安定モードとガイセリングの発生領域
をプロット表示した特性図。

【図９】出口クオリティとボイド率との関係を示す特性
図。

【図１０】循環流量と出口クオリティの関係を示す特性
図。

【図１１】ガイセリング状態の時間経過にともなう流量
の関係を示す特性図。

【図１２】出口クオリティと流量振幅の関係をプロット
表示した特性図。

【図１３】ガイセリング発生領域を示す特性図。

【符号の説明】

１…自然循環型原子炉、２…炉心、３…制御棒、４…チ
ムニー部、５…ダウンカマ部、６…タービン、７…復水
器、８…主蒸気隔離弁、９…主蒸気ドレン弁、１０…タ
ービンバイパス弁、１１…真空ポンプ、１２…排気筒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷温停止状態にある自然循環型原子炉を起
   動するに際し、原子炉内を脱気することにより炉心入口
   サブクーリングを原子炉出力と前記炉心入口サブクーリ
   ングで定まる不安定発生条件以下に設定したのちに出力
   上昇を開始することを特徴とする自然循環型原子炉の起
   動方法。