JPH0631768B2

JPH0631768B2 - 制御棒操作監視装置

Info

Publication number: JPH0631768B2
Application number: JP60070644A
Authority: JP
Inventors: 孝治福崎; 高志木口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-04-03
Filing date: 1985-04-03
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPS61230092A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、制御棒により出力を制御する原子炉におい
て、原子炉保護の目的で制御棒操作の可否を監視する装
置に係り、特に、燃料の健全性を維持するために、誤操
作による制御棒の連続引抜きを阻止する制御棒操作監視
装置に関する。

〔発明の背景〕原子炉には、出力を制御する目的で、制御棒が広く使用
されている。誤操作により、ある制御棒を連続して引抜
くと、局所的に出力が過大に上昇し、燃料の健全性が損
われることがある。そこで、燃料の健全性を維持するた
めに、制御棒操作監視装置が設置されており、誤操作に
よる制御棒の連続引抜きを阻止するようになつている。

たとえば、沸騰水型原子炉（Boiling Water Reactor,以
下「ＢＷＲ」）においては、第２図に示すような制御棒
操作監視装置４が使用されている。この種の装置として
は、制御棒ブロツクモニタ（Rod Block Monitor，以下
「ＲＢＭ」）（米国特許登録第3,565,750号）あるい
は、制御棒引抜きリミタ（Rod Withdrawal Limiter,以
下「ＲＷＬ」）（特開昭59-112281)等があるが、これら
従来装置は、共通して次のような機能を持つ。

(1)操作する制御棒１１が選択された際に、その座標ａ
に基づいて、制御棒の挿入位置ｂ、ヒートバランスデー
タｃ、炉心流量ｄ、および炉内中性子モニタ１２の測定
値ｅ等のデータを収集する。制御棒１１の操作中に監視
し続けるデータについて、引抜きを阻止するレベル（以
下「ブロツクレベル」）を設定する。監視し続けるデー
タとは、ＲＢＭの場合はモニタ測定値ｅ、ＲＷＬの場合
は制御棒位置ｂである。

(2)選択された制御棒１１が引抜かれている際に、監視
しているデータが、ブロツクレベル以上に変化する場
合、引抜き阻止ｆの信号を出力する。

ＢＷＲにおいては、燃料の健全性を評価するために、最
小限界出力比(Minimum Critical Power Ratio，以下「M
CPR」）という量が定義されている。MCPRとは、燃料棒
が沸騰遷移を起こさないための限界の出力と、燃料棒の
実際の出力との比の中で、最小のものである。沸騰遷移
により熱伝達率が低下し、燃料の健全性が損われないよ
うに、解析および実験の結果に基づいて、MCPRに許容さ
れる最小の制限値が定められている。したがつて、MCPR
を簡単に監視できるデータであるならば、制御棒操作監
視装置では、MCPRが制限値以下になつた場合に、制御棒
の引抜きを阻止すればよい。

しかし、実際にMCPRを得るには、原子炉内の核熱水力特
性の解析計算が必要である。すなわち、MCPRは直接監視
できない。そこで、従来装置では、監視可能なデータ、
たとえばＲＢＭではモニタ測定値ｅ、ＲＷＬでは制御棒
位置ｂの変化により、MCPRを間接的に監視する方式を採
用している。そして、MCPRが制限値以下になることに対
応したレベルに、監視しているデータのブロツクレベル
を設定している。

ただし、MCPRの変化と監視しているデータの変化とは、
１対１には対応しない。その時の出力分布や減速材密度
等の核熱水力特性に応じて、対応関係が変化する。従来
装置では、原子炉が熱的に最も厳しい状態にあることを
想定し、この対応関係をあらかじめ求めておく方法が採
られてきた。たとえば、ＲＢＭでは、炉心流量ｄの関数
として、モニタ測定値ｅのブロツクレベルを設定してき
た（第３図(A)）。また、ＲＷＬでは、引抜き開始前の
制御棒位置ｂあるいはヒートバランスデータｃから得ら
れる原子炉出力の関数として、制御棒位置ｂの変化（す
なわち、制御棒引抜き長さ）のブロツクレベルを設定し
てきた（第３図(B)）。なお、第３図(A)において、モニ
タ測定値とは制御棒周囲のモニタ８個の測定値を平均し
たものであり、第３図(B)において、パラメータとして
いる原子炉出力に代え、引抜き開始前の制御棒位置の関
数で与える例もある。

ところが、実際には、想定したほど原子炉が熱的に厳し
いことはまれである。したがつて、監視しているデータ
がブロツクレベル以上になつても、MCPRが制限値に対し
てまだ余裕を持つている場合がほとんどである。この事
実は、安全性維持の観点からは望ましいが、運転性の観
点からは、制御棒の操作が必要以上に制限されているこ
とになり、望ましくない。

そこで、これを改善するための工夫が提案されている
（特開昭55-55287および特許登録第1,216,221号）。前
者の工夫では、操作する制御棒１１が選択された際に、
その時点の熱的制限値（すなわちMCPR)を評価し、監視
するデータのブロツクレベル設定に反映させる方法がと
られている。これだけでは、制御棒操作を開始する前の
原子炉の状態しか反映されないということで、後者の工
夫では、制御棒操作を開始した後の原子炉の状態の変化
を、実時間よりも短い時間で予測する原子炉予測モニタ
で評価し、MCPRが制限値以下となる位置に、ブロツクレ
ベルを設定する方法がとられている。しかし、制御棒操
作のように、選択してから操作の完了までの時間が１０
〜２０秒程度と短い場合には、詳細な原子炉予測モニタ
を使用できない。その結果、運転性は、従来装置よりは
改善されるが、まだ十分ではない。

今後は、大幅な負荷追従実現のための高出力での制御棒
操作、および稼動時間短縮のための複数制御棒の同時操
作などの可能性が大であり、運転性向上のために制御棒
操作監視装置を改良する必要が、ますます高くなると予
想される。このことは、ＢＷＲに限らず、制御棒を使用
する原子炉一般に、共通していえる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料健全性を維持し安全性を損うこと
なく、制御棒操作の自由度を増やし運転性を向上させる
ために、制御棒操作中の原子炉の状態に応じて、制御棒
の連続引抜きを阻止するブロツクレベルをより正確に設
定する制御棒操作監視装置を提供することである。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために、本発明の制御棒操作監視
装置は、従来装置が共通に持つ２つの機能(1)と(2)に新
たな機能(3)を加えることを特徴とする。

(1)制御棒が選択された際に、操作中に監視し続けるデ
ータについて、ブロツクレベルを設定する。

(2)制御棒が引抜かれている際に、監視しているデータ
がブロツクレベル以上に変化する場合、引抜き阻止の信
号を出力する。

(3)制御棒が引抜かれている際に、その時点での原子炉
の状態に基づいて、設定したブロツクレベルを修正す
る。

ＢＷＲを対象とした場合、本発明の制御棒操作監視装置
４は、従来装置と同様に、第２図に示すように使用され
る。そして、装置内の基本構成は、第１図に示すように
なつている。ここで、設定部４１および監視部４２は、
従来からの装置の(1)および(2)に相当する部分である。
修正部４３は、本発明の制御棒操作監視装置４に新たに
付加されたもので、上記(3)の機能を果す。この修正部
４３は、制御棒の操作信号ｈのトリガにより、制御棒の
位置を始めとするプラントデータａ〜ｅに基づいて原子
炉の熱的余裕を評価する指標を計算するとともに、指標
とその基準値と比較し、両者の差が所定値以上のとき、
記憶部４０内のブロツクレベルを修正する。

従来装置の改善の工夫として前に説明したものと比較す
ると、前者の工夫とは修正部４３がある点、後者の工夫
とは修正部４３の中で、予測ではなく、現時点の原子炉
の状態を利用している点が、各々異なつている。その結
果、本発明の目的である正確なブロツクレベルの設定が
可能となり、制御棒操作の自由度が増大する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

本発明の制御棒操作監視装置４の各部の中で、従来から
の装置になかつたものは、修正部４３である。したがつ
て、この機能について、実施例を用いて説明する。

第４図は、修正部４３の処理の流れの一例を示したもの
である。４種の処理の中で、主なものは、次の３つであ
る。

(1)熱的余裕の評価指標作成（処理４３１）：現時点で
の原子炉の熱的余裕を評価するための指標を作成する。
MCPRは、その一例である。

(2)指標と基準値の比較（処理４３２）：前段の処理４
３１で作成した指標を、別に与えた基準値と比較する。

(3)ブロツクレベル修正（処理４３３）：前段の処理４
３２で修正要と判断された場合に、設定部４１で設定し
たブロツクレベルを修正する。

なお、待機という処理４３０は、修正部４３の処理の流
れを制御するための補助的な処理である。制御棒の操作
信号ｈによつてトリガされた後、時間経過に従つて一定
周期で、あるいは制御棒引抜きの速度に応じて一定引抜
き長さ毎に、上記３種の処理が実行されるように制御す
る。

以下、処理４３１〜４３３の各々について、さらに具体
例をあげて説明する。

(1)熱的余裕の評価指標作成（処理４３１）第５図は、処理４３１のステツプ構成の一例である。こ
こでは、熱的余裕の評価指標としてMCPRを作成してい
る。

まず、最初のステツプ4311で、原子炉状態の変化量を計
算する。この目的は、前回、本処理431でMCPRを作成し
た時点と比較し、原子炉の状態が大きく変化していない
場合には、MCPRの新規作成をスキツプするためである。
変化量Ｊの計算式としては、たとえば、次式のようなも
のが考えられる。

ここで、ｘ_ｉおよびｘ_ｉ ^ｏは、今回および前回のプラン
トデータ（ｉ＝１，２，…，ｎ）である。原子炉の状態
を示すプラントデータとしては、原子炉出力，炉心流
量，制御棒位置等がある。これらはプラントデータ記憶
部４０１から入力される。ｐ_ｉは、プラントデータ毎の
重み係数である。

MCPRに大きな影響を与えるプラントデータ（たとえば、
制御棒位置）については、値を大きくしておき、Ｊへの
寄与を大きくする。式(1)で計算されたＪは変化量記憶
部４０３に出力される。

次のステツプ4312では、たとえば、次式により原子炉の
状態の変化の有無を判定する。

Ｊ＞Ｊ_ｏ→変化有 (2) ここで、Ｊ_ｏは、あらかじめ与えておく定数で、その値
は解析や実験の結果を参考にして設定する。

次の２つのステツプ4313,4314は、原子炉の状態に変化
があると判定された場合に、出力分布さらにMCPRを計算
する。出力分布の計算には、たとえば、炉心特性解析プ
ログラムを使用できる。MCPRの計算にも、既存のプログ
ラムが使用できる。ただし、ここでは前回作成したMCPR
が得られているので、それからの比較的小さな部分のみ
を計算すればよく、既存のプログラムを簡略化して使用
できる。計算に必要な定数は入力定数記憶部402から入
力され、計算結果は出力分布記憶部４０４およびMCPR記
憶部４０５に出力される。

以上説明したようなステツプからなる処理431によれ
ば、既存のプログラムを簡略化する上に、原子炉の状態
の変化が小さい場合には、このステツプをスキツプする
ので、精度を落さずに、短時間でMCPRが作成できる。な
お、同様な考え方により、MCPR以外の評価指標（たとえ
ば、最大線出力密度）を作成することも可能である。

(2)指標と基準値の比較（処理４３２）第６図は、処理４３２のステツプ構成の一例である。こ
こでは、前の処理４３１で作成したMCPRを基準値と比較
し、次の処理４３２でのブロツクレベル修正の要・不要
を判定している。

まず、最初のステツプ4321で、基準値を作成する。基準
値ｍ_ｏの計算式としては、たとえば、次式が考えられ
る。

ｍ_ｏ＝ｍ＋ｑ (3) ここで、ｍはMCPRに許容される最小の制限値である。
また、ｑは、通常運転中にｍに対して持つべき余裕で
あり、たとえば、炉心流量の関数として与えられる。こ
の余裕ｑは、制御棒引抜きを除いた最大の過渡変化（た
とえば、タービントリツプ）を考慮して定められるもの
で、通常運転中にｍ_ｏ以上にMCPRを維持しておけば、過
渡変化があつても、制限値ｍ以下にならない。そし
て、従来からの制御棒操作監視装置であるＲＢＭやＲＷ
Ｌでも、監視するデータのブロツクレベルを設定する際
に、操作前のMCPRがｍ_ｏ以上であることを前提としてい
る。本実施例でも、これを参考として、操作中の熱的余
裕の基準値を、式(3)のｍ_ｏで与えることとした。な
お、本ステツプ4321の入力はプラントデータ記憶部４０
１から得て、結果のｍ_ｏは基準値記憶部４０６に出力さ
れる。

次のステツプ4322では、たとえば、次式で差Δｍを計算
する。

Δｍ＝ｍ−ｍ_ｏ (4) ここで、ｍ_ｏは基準値記憶部４０６から、また、前の処
理４３１で作成したMCPRmはMCPR記憶部４０５より入力
する。差Δｍは差記憶部４０７に出力する。

最後のステツプ4323では、たとえば、次式でブロツクデ
ータ修正の要・不要を判定する。

Δｍ＞０ → 修正要 (5) (3)ブロツクレベル修正（処理４３３）第７図は、処理４３３のステツプ構成の一例である。前
の処理４３２で、ブロツクレベルの修正が必要と判定さ
れた場合に動作する。

本実施例は、ＲＢＭあるいはＲＷＬと組合せたものであ
り、ステツプ4331でブロツクレベル記憶部４００の内容
を変更する。その変更の方法は、制御棒を選択した際と
同様な処理で、改めて現時点でブロツクレベルを作成し
直すものである。

ＲＢＭの場合には、第３図(A)に従つて、モニタ測定値
のブロツクレベルを設定し、さらに、測定値のゲインを
再調整する。ＲＷＬの場合には、第３図(B)に従つて、
１０制御棒引抜き長さのブロツクレベルを設定する。

なお、以上の実施例において、熱的余裕の評価指標およ
び監視するデータの数は、各々１種ずつである必要はな
い。たとえば、熱的余裕としてMCPRと最大線出力密度
を、また、監視するデータとしてモニタ測定値と制御棒
引抜き長さを同時に使用してもよい。

以上、従来装置に新たな機能を付加した本発明の制御棒
操作監視装置の一実施例を説明した。次に、新たな機能
の付加により、従来装置に比較し、どのような効果が得
られるかを示す。なお、従来装置として、ここではＲＷ
Ｌを取り上げたが、ＲＢＭの場合も同様なことがいえ
る。

今、ＲＷＬにおいて、第３図(B)に示すようにブロツク
レベルが与えられているとする。原子炉出力が７０％以
上の場合、制御棒引抜き長さが１ｆｔに制限されるの
で、２ｆｔ引抜くためには、第８図(A)に示すように、
以下の手順が必要となる。

(1)制御棒を選択すると、設定機能の処理が開始さ
れ、やがて１ｆｔの位置にブロツクレベルｒ_１が設定さ
れる。

(2)制御棒の操作を開始すると、監視機能の処理が開始され、ブロツクレベルのある１ｆｔの位置
で、引抜きが阻止される。

(3)さらに１ｆｔ引抜くためには、ブロツクレベルの再
設定が必要である。そこで、一度ダミーを選択して、設
定機能により処理をリセツトした後、その制御棒を再
度選択し、設定機能の処理を開始する。すると、さら
に１ｆｔ先の位置（最初からでは２ｆｔの位置）にブロ
ツクレベルｒ_２が設定される。

(4)制御棒の操作を再開すると、監視機能の処理が開始され、２ｆｔの位置で引抜きが阻止され
る。

これに対して、本発明の機能を付加したＲＷＬでは、第
８図(B)に示すように、以下の手順で連続して２ｆｔの
引抜きが可能である。

(1)制御棒を選択すると、設定機能によつて１ｆｔの
位置にブロツクレベルｒ_１が設定される。さらに、操作
を開始すると、監視機能の処理が開始される。以上の点は、従来のＲＷＬと同様
である。

(2)これに加えて、制御棒の操作を開始すると、修正機
能の処理が開始される。ここでは、第４図の待機の処理
４３０により、一定時間間隔で修正機能が動作するよう
に制御した例を示す。

修正機能の処理で、ブロツクレベルが１ｆｔずつ拡張されてい
る。修正機能の処理を開始した時点で式(5)が成立して
いたことが確認され、ブロツクレベルがｒ_２，ｒ_３と修
正されたためである。

においては、これが成立せず、ブロツクレベルが変更さ
れなかつたが、目標の２ｆｔを連続して引抜ける。

以上、第８図の例からわかるように、本発明の装置を使
用すれば、制御棒のダミーの選択および再選択が不要と
なる。その結果、運転員の負担が軽減されるばかりでな
く、時間の節約にもなる。第８図の例では、約２５％節
約されている。その結果、運転性が向上することは明ら
かである。

本発明の制御棒操作監視装置は、従来からの装置である
ＲＷＬ，ＲＢＭ以外に、次のような装置に付加しても、
充分な効果が得られる。

まず、前述の原子炉予測モニタと組合せ可能である。予
測時間が長いことから、制御棒を操作している際に原子
炉予測モニタを繰返し使用することは得策ではない。し
かし、操作前すなわち制御棒を選択した際に、原子炉予
測モニタを使用してブロツクレベルを設定し、その後、
操作中に、本発明の新たな機能を使用し、ブロツクレベ
ルを修正する方式をとれば、オンラインで原子炉予測モ
ニタ以上の効果が得られる。これは、原子炉予測モニタ
を、第１図の設定部４１として使用することに相当す
る。

この場合、制御棒の操作は、第９図に示すように実施で
きる。

(1)制御棒を選択すると、原子炉予測モニタが設定部４
１として処理を開始する。そしてMCPRが、制御棒引抜き
につれて、たとえば、_１のように変化すると予測し、
制限値ｍと交差する点Ａから、ブロツクレベルｒ_１を
設定する。

(2)制御棒の操作中に、修正部４３の処理がトリガされ
る。すると、処理４３１で、現時点のMCPRm_aが作成され
る。

(3)次に、同じ修正部４３の処理４３２で、このｍ_ａが
基準値と比較される。この場合、基準値としては、原子
炉予測モニタで作成した同時点の予測値ｍ_ｐが使用さ
れ、式(4)に代わつて、次式で差Δｍを計算する。

Δｍ＝ｍ_ａ−ｍ_ｐ (6) (4)式(5)により、ブロツクレベルの修正要と判定された
場合には、処理４３３に入る。第９図の例では、ｍ
_Ｐ（○）とｍ_ａ（●）との差の分だけ、_１を平行移動
させるという修正で、_２を作成する。次に、_２とｍ
との交点Ｂから、新たなブロツクレベルｒ_２を設定す
る。

すなわち、第４図〜第７図に示した実施例の考え方を変
更することなく、原子炉予測モニタと組合せできる。そ
の結果、引抜き長さがｒ_１からｒ_２に増加する。さら
に、本発明装置の使用により、制御棒の操作中に修正が
できることを利用して、操作前の設定に使用する原子炉
予測モニタを簡略化することも可能である。この場合に
は、制御棒選択から操作開始までの時間が短縮できる。
いずれにしても、運転性が向上する。

本発明は、燃料健全性を維持する目的で制御棒操作を監
視する場合について考慮したものである。しかし、それ
以外の目的であつても、制御棒操作の監視が必要なもの
に適用できる。たとえば、原子炉の安定性を維持する目
的の装置（特開昭59-52786）や、燃料と被覆管との相互
作用による燃料破損を防止する目的の装置（特開昭59-5
7193）などに適用しても、運転性の向上が期待できる。

また、高速計算機を使用すると、修正部４３の処理時間
が無視可能なほど短くなる。その場合には、設定部４１
がなくても、本発明の制御棒操作監視装置を使用でき
る。本発明装置の修正部４３において、式(3)の代わり
に、ｍ_ｏ＝ｍ (7) として基準値ｍ_ｏを与え、式(4)でΔｍを計算し、さら
に、処理４３３で、ブロツクレベルの修正に代えて Δｍ＞Ｏ → 制御棒引抜き許可 (8) という処理を実行すれば、式(8)を満足する限り、連続
して制御棒が引抜ける。すなわち、従来装置に比較する
と、MCPRの制限値ｍ直前まで制御棒が引抜ける結果、
運転性が飛躍的に向上する。

なお、本発明装置は、制御棒の引抜きばかりでなく挿入
にも、またブロツクレベルを拡張する修正ばかりでなく
縮小する修正にも、そのまま適用できる。燃料の健全性
維持の他に、安定性の維持等にも適用できることは、応
用例で紹介した通りである。さらに、ＢＷＲに限らず、
制御棒を使用する原子炉一般に、適用可能である。例え
ば、ＰＷＲにおいては、アキシヤルオフセツト（中性子
偏差ΔＩ）等のプラントデータに基づいて処理を行うこ
とになる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、制御棒を操作し
たときの熱的余裕に基づいて記憶部内のブロツクレベル
が修正されるので、ブロツクレベルは現時点の原子炉の
状態を正確に表したものとなる。そして、修正されたブ
ロツクレベルを用いて制御棒の操作を行えば、安全性を
損なうことがないのは勿論、制御棒の操作が必要以上に
制限されなくなるため、原子炉の運転性向上を図ること
も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御棒操作監視装置のブロツク
図、第２図は原子炉における制御棒操作監視装置の機能
を説明する図、第３図は従来装置におけるブロツクレベ
ル設定例を示す図、第４図は本発明修正部の処理の実施
例を示す図、第５図〜第７図はその各処理のステツプ構
成を示す図、第８図は従来装置と本発明装置とにおける
ブロツクレベル設定方式を比較して示す図、第９図は原
子炉予測モニタと本発明装置とを組合せた場合の効果を
示す図である。１…原子炉、２…制御棒駆動系、３…中性子計装系、４
…制御棒操作監視装置、４１…設定部、４２…監視部、
４３…修正部、４３１…熱的余裕の評価指標作成処理、
４３２…指標と基準値との比較処理、４３３…ブロツク
レベル修正処理。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉出力を制御する制御棒が操作対象と
して選択された際に、プラントデータに基づいてその制
御棒の操作を阻止すべきブロックレベルを設定する設定
部と、前記設定したブロックレベルを記憶する記憶部
と、制御棒が操作されるときのプラントデータを監視す
るとともに、前記記憶部内の設定ブロックレベルを取り
込んで、前記プラントデータが前記設定ブロックレベル
以上に変化する場合に制御棒の操作を阻止する監視部
と、を備えた制御棒操作監視装置において、制御棒が操作された際に、原子炉の現時点での状態を示
す情報を取り込んで原子炉の熱的余裕を評価する指標を
計算するとともに、前記指標とその基準値と比較し両者
の差が所定値以上のとき、前記記憶部内のブロックレベ
ルを修正する修正部を設けたことを特徴とする制御棒操
作監視装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記修正部は、予測所要時間が比較的長い原子炉予測モ
ニタと併用され、制御棒選択時のブロックレベルが原子
炉予測モニタの結果に基づき設定された後は、その時時
のプラントデータに応じ、オンラインでブロックレベル
を修正することを特徴とする制御棒操作監視装置。