JPH10142382A - 原子炉炉心性能計算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全炉心性能計算における核熱水力計算の収束
性を向上させ炉心性能計算の高速化を図る。 【解決手段】 全炉心性能計算時以降の各制御棒操作に
対して、局所的に炉心性能計算を実行するための部分炉
心領域を指定する部分炉心領域指定手段８と、指定され
た部分炉心領域について核熱水力計算モデルに基づいて
炉心性能計算を実行する炉心性能計算手段９と、前記炉
心性能計算手段で求めた出力分布とボイド分布に基づい
て当該部分炉心領域の出力分布の初期値と核定数を更新
し保存する出力分布及び核定数保存手段１０を設ける。
これにより、全炉心性能計算の実行に必要な出力分布の
初期値と核定数を、出力分布とボイド分布の整合性がと
れた当該時点の炉心状態に近い値を用意できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原子炉の運転管理業
務として炉心挙動を監視する原子炉炉心性能計算装置に
係り、特に、全炉心性能計算の実行に必要な出力分布の
初期値と核定数を補正して計算の収束性を向上させ炉心
性能計算を高速化するのに好適な原子炉炉心性能計算装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の出力制御は、再循環流
量制御系と制御棒駆動系とで行われる。再循環流量制御
系による出力制御は、通常、燃料の燃焼に伴う炉心反応
度変化を補償して電気出力を１００％に維持する目的で
行われ、炉心流量の流量制限幅が約９０〜１００％の範
囲で再循環流量を調整する。一方、制御棒駆動系による
出力制御は、上記再循環流量制御で炉心流量の流量制限
幅を逸脱するおそれのあるときに行われ、制御棒位置を
調整することで炉心反応度を制御する。

【０００３】一般に、再循環流量制御では、炉心流量を
調整して減速材である水の密度を炉心全体にわたり変化
させ原子炉出力を大幅に変更するが、炉心内の出力分布
の形状はほぼ一定に保持される。一方、制御棒位置調整
による制御では、制御棒操作の前後で出力分布の形状が
大きく変化する。

【０００４】そのため、制御棒位置調整では、通常、制
御棒操作による局所的な出力上昇で熱的運転制限値を越
えないように、あらかじめ原子炉出力を低下させてから
制御棒操作を行う。しかしながら、実際に熱的運転制限
値が守られていることを確認する必要があるので、制御
棒操作終了後、３次元核熱水力計算モデルを内蔵する炉
心性能計算装置を用いて熱的運転制限値を計算する。

【０００５】上記炉心性能計算装置では、給水流量・温
度、再循環流量・温度等の熱出力計算用のプラントデ−
タ、炉内中性子検出器の指示値、当該時点の制御棒位置
を炉心現状デ−タとして入力し、内蔵する３次元核熱水
力計算モデルで３次元出力分布を計算し、熱的運転制限
値を計算する（満田、福崎、木口、他：ＢＷＲ炉心総合
運用システムの開発(II)：日本原子力学会、昭和５７年
年会要旨集、第１分冊、Ｐ２１９）。以下、本処理を特
に炉心性能計算と称する。

【０００６】上記炉心性能計算は、互いにフィ−ドバッ
クする関係にある出力分布とボイド分布を全炉心領域で
３次元核熱水力計算モデルに基づき収束計算で求めるた
め、一回の実行に多大なる計算時間が必要で制御棒位置
調整等の作業には大きな負担となっている。

【０００７】そこで、熱的運転制限値の確認が頻繁に必
要な制御棒位置調整では、炉心性能計算の運用を工夫
し、計算の実行回数を減らすことで作業時間の短縮を図
っている。例えば、現時点からある制御棒パタ−ンに変
更するときに、制御棒操作１本毎の熱的運転制限値の確
認は計画段階で十分に余裕のある操作手順を作成するこ
とで省略可能とし、途中いくつかの代表的な制御棒パタ
−ンに対してのみ炉心性能計算を実行して熱的運転制限
値を計算する。その結果、燃料の健全性が確認できた
ら、次の制御棒操作を許可するようにすることで、炉心
性能計算の実行回数を低減している。

【０００８】しかし、この方法では、炉心性能計算の初
期値として、一般に出力分布の形状が大きく異なる前回
の制御棒パタ−ンに対する炉心性能計算の結果を用いる
ために、３次元核熱水力計算の収束性がよくない。この
ため、熱的運転制限値を確認して次の制御棒操作の許可
をうけるまで、何もしないで長時間待機しなければなら
ない。前述したように、制御棒位置調整では原子炉出力
を低下させているので、このような無駄な待機時間は原
子炉の経済性を向上する上で解消すべき大きな課題であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記問題を解決するた
めに、これまでに、炉心性能計算の初期値に注目して３
次元核熱水力計算の収束性を改善し、炉心性能計算の高
速化を図るいくつかの試みがなされている。

【００１０】例えば、特公昭５９−８１５９５号公報記
載の従来技術では、制御棒の操作幅と出力補正量との関
係を代表的なケ−スについてあらかじめ計算して計算機
に記憶しておき、炉心性能計算を実行するときは、変更
のあった制御棒位置情報で前記制御棒の操作幅と出力補
正量との関係から、前回の炉心性能計算の出力分布に対
して補正を施し、この補正した出力分布を炉心性能計算
の初期値として利用している。

【００１１】しかし、この従来技術では、上記のように
補正した出力分布は当該炉心性能計算時の出力分布に近
いものであるが、お互いにフィ−ドバック関係にあるボ
イド分布は前回の炉心性能計算結果を用いており、初期
値とする出力分布とボイド分布の整合性が取れていない
ので、３次元核熱水力計算の収束性の改善は不十分であ
る。

【００１２】また、特公昭５９−３７４９２号公報記載
の従来技術では、炉心の状態変化（制御棒操作等）によ
りプラントデ−タが時間的に変化する度に３次元核熱水
力計算を実行して、この計算が収束する前に事前に設定
した回数で繰返し計算を打切り、その結果を当該炉心性
能計算の初期値としている。

【００１３】この従来技術によれば、特公昭５９−８１
５９５号公報記載の従来技術のような初期値とする出力
分布とボイド分布との不整合の問題は生じないが、炉心
の状態変化毎に未収束段階で３次元核熱水力計算結果を
更新するので、こうして得た炉心性能計算の初期値は当
該時点の炉心状態に近いものであるという保証はなく、
常に３次元核熱水力計算の収束性が改善するとは限らな
い。

【００１４】現在、沸騰水型原子炉では、高燃焼度燃料
やＭＯＸ燃料の採用により、従来よりも高精度できめ細
かい炉心管理が求められ、炉心性能計算の高速化が必須
の課題となっている。

【００１５】本発明の目的は、計算の収束性を向上させ
炉心性能計算の高速化を可能にする原子炉炉心性能計算
装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、核熱水力計
算モデルを内蔵する原子炉の炉心性能計算装置におい
て、前回の全炉心性能計算時以降に行う部分炉心領域に
ついての計算結果に基づいて、次回の全炉心性能計算時
の出力分布の初期値と核定数を補正する手段を設けるこ
とで、達成される。

【００１７】好適には、この補正する手段を、前回の全
炉心性能計算時以降の各制御棒操作に対して、局所的に
炉心性能計算を実行するための部分炉心領域を指定する
部分炉心領域指定手段と、指定された部分炉心領域につ
いて核熱水力計算モデルに基づいて炉心性能計算を実行
する炉心性能計算手段と、前記炉心性能計算手段で求め
た出力分布とボイド分布に基づいて当該部分炉心領域の
出力分布の初期値と核定数を更新し保存する出力分布及
び核定数保存手段とで構成する。

【００１８】各制御棒操作の炉心への影響が当該操作制
御棒の周囲に限られるので、次の全炉心性能計算までに
行う各制御棒操作によって生じる局所的な出力変化を、
部分炉心領域指定手段で指定した部分炉心領域につい
て、核熱水力計算モデルに基づいた炉心性能計算手段で
出力分布及び核定数を計算し、その結果を出力分布及び
核定数保存手段で随時更新すると、次の全炉心性能計算
実行時には、炉心性能計算に必要な初期の出力分布と核
定数として、出力分布とボイド分布の整合性のとれた当
該時点の炉心状態に近い値になる。このため、核熱水力
計算の収束性が向上し、全炉心性能計算の高速化を図る
ことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
原子炉炉心性能計算装置を図面を参照して説明する。図
１は、本発明の一実施形態に係る原子炉炉心性能計算装
置の構成図である。１は原子炉、２は炉心、３は制御
棒、４は制御棒駆動装置、５は中性子検出器、６はプラ
ントデ−タ検出器、７はプラントデ−タ収集手段、８は
部分炉心領域指定手段、９は炉心性能計算手段、１０は
出力分布及び核定数保存手段、１１はマンマシンインタ
フェ−スである。

【００２０】いま、図２に示す１／４炉心の径方向断面
図において、図示する制御棒の軸方向位置をｘ1からｘ2
に変更する制御棒位置調整を考える。ここで、図では省
略しているが、当該操作制御棒の対称位置にある３本の
制御棒も軸方向位置をｘ1からｘ2に変更する。制御棒位
置調整を実施するにあたり、各制御棒操作による出力の
変動が常に熱的運転制限値以内で行われていることを、
炉心性能計算で出力分布を計算し確認する必要がある。

【００２１】従来、炉心性能計算の処理時間が長いため
に、図３に示すように、制御棒１本毎の実行は省略し
て、４本の操作対象の制御棒がすべてｘ2位置になった
時点で全炉心性能計算を実行する。この方法では、炉心
性能計算の出力分布の初期値や核定数として制御棒位置
がすべてｘ1位置にある前回の炉心性能計算の結果を利
用するので、現状の炉心状態とは大きく異なった初期状
態から計算することになり、核熱水力計算で収束するま
でに多数の繰返し計算が必要であった。

【００２２】そこで、本発明実施形態では、各制御棒操
作の炉心への影響は当該操作制御棒の周囲に限られるこ
とに注目し、図１の部分炉心領域指定手段８により制御
棒操作毎に変化のあった部分炉心領域を指定して炉心性
能計算手段９で当該部分炉心領域の炉心性能計算を実行
し、出力分布及び核定数保存手段１０で出力分布の初期
値と核定数を随時更新する。

【００２３】図４は、本発明実施形態による炉心性能計
算の実行手順を示すフローチャートである。ステップ１
０１では、あらかじめマンマシンインタフェ−ス１１か
ら部分炉心領域及び全炉心性能計算を実行する条件を操
作する制御棒位置に基づいて設定する。ここでは、当該
操作制御棒４本のうち、はじめの３本の軸方向位置がそ
れぞれｘ1からｘ2位置になった各時点で部分炉心領域で
炉心性能計算を実行し、最後の制御棒の軸方向位置がｘ
2位置になったときに全炉心性能計算を実行するように
設定する。ステップ１０２では、当該制御棒操作を開始
する。ステップ１０３では、制御棒駆動機構４と中性子
検出器５とプラントデ−タ検出器６からそれぞれ設定周
期でプラントデ−タ収集装置７に炉心現状デ−タを取り
込む。

【００２４】ステップ１０４では、部分炉心領域指定手
段８が、プラントデ−タ収集装置７から入力した制御棒
３の位置とステップ１０１で設定した炉心性能計算の実
行条件から、部分炉心性能計算か全炉心性能計算かを判
定する。ここで、当該操作制御棒４本のうち、はじめの
３本の軸方向位置がそれぞれｘ1位置からｘ2位置に到達
した場合には、ステップ１０５以下の処理で部分炉心領
域について炉心性能計算をする。一方、最後の制御棒の
軸方向位置がｘ2位置に到達した場合には、ステップ１
０９以下の処理にとんで全炉心性能計算をする。

【００２５】まず、部分炉心領域の炉心性能計算を実行
する場合を説明する。ステップ１０５では、操作制御棒
位置と事前に設定した中性子検出器指示値の偏差制限値
を越える中性子検出器５を備えるストリング位置から、
部分炉心領域指定手段８より炉心性能計算を実行する部
分炉心領域を決定する。この部分炉心領域の具体的な決
定方法例は後ほど詳述する。

【００２６】ステップ１０６では、ステップ１０５で決
定した部分炉心領域において炉心性能計算を実行するた
めに、部分炉心領域の境界における出力や部分炉心領域
を通過する炉心流量等の境界条件として、前回の炉心性
能計算結果を出力分布及び核定数保存手段１０から炉心
性能計算手段９に入力する。

【００２７】ステップ１０７では、プラントデ−タ収集
手段７から入力した炉心現状デ−タと、出力分布及び核
定数保存手段１１から入力した当該部分炉心領域の出力
分布の初期値および核定数と、ステップ１０６で定めた
境界条件で、炉心性能計算手段９において３次元核熱水
力計算を実行し、当該部分炉心領域の熱的運転制限値を
計算する。この計算結果はマンマシンインタフェ−ス１
１に出力する。

【００２８】ステップ１０８では、ステップ１０７の計
算結果に基づき、当該部分炉心領域について、出力分布
の初期値と核定数の更新と保存を出力分布及び核定数保
存手段１０で行う。

【００２９】次に、全炉心性能計算を実行する場合を説
明する。ステップ１０９では、プラントデ−タ収集装置
７から入力した炉心現状デ−タと、出力分布及び核定数
保存手段１０から入力した当該時点の出力分布の初期値
および核定数を用いて、炉心性能計算手段９で全炉心性
能計算の設定をする。

【００３０】ステップ１１０では、ステップ１０９の設
定に基づき、炉心性能計算手段９で全炉心対象に３次元
核熱水力計算を実行し、熱的運転制限値を計算する。こ
の計算結果はマンマシンインタフェ−ス１１に出力す
る。また、この全炉心性能計算の結果を用いて出力分布
及び核定数保存手段１０で出力分布の初期値と核定数を
更新して保存する。

【００３１】以上の状況を時系列的に表現すると図５の
ようになる。従来は何もしなかったはじめの３本の各制
御棒操作のそれぞれの終了段階において、本発明実施形
態では、当該制御棒操作に関する部分炉心領域に対し炉
心性能計算を実行する。これにより、４本目の制御棒操
作の終了段階で実行する全炉心性能計算に必要な出力分
布の初期値と核定数が、出力分布とボイド分布の整合性
のとれた当該時点の炉心状態に近い値として得られる。
このため、核熱水力計算の収束性が高まり、全炉心性能
計算の高速化が実現し、従来の待機時間が短縮し、次の
制御棒操作への移行が迅速に行われる。ここで、部分炉
心領域の炉心性能計算の実行は、計算点が全炉心性能計
算に対して十分少ないので、途中の制御棒操作を妨げる
ことはない。

【００３２】以下では、部分炉心領域指定手段８で行わ
れる部分炉心領域の決定法について説明する。前述した
ように炉心性能計算を実行する部分炉心領域は、操作し
た制御棒位置と事前に設定した中性子検出器の指示値の
偏差制限値を越える中性子検出器５のストリングの位置
とで決定する。

【００３３】図６は、炉心内の燃料集合体、制御棒３、
中性子検出器５のストリングの配置状況を示す部分炉心
の径方向断面図であり、図示していない部分についても
同様な位置関係が成り立っている。いま、図中マルで囲
った制御棒を操作するものとし、便宜的に、図中の中性
子検出器５のストリングにアルファベットａからｐを付
与した。

【００３４】まず、操作制御棒に対して、当該操作制御
棒周りの燃料集合体１６体を基本計算領域とする。も
し、当該基本計算領域に含まれないストリングの中性子
検出器が事前に設定した制限値を越えていなければ、上
記基本計算領域をそのまま計算領域とし、この計算領域
を燃料集合体１体の層で取り囲む境界領域とを合わせ
て、炉心性能計算で実行する部分炉心領域と決定する。
ここで、境界領域は計算領域の出力分布の境界条件を設
定する。一方、上記基本計算領域以外のストリングの中
性子検出器が制限値を越えた場合には、当該操作制御棒
に対する基本計算領域に対して、下記のル−ルで補正す
る。

【００３５】［ル−ル１］制限値を越えた中性子検出器
のストリングを含む燃料集合体４×４体分の部分領域を
選択計算領域とする。すなわち、選択計算領域の外周に
中性子検出器ストリングがあるような領域の取り方を禁
止する。 ［ル−ル２］選択計算領域は、基本計算領域と合わせた
体積が最小になる配置を選択し、これを計算領域とす
る。 ［ル−ル３］ル−ル２で複数の候補があるときには（例
えば、基本計算領域と選択計算領域の境界が接する配置
のとき）、計算領域の表面積が最小になる配置を選択す
る。

【００３６】上記ル−ルに従って決定した計算領域に対
し、燃料集合体１体の層で取り囲む境界領域とを合わせ
たものを部分炉心領域と決定する。以上の方法により部
分炉心領域指定手段８で決定した部分炉心領域の例を図
７から図９に示す。

【００３７】図７は中性子検出器ストリングａのみ変化
した場合の部分炉心領域である。これは、計算領域が基
本計算領域と一致するケ−スで部分炉心領域は燃料集合
体３６体分（４．７％）である。

【００３８】図８は中性子検出器ストリングａとｂのみ
変化した場合である。これは、ル−ル１と２に従って計
算領域が基本計算領域と選択計算領域が重なって構成さ
れるケ−スで、部分炉心領域は燃料集合体４８体分
（６．３％）である。

【００３９】図９は中性子検出器ストリングａとｆのみ
変化した場合である。中性子検出器ストリングｆを含む
選択領域は、ル−ル１と２のみでは複数の候補が生じる
ため、ル−ル３により図９に示す計算領域が決定する。
部分炉心領域は燃料集合体６０体分（７．９％）であ
る。ここで、上記カッコ内のパ−セント値は１１００Ｍ
Ｗ級沸騰水型原子炉の全燃料集合体数（７６４体）に対
する割合である。

【００４０】以上のように、部分炉心領域指定手段８
は、当該制御棒操作位置とその操作により変動した中性
子検出器のストリング位置で部分炉心領域を指定するの
で、操作する制御棒の価値に応じて自動的に部分炉心領
域の大きさを調整することができる。

【００４１】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。これまでは、制御棒位置調整における制御棒操作
は１本ずつ行うことを前提に述べてきたが、本実施形態
では、改良型沸騰水型原子炉で採用している複数の制御
棒を同時に操作する運転（通称、ギャング制御棒操作）
に対しも有効であることを図を用いて説明する。

【００４２】図１０は、第２実施形態に係る原子炉炉心
性能計算装置の構成図である。１は原子炉、２は炉心、
３は制御棒、４は制御棒駆動装置、５は中性子検出器、
６はプラントデ−タ検出器、７はプラントデ−タ収集手
段、８は部分炉心領域指定手段、９は炉心性能計算手
段、１０は出力分布及び核定数保存手段、１１はマンマ
シンインタフェ−スであり、これらの構成は第１実施形
態と共通であるが、本実施形態では、更に部分炉心領域
処理順序指定機能１２を備えている。

【００４３】ギャング制御棒操作では、複数の制御棒を
同時に操作するので、図１１に示すように、熱的運転制
限値を監視すべき出力変動領域が複数生じる。ただし、
上述した１本の制御棒操作による炉心反応度調整を複数
の制御棒で同時に行うので、１本あたりの反応度調整量
は小さくなり、各々の制御棒が周辺に及ぼす影響も小さ
くなると考えられる。従って、出力分布の初期値と核定
数の更新は複数の部分炉心領域で必要になるが、各々の
部分炉心領域の大きさは従来よりも小さくなり、部分炉
心領域同士が重複することは殆どないと考えられる。

【００４４】本実施形態は、上記の特性に注目してなさ
れたもので、互いに重複しない複数の部分炉心領域が与
えられたとき、部分炉心領域指定手段８に追加した部分
炉心領域処理順序指定機能１２によって、各部分炉心領
域を炉心性能計算手段９で実行する順序を指定する。

【００４５】図１２は、本実施形態による炉心性能計算
の実行手順を示すフローチャートである。ステップ１０
１からステップ１１０までの処理は図４で説明したもの
と同じであるが、本実施形態では、ステップ１０５と１
０６との間に、ステップ１１１を設け、部分炉心領域処
理順序指定機能１２が、部分炉心領域指定手段８で複数
指定した部分炉心領域の炉心性能計算手段９における実
行順序の指定を行う。

【００４６】例えば、図１３に示す全炉心径方向断面図
において、ギャング制御棒操作する４本の制御棒によっ
て生じた４か所の部分炉心領域に対して、時計周りで炉
心性能計算手段９で実行する順番を指定する。

【００４７】これより、改良型沸騰水型原子炉のギャン
グ制御棒操作によって、互いに重複しない複数の部分炉
心領域が生じたときでも、炉心性能計算手段９で実行す
る順序を指定する機能を設けることで、全炉心性能計算
に必要な初期の出力分布と核定数を、出力分布とボイド
分布の整合性のとれた当該時点の炉心状態に近い値とし
て得ることができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、全炉心性能計算の実行
に必要な初期の出力分布と核定数が、出力分布とボイド
分布の整合性がとれた当該時点の炉心状態に近い値とな
るので、核熱水力計算の収束性が向上し、炉心性能計算
の高速化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る原子炉炉心性能計
算装置の全体構成図である。

【図２】第１実施形態における操作制御棒を示す１／４
炉心説明図である。

【図３】従来の炉心性能計算実行状況を示す時系列図で
ある。

【図４】第１実施形態による炉心性能計算の実行手順を
示すフローチャートである。

【図５】第１実施形態による炉心性能計算実行状況を示
す時系列図である。

【図６】燃料集合体，制御棒，中性子検出器の炉内配置
を示す図である。

【図７】部分炉心領域の第１例を示す図である。

【図８】部分炉心領域の第２例を示す図である。

【図９】部分炉心領域の第３例を示す図である。

【図１０】本発明の第２実施形態に係る原子炉炉心性能
計算装置の全体構成図である。

【図１１】ギャング制御棒操作例を示す図である。

【図１２】第２実施形態による炉心性能計算の実行手順
を示すフローチャートである。

【図１３】複数の部分炉心領域の炉心性能計算の実行順
序の指定例を示す図である。

【符号の説明】

１…原子炉、２…炉心、３…制御棒、４…制御棒駆動機
構、５…中性子検出器、６…プラントデ−タ検出器、７
…プラントデ−タ検出器、８…部分炉心領域指定手段、
９…炉心性能計算手段、１０…出力分布及び画定数保存
手段、１１…マンマシンインタフェ−ス、１２…部分炉
心領域処理順序指定機能。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核熱水力計算モデルを内蔵する原子炉の
   炉心性能計算装置において、前回の全炉心性能計算時以
   降に行う部分炉心領域についての計算結果に基づいて次
   回の全炉心性能計算時の出力分布の初期値と核定数を補
   正する手段を備えることを特徴とする原子炉炉心性能計
   算装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記補正する手段
   は、前回の全炉心性能計算時以降の各制御棒操作に対し
   て、局所的に炉心性能計算を実行するための部分炉心領
   域を指定する部分炉心領域指定手段と、指定された部分
   炉心領域について核熱水力計算モデルに基づいて炉心性
   能計算を実行する炉心性能計算手段と、該炉心性能計算
   手段で求めた出力分布とボイド分布に基づいて当該部分
   炉心領域の出力分布の初期値と核定数を更新し保存する
   出力分布及び核定数保存手段とを備えることを特徴とす
   る原子炉炉心性能計算装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記部分炉心領域指
   定手段は、当該操作制御棒の位置とその操作により変動
   した炉内中性子検出器の位置に基づいて部分炉心領域を
   決定するものであることを特徴とする原子炉炉心性能計
   算装置。
4. 【請求項４】 請求項２または請求項３において、前記
   部分炉心領域指定手段で重複しない複数の部分炉心領域
   を指定した場合には、前記部分炉心領域指定手段が、前
   記複数の部分炉心領域に対して前記炉心性能計算手段で
   処理する順番を設定する機能を持つことを特徴とする原
   子炉炉心性能計算装置。