JPS58636B2 - 原子炉の出力上昇制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉特に液体減速形原子炉の出力上昇制御装
置に関するものである。

毒物を含有した液体減速材を使用する形式の原子炉とし
ては、現用の加圧水彩軽水減速原子炉や、重水減速軽水
冷却形原子炉が挙げられるが、重水を減速材として使用
する形式の原子炉は黙約として天然ウランを使用でき、
転換率も良いので次代の発電用原子炉として現在、我国
で開発が進められている。

重水減速軽水冷却形の発電用原子炉の開発に際して現在
問題とされているのは出力上昇運転時の出力制御方法で
ある。

よく知られているように、この形式の原子炉は出力係数
が比較的小さく、また、核反応により生じるキセノンの
濃度変化によって出力変動を生じやすい性質を有してい
るので、この原子炉に安定したゆるやかな出力上昇運転
を行わせることは困難であろうと考えられていた。

従来、この形式の原子炉、特に重水減速沸騰軽水冷却形
原子炉、の出力上昇運転時における出力制御方法として
は次の三種の方法が考えられていた。

すなわち、（ｉ）Ｂ４Ｃから成る制御棒を炉心から少し
ずつ引き出すことにより、出力を上昇させる方法。

（ｉｉ）重水減速材中から毒物（ボロン等）を除去して
出力を上昇させる方法。

（ｉｉｉ）重水減速材の炉心水位を上昇することにより
、出力を上昇させる方法。

が実用的であると考えられてきた。

しかしながら、本発明者の研究等によれば、これらの出
力上昇法にはそれぞれ次のような欠点があって、これら
の出力制御方法単独では高い信頼性と長い寿命とを要求
される発電用原子炉に適した出力上昇制御法となり得な
いことが判ってきた。

上記（ｉ）の方法における欠点は制御棒の炉心からの引
き抜きによって制御棒先端附近の中性子束が大きく変化
し、その結果、隣接する熱料枠の出力が急激に増大する
ことである。

これは制御棒の材質に基因するものであり、Ｂ４Ｃの如
き中性子吸収効果の大きい材料で作られた制御棒を使用
している前記形式の原子炉に特有の欠点である。

このように炉心の局部出力変化が大きいと、燃料の破損
確率も増大し、原子炉の経済性や安全性も低下するので
、前記形式の原子炉の出力上昇運転時の出力制御方法と
してこの方法を単独で使用することは問題がある。

第１図は前記形式の原子炉に於て上記（ｉ）の方法を出
力制御法として採用した場合の出力変化を一例として示
すものであり、制御棒を１ノツチだけ炉心から引き抜い
た時の隣接する核燃料の相対出力変化（炉心出力平均値
を１．０にとって表したもの）を示している。

第１図に於て横軸は炉心の軸方向出力分布相対値を示し
、縦軸は炉心の軸方向位置を示すもので炉心軸方向長さ
を１６等分して座標としである。

また、図上、実線で示される曲線は制御棒を８ノツチだ
け炉心に挿入した場合の炉心軸方向における出力分布を
示し、破線の曲線は１ノツチだけ多い９ノツチ分、制御
棒を炉心に挿入した場合の炉心軸方向出力分布を示す。

第１図から判るように、同一軸方向位置における出力変
化は図中ｌで示されるように極めて大きく、しかも出力
分布のばらつきも炉心軸方向に沿って極めて大きい。

このように、Ｂ４Ｃ材からなる制御棒の炉心からの引抜
き操作によっては出力変動率が極めて大きくなるので燃
料の破損確率が急増し、好ましくない。

実験によれば、Ｂ４Ｃ材から成る制御棒の炉心からの引
抜きによって前記原子炉の出力上昇を行った場合の出力
上昇率は安全な出力上昇基準値の１０倍近くの大きさに
達することが判っている。

上記（ｉｉ）の方法における欠点は液体減速材中の毒物
除去後にその効果が炉心中に伝達される時間遅れが大き
いことであり、制御棒操作による出力制御法に較べて応
答性が極めて悪いことである。

従って、炉心の燃料体中に蓄積されたキセノンの濃度の
過度的変化に基因する出力変動を制御することができず
、この点に於て、この方法単独で前記形式の原子炉の出
力制御を行うことは不可能である。

しかしながら、この方法のよい点は減速材中から毒物を
除去しても出力分布が殆んど変化せず、従って燃料の破
損確率が上昇する恐れが全くないことである。

第２図は減速材中の毒物除去による出力制御方法の欠点
を説明するための図であり、毒物除去を一定時間間隔で
行って（たとえば一時間間隔）出力上昇を行った場合の
シミュレーションの結果を示す。

第２図に於て横軸は出力上昇開始時からの経過時間、縦
軸は原子炉の出力比及び炉心のキセノン濃度を表す。

また、実線の曲線Ａは原子炉の出力変化、破線の曲線Ｂ
は炉心におけるキセノン濃度の変化を示す。

この図から、キセノン濃度の過度的減少に伴って原子炉
出力は急激に上昇するが、キセノン濃度の上昇とともに
原子炉出力も急激に下降してしまうことが判るであろう
。

従って、キャノン濃度の過度的変化に応じて毒物除去、
もしくは毒物添加を迅速に行う必要があるが、毒物除去
もしくは毒物添加の効果は前記したように相当なタイム
ラグの後に現れてくるのに反して、炉心におけるキセノ
ン濃度の変化はそれよりも早いので、この方法単独では
応答の早い出力制御を行うことは困難である。

前記（ｉｉｉ）の方法はＢ４Ｃ制御棒による出力制御法
はどは炉心出力分布の変動を引き起さないが、減速材の
液面近傍の燃料の局所的出力増大を招来する傾向があり
、この点に関してこの方法単独では前記形成炉の原子炉
の出力制御法として好ましないと言える。

特に、この方法によると、減速材液面が上下動されるた
め、燃料及び燃料を包囲しているカランドリア管が減速
材の液面上に露出するので、放射線遮蔽の点からも、ま
たカランドリア管の冷却の点からも、望ましくない問題
を生じる恐れがある。

本発明の目的は、炉心出力分布の変動を抑制し、しかも
原子炉出力上昇時の燃料破損を防止することにある。

本発明の特徴は、液体ポイズン濃度を調節して原子炉出
力を所定の出力上昇率にて上昇させ、原子炉出力が出力
上昇率の所定の範囲からずれる時、原子炉出力を所定範
囲内の出力上昇率に保つように中性子吸収材としてステ
ンレス鋼を用いた制御棒を操作することにある。

本発明者は前記の如き種々の出力制御法の特性を検討し
再評価をなしていく過程に於て、本発明の如き出力制御
方法が前記形式の原子炉を実用的発電炉として使用する
際に最適な方法であることを見出した。

そして、本発明は液体減速形原子炉のうち、比較的中性
子吸収断面積の小さい材料から成る制御棒を具備した原
子炉に対して特に有効であることから、本発明は、この
ような形式の原子炉の出力上昇制御装置を提供するもの
である。

次に、第３図及び第４図を参照して本発明の基礎となる
事実について説明する。

一般に、ステンレス鋼（鋼種５ＵＳ）等のように比較的
小さい中性子吸収断面積を有する材料で制御棒を製作し
た場合、その制御棒の操作による炉心出力分布の変化は
、従来のＢ４Ｃ材製の制御棒の操作によるそれよりもは
るかに小さく、たとえば第３図に示される通りである。

第３図に於て、横軸は炉心軸方向出力分布の相対値（炉
心出力平均値を１．０にとって示しである）を示し、縦
軸は炉心の軸方向位置を１６等分して座標としである。

第３図に於て実線の曲線はＳＵＳ鋼製制御棒を炉心に８
ノツチ挿入した場合の出力分布を示し、破線の曲線は同
制御棒を炉心に９ノツチ挿入した場合の出力分布を示す
。

この図から判るように、制御棒の１ノツチ挿入分による
出力分布の変動（第３図に於て各曲線上の同一高さ位置
の対応点間の水平距離）は第１図のそれに較べて極めて
小さい。

このことは、ステンレス鋼等から成る制御棒が従来のＢ
４Ｃ製制御棒に比してその操作により炉心出力分布に大
きな変動を与えないということを意味する。

そして、このことはステンレス鋼のみならず、他の中性
子吸収断面積の小さい材料製の制御棒によっても同じ効
果が得られることをも意味している。

一方、前記のステンレス鋼製の制御棒による出力制御法
を含め、前記公知の種々の出力制御法による特性を比較
すると第４図の如き線図が得られる。

第４図は横軸に総出力の変化百分率をとり、縦軸に炉心
の局部出力の変化百分率をとって、前記各出力制御法が
総出力に対して局所出力に及ぼす影響を比較図示したも
のである。

この図から判るように、線Ｃで表示されるＢ４Ｃ材製制
御棒による出力制御法は横軸に対して最も大きな傾きを
有し、線りで表示されるステンレス鋼製制御棒による出
力制御法は第二番目に大きな傾き角度を有し、第三番目
の傾き角度を有する線Ｅは前記（ｉｉｉ）の重水減速材
の液面変化による出力制御法により得られ、最も小さい
傾き角度を生ずる線Ｆは前記（ｉｉ）の減速材中の毒物
除去による出力制御法により得られる。

この事実から、前記五種の出力制御法のうち、原子炉の
出力上昇運転中に炉心出力分布に変動を与えない出力制
御法は液体減速材中の毒物を除去していく出力制御法で
あることが判る。

因みに第４図に於て各線の勾配は、線Ｃが２．８、線り
が１．７、線Ｅが１．４、線Ｅが１．０であり、このこ
とから、液体減速材中の毒物を除去していく出力制御法
によると、総出力変化の割合に対して局所出力変化は１
：１に対応し、従って、この出力制御法によれば、原子
炉の出力上昇運転中に殆んど局所出力変化を生じないこ
とが推論される。

従って、第４図に示された各種出力制御法の特性比較か
ら前記原子炉の出力上昇運転時の出力制御法としては、
液体減速材中から毒物を除去していく方式の出力制御法
が最も適していることが結論づけられるのである。

他方、局所出力の変動の補償のためには成るべく小さな
局所出力変動を生じやすく、しかも応答の早い出力制御
法が望ましく、この目的に対しては減速材水位の制御に
よる出力制御法よりは制御棒操作による出力制御法が適
しているが、前記したようにＢ４Ｃ製制御棒は中性子吸
収能力が高すぎるため、炉心出力分布に過大な変動を生
ぜしめ易く、局所出力の微小な制御が困難になるという
欠点を有している。

従って、以上の検討から、前記形式の原子炉の出力上昇
運転の出力制御法として、全体の出力上昇制御を減速材
中の毒物除去に基づく出力制御法で行ないつつ、局部出
力変動を中性子吸収能の低い制御棒の操作で補償するこ
とにより、前記原子炉における極めて安定な出力上昇運
転が可能になると結論される。

本発明は以上の検討と事実とに基づいてなされたもので
あり、以下に添附図面の第５図乃至第７図を参照して本
発明の実施例について説明する。

第５図は本発明を実施するための装置と本発明が適用さ
れる原子炉の一部とを示す概略図である。

第５図に於て、符号は重水減速沸騰軽水冷却形原子炉の
炉心を構成するカランドリアタンクを表し、このカラン
ドリアタンク１内には減速材たる重水２が満されている
。

カランドリアタンク１内にはそれを上下に貫通してカラ
ンドリア管すなわち圧力管３が延在し、この圧力管３内
には核燃刺体４が挿入されるとともに圧力管３の下方か
ら上方に向って該圧力管３内を軽水冷却材が圧送されて
いる。

カランドリアタンク１内にはまた、軸方向に沿って数個
のノズルを有する重水入口管５が配置され、この重水入
口管５の入口端はカランドリアタンク１の外部の重水循
環管路すなわち重水循環ループ６に接続されている。

重水循環ループ６の他端はカランドリアタンク１の底面
に開口し、カランドリアタンク１内の重水を該ループ６
内に導くようになっている。

重水循環ループ６は、重水入口管５の入口の上流側に設
けられた第一のバイパス管路７と、カランドリアタンク
１の底部の下流側に設けられた第二のバイパス管路８と
を有しており、第一のバイパス管路７には毒物除去塔９
と一対の制御弁１０，１０とが設けられ、第二のバイパ
ス管路８には重水浄化器１１と弁１２とが設けられてい
る。

そして更に、該重水循環ループ６には、第一のバイパス
管路７の上流側に毒物溶解槽１３と弁１４とが接続され
るとともに、第二のバイパス管路８の上流側に重水循環
ポンプ１５が設けられている。

カランドリアタンク１内にはカランドリア管３に隣接し
て制御棒１６が配置され、この制御棒１６は公知の制御
棒駆動機構１７に機械的に連結されている。

この制御棒１６は中性子吸収断面積の比較的小さいステ
ンレス鋼で構成されているものである。

即ち、燃料破損を生じない出力変化を示す程度の中性子
吸収断面積を有する素材から構成されている。

カランドリアタンク１内には更に、公知の中性子計測器
１８が配置され、これは公知の出力変換器１９に電気的
に接続されている。

以上に説明された部分のうち、毒物除去塔９とその前後
に設けられた制御弁１０，１０はこれから説明する本発
明装置の一部を成す構成要素であるが、他の部分は公知
の重水減速沸騰軽水冷却形原子炉の構成部分もしくはそ
の附属装置である。

本発明装置は、原子炉の出力上昇運転時における出力上
昇率上限値と同下限値とを設定する出力上昇率設定器２
０、出力変換器１９の出力信号に基づいて単位時間（た
とえば毎分当りの）当り出力を演算する単位時間出力演
算器２７、前記出力上昇率設定器２０から印加される設
定出力信号と単位時間出力演算器２７の出力信号とを比
較する出力判定器２１、出力判定器２１の出力信号が印
加される制御棒駆動信号発生器２２、前記制御棒駆動信
号発生器２２の出力信号に基づいて制御棒駆動機構１７
をある操作シーケンスに従って駆動させる制御棒操作シ
ーケンス指示装置２３、前記制御棒駆動信号発生器２２
の出力信号に基づいて制御棒駆動時間を演算し、且つ、
それを記憶する制御棒駆動時間記憶装置２４、前記制御
棒駆動時間記憶装置２４の前記記憶値と別に設定された
前記毒物除去塔９の作動時間及びその作動間隔とが入力
され、前記記憶値により前記作動時間及び作動間隔を修
正し、これを記憶する毒物除去塔作動時間及び作動間隔
記憶装置２５、前記毒物除去塔作動時間及び作動間隔記
憶装置の出力信号により駆動される毒物除去塔作動信号
発生器２６、前記毒物除去塔作動信号発生器２６の出力
信号に応じて所定の時間及び時間間隔で開閉される前記
弁１０、を有している。

次に、本発明装置の機能と作動を明らかにするために、
前記の構成要素について更に詳細に説明する。

出力上昇率設定器２０は原子炉の出力上昇運転時の出力
上限値ＰＵと出力下限値ＰＬとを設定してこれを出力判
定器２１に入力するための装置である。

一般に出力上昇運転中、原子炉出力は運転時間に一次比
例して直線的に増加することが望ましいが、実際にはこ
のようなことは不可能であるから、たとえば第６図に示
されるようにある上限値ＰＵと下限値ＰＬとの間で変動
しながら全体として運転時間に一次比例して出力増加が
行なわれるように制御できればよい。

従って、上限値ＰＵと下限値ＰＬとは時間ｔの一次関数
として表わされ、ＰＵ＝ｍｔ＋ａ、ＰＬ＝ｍｔとして与
えられる。

ここに、ｍ、ａ、原子炉の容量や特性を考慮して定めら
れる定数である。

（第６図に於て横軸は出力上昇運転開始後の経過時間、
縦軸は原子炉熱出力百分率である。

）ＰＵ、ＰＬを前記の如き一次式に定めた場合、出力上
昇率設定器２０には定数ｍ、ａが手動で設定され、該出
力上昇率設定器２０からはＰＵ。

ＰＬが出力判定器２１に向けて出力される。

出力判定器２１は単位時間出力演算器２７から入力され
る原子炉単位時間出力Ｐとこれらの設定値ＰＵ、ＰＬと
を比較し、もしＰが第７図にＧで示されるようにＰＵを
超えた時には制御棒駆動信号発生器２２にたとえば負の
極性の信号を持続的に印加し、また、Ｐが第７図にＨで
示されるようにＰＬを下回れば制御棒駆動信号発生器２
２に、たとえば正の極性の信号を持続的に印加する。

出力判定器２１の出力信号の持続時間はたとえばＰの曲
線とＰＵ、ＰＬの直線との交差角θに基づいてもよい。

制御棒駆動信号発生器２２は出力判定器２１からの入力
信号が継続している間中駆動され、出力判定器２１から
の入力信号の極性とその持続時間に応じて負の極性のパ
ルス信号もしくは止の極性のパルス信号を制御棒操作シ
ーケンス指示装置２３と制御棒駆動時間記憶装置２４と
に印加する。

制御棒操作シーケンス指示装置２３はこの入力信号のパ
ルス数と極性とに応じて制御棒駆動機構１７を制御棒引
き抜き方向もしくは制御棒挿入方向に所定ノツチ数だけ
駆動させる操作信号を出力する。

一方、制御棒駆動時間記憶装置２４は前記制御棒駆動信
号発生器２２の出力信号に基づいて制御棒挿入方向駆動
時間と制御棒引き抜き方向駆動時間とを得て、これを記
憶するとともに毒物除去塔作動時間記憶装置２５にたと
えはパルス信号の形で印加する。

この制御棒挿入方向駆動時間はたとえば第７図に示され
るΔｔ１であり、また、制御棒引き抜き方向駆動時間は
第７図に示されるΔｔ２である。

毒物除去塔作動時間記憶装置２５は記憶機能と演算機能
とを有し、この装置２５には手動により毒物除去塔設定
作動時間Ｔと毒物除去塔設定作動間隔ΔＴとが入力され
るようになっている。

毒物除去塔作動時間記憶装置２５はこれらの設定入力を
制御棒駆動時間記憶装置２４の出力Δｔ１によって次式
に基づいて修正し、この修正した値Ｔ１゜ΔＴ１に対応
する出力信号を発生する。

前記の毒物除去塔作動時間記憶装置２５に於て行なわれ
る演算は、 Ｔ１＝Ｔ−αΔｔ ΔＴ１＝ΔＴ−βΔｔ ここに、α、βは補正係数であり、予めの予測計算や、
起動試験結果によって決定される定数である。

Ｔ１．ΔＴ１にそれぞれ対応する大きさの信号が毒物除
去塔作動信号発生器２６に印加されると、毒物除去塔作
動信号発生器２６は弁１０を時間間隔ΔＴ１毎に時間Ｔ
１の間だけ開かせるように弁１０を制御する。

原子炉の出力が前記の制御操作によって変化すると、そ
の変化に応じて制御棒１６の挿入及び抜き出しの操作時
間は変化し、また、制御棒の操作方向と操作時間の変化
に応じて制御棒駆動時間記憶装置２４における記憶値が
置換され、更に、これに応じて毒物除去塔作動時間記憶
装置２５の記憶値が消去され新しい記憶値に置き換えら
れる。

このように、原子炉出力状態に変化がないかぎり、制御
棒駆動時間記憶装置２４と毒物除去塔作動時間記憶装置
２５のそれぞれの記憶値は消去されないので、その間は
毒物除去塔９は同じ時間及び同じ時間間隔で作動を続け
るが、原子炉出力ＰがＰＵを超えない状態が生じた時に
は前記のΔｔが零となり、毒物除去塔の作動時間と作動
間隔とは当初に設定した作動時間と作動間隔に一致し、
以後は制御棒操作を必要とせずに当初の出力上昇プログ
ラムに従って出力上昇運転が行なわれる。

第７図に於て、原子炉出力Ｐが予め定めた出力上限値Ｐ
Ｕと出力下限値ＰＬと沿って上昇するのは減速材中の毒
物除去操作に基づくものであるが、上下出力限界値間中
のＰの下降は核反応によるキセノン濃度の増加に基因す
るものである。

また、上下出力限界値ＰＵ、ＰＬ間でのＰの上昇は制御
棒の引き抜き操作に基づくものであるが、もし制御棒と
して従来のＢ４Ｃ材製の制御棒を使用したならば、第７
図に示すように原子炉出力を予定限界内に抑制すること
は全く不可能である。

以上説明せるように、本発明方法によれば中性子吸収能
の小さい制御棒の操作と減速材中の毒物濃度の制御とを
適切に組合すことにより、液体減速形原子炉の出力上昇
運転を安全に行なうことができる。

以下に本発明により得られる利点を列挙すれば下記の通
りである。

（ｉ）原子炉の炉心出力分布を変動させることなく出力
上昇運転ができるので、燃料の健全性を保つことができ
、原子炉の安全性が向上する。

（ｉｉ）出力上昇運動時のキセノン濃度の増加による出
力変動が防止され、運転が容易になる。

（ｉｉｉ）出力上昇運動時の炉内出力分布の歪を小さく
することができるので、炉心の熱水力学的パラメータ（
最大線出力密度、最小限界熱流束比など）の評価精度が
向上するほか、熱的限界値近傍まで熱出力を上げること
ができる。

なお、実施例に於ては、本発明が重水減速加圧重水冷却
原子炉に適用されるものとして説明したが、本発明は必
ずしもこの形式の原子炉のみにその適用を限定されるも
のではなく、他の形式の原子炉、たとえば加圧水膨原子
炉（ＰＷＲ）や重水減速加圧重水冷却原子炉（ＰＨＷＲ
）、にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はＢ４Ｃ製の制御棒の操作による炉心出力分布の
変動を示す図、第２図は重水減速形原子炉に於て減速材
中から毒物を一時間部に除去した場合の出力変化と、キ
セノン濃度変化により出力が受ける影響とを表わす線図
、第３図はステンレス鋼製制御棒の操作による炉心出力
分布の変動を示す図、第４図は重水減速形原子炉の各種
の出力上昇制御法の特性を比較して示した図、第５図は
本発明を実施するための装置の概略構成と液体減速形原
子炉の炉心の一部とを概略的に示す図、第６図は本発明
方法による出力上昇制御方法の概略を示す図、第７図は
本発明方法を説明するために第６図の一部を拡大して示
した図である。 符号の説明、９・・・毒物除去塔、１６・・・制御棒、
２０・・・出力上昇率設定器、２１・・・出力判定器、
２２・・・制御棒、駆動信号発生器、２３・・・制御棒
操作シーケンス指示装置、２４・・・制御棒駆動時間記
憶装置、２５・・・毒物除去塔作動時間記憶装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 液体ポイズン濃度調節手段および中性子吸収材を含
   む制御棒を有する原子炉の出力上昇制御装置において、
   前記中性子吸収材としてステンレス鋼を用いた制御棒と
   、所定の出力上昇率にて原子炉出力を上昇させるように
   前記液体ポイズン濃度調節する第１の制御手段と、前記
   原子炉出力が前記出力上昇率の所定範囲からずれる時、
   前記原子炉出力を前記所定範囲内に保つように中性子吸
   収材としてステンレス鋼を用いた前記制御棒を操作する
   第２の制御手段とを具備したことを特徴とする原子炉の
   出力上昇制御装置。