JPS6279397A - 高速炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野］ 本発明は高速炉の事故時の流量側脚装置および制御法に
関する。

〔発明の背景〕

一般に高速炉炉心内の冷却材温度は、循環ポンプによっ
て供給される冷却材流量と炉心の出力との比によって決
まる。すなわち、冷却材流ＩＩｋＦ（ｋｔ　／ｓｅｅ　
）　　ｆ　トリウム比熱Ｃｐ　（ｃａｌ／ｋｇｃ’ｌ炉
心出力Ｑ　（”’ｓｅｃ　）とするとき、炉心出入口で
の冷却材温度差ΔＴは。

Ｆ−Ｃｐ・ΔＴ＝Ｑ　　　　　　　　　・・・（１）で
与えられる。ここにΔＴは、 ΔＴ＝（炉心出口温度−炉心入口温度）である。冷却材
の流量は、ポンプを回転する電動機（以後ポンプモータ
ーと称す）の回転数を制御することによυ制御できる。

炉心の出力は、制御棒を操作することに°よシ制調でき
る。冷却材温度が沸点（９３０Ｃ）を越えると、冷却材
が沸騰し。

燃料棒の溶融等の破損を生じる可能性があるので。

冷却材温度が沸点を越えることは許されない。

また、出力／流量比（Ｑ／Ｆ）が急激に変化すると、炉
心出口の冷却材温か急激に変化し、原子炉の構造材に熱
応力を与えるので好ましくない。

従来、高速炉のポンプシステムは次のようなものであっ
た。外部電源はＭＦＧセットと呼ばれる電動機−流体継
手一発電機からなる。一連の発電システムへ供給される
。外部電源によって回転するＭＦＧセットの電動機は、
発電機を転し、これにより発電するが、′１動機と発電
機を継ぐ流体継手により、電動機から発電機へ伝えられ
るトルクを制御することができ、発電機の回転数ｆ１を
制御することができる。これにより、Ｍ　Ｆ　Ｇセット
による発電電力の周波数はｆ、となる。このＭＦＧセッ
トによる発電電力は、ポンプモーターである誘導電動機
に供給されて、ポンプを回転させるが、ポンプモーター
の回転数は、ＭＦＧセット電力の周波数ｆ、と等しくな
るので、結局流体継手により、ポンプ流量が制御される
ことになる。

一方、事故時に原子炉がスクラムされると、炉心出力は
、２〜３秒で定格の７％程度まで落ちる。

そこで従来は、スクラムと同時に、ＭＦＧセットへの電
源を切り、ＭＦＧセット、ポンプモーターおよびポンプ
を停止して、出力／流量化の急激な変化を防いでいた。

ポンプモーター−＼の電力が切られると、ポンプは慣性
のみで回転し、流量は指数関数的に減少するので、構造
材・＼の熱衝翠が緩流体継手の他に、ポツプモーターの
回転数を直接に制御する装置を設はスクラム時には、ポ
ンプモーターに制動をかけて、ポツプモーターを急停止
させ、出力の減少速度と流量の減少速度を近づけて、熱
衝撃を緩和している。

しかしながら、従来のポンプシステムでは、事故時にポ
ンプを停止するのみで、事故時に流量を適切に制御する
機構を有していない。このため、万一、原子のスクラム
が失敗した場合には、原子炉は停止せず、出力や冷却材
温度は過渡的な変動をするにもかかわらず、＃、亀のみ
が減少することになる。この結果、冷却材温度は上昇し
て、沸騰を起し、遂には、燃料や炉心の破損に至るとい
う問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、スクラムの失敗時の原子炉の過渡的挙
動を１手動スクラムにより原子炉を停止するまでの間、
冷却材の沸騰や燃料の破損を起さないように制御できる
制（ｌＩａ装置を有する原子炉を提供することにある。

〔発明の概要〕

スクラムに失敗した原子炉では、手動スクラムの処置が
ほどこされるまでの間、制御棒を用いて炉出力を制御す
ることはできない。このため、外部から制御しうるのは
、流量（又はポンプの回転数）のみとなる。同時に、高
速炉では、炉心の冷却材温度が上昇すると、炉心の熱膨
張によシ、中囲子のもれが大きくなり、負の反応度が入
るという性質があり、この負の反応度効果を原子炉の出
力の開開に利用することができる。

本発明の目的を達成するために１本発明では、先ず、原
子炉の出力、炉心出入口の冷却材温度。

流量などを検出する検出器系と、これらの信号を入力し
て、制菌流量を算出する演算器を設ける。

次に、ポンプ流量を制御するために、ポンプモーターに
供給される電源周波数を変化させる周波数変換器を設け
る。これは、外部電源喪失事故などの場合ＭＦＧセット
自体が停止するので、流体継手による流量側脚が不可能
になるためである。

また、外部電源喪失時には、ポンプを回す動力自体が失
なわれるから、蓄エネルギー素子として。

フライホイールをＭＦＧセットの回転動に取りつけ、外
部電源喪失時にも、ＭＦＧセットがしばらくの間回りつ
づけるようにする。

以上の装置を用いて、冷却材の流量を側副するが、外部
電源喪失事故などのときには、蓄エネルギー素子どして
のフライホイールの回転エネルギーを用いて、ポンプを
回すことになり、このときの回転エネルギーは、原理的
に、外部電源喪失時のポンプが流しうる冷却材の質量に
比例している。

蓄積されているエネルギーの量は有限であるから、でき
るだけ長時間の劃−をするためには、ポンプの流量をで
きるだけ節約して運転するべきである。

そのためには、流量を絞って、炉心冷却材温度ができる
だけ高くなるように制御する。

原子炉の負の反応度効果によシ、原子炉の出力は減少す
る傾向を示すので、さらに流量を減少させることができ
、全体としてポンプを駆動するエネルギーをかなり節約
できる。しかし、すでに述べたように、冷却材が沸騰し
たり、燃料が溶融することは許されないので、冷却材温
度には、上限値があり、上限値以下で、冷却材流量をで
きるだけ少なく制御する最適な制御が存在する。本発明
の演算器には、そのような最適値を算出する機能を含ん
でいる。上水のような、最適制菌をすることは、フライ
ホイール等の蓄エネルギー素子の設備容量を小さくでき
る利点があシ、あるいは、手動スクラムの処置を実施す
るまでの時間的余裕を増大させる利点がある。

〔発明の実施例」 以下、実施例を用いて本発明を説明する。第１因に本発
明の実施例を示す。外部電源９は、　ＭＦＧセットの電
動機３を回し、このトルクは、流体継手４を経て発電機
６に伝えられる。発ｇ！機６には蓄エネルギー素子とし
て、フライホイール５が設けられている。発電機６で発
電された電力は。

ポンプモーター２に供給されて、ポンプ１を転わし原子
炉に冷却材を供給する。冷却材の流１ｔは。

原子炉１２と熱交換器２０とを循環するループを構成す
る。発電機６とポンプモーター２の中間に。

周波数変換器１０を設ける。通常時は、流体継手により
、発電機６の電力周波数を制御してポンプモーター２の
回転数を制御するが、スクラム時には１発電機６の電力
周波数を周波数変換器１０で制御してポツプモーター２
の回転数を劃−する。

原子炉からは、炉心出力Ｑ、冷却材流量Ｆ、炉心入ロ冷
却材温度’ｐ　ｉｎ、炉心出口冷却材１Ｍ度Ｔｏｕｔを
検出する検出器と信号ライン１２．１７，１４゜１６の
各ラインが設けられている。さらに演算器１８が設けら
れており、信号ライン１２．１７゜１４．１６は、演算
器１８につながれている。

演算器１８は、次の・機能を有している。

冷却材が沸騰しないための冷却材温度の上限値’ｐ　ｃ
、　ｍａＸと燃料が溶融しないための燃料温度の上限値
Ｔｆ、　ｍａｘ　　をあらかじめ与えておく。現実的な
値は、ＴＣ，ｍａｘが８８０Ｃ程度、　Ｔｆ、　ｍａｘ
が２２００ｔｌｌ’程度である。

演算器は、次の演算をおこなう。

（１）燃料温度がＴｆ、ｍａｘとなるときの冷却材温度
Ｔｃ、　ｆを計算する。’ｌ’ｃｆはＴ（ｍａＸＩ　　
Ｑ。

Ｔｉｎ　の関数として Ｔｃｆ　＝　ｆ　（Ｔｆ、　ｍａｘ、　Ｑ、　Ｔｉｎ）
　　　・・（２）で計算される。関数ｆは、設計計算又
は実験によシ求めておき、アナログ又はデジタルのプロ
グラムとして演算器に内蔵しておく。

（２）　　ＴｃｆとＴｃ、　ｍａｘのうち小さい方をＴ
ｍとして定める。

Ｔｍ　＝　Ｍｉｎ　（Ｔｃｆ、　　Ｔｃ、　ｍａｘ　）
　　　　−（３）（３）炉心出口温匿がＴｍとなるよう
な流量Ｆｍを鼻出する。

Ｆｔｎ　＝　ｇ　（Ｔｍ　、　Ｑ、　Ｔｉｎ　）　　　
　　　・・（４）ここで・関数ｇは、（１）式を用いる
ならば１で与えられる。

（４）流ｉＦｍを与えるポンプの回転数ｆ１を算出する
。

ｆ−”ｈ　（Ｆｍ）　　　　　　　　　　　＝・（５）
ここで関数りは、ポンプのトルク％曲から決まる。

（５）°　崩壊熱除去のために最小限必要なポンプの回
転数をｆＩＩＩｇｌとする。これは補助冷却系として、
設けられているポニーモータ−７の回転数と等しい。ｆ
ｍとｆ、のうち大きい方をｆ、として定める。

ｆ、　＝　ＭａＸ　（ｒ、、、　　ｆＭ　、］　　　　
　　−（ａ）以上のようにして、演算ａ１８によって算
出された回転数らは、信号ライン１９により、川波数変
換器１０に伝送される。周波数変換ａｔｏｒｔ。

発電機６による電力の周波数をｆ、に変換する。

この結果ポンプ１の回転数はｆ、　　となる。

本実施例による動作を事故時のスクラムが成功した場合
と失敗した場合について述べる。

スクラムに成功した場合、炉心出力Ｑは急速に減少し、
崩壊熱レベルに達する。このため、（４）式および（５
）式であたえられる。冷却材流量Ｆｍポンプ回転数ｆ１
　も小さくなり、流ｎが急速に絞られる。しかし、（６
）式による流量が崩壊熱除去レベル以下になることはな
い。本制御方法により、ポンプには実際上ブレーキがか
けられることになる。

スクラムに失敗した場合、炉心出力Ｑはかならずしも減
少せず、原子炉は過渡的な変化をする。

代表的な事故である流量喪失事故と過出力事故を取シ上
げる。

第２図に、外部電源喪失事故（流量喪失事故）の場合の
過渡変化を示す。外部電源喪失事故の場合、（３）式で
与えられるＴｍは、定格の炉心出口温度（５３０Ｃ’）
よりも高い。このため、初期には。

流量を絞シ冷却材温度が上昇するように側御が行なわｔ
’Ｌる原子炉の反応贋湛度係数は、約−２Ｘ１０−’Δ
に／Ｃであるので、冷却材温度が上昇することにより、
出力は、第２図のように減少する。出力の減少にあわせ
て流量も減少するように制御される。

ポンプ流量の曲線を時間的に積分した第２図の斜線部分
がフライホイールに蓄積されていたエネルギーのする仕
事に比例している。初期に冷却材温度を急速に立ち上げ
ることにより、原子炉の負の反応度効果を積極的に利用
できるので、フライホイールのエネルギーを節約するの
に役立つ。

約２０分にわたシ、冷却材が沸騰することなく事故は推
移し、この間１手動スクラムにより原子炉を停止するこ
とができる。

尚、事故の初期にポンプ流量を急激に下げる過程では、
ポンプの回転速度の方が誘導電ｋＪＪ機２を回す動作と
なるので、誘導電動機は発電機として動作し、フライホ
イールのついたＭＦ’Ｇセットにエネルギーを蓄えるこ
とになる。結局１本運転法におけるエネルギーの偵失は
、電気機器の１近気損と１回転体および流体のまさっ損
だけでめり、これらは蓄エネルギー量に比して十分に小
さい。

本運転法による炉心出ガの低下は、冷却材＆［の上昇に
よる反応度効果によるものであるから。

原子炉を完全に安全に止めるためには１手動スクラム等
の何らかの負の反応度を投入する処置を構じなければな
らない。本運転法を用いることにより、上記の処置をす
る念めの十分な時間的余裕が生じることになる。フライ
ホイールに蓄えたエネルギーを消費した後は、ポニーモ
ータ−７により。

崩壊熱除去レベルに流量を維持すればよい。

従来のものでは１本発明のように、演算器をもちいたフ
ィードバック制御の概念が含まれていないので、スクラ
ム発生後の最適な流量側−ができない。従来技術では、
外部電源喪失事故の場合。

第３図のような過渡変化となる。ここでは、ポンプ流量
は、指数関数的に減少するのみである。流量減少をゆる
やかＫするため、大きな慣性モーメントを有するフライ
ホイールが必要となる。！＠３図の場合、流量の半ｒｓ
Ｎ、時間は約４０秒であ′る。流量の減少とともに冷却
材崗度が上昇するが、原子炉には負の反応度か入る之め
に、出力は秋少し。

冷却材は沸騰することがない。ポンプ流量の半減時間を
４０秒以下に設定する（すなわち、フライホイールの慣
性モーメントを小さくする）と、出力／流量比が大きく
なり炉心出口温度は沸点を越える。第４図の斜線部分は
１本発明の実施例（第２図）を用いた場合と従来技術（
第３図）を用いた場合とのポンプ流量の差である。本発
明の方がポンプの駆動する流量を約１７２　に節約でき
る。

これは、フライホイールの蓄４責エネルギーが約１／２
　　ですむことになる。

次にスクラムに失敗した過出力事故の場合の過渡変化を
述べる。第５図に、本発明の実施ｔ＋ｌｊ（４１図）に
よる過出力事故時の過渡変化を示す。

本来、過出力事故では、外部電源９の喪失は仮定されな
いので、ポンプを駆動するエネルギーは常に供給可能と
考えられる。過出力事故では、出力が定格出力を越えて
しまうので、（３）式のＴｍは。

しばしば、燃料が溶融しない念めの上限値Ｔ　ｃ　ｆで
規定される。炉心出口４Ｋが、（３）式のＴｍになるよ
うに流量は制御きれる。冷却材温度の上昇にょシ原子炉
には負の反応度が入る。この負の反応度が、過出力事故
の原因となった正の反応五よシも大きければ、出力はし
だいに減少するが、正の反応度効果の方が大きければ、
出力は増大しつづける。出力が増大しつづける場合には
、いずれは、燃料の溶融や冷却材の沸騰に至る。その場
合でも、本発明を実施することにより、燃料の溶融や、
冷却材の沸騰に至るまでの時間を最大限に引き伸すこと
ができる。従来技術では、演算６１８会用いた流量のフ
ィードバック副−ができないため、流量は指数関数的に
減少するのみであり、スクラムに失敗した過出力事故で
は直ちに冷却材の沸騰を起すことになる。

〔発明の効果〕

以上に述べたごとく１本発明によれば、原子炉の事故時
にスクラムに失敗しても１手動スクラムにより原子炉を
停止するまでの闇、冷却材の沸騰や燃料の破損を起さな
いように、制御棒を用いることなく、原子炉を制御する
ことができる。

主冷却系のポンプかＭＨＤ方式のポンプであれば、ポン
プに印加する直流電圧を制御することにより、本発明と
同様の制御を実施できる。この場合、ｌＶＦ’Ｇセット
の流体継手は必要でなくなり。

周波数変換器は、より構造の簡単な整流器におきかえる
ことができるなど、さらに設備容屑を低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す機器システムの構成図
、第２図は本発明を実施した場合のスクラムに失敗した
流量喪失事故時の出力、流量、炉心出口温度の１咥時変
化を示す線図、ＷＪ３図は従来技術におけるスクラムに
失敗し、た流量喪失事故時の出力、流量、炉心出口温度
の経時変化を示す線図、第４図は本発明（第２図）と従
来技術（第３図）におけるポンプ流量の差の説明図、第
５図は本発明を実施した場合のスクラムに失敗した過出
力事故時の出力、流量、炉心出口温度の経時変化を示す
線図である。 １・・・ポンプ、２・・・ポンプモーター、３・・・電
動機、４・・・流体継手、５・・・フライホイール、６
川発電機、７・・・ポニーモータ−１８・・・補助電源
、９・・・外部電源、１０・・・尚波数変換器、１１・
・・炉心、１２・・・原子炉容器、１３・・・制御棒駆
動機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、炉心を内蔵する原子炉容器と前記炉心に冷却材を供
   給する循環ポンプを有する冷却系および炉心出力を制御
   する制御棒を有するナトリウム冷却高速炉において、炉
   心出力、炉心出口冷却材温度炉心入口冷却材温度、炉心
   流量の各々を検出する検出器と、これらの検出器の出力
   信号を用いて、炉心内燃料棒の中心温度を算出する演算
   器を有し、かつ、演算器の出力信号によつて制御され、
   循環ポンプを直接に駆動している電動機の電源周波数を
   変化させることにより電動機の回転数を変化させる回転
   数制御器、および、電動機の電源電力を発電する発電機
   に接続され発電電力の一部を蓄積する蓄エネルギー素子
   を具備してなることを特徴とする高速炉。