(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉内蔵型の再循環ポンプを複数有する沸騰水型原子力発電所において、
（ａ）再循環ポンプの全台数運転時における原子炉の運転領域を設定する手段と、
（ｂ）再循環ポンプの部分台数運転時における原子炉の制限運転領域を再循環ポンプの運転台数に応じて設定する手段と、
（ｃ）前記運転領域上に原子炉の運転点と前記制限運転領域とを表示する手段と、
（ｄ）再循環ポンプの部分台数運転時には、前記運転点を前記制限運転領域内に制限する手段と
を有することを特徴とする運転領域制限システム。
【請求項２】
前記（ａ）の原子炉の運転領域を設定する手段が、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）信号に時間遅れ（時定数Ｔ）をもたせた原子炉出力信号、炉心流量信号および再循環ポンプの運転台数を検知した運転台数信号から原子炉の運転領域を求める手段を有することを特徴とする請求項１記載の運転領域制限システム。
【請求項３】
前記（ｂ）の原子炉の制限運転領域を再循環ポンプの運転台数に応じて設定する手段が、減速材ボイド係数、燃料集合体の種類、初期運転点および原子炉運転時の異常な過渡変化をパラメーターとして、原子炉の熱的余裕が再循環ポンプの全台数運転時と実質的に同等になるように、再循環ポンプの運転台数に応じて最大原子炉出力と最大炉心流量を設定する手段を有することを特徴とする請求項１記載の運転領域制限システム。
【請求項４】
前記（ｄ）の運転点を前記制限運転領域内に制限する手段が、前記運転点が前記制限運転領域を逸脱するときは、制御棒の操作および炉心流量を維持するように再循環ポンプを制御する手段を有することを特徴とする請求項１記載の運転領域制限システム。
【請求項５】
前記（ｄ）の運転点を前記制限運転領域内に制限する手段が、前記運転点が前記制限運転領域を逸脱するときに作動する警告手段を有することを特徴とする請求項１記載の運転領域制限システム。
【請求項６】
前記炉心流量信号は、炉心支持板差圧及びポンプ部差圧から求めた信号であることを特徴とする請求項２記載の運転領域制限システム。
【請求項７】
前記時間遅れが２秒から７秒であることを特徴とする請求項２記載の運転領域制限システム。
【請求項８】
前記減速材ボイド係数は定格運転状態で−１¢／％ｖ  から−１２¢／％ｖ  であることを特徴とする請求項３記載の運転領域制限システム。
【請求項９】
再循環ポンプ全台数運転時と実質的に同等の熱的余裕とは、再循環ポンプ全台数運転時のＭＣＰＲ（最小限界出力比）と部分台数運転時のＭＣＰＲとの差が０．０１以下であることを特徴とする請求項３記載の運転領域制限システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉内蔵型再循環ポンプを有する沸騰水型原子炉において、再循環ポンプの運転領域を制限するシステムに関する。さらに詳しくは、本発明は、原子炉出力と炉心流量を常時監視し、再循環ポンプが部分台数運転時であっても全台数運転時と同等の熱的余裕を確保するために、再循環ポンプの運転台数等に依存して運転領域を制限するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１３５万ｋＷ級の原子炉内蔵型再循環ポンプを有する沸騰水型原子炉は、再循環ポンプを通常１０台有し、通常時には１０台全部を運転すると想定されている。したがって、従来の再循環ポンプの運転特性としては、図９に示すような原子炉運転領域内で運転され良好な運転特性を示すように設計されている。
【０００３】
通常は全部の再循環ポンプを作動させた状態で原子炉を運転することが基本であるが、原子力プラントとしては、再循環ポンプが部分台数運転時でも運転を継続する能力を有している。そこで、部分台数運転時に過渡変化が生じた場合を想定してみる。
【０００４】
再循環ポンプの回転数は、高圧母線を介して、可変周波数電源装置によって制御されている。一般に、１０台の再循環ポンプは、単一の直結高圧母線が故障しても４台以上のポンプが同時に停止することのないように、２台又は３台ずつ４系統の直結高圧母線に接続されている。
【０００５】
例えば、直結高圧母線又は可変周波数電源装置の故障が生じた場合は、最大３台の再循環ポンプがトリップする。再循環ポンプを１０台運転している場合に、運転時の異常な過渡変化による熱的余裕が最も少なくなるのは、初期運転点（１０２％出力９０％炉心流量）である。このときに、再循環ポンプがトリップすると、再循環ポンプ駆動力の消滅による回転数の低下速度が大きいために、再循環ポンプ流量の低下は速く、結果として炉心流量の低下速度が大きくなる。こうした炉心流量の急激な減少のため、炉心で発生した熱を除去する能力が極めて短時間で劣化し、炉心の熱的余裕を表す指標であるＭＣＰＲ（最小限界出力比；Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｒａｔｉｏ）は低下する。
【０００６】
ここで、ＭＣＰＲとは全燃料集合体の中の最も小さいＣＰＲを示し、ＣＰＲとは個々の燃料集合体に対して次のように定義される。
【０００７】
ＣＰＲ  ＝燃料集合体の限界出力／燃料集合体の出力
ＭＣＰＲが低下するとは、原子炉の熱的余裕が減少することであり、燃料集合体の冷却が不十分になり、核沸騰から遷移沸騰に移行しやすくなるということである。遷移沸騰状態になると、燃料棒の表面を気泡（ボイド）が覆い、熱伝達が悪化し、最悪の場合には燃料棒の破損を生じる。
【０００８】
次に、部分台数運転時において、上記の過渡事象が生じた場合について考察する。例えば何らかの原因により既に再循環ポンプが２台停止しており（すなわち再循環ポンプ８台で運転しており）、なおかつ上記と同じ運転点の１０２％出力９０％炉心流量で運転していると想定する。もし、何らかの原因で再循環ポンプがトリップすると炉心流量が減少し、炉心で発生した熱を除去する能力が極めて短時間のうちに劣化するため、ＭＣＰＲは低下する。
【０００９】
８台で運転している場合は、１０台で運転している場合より各再循環ポンプの回転数が高い。１０台運転時と同じ炉心流量を得るには、各再循環ポンプの回転数を増加させ、一台当たりの再循環ポンプ流量を増やす必要があるからである。したがって、再循環ポンプがトリップした時の回転数の低下は、当初に８台で運転していた場合の方が１０台で運転していた場合より速くなり、再循環ポンプ流量、結果として炉心流量の低下速度が大きくなる。つまり、１０台運転時に比べ８台運転時には、再循環ポンプトリップ時の炉心流量の低下速度が大きく、ＭＣＰＲは一層低下する。
【００１０】
こうした、ＭＣＰＲの低下を防ぎ、再循環ポンプ部分台数運転時にも通常運転時と同等の安全性を確保することが望まれていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
内蔵型再循環ポンプを有する改良型沸騰水型原子炉は、通常運転時には全部の再循環ポンプを運転することを基本としているが、再循環ポンプが部分台数運転時でも原子炉を運転することができる。
【００１２】
しかしながら、上述したように、再循環ポンプ部分台数運転時の各再循環ポンプの回転数は、全台数運転時より大きいため、部分台数運転時に再循環ポンプがトリップ等して「運転時の異常な過渡変化」が生じると、各再循環ポンプ流量の低下が速く、結果として炉心流量の低下も速い。したがって、原子炉出力と炉心流量の冷却能力が一致しなくなり、再循環ポンプ１０台運転時より熱的余裕が低下した運転領域が運転特性図上に出現するという問題があった。原子炉の運転の安全性を高めるためには、常に高い熱的余裕を確保することが必要であるため、こうした熱的余裕の低下を防ぎ、再循環ポンプ部分台数運転時にも全台数運転時と同等の安全性を確保することが望まれていた。
【００１３】
本発明は、上記の問題を解決するために、再循環ポンプの部分台数運転時に全台数運転時に比べ熱的余裕が低下する領域が出現することを回避するように、部分台数運転時の原子炉の運転領域を制限し、再循環ポンプ全台数運転時と同等の熱的余裕を得られるようにするシステムを提供し、原子炉の運転の安全性を高めることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の運転領域制御システムは、原子炉内蔵型の再循環ポンプを複数有する改良型沸騰水型原子力発電所において、（ａ）再循環ポンプの全台数運転時における原子炉の運転領域を設定する手段と、（ｂ）再循環ポンプの部分台数運転時における原子炉の制限運転領域を再循環ポンプの運転台数に応じて設定する手段と、（ｃ）前記運転領域上に原子炉の運転点と前記制限運転領域とを表示する手段と、（ｄ）再循環ポンプの部分台数運転時には、前記運転点を前記制限運転領域内に制限する手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
あらかじめ部分台数運転時の原子炉の運転制限領域を定めて、全台数運転時の運転領域を示す図上に明示しておき、原子炉の運転をこの制限運転領域に制限すれば、部分台数運転時にも全部の再循環ポンプを運転するときと同等の熱的余裕を確保でき、同等の安全性を担保できる。
【００１６】
前記手段（ａ）が、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）信号に時間遅れ（時定数Ｔ）をもたせた原子炉出力信号、炉心流量信号および再循環ポンプ運転台数を検知した運転台数信号から原子炉の運転領域を求める手段を有することが好ましい。
【００１７】
炉心流量信号は、炉心支持板差圧及びポンプ部差圧から求めた信号であることが好ましい。現在のシステムにおいては、炉心流量を精度良く計測できるパラメータは、炉心支持板差圧及びポンプ部差圧の２つだからである。したがって、この二つのパラメータ以外にも炉心流量を精度良く計測できるパラメータがあれば、それを用いても良い。
【００１８】
原子炉出力の遅れ時間の時定数Ｔは、２秒から７秒であることが好ましい。時定数は、熱伝達の遅れを示すもので、燃料集合体の形状の特性を反映する。現在、使用されている燃料集合体は、８行８列〜１０行１０列の燃料格子形状を有し、この場合の時定数が、約２〜７秒だからである。したがって、この値に限られるものではなく、用いる燃料集合体の形状によって適当な値を使用することが好ましい。
【００１９】
沸騰水型原子炉は、通常、１０台の原子炉内蔵型再循環ポンプを有し、再循環ポンプの運転台数が、１０台、９台、８台及び７台でも安全な運転を行うことができるような能力を有する。これは、４台以上の再循環ポンプが停止した場合には、ポンプの回転数を高めるだけでは炉心流量を十分維持することは困難で、十分な出力を得ることができず、原子炉を停止することとしているためである。
【００２０】
前記手段（ｂ）が、減速材ボイド係数、燃料集合体の種類、初期運転点および原子炉運転時の異常な過渡変化をパラメーターとして、原子炉の熱的余裕が再循環ポンプ全台数運転時と実質的に同等以上になるように、再循環ポンプの運転台数ごとに最大原子炉出力と最大炉心流量を設定する手段を有することが好ましい。
【００２１】
「熱的余裕が実質的に同等以上」とは、実質的に部分台数運転時のＭＣＰＲが全台数運転時のＭＣＰＲより低くないことをいう。本発明においては、例えば、ＭＣＰＲが０．０１より低くないことをいうが、さらに好ましくは部分台数運転時の方が大きいことである。しかし、この値に限定されるものではなく、原子炉の他の性能等を考慮して、適切な値を求めることが望ましい。
【００２２】
再循環ポンプ全台数運転時と実質的に同等の熱的余裕を与える最大原子炉出力と最大炉心流量を、再循環ポンプの運転台数ごとに求め、これに基づいて、運転台数ごとの制限領域を設定する。
【００２３】
減速材ボイド係数は定格運転状態で−１¢／％ｖ  から−１２¢／％ｖ  であることが好ましい。なお、１¢／％ｖ  とは、１％の相対的なボイド率の変化に対して、１¢の反応度が投入されることを表す。通常、沸騰水型原子炉の減速材はこの範囲のボイド係数を有することが望ましいからである。
【００２４】
燃料集合体は、集合体格子が８行８列、９行９列及び１０行１０列であることが好ましい。これらが通常使用されている形状だからである。したがって、特にこの形状に限定されるものではなく、沸騰水型原子炉の燃料として適当な形状を持つものであればよい。
【００２５】
実際の原子炉の運転に際しては、燃料集合体の種類やボイド係数が予めわかっているので、運転台数に応じた制限領域を前もって設定することが可能である。
【００２６】
最大原子炉出力を定める際に、初期運転点をパラメータの一つとしたのは、運転時の異常な過渡変化時には運転特性図上の低流側の熱的余裕が低下するためである。
【００２７】
また、初期運転点は当該運転台数に対する運転特性図上の全ての運転点を考慮することが望ましい。最も厳しい解析結果を示す点を代表点とするためである。
【００２８】
原子炉運転時の異常な過渡変化をパラメーターに加えたのは、こうした特にＭＣＰＲが低下する事象が生じても、全台数運転時と同様な熱的余裕を確保するためである。
【００２９】
運転時の異常な過渡変化としては、原子炉冷却材流量の部分喪失、外部電源喪失、給水加熱喪失、再循環流量制御系の誤動作、発電機負荷遮断、主蒸気隔離弁の誤閉止、給水制御系の故障、原子炉圧力制御系の故障及び給水流量の全喪失等がある。こうした事象が生じると、原子炉の熱的余裕が低下するが、その場合でも、全台数運転時と同様な熱的余裕を確保するためである。
【００３０】
前記手段（ｄ）が、前記運転点が前記制限運転領域を逸脱するときは、制御棒の操作および炉心流量を維持するように前記再循環ポンプを制御する手段を有することが好ましい。
【００３１】
例えば、原子炉の運転点を制限領域内に戻すために、再循環ポンプの回転数を制御して炉心流量を維持すれば、炉心流量の低下による原子炉の熱的余裕の低下を防ぐことができ、再循環ポンプ全台数運転時と同等の安全性が確保できる。
【００３２】
また、警報や警告灯などの警告手段を備えることで、監視員に異常を知らせ、再循環ポンプの回転数制御以外にも、適切な処置を講じる機会を与えられる。例えば、制御棒の挿入による出力の低下等の処置が考えられる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１に本実施例の概念図を示す。
【００３４】
まず、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）信号１に時定数Ｔ（時間遅れ）を入れた原子炉出力信号２、炉心支持板差圧と再循環ポンプ差圧から作成した炉心流量信号３及び再循環ポンプの停止台数（この場合は０台）を検知した作動再循環ポンプ台数信号４を入力として、再循環ポンプ１０台運転時の運転領域９を求めておく。
【００３５】
次に、原子炉出力信号２、炉心流量信号３及び作動再循環ポンプ台数信号４を入力とし、さらに、燃料集合体の種類、再循環ポンプ運転台数と再循環ポンプ最大速度曲線の関係５および予め解析で求めておいた運転時の異常な過渡変化時のＭＣＰＲの関係６を入力として、再循環ポンプの運転台数に応じた最大出力信号７と再循環ポンプ最大速度曲線信号８を求める。
【００３６】
最大出力信号７と最大速度曲線信号８とを用いて、再循環ポンプ運転台数に応じた運転領域１０を求め、この範囲に原子炉の運転特性を制限する。
【００３７】
一般に使用されている、８行８列〜１０行１０列の燃料格子形状の燃料集合体を用いる場合には、時定数Ｔ＝２−７となる。
【００３８】
炉心支持板差圧および再循環ポンプ差圧以外にも炉心流量を精度良く計測できる他のパラメーターがあれば、それを用いて炉心流量信号３を作製しても良い。
【００３９】
燃料集合体の種類によって炉心の圧力損失特性が異なるため、再循環ポンプ最大速度曲線は燃料集合体の種類に依存する。したがって、燃料集合体の種類と再循環ポンプ運転台数（７台、８台、９台及び１０台）に応じて、図２に示すような関係を予め作製しておけば、燃料集合体の種類と再循環ポンプの台数を入力として再循環ポンプ最大速度曲線信号８を求められる。図２は、９行９列の燃料集合体装荷時のものである。
【００４０】
原子炉出力の最大値は、予め再循環ポンプの運転台数（７台、８台、９台及び１０台）と減速材ボイド係数、燃料集合体及び運転時の異常な過渡変化をパラメータとして解析を行って定める。
【００４１】
ここで、運転時の異常な過渡変化としては、原子炉冷却材流量の喪失、外部電源喪失、給水加熱喪失、再循環流量制御系の誤動作、発電機負荷遮断バイパス弁作動、発電機負荷遮断バイパス弁不作動、主蒸気隔離弁の誤閉止、給水制御系の故障、原子炉圧力制御系の故障及び給水流量の全喪失がある。こうした異常な過渡変化が起こると、運転特性図上の低流量側における熱的余裕が特に低下する。そこで、図３に示すように、同出力においては運転特性図上の低流量側を初期解析点として、燃料集合体の種類、減速材ボイド係数、再循環ポンプの運転台数及び初期解析点をパラメータとして、運転時の過渡変化を各事象毎に解析し、熱的余裕を示す指標であるＭＣＰＲを求めて表にする（表１）。こうした表を再循環ポンプの運転台数（７台、８台、９台）に応じて作製し、１０台運転時の解析結果（表２）と比較して最大出力を求める。
【００４２】
【表１】
0003621589.tif 000002
【表２】
0003621589.tif 000003
図４を参照して、この比較プロセスを詳しく説明する。
【００４３】
まず、燃料集合体の種類、減速材ボイド係数および再循環ポンプの運転台数を固定する。例えば、表１に示すように、９行９列燃料集合体で減速材ボイド係数−ａ¢／％ｖ  （４０％ボイド）、再循環ポンプの運転台数をＮ台とする。このとき、「最大出力制限を定格のＰ％にすれば、再循環ポンプ１０台運転時と同等のＭＣＰＲを確保できる。」を満たすＰが求める解である。
【００４４】
再循環ポンプＮ台運転時の再循環ポンプ最大速度曲線によって決まる最大炉心流量を定格のｂ％とする。炉心流量がｂ％以下の図３に示す解析点Ｅ（出力を仮にＰ’とする）におけるＭＣＰＲと、１０台運転時で解析点Ａ（１０２％出力９０％炉心流量）のＭＣＰＲと（表２）を比較して、熱的余裕が同等かどうかを比較する。ここで、「熱的余裕が同等以上」とは、部分台数運転時のＭＣＰＲが    台運転時のＭＣＰＲから０．０１を引いた値より大きいことをいう。
【００４５】
１０台運転時と比べて、熱的余裕が厳しい（ＭＣＰＲの差が０．０１より大きい）ような運転時の異常な過渡事象が１つでも存在すれば、更に出力をｐ％下げ、出力Ｐ’＝Ｐ’−ｐとして上記と同様にＭＰＣＲを比較する。
【００４６】
この操作を繰り返し、すべての運転時の異常な過渡事象において、１０台運転時のＭＣＰＲとの差が０．０１以下となる出力Ｐ’％を求める。このときのＰ’が求めるＰである。
【００４７】
運転特性図上の出力Ｐ’％以下かつ炉心流量ｂ％以下の領域がＮ台再循環ポンプ運転時の制限領域となる。こうして求めた制限領域に原子炉の運転を制限する。
【００４８】
本実施例によれば、再循環ポンプ１０台運転時に対して、部分台数運転時には原子炉の運転領域を制限することで、部分台数運転時でも、炉心流量を維持して通常運転時と同様の熱的余裕を確保できる。したがって、運転時の異常な過渡事象が生じても、再循環ポンプ全台数運転時と同等の安全性が確保できる。
【００４９】
（実施例２）
実際の運転では、燃料集合体及び減速材ボイド係数等は、運転開始前に決定しているため、実施例１のようにオンラインで燃料集合体及び減速材ボイド係数を検索する必要はない。
【００５０】
本実施例においては、新たな運転サイクルに入る前に、予め燃料集合体と減速材ボイド係数を固定しておくこと以外は、実施例１と同様にして再循環ポンプの運転台数のみに依存した原子炉の運転領域を求め、運転特性図上に表示する。図５〜８に、このようにして求めた再循環ポンプの運転台数（１０台、９台、８台、７台）に応じた原子炉の運転領域の制限例を示す。
【００５１】
運転開始後、刻々と変化する原子炉の運転点と再循環ポンプ台数をモニターする。モニター手段の対象パラメータとしては、原子炉出力（ＡＰＲＭ信号）、炉心流量および再循環ポンプ回転数等が好ましく用いられる。
【００５２】
モニター結果を上記の運転特性図上に表示し、制限された運転領域と比較する。原子炉の運転点が制限運転領域を逸脱するようであれば、再循環ポンプの回転数コントローラで、制御棒の操作と炉心流量を維持するように再循環ポンプの回転数を制御する。制御手段の対象パラメータとしては、再循環ポンプの電源周波数等が好ましく用いられる。また、警報や警告灯などの手段で監視員の注意を喚起する。
【００５３】
本実施例は、再循環ポンプ部分台数運転時の原子炉の運転が制限運転領域を逸脱する場合には、再循環ポンプの回転数を制御して炉心流量を維持し、原子炉の運転点を制限領域内に戻す構成である。したがって、運転時の異常な過渡事象が生じても、炉心流量の低下による原子炉の熱的余裕の低下を防ぐことができ、再循環ポンプ１０台運転時と同等の安全性が確保できる。
【００５４】
また、警報や警告灯などの警告手段を備えることで、監視員に異常を知らせ、再循環ポンプの回転数制御以外にも、適切な処置を講じる機会を与えられる。
【００５５】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によると、再循環ポンプの部分台数運転時にも、通常運転である再循環ポンプ全台数運転時と同等の熱的余裕が得られ、たとえ運転時の異常な過渡事象が生じても、通常運転時（全台数運転時）と同等の安全性が確保される。したがって、原子炉の安全性を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図。
【図２】再循環ポンプの運転台数に応じた再循環ポンプ等速度曲線を示す図。
【図３】運転時の異常な過渡変化解析のための初期解析点を示す図。
【図４】運転制限領域の求め方のフローチャート。
【図５】再循環ポンプ１０台運転時の運転範囲。
【図６】再循環ポンプ９台運転時の運転制限範囲。
【図７】再循環ポンプ８台運転時の運転制限範囲。
【図８】再循環ポンプ７台運転時の運転制限範囲。
【図９】従来の技術における運転領域を示す運転特性図。
【符号の説明】
１…ＡＰＲＭ信号、  ２…原子炉出力信号、  ３…炉心流量信号、  ４…作動再循環ポンプ台数信号、  ５…再循環ポンプ運転台数と再循環ポンプ最大速度曲線の関係、  ６…運転時の異常な過渡変化時のＭＣＰＲの関係、  ７…再循環ポンプの運転台数に応じた最大出力信号、  ８…再循環ポンプ最大速度曲線信号、９…再循環ポンプ１０台運転時の運転領域、  １０…再循環ポンプＮ台運転時の運転領域、  １１…現在の運転点、  １２…自然循環曲線、  １３…設計流量制御曲線、  １４…原子炉定格出力直線、  １５…原子炉再循環ポンプ１０台運転時の最大ポンプ速度曲線、  １６…原子炉再循環ポンプ９台運転時の最大ポンプ速度曲線、  １７…原子炉再循環ポンプ８台運転時の最大ポンプ速度曲線、  １８…原子炉再循環ポンプ７台運転時の最大ポンプ速度曲線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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