(57)【要約】【課題】本発明の目的は、起動領域のような低出力時に複数の制御棒を同時に挿入操作しても、原子炉水位が水位高警報レベルに達するのを抑制することにある。【解決手段】本発明は、前記原子炉水位が目標水位レベルと水位高警報レベルの間に設定した制限レベルになると前記制御棒駆動装置による制御棒操作を阻止する制御棒操作制限器と、前記水位高警報レベル設定値または前記制限レベル設定値あるいはその双方を原子炉出力レベルに応じて異なる設定値にする設定器を有することを特徴とする。  【効果】本発明によれば、起動領域のような低出力時に複数の制御棒を同時に挿入操作しても、原子炉水位が水位高警報レベルに達するのを抑制できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉水位が目標水位レベルとなるように給水制御され、制御棒の操作によって出力を制御される原子炉と、前記原子炉の出力制御を行う制御棒操作信号を出力する出力制御器と、前記制御棒操作信号が入力され１本あるいは複数本の制御棒を同時に操作する制御棒駆動装置とを具備する原子炉出力制御装置において、
前記原子炉水位が目標水位レベルと水位高警報レベルの間に設定した制限レベルになると前記制御棒駆動装置による制御棒操作を阻止する制御棒操作制限器と、前記水位高警報レベル設定値または前記制限レベル設定値あるいはその双方を原子炉出力レベルに応じて異なる設定値にする設定器を有することを特徴とする原子炉出力制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の原子炉出力制御装置において、前記設定器は、前記水位高警報レベル設定値または前記制限レベル設定値あるいはその双方が、原子炉出力の低い起動領域とそれよりも原子炉出力の大きな運転領域とにおいて、異なる設定値にすることを特徴とする原子炉出力制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の原子炉出力制御装置において、前記設定器は、原子炉出力を低下させる運転操作でかつ運転モードが原子炉出力の低い起動領域の場合に、前記水位高警報レベル設定値または前記制限レベル設定値あるいはその双方が、より高い水位設定値になることを特徴とする原子炉出力制御装置。
【請求項４】
原子炉水位が目標水位レベルとなるように給水制御され、制御棒の操作によって出力を制御される原子炉と、前記原子炉の出力制御を行う制御棒操作信号を出力する出力制御器と、前記制御棒操作信号が入力され１本あるいは複数本の制御棒を同時に操作する制御棒駆動装置とを具備する原子炉出力制御装置において、
前記原子炉水位が目標水位レベルと水位高警報レベルの間に設定した制限レベルになると前記制御棒駆動装置による制御棒操作を阻止する制御棒操作制限器と、原子炉出力を低下させる運転操作でかつ運転モードが原子炉出力の低い起動領域の場合には、前記原子炉水位が前記制限レベルに達しても制御棒挿入操作を阻止しないスイッチを有することを特徴とする原子炉出力制御装置。
【請求項５】
原子炉水位が目標水位レベルとなるように給水制御され、制御棒の操作によって出力を制御される原子炉と、前記原子炉の出力制御を行う制御棒操作信号を出力する出力制御器と、前記制御棒操作信号が入力され１本あるいは複数本の制御棒を同時に操作する制御棒駆動装置とを具備する原子炉出力制御方法において、
水位高警報レベル設定値または制限レベル設定値あるいはその双方を制御モードと運転モードに応じて異なる設定値にし、前記原子炉水位が前記制限レベルになると制御棒操作を阻止することを特徴とする原子炉出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉出力制御装置及び原子炉出力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントは、各種の制御モードがある。それぞれの制御モードは、制御目標を設定して制御している。沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を起動する場合の制御モードは、原子炉を停止状態から臨界状態にする臨界制御モード、炉水温度変化率の目標値に従って原子炉圧力を目標値に到達させる昇温・昇圧制御モード、発電機併入前の比較的低出力状態の原子炉出力を制御する炉出力制御モードなどがある。一方、運転状態から原子炉出力を低下させる制御モードには、炉内に制御棒を挿入して、炉出力を臨界レベル以下に低下させる未臨界制御モードと、制御棒を全挿入位置まで挿入して、原子炉を停止状態にする制御棒全挿入モードがある。近年、運転の省力化や起動・停止時間の短縮などを目的として、改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）では複数の制御棒を同時に操作している。また、これらの制御を自動化した原子炉出力制御装置が開発されている（たとえば、特許文献１−３）。
【０００３】
原子炉起動・停止時及び運転時の原子炉水位は、給水制御系によって制御される。一般に、原子炉の出力が２０％〜３０％未満の場合、給水制御系は原子炉水位のみによる単要素制御により、水位が一定となるように制御する。原子炉出力が３０％以上の場合、原子炉水位，給水流量及び主蒸気流量を使用する三要素制御により、水位が一定となるように制御する。従って、原子炉起動・停止時であって、原子炉低出力時の場合、通常、炉水位は給水制御系の単要素制御によって一定レベルに制御される。
【０００４】
ところで、原子炉低出力時にも、原子炉一次冷却水（原子炉内）は、主に原子炉から発生する熱によって蒸気成分が発生している。ボイド率とは、水と蒸気をあわせた体積中に占める蒸気体積割合を呼ぶ。炉心内のボイド率が変化すると、蒸気の体積変化に依存して、原子炉水位が変化する。たとえば、原子炉出力が増加して炉心のボイド率が増えると、蒸気の体積変化により、炉心から気液分離器（セパレータ）出口を介して炉心シュラウド外のダウンカマ領域に押し出される冷却水量が増える。そのため、ダウンカマで計測している原子炉水位は上昇する。逆に、原子炉停止操作をする未臨界制御モードと制御棒全挿入制御モードの場合、制御棒を挿入すると、制御棒に中性子が吸収されて炉心出力が低下する。そのため、炉心で発生していた蒸気が減少する。この結果、炉心からダウンカマ領域に出る冷却水量が減り、原子炉水位が低下する。
【０００５】
原子炉が低出力の場合、原子炉水位は給水制御系の単要素制御機能により制御される。そして、原子炉水位は、目標水位から増加あるいは低下してから制御される。但し、制御系が給水ポンプ調整弁を開閉しても、原子炉水位が実際に増加又は低下するまでの応答時間を有する。そのため、目標水位に対して偏差が発生する。原子炉水位が通常水位より約１０cm増加あるいは低下すると警報水位レベルとなり、警報が発生する。警報が発生すると操作を一時的に停止して原因を究明することが必要となり、運転管理上望ましくない。
【０００６】
複数の制御棒を同時に操作する場合、１本ずつ操作する場合よりも出力変化が大きくなるので、水位変化もより大きくなる傾向にある。そこで、特許文献４の技術は、水位高の警報レベル（ＷＵ）と水位低の警報レベル（ＷＬ）との間に制御上限（Ｗ１）と制御下限（Ｗ４）の制限レベルを設定する。そして、特許文献４の技術は、制御棒を操作しているときに原子炉水位が両制限レベルのいずれかに達した場合に、制御棒操作を阻止して、原子炉出力変化を抑制し、原子炉水位の変化を抑制する。この技術は実プラントに採用され、起動・停止操作試験や計算機シミュレーションによって水位変動抑制効果のあることが確認されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３１７２６５３号公報
【特許文献２】特許第３２７５１６３号公報
【特許文献３】特許第３３７２７６７号公報
【特許文献４】特開平１１−１５３６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１−４の技術を採用しても、原子炉出力がおよそ定格出力の１０％以下である起動領域において原子炉出力を低下させる操作中は、起動領域より高出力の場合と比べて、原子炉水位変動が大きくなる。また、場合によっては、原子炉水位が水位高警報レベル（ＷＵ）に達することがわかった。なお、水位高警報レベルに達しても、そのときの原子炉出力は低い。また、水位高警報レベルは、タービンを保護するために通常水位の約５０cm上方に設けているスクラム水位に対して充分な余裕がある。そのため、安全上の問題は全くない。しかし、操作の一時中断による運転操作時間の遅れや、水位高の警報が発生することで運転員に対しストレスを与えるなどの負担が発生する。
【０００９】
図２は、原子炉出力制御装置による原子炉水位と制御棒操作の関係を示した図である。図２において、ＷＵは「水位高」警報レベルであり、ＷＬは「水位低」警報レベルである。Ｗ０は原子炉の通常水位レベルである。Ｗ１は、通常水位レベルＷ０と水位高警報レベルＷＵの間に設定される第１の制限水位レベルである。そして、原子炉水位が制限水位レベルＷ１以上になった時、制御棒操作が阻止される。水位レベルＷ２は、水位レベルＷ０とＷ１の間に設定される第１の操作許可レベルである。そして、原子炉水位が水位レベルＷ２に戻った時に制御棒操作を再開させる。Ｗ４は通常水位レベルＷ０と水位低警報レベルＷＬの間に設定される第２の制限水位レベルである。原子炉水位が制限水位レベルＷ４以下になった時に、制御棒操作が阻止される。水位レベルＷ３は、水位レベルＷ０とＷ４の間に設定される第２の操作許可レベルである。原子炉水位がＷ３以上の水位レベルに戻った時に、制御棒操作を再開させる。
【００１０】
図２は、原子炉出力を低下させる未臨界制御モードや制御棒全挿入モードにおける炉水位Ｗの変化を示す。上記従来技術によると、制御棒駆動装置は、時刻ｔ０から時刻ｔ１間は制御棒を挿入し、時刻ｔ１から時刻ｔ２間は制御棒挿入を中断する。そして、時刻ｔ２から時刻ｔ５間は再び制御棒を挿入し、時刻ｔ５から時刻ｔ６間は挿入を中断し、時刻ｔ６以降は再び挿入する。
【００１１】
図３は、制御棒挿入操作を実施したときの制御棒挿入量，原子炉出力，給水流量および原子炉水位のシミュレーション結果である。このシミュレーション結果は、上記従来技術に基づく原子炉出力制御装置の制御棒全挿入モードにより、炉出力を初期出力約８％から低下させた場合を示す。
【００１２】
制御棒は予め決められた手順に従って挿入され、原子炉水位にかかわらず予め決められた位置では必ず一定時間停止する。制御棒を挿入するに従って、原子炉出力は低下する。一方、原子炉水位が低下すると、給水制御系が給水流量を増加させる。逆に、原子炉水位が上昇すると、給水制御系は給水流量を減少させる。そして、給水制御系は、原子炉水位が通常水位近傍になるように制御している。しかし、時刻ｔA以降において、原子炉水位上昇に応じて給水制御系が給水流量を減少させたが、水位上昇は止まらなかった。そのため、時刻ｔBにおいて原子炉水位が第１の制限水位レベルＷ１に達し、制御棒の挿入操作が中断された。その後も給水流量は減少し、最終的にゼロ流量になったにも拘わらず、原子炉水位は水位高警報レベルＷＵに達する結果となった。
【００１３】
本発明の目的は、起動領域のような低出力時に複数の制御棒を同時に挿入操作しても、原子炉水位が水位高警報レベルに達するのを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記原子炉水位が目標水位レベルと水位高警報レベルの間に設定した制限レベルになると前記制御棒駆動装置による制御棒操作を阻止する制御棒操作制限器と、前記水位高警報レベル設定値または前記制限レベル設定値あるいはその双方を原子炉出力レベルに応じて異なる設定値にする設定器を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、起動領域のような低出力時に複数の制御棒を同時に挿入操作しても、原子炉水位が水位高警報レベルに達するのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１における原子炉出力制御装置の構成図である。
【図２】従来技術による原子炉水位と制御棒操作の関係を示した模式図である。
【図３】低出力状態において、従来技術による制御棒挿入操作とそのときの原子炉出力，給水流量，原子炉水位の関係を示した図である。
【図４】炉心エンタルピと炉心ボイド率の関係を示した図である。
【図５】設定器１８の一実施例を示した構成図である。
【図６】警報発生装置４０の一実施例を示した構成図である。
【図７】実施例１における原子炉水位と制御棒操作の関係を示した模式図である。
【図８】低出力状態において、実施例１による制御棒挿入操作とそのときの原子炉出力，給水流量，原子炉水位の関係を示した図である。
【図９】実施例１と従来技術による炉心ボイド率の時間変化を比較した図である。
【図１０】実施例２における原子炉出力制御装置の構成図である。
【図１１】実施例２による原子炉水位と制御棒操作の関係を示した模式図である。
【図１２】沸騰水型原子炉システムの１実施例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
発明者らは、原子炉出力が低い場合に原子炉水位上昇を抑制することが難しい原因は、以下のメカニズムによることを発見した。原子炉水位が上昇すると、給水制御系は、給水流量を減少させる。水位が第１の制限水位レベルＷ１に達すると、制御棒の挿入操作は中止される。気水分離器から出てくる冷却材と給水は、ダウンカマで混合して炉心に流入する。給水温度は、気水分離器から出てくる冷却材の温度より低い。そのため、給水流量が減ると、炉心に流入する冷却材の温度が増加する。炉心に流入する冷却材の温度が高くなると、蒸気が発生しやすくなるため、炉心のボイド率が増加し、気水分離器からダウンカマに出る冷却材流量も増加する。その結果、原子炉水位が上昇し、給水制御系はさらに給水流量を減少させる、といういわば正のフィードバック作用が生じる。原子炉水位は、正のフィードバック作用により上昇する。
【００１８】
図４を用いて、原子炉出力が高い場合に、正のフィードバック作用が起こらない理由を説明する。図４は、炉心エンタルピと炉心ボイド率との関係を示す図である。横軸の炉心エンタルピは、冷却材（蒸気と水をあわせたもの）の有するエネルギを表す。原子炉熱出力が同じ場合、炉心入口の冷却材温度が高いほど、炉心エンタルピも大きくなる。縦軸は炉心ボイド率である。炉心エンタルピが大きいほど、炉心ボイド率も大きくなる特性がある。
【００１９】
原子炉出力が高い場合、炉心エンタルピと炉心ボイド率が高い。そして、炉心エンタルピがΔｈ変化しても、ボイド率の変化量Δα2はごく小さい。一方、原子炉出力が低い場合、炉心エンタルピと炉心ボイド率は低い。そして、炉心エンタルピが同じΔｈ変化したとき、ボイド率変化Δα1はΔα2に比べて大きくなる。このため、低出力の場合、給水流量の減少に伴い、炉心入口の冷却材温度が上昇すると、炉心ボイド率の増加量が大きくなる。従って、正のフィードバック現象が発生したのである。
【００２０】
次に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の運転モードには、炉心性能計算装置が炉心状態を監視する運転領域と、原子炉出力が低く炉心状態の監視を必要としない起動領域がある。起動領域と運転領域の境界は、プラントによって異なるが、おおむね原子炉出力が５％から１０％の間に設定されている。そして、正のフィードバック現象は、起動領域に対応する出力領域で生じる。そこで、起動領域と運転領域において、原子炉出力制御装置が制御棒の挿入操作ロジックを変更すれば良い。
【００２１】
具体的には、運転モードが起動領域で、かつ、制御モードが未臨界制御モードや制御棒全挿入モード（即ち、制御棒を炉心に挿入して、原子炉出力を低下させる制御モード）のとき、原子炉出力制御装置は、原子炉水位が上昇したときに制御棒の挿入操作を停止せず、制御棒を挿入し続ければよい。このように制御すると、原子炉出力制御装置が制御棒を挿入することで、原子炉出力を低下させ、蒸気の発生を抑制する。一方、炉心に流入する冷却材の温度は高くなるため、蒸気が発生する。従って、原子炉出力制御装置は、蒸気の発生量を全体として抑制し、炉心ボイド率の増加を抑制し、結果として原子炉水位の上昇を抑制できる。この具体例を実施例１に示す。
【実施例１】
【００２２】
図１２は、沸騰水型原子炉システムの構成を示したものである。原子炉圧力容器３内の炉心６０は複数の燃料集合体（図示せず）から構成される。炉心６０で発生する蒸気量は、炉心６０の熱出力によって調整される。炉心６０の熱出力は、炉心を流れる冷却材流量を変化させる、又は、中性子吸収材を含んだ制御棒６１が炉心内に挿入される量を調整することで制御できる。炉心流量は、再循環流量制御装置６３が、原子炉圧力容器３内に設置した内蔵型再循環ポンプ６４に信号を送信し、ポンプ回転翼の回転数を変化させる。出力制御器１は、制御棒６１の炉心内挿入量の指令信号を制御棒駆動装置２に送信する。制御棒駆動装置２は、電動モータあるいは水圧によって制御棒６１を炉心６０に挿入あるいは引き抜く。
【００２３】
原子炉圧力容器３には、圧力検出器６，炉心６０内に設置した複数の中性子検出器５、及び原子炉圧力容器内のダウンカマ部水位を測定する原子炉水位計４が設置されている。主蒸気配管７０は、原子炉圧力容器３上部に接続されるとともに、高圧タービン７３と低圧タービン７４に接続している。原子炉圧力容器３内の炉心６０で発生した蒸気は主蒸気配管７０に流入し、高圧タービン７３と低圧タービン７４の回転翼を回転させる。発電機７５は、低圧タービン７４に接続されており、高圧タービン７３と低圧タービン７４の軸回転力によって発電する。復水器７６は、低圧タービン７４の下流側に接続されており、低圧タービン７４から排出された蒸気を海水などによって水に凝縮し、減圧する。復水器７６で凝縮された水は、給水加熱器（図示せず）で加熱され、給水ポンプ７７で加圧され、給水流量調整弁７８を通過し、給水配管８０から原子炉圧力容器３内に戻る。
【００２４】
主蒸気配管７０は、タービン蒸気流量調整弁７２と、復水器７６に直接蒸気を導くバイパス配管が設けられている。タービンバイパス弁８１は、このバイパス配管に設けられている。タービン蒸気流量調整弁７２とタービンバイパス弁８１の開度を調節することで、タービン蒸気流量を制御し、発電量を制御できる。また、主蒸気配管７０には主蒸気流量検出器７１が設置され、給水配管８０には給水流量検出器７９が設置されている。給水制御装置６８は、主蒸気流量検出器７１が出力した主蒸気流量信号１５１、給水流量検出器７９が出力した給水流量信号１５２と、原子炉水位計４が出力した原子炉水位信号１５３に基づいて、給水流量調整弁７８の制御信号１０２を出力し、原子炉水位が一定になるように給水流量を制御する。
【００２５】
圧力制御装置２１は、原子炉圧力信号１５４と発電機出力信号１５５に基づいて、タービン蒸気流量調整弁７２の制御信号１０１とタービンバイパス弁８１の制御信号１０６を出力する。また、出力制御器１に対して、制御目標とする原子炉出力に相当する信号１０３を出力する。
【００２６】
水位警報発生装置４０は、原子炉水位信号１５３に基づき、警報信号を出力制御装置１に送信する。
【００２７】
出力制御器１は、原子炉出力制御装置の主要機器であり、運転員とのインターフェースとなる中央制御盤６６と接続されている。中央制御盤６６は、運転制御モードや目標とする原子炉出力変化率や到達目標値などを出力制御器１に入力する。出力制御器１は、中央制御盤６６からの信号や圧力制御装置２１からの信号１０３などに基づいて、再循環流量制御装置６３に制御信号１０４を送信し、制御棒駆動装置２に制御信号１０５を出力する。また、制御棒駆動装置２は、制御棒位置情報１５６などを出力制御装置１に送信する。中央制御盤６６は、制御棒位置情報１５６を表示できる。そして、出力制御装置１は、炉出力が過大であるとの情報を炉心性能計算装置６５から受信したとき、出力制御を一時停止する、又は、原子炉出力を低下させる。
【００２８】
図１は、原子炉出力制御装置の一実施例を示している。出力制御器１は、制御モード信号５１，目標値５２，目標変化率５３と、中性子検出器５からの出力信号、圧力制御装置２１を構成する圧力制御器２１Ａの出力信号が入力される。ここで、制御モード信号５１とは、運転員が入力する臨界制御モードや未臨界制御モードといった制御モードの種類を表す信号である。目標値５２とは、昇温昇圧制御モードであれば目標圧力、原子炉出力制御モードであれば目標原子炉出力を示す。目標変化率５３とは、昇温昇圧制御モードであれば目標温度変化率、原子炉出力圧制御モードであれば目標出力変化率を示す。そして、出力制御装置１は、原子炉３の出力を制御するために必要な制御棒操作信号を制御棒駆動装置２に出力する。この制御棒操作信号は、目標変化率５３に基づき変化する。
【００２９】
出力制御器１は、操作判定器９を介して、制御棒駆動装置２に制御棒操作信号を送信する。圧力検出器６は、原子炉３の主蒸気圧力を圧力制御装置２１に入力する。圧力制御器２１Ａの出力信号は全蒸気流量に相当し、全蒸気流量から熱出力に換算できる。
【００３０】
スイッチ８は、出力制御器１からの制御棒操作信号を制御棒操作判定器９に出力する。制御棒操作判定器９は、図示の特性で示す制御棒挿入指令あるいは制御棒引抜き指令を制御棒駆動装置２に出力する。制御棒駆動装置２は、入力される指令に応じて原子炉３内の制御棒を挿入または引抜く。原子炉水位計４は、原子炉３のダウンカマ水位を検出し、制御棒操作制限器２２及び水位警報発生装置４０に出力する。
【００３１】
制御棒操作制限器２２は、スイッチ８に開閉信号を送信し、原子炉水位が警報水位レベルに達することがないように制御棒の操作を制限する。比較器１３，１４，１５，１６は、原子炉水位計４からの原子炉水位信号が入力され、設定器１７，１８，１９，２０に設定されている原子炉水位レベルと原子炉水位を比較する。
【００３２】
設定器１８のＷ１は、通常水位レベルＷ０と水位高警報レベルＷＵの間に設定される第１の制限水位レベルである。そして、制限水位レベルＷ１以上になった時、制御棒操作制限器２２が制御棒操作を阻止する。設定器２０の水位レベルＷ２は、水位レベルＷ０とＷ１の間に設定される第１の操作許可レベルである。Ｗ２以下の水位レベルに戻った時、制御棒操作制限器２２が制御棒操作を再開させる。設定器１７のＷ４は、通常水位レベルＷ０と水位低警報レベルＷＬの間に設定される第２の制限水位レベルである。制限水位レベルＷ４以下になった時、制御棒操作制限器２２が制御棒操作を阻止する。設定器１９の水位レベルＷ３は、水位レベルＷ０とＷ４の間に設定される第２の操作許可レベルである。Ｗ３以上の水位レベルに戻った時、制御棒操作制限器２２が制御棒操作を再開させる。
【００３３】
原子炉水位をＷとすると、比較器１３はＷ＜Ｗ４の時に論理“１”を出力し、比較器１４はＷ＞Ｗ１の時に論理“１”を出力する。比較器１５はＷ＞Ｗ３の時に論理“１”を出力し、比較器１６はＷ＜Ｗ２の時に論理“１”を出力する。比較器１３及び１４はオアゲート１１に出力信号を出力し、比較器１５及び１６はアンドゲート１２に出力信号を出力する。オアゲート１１の出力信号はフリップフロップ（Ｆ／Ｆ）回路１０のセット信号となり、アンドゲート１２の出力信号はＦ／Ｆ回路１０のリセット信号となる。Ｆ／Ｆ回路１０は、セット信号が入力された時（論理“１”の時）にはスイッチ８を開状態にさせ、リセット信号が入力された時（論理“０”の時）にはスイッチ８を閉状態にさせる。Ｆ／Ｆ回路１０は、リセット信号が入力されるとセット信号が入力されるまでその出力信号を保持し、逆にセット信号が入力されるとリセット信号が入力されるまでその出力信号を保持する。すなわち、原子炉水位ＷがＷ１以上になった時、あるいはＷがＷ４以下になった時、Ｆ／Ｆ回路１０にセット信号が入力され、Ｆ／Ｆ回路１０がスイッチ８を開状態にする。また、原子炉水位ＷがＷ３以上、かつ、Ｗ２以下の時、Ｆ／Ｆ回路１０にリセット信号が入力され、Ｆ／Ｆ回路１０がスイッチ８を閉状態にする。
【００３４】
スイッチ８が閉状態のとき、制御棒駆動装置２は、出力制御器１から出力される制御棒操作信号に従って制御棒を操作する。原子炉水位が変化して警報水位レベルに近づき、制限レベルになると、オアゲート１１がＦ／Ｆ回路１０にセット信号を出力し、Ｆ／Ｆ回路１０がスイッチ８を開状態にする。この結果、制御棒駆動装置２は、出力制御器１から制御棒操作信号が送信されず、制御棒操作を中止する。その後、給水制御系が炉水位を通常水位に回復させ、アンドゲート１２はＦ／Ｆ回路１０にリセット信号を出力する。Ｆ／Ｆ回路１０は、スイッチ８を閉状態にして、制御棒操作を再開させる。
【００３５】
本実施例において、操作許可レベルＷ２を設定する設定器２０，操作許可レベルＷ３を設定する設定器１９、および制限水位レベルＷ４を設定する設定器１７は常に１つの設定値を出力する。そして、制限水位レベルＷ１を設定する設定器１８は、制御モードや運転モードに依存して制限水位レベルの設定値を変更する機能を有する。
【００３６】
図５は、設定器１８の一実施例を示した構成図である。設定器１８は、制御モードと運転モードが入力される。設定器１８は、制御モードが原子炉出力を低下させるモードであり、かつ運転モードが起動領域のときに、論理“１”を出力する。たとえば、原子炉出力を低下させる制御モードが未臨界制御モードと制御棒全挿入モードだけの場合、オアゲート３５は原子炉出力を低下させる制御モードを判別する。アンドゲート３６は、運転モード信号と、オアゲート３５から出力される信号が入力される。
【００３７】
設定器１８は、アンドゲート３６からの出力信号が真（論理“１”）の場合、予め与えておいた設定値Ｗ１−Ｂを出力する。また、設定器１８は、アンドゲート３６からの出力信号が偽（論理“０”）の場合、ノットゲート３７が論理“１”の出力信号を送信し、予め与えておいた設定値Ｗ１−Ａを出力する。設定値Ｗ１−Ｂは設定値Ｗ１−Ａより大きな値であり、起動領域において制御棒の挿入操作を阻止しないような設定値を与えておく。
【００３８】
本実施例では、起動領域または運転領域という運転モード信号を入力している。但し、運転モード信号の代わりに、圧力制御器２１Ａが全蒸気流量から原子炉出力を計算してアンドゲート３６に出力し、原子炉出力が起動領域に相当する範囲にあるとき、アンドゲート３６が論理“１”信号を出力するように構成することもできる。また、上記の設定値Ｗ１を切り替える出力レベルは、起動領域と運転領域を区分する出力レベルとは異なる出力レベルに設定することも可能である。
【００３９】
水位警報発生装置４０は、原子炉水位計４によって検出された原子炉３のダウンカマ水位が水位低警報レベルＷＬを下回ったとき、あるいは水位高警報レベルＷＵを上回ったときに警報信号を出力制御器１に出力する。警報信号が論理“１”の時、出力制御器１は出力信号をゼロにして、出力制御装置による自動的な制御棒操作を停止する。
【００４０】
図６は、水位警報発生装置４０の一実施例を示した構成図である。原子炉水位計４の原子炉水位信号は比較器４３，４４に入力される。比較器４３，４４は、原子炉水位を設定器４１，４２で設定される原子炉水位レベルと比較する。水位警報発生装置４０は、水位Ｗが水位高警報設定値ＷＵより高い場合に水位高警報信号を発生し、水位Ｗが水位低警報設定値ＷＬより低い場合に水位低警報信号を出力制御器１に送信する。設定器４２は、常に１つの値を出力する。一方、設定器４１は、運転モードと制御モードに応じて２種類の設定値を出力する。すなわち、設定器４１は、制御モードが原子炉出力を低下させるモードであり、かつ運転モードが起動領域の場合に、予め与えておいた設定値ＷＵ−Ｂを出力し、それ以外の場合に予め与えておいた設定値ＷＵ−Ａを出力する。なお、設定値ＷＵ−Ｂは設定値ＷＵ−Ａより大きな値である。
【００４１】
本実施例では、設定器４１だけが運転モードと制御モードに応じて設定値の出力を変える構成である。但し、設定器４２も設定器４１と同様な構成をとることもできる。また、水位高警報設定値ＷＵについても、運転モード（起動領域と運転領域）による切り替えではなく、原子炉出力レベル相当の信号を使用して、出力レベルによって切り替える方式も可能である。
【００４２】
次に、図７を用いて、本実施例による原子炉水位と制御棒操作の関係を説明する。図７の左図は、原子炉出力の比較的大きい運転領域において、本実施例により制御棒挿入操作を実施した際の制御棒操作特性を示したものである。ＷＵ−Ａは運転領域に対する水位高警報レベル、ＷＬは水位低警報レベル、Ｗ０は原子炉の通常水位レベルである。Ｗ１−Ａは通常水位レベルＷ０と水位高警報レベルＷＵ−Ａの間に設定される第１の制限水位レベルである。制限水位レベルＷ１以上になった時、制御棒操作制限器２２は制御棒操作を阻止する。水位レベルＷ２は水位レベルＷ０とＷ１−Ａの間に設定される第１の操作許可レベルである。Ｗ２以下の水位レベルに戻った時に、制御棒操作制限器２２は制御棒操作を再開させる。Ｗ４は通常水位レベルＷ０と水位低警報レベルＷＬの間に設定される第２の制限水位レベルである。制限水位レベルＷ４以下になった時に、制御棒操作制限器２２は制御棒操作を阻止する。水位レベルＷ３は水位レベルＷ０とＷ４の間に設定される第２の操作許可レベルである。Ｗ３以上の水位レベルに戻った時に、制御棒操作制限器２２は制御棒操作を再開させる。原子炉出力を低下させる未臨界制御モードや制御棒全挿入モードにおいて、運転領域の炉水位Ｗが図７のように変化するとき、制御棒操作制限器２２は、時刻ｔ８から時刻ｔ９間で制御棒を挿入し、時刻ｔ９から時刻ｔ１０間で制御棒の挿入操作を中断する。そして、制御棒操作制限器２２は時刻ｔ１０から時刻ｔ１１間で再び制御棒を挿入する。
【００４３】
図７の右図は、原子炉出力の比較的小さな起動領域において、本実施例のように制御棒挿入操作を実施した際の制御棒操作特性を示したものである。設定器４１は、運転領域の水位高警報レベルＷＵ−Ａよりレベルの高い、起動領域の水位高警報レベルＷＵ−Ｂを設定する。また、設定器１８は、運転領域における第１の制限水位レベルＷ１−Ａよりレベルの高い、起動領域における第１の制限水位レベルＷ１−Ｂを設定する。原子炉出力を低下させる未臨界制御モードや制御棒全挿入モードにおいて、起動領域における炉水位Ｗの変化が図７の右図に示したようであるとき、制御棒駆動装置２は、時刻ｔ１２から時刻ｔ１４の間、常に制御棒を挿入する。このとき、時刻ｔ１３において、炉水位Ｗは、運転領域であれば制御棒挿入操作を中断する水位レベルＷ１−Ａに達する。但し、起動領域において、設定器１８は、制御棒挿入操作を中断する水位レベルをＷ１−Ｂに設定している。そのため、制御棒駆動装置２は制御棒挿入操作を引き続き実行する。
【００４４】
なお、起動領域であっても、制御棒引き抜き操作により原子炉出力を増加させる臨界制御モードや昇温・昇圧制御モード、炉出力制御モードは、図７の右図ではなく左図にしめした水位制限値を使用して出力制御を実施する。
【００４５】
図８は、制御棒挿入操作を実施したときの制御棒挿入量，原子炉出力，給水流量および原子炉水位のシミュレーション結果である。このシミュレーション結果は、本実施例に基づく原子炉出力制御装置の制御棒全挿入モードにより、炉出力を初期出力約８％から低下させた場合を示す。制御棒は予め決められた手順に従って挿入され、原子炉水位にかかわらず予め決めた位置では必ず一定時間停止する。制御棒を挿入するに従って、原子炉出力は低下する。一方、原子炉水位が低下すると、給水制御系が給水流量を増加させ、逆に原子炉水位が上昇すると、給水制御系が給水流量を減少させる。そのため、給水制御系は原子炉水位を通常水位近傍になるように制御している。本実施例によれば、水位が高くなっても制御棒挿入を続行する。その場合、原子炉の水位上昇が抑制される。水位高警報レベルＷＵ−Ｂは、ＷＵ−Ａより大きな値であるため、グラフの上方にあり図示していない。計算結果によれば、原子炉水位は運転領域における水位高警報レベルＷＵ−Ａにも達しないという効果が得られた。
【００４６】
本実施例における水位警報発生装置４０は、運転モードと制御モードに応じて異なる設定値が利用されている。但し、図８の結果より、運転モードや制御モードによらず一つの設定値を利用することも可能である。
【００４７】
図９は、図３に示した従来技術と図８に示した本実施例を使用したときに、炉心平均ボイド率が時間によって変化する様子を示したシミュレーション計算結果である。従来技術は、時刻ｔBで制御棒の挿入操作を停止したため、原子炉出力の低下が抑制され、炉心ボイド率が増加する。そのため、原子炉水位は上昇した。一方、本実施例は、時刻ｔB以降も制御棒の挿入操作を継続しているため、原子炉出力が低下し、炉心ボイド率も減少し続ける。この結果、原子炉水位の上昇が抑制されている。
【００４８】
原子炉水位が目標水位レベルと水位高警報レベルの間に設定した制限レベルになると制御棒駆動装置による制御棒操作を阻止する制御棒操作制限器と、水位高警報レベル設定値または制限レベル設定値あるいはその双方を原子炉出力レベルに応じて異なる設定値にする設定器を有することにより、原子炉出力が定格出力の約１０％以下の低出力時に複数の制御棒を同時に挿入操作しても原子炉水位が水位高警報レベルに達するのを防止して、プラント停止時間の短縮を実現するとともに、水位高警報発生にともなう運転員の負担を低減できる。さらに、今回の実施例では水位低の警報レベルや第２の制限水位レベルを変更することも可能である。
【００４９】
また、本実施例では制御棒操作制限器２２は出力制御器１と独立の構成としている。但し、制御棒操作制限器２２は出力制御器１の中に組み入れることも可能である。
【実施例２】
【００５０】
図１０は、原子炉出力制御装置の一実施例を示している。図１０と図１の相違点は、制御棒操作制限器２６である。制御棒操作制限器２６は、制限水位レベルＷ１を設定する設定器２８を備える。そして、この設定器２８は、他の設定器１７，１９，２０と同様に、常にひとつの値を出力する。比較器１４は、設定器２８に設定された原子炉水位レベルＷ１を原子炉水位計４の原子炉水位信号Ｗと比較し、Ｗ＞Ｗ１のとき論理“１”信号を出力する。
【００５１】
比較器１３と比較器１４は、図１の実施例と同様にオアゲート１１に接続されている。そして、図１の実施例と異なり、比較器１４とオアゲート１１間にスイッチ３０が設置されている。スイッチ３０は、制御モードが未臨界制御モードまたは制御棒全挿入モードであり、かつ運転モードが起動領域の時にオフ状態になり、それ以外の条件ではオン状態になる。スイッチ８がオン状態の場合、比較器１４は論理信号“１”または“０”をオアゲート１１に出力する。スイッチ８がオフ状態の場合、比較器１４はオアゲート１１に論理信号“０”出力する。すなわち、制御棒操作制限器２６は、制御モードが未臨界制御モードまたは制御棒全挿入モードであり、かつ運転モードが起動領域の時、有効な第１の制限水位レベルＷ１を設定しないことに対応し、原子炉水位が増加しても制御棒操作を停止しないロジックになっている。
【００５２】
図１１の左図は、原子炉出力の比較的大きな運転領域において、本実施例により制御棒挿入操作を実施した際の制御棒操作特性を示したものである。ＷＵは水位高警報レベル、ＷＬは水位低警報レベル、Ｗ０は原子炉の通常水位レベルである。Ｗ１は通常水位レベルＷ０と水位高警報レベルＷＵの間に設定される第１の制限水位レベルである。制御棒操作制限器２６は、制限水位レベルＷ１以上になった時に制御棒操作を阻止する。水位レベルＷ２は水位レベルＷ０とＷ１の間に設定される第１の操作許可レベルである。Ｗ２以下の水位レベルに戻った時、制御棒操作制限器２６は制御棒操作を再開する。Ｗ４は通常水位レベルＷ０と水位低警報レベルＷＬの間に設定される第２の制限水位レベルである。制御棒操作制限器２６は、制限水位レベルＷ４以下になった時に制御棒操作を阻止する。水位レベルＷ３は水位レベルＷ０とＷ４の間に設定される第２の操作許可レベルである。Ｗ３以上の水位レベルに戻った時に、制御棒操作制限器２６は制御棒操作を再開する。未臨界制御モードや制御棒全挿入モードであり、運転領域の場合、制御棒駆動装置２は、時刻ｔ１５から時刻ｔ１６の間は制御棒を挿入し、時刻ｔ１６から時刻ｔ１７間は制御棒挿入操作を中断する。時刻ｔ１７から時刻ｔ１８間は再び制御棒を挿入する。
【００５３】
図１１の右図は、原子炉出力の比較的小さな起動領域において、本実施例により制御棒挿入操作を実施した際の制御棒操作特性を示したものである。未臨界制御モードや制御棒全挿入モードにおいて、制御棒駆動装置２は、時刻ｔ１９から時刻ｔ２１間で常に制御棒を挿入する。この間、炉水位Ｗは、時刻ｔ２０において、水位レベルＷ１に達する。しかし、制御棒操作制限器２６は、起動領域において制御棒挿入操作を中断しないロジックである。そのため、制御棒駆動装置２は引き続き制御棒挿入操作を実行する。
【００５４】
この実施例は、制御棒操作制限器２６にスイッチ３０を設置し、スイッチ３０操作のアルゴリズムを追加するだけでよい。そのため、特許文献４の従来技術から簡単に変更できる利点がある。
【００５５】
なお、図１と図１０の実施例は、未臨界制御モードや制御棒全挿入モードなどの制御モード信号を制御棒操作制限器２２，２６へ入力している。但し、各制御モードに対応する複数の制御棒操作制限器を用意した場合、制御モードを入力する必要はない。その場合、起動領域または運転領域を示す運転モード信号、又は、運転モードを判定できる原子炉出力信号を制御棒操作制限器に入力すればよいため、図５や図１０のオアゲート３２，３５やアンドゲート３１，３６が不要になる。
【００５６】
いずれの実施例においても、原子炉出力を上昇させる操作時や比較的高出力の場合であって、原子炉水位の変動が大きい場合、制御棒駆動制限器は制御棒操作を一時停止して水位の静定を促進する。一方、低出力状態であって原子炉停止の操作時、制御棒駆動制限器は制御棒挿入操作を制限しないことによって、給水流量の低下によって引き起こされる水位上昇を緩和する。そのため、制御棒駆動装置は、原子炉水位が水位高警報点に達しないような運転操作が可能になる。
【符号の説明】
【００５７】
１  出力制御器
２  制御棒駆動装置
４  原子炉水位計
５  中性子検出器
６  圧力検出器
８，３０  スイッチ
１３，１４，１５，１６  比較器
１７，１８，１９，２０，２８  設定器
２１  圧力制御装置
２２，２６  制御棒操作制限器
４０  水位警報発生装置
６０  炉心
６３  再循環流量制御装置
６５  性能計算装置
６６  中央制御盤
７１  主蒸気流量検出器
７３，７４  タービン
７５  発電機
７９  給水流量検出器
ＷＵ  水位高警報レベル
Ｗ１  第１の制限水位レベル
Ｗ２  第１の操作許可水位レベル
Ｗ０  通常水位レベル
Ｗ３  第２の制限水位レベル
Ｗ４  第２の操作許可水位レベル
ＷＬ  水位低警報レベル
ＷＵ−Ａ  運転領域の水位高警報レベル
ＷＵ−Ｂ  起動領域の水位高警報レベル
Ｗ１−Ａ  運転領域の第１の制限水位レベル
Ｗ１−Ｂ  起動領域の第１の制限水位レベル
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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