(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータによって原子炉の運転限界を確定し、該運転限界を利用して原子炉を運転する方法において、
（ａ）前記コンピュータによって、以前の燃料サイクル中に収集した経験的情報と、次の燃料サイクル中の当該原子炉の計画運転とに基づいて、この炉心にある燃料棒の各々に関する夫々の燃料棒出力履歴を作成する工程（３０８）と、
（ｂ）前記コンピュータによって、工程（ａ）で夫々の燃料棒について作成された前記燃料棒出力履歴に基づいて、次の燃料サイクル中での、前記燃料棒の夫々の内圧データを計算する工程（３１４）と、
（ｃ）前記コンピュータによって、夫々の内圧データが計算された前記燃料棒の中から、最大内圧を示す燃料棒を判別する工程（３１６）と、
（ｄ）前記コンピュータによって、最大内圧を示すと判別された燃料棒の熱的・機械的運転限界を、当該最大内圧燃料棒について前記工程（ａ）で作成された燃料棒出力履歴に基づいて確定する工程（３１８）と、
（ｅ）前記原子炉を、工程（ｄ）で確定された熱的・機械的運転限界よりも下の出力限界で運転する工程と、
を具備することを特徴とする、原子炉を運転する方法。
【請求項２】
工程（ｂ）は、炉心内の燃料棒に関する熱的及び機械的超過出力限界を計算する副工程を含むことを特徴とする請求項１記載の原子炉を運転する方法。
【請求項３】
工程（ｂ）〜（ｄ）が,前記以前の燃料サイクルと次の燃料サイクルの各々のサイクルについて実行されることを特徴とする請求項１記載の原子炉を運転する方法。
【請求項４】
さらに、
（ｆ）前記コンピュータによって、工程（ｂ）において計算された燃料棒内圧データに基づいて前記次の燃料サイクルに関する最大燃料棒内圧を決定する工程と、
（ｇ）前記コンピュータによって、（ｆ）で決定された最大燃料棒内圧が、管轄する認可機関によって規定された基本基準よりも低いことを確認する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の原子炉を運転する方法。
【請求項５】
前記以前の燃料サイクルと次の燃料サイクルの各々のサイクルについて、工程（ｂ）及び（ｃ）を実行することを特徴とする請求項１記載の原子炉を運転する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核燃料棒の内圧に関する基本認可基準を原子炉が遵守していることを実証するための方法に関する。さらに具体的には、本発明は核燃料棒の使用及び運転に関する熱的・機械的限界を決定するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ほとんどの国は、それぞれの管轄権の範囲内で核燃料及び原子力発電の安全な使用及び分布を管理するために何らかの種類の取締り機関又は委員会を有している。例えばアメリカ合衆国では、原子力規制委員会（ＵＳＮＲＣ）が原子力発電所の建設及び運転の認可に責任を有する主な政府取締り機関となっている。その取締り権能の範囲内で、ＵＳＮＲＣは原子炉の運転の認可を与えるための基本安全基準の設定及び再検討を行う。かかる再検討に際し、認可の申請者は特定の原子炉の運転がＵＳＮＲＣによって設定された基本安全基準を遵守していることを実証することができなければならない。原子炉設計及び運転評価方法が提案された場合、ＵＳＮＲＣによって承認されれば、それが運転認可のための基礎をなし得る。
【０００３】
遵守を実証するための方法は、通例、（とりわけ）原子炉内の燃料棒がある所定の出力レベル以下において所定の安全マージンの範囲内で機能することを示す統計的／経験的証拠を得る工程を含んでいる。なお、上記の所定の出力レベルは、炉心内の全ての燃料棒に関して燃料棒被覆管に加わる熱的及び機械的応力が（例えば、燃料棒被覆管の亀裂又は破裂及びその結果としての汚染物の漏れを防止するため）燃料の寿命及び使用中を通じて安全なレベルに保たれることを保証する。原子炉運転限界は、原子炉の運転が燃料棒の熱的・機械的設計及び安全解析基準の範囲内に維持されることを保証するように決定される。このような運転限界は、例えば、燃料ペレットの照射線量レベルの関数としての最大許容燃料ペレット運転出力によって定義することができる。かかる運転出力は、通例、最大線出力密度（ＭＬＨＧＲ）〔すなわち、単位長さ当りの燃料棒によって発生される最大熱量(Kw/ft) を照射線量(Gwd/mt)に対してプロットして得られる値〕によって表わされる。
【０００４】
例えば、ＵＳＮＲＣによって承認されＧＥ社の「ＧＥＳＴＡＲ」認可基準の下では、原子炉に関する燃料設計用の熱的・機械的（Ｔ−Ｍ）解析は次のような条件下で実施することが要求される。それらの条件とは、(i) 最悪の想定許容差を適用するか、あるいは確率的な解析を実施することにより、統計的な限界を定める結果（すなわち、上方の９５％信頼限界）を求めること、並びに(ii)正規の定常運転時に予想される条件及び予想される運転事故（ＡＯＯ）を制限するように運転条件を設定することである。実施されたＴ−Ｍ解析結果に基づき、実際の燃料運転が燃料棒の熱的・機械的設計及び安全基準の範囲内に維持されることを保証するように運転限界が決定される。これらの運転限界は、燃料ペレットの照射線量の関数としての最大許容燃料ペレット運転出力レベルを規定している。
【０００５】
燃料棒に関する熱的・機械的（Ｔ−Ｍ）運転限界を設計するための従来の方法は、単一の仮想燃料棒に関する境界出力履歴解析結果を適用するというものである。例えば、正規の定常運転中における燃料棒内圧の効果が過大な燃料棒被覆管圧力荷重に原因する燃料破損をもたらさないことを保証するように燃料棒を評価することがある。かかる評価は、例えば、燃料棒中のウラン燃料ペレットによって放出される核分裂ガス及びその結果として燃料棒の内部に生じる圧力に基づき、正規の定常運転中における内部ガス圧力に原因する被覆管のクリープを決定する。〔例えば、ＧＥ社のＧＥＳＴＲ−ＭＥＣＨＮＩＣＡＬ（ＧＥＴＲＭ）性能コードプログラムのようなＴ−Ｍ性能解析プログラムを使用して燃料棒を評価することができる。〕Ｔ−Ｍ評価結果から一般的な出力限界曲線が作成されるが、これは全ての原子炉のあらゆる燃料サイクルにおける燃料棒の運転に対して有効な運転包絡線を与える。かかる燃料Ｔ−Ｍ限界包絡線の一例を、最大直線発熱速度（ＬＨＧＲ）をペレット照射線量に対してプロットした図１のグラフに曲線１０として示す。
【特許文献１】
特開平０４−１９８８９５  １９９０年１１月公開
【特許文献２】
特開平０５−３２３０８８  １９９２年５月公開
【特許文献３】
特開平０６−１４８３７６  １９９２年１１月公開
【特許文献４】
特開平１０−００２９８７  １９９６年６月公開
【特許文献５】
米国特許第４５８１１９６号  １９８６年４月発行
【特許文献６】
米国特許第５９１２９３３号  １９９９年６月発行
【特許文献７】
米国特許第５９９１３５２号  １９９９年１１月発行
【特許文献８】
米国特許第６０６１４１２号  ２０００年５月発行
【特許文献９】
米国特許第６３１０９２９号  ２００１年１０月発行
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる一般的な運転限界包絡線を作成する際には、最大予想出力及び照射条件に暴露される炉心内の燃料棒のみを評価するのが通例である。しかしながら、炉心内のいずれの燃料棒も実際にその極限出力履歴に相当する出力履歴をもって動作することはなく、それどころかその運転期間の大部分に関して極限出力よりも実質的に低いレベルで動作することが知られている。本発明以前には、炉心内のいずれの燃料棒が内部核分裂ガス放出に関して最も極限的に状態で動作する可能性があるかを決定することは不可能であった。この点で、境界出力履歴を作成することによって燃料棒に関する熱的・機械的限界を決定するという従来のアプローチは過度に控え目なものであって、原子炉の運転を不必要に最適レベルよりも低く制限するものであった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、炉心内の全ての燃料棒に関して実際の出力履歴プロフィルを作成し、各燃料棒に関する内圧を個別に評価することによって上記のような制約を解消する。原子炉設計及び実際の原子炉運転に基づいて個々の燃料棒に関する出力履歴を生成するための通常のコンピュータプログラムは公知である。例えば、１９８７年頃、ゼネラル・エレクトリック・カンパニー(General Electric Company)は「ＬＥＲＮ」と呼ばれるコンピュータプログラムを開発した。ＬＥＲＮプログラムは、単一の燃料棒に関する出力履歴プロフィルを生成することが可能であり、通例は例えば（１度に１本ずつ）個々の燃料棒に関する特殊な研究を行うために使用されている。本発明では、過去の燃料サイクルで予め収集された各燃料棒の運転履歴データ及び次の燃料サイクル中における原子炉の運転計画を使用することにより、炉心内の各燃料棒に関して燃料棒出力履歴が作成される。
【０００８】
本発明の方法の実施に際しては、コンピュータプログラムは上記のようなＬＥＲＮ型の技術又は同等のソフトウェアを使用し、それにより以前の燃料サイクル中に収集された経験的情報及び次の燃料サイクル中における原子炉の運転計画に基づいて炉心内の各燃料棒に関する個別の燃料棒出力履歴を作成する。次いで、各燃料棒に関して作成された出力履歴を使用することにより、プログラムは燃料棒別の内圧解析を実施する。その場合、プログラムは次の燃料サイクル中における各燃料棒の熱的及び機械的超過出力限界並びに最大内圧を計算し、それによっていずれの燃料棒が最も極限的な出力履歴をもって動作しているか（すなわち、その内圧限界並びに熱的及び機械的超過出力限界に最も近いか）を決定する。次いで、この燃料棒の出力履歴が安全運転限界を設定するための基礎として使用され、それによって（通例は単一の仮想燃料棒のみに基づく）従来の過度に控え目な境界出力履歴解析に頼ることなしにＵＳＮＲＣ要求条件の遵守が判定される。原子炉の運転がＵＳＮＲＣの認可要求条件を遵守していることは、次の燃料サイクルに関して最大の燃料棒内圧又は熱的及び機械的超過出力応力を有するものと決定された燃料棒が特定の基本認可基準を侵害しないことを確認することによって実証される。
【０００９】
上記のような燃料棒評価方法は、原子炉のそれぞれの運転燃料サイクルに関して実施することが好ましい。このようなＴ−Ｍ限界設定方法を使用することにより、原子炉運転に関する基本安全基準及び政府賦課基準を侵害することなしに各燃料棒に関してより高いピーク運転出力を使用することができる。その上、本発明の開示された方法の実施は、遥かに緩やかな燃料棒の熱的・機械的限界を使用しながら原子炉を運転することを可能にし、その結果として運転燃料費及び運転出力の実質的な改善をもたらす。
【００１０】
本発明の一態様では、原子炉の炉心内にある燃料棒の運転履歴に基づいて原子炉に関する出力限界基準を決定するための改良方法が提供される。かかる改良方法は、炉心内の燃料棒に関してより大きい運転マージンの実現をもたらし、ひいてはより能率的で原価効率の良い炉心運転及び／又は燃料棒配置をもたらす。これに関連して本発明は、原子炉がＵＳＮＲＣ認可要求条件を遵守していることを示すために従来使用されてきた過度に控え目な方法に比べ、より直接的でより積極的な方法をも提供する。
【００１１】
本発明の別の態様では、メモリと各種のＩ／Ｏ装置又はディスプレイ装置とを具備したコンピュータを含むデータ処理システムが提供される。かかるコンピュータは、炉心内の各燃料棒に関して計算された内圧に基づいて原子炉の出力限界基準を決定すると共に、炉心内の各燃料棒に関する個別の出力履歴及び内圧を随意に編集しかつ表示するようにプログラムされている。
【００１２】
本発明のさらに別の態様では、コンピュータシステム上における分散及び／又は保存のためにコンピュータで読取り可能な任意の媒体上に実現し得ると共に、原子炉の炉心内にある燃料棒の熱的・機械的運転限界に基づいて原子炉の出力限界基準を決定するために実行し得るコンピュータプログラム製品が提供される。
【００１３】
本発明のさらに別の態様では、原子炉の運転に際して原子炉が燃料棒内圧に関する基本認可基準を遵守していることを実証するための方法及びシステムが提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば、オープンＶＭＳオペレーティングシステムを走らせたディジタル・エクイップメント社(Digital Equipment Corp.) 製のアルファ(Alpha) コンピュータを用いて実施することができる。コンピュータ上で実行するためのコンピュータプログラムとして実現された場合、本発明は原子炉の過去の運転から収集された経験的データを用いて炉心内の各燃料棒の実際の出力履歴を決定し、次の燃料サイクルに関して各燃料棒の内圧を評価する。このような燃料棒評価方法は、特定の原子炉の各運転サイクルに関する燃料サイクル設計及び認可プロセスで実施されることが好ましい。かかる評価方法は、炉心内の各燃料棒の実際の運転出力レベルの経験的データに基づく燃料棒別の内圧解析を含んでいる。コンピュータプログラムは、以前の燃料サイクルで収集された情報及び次の燃料サイクル中における原子炉の運転計画に基づいて炉心内の各燃料棒に関する個別の燃料棒出力履歴を作成する。次いで、各燃料棒に関して作成された出力履歴を使用することにより、プログラムは次の燃料サイクル中における各燃料棒に関して熱的及び機械的超過出力限界並びに最大内圧を計算する。認可条件の遵守は、次の燃料サイクルに関して計算された最大内圧が取締り機関によって要求される統計的信頼度をもって限界圧力よりも低いこと、並びに燃料棒の最大の熱的及び機械的超過出力応力が規定の最大値よりも低いことを確認することによって実証される。
【００１５】
図１は、燃料棒を評価するための熱的・機械的限界包絡線１０の一例を示すグラフである。かかる包絡線は、燃料棒に関する運転限界の最大線出力密度（ＭＬＨＧＲ）を燃料ペレットの照射線量の関数として示している。
【００１６】
図２は、本発明の方法に従って炉心内の各燃料棒に関する燃料棒熱的・機械的限界の評価を実施するためのデータ処理システム１００の実施例を示す簡略ブロック図である。本質的に、システム１００はＣＰＵ１０１、記憶メモリ１０２、並びにユーザインターフェース用のＩ／Ｏ装置１０３及び（所望に応じ）１台以上のディスプレイ１０４を含んでいる。記憶メモリ１０２は、例えば原子炉プラントの初期状態情報、燃料格子物理解析の結果、３Ｄシミュレーションの結果、燃料棒のタイプ／特性データ、及び本発明の方法に従って燃料棒を評価するためのプログラムのようなデータベース又はファイル（図示せず）を含んでいる。
【００１７】
図３は、燃料棒の内圧比を計算するため（すなわち、９５％の信頼度で信頼し得ると考えられる圧力比を求めるため）に有用な数学的関係式を示している。この式を用いて得られる圧力比の値は、燃料棒の最大公称内圧Ｐmax,nom と公称限界内圧Ｐcrit,nomとの比に基づいている。Ｐmax,nom は、例えばＧＥ社のＧＥＳＴＲ性能ソフトウェアによって達成されるように、燃料棒に関する通常のＴ−Ｍ型解析を実行することによって求めることができる。
【００１８】
図４は、本発明の燃料棒評価プログラムの一例を示す機能的プログラム流れ図である。図中の各ブロックには、例えば炉心内の全ての燃料棒の熱的・機械的限界を評価するため単一プロセッサ又はマルチプロセッサのコンピュータシステム上で動作するコンピュータプログラムによって実行される機能工程の簡潔な説明を示した。以降でさらに詳しく説明するが、図４に示す機能工程は自明のものであって、当技術分野で公知の通常のプログラミング技術及びプログラミングツールを使用することによって通常のコンピュータ上で実行し得ることは当業者にとって容易に理解されよう。
【００１９】
図４の機能的流れ図に示す通り、本質的に本発明の方法は、炉心内の各燃料バンドルに含まれる全ての燃料棒を燃料棒別に調べることによって各燃料棒に関する内圧データを求め、次いでかかる情報を用いてその原子炉に関する適当な極限運転基準を設定するというものである。先ず最初に、原子炉プロセスコンピュータからの運転データ及び予め作成されたデータファイル（例えば、原子炉３Ｄシミュレーションファイル３０４、原子炉燃料格子物理解析ファイル３０６及びＴ−Ｍ解析ファイル３１２）から得られるデータに基づいて燃料棒出力「履歴」が作成される。これらのデータファイルによって与えられる原子炉特有の情報は、原子力業界において公知の標準的な手順及び方法を使用しながら通常の手段によって予め収集しかつディジタル的に保存することができる。次いで、かかる燃料棒出力履歴を使用することによって各燃料棒に関するＴ−Ｍ解析が個別に実行される。
【００２０】
図４のプログラム流れ図３００について説明すれば、先ず最初に、１組の保存入力ファイル３０４（例えば、ＧＥ社のＰＡＮＡＥＡ  ＣＥＤＡＲファイル）中に保存された燃料サイクル「履歴」データを用いて燃料バンドル「履歴」（ブロック３０２）が作成される。この燃料サイクル履歴データは、以前の燃料サイクル（例えば、サイクルｎ−１〜ｎ−３）をカバーする運転条件及び次のサイクル（サイクルｎ）について計画された運転条件に関して原子炉の３Ｄシミュレーションを実行した結果として得られる。この時点において、燃料バンドル履歴の作成に関連するその他の原子炉特有の運転パラメータをユーザデータ３０１として入力することができる。こうして作成された燃料バンドル履歴は、例えば、燃料棒軸方向出力定格（Ｐ）、燃料棒照射線量データ（Ｅｘｐ）、水密度履歴（ＵＨ）及び制御分率データ（ＣＦ）を含み得る。
【００２１】
次に、ブロック３０８において、作成された燃料バンドル履歴データ及び（原子炉燃料格子解析データを含む）第２の組の入力ファイル３０６（例えば、ＧＥ社のＴＧＢＬＡファイル）から得られたデータを用いて個別の燃料棒出力履歴が作成される。次に、ブロック３１０において、燃料棒特有のデータを含む第３の組の入力ファイル３１２（例えば、ＧＥ社のＧＳＴＲＭファイル）を用いてＴ−Ｍ解析ケースを実行するためのＴ−Ｍ解析入力ファイルが作成される。次に、ブロック３１４において、各燃料棒に関するＴ−Ｍ解析ケースが実行され、出力ファイルが生み出される。最後に、ブロック３１６において、Ｔ−Ｍ出力ファイルを処理することにより、印刷又は表示のため各燃料棒に関する出力結果（ブロック３１８）が得られる。その後、次の燃料バンドルが調べられる。出力結果３１８は少なくとも各燃料棒に関するピーク圧力及び照射線量データを含むが、その他の関連情報をさらに含むこともできる。かかる関連情報としては、例えば、エンドオブライフ圧力／照射線量、最大照射線量／モード、及び最大濃縮度／ＧＡＤが挙げられる。このような操作は、炉心内の全ての燃料バンドルが評価されるまで継続される。図５は、本発明の好適な実施例において得られた燃料棒別の出力結果のリストの一例である。
【図面の簡単な説明】
【図１】核燃料棒を評価するためのＴ−Ｍ限界包絡線の一例を示すグラフである。
【図２】核燃料棒の熱的・機械的限界のシミュレーション／モデル化のために使用されるデータ処理システムの一例を示すブロック図である。
【図３】燃料棒に関する圧力比の決定に用いられる数式の一例を示す。
【図４】燃料棒の熱的・機械的限界の評価を行うためのデータ処理システムによって実行し得る一連の工程の実例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の好適な実施例において得られた燃料棒別の評価結果の出力リストの一例である。
【符号の説明】
１０  限界包絡線
１００  データ処理システム
１０１  ＣＰＵ
１０２  記憶メモリ
１０３  インターフェース用Ｉ／Ｏ装置
１０４  ディスプレイ
【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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