(57)【要約】【課題】  沸騰水型原子炉の燃料集合体における沸騰遷移の履歴を考慮した炉心管理を実現できる炉心監視装置を提供する。【解決手段】  沸騰水型原子炉内のあらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体について、沸騰遷移の有無を判定する基準をあらかじめ作成する沸騰遷移判定基準作成手段９と、あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の現在の運転状態を表すデータを収集するデータ収集手段６と、データ収集手段で収集されたデータおよび、沸騰遷移判定基準作成手段で得られた基準に基づいて、前記燃料集合体における沸騰遷移の有無を判定する沸騰遷移判定手段１０と、沸騰遷移判定手段から得られた沸騰遷移の経過を記録する沸騰遷移経過記録手段１１と、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料集合体を収容する沸騰水型原子炉内のあらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体について、沸騰遷移の有無を判定する基準をあらかじめ作成する沸騰遷移判定基準作成手段と、
前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の現在の運転状態を表すデータを収集するデータ収集手段と、
前記データ収集手段で収集されたデータおよび、前記沸騰遷移判定基準作成手段で得られた基準に基づいて、前記燃料集合体における沸騰遷移の有無を判定する沸騰遷移判定手段と、
前記沸騰遷移判定手段から得られた沸騰遷移の経過を記録する沸騰遷移経過記録手段と、
を有すること、を特徴とする炉心監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の炉心監視装置において、前記沸騰遷移経過記録手段により記録された沸騰遷移の履歴に基づいて、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の再使用可能性および健全性を判断する状態判断手段をさらに有すること、を特徴とする炉心監視装置。
【請求項３】
請求項１に記載の炉心監視装置において、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体についての過去の沸騰遷移の経過に関する情報を記録する沸騰遷移履歴記録手段をさらに有すること、を特徴とする炉心監視装置。
【請求項４】
請求項３に記載の炉心監視装置において、前記沸騰遷移経過記録手段および沸騰遷移履歴記録手段により記録された沸騰遷移の履歴に基づいて、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の再使用可能性および健全性を判断する状態判断手段をさらに有すること、を特徴とする炉心監視装置。
【請求項５】
請求項２または４に記載の炉心監視装置において、前記状態判断手段は、燃料被覆管温度と沸騰遷移持続時間の履歴に基づいて、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の再使用可能性および健全性を判断するものであり、前記再使用可能性の要件は前記健全性の要件を必要条件とすること、を特徴とする炉心監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉心監視装置に係り、特に、炉心が過渡変化にさらされた際に、沸騰遷移発生の有無を監視し、沸騰遷移経過・履歴を監視・記録することができる炉心監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型原子炉において、運転中の原子炉の出力分布と熱的余裕とを正確に評価することは、原子炉を安全かつ効率的に運転するために重要である。このため、従来から、炉内に多数の中性子検出器を配置し、この中性子検出器からの検出信号に基づき、フィッティング式や三次元核熱水力モデルなどの物理モデルを用いて炉内の３次元出力分布を求め、さらに限界出力比（ＣＰＲ）や線出力密度などの熱的余裕を求める炉心監視装置を設けるようにしている。
【０００３】
ＢＷＲの炉心監視装置の一例を図３に示す。原子炉圧力容器１内には、冷却材（減速材）２および炉心３が収容されている。図４はこのようなＢＷＲの炉心の一例を示したものである。図中、１０１は燃料集合体、１０２は制御棒、１０３は中性子検出器集合体の水平方向位置を示しており、この例では、制御棒１０２は４体の燃料集合体１０１ごとに１本程度、中性子検出器集合体１０３は１６体の燃料集合体１０１ごとに１体程度の割合で存在する。
【０００４】
さて、図３に示すように、炉心３内の中性子検出器集合体１０３内には、通常は複数の中性子検出器４が設置され、各位置における中性子束を測定できるようになっている。また、中性子検出器集合体１０３内を移動可能な図示しない中性子検出器も存在し、軸方向の中性子束分布を連続的に測定したり、位置が固定されている中性子検出器４を較正することができる。
【０００５】
原子炉圧力容器１周辺には、原子炉現状データ測定器５が設置されており、この原子炉現状データ測定器５により、原子炉出力、冷却材全流量、炉内圧力、冷却材温度などの炉心現状データが測定されるようになっている。そして、この炉心現状データ測定器５からの信号Ｓ５は、前記各中性子検出器４からの信号Ｓ４とともに、データサンプラ（データ収集手段）６に入力され、その出力はさらに炉心性能評価手段７に入力されるようになっている。
【０００６】
炉心性能評価手段７は、このデータサンプラ６からの入力と、あらかじめ入力される炉心および燃料に関する情報をもとに、炉内出力分布や、燃料棒の線出力密度、ＣＰＲなどの熱的余裕を評価するようになっている。そして算出された出力分布や熱的余裕は、入出力装置８の表示部に表示されるようになっている。
【０００７】
ここでは特にＣＰＲについてさらに説明を加える。ＣＰＲは、
ＣＰＲ＝（燃料集合体が沸騰遷移に至る出力）／（燃料集合体の実際の出力）
と定義され、この値が１を下回ると沸騰遷移が発生すると予測される。実際には、予測上あるいは運転上の不確定要素もあるため、運転にあたっては、炉心監視上の様々な不確かさや過渡変化を考慮しても、沸騰遷移に至る確率が十分小さくなるよう（つまりＣＰＲが１を下回らないよう）ＣＰＲに対する運転制限値が定められている。そして炉心内の全ての燃料集合体について、適切な時間間隔でＣＰＲが計算され、運転制限値以上であることを確認しながら運転が継続される。
【０００８】
つまり、従来は、いかなる過渡変化が生じても炉心内の燃料集合体１０１に沸騰遷移が生じない範囲で炉心が運転されてきたことになる。したがって、運転中に過渡変化が生じ、静定した時点で、プラントに異常がなければ、そのまま炉心の運転継続、あるいは炉心が停止された場合は再起動を行なうことが原則として可能であった。
【０００９】
このような運用は、沸騰遷移に至らない限り、燃料被覆管は飽和冷却材の液相に包囲されて、熱伝達効率の良い核沸騰冷却状態にあり、表面温度の変化は小さく、健全性を保って継続使用が可能であるとの考えに基づくものである。このような限界条件に関する考え方を沸騰遷移基準と呼んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、近年、以上とは異なる限界値の考え方が提唱されるようになってきた。そもそもＣＰＲのような熱水力的限界値が設定されるのは、沸騰遷移によって燃料棒被覆管表面が蒸気冷却状態へと移行し熱伝達率が大幅に減少することで、被覆管表面温度が過度に高くなり、被覆管が有意に変形したり、過度の酸化による脆化破損が生じるのを防ぐことを目的とする。
【００１１】
したがって、たとえ沸騰遷移が生じたとしても、被覆管温度の上昇が十分小さいか、このような変形や酸化反応が生じない程度の短時間に、燃料棒表面が再度液相で覆われれば（リウェットという）、被覆管の健全性を確保する目的は達成される。このような観点から定められた限界基準を、前述の沸騰遷移基準に対して時間温度基準と呼んでいる。
【００１２】
時間温度基準では沸騰遷移を許容しているので、当然ながら運転制限に関しては沸騰遷移基準よりも緩い基準であり、このような基準の採用によりＢＷＲの運転自由度を拡大し、経済性を改善することができる。
【００１３】
図５は、燃料被覆管の健全性および再使用の判断基準の例を示す。図５で、横軸は沸騰遷移持続時間、縦軸は燃料被覆管温度である。時間温度基準は、図に示す二つの部分に分けて運用される。
【００１４】
第１の部分２０は健全性の判断基準と呼ばれる。過渡沸騰遷移が発生した場合、燃料被覆管の破損機構は過度の酸化による脆化破損である。したがって、ある程度以下の被覆管温度、沸騰遷移持続時間の範囲であれば、被覆管の変形や酸化の度合いが小さいため、燃料の破損が生じず、事象が収束した後の燃料集合体の取り扱い時においても健全性を維持できる。このような燃料健全性のための判断基準は、燃料被覆管温度と沸騰遷移の持続時間で与えられる。
【００１５】
時間温度基準を用いる場合は、基準が適用される運転時の異常な過渡変化時において、全ての燃料が健全性の判断基準を満たすように、通常運転時の運転制限条件が定められる。
【００１６】
時間温度基準の第２の部分２２は再使用の判断基準である。現実に発生する可能性の高い多くの過渡事象は、速やかに出力が低下してリウェットするため、燃料被覆管の温度上昇は小さく、沸騰遷移持続時間は短い。この場合、燃料棒性能に係る諸特性に有意な変化がないため、事象後の燃料健全性が確保されるだけでなく、燃料集合体を再度使用しても問題は生じない。この再使用の可能性についての判断基準（第２の部分２２）も、やはり燃料被覆管温度と沸騰遷移の持続時間で与えられるが、健全性の判断基準（第１の部分２０）よりも範囲は小さくなる。
【００１７】
なお、過去において沸騰遷移を経験している燃料については、再使用の判断基準を適用できない場合がある。一般に、同一燃料に対して再使用の判断基準を適用できる回数は制限され、典型的な例としては１回のみ適用が許される。
【００１８】
以上述べた時間温度基準の構成を考えるに、健全性の判断基準（第１の部分２０）については、あらかじめ適切な運転制限条件を定めることで実際の運転で遵守することができる。しかし、再使用の判断基準（第２の部分２２）については、実際に発生した個々の過渡事象の内容によって、また炉内の各々の燃料によって、そしてその燃料の過去における沸騰遷移経験の履歴によって、基準を満足したか否かの判定が異なってくることがわかる。これを正しく判定するには、過渡事象が発生した後、炉心内全燃料の挙動解析を行なう必要があるが、このような解析は、燃料の履歴や初期炉心状態の把握、発生した事象の分析、３次元の炉心シミュレーションといった手順が必要であり、一般にはかなりの時間と手間を要する。
【００１９】
一方、プラント経済性の観点から見れば、速やかに定格運転状態に復帰しなければ稼働率の損失となるので、燃料再使用についての即時の判断ができないことが、時間温度基準を適用する上の課題となっていた。
【００２０】
本発明の目的は、沸騰水型原子炉の燃料集合体における沸騰遷移の履歴を考慮した炉心管理を実現できる炉心監視装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、複数の燃料集合体を収容する沸騰水型原子炉内のあらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体について、沸騰遷移の有無を判定する基準をあらかじめ作成する沸騰遷移判定基準作成手段と、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の現在の運転状態を表すデータを収集するデータ収集手段と、前記データ収集手段で収集されたデータおよび、前記沸騰遷移判定基準作成手段で得られた基準に基づいて、前記燃料集合体における沸騰遷移の有無を判定する沸騰遷移判定手段と、前記沸騰遷移判定手段から得られた沸騰遷移の経過を記録する沸騰遷移経過記録手段と、を有すること、を特徴とする。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の炉心監視装置において、前記沸騰遷移経過記録手段により記録された沸騰遷移の履歴に基づいて、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の再使用可能性および健全性を判断する状態判断手段をさらに有すること、を特徴とする。
【００２３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の炉心監視装置において、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体についての過去の沸騰遷移の経過に関する情報を記録する沸騰遷移履歴記録手段をさらに有すること、を特徴とする。
【００２４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の炉心監視装置において、前記沸騰遷移経過記録手段および沸騰遷移履歴記録手段により記録された沸騰遷移の履歴に基づいて、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の再使用可能性および健全性を判断する状態判断手段をさらに有すること、を特徴とする。
【００２５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項２または４に記載の炉心監視装置において、前記状態判断手段は、燃料被覆管温度と沸騰遷移持続時間の履歴に基づいて、前記あらかじめ指定した少なくとも一つの燃料集合体の再使用可能性および健全性を判断するものであり、前記再使用可能性の要件は前記健全性の要件を必要条件とすること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、沸騰水型原子炉の燃料集合体における沸騰推移の履歴を考慮した炉心管理を実現できる炉心監視装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明に係る炉心監視装置の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、前述の従来技術と同一もしくは類似の部分、または相互に同一もしくは類似の部分については、同一符号を付して、重複説明は省略する。
【００２８】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る炉心監視装置の第１実施の形態を示す図であって、図３に示した従来の炉心監視装置に、沸騰遷移に関する判定、記録手段を付加したものである。
【００２９】
本実施の形態においては、炉心性能監視手段７からの出力は、入出力装置８とは別に沸騰遷移判定基準作成手段９にも送られる。以下にこの沸騰遷移判定基準作成手段９の機能を説明する。
【００３０】
前述のように、３次元炉心シミュレーション解析を行なえば、個々の燃料集合体１０１が沸騰遷移状態にあるか否かを判定することができる。しかし、一般的にはこの解析にはかなりの計算時間が必要であって、過渡変化時において燃料の沸騰遷移監視をリアルタイムで行なう目的には適さない。そこで、炉心性能評価が適切な時間間隔で実施されていることを利用し、その最新の結果をベースとして、その後の炉心状態の変化に応じたＣＰＲを、炉心現状データから短時間で求められるよう定式化しておけば、監視という目的上は好都合である。
【００３１】
ＣＰＲの定義を考えると、沸騰遷移を生じるのはＣＰＲ＝１の場合ということになるが、種々の不確かさも考慮して、ＣＰＲ＝ＣＰＲBTの時に沸騰遷移と判定するならば、
ＣＰＲ＝Ｆｉ（炉心現状データ）
として、
判定関数ｉ＝Ｆｉ（炉心現状データ）−ＣＰＲBT      … （１）
という関数形が沸騰遷移判定基準作成手段９の出力となる。ここで下付文字ｉは各々の燃料集合体を示す。
【００３２】
判定関数は、基本的には対象とする燃料集合体１０１の数だけ存在することになる。ただし、炉内のいくつかの燃料集合体をまとめて一つの判定関数で代表することもありうる。また、個々の燃料集合体１０１ごとに沸騰遷移判定をする必要がない場合には炉心全体を一つの判定関数で代表することも考えられる。これは、実際に発生確率の高い過渡事象で沸騰遷移に至る可能性が低い場合などに有用である。というのも判定関数が少ないほど沸騰遷移判定手段１０での計算時間が短くなり、監視頻度を高くできるからである。
【００３３】
沸騰遷移判定基準作成手段９の具体的な出力の例としては、あらかじめ対象となる燃料集合体に共通にいくつかの不定係数を含む適切な式形を決めておき、その不定係数の値を出力するのが現実的である。
【００３４】
また、判定関数の独立変数である炉心現状データとしては、燃料集合体の限界出力に影響する測定値を用いる。限界出力を大きく左右するパラメータとして、燃料集合体の出力や冷却材流量、圧力、冷却材入口温度があり、これらと相関の大きな測定量として、複数の中性子検出器信号や中性子検出器信号の炉心平均値（あるいは、これらに燃料棒の熱伝達時間を模擬する１次遅れ処理を行なったもの）、原子炉圧力、炉心支持板差圧、炉心冷却材ポンプ回転数、ジェットポンプ駆動水流量、ポンプデッキ差圧、冷却材温度などが考えられる。実際にはこれら全てではなく、影響度の大きいパラメータを選択して用いれば、沸騰遷移判定手段１０での計算時間を短縮することができる。
【００３５】
以上では沸騰遷移状態の判定基準として常にＣＰＲを用いているが、これは正確には通常状態から沸騰遷移状態への移行を判断する際に用いるべきパラメータであり、近似的な手法である。沸騰遷移状態から通常状態に移行する場合は、リウェット相関式で判定するのが最も正しい。したがって、沸騰遷移判定基準作成手段９からは、沸騰遷移へ移行する場合とリウェットする場合の判定関数２種類を出力するのも良い。
【００３６】
沸騰遷移判定手段１０では、沸騰遷移判定基準作成手段９から出力された判定関数と、データサンプラ６から出力される必要な炉心現状データを用いて、対象となる燃料集合体（あるいは炉心）の状態をリアルタイムで判定する。
【００３７】
例えば判定関数が前記の式（１）であれば、
判定関数＞０  のときは、通常状態、
判定関数≦０  のときは、沸騰遷移状態、
と判定され、燃料集合体ごとの判定結果が沸騰遷移経過記録手段１１に送られる。
【００３８】
沸騰遷移経過記録手段１１では、監視開始信号入力後の判定結果の時間的経過を記録する。なお、通常状態から沸騰遷移状態に、あるいは沸騰遷移状態から通常状態に移行した時に、その時刻を記録すれば記録量を削減することができる。
【００３９】
沸騰遷移経過記録手段１１に記録された沸騰遷移経過信号は、状態判断手段１２に送られる。状態判断手段１２では、対象となる各燃料集合体が経験した沸騰遷移の回数や各回の持続時間を調べ、時間温度基準に照らして、沸騰遷移経験の有無、再使用可能性、健全性などを判断し、結果は、入出力装置８の表示部に表示される。
【００４０】
以上のような構成をとることにより、運転員は常に監視対象燃料の健全性、再使用性を確認することができ、プラントに過渡事象が発生した場合でも、運転復帰できるかプラント停止しなければならないかを速やかに、かつ正確に判断することができる。実際には、ほとんどの過渡事象において沸騰遷移は生じないため、本実施の形態を用いることで、再使用性の確認に要する時間がほとんどなくなり、プラント稼働率を向上することができる。
【００４１】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る炉心監視装置の第２実施の形態を示す。本実施の形態においては、図１に示した炉心監視装置に、沸騰遷移履歴記録手段１３を付加している。沸騰遷移履歴記録手段１３には監視開始信号の入力以前における各燃料集合体の沸騰遷移履歴が入力されており、状態判断手段１２は、この履歴と、沸騰遷移経過記録手段１１に記録された監視開始信号入力後の沸騰遷移経過を照らし合わせて、対象燃料集合体の沸騰遷移経験の有無、再使用可能性、健全性などを判断し、結果は、入出力装置８の表示部に表示される。
【００４２】
本実施の形態によれば、例えば過去の運転サイクル中において沸騰遷移を経験した燃料集合体についても正しい判断を下すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る炉心監視装置の第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】本発明に係る炉心監視装置の第２の実施の形態を示すブロック図。
【図３】従来の炉心監視装置を示すブロック図。
【図４】ＢＷＲの炉心配置を示す模式的平断面図。
【図５】時間温度基準を構成する二つの判断基準の例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
１…原子炉圧力容器、２…冷却材、３…炉心部分、４…中性子検出器、５…原子炉現状データ測定器、６…データサンプラ（データ収集手段）、７…炉心性能評価手段、８…入出力装置、９…沸騰遷移判定基準作成手段、１０…沸騰遷移判定手段、１１…沸騰遷移経過記録手段、１２…状態判断手段、１３…沸騰遷移履歴記録手段、２０…健全性の判定基準（第１の部分）、２２…再使用の判定基準（第２の部分）、１０１…燃料集合体、１０２…制御棒、１０３…中性子検出器集合体、Ｓ４…各中性子検出器４からの信号、Ｓ５…炉心現状データ測定器５からの信号。
【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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