(57)【要約】【課題】  炉水の温度反応度係数が正であっても炉水温度変化率を制限値以内に収めること。【解決手段】  原子炉１０内の中性子束を中性子束検出器１２で検出するとともに、炉水温度を熱電対１６で検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率を温度変化率算出器２２で算出し、炉水温度変化率が設定値以上であり、中性子束が増加傾向にあり、かつ前回制御棒を操作してから一定時間以上経過したことを条件に、制御棒自動制御器３４から制御棒駆動制御器８に制御棒挿入信号を出力して制御棒４の挿入操作を行なう。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉内の中性子束と炉水温度を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率を算出し、炉水温度変化率が設定値以上であり、かつ前記検出した中性子束が増加傾向にあることを条件に、制御棒の挿入操作を行なう原子炉出力制御方法。
【請求項２】
原子炉内の中性子束と炉水温度を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率を算出し、中性子束の検出値から原子炉周期を算出し、炉水温度変化率が設定値以上であり、原子炉周期が正値でかつ設定値以下であることを条件に、制御棒の挿入操作を行なう原子炉出力制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の原子炉出力制御方法において、前回制御棒を操作してから一定時間以上経過したことを条件に、前記制御棒の挿入操作を行なうことを特徴とする原子炉出力制御方法。
【請求項４】
原子炉内の中性子束と炉水温度を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率を算出し、炉水温度変化率が設定値以上であり、中性子束が増加傾向にあり、かつ前回制御棒を操作してから一定時間以上経過したことを条件に制御棒の挿入操作を行ない、中性子束の検出値から中性子束の極大値を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率の極大値を検出し、検出した中性子束の極大値と検出した炉水温度変化率の極大値および炉水温度変化率の目標値に従って中性子束目標値を算出し、算出した中性子束目標値と中性子束検出値との差に基づいて前記制御棒の位置を調整する原子炉出力制御方法。
【請求項５】
原子炉内の中性子束と炉水温度を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率を算出し、中性子束の検出値から原子炉周期を算出し、炉水温度変化率が設定値以上であり、原子炉周期が正値でかつ設定値以下であり、前回制御棒を操作してから一定時間以上経過したことを条件に、制御棒の挿入操作を行ない、中性子束の検出値から中性子束の極大値を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率の極大値を検出し、検出した中性子束の極大値と検出した炉水温度変化率の極大値および炉水温度変化率の目標値に従って中性子束目標値を算出し、算出した中性子束目標値と中性子束検出値との差に基づいて前記制御棒の位置を調整する原子炉出力制御方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の原子炉出力制御方法において、前記算出した中性子束目標値が中性子束検出値に一致するまでは前記条件が成立する毎に前記制御棒の挿入操作を行なうことを特徴とする原子炉出力制御方法。
【請求項７】
原子炉内の中性子束を検出する中性子束検出手段と、前記原子炉内の炉水の温度を検出する炉水温度検出手段と、前記炉水温度検出手段の検出値から炉水温度変化率を算出する炉水温度変化率算出手段と、前記炉水温度変化率算出手段の算出値が設定値以上であり、かつ前記中性子束検出手段の検出値が増加傾向にあるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段から肯定の判定結果が出力されたときに前記原子炉内の制御棒に対して挿入操作を行なう制御棒駆動手段とを備えてなる原子炉出力制御装置。
【請求項８】
原子炉内の中性子束を検出する中性子束検出手段と、前記原子炉内の炉水の温度を検出する炉水温度検出手段と、前記炉水温度検出手段の検出値から炉水温度変化率を算出する炉水温度変化率算出手段と、前記中性子束検出手段の検出値から原子炉周期を算出する原子炉周期算出手段と、前記炉水温度変化率算出手段の算出値が設定値以上であり、前記原子炉周期算出手段の算出値が正値で、かつ設定値以下であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段から肯定の判定結果が出力されたときに前記原子炉内の制御棒に対して挿入操作を行なう制御棒駆動手段とを備えてなる原子炉出力制御装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の原子炉出力制御装置において、前記制御棒が前回操作されてからの経過時間を計測する計測手段を備え、前記判定手段は、前記計測手段の計測値が一定時間以上の値を示すことを前記肯定の判定結果を出力するための条件としてなることを特徴とする原子炉出力制御装置。
【請求項１０】
原子炉内の中性子束を検出する中性子束検出手段と、前記原子炉内の炉水の温度を検出する炉水温度検出手段と、前記炉水温度検出手段の検出値から炉水温度変化率を算出する炉水温度変化率算出手段と、制御棒が前回操作されてからの経過時間を計測する計測手段と、前記炉水温度変化率算出手段の算出値が設定値以上であり、かつ前記中性子束検出手段の検出値が増加傾向にあり、さらに前記計測手段の計測値が一定時間以上の値を示すか否かを判定する判定手段と、前記判定手段から肯定の判定結果が出力されたときに前記原子炉内の制御棒に対して挿入操作を行なう制御棒駆動手段と、前記中性子束検出手段の検出値から中性子束の極大値を検出する中性子束極大値検出手段と、前記炉水温度変化率算出手段の算出値から炉水温度変化率の極大値を検出する炉水温度変化率極大値検出手段と、前記中性子束極大値検出手段の検出値と前記炉水温度変化率極大値検出手段の検出値および炉水温度変化率の目標値に従って中性子束目標値を算出する中性子束目標値算出手段とを備え、前記制御棒駆動手段は、前記中性子束目標値算出手段の算出による中性子束目標値が前記中性子束検出手段の検出値に一致するまでは前記条件が成立する毎に前記制御棒の挿入操作を実行してなる原子炉出力制御装置。
【請求項１１】
原子炉内の中性子束を検出する中性子束検出手段と、前記原子炉内の炉水の温度を検出する炉水温度検出手段と、前記炉水温度検出手段の検出値から炉水温度変化率を算出する炉水温度変化率算出手段と、前記中性子束検出手段の検出値から原子炉周期を算出する原子炉周期算出手段と、制御棒が前回操作されてからの経過時間を計測する計測手段と、前記炉水温度変化率算出手段の算出値が設定値以上であり、前記原子炉周期算出手段の算出値が正値で、かつ設定値以下であり、さらに前記計測手段の計測値が一定時間以上の値を示すか否かを判定する判定手段と、前記判定手段から肯定の判定結果が出力されたときに前記原子炉内の制御棒に対して挿入操作を行なう制御棒駆動手段と、前記中性子束検出手段の検出値から中性子束の極大値を検出する中性子束極大値検出手段と、前記炉水温度変化率算出手段の算出値から炉水温度変化率の極大値を検出する炉水温度変化率極大値検出手段と、前記中性子束極大値検出手段の検出値と前記炉水温度変化率極大値検出手段の検出値および炉水温度変化率の目標値に従って中性子束目標値を算出する中性子束目標値算出手段とを備え、前記制御棒駆動手段は、前記中性子束目標値算出手段の算出による中性子束目標値が前記中性子束検出手段の検出値に一致するまでは前記条件が成立する毎に前記制御棒の挿入操作を実行してなる原子炉出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉出力制御方法およびその装置に係り、特に沸騰水型原子炉起動時の昇温昇圧過程において、減速材温度係数が正であっても炉水温度変化率の目標値に従って原子炉を目標圧力まで昇温昇圧するに好適な原子炉出力制御方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラント、例えば、沸騰水型原子炉を用いた原子力発電プラントにおいては、原子炉を起動する場合に際して、起動開始、臨界、定格圧力到達、発電機併入、定格出力到達の手順で炉の出力を高めることが行なわれている。このうち、原子炉臨界から定格圧力到達までの間は昇温昇圧過程とよばれており、この過程では、タービンバイパス弁・加減弁を閉じ、原子炉から蒸気が流出しない状態で炉心に挿入された制御棒を順次引き抜いて原子炉を昇温昇圧することが行なわれている。
【０００３】
昇温昇圧過程では、主に次の二つの運転制限事項が採用されている。一つは、制御棒を引く抜き時に中性子束の急激な上昇によりスクラムなどの原子炉保護機能が作動しないように、原子炉周期（中性子束φが元の値の２．７１倍となるまでの時間）を一定値以下に保つことである。この原子炉周期は、炉心内に設置された中性子束検出器の検出値から算出される。もう一つの制限事項は、原子炉を構成する各部材に熱的衝撃を与えぬように、炉水の温度変化率を制限値（例えば５５℃／ｈ）以下に保つことである。二つの運転制限事項のうち後者の方が条件としては厳しいので、制限値以下の温度変化率を目標値に設定し、温度変化率が目標値となるように、制御棒を操作することが一般的に行なわれている。
【０００４】
なお、ここでいう炉水温度とは、必ずしも炉心内での冷却材の温度を意味しない。すなわち、沸騰水型原子炉では、炉心内での炉水温度を直接測定しないため、原子炉圧力容器から引き出された配管内の冷却材の温度を測定し、この測定した温度を炉水温度としている。このため、炉心反応度と直接関連する炉心部の冷却材温度に対して炉水温度の測定値には時間遅れがあり、炉水温度の変化率が制限値以下の目標値となるように制御棒を操作するに際して、運転員の操作には熟練を要する。
【０００５】
具体的には、原子炉の起動時には、運転員の操作により、まず、未臨界の原子炉から制御棒を徐々に引き抜いて、原子炉周期が１００秒〜２００秒程度の超過臨界にもっていく制御が行なわれる。ここまでの過程を臨界過程とよび、その後、原子炉を定格圧力まで昇圧する昇温昇圧過程が始まる。この昇温昇圧過程の初期には、超過臨界により中性子束が増加し、それにともなって発熱量も増加する。発熱量が増加すると燃料温度が上昇し、ドップラー効果により炉心に負の反応度が印加される。炉水温度が上昇を開始し、減速材温度反応度効果により炉心に負の反応度が印加されるまでは、原子炉周期を１００秒〜２００秒程度に保って中性子束を上昇させる。このとき、運転員は、中性子束の値を監視し、中性子束の値がある程度上昇したところで、中性子束の値と中性子束レベルの目安（過去の運転実績から炉水の温度変化率が目標値付近となるとして得られた値）とを比較し、中性子束の値が目安を超えそうなときには制御棒を挿入し、逆に中性子束の値が目安を大きく下回りそうなときには制御棒を引き抜く操作を行なう。このような操作を行なう過程で、炉水温度が上昇すると水の密度が小さくなり、核分裂に寄与する中性子束の数が減少し、中性子束の値が上昇から減少に移行する。さらに炉水温度変化率の測定値も時間遅れを経た後同様に上昇から減少に移行する。このとき、温度変化率の測定値が目標値に達しないときには、再度制御棒を引き抜いて温度変化率の上昇を待つことになる。
【０００６】
このような操作を繰り返し、温度変化率の測定値が目標値に達した後は、温度変化率の目標値より温度変化率の測定値が約１０℃／ｈ下回るのを待って、原子炉周期が十分長いことを確認し、制御棒を少量引き抜く。この操作を繰り返して炉水の温度変化率を一定値に保つ。
【０００７】
このように、原子炉内の実際の炉水温度と測定値との間に時間遅れがあるため、熟練した運転員でも、効率良く昇温昇圧するには操作棒を操作する回数が多くなり、起動に多くの時間を要するとともに運転員の負担が大きくなる。
【０００８】
そこで、炉水温度変化率の測定値を監視し、この測定値と温度変化率の目標値との偏差に基づいて制御棒を操作する方法が提案されている。この方法によれば、制御棒の操作に応答してただちに中性子束の値を変化させることできる。しかし、温度変化率の変化が測定されるまでには、燃料棒から炉心内の冷却材への伝熱時間、炉心から温度測定点までの流動時間、炉水温度を測定する熱電対の熱容量などの計測器による遅れ時間、さらに測定温度から温度変化率を算出するための時間平均操作による遅れ時間などを生じ、これらの遅れ時間は数分のオーダとなる。このため、炉水温度変化率の目標値と測定値との偏差に基づいて制御棒を単に操作しても、制御棒の操作が遅れ、炉水温度変化率を目標値に保つことが困難である。
【０００９】
一方、より応答の速い中性子束に基づいて制御棒を操作する方法として、炉水温度変化率の目標値を与える中性子束を評価し、中性子束の値が評価した値となるように制御棒を操作する方法が提案されている。この方法の原理は、中性子束φと炉心内の炉水温度変化率（測定処理による時間遅れがない炉水温度変化率）ｄＴ／ｄｔの間に以下の熱収支式が成立することを利用している。
【００１０】
Ｍ・Ｃｖ・（ｄＴ／ｄｔ）＝α・φ−Ｑｌｏｓｓ…（１）
ただし、Ｍ：冷却材の実効的な質量
Ｃｖ：冷却材の比熱
α：中性子束φから炉出力への変換係数
Ｑｌｏｓｓ：原子炉外部への熱損失
（１）式によれば、中性子束φから炉出力への換算係数αや、炉心外部への熱損失Ｑｌｏｓｓを適切に評価すれば、炉水温度変化率の目標値（目標とする炉水温度変化率）を与える中性子束を評価することができる。
【００１１】
例えば、α・φを原子炉出力Ｐと置き、Ｑｌｏｓｓ＝０とする代わりに、その補正項Ｋを導入した次の（２）式を用い、（２）式の補正項Ｋを過去の運転実績から原子炉圧力や炉水温度の関数として事前に与え、目標出力を算出する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【００１２】
Ｍ・Ｃｖ・（ｄＴ／ｄｔ）＝Ｋ・Ｐ…（２）
しかし、（２）式を用いた方法でも、昇温昇圧過程では、原子炉の出力Ｐを直接測定することはできず、炉心内の数個所に設置された中性子検出器の中性子束レベルφで代用せざるを得ない。しかも、中性子束から炉出力への換算係数αは炉心の出力分布や経年変化する中性子検出器の感度に依存する。すなわち、（１）式のφは炉心内の中性子束の平均値を意味するが、実際に測定できるのは局所的な中性子束の値であり、この値は制御棒の挿入位置や挿入深さによる炉心出力分布に大きく影響される。さらに制御棒の挿入位置や挿入深さは、炉心あるいは同一炉心で装荷している燃料種類、配置によって異なることが普通である。また中性子検出器の感度は中性子の照射により時間的に劣化する。従って、αの値を事前に評価することは困難であり、（２）式で制御棒を操作する方法で目標出力（実際には目標中性子束）を与えることは実用上困難なところがある。
【００１３】
そこで、中性子束と温度変化率それぞれの検出値を用いて実質的な換算係数αを評価する方法が提案されている（特許文献２参照）。具体的には、臨界過程から昇温昇圧過程に移行する間に発生する原子炉内中性子束の極大値と炉水温度変化率の極大値を検出し、それらの比を使うことによって換算係数αを算出する。
【００１４】
昇温昇圧過程のうち、特に初期の段階に生じる最初の中性子束極大値φｍａｘと炉水温度変化率の最初の極大値ｄＴｍａｘ／ｄｔとの比は一定の関係を有するため、これらの値を（１）式に代入すると、次の（３）式が得られる。
【００１５】
Ｍ・Ｃｖ・（ｄＴｍａｘ／ｄｔ）＝α・φｍａｘ−Ｑｌｏｓｓ
…（３）
中性子束極大値と温度変化率の極大値の発生する時刻に時間遅れがあっても（３）式は成立する。さらに、昇温昇圧過程の初期ではＱｌｏｓｓが比較的小さいという実測データの知見からＱｌｏｓｓを０と近似すると、（３）式は、次の（４）式で表される。
【００１６】
Ｍ・Ｃｖ／α＝（中性子束の極大値）／（炉水温度変化率の極大値）…（４）
（４）式において、中性子束の極大値と炉水温度変化率の極大値との比の値は常に一定の値を示すことから、極大値の関係を目標値の関係にみなすことができ、（４）式から（５）式が得られる。
【００１７】
（中性子束目標値）＝（中性子束の極大値）／（炉水温度変化率の極大値）
×（炉水温度変化率目標値）…（５）
（５）式で求めた中性子束目標値に従って制御棒の位置を調整することで炉水温度変化率を迅速に目標値に近づけることでき、原子炉を迅速に昇温昇圧することができる。
【００１８】
【特許文献１】特開昭５２−６７４８７号公報
【特許文献２】特開平９−１４５８９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上記特許文献２に記載の従来技術は、炉水の温度反応度係数が負であることを前提とし、臨界超過後の原子炉は、炉水温度が数十℃上昇すると自動的に中性子束の増加が停止し、中性子束および炉水温度変化率が自動的に極大値を持つことを前提としている。
【００２０】
原子炉起動時の臨界過程での炉水温度は通常８０℃以下である。臨界過程から昇温昇圧過程の初期には、超過臨界により中性子束が増加し、それにともなって発熱量も増加する。発熱量が増加すると燃料温度が上昇し、ドップラー効果により炉心に負の反応度が印加される。また、中性子束が増加して発熱量が炉心定格出力の０．１％程度に達すると炉水温度が上昇し始め、炉水温度変化率も増加する。炉水の温度反応度係数が負の場合、炉水温度が上昇すると炉心に負の反応度が印加され、中性子束の上昇が遅くなり、やがて中性子束が減少し始める。運転員が昇温昇圧過程で制御棒の操作を開始するのは、中性子束が減少しはじめた以降である。
【００２１】
一方、最近の沸騰水型原子炉燃料は、燃料濃縮度を高めて高燃焼度化し、燃料経済性の向上を図っている。燃料を効率よく燃焼させるために高燃焼度化燃料では、燃料体積に対する水領域の体積を増やした設計になってきている。そうした燃料の中には、炉水温度が低い（およそ１５０℃以下）場合に炉水の温度反応度係数が正になる場合のあることがわかってきた。炉水の温度反応度係数が正の燃料は、中性子束が増加して発熱量が増えて炉水温度が上昇すると、正の反応度が印加され中性子の上昇速度が増加する。その結果として炉水温度変化率も増加する。最終的には高燃焼度化燃料でも約１５０℃以上では炉水の温度反応度係数が負になり、さらに炉水中に気泡が発生して負のボイド反応度が印加されるため、運転員が放置しても中性子束の増加は自動的に停止するが、それまでの期間は中性子束や炉水温度は増加する。その結果として、制御棒挿入操作を実施しないと、炉水温度変化率が、原子炉材料の熱衝撃を防ぐ観点で設けてある温度変化率制限値を超える可能性があった。炉水の温度反応度係数が正であるか負であるかは起動前の分析である程度は予想できるが、炉水の温度反応度係数が正であっても負であっても同様に起動できることが望ましい。
【００２２】
本発明の課題は、炉水の温度反応度係数が正であっても炉水温度変化率を制限値以内に収めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記課題を解決するために、本発明は、原子炉内の中性子束と炉水温度を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率を算出し、炉水温度変化率が設定値以上であり、中性子束が増加傾向にあることを条件に、制御棒の挿入操作を行なうようにしたものである。また、原子炉内の中性子束と炉水温度を検出し、炉水温度の検出値から炉水温度変化率を算出し、中性子束の検出値から原子炉周期を算出し、炉水温度変化率が設定値以上であり、原子炉周期が正値でかつ設定値以下であることを条件に、制御棒の挿入操作を行なうこともできる。
【００２４】
上記のような制御を実行することで、炉水の温度反応度係数が正の場合にも、中性子束が減少に転じるまで制御棒が炉心に挿入され、その結果、炉水温度変化率を制限値以内に収めることができる
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、炉水の温度反応度係数が正である特性を持つ炉心に対しても、炉水温度変化率を制限値以内に収めることができ、炉水温度変化率の変動の少ない安定した制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は本発明の一実施形態を示す原子炉出力制御装置のブロック構成図である。図１において、原子力プラントに用いられる原子炉１０には中性子束検出器１２、圧力検出器１４、熱電対１６が設けられており、中性子束検出器１２、圧力検出器１４、熱電対１６の出力信号がそれぞれ原子炉出力制御器１８に入力されている。原子炉出力制御器１８は、温度検出器２０、温度変化率算出器２２、中性子束モニタ２６、入力部３０、制御棒自動制御器３４、ＣＲＴ３６を備えて構成されている。
【００２８】
熱電対１６は原子炉１０に接続された配管内に設置されており、配管内の炉水の温度に検出し、検出温度に対応した信号を温度検出器２０へ出力する。温度検出器２０は熱電対１６からの信号に応じた温度を算出し制御棒自動制御器３４と温度変化率算出器２２へ出力する。すなわち熱電対１６と温度検出器２０は原子炉１０内の炉水の温度を検出する炉水温度検出手段として構成されている。温度変化率算出器２２は温度検出器２０の検出信号を順次記憶し、炉水温度の時間的変化（時間の経過）から炉水温度の変化率を算出する炉水温度変化率算出手段として構成されており、算出された炉水温度変化率は制御棒自動制御器３４へ出力される。
【００２９】
中性子束検出器１２は原子炉１０の炉心２内に設置されており、この中性子束検出器１２は単位時間あたりに検出する中性子束の数を計数し、この計数値を中性子束検出信号として中性子束モニタ２６へ出力する中性子束検出手段として構成されている。中性子束モニタ２６は中性子束検出器１２の出力信号を中性子束レベル（中性子束の検出値と炉心の定格出力との割合を示すレベル＝％定格）に変換するとともに、中性子束の時間変化率を表す指標である原子炉周期を算出する原子炉周期算出手段として構成されており、中性子束レベル及び原子炉周期は、制御棒自動制御器３４へ出力される。
【００３０】
入力部３０は、例えば，制御操作盤上のコンソールなどで構成され、運転員の操作により、炉水温度変化率目標値（目標炉水温度変化率）として、例えば，２０℃／ｈ（時間）に関する信号を制御棒自動制御器３４へ出力する炉水温度変化率目標値入力手段として構成されている。
【００３１】
制御棒自動制御器３４は、温度検出器２０で検出した炉水温度と温度変化率算出器２２が出力する炉水温度変化率、中性子束モニタ２６の出力する中性子束レベルと原子炉周期、入力部３０から取り込んだ炉水温度変化率目標値を入力し、自動制御時には制御棒駆動制御器８に適切なタイミングで制御棒駆動信号を出力する。手動制御時には、ＣＲＴに運転員に対して制御棒挿入操作を実施するように表示する。
【００３２】
制御棒駆動制御器８は炉心２に挿入および引き抜き可能な制御棒４を駆動する制御棒駆動装置６を制御する装置である。あらかじめ、複数の制御棒をどの順番で操作するかを定めたリストと、複数ある駆動モードに対して一回の制御棒駆動信号でどれだけの量を操作するかを定めたリストを保有しており、制御棒自動制御器３４から出力された制御棒駆動信号（挿入開始または引き抜き開始信号および駆動モード情報）に基づいて制御棒駆動装置６に制御棒駆動信号を出力する。また、制御棒自動制御器３４に対しては、制御棒の状態（制御棒挿入中、制御棒引き抜き中、制御棒操作完了、制御棒の現在位置）信号を出力する。
【００３３】
制御棒駆動装置６は水圧駆動またはステップモータによる電動駆動装置であり、制御棒駆動制御器８からの信号により制御棒４を炉心２に挿入あるいは炉心２から引き抜く動作をする。すなわち、制御棒駆動制御器８は、制御棒駆動装置６とともに、制御棒４の位置を調整する制御棒駆動手段として構成されている。
【００３４】
ＣＲＴで代表される表示装置３６には、温度変化率目標値と実際の温度変化率を並べて表示したり、目標とする炉水温度の時間変化や実際の炉水温度の時間変化をトレンドとしてグラフ表示したりすることができる。また、中性子束レベルや原子炉周期、あるいは原子炉周期の逆数もトレンドとしてグラフ表示することができる。さらに、制御棒の現在位置を表示することもできる。制御棒４の操作を運転員がおこなう手動操作時には、制御棒４を挿入操作すべきタイミングには、運転員に対して制御棒挿入操作を実施するようなガイダンスを表示する。運転員は、そのガイダンスに従い、入力部３０を介して制御棒操作指令を入力し、制御棒駆動制御器８によって制御棒４が操作される。
【００３５】
図２は、本実施形態において制御棒自動制御器３４に組み込まれている制御ロジックの一例である。この制御ロジックは以下の３条件をすべて満足したときに制御棒駆動制御器８に制御棒挿入指令を出力する。
【００３６】
第１の条件は、温度変化率算出器２２が出力した炉水温度変化率が炉水温度変化率目標値以上となることである。炉水温度変化率目標値は、炉水温度変化率が制限値の５５℃／ｈを超えない範囲であらかじめ設定され、例えば、２０℃/ｈが、入力部３０から炉水温度変化率目標値として入力される。
【００３７】
第２の条件は、中性子束モニタ２６から出力された原子炉周期があらかじめ設定した原子炉周期設定値（例えば６００秒）以下となることである。原子炉周期が小さいということは、原子炉出力増加率が大きいことをあらわしているが、ただし原子炉周期が負になると原子炉出力が減少することを意味するので、原子炉周期は正値の場合に限る。この２回の判定の手間を省くために、上記第２の条件と等価な条件として、原子炉周期の逆数が原子炉周期逆数の設定値（例えば、１/６００秒）以上の時と置き換えることもできる。原子炉周期設定値あるいは原子炉周期逆数の設定値はあらかじめ設定しておく。
【００３８】
第３の条件は、制御棒４操作後の経過時間が、経過時間設定値（例えば、６０秒）以上（一定時間以上）となることである。制御棒４操作後の経過時間は、制御棒自動制御器３４に内蔵されたタイマー（計測手段）で計測され、経過時間設定値はあらかじめ設定されている。
【００３９】
上記３条件をすべて満足したときに、制御棒自動制御器３４は制御棒駆動制御器８に制御棒挿入信号を出力する。すなわち、炉水温度変化率が設定値（目標値）以上であり、原子炉周期が正値でかつ設定値以下であり、前回制御棒４を操作してから一定時間以上経過したことを条件に、制御棒自動制御器３４は、制御棒４の挿入操作を行なうために、制御棒駆動制御器８に制御棒挿入信号を出力する。この場合、制御棒自動制御器３４は、上記３条件が成立するか否かを判定する判定手段を構成することになる。なお、制御棒挿入量は、通常は最小制御棒挿入単位（１ステップあるいは１ノッチ）で十分である。また、第１の条件と第２の条件が成立したことを条件に、制御棒挿入信号を一定時間間隔で出力する構成を採用することも可能である。
【００４０】
ここで、中性子束モニタ２６内での原子炉周期の算出方法の一例を以下に説明する。計測した中性子束信号にはノイズが含まれているのでフィルタ処理する。フィルタ時定数をＴｃ（秒）とすると原子炉周期τ（秒）は次式で算出できる。
【００４１】
τ＝Ｔｃ／{φ（ｔ）／ψ（ｔ）−１}              …（６）
ψ（ｔ）は中性子束φ（ｔ）を時刻０からｔ秒まで積分したもので、次式で定義する。
【００４２】
ψ（ｔ）＝∫〔{φ（ｔ）−ψ（ｔ）}／Ｔｃ〕ｄｔ  ＋  ψ（０）…（７）    
ただし、ψ（０）＝φ（０）
（７）式はサンプリング間隔をΔｔとすると、台形公式を使ってφ（ｔ）、φ（ｔ−Δｔ）、ψ（ｔ−Δｔ）の値から算出できる。フィルタ時定数をＴｃとしては、例えば４０秒を使用すればよい。
【００４３】
上記実施例では、第２の条件として原子炉周期信号を利用したが、代わりに中性子束を使用し、中性子束が時間的に増加傾向にあることを条件とすることができる。その場合は、制御棒自動制御器３４に内蔵されたタイマーとメモリを使って、一定間隔（例えば３０秒）の中性子束を３点以上記録し、時間が進むほど中性子束が増加していく場合に、第２の条件が満たされたと判定することができる。
【００４４】
以上の制御ロジックは昇温昇圧過程を主なターゲットとしているが、未臨界状態から臨界に至る臨界過程や、臨界過程から昇温昇圧過程を開始する間の区間においても採用することができる。この制御ロジックは炉水の温度変化率を監視しているので、上述したいかなる過程においても炉水温度変化率が５５℃／ｈの制限値を超えないように監視することができる。
【００４５】
本実施例によれば、減速材温度反応度係数が正であっても、適切に起動時の昇温制御棒操作が実施できる。すなわち、炉水の温度反応度係数が正である特性を持つ炉心に対しても、炉水温度変化率の上限値を満足する必要最小限の制御棒挿入操作を実現することによって、原子炉１０を迅速、適切に昇温できるとともに制御棒４の操作を自動化および簡素化することができる。さらに手動操作の場合でも、制御棒操作タイミングをガイダンスとして表示装置３４の画面上に表示することで、炉水温度変化率の変動の少ない安定した制御が可能となり、運転員の負担を軽減することできる。
【実施例２】
【００４６】
図３は本発明の他の実施形態を示す原子炉出力制御装置のブロック構成図である。図３の原子炉出力制御器３８は、図１の実施例と同様、温度検出器２０、温度変化率算出器２２、中性子束モニタ２６、入力部３０、制御棒自動制御器３４、ＣＲＴ３６を備えており、さらに温度変化率極大値検出器２４、中性子束極大値検出器２８、中性子束目標値算出器３２を備えている。
【００４７】
図１と同じ構成部分の説明は省略し、ここでは本実施例に特有の部分について説明する。温度変化率算出器２２は温度検出器２０の検出信号を順次記憶し、炉水温度の時間的変化（時間の経過）から炉水温度の変化率を算出する炉水温度変化率算出手段として構成されており、算出された炉水温度変化率は制御棒自動制御器３４と温度変化率極大値検出器２４へ出力する。温度変化率極大値検出器２４は温度変化率算出器２２の算出値を順次記憶し、温度変化率算出値の値が増加から減少に変化したときの値を極大値として順次記憶し、記憶した極大値に関する信号を中性子束目標値算出器３２へ出力する温度変化率極大値検出手段として構成されている。中性子束モニタ２６で算出した中性子束レベル（中性子束の検出値と炉心の定格出力との割合を示すレベル＝％定格）は、制御棒自動制御器３４と中性子束極大値検出器２８へ出力される。中性子束極大値検出器２８は、中性子束モニタ２６の中性子束レベル出力を順次記憶し、中性子束レベルが増加から減少に変化したときの値を中性子束の極大値として記憶するとともに極大値の検出に関する極大値検出信号を中性子束目標値算出器３２へ出力する中性子束極大値検出手段として構成されている。また入力部３０から運転員によって入力された炉水温度変化率目標値信号は、制御棒自動制御器３４を介して中性子束目標値算出器３２へ出力される。
【００４８】
中性子束目標値算出器３２は、温度変化率極大値検出器２４で検出した炉水温度変化率極大値と中性子束極大値検出器２８で検出した中性子束極大値、および入力部３０から入力した温度変化率目標値に基づいて中性子束目標値を算出する中性子束目標値算出手段として構成されている。そして本実施形態においては、中性子束目標値算出器３２は、炉水温度変化率が目標値となるような中性子束目標値を求めるために、次の（８）式で示すように、前述した（５）式に安全係数α（α＝０．５〜１．０）を掛けたものが中性子束目標値として設定されている。
【００４９】
（中性子束目標値）＝（中性子束の極大値）／（炉水温度変化率の極大値）
×（炉水温度変化率目標値）×α            …（８）
ここで、炉水の温度反応度係数が正で、図２に示した制御棒挿入ロジックがない場合には、温度反応度係数が負となる炉水温度以上にならないと中性子束と炉水温度変化率が極大値を取らないため、（５）式や（８）式では中性子束目標値が設定できない。
【００５０】
一方、本発明による図２に示した制御棒挿入ロジックを有する場合には、炉水の温度反応度係数が正の場合には制御棒を挿入して強制的に負の反応度を投入して中性子束と温度変化率が極大値をとるようにするので、炉水の温度反応度係数の正負にかかわらず、（５）式や（８）式によって、目標とする炉水温度変化率を与える中性子束目標値を設定することができる。
【００５１】
制御棒自動制御器３４には、図２に示した制御棒挿入制御回路とともに、中性子束目標値算出器３２が目標中性子束を設定した後の制御棒制御回路も組み込まれており、その一例を図４に示す。
【００５２】
図４は、本発明の他の実施形態における制御棒自動制御器３４に組み込まれた炉水温度変化率を目標値に制御する制御棒制御回路を説明した図である。この制御回路は、中性子束目標値算出器３２によって目標中性子束５９が入力されると、スイッチ６１がＡ側回路に接続され、スイッチ６２がオンになって制御を開始する。このＡ側回路は、（５）式や（８）式で算出した目標中性子束に実際の中性子束が一致するように制御棒操作を制御する回路である。中性子束モニタ２６から入力した中性子束５７と目標中性子束５９は、それぞれ対数変換器５８、６０により対数化され、その差から偏差信号６３が生成される。対数化する理由は、中性子束５７が昇温昇圧制御過程において１００倍程度変化するため、幅の広い変化を制御しやすいような値に変換するためである。偏差信号６３は制御棒動作判定器５４に入力される。
【００５３】
制御棒動作判定器５４は、偏差判別器５２ａ、ＡＮＤ回路５２ｂ、設定値５２ｃ、タイマー５２ｄを備えて構成されており、制御棒動作判定器５４では、その偏差が事前に設定した正の定数以上の時には制御棒引き抜き信号を出力し、その偏差が事前に設定した負の定数以下の時には制御棒挿入信号を出力し、中間の時には制御棒操作信号を出力しない。ただし、制御棒動作判定器５４は、タイマー５２ｄで制御棒操作後の経過時間も計測しており、経過時間が設定値(例えば１０秒)を超えた場合に限り、ＡＮＤ回路５２ｂの論理が成立したとして、制御棒引き抜きまたは制御棒挿入の信号６４を制御棒駆動制御器８に出力する。
【００５４】
制御棒駆動制御器８には、作動させる制御棒の順序や１回の制御棒操作あたりの制御棒移動量が、あらかじめデータとして入力されている。制御棒駆動制御器８は、そのデータと制御棒自動制御器３４の制御棒操作信号６４に基づいて制御棒駆動装置６に操作信号を送り、制御棒駆動装置６が制御棒４を炉心２に挿入あるいは引き抜き操作する。制御棒の動作が完了すると、制御棒駆動制御器８は制御棒操作完了信号６５を制御棒自動制御器３４に送信する。制御棒自動制御器３４内のタイマー５２は、この信号を受信して制御棒操作後の時間を計測する。このようにして、制御棒操作を、炉心の中性子束５７が目標中性子束５９と許容範囲内で一致するまで続ける。
【００５５】
炉心の中性子束５７が目標中性子束５９と許容範囲内で一致すると、スイッチ６１がＢ側に切り替わり、目標中性子束５９を対数変換器６０で対数化した値が比例積分器５３の出力信号になるように比例積分器５３の初期状態を設定する。このＢ側回路は、温度変化率を測定して、目標中性子束を修正しながら制御棒操作を制御する回路である。
【００５６】
温度変化率演算器２２によって算出された炉水温度変化率５５は、炉水温度の進み補償機能５６によって現在より時間が進んだ時点の温度変化率予測値に変換される。進み補償機能５６にて炉水温度を予測する理由は、熱電対１６自体に検出器時定数があることや、制御棒４の引き抜きによって炉内の温度が上昇し、その温度上昇した炉水が熱電対１６の位置に到達して温度が検出されるまでに時間遅れがあるためである。入力部３０を介して入力した目標炉水温度変化率５１（例えば２０℃/ｈ）と炉水温度変化率予測値の偏差信号は比例積分器５３に入力される。目標炉水温度変化率５１が温度変化率予測値より大きいときには、比例積分器の出力は徐々に大きくなり、すなわち目標中性子束が大きくなる。逆に目標炉水温度変化率５１が温度変化率予測値より小さいときには、比例積分器の出力は徐々に小さくなり、目標中性子束が小さくなる。対数化した中性子束と目標中性子束信号の偏差信号６３は制御棒動作判定器５４に入力される。その後の構成と動作は、Ａ側回路で説明したものと同じである。
【００５７】
図２に示した本発明による制御棒挿入回路と、上記のＡ側回路を有する制御棒自動制御器により、減速材温度反応度係数の正負にかかわらず、中性子束が目標とする炉水温度変化率を与える中性子束目標値に一致するように制御棒を操作することができ、またＢ側回路によって炉水温度変化率の実測値を参照して中性子束目標値を修正しながら制御棒操作を実施することができ、昇温昇圧過程の制御棒操作を自動化して運転員の負担を減らすとともに、昇温操作に要する時間を短縮することができる。
【００５８】
図５は、本実施例の効果をあらわす炉水温度変化率の評価結果であり、沸騰水型原子炉の臨界過程直後から昇温昇圧過程にいたる挙動を評価したものである。ここで、初期の炉水温度は７０℃、臨界過程終了直後の原子炉周期を約１７０秒、炉心の減速材温度反応度係数は１５０℃以下では正、それ以上では負としている。その場合に仮に制御棒操作を実施しなかったときの炉水温度変化率の時間変化を曲線Ａに示す。なお、ここに示した炉水温度変化率は１０分間の温度変化から算出している。炉水温度変化率は２５分の時点から増加を開始し、約２０分後には５５℃／ｈを超えている。こうなる前に通常運転員は制御棒を挿入するが、たとえ放置しても５５℃／ｈを超えると警報が発生するので、運転員は制御棒を挿入する。なお、原子炉構造材に対する熱応力を防ぐ観点から１時間の温度変化から算出した炉水温度変化率が５５℃／ｈを超えないという運転規定があるが、１０分間の温度変化から算出した炉水温度変化率が５５℃／ｈを超えた時点で制御棒挿入操作を実施して炉水温度変化率を低下させれば、１時間の温度変化から算出した炉水温度変化率は制限値を超えないので問題は無い。しかし、炉水温度変化率が大きく変化する制御は好ましくなく、炉水温度変化率を低下させると以後の起動操作が遅れる恐れがある。
【００５９】
一方、図３と図４に示した実施例の構成において、図２に示した炉水温度設定値を２０℃／ｈ、原子炉周期設定値を６００秒、経過時間設定値を６０秒、図４に示した目標炉水温度変化率を２０℃／ｈとした実施例における炉水温度変化率の時間変化を曲線Ｂに示す。炉水温度変化率が２０℃／ｈを越えた時点で図２の制御棒挿入回路により制御棒を数回挿入操作するので、炉水温度変化率は約３０℃／ｈで極大値を持ち、低下し始める。その結果、目標炉水温度変化率２０℃／ｈに対応した目標中性子束が中性子束目標値算出器３２で設定され、図４のＡ側制御が開始される。実際の温度変化率が目標温度変化率より高いので、目標中性子束も実際の中性子束より低くなり、制御棒を引き続き挿入する。
【００６０】
目標中性子束と実際の中性子束がほぼ一致すると、図４のＢ側制御に移行し、制御棒の挿入が停止する。このとき炉水温度変化率は依然として正のため、炉水温度が上昇して正の反応度が入り、中性子束は次第に増加する。中性子束の増加に従い、６０分の時点で再び炉水温度変化率も上昇し始める。炉水温度変化率が上昇すると比例積分制御により目標中性子束が低下するので、再び制御棒が挿入され、それにより炉水温度変化率も低下する。
【００６１】
この操作を繰り返し、炉水温度が上昇していくと減速材温度係数の絶対値が小さくなり、炉水温度変化によって炉心に投入される反応度も小さくなるので、１００分以降は安定した制御が実現できている。１５０℃以上では減速材温度反応度係数が負になるので、制御棒の引き抜き操作によって、沸騰水型原子炉の定格圧力での飽和温度である２８７℃まで炉心の水温を上昇させることができる。
【００６２】
本実施例によれば、前記実施例と同様の効果を奏することができるとともに、炉水温度変化率の極大値が検出された後、中性子束目標値が中性子束検出値に一致するまでは、３つの条件が成立する毎に制御棒４の挿入操作を行なうようにしたので、原子炉１０をより迅速、適切に昇温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態を示す原子炉出力制御装置のブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における制御棒自動制御器の制御ロジックを説明するための図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示すブロック構成図である。
【図４】本発明の他の実施形態における制御棒自動制御器に組み込まれた制御ロジックを説明するための図である。
【図５】本発明の効果をあらわす炉水温度変化率の評価結果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６４】
２  炉心
４  制御棒
６  制御棒駆動装置
８  制御棒駆動制御器
１０  原子炉
１２  中性子束検出器
１４  圧力検出器
１６  熱電対
２０  温度検出器
２２  温度変化率算出器
２４  温度変化率極大値検出器
２６  中性子束モニタ
２８  中性子束極大値検出器
３０  入力部
３２  中性子目標値算出器
３４  制御棒自動制御器
３６  表示装置（ＣＲＴ）
【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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