(57)【要約】【課題】理想の燃料配置を実現するために必要な規則を作成、及び、入力することなく、原子炉の炉心設計を行う際に用いる燃料配置を自動作成する原子炉炉心設計システムを提供すること。【解決手段】過去の運転サイクルで使用した燃料配置を、位置毎に燃料の炉内滞在サイクル数で整理されたデータとして記憶し、過去の燃料配置から、位置毎に当該位置の燃料の炉内滞在サイクル数の如き消費寿命の平均値を計算し、平均値の小さい位置から順に、新燃料、２サイクル目燃料、３サイクル目燃料、４サイクル目燃料、５サイクル目燃料を配置していくことによって、自動的に燃料配置を作成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内滞在サイクル数の異なる複数の燃料集合体から構成される原子炉炉心の燃料集合体配置作成装置と、過去の運転サイクルの燃料集合体の配置情報を記憶しているデータ記憶装置を有し、前記データ記憶装置に記憶されている過去の運転サイクルで実際に使用した燃料集合体の炉内位置毎における消費寿命の平均値を求め、その平均値が低い位置から順に、新燃料集合体、２サイクル目燃料集合体、３サイクル目燃料集合体、４サイクル目燃料集合体、５サイクル目燃料集合体．．．を配置していき、新たな運転サイクルの燃料集合体の配置を自動作成することを特徴とする、原子炉炉心設計システム。
【請求項２】
消費寿命の平均値が、過去の運転サイクルで配置された燃料集合体の炉内滞在サイクル数の平均値であることを特徴とする、請求項１記載の原子炉炉心設計システム。
【請求項３】
消費寿命の平均値が、過去の運転サイクルで配置された燃料集合体の炉内滞在日数の平均値であることを特徴とする、請求項１記載の原子炉炉心設計システム。
【請求項４】
消費寿命の平均値が、過去の運転サイクルで配置された燃料集合体の運転サイクル初期の燃焼度の平均値であることを特徴とする、請求項１記載の原子炉炉心設計システム。
【請求項５】
請求項１記載の配置作成規則に従うと炉心の外周領域以外の領域において２体の２サイクル目燃料集合体が隣接する場合には、炉心の中央部から遠い方の２サイクル目燃料集合体位置に代わりに３サイクル目燃料集合体を配置することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の原子炉炉心設計システム。
【請求項６】
過去の運転サイクルの燃料集合体配置の情報をもとに、制御棒位置を囲む４体の燃料集合体から構成されるコントロールセルの分類を行い、制御棒の挿入されるコントロールセルの位置を自動的に決定するとともに、コントロールセルにはコントロールセルに相応しい燃料の選定指針に従い、燃料集合体を自動的に配置することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の原子炉炉心設計システム。
【請求項７】
設計対象の炉心の運転サイクル長さ、もしくは、炉心に装荷される新燃料集合体の体数に基づき、自動的に設定したコントロールセルの数の妥当性を確認することを特徴とする、請求項６記載の原子炉炉心設計システム。
【請求項８】
燃料集合体配置に係わる指針をモニター上に表示し、モニター上で指針の設定が行えることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の原子炉炉心設計システム。
【請求項９】
新燃料集合体数を入力することにより、適用可能な過去の燃料集合体の配置データもしくは標準的な新燃料集合体配置の雛型データを検索し、燃料集合体配置を自動作成することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか記載の原子炉炉心設計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉の炉心設計システムに係わり、燃料集合体の配置作成業務の自動化を図った原子炉炉心設計システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子炉では、運転サイクル毎に燃料集合体（以下、燃料という）の一部を交換すると同時に、その配置替えが必要となる。ここで、運転サイクルとは燃料を炉心に装荷した後の原子炉起動から次の燃料交換のための原子炉停止までの期間を示すものである。原子炉を安全に定常的に運転するには、適切な燃料配置を実現する必要があり、このことによって、運転サイクル寿命、炉停止余裕、燃料熱的制限条件等の制約条件を満足した原子炉の運転が可能となる。商用の原子炉では燃料は数百体以上有り、通常、技術者が試行錯誤を繰り返し、多大な労力を要して、前記制約条件を満足する適切な燃料配置を作成している。
【０００３】
特許第２５５７４６２号明細書には、燃料配置の作成業務の自動化を図った原子炉の燃料配置作成装置に関する技術が開示されている。この技術による原子炉の燃料配置作成装置は、燃料配置案発生装置と燃料配置改善案作成装置を有しており、その各装置には、各装置で用いる規則を、基本演算手順、基本演算手順の複合体である演算手順、さらに目標・方針という部分に分離して記憶させている。ここで、各装置で用いる規則とは、技術者が理想的であると考える燃料配置を実現するための規則であり、技術者が作成し、入力データとして与えるものである。
【０００４】
また、この原子炉の燃料配置作成装置は、燃料配置の炉心性能を評価する炉心シミュレータと連動しており、記憶している各規則に従い、自動的に、燃料配置の初期値を与え、炉心性能を評価しながら改善案を作成していき、最終的には制約条件を満足する燃料配置を作成する。
【０００５】
このような設計においては、燃料配置の改善案は、炉心を構成する燃料の組み合わせ数だけ存在し、初期値に逐次改善を加える度に指数関数的に増大していく。したがって、自動化された燃料配置作成装置でも、有効な改善案を得るために膨大な時間を要するか十分な改善を行えない。このため、技術者による大幅な初期値の見直しを多数行うことが必要になる。
【０００６】
一方、上記のような燃料配置作成装置を利用しない場合には、技術者が自ら燃料配置の初期値を作成し、試行錯誤の上、最終的な燃料配置を作成している。
【０００７】
いずれの場合においても、燃料配置の初期値は、その後の最終的な燃料配置作成までの試行錯誤に伴う設計工数に大きく影響を及ぼすこととなる。例えば、炉心中央部において、新燃料が隣接して配置されていたり、２サイクル目燃料が隣接して配置されていたりすると、一般に、当該箇所において燃料熱的特性が極めて悪くなってしまい、多くの改善が必要となる。このような燃料配置の初期値から炉心設計を開始することは、設計工数の増大に繋がることとなる。
【特許文献１】特許第２５５７４６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許第２５５７４６２号明細書に記載の原子炉の燃料配置作成装置によって作成される燃料配置の初期値は、予め作成した入力データによる規則に従っている。この規則は、技術者が理想的であると考える燃料配置を実現するために必要な規則であり、技術者は理想的な燃料配置とそれを実現するための規則を考え、作成、入力する必要があり、設計工数の増大が免れない等の問題がある。
【０００９】
本発明は、燃料配置の初期値を決めるための規則を記述する入力データを作成することなく、燃料配置の初期値を作成する原子炉炉心設計システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、炉内滞在サイクル数の異なる複数の燃料集合体から構成される原子炉炉心の燃料集合体配置作成装置と、過去の運転サイクルの燃料集合体の配置情報を記憶しているデータ記憶装置を有し、前記データ記憶装置に記憶されている過去の運転サイクルで実際に使用した燃料集合体の炉内位置毎における消費寿命の平均値を求め、その平均値が低い位置から順に、新燃料集合体、２サイクル目燃料集合体、３サイクル目燃料集合体、４サイクル目燃料集合体、５サイクル目燃料集合体．．．を配置していき、新たな運転サイクルの燃料集合体の配置を自動作成することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、消費寿命の平均値が、過去の運転サイクルで配置された燃料集合体の炉内滞在サイクル数の平均値であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、消費寿命の平均値が、過去の運転サイクルで配置された燃料集合体の炉内滞在日数の平均値であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、消費寿命の平均値が、過去の運転サイクルで配置された燃料集合体の運転サイクル初期の燃焼度の平均値であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに係る発明において、請求項１記載の配置作成規則に従うと炉心の外周領域以外の領域において２体の２サイクル目燃料集合体が隣接する場合には、炉心の中央部から遠い方の２サイクル目燃料集合体の位置に代わりに３サイクル目燃料集合体を配置することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに係る発明において、過去の運転サイクルの燃料集合体配置の情報をもとに、制御棒位置を囲む４体の燃料集合体から構成されるコントロールセルの分類を行い、制御棒の挿入されるコントロールセルの位置を自動的に決定するとともに、コントロールセルにはコントロールセルに相応しい燃料の選定指針に従い、燃料集合体を自動的に配置することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る発明は、請求項６に係る発明において、設計対象の炉心の運転サイクル長さ、もしくは、炉心に装荷される新燃料集合体の体数に基づき、自動的に設定したコントロールセルの数の妥当性を確認することを特徴とする。
【００１７】
請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれかに係る発明において、燃料集合体配置に係わる指針をモニター上に表示し、モニター上で指針の設定が行えることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に係る発明は、請求項１乃至８のいずれかに係る発明において、新燃料集合体数を入力することにより、適用可能な過去の燃料集合体の配置データもしくは標準的な新燃料集合体配置の雛型データを検索し、燃料集合体配置を自動作成することを特徴とする。
【００１９】
原子炉の過去の運転サイクルの燃料配置は、新しい運転サイクルの燃料配置を設計するときに、参考にするデータの一つである。これは、その燃料配置は、中性子束分布、及び、出力分布を適切に調整することができ、各種制約条件を満足して安全に原子炉を運転できることが実証されているからである。このため、過去の燃料配置から、燃料配置の初期値を作成することができれば、最終的な燃料配置を作成するまでの設計工数を低減することができる。
【００２０】
新燃料以外の継続燃料の移動は、移動距離が短い、炉心の中央から反応度順に並べる等の指針が考えられる。本発明では、これらの燃料配置に関する指針はオプションとして簡易に設定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、技術者は理想的な燃料配置とそれを実現するための規則を考えたり、その規則を記述する入力データを作成する必要がなく、燃料配置の初期値を作成することができ、各種制約条件を満足する最終的な燃料配置を決定するまでの設計工数を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明による原子炉炉心設計システムのブロック図であり、原子炉炉心設計システム１１は、燃料配置作成装置１２と、過去の運転サイクルの燃料配置の情報を記憶している燃料配置データ記憶装置１３、装荷燃料データ記憶装置１４、燃料配置方式判断部１５、及び、配置オプション記憶装置１６を有している。
【００２４】
また、燃料配置作成装置１２には、燃料配置を作成する燃料配置作成部１７と、新燃料体数を入力する新燃料体数入力部１８、及び、燃料配置の際の指針を設定するオプション設定部１９を有している。この燃料配置作成装置１２は、外部の燃料配置データ記憶装置１３、装荷燃料データ記憶装置１４、燃料配置方式判断部１５、及び、配置オプション記憶装置１６からの情報に基づいて燃料配置を自動作成するものである。
【００２５】
燃料配置データ記憶装置１３は、過去の運転サイクルの燃料配置を、各位置における燃料の炉内滞在サイクル数で整理したデータとして記憶している。炉内滞在サイクル数で整理した炉心の燃料配置の例（炉心の１／４横断面図）を図２に示す。図２において示される数値は、各位置の燃料の炉内滞在サイクル数を示し、１は新燃料、２は２サイクル目燃料、３は３サイクル目燃料、４は４サイクル目燃料、５は５サイクル目燃料を表している。燃料配置データ記憶装置１３には、図２で示す過去の運転サイクルの燃料配置の情報が記憶されている。
【００２６】
装荷燃料データ記憶装置１４には、炉心に装荷されている燃料の反応度、燃焼度等のデータが記憶されている。これらのデータは、燃料配置作成装置１２にて、取り出し燃料を決める場合や継続燃料の配置を決定する場合に、参照データとして使用される。
【００２７】
燃料配置作成部１７は、燃料配置作成装置１２の本体であり、新燃料体数入力部１８、オプション設定部１９からの情報と、外部の燃料配置データ記憶装置１３と装荷燃料データ記憶装置１４のデータ、及び、燃料配置方式判断部１５の判断結果を用いて燃料配置を作成する。また、新燃料体数入力部１８では、新燃料の体数を決める情報を入力できるようになっている。
【００２８】
オプション設定部１９では、燃料配置作成装置１２で燃料配置を作成するときの指針を設定するものであり、配置オプション記憶装置１６に記憶されているオプションを用い、オプション設定を行う。オプションには、新燃料以外の継続燃料の配置を、継続燃料の移動距離が短くなるように並べるか、それとも、炉心の中央から反応度順に並べるか等がある。
【００２９】
燃料配置方式判断部１５は、燃料配置データ記憶装置１３の情報に基づき、過去の運転サイクルの燃料配置についてセルの分類を行うものである。ここで、セルとは制御棒を囲む４体の燃料を一まとめとしたときの総称であり、図５にセルを図示する。
【００３０】
次に、本発明の燃料配置作成装置による燃料配置作成までの手順について説明する。まず、技術者は、新燃料体数を入力する。新燃料体数が決まると、燃料配置作成装置は、新燃料体数分だけ、反応度の低い燃料を炉外へ取り出し、オプション設定による以下の指針に従い、燃料配置を作成する。
（１）  継続装荷燃料の燃料移動に関しては、移動距離が短くなるように設定する。
（２）  継続装荷燃料の燃料移動に関しては、炉心内の出力勾配の履歴を緩和するように燃料を配置する。
（３）  継続装荷燃料の燃料移動に関しては、炉内滞在サイクル数が同じ燃料であるならば、反応度が高い順に炉心の中央から配置する。
（４）  継続装荷燃料の燃料移動に関しては、炉内滞在サイクル数が同じ燃料であるならば、反応度が低い順に炉心の中央から配置する。
（５）  新燃料の隣接配置は、炉心のどの領域において許容するか。
（６）  ２サイクル目燃料の隣接配置は、炉心のどの領域において許容するか。
（７）  燃料配置を決定していくときに、炉心の中央から優先的に配置を決定していくか。
（８）  燃料配置を決定していくときに、炉心の外周から優先的に配置を決定していくか。
（９）  セルの分類を行い、燃料配置を作成するか。
【００３１】
指針（１），（２），（３），（４）の継続装荷燃料の移動に関する設定は、パソコン等のモニターに指針が表示され、モニター上で設定したい指針を選ぶことで行う。また、指針（５），（６）の隣接配置を許容する領域の設定は、許容する領域を、パソコン等のモニター上で選択することで行う。また、指針（７），（８）の優先配置の方向性に関する設定は、パソコン等のモニターに指針が表示され、モニター上で設定したい指針を選ぶことで行う。また、指針（９）のセル分類実行の有無に関する設定も、パソコン等のモニターに指針が表示され、モニター上で設定したい指針を選ぶことで行う。これら指針の設定後、燃料配置作成装置は、自動的に燃料配置を作成する。
【００３２】
次に、過去の運転サイクルの燃料配置のデータから、新たに燃料配置を作成する第１の実施例について説明する。図３には、過去の運転サイクルの燃料配置データに基づく、過去数サイクルにおける各位置での炉内滞在サイクル数の平均値を示す。作成される燃料配置は、基本的に図３に示す数値によって決定することとなる。図４に、作成した燃料配置を示す。
【００３３】
本実施例では新燃料体数を１６０体とした。その結果、１６０体の反応度の低い燃料を炉外へ取り出すこととなる。また、このとき、設定した指針は以下の通りである。
・  継続装荷燃料の燃料移動に関しては、移動距離が小さくなるように設定する。
・  新燃料の隣接配置は、炉心のどの領域であっても許容しない。
・  ２サイクル目燃料の隣接配置は、太線で囲んだ外周領域Ａにおいてのみ許容する。
・  燃料配置を決定していくときに、炉心の中央から優先的に配置を決定していく。
・  セルの分類を行わない。
【００３４】
そこで、新燃料位置については、新燃料体数が１６０体であるので、図３において数値が低い位置から順に、新燃料が１６０体配置される。そこで、継続装荷燃料は、新燃料が配置されていない位置で数値が低い順に、２サイクル目燃料が配置される。この場合、位置Ｂ、Ｃ、Ｄのように炉内滞在サイクル数の平均値が同じ位置が複数個あり、炉内滞在サイクル数の平均値だけを見ると、全て２サイクル目燃料が配置されてもおかしくない。しかしながら、２サイクル目燃料の隣接を許容する炉心内における領域は、外周領域Ａ内のみであるため、位置Ｃ，Ｄには、２サイクル目燃料の配置が許されず、次の３サイクル目燃料が配置されることとなる。位置Ｂは、燃料配置を決定していくときに、炉心の中央部から優先的に配置を決定していく指針の結果、２サイクル目燃料が配置されることとなる。
【００３５】
次に、配置の決定していない位置について、炉内滞在サイクル数の平均値の低い位置から順に、３サイクル目燃料を配置していく。ここで、位置ＥとＦは、共に数値が３．０であるが、燃料配置を決定していくときに、炉心の中央部から優先的に配置を決定していく指針の結果、位置Ｅは３サイクル目燃料、位置Ｆは４サイクル目燃料と設定される。
【００３６】
引き続き、同様に、４，５サイクル目燃料を配置していき、配置が未決定な位置がなくなることで、燃料配置の作成が終了する。このような構成にすることで、理想と考える燃料配置やその実現のための規則を考える手間を省き、具体的な入力データを与えることなく、燃料配置を自動的に作成することができる。
【００３７】
なお、本発明では、過去の運転サイクルにおける燃料配置データの炉内滞在サイクル数の情報に基づいて新しい燃料配置を自動作成したが、炉内滞在サイクル数の情報ではなく、炉内滞在日数、もしくは、運転サイクル初期の燃料の燃焼度等の情報に基づいても、同様な手法を用いることにより、燃料配置を自動作成することができる。
【００３８】
次に本発明の第２の実施例について説明する。
【００３９】
一般に沸騰水型原子炉の炉心には、原子炉出力を制御するために運転時に挿入する制御棒に隣接する位置に、コントロールセルと言われる比較的反応度の低い燃料４体で構成されるセルを配置する。したがって、コントロールセルを設けた炉心の炉心設計を行う際には、予めコントロールセル位置を決定し、それに相応しい燃料を配置する必要がある。
【００４０】
炉内滞在サイクル数の異なる複数の燃料から構成される炉心においては、コントロールセルは３サイクル目燃料もしくは４サイクル目燃料で構成されることが一般的である。また、コントロールセルは、炉心最外周を含むセルには設けられないのが一般的である。このため、過去の運転サイクルの燃料配置のデータをもとに、セルの構成燃料に着目して、炉心最外周を含むセルを除いてセルの分類を行うことで、コントロールセル位置を特定することができる。
【００４１】
第２の実施例では、セルの分類を行う場合の燃料配置作成について説明する。なお、第２の実施例の新燃料の体数は第１の実施例と同じく１６０体とし、第２の実施例で設定した指針は、セルの分類を行うこと以外は、第１の実施例と同じとする。また、セルの分類を行うのに用いる燃料配置は図２に示すものとし、燃料配置作成は第１の実施例と同じく図３に従うものとする。
【００４２】
コントロールセルを構成する燃料は、一般に、３サイクル目燃料もしくは４サイクル目燃料である。したがって、コントロールセルへの分類は、図２にて、セルの構成燃料の各々の炉内滞在サイクル数を、セル毎に確認していき、例えば選定指針として、セルの全構成燃料の炉内滞在サイクル数が３．０以上で４．０以下であるセルをコントロールセルへ分類することで行えばよい。そして、コントロールセルに分類された箇所のセルには、コントロールセル以外の位置への燃料配置に先立ち、優先的に３サイクル目燃料を炉心の中央から反応度の低い順から配置していく。コントロールセルへの配置決定後は、第１の実施例と同様に、設定した指針に従いながら、図３に示す炉内滞在サイクル数の平均値が小さい位置から順に、新燃料、２サイクル目燃料、３サイクル目燃料、４サイクル目燃料、５サイクル目燃料を配置して行き、燃料配置を作成する。
【００４３】
図６には、第２実施例により作成した燃料配置を示す。セルの分類を行い、炉内箇所Ｇをコントロールセルと設定した。コントロールセルへの優先配置を行ったため、炉内箇所Ｈは第１の実施例の４サイクル目燃料ではなく、３サイクル目燃料が配置される。また、炉内箇所Ｋは、コントロールセルで３サイクル目燃料を配置した結果、第１の実施例の３サイクル目燃料ではなく、４サイクル目燃料が配置される。このようにしてセルの分類を行うことにより、コントロールセルを考慮した燃料配置を自動的に作成することができる。
【００４４】
また、挿入される制御棒の数は、炉心が有する余剰な反応度によって決まるものである。余剰な反応度が大きいほど多くの制御棒を挿入する必要があり、多数の制御棒挿入によって、余剰な反応度を打ち消し、炉心を臨界状態にすることとなる。そのため、制御棒を挿入するコントロールセルの数は、運転サイクルを通じて余剰な反応度が最大となるときに必要な制御棒本数によって決まる。
【００４５】
また、長い運転サイクルの炉心には、短い運転サイクルの炉心に比べて多くの新燃料体数が必要となる。新燃料体数が多いと、炉心の反応度が大きくなり、余剰な反応度も大きくなることとなる。つまり、運転サイクル長さ、及び、新燃料体数には、炉心の余剰な反応度の大きさと相関関係が存在する。したがって、過去の運転サイクルの運転サイクル長さ及び新燃料体数とコントロールセル数の関係から、設計対象炉心のコントロールセル数について、その妥当性を確認することができる。
【００４６】
本発明の第２の実施例では、自動的にコントロールセルを炉心内に設定したが、これを、運転サイクル長さ、もしくは、新燃料体数と、過去の運転サイクルでのデータからコントロールセル数の妥当性を確認する機構と組み合わせることは可能である。例えば、自動作成した炉心の新燃料体数がＡ体でコントロールセルの数がＢ個であったとする。過去の運転サイクルの新燃料体数とコントロールセル数のデータから、新燃料体数がＡ体のときのコントロールセル数のデータを検索し、自動作成した炉心のコントロールセル数が、例えばＢ±４個の範囲に入るという条件で、コントロールセル数の妥当性を判断することは可能である。
【００４７】
また、本発明の第１及び第２の実施例では、用意された過去の運転サイクルの燃料配置データを用いて燃料配置を作成したが、これを新燃料体数をもとに検索する機構と組み合わせることも可能である。例えば、与えられた燃料体数をＮとすれば、燃料配置データ記憶装置１３の中で新燃料体数がＮのケースを探すことは可能であり、さらに幅を持たせて、新燃料体数がＮとＮ＋ｍ（例えばｍ＝８）のケースを探すことも可能である。また、標準的な新燃料配置の雛型データを複数ケース与えておき、これを検索する機構と組み合わせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による原子炉炉心設計システムのブロック図。
【図２】炉内滞在サイクル数で整理した炉心の燃料配置の例を示す図。
【図３】本実施例で使用した、過去の運転サイクルの燃料配置データに基づく、各位置での炉内滞在サイクル数の平均値を示す図。
【図４】第１の実施例により作成した燃料配置を示す図。
【図５】セルの概念図。
【図６】第２の実施例により作成した燃料配置を示す図。
【符号の説明】
【００４９】
１１  本発明による原子炉炉心設計システム
１２  燃料配置作成装置
１３  燃料配置データ記憶装置
１４  装荷燃料データ記憶装置
１５  燃料配置方式判断部
１６  配置オプション記憶装置
１７  燃料配置作成部
１８  新燃料体数入力部
１９  オプション設定部
【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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