(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の炉心内に配置された複数の中性子束測定手段と、
これらの中性子束測定手段で測定された中性子束検出信号に基づいて炉心内出力状態を推定するプロセス制御計算機と、
前記中性子束検出信号に基づいてその検出信号変動の特徴を抽出するフィルタを備えた監視信号計算装置と、
この監視信号計算装置で所要のフィルタが施された中性子束検出信号の値から炉心の安定性を評価する安定性監視装置と、
その評価結果を表示する表示装置と、
前記プロセス制御計算機の機能を利用して、任意の運転状態を予測する安定性予測装置とを備え、
前記監視信号計算装置は、前記中性子束検出信号を、原子炉炉心状態の中性子束の基本モード分布および互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数によりフィルタ処理して監視信号を生成し、
前記安定性監視装置は、前記フィルタ処理により得られた監視信号に基づいて前記炉心の安定度を推定し、評価するように構成したことを特徴とする原子炉出力監視装置。
【請求項２】
前記安定性監視装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、監視信号計算装置からの２種類の出力信号を位相平面上において評価し、それぞれの振幅の違いから、領域安定性の振動中心線を推定するように構成した請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【請求項３】
前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、求められた上記フィルタで、任意の高次モード分布重みを、炉心方位角方向に回転させ、その応答振幅から安定性監視装置で高次モード分布の中心線を推定するように構成した請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【請求項４】
互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、炉心方位角方向に最適な重み係数を施して得られた監視信号計算装置からの出力信号より、安定性監視装置で減幅比、振動周期と振幅を求め、任意の高次モード安定性を評価するように構成した請求項１または３記載の原子炉出力監視装置。
【請求項５】
前記監視信号計算装置で所要のフィルタが施された中性子束検出信号の値から炉心の安定性監視装置が減幅比とは異なる指標による安定性評価手法としてスペクトル密度を求める一方、前記安定性監視装置は求められたスペクトル密度に基本周波数の整数倍にあたる高調波成分の有無を確認することにより、その高次モードの安定性に対する寄与の重要性を評価するように構成した請求項１または４記載の原子炉出力監視装置。
【請求項６】
前記監視信号計算装置で求められた基本モードおよび高次モードに関する出力信号を出力する一方、この出力信号を安定性監視装置で評価して得られた減幅比、振動周期、振幅およびスペクトルを出力信号応答と共に表示装置で画面上に表示するように構成したことを特徴とする請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【請求項７】
前記監視信号計算装置は、炉心内に配置された中性子束測定手段からの中性子束検出信号の平滑化された変動分を求め、この変動分を安定性監視装置が入力し、逐次的に炉心の計測位置に対応させた３次元座標に表示装置でアニメーション表示することにより、炉心内における出力の空間的変動を評価するように構成したことを特徴とする請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【請求項８】
前記監視信号計算装置は炉心内に配置された中性子束測定手段からの中性子束検出信号の平滑化された変動分に各高次モードに相当する重み分布を掛け、高次モード変動を安定性監視装置により逐次的に炉心の計測位置に対応させた３次元座標に表示装置でアニメーション表示することにより、炉心内における高次モードの空間的変動を評価するようにしたことを特徴とする請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【請求項９】
前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、利用できる中性子束検出信号が少ない場合には、炉心中心部から等距離にある周辺部の中性子束検出信号を用いて簡易的な出力信号を算出し、算出された出力信号から安定性監視装置は減幅比と振幅を求め、領域安定性を評価するように構成したことを特徴とする請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【請求項１０】
前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、各中性子束検出信号をそれぞれの直流値で規格化し、絶対値が等しく、それぞれ半数ずつで符号を正負とした重み係数を用いて簡易的な出力信号を算出し、出力された出力信号から安定性監視装置は減幅比と振幅を求め、領域安定性を評価するように構成した請求項１または９記載の原子炉出力監視装置。
【請求項１１】
前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、重み係数の符号を反転させる中心線が互いに直交した２種類の重み係数を用いて求められた出力信号を出力する一方、この出力信号から安定性監視装置は減幅比と振幅を求めて領域安定性を簡易的に評価するように構成した請求項１または９記載の原子炉出力監視装置。
【請求項１２】
前記プロセス制御計算機または安定性予測装置は、最新の炉心管理データを基に、物理モデルに基づいた安定性解析モデルを備え、安定性予測装置は任意の運転点における炉心・チャンネル・領域安定性を予測するように構成したことを特徴とする請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【請求項１３】
前記安定性予測装置は、運転点変更に伴って変化するパラメータで、物理モデル化されていない部分を、予め変化する運転点範囲内において関数近似化しておき、最新の運転管理データからの偏差として、安定度を予測する運転点におけるパラメータ評価を行なうように構成した請求項１または１３記載の原子炉出力監視装置。
【請求項１４】
前記安定性予測装置で予測された炉心・領域安定性減幅比と、監視信号計算装置および安定性監視装置で評価された運転時の炉心・領域安定性減幅比とを、比較することにより、安定性予測装置は予測機能の精度を学習により向上させたことを特徴とする請求項１記載の原子炉出力監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子炉の炉出力およびその出力分布を監視する原子炉出力監視装置に係り、特に沸騰水型原子炉の出力変動監視に利用される原子炉出力監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽水型原子炉としての沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉心には、原子炉核計装系として炉心に多数の中性子束検出装置が中性子束測定手段として配置され、出力運転時における原子炉出力および炉心の軸方向および径方向の出力分布を監視し、計装している。
【０００３】
中性子束検出装置は、ＢＷＲの炉心に燃料集合体が１６体毎に１本程度配置され、各中性子束検出装置には鉛直方向に４個の中性子束検出器が配置される。これらの中性子束検出器は、局所出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）と呼ばれ、例えば１１００ＭＷｅ級のＢＷＲの炉心には、４３本×４個＝１７２個（チャンネル）配置される。
【０００４】
各中性子束検出器から出力信号（ＬＰＲＭ信号）は２０個程度毎に平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）で平均化される。例えば１１００ＭＷｅ級のＢＷＲでは、平均出力領域モニタは６チャンネル設けられ、６チャンネルのＡＰＲＭ信号が出力される。これらのＡＰＲＭ信号およびＬＰＲＭ信号は全てアナログ信号である。
【０００５】
従来のＢＷＲでは、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）からのＡＰＲＭ信号を監視し、ＡＰＲＭ信号がある設定点以上になったときスクラム信号等のトリップ信号を出力し、原子炉の危険な状態で運転されることを回避し、原子炉の運転が安定的に行なわれるようにしている。
【０００６】
特に、沸騰水型原子炉の場合、炉心部における炉出力の不安定現象を回避するため、原子炉の運転制限領域を設け、この運転制限領域内での原子炉の運転を避けている。原子炉の運転が万一運転制限領域に入った場合には、予め選択された制御棒を挿入して炉出力を低下させ、運転制限領域から抜け出すような対策を施している。
【０００７】
原子炉の運転制限領域は、プロセス制御計算機により予め解析コードを用いた安定性解析の結果から求められるが、炉心内の中性子束検出器信号（ＬＰＲＭ信号）の揺らぎから、逐一安定度を評価できる安定性モニタも開発されている。ただ、安定性モニタでは平均化されたＡＰＲＭ信号を用いて安定度を評価したり、あるいは個々のＬＰＲＭ信号の評価だけを行なっており、原子炉の出力変動の安定度を正確に評価することができない。原子炉の出力変動の安定度は、炉心内の複雑な空間依存性に依存しており、昨今の多くの海外原子力プラントで観測されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＰＲＭ信号は、各ＬＰＲＭ信号を均等に平均化するために、炉心全体で出力が変動する場合は炉出力分布の検出が可能であるが、原子炉の炉心が局所的に変動する場合や、空間的に位相差をもって変動する場合には、ＡＰＲＭ信号ではＬＰＲＭ信号の平均化により変動量が相殺されて吸引されるため、炉出力分布の検出が困難になる可能性がある。
【０００９】
炉心で局所的に変動する例としては、熱水力的に厳しい燃料集合体が密度波振動と呼ばれる振動現象を発生させる、いわゆるチャンネル発振と呼ばれる振動現象が考えられる。この振動現象は、中性子束振動により拡散されるとしても、比較的狭い範囲でのみ変動する可能性がある。
【００１０】
また、空間的に位相差をもった変動の例としては炉心内で互いに対象位置で１８０°の位相差をもって振動する領域振動と呼ばれる発振現象がある。この発振現象は実際に幾つかの国外原子力プラントで観測されている。例えばイタリアのCAORSOプラントで観測された領域振動では、ＡＰＲＭの最大振幅は高々１０％程度であったのに対し、最も振幅の大きなＬＰＲＭでは６０％に及ぶ振幅が観測されている。これは丁度炉心の半々で互いに１８０°の位相差で振動しているため、ＬＰＲＭの最大値と最小値が同時に平均化されてしまい、その間にキャンセリングが生じるためと考えられる。
【００１１】
炉心安定度を監視するに当っては通常ＡＰＲＭ信号から、安定度を表わす減幅比，振動の周期，振幅等を求めることにより、炉心状態の安定度を推定している。しかし、この炉心安定度は領域振動時にはＡＰＲＭ信号だけの監視では正確に検出できない可能性がある。
【００１２】
また、原子炉の安定性監視装置においては、炉心内の異なる箇所でのＬＰＲＭ信号を幾つか選択してＡＰＲＭ信号と同様の推定を行なっているが、複数のＬＰＲＭ信号を処理し、判定するロジックが定まっていないことから、領域振動の検出には利用されていない。
【００１３】
炉心安定度が領域振動時に正確に検出できない問題点を解決する方法として、信号の分散値に基づいて予め基準となるＬＰＲＭ信号を選定しておき、選定されたＬＰＲＭ信号の位相差を逐次的に求めることにより、単純な平均化より感度の高い中性子束検出信号を得る手法あるいは、振動する可能性のある空間高次モード分布を予め推定しておき、このモード分布を平均化する際に重みフィルタとして用いる手法を本出願人は提案している（米国特許第５４０６５９８号明細書および特願平５−２０９７１７号参照）。
【００１４】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、原子炉の出力変動を従来通りの検出信号を用いて正確に監視することができ、安全性の向上と稼働率の向上を図ることができる原子炉出力監視装置を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明の他の目的は、既提案の原子炉出力監視手法をオンラインで監視するオンライン出力監視手法に発展的に改良し、従来の出力監視手法で見落しがちな原子炉出力変動を監視することができる原子炉出力監視装置を提供するにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、原子炉の炉心内に配置された複数の中性子束測定手段と、これらの中性子束測定手段で測定された中性子束検出信号に基づいて炉心内出力状態を推定するプロセス制御計算機と、前記中性子束検出信号に基づいてその検出信号変動の特徴を抽出するフィルタを備えた監視信号計算装置と、この監視信号計算装置で所要のフィルタが施された中性子束検出信号の値から炉心の安定性を評価する安定性監視装置と、その評価結果を表示する表示装置と、前記プロセス制御計算機の機能を利用して、任意の運転状態を予測する安定性予測装置とを備え、前記監視信号計算装置は、前記中性子束検出信号を、原子炉炉心状態の中性子束の基本モード分布および互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数によりフィルタ処理して監視信号を生成し、前記安定性監視装置は、前記フィルタ処理により得られた監視信号に基づいて前記炉心の安定度を推定し、評価するように構成している。
【００２０】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る原子炉出力監視装置は、請求項２に記載したように、前記安定性監視装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、監視信号計算装置からの２種類の出力信号を位相平面上において評価し、それぞれの振幅の違いから、領域安定性の振動中心線を推定するように構成したものである。
【００２１】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る原子炉出力監視装置は、請求項３に記載したように、前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、求められた上記フィルタで、任意の高次モード分布重みを、炉心方位角方向に回転させ、その応答振幅から安定性監視装置で高次モード分布の中心線を推定するように構成したものである。
【００２２】
さらにまた、上述した課題を解決するために、本発明に係る原子炉出力監視装置は、請求項４に記載したように、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、炉心方位角方向に最適な重み係数を施して得られた監視信号計算装置からの出力信号より、安定性監視装置で減幅比、振動周期と振幅を求め、任意の高次モード安定性を評価するように構成したものであり、請求項５に記載したように、前記監視信号計算装置で所要のフィルタが施された中性子束検出信号の値から炉心の安定性監視装置が減幅比とは異なる指標による安定性評価手法としてスペクトル密度を求める一方、前記安定性監視装置は求められたスペクトル密度に基本周波数の整数倍にあたる高調波成分の有無を確認することにより、その高次モードの安定性に対する寄与の重要性を評価するように構成したものである。
【００２３】
また、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項６に記載したように、前記監視信号計算装置で求められた基本モードおよび高次モードに関する出力信号を出力する一方、この出力信号を安定性監視装置で評価して得られた減幅比、振動周期、振幅およびスペクトルを出力信号応答と共に表示装置で画面上に表示するように構成したものである。
【００２４】
一方、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項７に記載したように、前記監視信号計算装置は、炉心内に配置された中性子束測定手段からの中性子束検出信号の平滑化された変動分を求め、この変動分を安定性監視装置が入力し、逐次的に炉心の計測位置に対応させた３次元座標に表示装置でアニメーション表示することにより、炉心内における出力の空間的変動を評価するように構成したものである。
【００２５】
他方、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項８に記載したように、前記監視信号計算装置は炉心内に配置された中性子束測定手段からの中性子束検出信号の平滑化された変動分に各高次モードに相当する重み分布を掛け、高次モード変動を安定性監視装置により逐次的に炉心の計測位置に対応させた３次元座標に表示装置でアニメーション表示することにより、炉心内における高次モードの空間的変動を評価するようにしたものである。
【００２６】
さらに、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項９に記載したように、前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、利用できる中性子束検出信号が少ない場合には、炉心中心部から等距離にある周辺部の中性子束検出信号を用いて簡易的な出力信号を算出し、算出された出力信号から安定性監視装置は減幅比と振幅を求め、領域安定性を評価するように構成したものである。
【００２７】
さらにまた、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項１０に記載したように、前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、各中性子束検出信号をそれぞれの直流値で規格化し、絶対値が等しく、それぞれ半数ずつで符号を正負とした重み係数を用いて簡易的な出力信号を算出し、出力された出力信号から安定性監視装置は減幅比と振幅を求め、領域安定性を評価するように構成したものである。
【００２８】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る原子炉出力監視装置は、請求項１１に記載したように、前記監視信号計算装置は、互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を算出するに際して、重み係数の符号を反転させる中心線が互いに直交した２種類の重み係数を用いて求められた出力信号を出力する一方、この出力信号から安定性監視装置は減幅比と振幅を求めて領域安定性を簡易的に評価するように構成したものである。
【００２９】
また、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項１２に記載したように、前記プロセス制御計算機または安定性予測装置は、最新の炉心管理データを基に、物理モデルに基づいた安定性解析モデルを備え、安定性予測装置は任意の運転点における炉心・チャンネル・領域安定性を予測するように構成したものである。
【００３０】
さらに、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項１３に記載したように、前記安定性予測装置は、運転点変更に伴って変化するパラメータで、物理モデル化されていない部分を、予め変化する運転点範囲内において関数近似化しておき、最新の運転管理データからの偏差として、安定度を予測する運転点におけるパラメータ評価を行なうように構成したものである。
【００３１】
さらにまた、本発明に係る原子炉出力監視装置は、上述した課題を解決するために、請求項１４に記載したように、前記安定性予測装置で予測された炉心・領域安定性減幅比と、監視信号計算装置および安定性監視装置で評価された運転時の炉心・領域安定性減幅比とを、比較することにより、安定性予測装置は予測機能の精度を学習により向上させたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る原子炉出力監視装置の一実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は本発明に係る原子炉出力監視装置の全体構成を示すブロック構成図であり、図中符号１０は軽水炉としての沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を示す。この原子炉１０には原子炉圧力容器１１内に炉心１２が格納されており、この炉心１２に中性子束測定手段として複数の中性子束検出装置１３が配置される。
【００３４】
中性子束検出装置１３は図２に示すように、原子炉核計装系として、炉心１２に、例えば１６体の燃料集合体１４毎に１本程度の割合で配置され、原子炉の出力運転時における原子炉出力および炉心１２の軸方向，径方向の出力分布を監視し、核計装している。例えば１１００ＭＷｅ級のＢＷＲの炉心１２には４３個、１３００ＭＷｅ級のＢＷＲの炉心１２には５２個の中性子束検出装置１３が配置される。各中性子束検出装置１３には図３に示すように鉛直方向に４個の中性子束検出器１５が局所出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）として配置され、４個の中性子束検出器１５は通常下からＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと名付けられている。なお、図２において、符号１６は制御棒である。
【００３５】
原子炉１０の炉心１２には通常１００個を超える中性子束検出器１５が備えられる。例えば１１００ＭＷｅ級のＢＷＲの炉心には４３×４＝１７２個（チャンネル）の中性子束検出器が存在しており、各中性子束検出器１５から出力信号がアナログ信号のＬＰＲＭ信号として取り出される。
【００３６】
これらの中性子束検出器１５からのＬＰＲＭ信号は、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ）で例えば約２０信号毎にグループ化され、均等に平均化されてＡＰＲＭ信号となる。
【００３７】
また、原子炉１０の内部には、図１に示すように、炉心現状データ測定器１７が設置されており、この炉心現状データ測定器１７で炉出力以外の炉心状態量、冷却材流量，冷却材温度・圧力等あるいは制御棒挿入量等の炉心現状データ（プロセスデータ）である炉心運転状態信号（プラント状態量計測信号）を測定している。この炉心運転状態信号もアナログ信号である。
【００３８】
そして、中性子束検出装置１３の各中性子束検出器１５および炉心現状データ測定器１７からの出力データ信号はＡ／Ｄ変換器１８に入力される。Ａ／Ｄ変換器１８は、アナログ信号である入出力データ信号（各ＬＰＲＭ信号、各炉心運転状態信号および各ＡＰＲＭ信号）をデータサンプリングし、ディジタルデータに変換するようになっている。
【００３９】
Ａ／Ｄ変換器１８にてディジタル化された核計装信号である各ＬＰＲＭ信号、プラント状態量計測信号である炉心運転状態信号および各ＡＰＲＭ信号は、それぞれ中性子束データ、炉心データおよびＡＰＲＭデータとして中性子束分布算出手段であるプロセス制御計算機（プロセスコンピュータ）１９およびフィルタ計算装置としての監視信号計算装置２５に出力されるようになっている。監視信号計算装置２５では、ディジタル信号に基づいてフィルタが求められる。
【００４０】
一方、プロセス制御計算機１９は、定期的、あるいは入出力装置２０から送られる運転員の要求に基づくタイミングで起動され、この起動時点における炉心１２内の基本モードの中性子束分布を算出するようになっている。プロセス制御計算機１９は、現状の炉心１２の基本モードの中性子束分布を算出するもので、原子炉の炉心状態の監視機能に相当するものである。
【００４１】
プロセス制御計算機１９には監視機能の他に予測機能があり、この予測機能では、最新の監視機能の結果に基づき、運転員の指定した炉心状態を計算して予測し、予測した炉心状態における基本モードの中性子束分布を算出するようになっている。
【００４２】
一方、プロセス制御計算機１９で算出された現状の炉心１２の中性子束分布や予測された炉心１２の中性子束分布の計算結果は入出力手段である入出力装置２０を介して出力され、運転員に報知される一方、安定性予測装置２１に入力され、表示装置２２にて炉心状態が表示されるようになっている。安定性予測装置２１はプロセス制御計算機１９に内蔵されていてもよい。
【００４３】
また、プロセス制御計算機１９は、高次モード計算手段としての高次モード計算装置２４を内蔵している。この高次モード計算装置２４はプロセス制御計算機１９から独立して設けてもよい。プロセス制御計算機９で算出された中性子束の高次モードを算出しており、中性子束の室内高次モードの算出結果はフィルタ計算手段としての監視信号計算装置２５に入力される。なお、高次モード計算装置２４による高次モードの計算方法は、具体的には例えば文献「詳細数値計算演算」戸川隼人著，共立出版発行等に記載されている。
【００４４】
一方、監視信号計算装置２５には、Ａ／Ｄ変換器１８でデータサンプリングされディジタル化された核計装信号である各ＬＰＲＭ信号（ディジタルＬＰＲＭ信号）が入力され、入力された各ＬＰＲＭ信号に基づいて信号間の位相差，振幅差に基づいた最適のフィルタが求められる一方、監視信号計算装置２５には高次モード計算装置２４で算出され、抽出された空間高次モードに対応するフィルタも算出される。すなわち、監視信号計算装置２５では炉心状態または実測された各ＬＰＲＭ信号の変動特性に応じたフィルタが求められる。
【００４５】
また、監視信号計算装置２５では入力された実測の各ＬＰＲＭ信号が位相差，振幅差に基づいたフィルタや空間高次モードを抽出したフィルタにかけられてフィルタリング（平均化操作）され、処理される。処理されたフィルタ（監視）信号はオンライン接続された安定性監視手段である安定性監視装置２６および入出力装置２０に入力され、この入出力装置２０ではフィルタリングされたＬＰＲＭ信号が出力され、運転員に通知するようになっている。
【００４６】
安定性監視装置２６ではフィルタリングされたＬＰＲＭ信号から安定度を表わす減幅比や共振周波数（振動の周期），振幅等を監視して、振動現象の検出や振動モードの判別・評価を行ない、炉心状態の安定度を推定しており、その安定度推定信号は表示装置２２に送られて表示される。
【００４７】
この原子炉出力監視装置においては、中性子検出器１５からのＬＰＲＭ信号よりＡＰＲＭを算出するに際して、従来のアナログのＬＰＲＭ信号を平均化したＡＰＲＭ信号に加え、空間的に依存性のある振動モードを選択的に抽出するフィルタを用いて安定性監視用信号である新たな出力変動信号（この出力信号をＲＰＲＭ信号あるいは炉内分割出力領域検出器信号という。）を求め、このＲＰＲＭ信号を基に炉心の安定性を監視する。ただし、ここでフィルタの求め方については、使用するＬＰＲＭ信号の本数、配置等により簡易的なものを用いることが可能であり、簡易的なフィルタの求め方をオプションとして含める。
【００４８】
これらのフィルタを通して得られた出力信号は、安定性監視装置２６に入力され、安定性監視装置２６で炉心１２の安定性状態を示す減幅比、振動周期、変動の大きさを示す振幅が逐次求められ、それらの値により炉心安定性をオンラインで評価する。従来のＡＰＲＭ信号からは、炉心内部で一体になって変化するモードに関する炉心安定性を監視すると同時に、新たな信号から領域安定性を監視し、炉心内における空間依存出力変動を、常に実時間で監視する。
【００４９】
また、安定性監視装置２６はフィルタに用いる重み係数を複数用意することにより、各フィルタを用いた信号の位相図（リサージュ線図）から、振動の中心線を推定することが可能である。あるいは、１種類のフィルタ係数を回転させることによる、ＲＰＲＭ信号の応答から振動の中心線を同様に推定することが可能となる。すなわち、ＡＰＲＭ信号とＲＰＲＭ信号の減幅比と振幅、複数のＲＰＲＭ信号間、あるいは重み係数を回転させたＲＰＲＭ信号から振動の中心線を推定することにより、現在炉心内で支配的となっている空間高次モードを推定し、炉心１２および領域安定性をオンラインで監視する。
【００５０】
さらに、プロセス制御計算機１９は、炉心現状データ測定器１７およびＡ／Ｄ変換器１８により生成された炉心状態データおよびＬＰＲＮ信号を定期的に読込み、読み込んだ炉心状態データおよびＬＰＲＭ信号に応じて、その読み出しタイミングでの炉心１２内の状態を表す炉心状態情報データ（炉心管理データ）を生成するようになっている。例えば、炉心状態情報データは、炉心１２内の出力分布、冷却材の流量分布、およびその他の情報を含んでいる。プロセス制御計算機１９は、さらに、生成した炉心状態情報データを読み出しタイミングに応じて内部の記憶領域に記憶するようになっている。
【００５１】
安定性予測装置２１は、プロセス制御計算機１９内に記憶された最新の炉心状態情報データに基づいて、物理モデルから構成される炉心安定性解析モデルにより、任意の炉心状態の安定度を予測するようになっている。
【００５２】
ここで、原子炉出力監視装置における出力監視の流れの概略を図４に示し、その機能ブロック図を図５に示す。
【００５３】
図４および図５によれば、各ＬＰＲＭ信号および各炉心運転状態信号は、Ａ／Ｄ変換器１８によりディジタル化されてＬＰＲＭデータおよび炉心状態データに変換される。
【００５４】
ディジタル化されたＬＰＲＭデータおよび炉心状態データは、プロセス制御計算機１９および監視信号計算装置２５に出力される（図４のステップＳ１８ａ、１８ｂ参照）。
【００５５】
同様に、Ａ／Ｄ変換器１８によりＡＰＲＭ信号から変換されたディジタルデータは、ＡＰＲＭデータとしてプロセス制御計算機１９および監視信号計算装置２５に出力される。
【００５６】
図５に示すように、監視信号計算装置２５は、送られたＬＰＲＭ信号に基づいて監視信号（ＲＰＲＭ信号）を計算し、計算したＲＰＲＭ信号を安定性監視装置２６に送信する。安定性監視装置２６は、送信されたＲＰＲＭ信号を受取り、受取ったＲＰＲＭ信号を逐次的に評価して、炉心１２の安定性を監視している。
【００５７】
また、安定性予測装置２１は、プロセス制御計算機１９に記憶された炉心状態情報データを定期的に取り込み、運転員の要求に応じて、あるいは定期的に、プロセス制御計算機１９と協働しながら原子炉１０の状態や安定性を予測する（ステップＳ１９ａ参照）。
【００５８】
なお、上述したプロセス制御計算機１９、安定性予測装置２１、監視信号計算装置２５および安定性監視装置２６の各機能は、図５における機能モジュール１９ａ、２１ａ〜２１ｄ、２５ａ〜２５ｂおよび２６ａ〜２６ｂとして概略的に示されている。
【００５９】
図４は図５に示された各機能モジュールの詳細を説明するための概略フローチャートである。
【００６０】
監視信号計算装置２５は、Ａ／Ｄ変換器１８を介して逐次入力されるＬＰＲＭデータに予め設定され保持された重み係数（フィルタ、フィルタ係数）を施す。すなわち、監視信号計算装置２５は、ＬＰＲＭデータを、中性子束分布の基本モードに対応する第１の重み係数（第１のフィルタ）および中性子束分布の高次モードに対応する第２の重み係数（第２のフィルタ）によりフィルタリングして安定性監視用信号（ＲＰＲＭ信号、ＲＰＲＭデータ）を計算する（図４のステップＳ２５ａ〜２５ｄ参照）。
【００６１】
続いて、安定性監視装置２６は、計算されたＲＰＲＭ信号に基づいて、炉心安定性、チャンネル安定性および領域（高次モード）安定性に関するパラメータ（減幅比、固有周波数、振幅、スペクトル等）を逐次推定し、評価する（図４のステップＳ２６ａ、２６ｂ参照）。高次モード（領域）安定性に関しては、ＲＰＲＭ信号の感度が最大となる高次モード中心線を推定して最適な重み係数を求め（ステップＳ２６ｃ、２６ｄ参照）、ＲＰＲＭ信号を再計算して（ステップＳ２６ｅ参照）、高次モード安定性に関する減幅比、固有周波数、振幅、スペクトル等のパラメータを求める（ステップＳ２６ｆ参照）。
【００６２】
そして、安定性監視装置２６は、上記パラメータに基づいて炉心１２内の振動現象を検出し、炉心１２内の振動モードを判別する（ステップＳ２６ｇ参照）。
【００６３】
一方、安定性予測装置２１は、物理モデルからなる安定性解析モデルを有しており、運転員の要求に応じて、プロセス制御計算機１９に記憶された最新の炉心状態情報データ（出力分布や流量等を含む）をプロセス制御計算機１９から取り込み（ステップＳ１９ａ参照）、運転員の要求ポイント（任意の運転点）における炉心１２内の熱水力条件等の炉心状態（炉心内状態）を推定する（図４のステップＳ２１ａ参照）。
【００６４】
そして、安定性予測装置２１は、上記熱水力条件および安定性解析モデルを用いて、運転員の要求ポイントでの安定性解析を実行し（ステップＳ２１ｂ参照）、運転員の要求点における炉心１２内の炉心・領域安定性の減幅比を予測する（ステップＳ２１ｃ参照）。
【００６５】
また、安定性予測装置２１は、予測された炉心・領域安定性を含む予測結果、予測時の熱水力条件を含む運転状態および安定性監視装置２６により得られた実際の炉心１２の炉心・領域安定性を、予め予測装置２１内に設けられたデータベース内に蓄積する（ステップＳ２１ｄ参照）。
【００６６】
安定性予測装置２１は、予測結果とデータベース内に記録された実際の炉心安定性とを比較し（ステップＳ２１ｅ参照）、学習機能を実行する。すなわち、安定性予測装置２１は、学習機能として、予測結果（予測された炉心・領域安定性）と監視された炉心・領域安定性との間の偏差を求め、安定性モデルの入力パラメータを補正することにより、上記偏差を解消する（ステップＳ２１ｆ参照）。
【００６７】
したがって、本発明の原子炉出力監視装置は、従来のＡＰＲＭ信号では検出が困難となる可能性のある出力変動も検出することが可能となり、安全性、稼働率の向上に寄与することができる。
【００６８】
次に、監視信号計算装置２５で所望するフィルタを求める計算過程を説明する。
【００６９】
求められるフィルタには２種類あり、１つはデータサンプラ１８から常時入力される実測された各ＬＰＲＭ信号を演算処理して得られるフィルタであり、他の１つは高次モード計算装置２４で算出された空間高次モード分布を抽出して得られるフィルタである。
【００７０】
前者は逐次あるいは連続的に検出される各ＬＰＲＭ信号の実測信号に基づいて算出されるフィルタであり、後者は、プロセス制御計算機１９からの情報に基づいて算出され、運転状態の変化、例えば制御棒操作あるいは再循環流量操作による運転点の変更に伴い、炉心１２内の出力分布を反映したフィルタである。後者のフィルタは原子炉の炉心状態の計画的変更時にプロセス制御計算機１９を経由して求められる。
【００７１】
監視信号計算装置２５で求められる前者のフィルタは、実測信号である各ＬＰＲＭ信号の統計量、すなわち各ＬＰＲＭ信号の相互相関関数と分散値を逐次あるいは短かい時間間隔（数十秒）毎（連続的でもよい。）に求められたものである。  一方、プロセス制御計算機１９の高次モード計算装置２４では、空間高次モード中性子束分布が算出される。原子炉１０の炉心１２内における空間依存時間変動中性子束φ（ｒ，ｔ）が、空間高次モード中性子束分布の重ね合せにより構成されているとすると、
【数１】
0003847988.tif 000002
ここに、φm （ｒ）は定常時における空間高次モード中性子束分布を、ｎm (t) はｍ次モード中性子束が時間的に変動する振幅関数をそれぞれ表わし、次式の固有値方程式を満たす。
【００７２】
【数２】
0003847988.tif 000003
Ｌ（ｒ），Ｍ（ｒ）はそれぞれ時間に依存しない消滅（拡散、吸収等）演算子，生成（核分裂）演算子であり、λm は固有値を表わす。
【００７３】
また、固有値方程式で表わされる各固有値Ｋm 間には次式の大小関係が成立する。
【００７４】
【数３】
0003847988.tif 000004
すなわち、（３）式より、最も低次モードの固有値λ0 が最も大きく、定常時には、最も低次モードの固有値λ0 のみが最終的に残るために、最も低次モードを基本モードと指称する。
【００７５】
基本モードの時間的変動は良く知られた動特性方程式で表わされる。ｍ次モード中性子束（以下、ｍ＞０のモードを高次モードと称する。）の時間的変化は、次の（４）および（５）式の動特性方程式で表わされる。
【００７６】
【数４】
0003847988.tif 000005
【数５】
0003847988.tif 000006
（４）式におけるΔρm はｍ次モードの基本モードに対する未臨界度であり、次式で定義される。
【００７７】
【数６】
0003847988.tif 000007
【００７８】
一方、各高次モード間については、以下のような直交関係が成立している。
【００７９】
【数７】
0003847988.tif 000008
【００８０】
しかし、原子炉のような大型炉心では動的な高次モード分布歪曲が無視でき、また一般に炉心管理は１／４炉心対称で行なわれていることから、高次モード間に直接直交関係がほぼ満足される。
【００８１】
【数８】
0003847988.tif 000009
【００８２】
（７）式および（８）式において、φm+（ｒ）は随伴中性子束を意味するが、以下では一群の中性子束を考えるので、φm+（ｒ）は中性子束分布φm （ｒ）に一致している。すなわち、次式で表わされる。
【００８３】
【数９】
0003847988.tif 000010
【００８４】
（１）式と（９）式から、ある特定のモード成分、例えばｎ次モードの時間的変化だけを抽出するためには、中性子束全体にｎ次モード中性子束分布を炉心全体に亘って掛けてやればよい。すなわち、
【数１０】
0003847988.tif 000011
【００８５】
したがって、フィルタとして注目する中性子束モード分布を用いれば良い。ただ、測定されるのは中性子束分布Φ（ｒ，ｔ）ではなく、炉心内に多数（例えば典型的な１１０万ＫＷｅ級ＢＷＲで１７２箇所）存在するＬＰＲＭ信号を用いることになる。すなわち、炉心内のある場所におけるＬＰＲＭ信号をＬＰＲＭ（ｒ，ｔ）として、その周辺における高次モード分布を用いることにより、
【数１１】
0003847988.tif 000012
【００８６】
また、（１１）式において、重みとして場所に寄らない一定値を用いるのがＡＰＲＭ信号である。このＡＰＲＭ信号には全ての中性子束モードの時間変化が含まれていることになる。このように、実際の炉心内における過渡的な中性子束変動には、多くの高次モードが一般的には含まれていると考えられるが、炉心一体振動では基本モードが、領域振動では方位角方向１次モードの変動成分が支配的であることが、解析的にも実機振動データの評価結果からも確認されている。従来はＡＰＲＭ信号により炉心安定性を評価していたが、より正確には基本モードで重み付けされた信号を用いる必要がある。
【００８７】
このような原理に基づくと、フィルタ係数として高次モード分布を用いるのが最適である（米国特許第５４０６５９８号明細書参照）が、現時点においては高次モード分布を逐一求めて、フィルタ係数として利用できるようにはなっていない。
【００８８】
上記理由から、本発明の本実施形態は、より簡易的な手法を工夫して用いることにより、高次モード分布を用いる手法と同等以上の効果をもたらし、さらには実装がより簡単な原子炉出力監視装置を提案する。
【００８９】
まず、実炉心状態における高次モード分布が求まらない場合には、裸の均質円筒型炉心の中性子束分布φlmn （ｒ，θ，ｚ）を用い、３方向のインデックスを（ｌ，ｍ，ｎ）とすると、
【数１２】
0003847988.tif 000013
【００９０】
炉心一体振動に関係するモードである基本モードでは、ｍ＝０，ｌ＝ｎ＝１に対応する。また、領域振動に関係するモードである周方向１次モードでは、ｌ＝ｍ＝ｎ＝１に対応する。
【００９１】
したがって、ｚ（軸）方向モードについては基本モードと周方向１次モードは一致する。また、高次モードｍ≧１では方位角θに対して周期的となるため、ｍ個の直線状の零点が加わってくる。したがって、周方向１次モード（ｍ＝１）では互いに直交する２つの異なる分布が、同じ固有値に対して存在する（すなわち、固有値が２重に縮退している）。
【００９２】
今回注目しているのは、炉心断面方向における中性子束分布の安定性であるので、フィルタ係数としては、ｍ次ベッセル関数Ｊm （ｘ）を用いる。基本モードはｍ＝０，ｎ＝１に対応するので、フィルタ係数としてＪ0 （Ｘ0,1 ｒ／Ｒ）を用いれば炉心安定性に関係するモードの、周方向１次モードではｍ＝ｎ＝１であるので、フィルタ係数としてＪ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)cosθを用いれば領域安定性に関するモードをそれぞれ選択的に抽出することが可能である。
【００９３】
あくまでもｍ次ベッセル関数は裸の均一炉心体系におけるモード分布であるため、実機炉心のモード分布には一致しないが、炉心管理は１／４炉心対称に行なわれている。このため、中性子束分布は炉心断面についてはｍ次ベッセル関数に比較的近い分布を示す（図６参照）ため、安定性監視の目的には充分な精度が得られると考えられる。
【００９４】
図６において右図は代表的なＢＷＲの実機炉心における実際の周方向一次モード分布を示す。図６の右図に対し、左図は、均質炉本体における周方向一次モード分布に相当する一次ベッセル関数の分布を示している。ベッセル関数分布は、実機炉心における周方向一次モード分布に近似していることがわかる。
【００９５】
ただし、周方向１次モードは重根であるため、Ｊ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)cosθと、それに直交するＪ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)sinθの２種類が存在する。したがって、仮に実際の振動モードが、用意されたフィルタ分布と直交する分布であれば、そのフィルタでは振動モードが抽出できないことになってしまう。実際に発生する領域振動モードは正確には予測はできないことから、フィルタとして互いに直交する２つの周方向一次モード、すなわちＪ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)cosθとＪ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)sinθの２種類を予め用意しておけばよい。
【００９６】
ここで、便宜的に基本モード分布を重みとして用いて求められた安定性監視用信号をＲＰＲＭ０、互いに直交する周方向１次モードの重みを用いて求められた安定性監視用信号を、それぞれＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２と呼ぶことにする。このようなフィルタによる各種ＲＰＲＭ信号生成手順を図７に示す。
【００９７】
図７ではＡＰＲＭ信号（平均化信号）を用いる際の重み分布の概念図を示している。現行用いられているＡＰＲＭ信号は全て同じ重み係数を使用して求められているが、本発明における安定性監視用信号（ＲＰＲＭ信号）は監視対象とする高次モードに対応した重み分布を用いて求めることを示している。すなわち、基本モードに対応した安定性監視用信号ＲＰＲＭ０では重みとして基本モードを、周方向一次モードに対応した安定性監視用信号ＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２ではそれぞれ互いに直交した周方向一次モード分布を重みとしてそれぞれ用いる。
【００９８】
特に、空間的に位相差の生じる領域振動時には、各ＬＰＲＭ信号間で位相差があるために、従来のＡＰＲＭ信号では互いにキャンセルしてしまい、信号感度が低下してしまう。それに対してＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２信号では、フィルタに使用した重み係数により、位相差が補正されてキャンセリングが起こらず、高い感度のＲＰＲＭ信号が得られる。これらの事情を図８に示す。
【００９９】
図８には、従来の方法では、各ＬＰＲＭ信号を全て同じ重み係数を用いてＡＰＲＭ信号を求めているため、求められたＡＰＲＭ信号はここのＬＰＲＭ信号が互いにキャンセリングしてしまい、ＡＰＲＭ信号自体が減衰してしまう。これに対し、本発明におけるＲＰＲＭ信号では、個々のＬＰＲＭ信号のキャンセリングが生じないために、着目する高次モードの応答が抽出できることが示されている。
【０１００】
次に、フィルタを用いた振動監視の例を、３次元動特性解析コードを用いた模擬振動データに適用した例を説明する。
【０１０１】
まず、図９に炉心一体振動に適用した例を示す。基本モードの安定性監視用信号ＲＰＲＭ０により振動現象を的確に捕えているが、周方向１次モードの安定性監視用信号ＲＰＲＭ２（ＲＰＲＭ１も同じ）には殆ど振動成分が含まれていない。すなわち、安定性監視用信号ＲＰＲＭ０と安定性監視用信号ＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２との応答の差異から、この振動現象が炉心一体振動であることが判別できることがわかる。
【０１０２】
同様に、領域振動へ適用した例を図１０に示す。ＲＰＲＭ０／ＲＰＲＭ１に較べてＲＰＲＭ２の振動が有意に大きく、また周期も明確になっている。このことから、ＲＰＲＭ２の重み係数の分布に一致した方向（この例では振動の中心線が１３５度）の領域振動であることを判別できる。ＲＰＲＭ信号の重み係数分布とＲＰＲＭ信号応答の関係について図１１に示す。
【０１０３】
図１１では図１０に使用した解析結果を使用しているので、ＲＰＲＭ２が領域振動の振動方向に一致した重み係数を使用しており、ＲＰＲＭ１はそれに直交した重み係数を使用している。ここで、両者の中間の重み係数、すなわち、ＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２から共に４５度ずれた重み分布を用いて求めたＲＰＲＭ信号を仮にＲＰＲＭ３と名付けると、ＲＰＲＭ３の振幅は両者の中間的な値になっていることがわかる。
【０１０４】
すなわち、領域振動の方向（振動の中心線、すなわち領域振動として現れている空間高次モードの零点の向き）は重み係数の分布を介してＲＰＲＭ信号の振幅（感度）と密接に関係していることを示している。重み係数としてＪ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)sinθを用い、ここで重み係数の符号（正負）の替わる中心線角度、すなわち方位角θを０度から１８０度まで５度間隔で変えたときの、ＲＰＲＭ信号の平均振幅の変化を図１２に示す。
【０１０５】
振動の中心線（１３５度）と方位角θが一致するときがＲＰＲＭ信号の振幅は最大、すなわち感度が最大となり、逆にそれに直交する角度（４５度）で感度は最小となっている。したがって、予め互いに直交する重み係数を２種類（Ｊ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)cosθとＪ1 （Ｘ1,1 ｒ／Ｒ)sinθ）を用意しておけば、少なくとも片方のＲＰＲＭ信号の振幅は、図１２の網かけを施した領域にあることになる。このことから、領域振動を監視するためには互いに直交する周方向１次モード分布に類似した重み係数を２種類用意しておくことが必要にして充分な条件である。
【０１０６】
また、図１２からもわかるように重み係数の分布角度を可変にして（あるいはこの図に示してあるように角度を少しずつ変えた重み係数を多数個用意して、それぞれのＲＰＲＭ信号を求める）、ＲＰＲＭ信号の振幅が最大になる角度から、領域振動の方向が判別できる。しかし、互いに直交する２種類の重み係数を用いた、ＲＰＲＭ１信号とＲＰＲＭ２信号の位相図の挙動からも、領域振動の方向を推定することが可能である。その事情を図１３に示す。
【０１０７】
図１３においては、互いに直交する２種類の重み係数を用いたＲＰＲＭ１信号とＲＰＲＭ２信号の応答の、重み係数の中心線の方向に対する変化を、両信号の位相図で示したものである。この位相図の応答が最大となる方位角θから、振動の中心線の方向がわかる。すなわち、ＲＰＲＭ１がＲＰＲＭ２に比べて十分大きい場合（図の右下方向）には、ＲＰＲＭ１に対応した高次モード不安定性が支配的であるため、振動の方向はその高次モード分布に一致する。逆に図１３の左上方向なら、振動の方向は高次モード分布に直交した方向となる。これらの中間的な方向（対角線近傍）であれば、両分布の中心線の中間に振動の方向があることになる。
【０１０８】
すなわち、ＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２のいずれかのＲＰＲＭ信号の振幅が有意に偏っていれば、領域振動の方向はその振幅の大きなＲＰＲＭ信号の重み係数分布の中心線の方向により近く、同じ程度であれば両者の中間的な方向であることが推定できる。したがって、ＲＰＲＭ１信号とＲＰＲＭ２信号の相図を常に監視して表示装置２２で画面表示することも、領域安定性監視にとっては有効な手段である。
【０１０９】
ここで、両ＲＰＲＭ信号の振幅が同じ程度である場合に、領域振動であるか炉心一体振動であるかの判定は、図９にも示したように、ＲＰＲＭ０信号の振幅と比較すればよい。すなわち、ＲＰＲＭ０信号の振幅がＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２信号の振幅に較べて有意に大きければ炉心一体振動であり、逆に小さければ領域振動であると判定できる。
【０１１０】
したがって、各ＲＰＲＭ信号から求められる安定度の指標である減幅比だけでなく、各信号の振幅、周期、および位相空間上での相互関係が出力振動現象の監視にあたっては必要であり、本発明はそれらの総合的判断に基づく振動現象の判定法を提供する手段に関するものである（図４および図５）。
【０１１１】
さらに、高次モードまでも含めた原子炉出力の安定性の監視には以上述べた手法が応用できる。すなわち、重み係数として以下の値を用いる。
【０１１２】
【数１３】
0003847988.tif 000014
ここで用いている記号は（１２）式と同じである。
【０１１３】
この任意の高次モードまで拡張された重み係数を用い、ある時間毎に方位角θを回転させて、最も出力振幅の大きくなる方位角を設定する。この方位角は使用する高次モード、すなわち（１３）式における（ｍ，ｎ）の値毎に異なってくる。設定された最適方位角を（１３）式に代入した重み係数を用いて、各高次モードに対するＲＰＲＭ信号を求める。ここでは、方位角が最適化されているのでＲＰＲＭ信号は１種類で済む。
【０１１４】
求められたＲＰＲＭ信号が各高次モードの時間的な情報を持っているので、この信号から減幅比、振幅、周期等の安定度監視パラメータを抽出する。図１４にその監視例を示す。
【０１１５】
基本モードから任意の高次モードについて、上述した手法に基づいて、各モードの方向（図右上）、各モードの時間応答を表わすＲＰＲＭ信号の減幅比と周期（周波数）（図右下）、および各ＲＰＲＭ信号の応答波形と振幅の推移を、各モードについて表示する。
【０１１６】
この例では、基本モード成分、すなわち炉心一体振動成分が主要成分であり、例えば１次モード成分は僅かしか含まれていないが、それ以外にある高次モード成分も含まれており、減幅比自体はその高次モード成分の方が高いことがわかる。
【０１１７】
もう１つの監視項目として、各ＲＰＲＭ信号のスペクトルが挙げられる。図１５には、各ＲＰＲＭ信号の応答波形と振幅の推移とスペクトル（自己パワースペクトル密度：ＡＰＳＤ）を表示した例を示す。
【０１１８】
ＡＰＳＤのピーク高さおよびその鋭さから、各モードの安定度を判定することができるが、さらにスペクトルの基本周波数に対して、その整数倍の位置にピーク、すなわち高調波ピークが現われているか否かにより、そのモード成分が振動として支配的に発達したものであるかどうかが判定できる。
【０１１９】
例えば、図１６には発達した出力振動時のＲＰＲＭ信号のＡＰＳＤ（自己パワースペクトル密度）を示すが、基本周波数（約０．３５Ｈｚ）の２倍、３倍の周波数の高調波が明確に現われているが、図１５のスペクトルにはそれらは現われていない（ここで１Ｈｚ以上で現われているピークは安定性に関係しない他の理由によるものである）。
【０１２０】
したがって、ここで示した例においては比較的高い減幅比を示しており、高次モード成分も含まれてはいるが、振幅はピーク間値でも高々３％であり、安定度が悪化して発振に至る時点で顕著となる非線形高調波成分も含まれていないことから、炉心全体では比較的安定であり、特に安全に関わるような状態ではないことがわかる。振幅が一番大きな基本モード成分と、安定度自体は悪化しているＮ次モード成分について重点的に監視していけばよい。
【０１２１】
ここでは、炉心内で利用できるＬＰＲＭ信号を全て用いた監視を行なっているので、表示法としてはこれらの変化成分を立体的に、実時間で表示することにより、空間的な変動を視覚的に把握することが可能である。
【０１２２】
【外１】
0003847988.tif 000015
【０１２３】
【数１４】
0003847988.tif 000016
と規格化された偏差値を求め、実時間でそれらの変動を炉心内における検出器の配置に対応して３次元的な監視装置画面に表示する。図１７はその表示例を示す。
【０１２４】
図１７の表示例では振動周期の１周期分、約２秒間のプロットを示してあるが、実際にはこのような立体図がほぼ実時間でアニメーションとして表示装置２２で表示される。また、図１７の下には各ＬＰＲＭ信号振幅の等高線図を表示してあるが、振幅の値に応じて表示する色を変えてやれば、炉心内における出力変動の空間的な挙動を表示装置１９で視覚的にも把握し易くなる。
【０１２５】
また、ＬＰＲＭ信号の代りに、（１３）式で最適化された重みで各ＬＰＲＭ信号を修正した、いわゆる高次モードに対するＬＰＲＭ信号を用いれば、重みで用いた高次モード成分の変動をアニメーションとして表示することが同様に可能である。
【０１２６】
以上は、炉心内に満遍なく配置されたＬＰＲＭを全て、あるいは大多数を使用して監視する手法であるが、より少ない限られたＬＰＲＭ信号を用いて領域安定性をより簡易的に監視する手法について以下に説明する。
【０１２７】
例えば図６に示したように周方向１次モードは、炉心周辺部が高い分布となっているため、領域安定性に関する高次モードの炉心中心部のＬＰＲＭ信号への寄与は周辺部に較べて小さいと考えられる。したがって、従来通りＡＰＲＭ信号によって炉心安定性を監視するのであれば、領域安定性監視には周辺部のＬＰＲＭ信号だけを利用すればよいことになる。さらに、炉心中心からほぼ等距離にあるＬＰＲＭ検出器のＬＰＲＭ信号を使用すれば、重み係数としては同じ値を近似的に用いることができる。
【０１２８】
より少ない限られたＬＰＲＭ信号を用いた、簡易炉心安定性監視用に使用するＬＰＲＭ信号の炉心内配置の例を図１８に示す。この例では炉心安定性監視用に炉心中心部の５本のＬＰＲＭ信号を、領域性安定性監視用に炉心周辺部の１０本のＬＰＲＭ信号、計１５本のＬＰＲＭ信号を用いている。炉心安定性監視用の信号重み係数として均一に０．２、領域安定性監視用の重み信号としては±０．２を用いる。
【０１２９】
例えば、図１８において領域安定性監視用ＬＰＲＭ信号の中で、（３〜７）のＬＰＲＭに０．２を、（８〜２）のＬＰＲＭに−０．２の重みを使用した信号をＲＰＲＭ１、（１〜５）のＬＰＲＭに０．２を、（６〜１０）のＬＰＲＭに−０．２の重みを使用した信号をＲＰＲＭ２とする。また、各ＬＰＲＭ信号は、全てのＤＣ値により規格化されているとする。この規格化により、重み係数として均一な値を使用し、各信号のＤＣ値からの偏差成分を抽出するわけである。
【０１３０】
図１９は炉心安定性監視へ、図２０には領域安定性監視へ、それぞれ適用した例を示す。炉心一体振動時にはＲＰＲＭ０の振幅が卓越しており、領域振動時にはＲＰＲＭ１またはＲＰＲＭ２のいずれかが卓越しているので、前記ＬＰＲＭ信号を用いた場合と同様に安定性監視が行なわれる。但し、安全には他のモードからの影響が削除できないので、減幅比のみによる監視は困難であり、振幅と併せた評価が必要になってくる。
【０１３１】
図１９および図２０は、安定性予測装置２１におけるプロセス制御計算機１９に内蔵された３次元安定性解析コードを用いて、振動現象を模擬し、その時の核計装信号（ＬＰＲＭ）に本発明で提案した重みを用いて求めた、監視信号計算装置２５および安定性監視装置２６からのＲＰＲＭ０（基本モードに対応する炉心安定性監視信号）信号とＲＰＲＭ１（周方向１次モードに対応する領域安定性監視信号）信号の応答を示している。
【０１３２】
以上は、時系列データからの逐次的な安定性監視手法に関する内容であるが、さらに安定性予測装置２１による物理モデルに基づいた安定性予測機能について図２１を参照して説明する。
【０１３３】
まず、安定性予測機能における計算の流れについて、安定性監視装置２６における安定性監視の計算の流れと比較して図２１に示す。
【０１３４】
運転員（ユーザー）が、所定の運転条件を有する任意の運転点における安定性予測を行なう場合に、その予測したい運転条件（出力と冷却剤流量等）を安定性予測装置２１に入力する（図２１のステップＳ３０参照）。安定性予測装置２１は、プロセス制御計算機１９に記憶された上記入力時点における最新の炉心状態情報データ（炉心管理データ；図２１のＤ１参照）にアクセスして、出力分布を受け取る（ステップＳ３１参照）。そして、安定性予測装置２１は、受け取った出力分布から、まず最も出力の高い燃料集合体を選択して、チャンネル安定性を求める集合体とする。
【０１３５】
次に、安定性予測装置２１は、上記出力分布に応じて、熱水力的に条件の近い燃料集合体同士を幾つかまとめて、炉心安定性解析用の少数のチャンネルグループに分割する（ステップＳ３２参照）。
【０１３６】
同様に、安定性予測装置２１は、上記出力分布および安定性監視装置２６による安定性監視機能によりそれぞれ推定された振動中心線（Ｌ１参照）と、高次モード重み係数に基づいて、燃料集合体同士を幾つかまとめて領域安定性解析用の少数のチャンネルグループに分割する（ステップＳ３３参照）。
【０１３７】
また、領域安定性解析には高次モード未臨界度が必要であるが、現在の炉心監視システムでは高次モードの評価を行なっていないため、高次モード未臨界度は、予め出力分布の関数Ｇとして求めておき、監視システムから得られた出力分布を用いて計算される（ステップＳ３４参照）。
【０１３８】
高次モード未臨界度を求めるための手順は、次の通りである。すなわち、ある燃料集合体の出力分布をＰｒn として、次の出力分布の二乗平均Ｒを求める。
【０１３９】
【数１５】
0003847988.tif 000017
【０１４０】
同じく、その燃料集合体の炉心中心からの距離に対する二乗平均ＲＬを求める。
【０１４１】
【数１６】
0003847988.tif 000018
【０１４２】
すると、高次モード未臨界度は以上の２つの指標Ｒ、ＲＬの差の関数として表される。また、予測したい運転条件に対する未臨界度として、運転条件（出力Ｐ、冷却剤流量Ｆ）の関数Ｈを予めフィッティングしておく。すると、予測したい運転条件に対する未臨界度Δρは、
【数１７】
0003847988.tif 000019
で与えられる。
【０１４３】
この他にも運転条件によって変わる変数、例えばバイパス部流量、チャンネル軸方向出力分布等を運転条件の関数として予め与えておき、炉心管理データ（炉心状態情報データ）の与えられている運転条件と、安定性を予測したい運転条件との状態の偏差より、予測運転状態における変数値を設定する。また、運転条件から定常のヒートバランスを用いて推定できる変数値、例えば炉心圧力、炉心入入口温度等は、ヒートバランス物理モデル（図２１のＨ１参照）より計算して設定される（ｆ）。
【０１４４】
以上のように、予測運転状態におけるチャンネル分割数、未臨界度の値および出力分布の値等を含む熱水力条件が求められたら、安定性予測装置２１は、そのチャンネル分割数、未臨界度、出力分布等の値を安定性解析用物理モデル（図２１におけるＭ１参照）に取り込み（ステップＳ３５参照）、炉心安定性、チャンネル安定性および領域安定性の解析をそれぞれ行ない（ステップＳ３６参照）、チャンネル・炉心安定性の減幅比および固有周波数をそれぞれ計算し（ステップＳ３７参照）かつ領域安定性の減幅比および固有周波数をそれぞれ計算する（ステップＳ３８参照）。
【０１４５】
また、図２１に示したように、安定性予測装置２１で求められた予測モデルは常時プラント（すなわち、原子炉１０）から得られる炉心状態情報データを含む安定性情報を利用することができるため（ステップＳ３９参照）、予測処理実行時においては、学習機能を実行することにより、図４のステップＳ２５ａ〜２５ｄおよびステップＳ２６ａ〜２６ｇに略対応するステップＳ４１〜Ｓ４７に示された安定性監視処理により、ＬＰＲＭデータを含むプラント時系列データより得られた安定性と、予測機能から得られた安定性とのバイアスを補正することができる（ステップＳ４０参照）。学習による調整パラメータとしては、炉心・領域安定性では出力分布、ボイド反応度係数が、炉心安定性単独では再循環系の伝達特性、領域安定性では高次モード未臨界度が考えられる。
【０１４６】
例えば、上記予測機能がユーザーにより明示的に起動された場合、および運転条件あるいは過渡事象等により、現状の運転点からある程度状態が変化した場合に、安定性監視装置２６による安定性監視機能と安定性予測装置２１による予測機能が自動的に起動されることにより、上記学習機能はある程度の頻度をもって行なわれる。ボイド反応度係数は炉心安定性と領域安定性の両者に効いてくるパラメータであるが、再循環系の伝達特性は炉心安定性にのみ、未臨界度は領域安定性のみに効いてくるパラメータであることから、まずボイド反応度係数により両安定性の調整学習を行ない、その後に再循環系の伝達特性により炉心安定性の調整学習を、未臨界度により領域安定性の調整学習を行なう。以上の学習機能は、図４の符号２１の安定性予測装置で実現される。
【０１４７】
すなわち、本発明においては中性子束分布の基本モードと高次モード分布を考慮した重み係数を用いた新たな監視信号を監視信号計算装置２５で求め、その信号応答から安定性監視装置２６で減幅比、振幅および位相関係を各係数について求め、それらから炉心内における空間的な振動現象を網羅的、総合的に判定することが可能である。また、安定性予測装置２１では最新の運転管理データを用い、物理モデルに基づいた安定性予測により、運転状態が変化した場合の炉心安定性の変化が予測でき、より柔軟な運用が可能となる。
【０１４８】
この実施例の原子炉出力監視装置では、従来のそのままアナログ信号を平均化するＡＰＲＭ信号に較べて、より正確に、また従来信号では検出困難な出力変動も含めて検出、判定が可能であり、安全性の向上と稼働率の向上を図ることができる。
【０１４９】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明に係る原子炉出力監視装置においては、炉心内の原子炉炉心状態の中性子束の基本モード分布および互いに直交する高次モード分布に対応する重み係数を用いて従来通りの検出信号をフィルタ処理して安定性監視信号を生成することにより、従来のＡＰＲＭ信号では検出が困難となる原子炉出力変動を上記従来通りの検出信号を用いて正確に監視することができ、安全性の向上と稼働率の向上を図ることができる。
【０１５０】
本発明の原子炉出力監視装置は、従来の原子炉出力監視手法では見落しがちな原子炉出力変動を正確に監視できる一方、運転状態が変化した場合の炉心安定性の変化が予測でき、より柔軟な運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る原子炉出力監視装置の一実施形態を示す構成図。
【図２】図１に示された原子炉の炉心内における中性子束モニタの配置例を示す炉心の平断面図。
【図３】図２に示された中性子束モニタの炉心軸方向（鉛直方向）における配置例を示す平断面図。
【図４】本発明に係る原子炉出力監視装置における安定性監視および安定性予測の処理の流れを概略的に示すフローチャート。
【図５】本発明に係る原子炉出力監視装置の機能モジュールを示すブロック図。
【図６】本発明に係る原子炉出力監視装置において、フィルタ重みとして用いる出力分布例を示すもので、ベッセル関数分布と実機周方向一次モード分布の比較図。
【図７】本発明に係る原子炉出力監視装置において導入された新しいＲＰＲＭ信号の作成法を示す図。
【図８】本発明に係る原子炉出力監視装置によるフィルタの効果を示す図。
【図９】本発明に係る原子炉出力監視装置における出力安定性監視例を示すもので、炉心一体振動時の適用結果を示すＲＰＲＭ信号の応答例を示す図。
【図１０】本発明に係る原子炉出力監視装置における出力安定性監視例を示すもので、領域振動時の適用結果を示すＲＰＲＭ信号の応答例を示す図。
【図１１】本発明に係る原子炉出力監視装置における出力安定性監視例である重み係数の分布とＲＰＲＭ応答の関係を示す図で、領域振動時において、高次モードに対する重み係数を炉心方位角方向に回転させた際の、監視信号の応答の違いを比較した図。
【図１２】本発明に係る原子炉出力監視装置における出力安定性監視例である重み係数中心線角度とＲＰＲＭ振幅の関係を示す図で、領域振動時において、互いに直交した重み係数で求めた監視信号の位相線図上における応答と、領域振動の中心線方向との対応を示した図。
【図１３】本発明に係る原子炉出力監視装置における出力安定性監視例を示すもので、ＲＰＲＭ１／ＲＰＲＭ２相図と領域振動の方向を示す図。
【図１４】本発明に係る原子炉出力監視装置において、各モード成分を、減幅比、固有周波数および監視信号生波形とその振幅の観点から監視する高次モード監視例を示す図。
【図１５】本発明に係る原子炉出力監視装置において、各高次モード成分を、監視信号生波形とその振幅および監視信号のスペクトルの観点から監視する高次モードスペクトル監視例を示す図。
【図１６】本発明に係る原子炉出力監視装置において、発達した振動時にスペクトルに現われる高調波ピークの例を示す図。
【図１７】本発明に係る原子炉出力監視装置における規格化されたＬＰＲＭ信号変動の立体的表示例を示すもので、監視信号、この場合は平滑化されたＬＰＲＭ信号の変動分を、各ＬＰＲＭ検出器の炉心内配置に対応した位置に、逐次的にアニメーション表示した例を示す図。
【図１８】簡易炉心運転性監視用のＬＰＲＭ検出器の炉心内配置例を示す図。
【図１９】本発明に係る原子炉出力監視装置における簡易炉心安定性監視例であり、炉心一体振動に適用した結果を示す、簡易安定性監視信号による炉心安定性監視例の図。
【図２０】本発明に係る原子炉出力監視装置における簡易炉心安定性監視例てあり、領域振動に適用した結果を示す、簡易安定性監視信号による領域安定性監視例の図。
【図２１】本発明に係る原子炉出力監視装置において、安定性予測機能における計算の流れを、逐次的安定性監視機能との計算の流れと併せて示したフローチャート。
【符号の説明】
１０  原子炉
１１  原子炉圧力容器
１２  炉心
１３  中性子束検出装置（中性子束測定手段）
１４  燃料集合体
１５  中性子束検出器（ＬＰＲＭ）
１６  制御棒
１７  炉心現状データ測定器
１８  Ａ／Ｄ変換器
１９  プロセス制御計算機（中性子束分布算出手段）
２０  入出力装置（入出力手段）
２１  安定性予測装置（安定性予測手段）
２２  表示装置
２４  高次モード計算装置
２５  監視信号計算装置（フィルタ計算装置）
２６  安定性監視装置（安定性監視手段）
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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