JPS58205891A - 原子炉出力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、原子炉出力低下要求を引き起す何らかの故障
発生時に、原子炉の継続運転を可能とする原子炉出力制
御装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

一般に、沸騰水型原子力発電所においては、プラント外
の電力系統事故発生時に所内単独運転を継続することを
目的として、事故発生と同時に原子炉再循環ポンプをト
リップさせるとともに、あらかじめ指定された制御棒（
選択制御棒）を完全挿入位置まで緊急挿入して原子炉出
力を低下させ、一方タービンバイパス弁を急開させて原
子炉から発生する蒸気を復水器へ逃がすことにより、原
子炉を停止することなく継続運転を行なうことができる
ようにしである。

〔背景技術の問題点〕

ところが選択制御棒を挿入し自然循環、低出力状態に整
定した状態では以下のような原因により炉心の出力分布
が下方に歪んでしまう。

（イ）　自然循環のような低流量時には炉心上方で発生
する蒸気泡（ボイド）が十分に押し流されないため、炉
心上方の水による中性子減速効果が不十分となるため相
対的に炉心下方の出力が大きくなる。

（ロ）給水系の給水加熱器への熱源としてはタービン抽
気蒸気が使用されるが、タービンバイパス弁を急開して
原子炉から発生する蒸気が復水器にバイパスされるため
、給水加熱器の熱源が失われ炉心にはサブクール度の比
較的高い水（通常運転時に比較して低温の水）が給水さ
れる。そのため原子炉内での沸騰開始点が上方に移動し
、炉心下方の中性子減速効果が助長され炉心下方の出力
が大きくなる。

（ハ）第１図に示すように制御棒反応度価値ａはボイド
量が多い程大きくなる。よって制御棒が全挿入されると
ボイド量すが炉心上方はど多いため（第２図の破線す参
照）炉心上方程制負の制御棒反応度価値Ｃが高く、下方
では低いことになる（第２図の実線Ｃ参照）。このため
選択制御棒を完全挿入位置まで急速挿入させると出力分
布は下方に企むことになる。

上記原因が重なり合って選択制御棒挿入時には出力分布
が過度に下方に歪む傾向がある。

このように出力分布が過度にＦ方に歪むと炉心のチャン
ネル安定性、炉心安定性が悪くなる。

ここで、炉心部下部の出力歪みが大きくなると炉心のチ
ャンネル安定性、炉心安定性に悪影響をおよぼすことに
ついて説明する。

一般にＢＷＲプラントのような大規模な非線形システム
の安定性を解析する場合はその構成要素ないしけサブシ
ステムの安定性をまず調べ、次にそれらの結合からなる
全システムの安定性を調べるのが合理的である。

従って、まず炉心内の個々のチャンネル（水路）の熱水
力的安定性を調べ、その固有の安定性を確認スる。（チ
ャンネル安定性） 次にこれらのチャンネルは水力学的に結合され、炉心の
核的特性、および熱伝達特性と結合されて炉心全体の安
定性を調べる。（炉心安定性）まず、チャンネル安定性
について説明する。

ＢＷＲの炉心には数百本の燃料集合体が装荷され、それ
ぞれの燃料集合体により形成されるチャンネルは並列チ
ャンネルを形成する。このような状況ではたとえ１つの
チャンネルで流量振動が生じたとしでも、その影響は周
囲の多数のチャンネルに吸収され、チャンネル入口、出
口の圧力は変化しないと考えられる。

上記の加熱二相流チャンネルにおいてはたとえ加熱量が
一定でも、流れの振動が生ずることが認められる。

この二相流の不安定性については従来から多くの研究が
あ）、不安定性にも種々のタイプがあることがわかり、
系統的な分類も行われている。

この分類に従えば今問題にしているチャンネル安定性は
密度波振動に属し、最も一般的なものである。その振動
のメカニズムは一口で云えばチャンネル内の流量、密度
（ボイド率）、圧損の間に存在する輸送おくれとフィー
ドバック効果によるとされ、特徴は振動の周期が流れに
おける密度波（あるいはボイド率外乱の伝播波）のチャ
ンネル通過時間と関係の深いことである。この振動はか
つて流量・ボイドフィードバック不安定性、あるいは時
間遅れ不安定性と呼ばれたことがあったが、上記の特徴
にもとづいて密度波振動と呼ばれるようになった。

さて、ＢＷＲ燃料チャンネルでは第３図に示すように入
口から単相流部、サブクール沸騰部、ノ（ルク沸騰部が
ある。サブクール沸騰部では水のエンタルピは飽和エン
タルピに達してないが蒸気泡の存在する部分であり、バ
ルク沸騰部では水も飽和に達している。こ＼で具体的に
振動に至る場合のメカニズムを説明する。

簡単のためにサブクール沸騰部を無視するが定性的な議
論なので、影響はない。

今チャンネルの入口流量が振動している場合を考える。

この振動は単相流部にエンタルピ外乱の流れに沿った伝
播を起こす。水の温度が飽和に達する点である沸騰境界
（以下Ｂ、Ｂ、と略す）はこのエンタルピ外乱によって
振動する。流量と拳相流動の長さが振動する結果、単相
流部の圧損も振動することとなる。Ｂ、Ｂ、の振動は、
すなわちこの点におけるボイド率あるいはクォリティー
の振動であり、これが流れに沿って伝播し、また、同時
に二相流部の流速にも外乱を生ぜしめる。このボイド率
、流速の外乱とＢ、Ｂ、の振動による二相流部の長さの
振動は相まって二相流部の圧損の外乱を引起す。ところ
で、チャンネル全体の圧損は外部から境界条件として与
えられ、今の場合数百本の他のチャンネルよ如決まる定
数であるので、二相流部の圧損の外乱はそれがそのまま
大きさが同じで符号が逆の圧損変化を単相流に及ぼす。

これが最初に仮定した入口流速の振動を助長（不安定の
場合）したシ、減衰（安定の場合）したりすることにガ
る。

さて、臨界振動の場合についてもう少し検討する。この
ときには単相流部の圧損の変化分は二相流部の圧損の変
化分と大きさは同じで符号が逆となる。ところで、ＢＷ
Ｒの運転条件では単相流部の圧損の変化は入口流量の変
化分とほぼ同相であシ、一方二相流部の圧損の変化は出
口流量の変化とはソ同相である。従って流量はこの場合
、入口、出口で大きな位相おくれをもつこ゛とになる。

このような位相おくれは非圧縮性の単相流では生じるこ
とはなく、沸騰チャンネルの流れにそった大きな密度変
化によるものである。すなわち、入口流量が大きいとき
にチャンネルに入った水はその流速が早いために飽和温
度に達するのに多くの距離を通過しなければならない。

すなわち沸騰境界は下流側に移る。沸騰部においては、
負のボイド率外乱として伝播し、このことは水と蒸気の
密度差から質量流量としては正の外乱として伝播する。

その結果沸１ａ部の圧損の増加を来たし、単相流部の圧
損が低下し、更に入口流量を減少するように働く。この
ことから振動の１／２周期がはソ流体のチャンネル通過
時間に等しくなることが説明できる。

このような状態において、２相流部の圧損を大きくする
ことは二相流部の圧損の変化をまし、チャンネルの不安
定度を増す。一方入ロオリフイスの絞りを大匙ぐするこ
とは沸違部圧損の変化による単相部圧損の変化から入口
流量の変化へのゲイン全下げ安定度の向上につながる。

これらの傾向は実験的に確かめられて騒る。

上記原因によシ、炉心部下部の出力ビーキングが大きく
なると、ボイド率が増加する。このため２相流部の圧損
が大きくな〕、チャンネルの不安定度が増すことになる
。

次に、炉心安定性にういて説明する。

チャンネル安定性が確保された場合、次に検討するのは
、チャンネルが数百本以上集って形成されている炉心の
安定性でア乙。この場合にはチャンネルの熱水力特性と
ボイドの反応度係数による原子炉核特性との結合の結果
不安定になることが考えられる。？：、＼では多数の燃
料チャンネルを熱力学的および水力学的に似たものを集
めていくつかのグループにまとめ、全炉心を模擬する。

各燃料チャンネルについての熱水力学的動特性はチャン
ネル安定性の数学モデルから導かれ、こ＼ではチャンネ
ル圧損および、熱流束の入力に対してチャンネルの流量
、およびボイド率を出力する。さて、チャンネル流量の
総和は炉心再循環流量となるが、炉心の再循環ルーズに
対する動特性モデルを求めて炉心入口プレナムの圧力変
化を得ることができる。最後に各チャンネルのボイド率
にボイド反応度係数を乗じ、總和金とることにより炉心
全体の反応度変化がまとまり、これが炉心核熱特性への
入力となってフィードバック系を構成する。

従ってこの場合には通常のフィードバックシステムの安
定性と同様であシ、理解しやすｂものであるＯ 上述のように、チャンネル安定性の場合と同様、炉心部
下部の出力ビーキングが大きくなるとボイド率が増加し
、ボイドの反応度へのフィードバックゲインが高まり、
炉心の不安定度が増すことになる。

以上の結果、炉心部下部の出力ビーキングが大きくなる
と、炉心のチャンネル内のボイド量がふえ、２相流の圧
力損失やボイド量が上昇することになる。この結果チャ
ンネル内流量に微少な外乱が生じた場合、ボイドによる
流量外乱遅れが大きくな如振動が継続し易くなる傾向と
なる。・又、反応度的にみてもボイド反応度が増し、不
安定な傾向となる。これが、いわゆる［炉心のチャンネ
ル安定性の悪化］である。

〔発明の目的〕

本発明は沸騰水型原子力発電所における所内又は所外の
原子炉出力低下要求を引き起す何らかの故障発生時にあ
らかじめ選択した制御棒を急速挿入することによりすみ
やかに低出力状態に移行し、かつ継続して原子炉を安定
な状態で運転可能とする原子炉出力制御装Ｂを提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は、電力系統事故発生時等に予じめ選択された一
部の制御棒（選択制御棒）を急速挿入することによって
原子炉の出力を低下せしめる原子炉制御装置において、
上記緊急挿入されるべき選択制御棒を部分挿入位置で停
止させる原子炉出力制御装置である。

〔発明の実施例〕

第４図において、符号１は原子炉であって、その原子炉
１から発生した蒸気は主蒸気管２全通して主蒸気加減弁
３を介してタービン４に送給され、タービン４の駆動が
行なわれる。上記ターヒフ４０回転は発電機５に伝えら
れそこで電気に変換され、主変圧器６、主し中断器７を
介して系統８へと送電される。一方、タービン４で仕事
を行なった蒸気は復水器９で復水せしめられ、その後原
子炉給水ポンプ１０によって原子炉１へ給水管１０ａを
介し還流される。また、前記主蒸気管２と復水器９との
間には、主蒸気加減弁３およびタービン４をバイパスす
るとともにバイパス弁１１を有するバイパス管１２が接
続されてお）、上記バイパス管１２を経た蒸気も前記復
水器９で復水せしめられる。

ところで、上述のように構成された沸騰水型原子力発電
所においては、系統８または発電機５に伺らかの故障が
発生すると、主しｅ断器７、主変圧器６が開き、主変圧
器６の開信号が負荷しゃ断検出回路１３に送られる。こ
のようにして主変圧器６のＲｍ１が負荷しゃ断検出回路
１３１Ｃよって検出されると、上記負荷しゃ断検出回路
１３から負荷しゃ断信号が発生せしめられ生蒸気加減弁
３が急閉されるとともにバイパス弁１１が急開される。

しかして、原子炉１から夕〜ビン４に送られる蒸気は、
上記主蒸気加減弁３によって急速しゃ断され、バイパス
弁１１を経て復水器９へと送給される。

一方、主蒸気加減弁３の急閉は主蒸気加減弁急閉検出装
置１４で検出され、上記主蒸気加減弁３の急閉に応じて
原子炉再循環ポンプ１５の駆動モータ１６が急速停止せ
しめられるとともに、選択制御棒設定挿入装置１７が作
動せしめられ、選択された制御棒１８のうち、指定数が
部分挿入され、残りは完全挿入され、原子炉１の出力が
低下せしめられる。また、主蒸気加減弁急閉装置１４か
らの信号は給水ポンプ制御装置２ｏに送られ、その給水
ポンプ制御装置２ｏによって原子炉給水ポンプ１００１
台または複数台の停止が行なわれ、原子炉の所内単独運
転への移行が行なわれる。もちろん原子炉１０安全性を
確保するため、例えば炉内の水位りが低下して設定値に
達すると、水位検出器２１が作動して水位低信号が発せ
られ、緊急停止回路２２が作動せしめられ、すべての制
御棒２３が炉心１９内に緊急に全挿入され、原子炉の停
止が行なわれる。

このように本発明は炉心内に配置された制御棒の一部又
は全部が部分挿入位置もしくは完全挿入位置のいずれの
位置にも急速挿入可能となっている。すなわち選択制御
棒設定挿入回路１７によりあらかじめ選択制御棒を決め
、その中の一部又は全部を部分挿入制御棒として指定を
する。この指定の一例を第５図に示す。第５図は炉心を
上方から見た概略図で、口の中に制御棒が１本、燃料集
合体が４体位置する。選択制御棒の指定は急速挿入後の
径方向の出力分布の歪みをなるべく少くするよう対称性
を考慮して設定する。Ａは完全挿入位置まで挿入される
制御棒、Ｂは部分挿入位置まで挿入される制御棒を示す
。○印は選択制御棒挿入以前から部分挿入されていた制
御棒を示す。この例に於て選択制御棒設定挿入回路１７
が作動すると最終状態として第６図に示すように全挿入
された制御棒と部分挿入された制御棒とが混在した状態
となる。部分挿入制御棒の挿入深さは第６図では６／１
０部分挿入であるが一般的には、軸方向の出力分布が比
較的平担になるよう、最適な位置に予め決めておく。

ここでＭ７図に選択制御棒の先端を軸方向の任意位置で
停止させたときの停止位置と軸方向ピーキング係数との
関係を示す。これによれば選択制御棒の停止位置を少し
ずつ上向に移動させると出力は少しずつ上方に押しあげ
られ出力分布は平担化するが、更に上方に移動させると
制御棒の効き方がボイドの多い炉心上方で大きいため上
方の出力が抑えられ、相対的に炉心下方の出力ビーキン
グは急速に大きくなる。安定性の面からは出力ビーキン
グの最も低いところが停止位置としては最適なのでおる
が、選択制御棒のもともとの機能は所定の大きな負の反
応度を炉心に印加することなのであるから、余りにも浅
い位置で停止させると８ ては炉心の下端よ”１０””’１０の範囲が適切である
。

選択制御棒としては、選択制御棒挿入前にすでに部分挿
入されていた制御棒を選択することも勿論可能である。

しかして、今系統８または発電機５等が故障し、主変圧
器６等が開かれると、負荷しゃ断検出回路１３を介して
主蒸気加減弁３が急閉されるとと屯にバイパス弁１１が
急開され、原子炉１からの蒸気は復水器９へ放出される
。一方、前述のように主蒸気加減弁３の急閉に応じて原
子炉再循環ポンプ１５が停止し、約３０秒後には原子炉
１の出力は５０〜６０係定格出力まで低下する。さらに
上記主蒸気加減弁３の急閉に対応して、選択制御棒設定
挿入回路１７が作動し、数秒で最外周制御棒（図示せず
）の一部または全部が緊急挿入され、約３０係定格出力
相当分だけ原子炉１の出力は低下せしめられる。このよ
うに原子炉再循環ポンプ１５の停止と最外周制御棒の緊
急挿入によル、原子炉１の出力は２０〜３０チ定格出力
１で低下し、上記原子炉１で発生した蒸気はバイパス弁
１１を介して復水器９へ放出され、上記原子炉１は系統
８と分離した状態の所内単独運転状態となる。このとき
所定の給水ポンプ１０の運転停止釦よって原子炉再循環
ポンプ１５の停止に伴なう水位りの上昇は抑制され、緊
急停止回路２２が作動するのを防止している。

第８図に所内単独運転状態に移行したときの原子炉内の
軸方向出力分布例を示す。

従来のように選択制御棒が全挿入しか許されなかった場
合破線ｄに示すように極端に炉心下部に出力分布が歪む
可能性があったが部分挿入の選択制御棒が存在すると、
第８図の実線ｅに示すように炉心上半での出力の持分が
大きくなり、又同時に下部での出力が抑えられて全体と
して出力ピーク位置が上方に押しあげられ、又ビ〜りの
絶対値も小さくなる。このため沸騰開始点が上方に移行
し、又ボイドの量も減少するのでチャンネル安定性、炉
心安定性が格段に向上し、系統８等の故障が復旧し出力
運転に移行するまでの時間、安定した状態で所内単独運
転を行うことができる。・又系統の故障以前の出力運転
中に部分挿入していた制御棒も選択制御棒として緊急挿
入可能であるため、制御棒の印加反応度速度を速めるこ
とが可能である。また、第９図に示すように全引抜状態
から制御棒を挿入しても始めのうちはなかなか負の反応
度が印加されず挿入深さ半分ぐらｂから急激に立ちあが
る特性をもっている。従って出力運転中すでに途中まで
挿入されていた制御棒を選択制御棒挿入と同時に挿入す
ることによシ短時間により大きな負の反応度を印加する
ことができる。

なお系統の故障によシ主蒸気加減弁３は急速閉するがバ
イパス弁１１が急開されるまで少し時間遅れがあり、こ
のため炉心内の圧力は高まってボイドがつぶれ正の反応
度が印加されて一時的に出力が上昇する。この様な場合
上述のように出力運転中部分挿入されていた制御棒を他
の選択制御棒と同時に急速挿入することによ）一時的な
出力上昇を抑制する効果があり、所内単独運転に移行す
るまでの過渡特性を緩和出来る。

〔発明の効果〕

以上のように、選択制御棒挿入時におりても、炉心の出
力分布が平担化され、チャンネル安定性。

炉心安定性が向上するっ

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的にボイド量と制御棒の反応度価値の関係
を示す図、第２図は一般的にボイド量と制御棒反応度価
値の軸方向分布を示す図、第３図は一般的に二相流沸騰
チャンネルの様子を示す図、第４図は本発明の概略系統
図、第５図は本発明にかかる部分挿入と完全挿入の選択
制御棒の選び方の一例、第６図は本発明にかかる選択制
御棒挿入後のパターン、第７図は本発明にかかる選択制
御棒先端停止位置をパラメータとした軸方向ピーキング
係数の特性図、第８図は本発明を実施した場合としない
場合の出力分布の比較図、第９図は本発明にかかる制御
棒の挿入深さと印加反応度の関係を示す図である、 １・原子炉　　　　　　３・主蒸気加減弁４　タービン
　　　　　９・・・復水器１０・原子炉給水ポンプ　１
１　　バイパス弁１３・・・負荷しゃ断検出回路　・・ １４・主蒸気加減弁急閉検出装置 １５・・原子？再循環ポンプ １７・選択制御棒設定挿入装置 １８　　制御棒　　　　　　１９　　炉心２０・給水ポ
ンプ制御装置 ２２・・緊急停止回路　　　２５・異常検出回路（７３
１７）　　代理人　弁理士　　則　近　憲　佑　（ほか
１名）１１這 第１図　　　第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、予じめ選択された一部の制御棒を急速挿入すること
   によって原子炉の出力を低下せしめる原子炉制御装置に
   おいて、上記緊急挿入されるべき選択制御棒を部分挿入
   位置で停止させることを特徴とする原子炉出力制御装置
   。 ２、　選択制御棒の全部を部分挿入位置で停止させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原子炉出力
   制御装置。 ３、選択制御棒の一部を部分挿入位置で停止させること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原子炉出力制
   御装置。