JP5954902B2

JP5954902B2 - 原子炉の炉心の出力分布をモニターする方法

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Publication number: JP5954902B2
Application number: JP2013507997A
Authority: JP
Inventors: クリーグ，デイビッド，ジェローム
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2031-04-14
Also published as: ZA201207895B; CN102859607B; WO2011136933A1; KR20130079340A; EP2564393A1; EP2564393A4; BR112012027775A2; JP2013525796A; CN102859607A; US20110268239A1

Description

本発明は、一般的に、原子炉に係り、さらに詳細には、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）のような原子炉の炉外出力レンジ検出器の校正方法に係る。

現代の商用原子炉の炉心は、直立した原子炉容器内に装荷された多数の細長い燃料集合体により形成される。加圧状態の冷却材は燃料集合体を通って循環し、集合体に含まれる核分裂性燃料内の核反応が発生する熱を吸収する。炉心の出力分布は、制御棒が燃料集合体に挿入される度合いのような多数の因子による影響を受ける。出力分布を正確に突き止めることは原子炉の動作限界を超えないようにする上で重要である。

例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の出力分布を求めるために開発されたシステムの１つとして、原子力“ＢＥＡＣＯＮ(the Best Estimate Analysis for Core
Operation) ”システムがある。ペンシルベニア州モンロービルに事業所を有するウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーからのライセンスにより利用可能なＢＥＡＣＯＮは、他の利点として、現在利用可能な計測手段を用いて既存のＰＷＲの炉心を継続的にモニターする能力を提供できる。ＢＥＡＣＯＮは、出口熱電対と炉外出力レンジ検出器と可動式炉内検出器の組み合わせか、または、固定式炉内検出器システムの何れかを、基準となる三次元出力分布と組み合わせて使用することにより、炉心出力分布を測定する。ＢＥＡＣＯＮにより実行される機能には、炉心監視、炉心解析、反応度バランス及び炉内検出器信号処理及び解析があり、オンライン運転停止マージン評価、予測臨界状態計算、負荷操作シミュレーション及び炉外検出器校正が含まれる。

炉外検出器は、前のサイクルまたは現在のサイクルからの運転情報の解析に基づくマルチポイントまたはシングルポイントの何れかの校正法を用いて校正するのが伝統的である。以下に述べるように、これらの方法は共にそれらだけにある制約を有する。

マルチポイント校正法は一般的に、可動式検出器（即ち、炉内検出器）を一部の燃料集合体の計測シンブル管中を走らせてデータを発生させるものである。このデータの収集は炉心において軸方向の出力振動を意図的に誘起させる間、多数のポイントで繰返し行う。このデータはその後、それぞれが中性子束マップと呼ばれる炉心出力分布の多数のマップを作成するように処理する。炉外検出器応答及び中性子束マップの結果から得られる軸方向情報と共に、炉外検出器を校正するための係数が導出される。他の問題点として、マルチポイント校正法は時間がかかり、労働及びコスト集約的であるという問題がある。詳説すると、データ収集を完了するために、電力会社は出力レベルが低い状態で時間を費やし、炉心にキセノン振動を導入し、または、その両方を行なうことを余儀なくされる。このため発電所の人員を増やす必要があり、発電したものが失われるという問題があった。例えば、最初の起動時、低出力状態で３つのポイントのデータを取得するのに約１６時間かかり、炉心を平衡状態にするのに約２４時間必要とする。さらに、一部の電力会社には、稼動状態になる前に全てのデータを炉外検出器に移すというさらに別の条件があるが、これは数日かかる場合がある。さらに、可動式炉内中性子束マップは正確な炉心出力分布を提供するが、それはあまり頻繁には実行されない（例えば、起動時と、原子炉運転時において一月に約１回のインターバルで実行される）。これは、炉内検出器が原子炉の通常運転時に継続して使用されると、放射線の放出及び炉内検出器の熱線露出により早期に不具合が生じるからである。炉内センサーが炉心内で膠着状態になるかもしれないという懸念により、炉内検出器を計測シンブル管に挿入しなければならない頻度を最小限に抑えるのも望ましい。

ＢＥＡＣＯＮがない場合の発電所許可条件は通常、出力分布測定を３１日より少ない頻度で行うことを必須とする。ＢＥＡＣＯＮは、発電所で許可されている場合、出力分布を測定するに当たり可動式中性子束マップに取って代わる。従って、ＢＥＡＣＯＮは、発電所が次の中性子束マップを採取するまでの期間を最大６ヶ月遅らせることができるという利点がある。

マルチポイント校正に付随する上記問題点に鑑みて、シングルポイント校正を行なうのが望ましい。シングルポイント校正は一般的に、炉心で発生するであろう実際の出力振動を、予測中性子工学解法モデルを用いる振動のシミュレーションで代替するものである。かかる方法には、予測モデルが、ある特定の状況下で物理的炉心を正確に表さないという問題点がある。例えば、出力分布の測定値と予測値がマッチしないことがある。出力分布のかかる不一致は種々の因子による。例えば、予測モデルを不正確にする可能性のある幾つかの因子として、炉心内の非対称的な燃料装荷、燃料集合体の実際の反応度とモデル化された反応度の間のミスマッチ、または炉心の運転履歴とモデル化された履歴の差による集合体燃焼度のミスマッチ及び中性子工学解法の限界がある。即ち、炉心をほぼ同一のセグメント（例えば、限定の意図なく、４象限または６象限）に分割するが、他の４象限または６象限と同様な挙動をしない４象限または６象限が炉心にあると炉心に非対称性が生じる。

従って、公知のシングルポイント法の問題点はそれらの方法が通常はその基礎となる仮定に依らないことである。１つの仮定として、原子炉の炉心は上述したように対称的に装荷されているという仮定があり、別の仮定として、原子力発電所は首尾一貫して常に全出力で運転されるという仮定である。これは、時として、例えば、米国におけるように、電力消費の比較的短期の変動を吸収するために他の非原子力（石炭火力、化石燃料利用）発電所の出力が、一般的に、必要に応じて増減するよう利用される場合は正しいが、原子力発電所は世界の他の地域では異なる態様で運転される。例えば、発電の大部分が原子力発電所で行われるフランスでは、電力需要または電力網周波数の必要に応じて原子力発電所の出力を増減することが必要である。予測モデルで想定される運転と実際の炉心の運転履歴の違いにより予測モデルが不正確になる可能性がある。

発電所の電気出力の変動を吸収するための原子炉炉心出力を変化させることを負荷追従と言う。負荷追従時の原子炉の運転は種々の不都合な運転状態を生ぜしめる可能性があることが一般的に確立されている。従って、多くの原子炉販売者は原子炉を負荷追従能力なしに一定出力で運転するのを推奨する。発電所の運転におけるこの融通性の不足は原子炉の利用度を制約し、負荷変動で必要とされる発電能力の差を埋めるために非原子力発電所を持続させる必要がある。上述したように、非原子力発電所がこの機能のために利用可能な状態にない世界の一部の地域では、これは実行可能なオプションではない。かかる状況下では、事実上の負荷追従能力を確立しなければならない。これには、キセノン分布に問題が発生する前に、例えば中性子束パターンの変動を補償できるように、炉心内の中性子束パターンを正確に実質的に再構成できる炉心モニターシステムが必要である。

従って、炉外検出器のシングルポイント校正に付随するシミュレーションされる振動（例えば、予測モデル）の精度を改善する必要がある。
従って、原子炉の炉外検出器の校正方法には改善の余地がある。

上記及び他の必要性は、集合体周囲アキシャルオフセットと炉心平均アキシャルオフセットの関係を求めるための予測シミュレーションに対する炉心モニタリングによる補正（例えば、ノード校正係数）を利用する方法に係る本発明により満足される。かくして、原子炉の既存の炉外モニターシステムを用いることにより、種々の異常条件（例えば、限定の意図なく、炉心の過渡運転条件、非対称的な燃料装荷条件、炉心の傾斜、中性子モデルミスマッチ）下で炉心内の出力分布を正確にモデル化することができる。

本発明の一側面として、ＢＥＡＣＯＮのような炉心モニターシステムの一部であるノード校正係数を用いて、シングルポイント炉外校正法により予測シミュレーションの制約を解消することにより、周囲と炉心の平均アキシャルオフセット関係式の精度を改善し、炉心の種々のセグメント（例えば、限定の意図なく、４象限、６象限）における出力とアキシャルオフセットの差を吸収する。三次元ノード校正係数は、単一の可動式炉内検出器による中性子束マップまたは自己給電型検出器によるスナップショットの何れかから測定した三次元出力分布と、中性子工学モデルからの予測三次元出力分布の比率を求めることにより発生される。さらに詳細には、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心の出力分布情報をモニターして炉外検出器の校正を改善する方法が提供される。

本発明の１つの非限定的実施例によると、本発明の方法は、炉心モニターシステムを用意し、複数の炉外検出器を用意し、可動式または固定式炉内検出器により単一の中性子束マップを作成してノード校正係数と、現在の炉外検出器の応答及び測定した周囲アキシャルオフセットの基準ポイントを発生させ、ノード校正係数は中性子束マップ（６９）からの測定した三次元出力分布を同じ炉心条件における予測出力分布で割算することにより発生させ、アキシャルオフセットを変化させるための（ａ）制御棒操作及び（ｂ）キセノン振動のうちの少なくとも一方を含む、軸方向の出力振動をシミュレーションするための計算を行い、その結果得られた三次元出力分布の計算値にノード校正係数を乗算することにより予測結果を予想される測定結果に対して補正し、その結果を用いて炉心周囲アキシャルオフセットと炉心アキシャルオフセットの間の関係式及び炉心周囲アキシャルオフセットと炉外検出器応答の間の関係式を作成させるステップより成る。ノード校正係数を乗算することにより炉心平均アキシャルオフセットに対する炉外検出器の応答が正確に校正される。

本発明の方法はさらに、以前発生させたノード校正係数及び現在モニターした出力分布を炉外検出器のその後の校正に適用することを含む。ノード校正係数は、最長約６ヶ月の期間における測定値と予測値の間の予想される差を有効に表すものである。炉外検出器の校正は、発電所が炉内中性子束マップを発生することを必要条件とすることなく、炉心の現在のサイクルにおいて発生される原子力データに基づく。校正は、例えば、そして限定の意図なく、炉心寿命の初期、炉心寿命の終期の出力上昇時に、炉心が部分出力あるいは全出力で運転中に実行しても良い。

本発明の方法は可動式炉内モニターシステムを有する原子炉と、固定式炉内検出器システムを有する原子炉の両方だけでなく、可動式と固定式の両方の炉内検出器システムの組み合わせを有する原子炉にも適用可能である。

本発明の完全な理解は、添付図面に関連して好ましい実施例についての以下の説明を読めば得られるであろう。
図１は、本発明の思想を組み込んだＰＷＲ及びその原子炉炉心の側立面図であり、一部が断面図、一部が概略図である。図２は、図１の原子炉炉心マップの上部平面概略図であり、燃料集合体、制御棒および炉外検出器の相対的位置を示す。図３は、本発明による、図１のＰＷＲ原子炉炉心の通常運転時におけるノード校正係数を発生させるためのデータ流を示す概略図である。図４は、本発明による、図１のＰＷＲ原子炉炉心の通常運転時における出力分布をモニタリングするためのデータ流を示す概略図である。図５は、本発明による炉外校正プロセス時におけるデータ流を示す概略図である。

例示の目的で、本発明の実施例を、可動式炉内検出器システムを有し、ＢＥＡＣＯＮ炉心モニターシステムを用いる加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉外検出器の校正に適用するものとして説明するが、ＢＥＡＣＯＮ以外の炉心モニターシステムを使用し、可動式炉内検出器システム、固定式炉内検出器システムまたは可動式炉内検出器システムと固定式炉内検出器システムの両方の組み合わせを有するＰＷＲにも適用可能であることが明らかになるであろう。

本明細書に使用する用語「原子力データ」は、原子炉炉心内の燃料集合体及び可燃性吸収材を表す情報及びパラメータのことであり、中性子束、出力、燃焼度、入口温度、出口温度、エントロピー、アキシャルオフセット及びこれらの組み合わせを明示的に含むが、それらに限定されない。

本明細書に使用する用語「異常炉心条件」は、炉心が原子炉炉心の通常の運転条件（例えば、限定の意図なく、セグメント（例えば、限定の意図なく、４象限、６象限）の間で実質的に対称的な燃料装荷条件）下で運転中でない任意のシナリオのことであり、非対称的な炉心出力、軸方向傾斜、制御棒落下、制御棒引き抜き、サイクル長の変化、燃料装荷パターンの変化及び炉外検出器の交換を明示的に含む。

本明細書に用いる用語「ノード」は、原子炉炉心を副領域に分解する方法のことである。

本明細書に用いる用語「数」は、１または１より大きい整数（複数）を意味するものである。

図１は、半球状底部５と、上部蓋７を備えた直立円筒状の圧力容器３を含む加圧水型原子炉（ＰＷＲ）１を示す。原子炉炉心９は、上部支持板１１、炉心槽１３及び下部支持板１５を含む構造により原子炉容器３内に吊り下げられている。原子炉炉心９は、各々が多数の燃料棒（図示せず）内に収容された核分裂性物質を含む細長い燃料集合体１７により構成される。各々が蓋７の上方に位置する駆動機構２１により位置決めされる制御棒１９のクラスタは、核分裂性物質の反応度を制御する１つの機構として燃料集合体１７の内部に挿入される。原子炉冷却材ポンプ（図示せず）により循環される原子炉冷却材は入口ノズル２３に流入し、炉心槽１３の周りを下方に流れた後、下部支持板１５を通って上方に流れ、燃料集合体１７の中を上方に流れる間に、核分裂性物質内の原子核反応により加熱される。その後、原子炉冷却材ポンプにより通常は２，２５０ｐｓｉに維持される加熱状態の冷却材は、出口ノズル２５から流出し、蒸気発生器（図示せず）を循環する間に熱を放出し、入口ノズル２３に戻る。図示を単純化するため、図１にはループをただ１個しか示さないが、原子炉１は通常、２乃至４つのループを有し、それぞれが入口ノズル（例えば、２３）と出口ノズル（例えば、２５）を有する。

上記プロセスの種々のパラメータは発電所のコンピュータ２７によりモニターされる。かかるパラメータの中には、各入口２３において熱電対２９により測定される冷却材入口温度、出口熱電対３１により測定される燃料集合体１７を出る時の冷却材温度がある。さらに別の測定値として、原子炉容器３の外部に近接して位置する複数の炉外出力検出器３３により測定されるアキシャル出力オフセット、及び、本明細書では特に言及しないが、発電所のコンピュータ２７によりモニターされるか、モニターが可能な多くの他のパラメータが含まれる。

図１の例に示すＰＷＲ１には、各々がシンブル案内管４１に押し込まれる駆動ケーブル３９上に装着された多数の可動式中性子検出器３７（即ち、炉内検出器）を含む可動式炉内検出器システム３５が設けられている。このように、炉内検出器３７は燃料集合体１７のシンブル管（図示せず）内を移動される。炉内検出器３７により採取される測定値は、原子炉炉心９内の出力分布の正確な測定値である中性子束マップの発生に用いられる。しかしながら、上述したように、これらの検出器３７は限定的ベースで（例えば、起動時と、発電所運転時において周期的なインターバルで）使用される。従って、中性子束マッピング間における原子炉炉心９の出力分布を求めるには他の機構が必要である。

ＰＷＲ１は、炉心出力分布を継続的にモニターするために炉心モニターシステムまたはプロセッサ４３（図１に簡易表示）を使用する。ＰＷＲ１は、必要条件ではないが、炉心モニターシステム４３としてＢＥＡＣＯＮを用いるのが好ましい。炉心モニターシステム４３は１またはそれ以上のエンジニアリングワークステーション（図示せず）を含むことがある。ＢＥＡＣＯＮ４３は、発電所の計測システム（例えば、限定の意図なく、可動式炉内検出器システム３５）を原子炉炉心９の三次元モデルと共に用いて原子炉炉心９内の三次元出力分布測定値を継続的に提供する。以下に述べるように、ＢＥＡＣＯＮ三次元ノードモデルによる出力は、シングルポイント校正法を用いて炉外検出器３３を校正することにより、先に定義した異常炉心条件下を含む実際の状態につき更新される。

ＢＥＡＣＯＮ４３には、炉内検出器システム３５によらずに、また、中性子束マップの発生を必要とすることなく、ＢＥＡＣＯＮ４３によりモニターされる出力分布測定値を使用できるという利点がある。即ち、ＢＥＡＣＯＮによるモニタリングでは、炉外検出器３３を必ずしも校正する必要がないが、その理由は、ＢＥＡＣＯＮ４３が校正された信号ではなくて生の信号を用いる、より原始的な応答を使用するからである。従って、ＢＥＡＣＯＮ４３は校正済み炉外検出器信号から独立して機能できるが、その理由は、炉外検出器３３は炉心のアキシャルオフセットでなくて、炉心周囲出力を求めるために使用されるからである。換言すれば、ＢＥＡＣＯＮ４３を備えた発電所では、可動式炉内中性子束マップの唯一の本当の目的はＢＥＡＣＯＮ４３の校正にある。従って、ＢＥＡＣＯＮ４３は出力分布測定値を発生させるために用いる可動式炉内検出器システム３５の代替物となる。この出力分布測定値は、本発明によると、炉外出力検出器３３の校正方法の基準となる。

図２は図１のＰＷＲ１の一部の上部平面図であり、本発明の１つの非限定的実施例における、燃料集合体１７、制御棒１９（図１）の一部及び炉外検出器３３の位置を略示する。炉心位置５１、５３はそれぞれ、１つの炉心動作例に用いる全長制御棒位置である。残りの炉心位置５９は一般的な燃料集合体位置であり、その一部は他の制御アプリケーション用として確保される。図２の例の原子炉炉心９は同一サイズの４象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有し、炉心９の全体形状は上部平面斜視図から一般的に正方形またはダイアモンド状である。しかしながら、本発明の方法は、セグメントの他の任意の公知または適当な数及び／または形状（例えば、限定の意図なく、６セグメントまたは６象限）及び／または全体形状（例えば、限定の意図なく、ほぼ六角形）を有する炉心（図示せず）にも適用可能であることがわかるであろう。

燃料集合体は、一般的に、炉心９内に対称的なパートナーとして再装荷される。集合体の対称的なパートナーは一般的に４または８つの集合体より成るプループを形成し、それらは、前の燃料サイクルでは対称的な位置に装荷されていた。例えば、時として対称的なパートナーが損傷を受け、次の燃料サイクルでは再装荷されず、その代わりに使用済み燃料の在庫から別の集合体が装荷されることがある。しかしながら、図２の例では、燃料集合体５７の、例えば濃縮度及び中性子束被爆度（即ち、燃料度）は炉心９の各４象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで異なる。図２は炉心９が非対称性を有する１つの非限定的な例を示すにすぎないことがわかるであろう。かかる非対称性は先に定義した異常炉心状態の１つの非限定的例を表すものであり、本発明の方法が着目して解決できるものである。

運転時、例えば、そして限定の意図なく、容器３（図１）の周囲における、図２の炉外検出器４５、４７、４９、５０のような複数の対称的位置で、炉心９の推定軸方向出力分布がモニターされる。各炉外検出器３３は炉心９の隣接する４象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにそれぞれ対応する中性子束情報を提供する。この特定の実施例において、炉心９は炉心対角線上に位置する検出器３３により４象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに分割されるものとして示されているが、これら４象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは検出器３３を炉心平面上の０度、９０度、１８０度、２７０度の位置に配置することにより画定することもできることがわかる。また、本発明の方法は、２またはそれ以上の軸方向セグメントにより構成される炉外検出器チャンネルにも適用可能であることがわかる。

図示の実施例において、位置４５の検出器３３が検出する中性子束測定値は０度軸と２７０度軸が境界を形成する炉心のＢ象限で発生する出力を表すが、０度軸と２７０度軸は図２に示す平面図の水平面をそれぞれ二分するものであり、軸方向中性子束プロフィールが測定される炉心の垂直軸とは別である。同様に、図２において、Ａ象限の境界は９０度軸と０度軸であり、Ｃ象限の境界は２７０度軸と１８０度軸であり、Ｄ象限の境界は１８０度軸と９０度軸である。炉心９の構成要素（例えば、図１の燃料集合体１７及び制御棒１９）は、上述したように、例えば非対称的に配置されることがあるが、周辺の燃料集合体１７と、炉心９の各４象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの平均出力との間の関係は同一でない。

アキシャルオフセットは軸方向出力分布を測定するための有用なパラメータであり、以下のように定義される。
Ａｏ＝（Ｐｔ−Ｐｂ）／（Ｐｔ＋Ｐｂ）
上式において、
Ｐｔは炉心９の上半分で発生する出力部分、
Ｐｂは炉心９の下半分で発生する出力部分であり、
これらは一般的に、原子炉１の周囲に軸方向に整列させた炉外検出器３３により測定される。

炉心９が対称的でない場合、ＢＥＡＣＯＮ４３（図１）は、炉心セグメントに従属する（例えば、限定の意図なく、４象限従属、６象限従属）値の追加をサポートするために本発明に従って改造することができる。その後、それらの値を以下に述べる計算に従って使用することにより出力分布を正確に更新できる。

詳説すると、本発明によるシングルポイント計算は３つの計算を含む。第１の計算は、生の炉外検出器信号からのアキシャルオフセットと、各セグメントの、勾配定数により重み付けした炉心周囲アキシャルオフセットＡＯｐｐとの間の関係を確立する。これらは「結合係数」と呼ばれ、下記の方程式（１）のＡ１、Ａ２で示す。第２の計算は炉心平均アキシャルオフセットＡＯと、重み付けした炉心周囲アキシャルセットＡＯｐｐとの間の関係を確立する。第３の計算は単一測定の値を調整して、炉外校正定数と設定点Ｋ、Ｋｏを与える。

さらに詳細には、第１の計算（１）により決まる結合係数Ａ１、Ａ２は軸方向キセノン振動時の処理済み中性子束マップの結果を用いることにより状態ポイントの初期実行時に導出される。本発明による将来のシングルポイント解析では、同じ係数を用いることができる。結合係数Ａ１、Ａ２は以下の式により定義される。
（１）Ｉｎ＝Ａ１*ＡＯｐｐ＋Ａ２
上式において、
Ｉｎは規準化電流、
ＡＯｐｐは重み付けした炉心周囲アキシャルオフセット、
Ａ１、Ａ２は結合係数である。
方程式（１）の各項は検出器に依存する。即ち、４チャンネルの典型的な原子炉では、Ｉｎ、Ａ１、Ａ２はチャンネルによる、また、炉心９の上部及び下部による指標を付される。ＡＯｐｐ値は特定のチャンネルの上部及び下部の両方の値である。従って、４象限の構成（例えば、象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）では、８つの異なる方程式が存在する。

炉心平均アキシャルオフセットＡＯと、重み付けした炉心周囲アキシャルオフセットＡＯｐｐとの間の関係を与える第２の計算（以下の方程式（２）を参照）は、好ましくは、一連の制御棒操作及び／または校正の所要燃焼度における中性子工学モデルを用いた一連のキセノン振動計算により決定される。ノード校正係数はこれらの計算の結果に適用される。他の利点として、この計算は公知のマルチポイント校正法で必要であった、軸方向キセノン振動時における多数の中性子マッピングの実行を不要にする。棒の操作及びキセノン振動を用いて設計計算（上の方程式（１）を参照）のアキシャルオフセットを変化させ、勾配定数Ｋの値を以下の式に従い各タイプのイベントにつき決定する。
（２）ＡＯｐｐ＝Ｋ*ＡＯ−Ｋｏ
上式において、
ＡＯｐｐは重み付けした炉心周囲アキシャルオフセット
ＡＯは炉心平均アキシャルオフセット、
Ｋは炉心平均アキシャルオフセットを炉心周囲アキシャルオフセットに変換するための勾配定数、
Ｋｏは炉心平均アキシャルオフセットを周囲オフセットに変換するためのオフセット定数である。
方程式（２）において、各チャンネルにつき１つの方程式が存在する。従って、式（１）に関連して述べた同じ４チャンネルの例では、４つの象限（例えば、象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）構成に４つの方程式が存在する。ＫとＫｏは「設計定数」と総称される。ＡＯｐｐ、Ｋ、Ｋｏはチャンネルより異なるが、ＡＯは炉心９の値である。

第３の計算は最初の２つの計算結果を結合し、真の測定値が知られているシングルポイントを提供することによって、炉心平均アキシャルオフセットＡＯと重み付けした炉心周囲アキシャルセットＡＯｐｐとの間の関係を炉外検出器応答に結びつける。これにより、重み付けした炉心周囲アキシャルオフセットと、炉心平均アキシャルオフセットとの間の関係式の定数値Ｋｏと規準化することができる。従って、他の利点として、本発明の方法は炉心９の各セグメント（例えば、限定の意図なく、４象限、６象限）の定数Ｋ、Ｋｏを与える。これは、炉心９につきただ一組の定数を与える公知の方法からの有意な進歩である。このように、本発明は炉心９の各セグメント（例えば、図２の象限Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が異なる挙動をするという事実に着目する。

上記に鑑みて、本発明の方法は従来式シングルポイント解析に以前より存在していた問題点を、その解析に用いる予測モデルの置換シミュレーション振動の精度を改善して解析結果を向上させることにより克服することがわかるであろう。特に、ＢＥＡＣＯＮ４３は、本発明の方法に従って使用すると炉心周囲及び炉心平均アキシャルオフセットの関係式（上の第２の方程式（２）を参照）の計算における上述した問題点を解消できる情報を含む。詳説すると、ＢＥＡＣＯＮ４３内で中性子束マップを処理させると、ＢＥＡＣＯＮ４３はノード校正係数と呼ぶものを発生させる。炉心９の各中性子工学ノードに関連するノード校正係数は三次元炉心出力分布の測定値と予測値との間の関係を反映する。

ノード校正係数は２つの異なるアプローチを用いるシングルポイント法に適用可能である。第１のアプローチは、完全なキセノン振動及び／または棒操作を実行した後、ノード校正係数をそれらの計算より得られた出力分布に適用する。これにより、出力分布の測定値と予測値が異なる時、シングルポイント校正による結果が大きく改善される。第２のアプローチは、キセノン振動及び／または棒操作を行ない、それと同時に、ノード校正係数を計算の各時間ステップに適用することである。このように、ノード校正係数を出力及び中性子束分布に適用する。その後、補正した中性子束を用いて次の時間ステップにおいてキセノンとヨウ素を減らす。このアプローチは振動時のキセノンの変動に対する不正確に予測された出力の二次的影響を補正する。その後、これらの補正結果による出力分布を上の方程式（２）のＫ及びＫｏの計算に使用することができる。

要約すると、本発明の方法は、たとえ異常炉心条件の下でも、ＢＥＡＣＯＮの三次元解析ノードモデル法による出力を正確に更新するためのノード校正係数を決定する。可動式炉内検出器システム３５（図１）が存在する例において、ＢＥＡＣＯＮ４３は、他の信号に加えて、熱電対３１（図１）からの応答及び炉外検出器３３からの信号を利用する。固定式炉内検出器（図示せず）が存在する例では、ＢＥＡＣＯＮ４３はモニタープロセスに入力するために熱電対（例えば、図１の熱電対３１）の信号または炉心外信号を利用しない。これらの信号代わりに、固定式炉内検出器信号を用いる。可動式炉内検出器システム３５か固定式炉内検出器システム（図示せず）を用いる何れの場合でも、モニタリングプロセスはモニターしたあるいは測定した（例えば、基準となる）三次元出力分布を発生する。中性子束マップがない場合、炉外検出器３３の校正に必要とされるのはこの測定した出力分布であり、本発明のシングルポイント法に従って振動シミュレーションの予測モデル（例えば、計算）に適用されるノード校正係数を確立するのはこのモニタリングプロセスである。

詳説すると、ノード校正係数は以下の式に従って決定される。
（３）Ｃ（ｉ,ｊ,ｋ）＝Ｐ^M（ｉ,ｊ,ｋ）／Ｐ^P（ｉ,ｊ,ｋ）
上式において、
Ｃはノード校正係数、
Ｐ^Mは出力測定値、
Ｐ^Pは出力予測値、
ｉ、ｊ、ｋは原子炉炉心内の空間座標を表す。

図１に示すような可動式炉内検出器システム３５を備えた炉心９のノード校正係数Ｃは、図３のフローチャートに略示するように、実際の中性子束マップが処理される時においてのみ発生される。換言すれば、ＢＥＡＣＯＮ４３を再校正するという決定がなされるまで、同じノード校正係数（例えば、校正ファイル６３）を使用する。詳説すると、炉心内中性子束マップ処理４３の間、処理済みデータ６１の対話式解析を行うことにより中性子束マップを解析し評価することができる。図３に略示するこの対話式解析には、炉内検出器システム３５（図１）からの炉内計測信号（図３において、中性子束トレース情報６９と総称する）の収集と、原子力データ６１（例えば、限定の意図なく、炉心出力レベル、圧力、熱電対、炉外検出器）の収集が含まれる。炉心の現在の状態を表すこのデータ６１、６９及び中性子工学モデル定数６５を用いて、ＢＥＡＣＯＮ４３は中性子束マップの正確な状態での解析的予測中性子束反応速度を発生する。反応速度の測定値に対するＢＥＡＣＯＮにより計算される反応速度の比率がモデルの精度である。測定出力分布７１の推測値は回帰分析と表面スプライン近似を組み合わせることで得られる。ＢＥＡＣＯＮ４３による中性子束マップ処理の間、ノード校正因子６３は測定出力分布７１の推測値７１と出力分布予測値７５の比率を用いて得られる（図４）。必要あるいは所望であれば、ＢＥＡＣＯＮ４３も、例えば本願の出願人に譲渡された米国特許第６，４９３，４１２号に開示されるように、熱電対の読みを炉内出力分布測定値に対して校正する混合係数を計算することができる。中性子束トレース情報６９（図３）を処理するにあたり、ＢＥＡＣＯＮ４３は、例えば、そして限定の意図なく、トレースの比較、トレースグリッドの視覚による整列、検出器ドリフトの解析、対称的なトレースの比較及び反応速度の測定値と予測値の差の計算を許容する。

固定式炉内検出器（図示せず）を備えた炉心（図示せず）の１組のノード校正係数Ｃを任意の時点で求めることができるが、その理由は、信号が固定式炉内検出器（図示せず）から継続的に提供されるからである。何れの場合でも、ノード校正係数Ｃは、上の方程式（３）に示すように、各ノードの出力予測値Ｐ^Pに対する各ノードの出力測定値Ｐ^Mの比率である。

図４は、原子炉１（図１）の通常運転時におけるデータの流れを示す。炉心モニターシステム４３（図１、図４のＢＥＡＣＯＮも参照）において作動される更新バックグラウンドプロセス７３は中性子工学モデル定数６５により表される解析的ノードモデルを実行する。更新プロセス７３は、原子炉計測系（例えば、限定の意図なく、熱電対、炉内検出器、炉外検出器）から原子力データ６１にアクセスする。更新プロセス７３は解析的ノードモデルから各燃料集合体１７（図１及び２）の予測出力を求める。原子力データファイル６１は、例えば、そして限定の意図なく、入口熱電対温度、出口熱電対温度、炉心出力レベル、制御棒位置、炉外検出器信号及び圧力を含む。このデータ６１の少なくとも一部は、例えば、発電所の初期の出力上昇中定期的に収集され、一方、他のデータ６１は炉心９（図１及び２）の動作全体を通して継続的に収集され更新される。校正ファイル６３は、上述した熱電対混合係数の関数及び炉外検出器校正係数だけでなくノード校正係数、標準偏差関数係数、校正の日時及び他の校正パラメータのようなものを含む。更新プロセス７３は、出力分布予測値をノード校正係数６３と結合して予想される三次元（３Ｄ）出力分布７５を発生させる。ＢＥＡＣＯＮモニタープロセス７７は予想されるこの出力分布７５を、炉外検出器信号を含む最も最近の原子力データ６１と共に用いて測定出力分布情報７１′を発生させる。ＢＥＡＣＯＮにより提供するのが好ましい測定出力分布情報７１′は、図３に関連して上述した中性子束マッププロセスにより発生される測定出力分布７１と実質的に等価である。炉外検出器を校正するために、これら測定中の出力分布を中性子束マップの代わりに用いることが可能である。

初期の出力上昇時（例えば、限定の意図なく、３０％、５０％、７５％、１００％出力）及び／または通常運転時に定期的に、図３に略示したように中性子束マップ測定が行われ、図５に示すように完全な炉外検出器の校正が行われる。ＢＥＡＣＯＮ４３（図１と図３、図４も参照）のフォアグラウンドプロセスは、校正ファイル６３の校正情報（例えば、限定の意図なく、ノード校正係数）を発生させるために使用されるインターフェイスである。詳説すると、このフェイズに必要なデータは上述したシングルポイント校正のための計算から収集される情報であり、これを用いて各炉外検出器３３（図１及び２）の炉外検出器校正係数６３を発生させる。これらは、選択された近似関数にはめ込まれ、中性子束マップファイル６９（図３）に蓄積された中性子束マップデータを用いて調整された校正係数６３である。本発明の方法がユニークなのは、上述したように、校正時に中性子束マップファイル６９の処理済みデータが対話式に解析され、中性子束マップの評価が行なわれることである。このプロセスには上述したアキシャルオフセット計算が含まれる。中性子束マップファイル６９からのデータがＢＥＡＣＯＮ４３（図１、図３、図４も参照）内で処理されると、ＢＥＡＣＯＮ４は上述したノード校正係数Ｃ（上の方程式（３）を参照）を発生する。前述したように、これらのノード校正係数Ｃは測定した出力分布７１と予測した出力分布７５の関係を表す。

図５に示すように、シングルポイント校正を行なうプロセスは、予測した適当なキセノン及び棒操作の計算８１を行うために中性子工学モデル定数６５を用いる解析的ノードモデルに係る。次に、ステップ８３において、棒操作により得られる三次元（３Ｄ）出力分布がノード校正係数６３により校正されるが、これらのノード校正係数６３は、図３に示すように、発生され、図４に示すように、ＢＥＡＣＯＮにおいて測定値補正のために使用されたものである。一旦補正されると、設計定数Ｋ、Ｋｏ（上の式（２）を参照）をステップ８５で発生することができる。ステップ８７の結合係数Ａ１、Ａ２（上述した方程式（１）を参照）はその後、ステップ８９において、ステップ８５からの設計定数Ｋ、Ｋｏと結合され、単一の中性子束マップ７１（図３）またはＢＥＡＣＯＮモニタープロセス７１´（図４）により発生される測定データに対して規準化される。従って、シングルポイントで校正した測定値が得られる。換言すれば、上述したように、炉内中性子束トレース７１（図３）の処理による測定出力分布情報をＢＥＡＣＯＮでのモニタリング７１´（図４）による測定出力分布データにより適切に置換できるということが分かる。

従って、本発明の方法は、好ましくは、（必要条件ではないが）、ＢＥＡＣＯＮ４３（図１、３、４も参照）を用いる最新型中性子束マップ処理能力を提供する。詳説すると、本発明の方法は、ＢＥＡＣＯＮの一部であるノード校正係数Ｃ（上の方程式（３）を参照）を利用して公知のシングルポイント校正方法にある問題点を解消するものである。他の利点として、この改良により炉心周囲と炉心平均アキシャルオフセットの関係式の精度が向上し、それと共に原子炉炉心９の種々のセグメント（例えば、限定の意図なく、４象限、６象限）における出力とアキシャルオフセットの差が許容される。本発明の炉外校正法はまた、校正に必要な時間と関連コストを有意に減少させる。また、炉内中性子束マップシステム３５（図１）の摩耗やほころびを減らし、水処理を減少させ、サイトの人員の作業を削減し、寿命の終わり近くに原子炉に望ましくないトリプルが起こる可能性を減少させるというような利点も提供する。従って、異常炉心条件下で炉心の出力分布を正確にモデル化できるだけでなくコストが実質的に削減される。

本発明を特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者にとっては本明細書の記載全体に鑑みてそれらの実施例に対する種々の変形例及び設計変更を想到できることがわかるであろう。従って、図示説明した特定の構成は例示的に過ぎず、本発明の範囲を限定するものでなく、本発明の範囲は後記の特許請求の範囲及びその任意且つ全ての均等物の全幅を与えられるべきである。

Claims

加圧水型原子炉（１）の炉心（９）の出力分布をモニターする方法であって、
ＢＥＡＣＯＮシステム（ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシー社提供。ＢＥＡＣＯＮは同社の米国等における登録商標または商標）より成る、加圧水型原子炉の三次元出力分布を求めるための炉心モニターシステム（４３）を用意し、
複数の炉外検出器（３３）を用意し、
可動式または固定式炉内検出器により単一の中性子束マップ（６９）を作成してノード校正係数（６３）と、現在の炉外検出器（３３）の応答及び測定した周囲アキシャルオフセットの基準ポイントを発生させ、ノード校正係数（６３）は中性子束マップ（６９）からの測定した三次元出力分布（７１、７１′）を同じ炉心条件における予測出力分布（７５）で割算することにより発生させ、
アキシャルオフセットを変化させるための（ａ）制御棒操作及び（ｂ）キセノン振動のうちの少なくとも一方を含む、軸方向の出力振動をシミュレーションするための計算を行い（８１）、
その結果得られた三次元出力分布の計算値にノード校正係数（６３）を乗算することにより予測結果を予想される測定結果に対して補正し、
その結果を用いて炉心周囲アキシャルオフセットと炉心アキシャルオフセットの間の関係式及び炉心周囲アキシャルオフセットと炉外検出器応答の間の関係式を作成させるステップより成り、
前記得られた三次元出力分布の計算値にノード校正係数（６３）を乗算することにより炉心平均アキシャルオフセットに対する炉外検出器の応答が校正される、加圧水型原子炉の炉心の出力分布モニター方法。
以下の式に従って、ノード校正係数（６３）を求めるステップをさらに含む請求項１の方法：
Ｃ（ｉ,ｊ,ｋ）＝Ｐ^M（ｉ,ｊ,ｋ）／Ｐ^P（ｉ,ｊ,ｋ）
上式において、
Ｃはノード校正係数、
Ｐ^Mは出力測定値、
Ｐ^Pは出力予測値である。
炉心モニターシステム（４３）を用いて炉心（９）の出力分布をモニターし（７７）、
炉心モニターシステム（４３）により測定した出力分布と組み合わせてシングルポイント校正法を使用することにより校正係数（６３）を発生させ、
校正係数（６３）を適用して（８３）、炉心（９）の出力及び軸方向出力分布を測定するステップをさらに含む請求項１の方法。
炉心（９）が中心線、周囲部、中心線と周囲部の間において中心線の周りに延びる同一サイズの複数のセグメント（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を有し、
炉心（９）が中心線の周りで非対称である状態に適応させるために炉心モニターシステム（４３）を更新するステップをさらに含む請求項１の方法。
炉心（９）の各セグメント（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は複数の燃料集合体（１７）を含み、
燃料集合体（１７）が炉心（９）の各セグメント（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に同じように装荷されていない状態に適応させるために炉心モニターシステム（４３）を更新するステップをさらに含む請求項４の方法。
炉心（９）の現在のサイクルの間にその原子力データ（６１）を発生するステップをさらに含む請求項１の方法。
炉心（９）の寿命初期の出力上昇時において炉外検出器（３３）の前記校正を行なうステップをさらに含む請求項１の方法。
炉心（９）を全出力で運転しながら炉外検出器（３３）の前記校正を行なうステップをさらに含む請求項１の方法。
炉外検出器の中性子束信号からのアキシャルオフセットと各セグメントの炉心周囲アキシャルオフセットの間の第１の関係式を発生させるための第１の計算を実行し、
第１の計算の実行に応答して第１の関係式を示す結合係数（８７）を発生させ、
炉心平均アキシャルオフセットと各セグメントの炉心周囲アキシャルオフセットの間の第２の関係式を発生させるための第２の計算を実行し、
第１の関係式と第２の関係式を組み合わせるための第３の計算を実行するステップをさらに含む請求項１の方法。
下式に従って結合係数（８７）を計算するステップをさらに含む請求項９の方法：
Ｉｎ＝Ａ１*Ａｏｐｐ＋Ａ２
上式において、
Ｉｎは規準化電流、
Ａｏｐｐは各セグメントの炉心周囲アキシャルオフセット、
Ａ１、Ａ２は結合係数（８７）である。
（ａ）制御棒操作と（ｂ）キセノン振動計算のうちの少なくとも一方を実行するステップ（８１）を含む第２の計算を実行することにより多数の設計定数を計算する（８５）ステップをさらに含む請求項９の方法。
制御棒操作及びキセノン振動の計算を使用（８１）して第１の計算におけるアキシャルオフセットを変化させ、
下式に従って、勾配定数（Ｋ）を求めるステップをさらに含むステップを含む請求項１１の方法：
Ａｏｐｐ＝Ｋ*Ａｏ−Ｋｏ
上式において、
Ａｏｐｐは各セグメントの炉心周囲アキシャルセット、
Ａｏは炉心平均アキシャルオフセット、
Ｋは炉心平均アキシャルオフセットを炉心周囲アキシャルオフセットに変換するための勾配定数、
Ｋｏは炉心平均アキシャルオフセットを炉心周囲アキシャルオフセットに変換するためのオフセット定数である。
炉心（９）が中心線、周囲部、中心線と周囲部の間において中心線の周りに延びる同一サイズの複数のセグメント（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を有し、
炉心（９）が中心線に関して非対称的に装荷されると、それに応答して炉心（９）の周囲部の燃料集合体（１７）と炉心（９）の平均出力の間の関係が炉心（９）のセグメント（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で異なるようになり、
セグメントに依存する値を第３の計算に入力するステップをさらに含む請求項９の方法。
キセノン振動を実行して（８１）その結果となる出力分布を発生させ、
中性子束信号を処理するために、キセノン振動の完了に続いて、校正係数をその結果となる出力分布に適用（８３）するステップをさらに含む請求項９の方法。
複数の所定の時間インターバルにおいてキセノン振動を実行し（８１）、
校正係数をキセノン振動時の各時間インターバルに増分的に適用（８３）して補正した中性子束マップを発生させるステップをさらに含む請求項９の方法。
制御棒挿入操作を実行（８１）してその結果となる出力分布を発生させ、
中性子束信号を処理するために、制御棒挿入操作の完了に続いて、ノード校正係数をその結果となる出力分布に適用（８３）するステップをさらに含む請求項９の方法。
複数の所定の時間インターバルにおいて制御棒挿入操作を実行し（８１）、
制御棒挿入操作時の各時間インターバルにノード校正係数を増分的に適用（８３）してその結果となる出力分布を発生させるステップをさらに含む請求項９の方法。
炉心モニターシステム（４３）は可動式炉内検出器システム（３５）及び固定式炉内検出器システムのうちの一方を有する請求項１の方法。
可動式炉内検出器による中性子束マップ（６９）及び炉心モニターシステム（４３）からの測定した出力分布（７１）のうちの一方を用いて炉外検出器定数を規準化するステップをさらに含む請求項１１の方法。