JP6076359B2

JP6076359B2 - 軸方向出力分布の自動制御方法

Info

Publication number: JP6076359B2
Application number: JP2014537117A
Authority: JP
Inventors: ドルディ、キース、ジェイ; ミューラー、ノーマン、ピー; リクター、エリア、エイ
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: US20130101077A1; EP2771886A4; CN103858174B; EP2771886A2; EP2771886B1; US8699653B2; KR20140088880A; KR102029512B1; JP2014534431A; WO2013103421A2; ES2606155T3; WO2013103421A3; CN103858174A

Description

本発明は加圧水型原子炉の運転方法に係り、具体的にはかかる原子炉の冷却材平均温度及び軸方向出力分布の自動制御方法に係る。

加圧水により冷却される原子力発電システムの一次側は、有用なエネルギーを発生するために二次回路と熱交換関係にあるがそれから隔離された閉回路を形成する。一次側は、核分裂物質を含む複数の燃料集合体を支持する炉心内部構造を取り囲む原子炉容器と、熱交換蒸気発生器の内部の一次回路と、加圧器、ポンプ及び加圧水を循環させるための配管類の内部空間と、蒸気発生器及びポンプをそれぞれ別個に原子炉容器に接続する配管類とより成る。蒸気発生器、ポンプ及び原子炉容器に接続された配管類より成る一次側の各部品は一次側ループを形成する。

説明目的のために、図１は、ほぼ円筒形の原子炉圧力容器１０と、蓋ヘッド１２とが炉心１４を密封する原子炉一次系を単純化したものである。水またはホウ酸水のような液体の原子炉冷却材は、ポンプ１６により圧力容器１０内に圧入され、炉心１４を通過する際熱エネルギーを吸収して、一般的に蒸気発生器と呼ばれる熱交換器１８へ送られ、伝達された熱は蒸気駆動タービン発電機のような利用回路（図示せず）へ送られる。原子炉冷却材はその後、ポンプ１６へ戻ることにより一次側ループが完成する。一般的に、上述したような複数のループが原子炉冷却材の配管２０により単一の原子炉容器１０に接続されている。

図２は、原子炉の一設計例をさらに詳細に示すものである。説明の目的で、垂直方向に平行に延びる複数の燃料集合体２２より成る炉心１４に加えて、容器内の他の内部構造は下方の内部構造２４と、上方の内部構造２６とに分けることができる。従来設計では、下方の内部構造の機能は容器内において流れを所定の方向に向けるだけでなく炉心コンポーネント及び計測手段を支持し、整列させ且つ案内することである。上方の内部構造は燃料集合体２２（図２には簡略化のため２個だけ示す）を拘束し、または二次的に拘束し、計測手段及び制御棒２８のようなコンポーネントを支持し、案内する。図２に示す原子炉の一例において、冷却材は１またはそれ以上の入口ノズル３０から原子炉容器１０に流入した後、原子炉容器と炉心槽３２との間の環状空間を下降し、下部プレナム３４で１８０°方向転換した後、下部支持板３７と、燃料集合体２２が載置された下部炉心板３６とを通り、燃料集合体の周りを上方に流れる。一部の設計では、下部支持板３７と下部炉心板３６は３７と同じ高さの単一構造である下部炉心支持板に置き換えられる。炉心と、その周辺領域３８を流れる冷却材の流量は通常、毎秒約２０フィートの流速で毎分４００，０００ガロンのオーダーの大きなものである。その結果圧力降下及び摩擦力が生じ、燃料集合体を上昇させようとするが、この動きは円形の上部炉心板４０を含む上方の内部構造により制限される。炉心１４を出た冷却材は上部炉心板４０の下側に沿い且つ複数の開口４２を上方に流れる。冷却材はその後、上方及び半径方向に流れて１またはそれ以上の冷却材ノズル４４へ到達する。

上方の内部構造２６は容器または容器ヘッドにより支持することが可能であり、上部支持集合体４６を含む。荷重は主として複数の支柱４８により上部支持集合体４６と、上部炉心板との間を伝達される。支柱は所定の燃料集合体２２と上部炉心板４０の開口４２の上方で整列関係にある。

直線方向に移動可能な制御棒２８は、一般的に、駆動シャフト５０及び中性子毒物棒のスパイダ集合体５２を含むが、これらは制御棒案内管５４により上方の内部構造２６を介して、整列関係にある燃料集合体２２内に案内される。案内管は上部支持集合体４６及び上部炉心板４０の頂部に固定されている。支柱４８の配列が、制御棒挿入能力に悪影響を与えかねない事故状態下での案内管の変形の抑制に寄与する。

図３は、参照数字２２で総括表示する燃料集合体を垂直方向において短縮した形で示す立面図である。燃料集合体２２は加圧水型原子炉に用いるタイプであり、下端部に下部ノズル５８を備えた構造躯体を有する。下部ノズル５８は原子炉の炉心領域の下部炉心板３６上に燃料集合体２２を支持する。燃料集合体２２の構造躯体は、下部ノズル５８に加えて、上端部の上部ノズル６２と、上方の内部構造の案内管５４と整列している多数の案内管またはシンブル８４とを有する。案内管またはシンブル８４は下部ノズル５８と、上部ノズル６２との間を縦方向に延び、両端部はそれらのノズルに剛性的に固着されている。

燃料集合体２２はさらに、案内シンブル８４に沿う軸方向離隔位置に取り付けられた複数の横方向グリッド６４と、グリッド６４により横方向に離隔して支持された細長い燃料棒６６の整列アレイとを有する。図３に示す燃料集合体２２はまた、中心部を下部ノズル５８と上部ノズル６２との間で延びてそれらにより捕捉される計測管６８を有する。部品のかかる配置構成により、燃料集合体２２は部品の全体構成を壊すことなく容易に取り扱うことができる一体的なユニットを形成する。

上述したように、燃料集合体２２のアレイ状の燃料棒６６は燃料集合体の長さ方向に離隔したグリッド６４により互いに離隔した関係に保持される。各燃料棒６６は複数の原子燃料ペレット７０を有し、両端部は上部端栓７２及び下部端栓７４により閉じられている。ペレット７０は上部端栓７２と、積み重ねたペレットの上部との間に位置するプレナムばね７６により積み重ねた形で維持される。核分裂性物質より成る燃料ペレット７０は原子炉の核反応を発生させる元である。ペレットを取り囲む被覆は、核分裂生成物が冷却材に流入して原子炉系を汚染するのを防ぐ障壁の役目を果たす。

核分裂プロセスを制御するために、多数の制御棒７８は燃料集合体２２の所定位置にある案内シンブル８４内を往復移動可能である。上部ノズル６２の上方に位置する棒クラスタ制御機構８０は複数の制御棒７８を支持する。この制御機構は、内部にねじ溝がある円筒状のハブ部材８２から複数のアーム５２が放射状に延びる、図２に関して前述したスパイダの形をしたものである。各アーム５２は制御棒７８に相互接続されており、このため、制御棒機構８０は、全て公知の態様で、制御棒ハブ８０に結合された制御棒駆動シャフト５０の駆動力により、制御棒７８を案内シンブル５４内で垂直方向に移動させて、燃料集合体２２内の核分裂プロセスを制御する。

ペンシルベニア州クランベリー郡に所在のウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニーＬＬＣが提供する設計のＡＰ１０００型原子力発電所のような新型原子炉では、２つの異なるタイプの制御棒、すなわち、従来型の制御棒（ブラック制御棒）とグレイ制御棒とを用いる。後者の制御棒は反応度価値が減じられている。言い換えると単位面積当りの中性子吸収が従来型制御棒よりも少ない。グレイ制御棒は、軸方向オフセットが一定の目標値となるように制御するＭＳＨＩＭ運転制御方法を実施するために使用される。ＭＳＨＩＭという用語は、反応度を微調節するために、現在運転中の多数の商用原子炉で用いられる化学的シム、すなわち、可溶性ホウ素濃度を変化させるのではなく、グレイ制御棒バンクを「機械的シム」として使用するという事実に由来する。ＭＳＨＩＭ方法では独立して制御される２つの制御棒グループを使用して、広範囲の運転シナリオにわたって炉心反応度と軸方向出力分布の両方の微調節を行う。

ＡＰ１０００型原子炉の設計においては、ＭＳＨＩＭ運転制御方法がデジタル式棒制御システムにより実施されるが、このシステムは、すべてが定義された重なり態様で動く、グレイ制御棒４バンクと従来型制御棒２バンクを用いて炉心反応度（原子炉冷却材系の温度）を自動的に制御する。また、軸方向出力分布（すなわち、炉心軸方向フラックス差としても知られている軸方向オフセット）の制御は、従来型制御棒から成る単一の重いバンクを反応度制御バンクから独立して動かすことにより自動的に行われる。原子炉冷却材中の化学的シムの濃度の変更は、一般に、所与の燃料サイクルの間の燃料及び／又は可燃性吸収材の減損を直接補償するのに必要な程度に制限される。

ＭＳＨＩＭ運転制御方法の実施を管理するデジタル式棒制御システムの基本的な特徴は、２つの別個の棒コントローラを使用して、原子炉温度及び炉心出力分布をそれぞれ予め選択された帯域内に独立して維持することである。運転シナリオの予想範囲にわたって安定して原子炉を制御するために、２つの棒コントローラは特定の局面では相互に依存する。例えば、両方のコントローラが棒の移動が要求されると判断するシナリオでは、２つの棒コントローラに対する優先順位付けが行われる。このような場合には、指定された帯域への炉心出力（炉心平均温度）の維持を管理するコントローラが優先される。しかしながら、この方針から逸脱することにより炉心運転をさらに改善し得る特定の状況があることが、本願発明者によって認識されている。

したがって、後述する本発明の実施形態の目的は、炉心安定性及び燃料性能をさらに向上させる新たな運転方法を提供することである。

上記及び他の目的は、本発明に係る、複数の燃料集合体から成る炉心と、主として炉心中の選択された燃料集合体に出し入れすることにより軸方向フラックス差を調節して軸方向フラックス差を第１の目標帯域内に実質的に維持または戻す複数の制御棒を具備し、当該複数の制御棒はすべてブラック制御棒である第１のバンクを有する加圧水型原子炉の運転方法により達成される。加圧水型原子炉はさらに、主として炉心中の選択された別の燃料集合体に出し入れすることにより炉心の平均温度を調節して平均温度を第２の目標帯域内に実質的に維持または戻す複数の制御棒を具備し、当該複数の制御棒の少なくとも一部はグレイ制御棒である第２のバンクを有する。制御棒の第１のバンクと制御棒の第２のバンクとは、第１のバンクの制御棒と第２のバンクの制御棒とが一緒に移動しないように作動される。当該方法によれば、第１のバンクの制御棒と第２のバンクの制御棒との異なる方向への移動を要求する信号を同時に受信した場合、第２のバンクの制御棒の移動を優先させる。当該方法はさらに、第１のバンクの制御棒と第２のバンクの制御棒との同じ方向への移動を要求する信号を同時に受信した場合、第１のバンクの制御棒の移動を優先させる。一実施形態では、第１のバンクの制御棒が移動中に、その移動方向とは異なる方向への第２のバンクの制御棒の移動を指示する信号を受信した場合、第１のバンクの制御棒の移動を停止させ、代わって第２のバンクの制御棒を指示された通りに移動させる。

本発明のさらなる理解は、添付の図面と併せて以下の好ましい実施形態の説明を読むことにより得ることができる。

本発明の実施形態を適用可能な原子炉システムの単純化した概略図である。

本発明の実施形態を適用可能な原子炉容器及び内部コンポーネントを示す部分断面立面図である。

図示を明瞭にするために垂直方向に短縮し一部を破断した燃料集合体の部分断面立面図である。

本発明の実施形態で使用される種々の制御棒バンクを示す炉心マップである。

標準的なＡＰ１０００型Ｍバンク及びＡＯバンク制御方法を用いた場合の、出力を１００％から７５％に階段状に低下させることによる出力率への影響を示すグラフである。同じく温度への影響を示すグラフである。同じくＡＦＤへの影響を示すグラフである。同じく制御棒の動きへの影響を示すグラフである。

Ｍバンクを炉心に挿入した際のＡＦＤの変動を示すグラフである。

本明細書に記載の制御方法を実施する論理ゲートの構成を示す論理フローチャートの概略図である。

図５Ａに示したものに対応するが、本明細書に記載の制御方法の適用結果である炉心パラメータの変化を示すグラフである。図５Ｂに示したものに対応するが、本明細書に記載の制御方法の適用結果である炉心パラメータの変化を示すグラフである。図５Ｃに示したものに対応するが、本明細書に記載の制御方法の適用結果である炉心パラメータの変化を示すグラフである。図５Ｄに示したものに対応するが、本明細書に記載の制御方法の適用結果である炉心パラメータの変化を示すグラフである。

ＡＰ１０００型設計を採用する原子炉の制御には２つの態様がある。Ｍ制御バンク（ＭＡ、ＭＢ、ＭＣ、ＭＤ、Ｍ１及びＭ２）は、自動的に原子炉冷却材の平均温度（Ｔ_ａｖｇ）を調節し、棒のＡＯバンクは自動的に炉心の軸方向フラックス差（ＡＦＤ）を調節する。図４は各制御棒バンクの場所を示す炉心マップであり、表１は各バンクによって使用される棒の種類、各バンク内のクラスタの数とその機能を特定する。

Ｔ_ａｖｇコントローラは、出力操作時にＭバンクを炉心に出し入れして冷却材の温度を調節することにより、その温度をタービン負荷の関数であるプログラムされた値の上下＋／−１．５°Ｆの不感帯域に戻す。同様に、ＡＦＤコントローラは、軸方向炉心出力分布を調節して目標値の上下＋／−１％の不感帯域に戻す。ＡＰ１０００型原子炉設計のための安全性解析では、Ｔ_ａｖｇ制御をＡＦＤ制御よりも優先させる必要があると仮定している。その結果、出力操作時には、Ｍバンクが最初に移動してＴ_ａｖｇを調節する。Ｍバンクが移動するにつれて、ＡＦＤが変化する。冷却材の温度が＋／−１．５°Ｆの制御不感帯域に達すると、Ｍバンクが停止し、ＡＯバンクがＡＦＤの調節を開始する。ＡＯバンクはＡＦＤがその目標不感帯内に入るまで移動するが、ＡＯバンクの移動によって冷却材温度が制御不感帯域を超えることがある。これが起こると、ＡＯバンクが停止し、Ｍバンクが再び移動して冷却材温度を補正する。これが完了すると、ＡＯバンクが再び移動してＡＦＤの補正を再開する。

図５は図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄのグラフを含むが、典型的な過渡運転時のＡＦＤ、Ｔ_ａｖｇ、Ｍバンク及びＡＯバンクの変化を示している。Ｍバンクが優先されるので、Ｔ_ａｖｇの過渡変化は十分に抑えられる。過渡変化の終わり近くでＡＯバンクによる補正を行うと、ＡＦＤはその目標の１％の範囲内に戻る。この例では、ＡＦＤのその制御帯域からの最大偏差は８％である。より過酷な過度変化またはオフノーマル条件下では、ＡＦＤの偏差がピーキング係数またはペレット被覆相互作用の制限値（事前の計算では２０−３０％もの大きな値になる）を超える程の大きさになる惧れがある。

ＭＳＨＩＭ運転制御方法のより詳細な理解は、２００９年７月１２−１６日にベルギーのブリュッセルで開かれた第１７回国際原子力工学会議の予稿集に掲載された、"ROBUSTNESS OF THE MSHIM OPERATION ANDCONTROL STRATEGY IN THE AP 1000 DESIGN"と題する論文（論文番号ICONE17-75314）から得ることができる。

本願発明者は、発電所の過度運転時にＡＯバンクによるＡＦＤ調節を許容すると、原子炉冷却材平均温度が不感帯域を外れていても、ＡＦＤ偏差を減少させることを認識したが、一見しただけでは、ＡＰ１０００安全性解析によりＴ_ａｖｇ制御を優先させる要件があるため、そのような運転はあり得ないように思われる。しかしながら、Ｍバンク及びＡＯバンクの応答特性を精密に調べた結果、任意の出力変化の大部分にわたって、ＡＦＤ補正を行う機会があることがわかった。詳細には：
１．ＡＯバンクまたはＭバンクのいずれかを炉心に挿入すればするほど、Ｔ_ａｖｇが低下し、炉心から引き抜こうとすればするほど、Ｔ_ａｖｇが上昇する。
２．ＡＯバンクを（その許容動作帯域内で）炉心に挿入すればするほど、ＡＦＤの値はより負になり、炉心から引き抜こうとすればするほど、ＡＦＤの値はより正になる。
したがって、このことから得られる考え方は、以下の通りである。
１．ＭバンクがＴ_ａｖｇを低下させるべく炉心に挿入されつつあるとき、ＡＯバンクにＡＦＤをより負にする要求がある場合は、ＡＯバンクを移動させることにより、Ｔ_ａｖｇを低下させるとともに、ＡＦＤを補正する。
２．同様に、ＭバンクがＴ_ａｖｇを上昇させるべく炉心から引き抜かれつつあるとき、ＡＯバンクにＡＦＤをより正にする要求がある場合は、ＡＯバンクを移動させることにより、Ｔ_ａｖｇを上昇させるとともに、ＡＦＤを補正する。
この考え方は次のようにして言い換えることができる。すなわち、ＡＰ１０００において、ＡＯバンクとＭバンクの両方に同じ方向（両方とも炉心に挿入する方向、または両方とも炉心から引き抜く方向）への移動の要求がある場合、Ｍバンクを不作動にしてＡＯバンクを移動させる。これにより、Ｔ_ａｖｇとＡＦＤとが正しく変化する。

普通の見方は、ＡＯバンクとＭバンクとを一緒に移動させれば（どちらも同じ方向に移動する要求があるので）、Ｔ_ａｖｇとＡＦＤの両方の調節がうまく行く、ということだろう。これはＴ_ａｖｇの制御については正しい。両方のバンクを同じ方向に移動させれば、Ｔ_ａｖｇの補正をスピードアップすることができる。しかしながら、同じことはＡＦＤの制御には当てはまらない。ＡＰ１０００の設計におけるＭバンクの反応度価値及びその重なりは、Ｍバンクを（挿入する方向、または引き抜く方向の）一つの方向に移動させると、ＡＦＤは交互により負、またはより正になる、というものである。図６はこのことを示す。したがって、Ｔ_ａｖｇの制御をスピードアップするべくＡＯバンク及びＭバンクの両方を同時に移動させると、ＡＦＤの制御に悪い影響を及ぼす可能性が高い。また、棒制御のための電源の設計及び構成は、ＡＯバンクとＭバンクとを同時に移動できないものである。

本発明の基礎原理は、炉心の自然なフィードバック、すなわち、減速材の温度／密度の変化は一般的に、Ｔ_ａｖｇ及びＡＦＤの一貫した応答を引き起こすという事実である。例えば、炉心出力が低下すると、反応度が増加してＴ_ａｖｇが上昇する。それと同時に、ＡＦＤもより正になる。そのどちらが生じても、棒の挿入による補償が必要となる。本発明は、重い制御棒、すなわち、ＡＦＤ／ＡＯ制御に用いられるブラック制御棒は本質的に、Ｔ_ａｖｇ制御に常用されるＭバンク中のグレイ棒よりも反応度価値が高い、つまり、ＡＯバンクはかかる条件の下で両方のパラメータを補償する、という事実を利用する。換言すれば、炉心の固有の短期なフィードバックは自ずから一貫していることが分かっているので、本発明に係る方法はその一貫性を活用するものである。これは、例えばキセノン過渡変化のような炉心の長期的フィードバックには必ずしも当てはまらないが、このような効果のタイムスパンは遥かに長いので、２つのコントローラの「独立性」は、これらの長期的な効果があるにしても制御を行うのに適切である。

図７は、本発明を実施する制御システムの論理構成を示す。原子炉制御システム及びＡＦＤ制御システムは、冷却材平均温度Ｔ_ａｖｇまたは炉心軸方向出力分布の補正の必要性に基づいて、Ｍバンク及びＡＯバンクに対する要求を発生させる。Ｔ_ａｖｇを低下させる要求によってＭバンクが挿入方向に移動するが、ＡＦＤをより負にする要求がある場合は例外である。この場合には、Ｍバンクに対する要求が無視され、ＡＯバンクが挿入方向に移動して、Ｔ_ａｖｇを低下させると同時に、ＡＦＤをより負にする。Ｔ_ａｖｇを上昇させる要求があると、Ｍバンクは引き抜かれる方向に移動するが、ＡＦＤをより正にする要求がある場合は例外である。この場合には、Ｍバンクに対する要求が無視され、ＡＯバンクが引き抜かれる方向に移動し、Ｔ_ａｖｇを上昇させると同時に、ＡＦＤをより正にする。ＡＦＤをより負にする要求があると、ＡＯバンクが挿入方向に移動するが、それは、対応してＭバンクを挿入方向に移動する要求があるとき、またはＭバンク要求がその制御不感帯域内にあるときのみである。同様にＡＦＤをより正にする要求があると、ＡＯバンクが引き抜かれる方向に移動するが、それは、対応してＭバンクを引き抜かれる方向に移動する要求があるとき、またはＭバンク要求がその制御不感帯域内にあるときのみである。ＡＯバンクがその不感帯域に達して移動を停止すると、Ｔ_ａｖｇがその不感帯域内にない場合には、代わってＭバンクが移動する。図７に示すこの論理は、過渡運転時の大部分の時間にわたってＡＦＤの制御を許容しながら、如何にしてＴ_ａｖｇの制御がＡＦＤの制御に対して優先されるかを示している。図８Ａ，８Ｂ，８Ｃ及び８Ｄは、従来の制御方法の場合に関し図５に描画したのと同じ過渡状態に対する、本発明の制御方法の効果を示す。Ｔ_ａｖｇの制御を損なうことなしに、Ｔ_ａｖｇの制御を優先させつつ行うＡＦＤの制御に、有意な改善がみられる。

本発明を特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者は本願の教示全体に鑑みてそれらの詳細記述事項についての種々の変形例及び設計変更を想到し得ることがわかるであろう。従って、図示説明した特定の実施例は例示的なものにすぎず、本発明の範囲を限定するものでなく、その範囲は特許請求の範囲及び任意且つ全ての均等物の全幅とすべきである。

Claims

複数の燃料集合体（２２）から成る炉心（１４）と、主として炉心中の選択された燃料集合体に出し入れすることにより軸方向フラックス差（ＡＦＤ）を調節して軸方向フラックス差を第１の目標帯域内に実質的に維持または戻す複数の制御棒（７８）を具備し、当該複数の制御棒はすべてブラック制御棒である第１のバンク（ＡＯ）と、主として炉心中の選択された別の燃料集合体に出し入れすることにより炉心の平均温度（Ｔ_ａｖｇ）を調節して炉心の平均温度を第２の目標帯域内に実質的に維持または戻す複数の制御棒を具備し、当該複数の制御棒の少なくとも一部はグレイ制御棒である第２のバンク（Ｍ）とを有し、第１のバンクの制御棒と第２のバンクの制御棒を一緒には移動しない加圧水型原子炉（１０）の運転方法であって、
第１のバンク（ＡＯ）の制御棒と第２のバンク（Ｍ）の制御棒との異なる方向への移動を要求する信号を同時に受信すると、第２のバンク（Ｍ）の制御棒の移動を優先させ、
第１のバンク（ＡＯ）の制御棒と第２のバンク（Ｍ）の制御棒との同じ方向への移動を要求する信号を同時に受信すると、第１のバンク（ＡＯ）の制御棒の移動を優先させる
ステップを含む方法。
第１のバンク（ＡＯ）の制御棒が移動中に、その移動方向とは異なる方向への第２のバンク（Ｍ）の制御棒の移動を指示する信号を受信すると、第１のバンクの制御棒の移動を停止させ、代わって第２のバンクの制御棒を指示された通りに移動させる、請求項１に記載の方法。
第１のバンク（ＡＯ）の制御棒の移動が優先され、第１のバンクの制御棒が軸方向フラックス差（ＡＦＤ）を、第１のバンクの制御棒が移動を停止する第１の予め選択された不感帯域内へ変化させるように移動すると、平均温度（Ｔ_ａｖｇ）が第２の予め選択された不感帯域内になければ、第２のバンク（Ｍ）の制御棒の移動を開始させる、請求項１に記載の方法。