JP6449245B2 - 原子炉炉心を制御するためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、原子炉炉心を制御するためのシステムに関する。

原子力発電所の原子炉炉心の監視と保護が、中／高出力の場合、炉心の高さ全体にわたって分散配置されたマルチセクション中性子検出器によって実現される。この検出器は、原子炉炉心の軸方向の中性子束、したがって出力分布を測定する連続的な電流を送出する。

正確な出力測定値を保証するために、中性子検出器の応答が所定の基準に従って変化するとすぐに、その中性子検出器を交換する手順が確定される。

非特許文献１に上述の交換手順が記載されている。この検出器交換のために選択された基準は、検出器の経時変化と互いに関連付けられている。しかしながらこの基準では、検出器の正常機能の実際の限界を確実に定義できない。さらに、この制御手順では、正常機能の基準を評価するために、核分裂連鎖反応を遮断する必要がある。

フー・ピン（Hu-Ping）、ツァオ・フーユー（Zhao-Fuyu）、「大亜湾原子力発電所におけるＰＲＮシステムの中性子測定プローブの経時変化および損傷の識別（Identification of ageing and damage of neutron measurement probe of PRN system in Daya Bay nuclear power station）」、原子力エンジニアリング（Nuclear Power Engineering）、第３０巻、第１号、ｐ．９５−９９

本発明の制御システムは、上述の欠点を有さない。

本発明は、原子炉炉心を制御するためのシステムであって、
上記原子炉炉心に沿って配置されるＮ個の核分裂電離箱ＣＦｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）において、Ｎが２以上の整数であり、上記原子炉炉心からやってくる中性子の検出を表す電流をそれぞれ送出する、核分裂電離箱ＣＦｉと、
上記中性子の検出を表す電流を、電圧に変換できる電圧変換手段と、
同一のクロック信号の動作下で、上記電圧変換手段から送出された上記電圧を同時にデジタル化できる、アナログ・デジタル変換手段と、
各核分裂電離箱ＣＦｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）のｎ次中性子束統計推定値

と、上記原子炉炉心内で優勢である平均中性子束を表す中性子束推定値の平均値

を、次式のように算出できる算出手段と、

上記中性子束統計推定値

から上記核分裂電離箱ＣＦｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）の経時変化指標を算出できる算出手段とを備えることを特徴とする、原子炉炉心を制御するためのシステムに関する。

核分裂電離箱ＣＦｉのｎ次中性子束統計推定値

は、定義により、核分裂電離箱ＣＦｉに関連するｎ次キュムラント推定量である。

核分裂電離箱ＣＦｉの経時変化指標を算出できる上記手段が、
分散

を、次式のように計算できる算出手段と、

このとき

ここで、Ｋが、各核分裂電離箱ＣＦｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）に関連する上記中性子束統計推定値の分散および平均を算出するために選択された推定値の個数であり、
上記分散

から、上記核分裂電離箱ＣＦｉの上記中性子束推定値

に関連する計数率推定量の相対標準偏差（パーセント表記）である量

％を、次式のように算出できる算出手段と、

このとき

ここで、ｈ_ｉ（ｔ）が上記核分裂電離箱ＣＦｉの理論的平均パルス応答、

がｎ次キュムラントおよび上記電離箱ＣＦｉに関連する計数率λの推定量であり、
上記量

％と閾値σ₀との比較に基づいた上記経時変化指標を送出できる、比較手段とを備える。

本発明の追加の特徴によると、上記次数ｎは２または３に等しい。

本発明の監視／制御システムは、有利には、核分裂電離箱の経時変化に関連する劣化を感知し易い、客観的品質的な指標を定義する。

有利には、核分裂電離箱における変化および劣化が、核分裂連鎖反応を遮断することなく、かつシステムを複雑にすることなく監視される。やはり有利には、本発明の経時変化指標が中性子束推定値から形成され、中性子束推定値はこれに加えて、原子炉炉心の監視／保護にも使用される。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照しながら、提示されている好ましい実施形態を読み取ることにより明らかになるであろう。

核分裂電離箱の経時変化に応じた、核分裂電離箱の実測平均パルス応答の図である。 核分裂電離箱の経時変化に応じた、核分裂電離箱の理論的平均パルス応答の図である。 本発明の監視／制御システムの概略図である。 ０時間の経時変化に対する、核分裂電離箱の理論的平均パルス応答でフィルタリングしたポアソン過程によってモデル化された、核分裂電離箱出力信号の図である。 経時変化に応じた、核分裂電離箱出力信号の標準化自己相関関数の図である。 経時変化に応じた、核分裂電離箱出力信号の標準化自己相関関数の図である。 経時変化に応じた、核分裂電離箱出力信号の標準化自己相関関数の図である。 ｎが２に等しい場合の、計数率λに応じた推定量の相対標準偏差の変化をシミュレートする曲線の図である。 ｎが３に等しい場合の、計数率λに応じた推定量の相対標準偏差の変化をシミュレートする曲線の図である。

全ての図において、同じ参照記号は同じ要素を示す。

図１に、非限定的な例として、１０^１４ｎ・ｃｍ^−２・ｓ^−１の中性子束に露出された核分裂電離箱の、その経時変化に応じた実測平均パルス応答が示されている。

検出器の経時変化により、パルス応答の形状に変化が生じる。曲線Ｉ１は、動作時間０時間後の、中性子束に露出された核分裂電離箱の平均パルス測定値を表し、曲線Ｉ２は、動作時間５００時間後の、同じ強度の中性子束に露出された同じ核分裂電離箱の平均パルス測定値を表す。パルス応答の広幅化が見られる。このパルス応答の広幅化は、電荷収集速度の低下に関係している。この収集速度の低下は、ガス状の異物の存在（電極間の空間における、電荷収集速度を低下させる酸素およびガス状核分裂生成物の存在）によるものである。ただし、所与のエネルギーの所与の核分裂生成物に対応する１パルスに対する系の積分（すなわち電荷量）は保たれる。これに直結した結果として、パルス応答の振幅が絶対値に関して小さくなる。

図２に、所与の強度の中性子束に露出された核分裂電離箱の、経時変化に応じた、理論的平均パルス応答が示されている。曲線Ｃ１は０時間の経時変化に対応し、曲線Ｃ２は５００時間の経時変化に対応し、曲線Ｃ３は２０００時間の経時変化に対応する。

図２に示されている理論的平均パルス応答の例については、本出願人が、理論的平均パルス応答ｈ（ｔ）を以下の等式で定式化することを定めた。

ここで、Ａは理論的平均パルス応答の振幅に対するパラメータ、
θ_１およびθ_２は理論的平均パルス応答に特有の時間パラメータである。

以下の表１に、０時間、５００時間および２０００時間の各経時変化に対して選択されたパラメータＡ、θ_１およびθ_２の値が全て含まれている。

図１と図２に示されている曲線を比較すると、本出願人が行った理論的平均パルス応答の選択の妥当性が示される。

この他の核分裂電離箱の使用に対応する本発明の他の実施形態によると、理論的平均パルス応答は、他の等式によって定式化されうる。

非限定的な例として、理論的平均パルス応答の別の式が以下のように立てられる。
ｈ（ｔ）＝−（ａ０＋ａ１＊ｃｏｓ（ｔ＊ｗ）＋ｂ１＊ｓｉｎ（ｔ＊ｗ）＋ａ２＊ｃｏｓ（２＊ｔ＊ｗ）＋ｂ２＊ｓｉｎ（２＊ｔ＊ｗ）＋ａ３＊ｃｏｓ（３＊ｔ＊ｗ）＋ｂ３＊ｓｉｎ（３＊ｔ＊ｗ）＋ａ４＊ｃｏｓ（４＊ｔ＊ｗ）＋ｂ４＊ｓｉｎ（４＊ｔ＊ｗ）＋ａ５＊ｃｏｓ（５＊ｔ＊ｗ）＋ｂ５＊ｓｉｎ（５＊ｔ＊ｗ）＋ａ６＊ｃｏｓ（６＊ｔ＊ｗ）＋ｂ６＊ｓｉｎ（６＊ｔ＊ｗ）＋ａ７＊ｃｏｓ（７＊ｔ＊ｗ）＋ｂ７＊ｓｉｎ（７＊ｔ＊ｗ）＋ａ８＊ｃｏｓ（８＊ｔ＊ｗ）＋ｂ８＊ｓｉｎ（８＊ｔ＊ｗ））
このとき、
ａ０＝−０．００５０７４；ａ１＝０．００７１１５；ｂ１＝−０．００４４２４；ａ２＝−０．００１３６３；ｂ２＝０．００４３９８；ａ３＝−０．００１２７４；ｂ３＝−０．００１５１４；ａ４＝０．０００６５９６；ｂ４＝−０．０００５２１７；ａ５＝０．０００３２１；ｂ５＝０．０００４０１２；ａ６＝−０．０００２９８７；ｂ６＝０．０００１２５３；ａ７＝−６．４０４×１０^−５；ｂ７＝−０．０００２０９５；ａ８＝０．０００１２３５；ｂ８＝−４．１５８×１０^−５；
ｗ＝３．４８４×１０^＋７である。

一般に、本発明の文脈では、理論的平均パルス応答の選択は基本的に、パルス応答の形状自体ではなく、パルス応答が経時変化に従って受ける形状の変化に基づく。実際、この形状の変化によって、適切な核分裂電離箱経時変化の指標を得ることが可能になる。

図３に、本発明の監視／制御システムが示されている。

上記監視／制御システムは以下を備える。
検出電流信号をそれぞれ送出するＮ個の核分裂電離箱ＣＦ１，ＣＦ２，ＣＦ３，…，ＣＦＮのセットと、
原子炉炉心近傍の放射線環境条件を処理するための電子回路をずらすためのケーブルを備える接続手段Ｔと、
核分裂電離箱から送出される検出電流を電圧に変換／増幅できる電圧変換手段ＰＡ１，ＰＡ２，…，ＰＡＮと、
クロック回路Ｈから送出される同一のクロック信号の動作下で、電圧変換手段から送出される電圧を同時にデジタル化できる、アナログ・デジタル変換手段ＣＡＮ１，ＣＡＮ２，…，ＣＡＮＮと、
アナログ・デジタル変換手段から送出されるデジタル電圧を処理できる処理手段Ｐ，Ｍ，ＣＭＰ。

Ｎ個の核分裂電離箱が、建屋Ｂ内に位置する炉心１に沿って配置される。接続手段Ｔが建屋Ｂから検出電流信号を取り出す。建屋Ｂから取り出されたＮ個の検出電流信号が、Ｎ個の電流収集前置増幅器ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ３，…，ＰＡＮの入力信号を構成する。Ｎ個の電流収集前置増幅器ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ３，…，ＰＡＮにより、例えば１２ディケードというダイナミックレンジなど、原子炉の出力ダイナミックレンジ全体にわたる電流・電圧変換が可能になる。この電流・電圧変換の結果生じたＮ個の電圧信号はそれぞれ、クロック回路Ｈから送出される同一のクロック信号によってタイミングを同時に合わせたＮ個のアナログ・デジタル変換器ＣＡＮ１，ＣＡＮ２，ＣＡＮ３，…，ＣＡＮＮによってデジタル化される。

アナログ・デジタル変換器ＣＡＮｉから送出される各デジタル電圧信号Ｖ（ｋ）ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）は、ひと続きのデジタル標本からなる。Ｎ個のアナログ・デジタル変換器からそれぞれ送出されるＮ個のデジタル電圧信号Ｖ（ｋ）１，Ｖ（ｋ）２，Ｖ（ｋ）３，…，Ｖ（ｋ）Ｎは、プログラム可能な論理回路Ｐの入力信号を構成する。

プログラム可能な論理回路Ｐは、各デジタル電圧信号Ｖ（ｋ）ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）ごとに、核分裂電離箱ＣＦｉの中性子束統計推定値

を算出する。次に、こうして算出されたＮ個の中性子束統計推定値

から、プログラム可能な論理回路Ｐは、原子炉炉心内で優勢である平均中性子束を表す平均中性子束推定値

を算出する。これは以下のようになる。

核分裂電離箱ＣＦｉの中性子束統計推定値

は、定義により、核分裂電離箱ＣＦｉに関連するｎ次キュムラントの推定量である。本発明の好ましい実施形態によると、この次数ｎは２または３に等しい。

２次および３次のキュムラントの推定量

および

は、それぞれ以下のように立てられる。

このとき、

ここで、Ｎ_ｅｃｈは、中性子束統計推定量の収束を確保するために、選択されたデジタル標本の個数（典型的には数千個に等しい）であり、
ｊは整数である。

中性子束推定値

は、原子炉炉心の監視と保護を実現するために、それ自体周知の形で使用される。

中性子束統計推定値

に基づいて、プログラム可能な論理回路Ｐはまた、各核分裂電離箱ＣＦｉごとに、選択されたｎ次推定量の分散

を算出する。
これは以下のようになる。

このとき

ここで、Ｋは、核分裂電離箱ＣＦｉのｎ次中性子束統計推定量の分散を計算するために選択された推定値の個数である。

次いで、各分散

ごとに、算出モジュールＭが、核分裂電離箱ＣＦｉの中性子束推定値

に関連する計数率推定量の相対標準偏差（パーセント表記）である量

％を算出する。これは以下のようになる。

このとき

ここで、ｈ_ｉ（ｔ）は核分裂電離箱ＣＦｉの理論的平均パルス応答、

はｎ次キュムラントと電離箱ＣＦｉに関連する計数率λの推定量である。

比較手段ＣＭＰが、量

％と閾値σ₀との比較に基づいて、経時変化指標を送出する。

このために、比較器ＣＭＰは、第１の入力のところにパーセント標準偏差

％、第２の入力のところに閾値σ₀を受ける。

％とσ₀との比較の結果が、核分裂電離箱ＣＦｉに対する経時変化指標を構成する比較信号Ｓになる。

％がσ₀以上の場合、核分裂電離箱ＣＦｉが許容経時変化期間を超過したとみなされ、

％がσ₀未満の場合、核分裂電離箱はその許容経時変化期間に達していないとみなされる。

図５、６および７は、アナログ・デジタル変換器ＣＡＮのサンプリング周波数Ｆｅが１０ＭＨｚの場合の、様々な計数率値に対する、経時変化に応じた核分裂電離箱出力信号の標準化された自己相関関数を表す。

これらの自己相関曲線を確定するために考慮した出力信号は、各種経時変化値（典型的に０時間、５００時間および２０００時間）における核分裂電離箱の理論的平均パルス応答でフィルタリングしたポアソン過程によってモデル化されている。図４に、核分裂電離箱の非限定的な例として、中性子束率λが１０^７ｃｐｓ（ｃｐｓは「counts per second（１秒あたりのカウント数）」を表す）の、０時間の経時変化に対するデジタル出力信号Ｖ（ｋ）が示されている。

図５の曲線ＡＴ１１、ＡＴ１２およびＡＴ１３はそれぞれ、０時間、５００時間および２０００時間の経時変化に対する、核分裂電離箱出力信号の標準化自己相関関数を表し、以下の条件下にある。
中性子フルエンス率λが１０^６ｃｐｓに等しい、
アナログ・デジタル変換器ＣＡＮのサンプリング周波数Ｆｅが１０ＭＨｚに等しい、
観測期間が１ｍｓ。

図６の曲線ＡＴ２１，ＡＴ２２およびＡＴ２３はそれぞれ、０時間、５００時間および２０００時間の経時変化に対する、核分裂電離箱出力信号の標準化自己相関関数を表し、以下の条件下にある。
中性子フルエンス率λが１０^７ｃｐｓに等しい、
アナログ・デジタル変換器ＣＡＮのサンプリング周波数Ｆｅが１０ＭＨｚに等しい、
観測期間が１ｍｓ。

図７の曲線ＡＴ３１，ＡＴ３２およびＡＴ３３はそれぞれ、０時間、５００時間および２０００時間の経時変化に対する、核分裂電離箱出力信号の標準化自己相関関数を表し、以下の条件下にある。
中性子フルエンス率λが１０^８ｃｐｓに等しい、
アナログ・デジタル変換器ＣＡＮのサンプリング周波数Ｆｅが１０ＭＨｚに等しい、
観測期間が１ｍｓ。

図５〜７では、核分裂電離箱出力信号の標準化自己相関関数が、計数率λに応じて大幅に増加していることが明らかである。さらに、経時変化に応じた自己相関の追加の増大も見られる。この追加の増大は、経時変化に関係する、核分裂電離箱の理論的平均パルス応答の形状変化に起因する。

図８および９は、計数率に応じた、本発明の監視／制御システムから送出される相対標準偏差の変化（パーセント表記）をシミュレートする曲線を示す。

図８の曲線Ａ１、Ａ２およびＡ３はそれぞれ、０時間、５００時間および２０００時間の経時変化に対する、核分裂電離箱ＣＦｉの、計数率λに応じた２次推定量に関連する計数率推定量の相対標準偏差（パーセント表記）

％を表し、以下の条件下にある。
サンプリング周波数が１０ＭＨｚに等しい、
観測期間が１ｍｓ。

図９の曲線Ｂ１，Ｂ２およびＢ３はそれぞれ、０時間、５００時間および２０００時間の経時変化に対する、核分裂電離箱ＣＦｉの、計数率λに応じた３次推定量に関連する計数率推定量の相対標準偏差（パーセント表記）

％を表し、以下の条件下にある。
サンプリング周波数が１０ＭＨｚに等しい、
観測期間が１ｍｓ。

曲線８および９から、中性子フルエンス率推定量の精度が、中性子束推定量の選択に応じて変動することは明らかである。

その理由は、３次推定量に関連する中性子束の精度における、中性子フルエンス率λ１０^８ｃｐｓに対する９．２％という追加の劣化が、０時間と２０００時間の間に観測されるからである。一方、この０時間と２０００時間の間における、２次推定量に関連する精度における、中性子フルエンス率λ１０^８ｃｐｓに対する追加の劣化は０．７４％である。したがって、中性子束推定量の選択は重要である。しかしながら、２次推定量によってもたらされる精度における追加の劣化は、例えば目指す１％の精度と比較すると、無視できない。

さらに、曲線８および９は、同じ中性子フルエンス率λ１０^８ｃｐｓに対する、０時間と２０００時間における計数率推定量の相対標準偏差値（パーセント表記）の差が、２次よりも３次のほうが大きいことを示している。

この差は、信号Ｖ（ｋ）ｉの標本の相関に関係し、推定量に採用される次数が高くなるにつれて、この相関の影響は大きくなる。

１ 原子炉炉心
Ｂ 建屋
ＣＦｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ） 核分裂電離箱
Ｔ 接続手段
ＰＡｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ） 電圧変換手段、電流収集前置増幅器
ＣＡＮｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ） アナログ・デジタル変換手段
Ｈ クロック回路
Ｐ 処理手段、プログラム可能な論理回路、算出手段
Ｍ 処理手段、算出モジュール、算出手段
ＣＭＰ 処理手段、比較手段、比較器、算出手段
Ｖ（ｋ）ｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ） デジタル電圧信号
Ｓ 比較信号
Ｆｅ サンプリング周波数

Claims (2)

1. 原子炉炉心を制御するためのシステムであって、
   前記原子炉炉心に沿って配置されるＮ個の核分裂電離箱ＣＦｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）であって、Ｎが２以上の整数であり、前記原子炉炉心からやってくる中性子の検出を表す電流をそれぞれ送出する、核分裂電離箱ＣＦｉと、
   前記各核分裂電離箱から送出された、前記中性子の検出を表す電流を、電圧に変換できる電圧変換手段（ＰＡ１，ＰＡ２，…，ＰＡＮ）と、
   同一のクロック信号の動作下で、前記電圧変換手段から送出された前記電圧を同時にデジタル化できる、アナログ・デジタル変換手段（ＣＡＮ１，ＣＡＮ２，…，ＣＡＮＮ）と、
   各核分裂電離箱ＣＦｉのｎ次中性子束統計推定値
   

   

   と、前記原子炉炉心内で優勢である平均中性子束を表す中性子束推定値の平均値
   

   

   を、次式のように算出できる算出手段（Ｐ）と、
   

   

   前記核分裂電離箱ＣＦｉの前記ｎ次中性子束統計推定値
   

   

   から前記核分裂電離箱ＣＦｉの経時変化指標（Ｓ）を算出できる算出手段（Ｍ，ＣＭＰ）とを備え、前記核分裂電離箱ＣＦｉの前記ｎ次中性子束統計推定値
   

   

   から前記核分裂電離箱ＣＦｉの経時変化指標（Ｓ）を算出できる前記算出手段（Ｍ，ＣＭＰ）が、
   分散
   

   

   を、次式のように計算できる算出手段と、
   

   

   このとき
   

   

   ここで、Ｋが、前記核分裂電離箱ＣＦｉの前記ｎ次中性子束統計推定値の前記分散を算出するために選択された推定値の個数であり、
   前記分散
   

   

   から、前記核分裂電離箱ＣＦｉの前記ｎ次中性子束統計推定値
   

   

   に関連する計数率推定量の相対標準偏差（パーセント表記）である量
   

   

   ％を、次式のように算出できる算出手段と、
   

   

   このとき
   

   

   

   ここで、ｈ_ｉ（ｔ）が前記核分裂電離箱ＣＦｉの理論的平均パルス応答、
   

   

   がｎ次キュムラントおよび前記核分裂電離箱ＣＦｉに関連する計数率λの推定量であり、
   前記相対標準偏差（パーセント表記）
   

   

   ％と閾値σ_０との比較に基づいた前記経時変化指標を送出できる、比較手段（ＣＭＰ）とを備えることを特徴とする、原子炉炉心を制御するためのシステム。
2. 前記次数ｎが２または３に等しい、請求項１に記載の原子炉炉心を監視／制御するためのシステム。

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