JP5642460B2 - 限界熱流束予測装置、限界熱流束予測方法、安全評価システム及び炉心燃料評価監視システム - Google Patents

Description

本発明は、原子炉の炉心に用いられる燃料棒の限界熱流束を予測する限界熱流束予測及び原子炉の燃料棒の熱的余裕を評価する安全評価に関する。

例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）や沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：Boiling Water Reactor）は、軽水を原子炉冷却材（以下、冷却材という。）及び中性子減速材として使用する。原子炉の通常運転時に、冷却材は燃料棒の被覆管を冷却し被覆管の温度を下げている。

被覆管と冷却材との伝熱面は、非沸騰領域では熱流束が小さく冷却は十分である。熱流束が増加していくと、被覆管と冷却材との伝熱面に発生した蒸気が気泡となって流れる核沸騰状態となる。核沸騰状態では、気泡の生成及び撹拌作用により被覆管から冷却材へさらに良好に熱が伝達できる。さらに熱流束が増加すると被覆管と冷却材との伝熱面を蒸気が覆うようになるため、被覆管から冷却材へ熱が伝達し難くなる。このように伝熱面を蒸気が覆うため、被覆管から冷却材へ熱が伝達し難くなる状態を膜沸騰という。核沸騰から膜沸騰へ移行すると、被覆管の温度が急上昇する。ここで、被覆管から冷却材への熱伝達が低下し、被覆管の温度が急上昇し始める熱流束を限界熱流束という。

炉心熱設計で重要な事項は、被覆管の温度を急上昇させないために、限界熱流束を予測することである。炉心熱設計で重要な事項は、限界熱流束と実際の炉心内の熱流束との比較により、燃料棒の熱的余裕を評価することである。限界熱流束の予測は、実原子炉を模擬した試験データに基づく実験式を限界熱流束相関式として使用している。

特許文献１及び非特許文献１には、従来の限界熱流束相関式が記載されている。従来の限界熱流束相関式は、例えば特許文献１の００１６段落記載のように、熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関数として１次関数を用いていた。また、非特許文献２には、単管試験データの限界熱流束(ＣＨＦ：critical heat flux)を整理して作られたルックアップテーブル(ＬＵＴ：look-up table)が開示されている。ここで、図１８は、非特許文献２より「熱平衡クオリティに対する限界熱流束の実験的特性（Groeneveldのルックアップテーブル）」の関係を導いてプロットし図示した説明図である。

特開２００８−２６１６９３号公報

ＭＡＰＩ−１０７５ 改４，三菱新ＤＮＢ相関式（ＭＩＲＣ−１）について、（２００６） D.C. Groeneveld, et al., The 2006 CHF look-up table, Nuclear Engineering and Design, Vol.237,(2007),pp.1909-1922

しかしながら、図１８に示すように、非特許文献２に基づく「熱平衡クオリティに対する限界熱流束の実験的特性（Groeneveldのルックアップテーブル）」の関係に対し、従来の限界熱流束相関式では限界熱流束の予測が適切ではない領域があった。従来の限界熱流束相関式は限界熱流束を熱平衡クオリティの一次関数で近似していた。一方、熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関係は、実際には非直線であった。また、図１８に示されるように、熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関係は、高熱平衡クオリティ領域で０に漸近している。また、熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関係は、低熱平衡クオリティ領域では変曲点がみられる場合がある。従来の限界熱流束相関式である一次関数は、限界熱流束の予測精度を保持しようとすると、直線的な挙動を示す熱平衡クオリティ範囲に限定されてしまう。限界熱流束の予測を行うにあたり、熱平衡クオリティが広範囲でも精度の高い限界熱流束の予測ができることが求められている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広範囲の熱平衡クオリティであっても精度の高い限界熱流束が予測可能となる限界熱流束予測装置、限界熱流束予測方法、安全評価システム及び炉心燃料評価監視システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために本発明の限界熱流束予測装置は、熱流束を変更した実験条件ごとにサンプリングされた限界熱流束と、前記実験条件から定まる熱平衡クオリティとを含む実験データを記憶する記憶部と、前記実験データから熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関係を示す相関プロット分布を求める実験データプロット部と、前記限界熱流束を前記熱平衡クオリティの関数で表現したモデル関数であるロジスティック式で前記相関プロット分布を近似することにより、前記限界熱流束と前記熱平衡クオリティとの相関式を求める限界熱流束相関式算出部と、を含むことを特徴とする。

この本発明の限界熱流束予測装置では、広範囲の熱平衡クオリティであっても精度の高い限界熱流束が予測可能となる。

また、この発明に係る限界熱流束予測装置では、前記ロジスティック式は、式（１）であることを特徴とする。ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。

また、この発明に係る限界熱流束予測装置では、限界熱流束を熱平衡クオリティの関数で表現したロジスティック式を用い、例えば、変曲点や収束曲線を有する非線形な相関プロット分布を近似可能となる。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために本発明の限界熱流束予測方法では、熱流束を変更した実験条件ごとにサンプリングされた限界熱流束と、前記実験条件から定まる熱平衡クオリティとを含む実験データを取得するステップと、前記実験データから熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関係を示す相関プロット分布を求める相関プロットステップと、前記限界熱流束を前記熱平衡クオリティの関数で表現したモデル関数であるロジスティック式で前記相関プロット分布を近似することにより、前記限界熱流束と前記熱平衡クオリティとの相関式を求める限界熱流束相関式算出ステップと、を含むことを特徴とする。

この本発明の限界熱流束予測方法では、広範囲の熱平衡クオリティであっても精度の高い限界熱流束が予測可能となる。

また、この発明に係る限界熱流束予測方法では、前記ロジスティック式は、式（１）であることを特徴とする。ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。

また、この発明に係る限界熱流束予測方法では、限界熱流束を熱平衡クオリティの関数で表現したロジスティック式を用い、例えば、変曲点や収束曲線を有する非線形な相関プロット分布を近似可能となる。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために本発明の安全評価システムは、原子炉の状況解析を行う炉心条件算出部と、前記原子炉の状況解析に応じて前記原子炉の炉心内の３次元的な流体挙動を求めるサブチャンネル解析部と、前記３次元的な流体挙動に基づき、炉心内で最も熱的に厳しい燃料棒の限界熱流束比を最小限界熱流束比として算出する限界熱流束比算出部と、前記最小限界熱流束比と許容制限値との比較により安全評価する安全判断評価部と、を有し、限界熱流束と実際の熱流束の比である前記限界熱流束比を求めるための限界熱流束相関式は、前記限界熱流束を熱平衡クオリティの関数で表現したモデル関数であるロジスティック式であることを特徴とする。

また、この発明に係る安全評価システムでは、原子炉の燃料棒の熱的余裕を精度よく判断できる。

また、この発明に係る安全評価システムでは、前記ロジスティック式は、式（１）であることが好ましい。ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。

また、この発明に係る安全評価システムでは、限界熱流束を熱平衡クオリティの関数で表現したロジスティック式で、広範囲の熱平衡クオリティであっても精度の高い限界熱流束が予測可能となる。精度の高い限界熱流束が予測できるので、最小限界熱流束比も精度よく予測できる。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために本発明の炉心燃料評価監視システムでは、原子炉の測定データを測定する測定装置と、前記原子炉を制御するプラント制御装置と、前記安全評価システムと、を有し、前記安全評価システムは、前記測定データに基づいて算出した最小限界熱流束比と許容制限値との比較により安全評価し、前記安全評価に基づいて前記プラント制御装置が原子炉を制御することを特徴とする。

この本発明の炉心燃料評価監視システムでは、原子炉の通常運転時の場合及び運転時の異常な過渡変化の場合において、安全に原子炉を制御できる。

本発明に係る限界熱流束予測装置、限界熱流束予測方法、安全評価システム及び炉心燃料評価監視システムは、広範囲の熱平衡クオリティであっても精度の高い限界熱流束が予測可能となるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る炉心燃料評価監視システムを有する原子炉の概念図である。 図２は、実施形態１に係る炉心を模式的に説明する説明図である。 図３は、実施形態１に係る燃料集合体を模式的に説明する説明図である。 図４は、実施形態１に係る燃料集合体を模式的に説明する説明図である。 図５は、実施形態１に係る燃料棒を模式的に説明する説明図である。 図６は、実施形態１に係る限界熱流束予測装置を説明するための説明図である。 図７は、実施形態１に係る炉心の実形状模擬燃料実験装置を模式的に説明する説明図である。 図８は、実施形態１に係る限界熱流束予測手順について説明するフロー図である。 図９は、実施形態１に係る限界熱流束相関式の挙動を説明する説明図である。 図１０は、実施形態１に係る限界熱流束相関式の挙動を説明する説明図である。 図１１は、実施形態１に係る限界熱流束相関式の挙動を説明する説明図である。 図１２は、実施形態１に係る限界熱流束相関式のフィッティングを説明するための説明である。 図１３は、実施形態１に係る限界熱流束相関式のフィッティングを説明するための説明である。 図１４は、実施形態１に係る安全評価システムを説明する説明図である。 図１５は、実施形態１に係る安全評価手順について説明するフロー図である。 図１６は、実施形態１に係る炉心燃料評価監視の手順を説明するフロー図である。 図１７は、実施形態２に係る安全評価手順について説明するフロー図である。 図１８は、熱平衡クオリティに対する限界熱流束の実験的特性（Groeneveldのルックアップテーブル）の関係について説明する説明図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施形態に記載された装置、システム、方法及び変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

（実施形態１）
図１は、原子炉の概念図である。図２は、炉心を模式的に表した説明図である。図３及び図４は、燃料集合体を模式的に表した説明図である。図５は、燃料棒を模式的に表した説明図である。

図１に示す原子炉１は加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）である。原子炉１は、圧力容器２内に炉心３を備えている。炉心３の核***反応を制御するため、原子炉１は、複数の制御棒４を備えている。制御棒４は、制御棒制御装置６と連結棒５とで連結されている。制御棒４は、制御棒制御装置６によって炉心３に挿入又は引抜き可能に制御される。制御棒４の移動方向は、原子炉１の軸（すなわち炉心３の軸）ＡＸと平行になる。原子炉１は、上部炉外中性子束検出器７及び下部炉外中性子束検出器８を備えている。プラント制御装置１０は、制御棒制御装置６と相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。そして、プラント制御装置１０には、液晶表示パネルやＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等の表示手段１１や、キーボード等の入力手段１２が備えられている。プラント制御装置１０は、安全評価システムが組み込まれ炉心燃料評価監視システムとしても機能する。

図２に示すように、炉心３は、複数個の燃料集合体３０で構成されており、燃料集合体３０が９０度の対称性を維持するように幾何形状に配設されている。燃料の交換は、燃料集合体３０の単位で行われる。図３に示すように、各燃料集合体３０は、集合体間ギャップ３６内に複数の燃料棒３１を有している。また、燃料集合体３０の内部は冷却材３２で満たされる。燃料集合体３０は、複数の制御棒４が挿入可能に構成されている。制御棒４の挿入方向は燃料棒３１と平行である。図４に示すように、燃料集合体３０は、複数の燃料棒３１が支持格子３３により格子状に束ねられて構成され、上端部に上部ノズル３４が固定される一方、下端部に下部ノズル３５が固定されている。本実施形態の燃料集合体３０は１７×１７型である。

図５に示すように、燃料棒３１は燃料ペレット６１を内包している。燃料ペレット６１は、核***性物質としてのウラン２３５を５％以下に濃縮した二酸化ウランを焼き固め、ペレット状に形成したものである。被覆管６２はジルコニウム合金製であり、内部に所定数の燃料ペレット６１が充填され、上部にスプリング６３が装着されることで押さえられると共に、内部にヘリウムガスが充填された状態で、上端部及び下端部に端栓６４、６５が固定されることで、燃料棒３１が形成されている。図３に示すように、燃料棒３１の周囲が冷却材３２で覆われているため、冷却材３２は燃料棒３１の被覆管６２を冷却し被覆管６２の温度を下げている。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）の燃料集合体３０では、燃料棒３１の被覆管６２の周囲に冷却材３２が流れて、被覆管６２の壁面近傍に沸騰気泡が発生する。熱流束が増加すると、沸騰気泡が増加する。沸騰気泡が被覆管６２の全体を覆うと、被覆管６２から冷却材３２への熱伝達が低下し始める。ここで、被覆管から冷却材への熱伝達が低下し、被覆管の温度が急上昇し始める熱流束を限界熱流束という。炉心熱設計で重要な事項は、被覆管の温度を急上昇させないために、限界熱流束を予測することである。また、炉心熱設計で重要な事項は、限界熱流束と実際の炉心内の熱流束との比較により、燃料棒の熱的余裕を評価することである。限界熱流束は、実原子炉を模擬した試験データに基づく実験式を限界熱流束相関式として使用することにより求められる。以下、限界熱流束相関式を用いて限界熱流束を予測する限界熱流束予測装置と、限界熱流束相関式を用いて安全評価を行う安全評価システムについて説明する。

図６は、限界熱流束相関式を用いて限界熱流束を予測する限界熱流束予測装置を説明する説明図である。図６に示すように、限界熱流束予測装置１００は、入力処理回路１０１と、入力ポート１０２と、処理部１２０と、記憶部１２５と、出力ポート１０３と、出力処理回路１０４と、表示手段１０５、必要があればキーボードなどの入力手段１０６とを有する。処理部１２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）とメモリとを組み合わせて構成することができる。処理部１２０は、実験データプロット部１２１と、サブチャンネル解析部１２２と、限界熱流束相関式算出部１２３と、制御部１２４とを有する。このうち、実験データプロット部１２１と、サブチャンネル解析部１２２と、限界熱流束相関式算出部１２３とが、実施形態１に係る限界熱流束予測方法を実行する部分となる。

処理部１２０と、記憶部１２５と、入力ポート１０２及び出力ポート１０３とは、バス１１１〜バス１１３を介して接続される。バス１１１〜バス１１３と制御部１２４とにより、限界熱流束予測装置１００の処理部１２０を構成する実験データプロット部１２１と、サブチャンネル解析部１２２と、限界熱流束相関式算出部１２３とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。

入力ポート１０２には、入力処理回路１０１が接続されている。入力処理回路１０１には、後述する実験装置のセンサからの出力信号ｉｓが接続されている。そして、センサから出力される信号ｉｓは、入力処理回路１０１に備えられるノイズフィルタやＡ／Ｄコンバータ等により、処理部１２０が利用できる信号に変換されてから、入力ポート１０２を介して処理部１２０へ送られる。これにより、処理部１２０は、限界熱流束を予測するために必要な情報を取得することができる。

出力ポート１０３には、出力処理回路１０４が接続されている。出力処理回路１０４には、表示手段１０５や、外部出力用の端子が接続されている。出力処理回路１０４は、表示手段制御回路や、信号増幅回路等を備えている。出力処理回路１０４は、処理部１２０で算出された限界熱流束相関式を、表示手段１０５に表示させる表示信号として出力したり、外部機器へ伝達する出力信号ｉｄとして出力したりする。表示手段１０５は、例えば液晶表示パネルやＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等を用いることができる。

記憶部１２５には、実施形態１に係る限界熱流束予測方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや限界熱流束相関式を推定するための実験の計測データ及び実験の計測データのデータベース、サブチャンネル解析コード等が格納されている。ここで、記憶部１２５は、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ハードディスクドライブあるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、処理部１２０へすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施形態に係る限界熱流束予測方法の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この限界熱流束予測装置１００は、コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、実験データプロット部１２１、サブチャンネル解析部１２２、限界熱流束相関式算出部１２３の機能を実現するものであってもよい。

また、この実施形態に係る限界熱流束予測方法は、予め用意された限界熱流束予測用プログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーション、あるいはプラント制御用コンピュータ等のコンピュータシステムで実行することによって実現することもできる。また、このプログラムは、ハードディスク等の記録装置、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フラッシュメモリなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器などのハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」には、インターネットなどのネットワークや電話回線などの通信回線網を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含むものとする。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

次に、実施形態１に係る限界熱流束予測装置１００を用いた限界熱流束予測方法について説明する。まず、実原子炉を模擬した試験データを取得する炉心の実形状模擬燃料実験装置について説明する。

図７は、炉心の実形状模擬燃料実験装置を模式的に説明する説明図である。実験装置２００は、実験容器２０１内が冷却材３２で満たされている。実験装置２００の実験容器２０１内では、模擬支持格子３３を有する模擬燃料棒３１が冷却材３２に覆われるように配置されている。模擬燃料棒３１は、電源２０２から模擬燃料棒３１に直接電圧をかけることにより、直接的な加熱が可能とされている。あるいは模擬燃料棒３１は電源２０２に接続されたヒータ２０３で間接的な加熱が可能とされている。模擬燃料棒３１は、燃料集合体として設計したい主要寸法（水力等価直径及び発熱長など）を模擬するものである。実験装置２００は、模擬燃料棒３１の表面温度を計測するセンサ２０４が備えられている。センサ２０４は、上述した限界熱流束予測装置１００と接続されている。センサ２０４は実験装置２００に複数設けられており、いずれかのセンサ２０４が限界熱流束を感知することができる。センサ２０４が限界熱流束を感知したときは、模擬燃料棒３１の温度が急激に上昇したときである。実験装置２００は、装置内の冷却材３２の圧力、質量速度、温度を計測するためのセンサ２０５が備えられている。センサ２０５は模擬燃料棒３１から発生する熱流束も計測する。センサ２０５は、上述した限界熱流束予測装置１００と接続されている。実験装置２００は、装置内の冷却材３２の圧力、質量速度、温度、模擬燃料棒３１から発生する熱流束の実験条件を変更して実験を行う。実験条件ごとに限界熱流束時の計測データがセンサ２０４およびセンサ２０５でサンプリングされ、実験条件から自明的に定められる熱平衡クオリティと共に限界熱流束予測装置１００へ出力信号ｉｓとして送付する。ここで、熱平衡クオリティとは、下記「数４」で表される式(２)で表されるエンタルピの関数である。模擬燃料棒３１は、複数の燃料棒を模擬してもよく、例えば３×３や５×５配列の燃料集合体であってもよい。実験条件は、例えば、圧力９．８ＭＰａ〜１７．２ＭＰａ、質量速度１２００ｋｇ／ｍ^２ｓ〜５０００ｋｇ／ｍ^２ｓ、入口温度１８３℃〜３３１℃である。また、試験部形状としては、例えば、発熱棒外形９．５０ｍｍ〜１２．７ｍｍ、発熱長２．４４ｍ〜４．２７ｍ、軸方向出力分布一様又は非一様、水力等価直径９．４ｍｍ〜１５．２ｍｍ、支持格子間隔３３０ｍｍ〜８１３ｍｍである。

図６に示すように、限界熱流束予測装置１００は、図７のセンサ２０４および２０５から出力される出力信号ｉｓを入力処理回路１０１に備えられるノイズフィルタやＡ／Ｄコンバータ等により、処理部１２０が利用できる信号に変換する。処理部１２０は、入力ポート１０２を介して出力信号ｉｓを取り込み、記憶部１２５へサンプリングした出力信号ｉｓを実験データとして保存する。また、予め記憶部１２５に実験条件が保存されていない場合には、キーボードなどの入力手段１０６により、実験条件を入力しておき、入力処理回路１０１、入力ポート１０２を介して、記憶部１２５に保存しておくことが好ましい。そして、限界熱流束予測装置１００は、実験条件データと、実験の計測データを紐付けした状態で実験データをデータベース化し記憶部１２５へ保存する。

図６から図１３を参照して、限界熱流束予測手順について説明する。図８は、限界熱流束予測手順について説明するフロー図である。

図６及び図８に示すように、限界熱流束予測装置１００は、限界熱流束予測を開始する（ステップＳ３００）。まず、限界熱流束予測装置１００は、記憶部１２５から、処理部１２０のメモリへサンプリングした実験データ（実験条件データと計測データ）を読み込むロードステップを開始する（ステップＳ３０１）。ここで読み込まれる実験データは、上述した炉心の実形状模擬燃料実験において、冷却材３２の圧力、質量速度、及び温度について、種々の規定された条件ごとに取得された実験データである。

分析すべき全ての実験データをメモリにロードすると、サブチャンネル解析部１２２は、炉心の実形状模擬燃料実験装置における出力、圧力、温度、質量速度、炉心内出力分布等の情報を既存のサブチャンネル解析コードに与えて、炉心の実形状模擬燃料実験装置内の３次元的な流体挙動を求める。例えば、既存の解析コードとしては、公知の解析コードが使用可能である。限界熱流束予測装置１００は、実験データプロット部１２１においてサブチャンネル解析部１２２により解析された実験データを散布図にする。散布図は、限界熱流束を縦軸に、熱平衡クオリティを横軸にとり、実験データがプロット（打点）されることにより作成される。実験データプロット部１２１は、散布図におけるプロットの分布である相関プロット分布Ｚが得られる（ステップＳ３０２）。

次に、図６に示す限界熱流束相関式算出部１２３は、相関プロット分布Ｚに近似する近似曲線を求める。ここで、近似曲線の計算にはモデル関数を用いる。実施形態１では、モデル関数は、熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関数としてロジスティック式を限界熱流束相関式とする。ロジスティック式は下記「数５」で表される式（１）で表すことができる。ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。

図８に示すように、式（１）が、記憶部１２５から読み出され、処理部１２０のメモリにロードされる（ステップＳ３０３）。

ここで、限界熱流束相関式算出部１２３は、例えば、最小二乗法を用いてモデル関数であるロジスティック式（式（１））が、相関プロット分布Ｚを近似するように、係数Ａ、Ｋ、Ｃを算出する（ステップＳ３０４）。限界熱流束相関式算出部１２３は、係数Ａ、Ｋ、Ｃを求めることにより、ロジスティック式である式（１）で相関プロット分布Ｚを近似する。このようにして係数Ａ、Ｋ、Ｃを決定することにより、冷却材３２の質量速度及び圧力がある条件において、限界熱流束と熱平衡クオリティとの相関式が得られる。限界熱流束と熱平衡クオリティとの相関式は、上述した炉心の実形状模擬燃料実験におけるすべての質量速度及び圧力の条件において、上述した手法により求められる。したがって、係数Ａ、Ｋ、Ｃの組み合わせは、上述した炉心の実形状模擬燃料実験におけるすべての質量速度及び圧力の条件の数だけ存在することになる。

前記相関式を用いて限界熱流束を求める場合、求めたい条件の冷却材の質量速度及び圧力に対応する係数Ａ、Ｋ、Ｃを式（１）に与えたものを用いればよい。例えば、上述した炉心の実形状模擬燃料実験の範囲において、冷却材の質量速度と圧力との組み合わせに対する係数の値を記述したデータテーブルを、それぞれの係数Ａ、Ｋ、Ｃについて作成し、記憶部１２５へ保存しておく。そして、前記相関式を用いて限界熱流速を求める場合、求めたい条件における冷却材の質量速度及び圧力に対応する係数Ａ、Ｋ、Ｃを、前記データテーブルから読み出し、得られた係数Ａ、Ｋ、Ｃを式（１）に与え、求めたい条件における限界熱流束と熱平衡クオリティとの相関式を作成する。

また、それぞれの係数Ａ、Ｋ、Ｃについて、冷却材の質量速度及び圧力に対する近似式を作成し、求めたい条件における冷却材の質量速度及び圧力に対応する係数Ａ、Ｋ、Ｃを求めてもよい。すなわち、係数Ａ、Ｋ、Ｃについて、冷却材の質量速度及び圧力を変数とした近似式を作成し、これを用いて必要な係数Ａ、Ｋ、Ｃを決定してもよい。例えば、係数Ａと、上述した炉心の実形状模擬燃料実験の範囲における冷却材の質量速度及び圧力との関係を用いて、冷却材の質量速度及び圧力を変数とした係数Ａの近似式を最小二乗法などにより作成する。係数Ｋ、Ｃについても同様に求める。そして、得られた係数Ａ、Ｋ、Ｃの近似式を記憶部１２５へ保存しておく。前記相関式を用いて限界熱流速を求める場合、求めたい条件における冷却材の質量速度及び圧力を前記近似式に与えることにより、係数Ａ、Ｋ、Ｃを得る。得られた係数Ａ、Ｋ、Ｃを式（１）に与え、求めたい条件における限界熱流束と熱平衡クオリティとの相関式を作成する。

図９から図１１は、予め係数Ａ、Ｋ、Ｃを計算した結果を例示する説明図である。図９は、モデル関数であるロジスティック式（式（１））において、限界熱流束を縦軸に熱平衡クオリティ（ｘ(-)）を横軸にとり、係数Ｋ、Ｃを固定し、Ａを変動させている。具体的には、係数Ｋ、ＣがＫ＝４、Ｃ＝１．３に固定されている。図９に示すように、ＡがＡ＝８０００、１００００、１２０００、１４０００と変動すると、Ａが増えるに従って限界熱流束が増加する。また、熱平衡クオリティが大きくなるに従い限界熱流束がＡの値に関わらず一定の限界熱流束の値に収束することが分かる。また、図１０は、モデル関数であるロジスティック式（式（１））において、限界熱流束を縦軸に熱平衡クオリティ（ｘ(-)）を横軸にとり、係数Ａ、Ｃを固定し、Ｋを変動させている。具体的には、係数Ａ、ＣがＡ＝１２０００、Ｃ＝１．３に固定されている。図１０に示すように、ＫがＫ＝３、４、５と変動すると、Ｋが増えるに従って限界熱流束が減少する。図１１は、モデル関数であるロジスティック式（式（１））において、限界熱流束を縦軸に熱平衡クオリティ（ｘ(-)）を横軸にとり、係数Ａ、Ｋを固定し、Ｃを変動させている。具体的には、係数Ａ、ＫがＡ＝１２０００、Ｋ＝４に固定される。図１１に示すように、ＣがＣ＝１．２、１．３、１．４と変動すると、Ｃが増えるに従って限界熱流束が増加する。このように、限界熱流束相関式算出部１２３が係数Ａ、Ｋ、Ｃのモデル関数の挙動を計算しておき、係数Ａ、Ｋ、Ｃデータベースとして、記憶部１２５に保存しておくことができる。モデル関数で相関プロット分布Ｚに近似させるように、限界熱流束相関式算出部１２３は、係数Ａ、Ｋ、Ｃデータベースを参照し、モデル関数に係数Ａ、Ｋ、Ｃを代入した結果が最も近くなる組み合わせを特定する。そして、限界熱流束相関式算出部１２３が特定した係数Ａ、Ｋ、Ｃをモデル関数であるロジスティック式（式（１））へ入力することができる。変曲点を有している相関プロット分布Ｚや収束曲線である相関プロット分布Ｚであってもモデル関数で近似させることが可能となる。実験条件と係数Ａ、Ｋ、Ｃとをデータベースに登録し、実験条件と係数Ａ、Ｋ、Ｃの間に相関がみられる場合には、係数Ａ、Ｋ、Ｃが、例えばそれぞれの係数ごとに圧力と流量との関数で表される。又は、実験条件、例えば支持格子間隔などの形状要素も含めて、係数Ａ、Ｋ、Ｃが例えば、それぞれの係数ごとに圧力と流量との関数で表わされる。そして、限界熱流束相関式算出部１２３は、実験条件の関数で表された係数Ａ、Ｋ、Ｃをモデル関数であるロジスティック式（式（１））へ入力することができる。

図８に示すように、限界熱流束相関式算出部１２３が係数Ａ、Ｋ、Ｃ（ステップＳ３０４）を入力したモデル関数は、限界熱流束相関式となる。次に、図８に示すように、図６の限界熱流束相関式算出部１２３が限界熱流束相関式に所定範囲の熱平衡クオリティを代入し熱流束を算出し、限界熱流束相関式による曲線Ｑが図６の処理部１２０のメモリに保持される（ステップＳ３０５）。次に、限界熱流束相関式による曲線Ｑと、相関プロット分布Ｚと比較する（ステップＳ３０６）。限界熱流束相関式算出部１２３は、限界熱流束相関式による曲線Ｑで求めた値と相関プロット分布Ｚとが一致（Ｑ＝Ｚ）した場合及び一致しなくても両者が予め定められた許容誤差以内の乖離である場合（Ｑ≒Ｚ）は、係数Ａ、Ｋ、Ｃが入力された限界熱流束相関式を出力ポート１０３へ出力する（ステップＳ３０７）。なお、許容誤差は、記憶部１２５に予め保存しておくことが好ましく、比較の際基準として処理部１２０のメモリにロードされる。また、限界熱流束相関式による曲線Ｑと相関プロット分布Ｚとが一致しない場合及び一致しなくても許容誤差以上の乖離がある場合は、再度係数Ａ、Ｋ、Ｃの算出ステップ（ステップＳ３０３）からやり直すことになる。

例えば、図１２及び図１３は、実験データが、限界熱流束を縦軸に熱平衡クオリティ（x(-)）を横軸にとり、相関プロット分布Ｚとして描画されている。図１２に示す実験条件は、圧力７ＭＰａ、質量速度５００ｋｇ／ｍ^２ｓである。図８において、ステップＳ３０４の係数Ａ、Ｋ、Ｃは、Ａ＝８０８４、Ｋ＝２．８６、Ｃ＝０．７４とされる。限界熱流束相関式による曲線Ｑは、図１２に相関プロット分布Ｚと重ね合わせてみるとほぼ一致した近似曲線となりフィッティングされていることが分かる。また、別の実験条件として、図１３に示す実験条件は、圧力１４ＭＰａ、質量速度２５００ｋｇ／ｍ^２ｓである。図８において、ステップＳ３０４の係数Ａ、Ｋ、Ｃは、Ａ＝８２０８、Ｋ＝５．９１、Ｃ＝１．１２とされる。限界熱流束相関式による曲線Ｑは、図１３に相関プロット分布Ｚと重ね合わせてみるとほぼ一致した近似曲線となりフィッティングされていることが分かる。図１２及び図１３により、少なくとも圧力、質量速度の各条件により、相関プロット分布Ｚは変化する。限界熱流束相関式による曲線Ｑは、圧力、質量速度の各条件が変わっても相関プロット分布Ｚに近似できる。実施形態１の限界熱流束予測装置１００は限界熱流束相関式を非直線とすることができる。つまり、実施形態１の限界熱流束予測装置１００は、熱平衡クオリティが広範囲でも精度の高い限界熱流束を予測できる。例えば、従来の一次関数の予測式を用いる限界熱流束予測装置は最大で−０．１９〜＋０．３２の範囲の熱平衡クオリティに対し、限界熱流束を予測できた。実施形態１によれば、限界熱流束予測装置１００は、熱平衡クオリティの範囲−０．５０〜＋１．００の限界熱流束を精度よく予測できる。

出力された限界熱流束相関式（ステップＳ３０７）のデータは、その実験条件と共に、安全評価システムに出力信号ｉｄとして出力される。限界熱流束予測装置１００の処理部１２０は、出力された限界熱流束相関式を用いて、所定の熱平衡クオリティの場合における限界熱流束を高精度に予測できる。例えば、限界熱流束予測装置１００の処理部１２０は、実験データが存在するデータ間の熱平衡クオリティに対する限界熱流束を予測することができる。また、送出データを確認できるように、表示手段１０５にも限界熱流束相関式が表示されるとより好ましい（ステップＳ３０８）。その後、限界熱流束予測装置１００は処理を終了する（ステップＳ３０９）。

図１４は、限界熱流束相関式を用いて安全評価を行う安全評価システムを説明する説明図である。図１４に示すように、安全評価システム１５０は、入力処理回路１５１と、入力ポート１５２と、処理部１７０と、記憶部１７６と、出力ポート１５３と、出力処理回路１５４と、表示手段１５５、必要があればキーボードなどの入力手段１５６とを有する。処理部１７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）とメモリとを組み合わせて構成することができる。処理部１７０は、炉心条件算出部１７１と、サブチャンネル解析部１７２と、限界熱流束比算出部１７３と、安全判断評価部１７４と、制御部１７５とを有する。このうち、炉心条件算出部１７１と、サブチャンネル解析部１７２と、限界熱流束比算出部１７３と、安全判断評価部１７４とが、実施形態１に係る安全評価を実行する部分となる。

処理部１７０と、記憶部１７６と、入力ポート１５２及び出力ポート１５３とは、バス１６１〜バス１６３とを介して接続される。バス１６１〜バス１６３と制御部１７５とにより、安全評価システム１５０の処理部１７０を構成する炉心条件算出部１７１と、サブチャンネル解析部１７２と、限界熱流束比算出部１７３と、安全判断評価部１７４とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。

入力ポート１５２には、入力処理回路１５１が接続されている。入力処理回路１５１には、図１に示した計測装置９が接続されている。さらに、限界熱流束予測装置１００とＬＡＮ回線を通じて接続されている。本実施形態では、限界熱流束予測装置１００と安全評価システム１５０がＬＡＮ回線を通じて接続されている。例えば、限界熱流束予測装置１００の出力信号ｉｄのデータが安全評価システム１５０に投入されていればよいので、限界熱流束予測装置１００の出力信号ｉｄのデータをオフラインにて、コンピュータ読み取り可能な記録媒体を介して安全評価システム１５０に投入し、記憶部１７６に保存してもよい。計測装置９から出力される出力信号ｉｐは、入力処理回路１５１に備えられるノイズフィルタやＡ／Ｄコンバータ等により、処理部１７０が利用できる信号に変換されてから、入力ポート１５２を介して処理部１７０へ送られる。これにより、処理部１７０は、限界熱流束比を求めるために必要な情報を取得することができる。

出力ポート１５３には、出力処理回路１５４が接続されている。出力処理回路１５４には、表示手段１５５や、外部出力用の端子が接続されている。出力処理回路１５４は、表示手段制御回路や、信号増幅回路等を備えており、処理部１７０で算出された安全評価を、表示手段１５５に表示させたり、外部機器へ出力したりする。表示手段１５５は、例えば液晶表示パネルやＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等を用いることができる。

記憶部１７６には、この実施形態に係る安全評価の処理手順を含むコンピュータプログラムや限界熱流束比を推定するためのコンピュータプログラム、サブチャンネル解析コード等が格納されている。ここで、記憶部１７６は、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ハードディスクドライブあるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、処理部１７０へすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施形態に係る安全評価の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この安全評価システム１５０は、コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、炉心条件算出部１７１と、サブチャンネル解析部１７２と、限界熱流束比算出部１７３と、安全判断評価部１７４との機能を実現するものであってもよい。

また、この実施形態に係る安全評価は、予め用意された安全評価用プログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーション、あるいはプラント制御用コンピュータ等のコンピュータシステムで実行することによって実現することもできる。また、このプログラムは、ハードディスク等の記録装置、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フラッシュメモリなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器などのハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」には、インターネットなどのネットワークや電話回線などの通信回線網を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含むものとする。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

図１４及び図１５を参照して安全評価手順について説明する。図１５は、安全評価手順について説明するフロー図である。図１５に示すように、安全評価システム１５０は、炉心の安全評価を開始する（ステップＳ３２０）。安全評価システム１５０は、予めキーボードなどの入力手段１５６により入力され、記憶部１７６に保存された原子炉の初期条件を読み込むロードステップを開始する（ステップＳ３２１）。原子炉の初期条件とは、例えば、燃料集合体の主要寸法や、燃料集合体の形状条件、多数の燃料集合体から形成される炉心形状などである。

次に、処理部１７０の炉心条件算出部１７１は、原子炉の初期条件と計測装置９からの出力信号ｉｐとを解析した測定データから既存の解析コードにより、原子炉の状況解析を行う（ステップＳ３２２）。例えば、既存の解析コードとしては、公知の解析コードが使用可能である。サブチャンネル解析部１７２は、炉心条件算出部１７１の状況解析により出力された原子炉の出力、圧力、温度、質量速度、炉心内出力分布等の情報をえる（ステップＳ３２３）。サブチャンネル解析部１７２は、炉心条件算出部１７１の状況解析により出力された原子炉の出力、圧力、温度、質量速度、炉心内出力分布等の情報を既存のサブチャンネル解析コードに与えて、炉心内の３次元的な流体挙動を求める（ステップＳ３２４）。例えば、既存のサブチャンネル解析コードは、公知の解析コードが使用可能である。

次に、限界熱流束比算出部１７３は、限界熱流束予測装置１００で求めた限界熱流束相関式を記憶部１７６から処理部１７０のメモリに読み出す。限界熱流束相関式は、ロジスティック式である。また、前述の通り、ロジスティック式は熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関数である式（１）で表される。ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。また、限界熱流束比とは、限界熱流束と実際の熱流束の比をいう。炉心内で最も熱的に厳しい燃料棒の限界熱流束比を最小限界熱流束比という。限界熱流束比算出部１７３は、サブチャンネル解析部１７２で解析した炉心内で最も熱的に厳しい燃料棒の限界熱流束比を限界熱流束予測装置１００で求めた限界熱流束相関式を用いて算出し、最小限界熱流束比の評価値とする（ステップＳ３２５）。そして、安全判断評価部１７４は、炉心内で最も熱的に厳しい燃料棒において、限界熱流束相関式の信頼度９５％×確率分布９５％で限界熱流束を生じないとした最小限界熱流束比の許容限界値、例えば１．１７を記憶部１７６から読み込み、ステップＳ３２５において算出した最小限界熱流束比の評価値と許容限界値とを比較する（ステップＳ３２６）。最小限界熱流束比の許容限界値よりも最小限界熱流束比の評価値が上回っている場合には、安全と判断し、評価データを出力する（Ｓ３２７）。評価データは例えば、設計データベースに登録され蓄積される。また、評価データを確認できるように、表示手段１５５にも評価データが表示されるとより好ましい（ステップＳ３２８）。その後、安全評価システム１５０は処理を終了する（ステップＳ３２９）。

安全評価システム１５０及び安全評価手順により出力した評価データは、原子炉の燃料棒の熱的余裕を評価するデータとして使用される。原子炉の燃料棒の熱的余裕が高い設計をすることにより、原子炉の炉心の信頼性が高まる。また、評価データは、通常運転時及び異常な過渡変化時の原子炉の燃料健全性を判断することに使用される。また、評価データは事故解析に使用されることもできる。

次に、図１、図１４、図１５及び図１６を用いて実施形態１の炉心燃料評価監視システムについて説明する。炉心燃料評価監視システムは、図１４に示す安全評価システム１５０を図１に示すプラント制御装置１０に組み込んだシステムである。図１６は、炉心燃料評価監視の手順を説明するフロー図である。

図１に示すように、炉心３内のセンサ１５からの計測データは、適宜継続的に取り込まれ計測装置９で蓄積管理されている。図１６に示すように、計測装置９は、例えば、圧力、出力、温度、質量速度などの計測データを取り込み、計測データを保存する（ステップＳ３５０）。次に、計測装置９は、圧力、出力、質量速度、温度などの各計測データの時間変化を算出し、過渡データとして出力する（ステップＳ３５１）。次に、プラント制御装置１０内の安全評価システム１５０は、計測装置９からの原子炉の各計測データ及び各過渡データが入力処理回路１５１を介して入力される。安全評価システム１５０は、図１５に示す安全評価手順に従って、最小限界熱流束比を算出する。図１４の安全評価システム１５０は、原子炉の過渡データから最小限界熱流束比の予測値を算出する。また、安全判断評価部１７４は、将来的に最小限界熱流束比が許容限界値以下となる迄の時間を予測する（ステップＳ３５２）。安全判断評価部１７４が最小限界熱流束比の値が許容限界値より大きいと判断した場合、炉心燃料評価監視システムは原子炉データの計測ステップ（ステップＳ３５０）に戻る。安全判断評価部１７４は、最小限界熱流束比が許容限界値以下となると判断した場合、又は将来的に最小限界熱流束比が許容限界値以下となる迄の時間が所定以内であると判断した場合、プラント制御装置１０は制御棒制御装置６を駆動し、連結棒５に連結された制御棒４が炉心３へ挿入される（炉心トリップ）。炉心燃料評価監視システムは、図１に示す表示手段１１に警告表示をする（ステップＳ３５３）。

原子炉の通常運転時、炉心燃料評価監視システムは、リアルタイムで最小限界熱流束比の値を図１の表示手段１１に表示し、最小限界熱流束比の値が許容限界値より大きい状態であることを監視する。次に、原子炉の異常な過度現象、例えば、冷却材を循環させるための冷却ポンプの不具合を考える。限界熱流束比算出部１７３が算出する最小限界熱流束比の値は許容限界値を初期では上回っている。冷却ポンプが徐々に炉心３の冷却材３２の流量を減じるように劣化した場合、安全判断評価部１７４は、将来的に最小限界熱流束比が最小限界熱流束比評価値以下となる迄の時間が所定以内であると判断すると、表示手段１１に異常と考えられる要因とともに警告を表示させる。実施形態１の炉心燃料評価監視システムは、熱平衡クオリティが広範囲でも精度の高い限界熱流束を予測できる。つまり、上述の式（１）を利用した最小限界熱流束の予測精度が高いので、原子炉の異常な過度現象における最小限界熱流束比の値を高精度に予測することができる。よって、本発明の炉心燃料評価監視システムは、原子炉の通常運転時の場合及び運転時の異常な過渡変化の場合において、安全に原子炉を制御できる。

（実施形態２）
次に、原子炉１が沸騰水型原子炉（ＢＷＲ： Boiling Water Reactor）である場合は、被覆管間の冷却材の流路中心には蒸気が存在し、被覆管の壁面近傍には液膜が流れている。実施形態２での限界熱流束は、液膜が消失してしまうことであり、ドライアウトという。そして、沸騰水型原子炉では、原子炉の安全評価の対象は局所的な熱流束ではなく、燃料集合体全体である。そこで、燃料集合体の最も熱的不利な位置において沸騰遷移のおこる限界出力を求めることが必要である。

図６〜図８を参照して、実施形態２の限界熱流束予測の手順について説明する。前述の図７に示す模擬燃料棒３１を本実施形態２では模擬燃料集合体に置き換えて実験する。模擬燃料集合体は、例えば９×９燃料である。図６に示す限界熱流束予測装置１００は、図８に示すように限界熱流束予測を開始する（ステップＳ３００）。まず、限界熱流束予測装置１００は、記憶部１２５から処理部１２０のメモリへサンプリングした実験データ（実験条件データと計測データ）を読み込むロードステップを開始する（ステップＳ３０１）。限界熱流束予測装置１００は、メモリに分析すべき全ての実験データをロード完了する。実施形態１と異なり計測データは全体出力である。そこで、計測データである全体出力を初期データとして記憶している燃料集合体の断面積で除算し、除算値を限界熱流束とする。実験データプロット部１２１において実験データを散布図にする。散布図は、限界熱流束を縦軸に、熱平衡クオリティを横軸にとり、実験データがプロット（打点）されることにより作成される。実験データプロット部１２１は、散布図におけるプロットの分布である相関プロット分布Ｚが得られる（ステップＳ３０２）。

次に、図６に示す限界熱流束相関式算出部１２３は、相関プロット分布Ｚに近似する近似曲線を求める。ここで、近似曲線の計算にはモデル関数を用いる。実施形態２では、モデル関数は、熱平衡クオリティの関数としてロジスティック式を限界熱流束相関式とする。次のロジスティック式は実施形態１で前述の式（１）で表すことができる。ここで、ｑ”は、限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティである。図８に示すように、式（１）が、記憶部１２５から読み出され、処理部１２０のメモリにロードされる（ステップＳ３０３）。ロジスティック式である式（１）は、係数Ａ、Ｋ、Ｃを含むので、係数を算出し決定する必要がある（ステップＳ３０４）。係数の決定は実施形態１と同様に行う。図８に示すように、限界熱流束相関式算出部１２３が係数Ａ、Ｋ、Ｃ（ステップＳ３０４）を入力したモデル関数は、限界熱流束相関式となる。次に、図８に示すように、図６の限界熱流束相関式算出部１２３が限界熱流束相関式に所定範囲の熱平衡クオリティを代入し熱流束を算出し、限界熱流束相関式による曲線Ｑが図６の処理部１２０のメモリに保持される（ステップＳ３０５）。次に、限界熱流束相関式による曲線Ｑと、相関プロット分布Ｚと比較する（ステップＳ３０６）。限界熱流束相関式算出部１２３は、限界熱流束相関式による曲線Ｑで求めた値と相関プロット分布Ｚとが一致（Ｑ＝Ｚ）した場合及び一致しなくても両者が予め定められた許容誤差以内の乖離である場合（Ｑ≒Ｚ）は、係数Ａ、Ｋ、Ｃが入力された限界熱流束式相関式を出力ポート１０３へ出力する（ステップＳ３０７）。なお、許容誤差は、記憶部１２５に予め保存しておくことが好ましく、比較の際基準として処理部１２０のメモリにロードされる。また、限界熱流束相関式による曲線Ｑと相関プロット分布Ｚとが一致しない場合及び一致しなくても許容誤差以上の乖離がある場合は、再度係数Ａ、Ｋ、Ｃの算出ステップ（ステップＳ３０３）からやり直すことになる。出力された限界熱流束相関式（ステップＳ３０７）のデータは、その実験条件と共に、安全評価システムに出力信号ｉｄとして出力される。また、送出データを確認できるように、表示手段１０５にも限界熱流束相関式が表示されるとより好ましい（ステップＳ３０８）。その後、限界熱流束予測装置１００は処理を終了する（ステップＳ３０９）。

図１、図１４及び図１７を参照して実施形態２の安全評価手順について説明する。図１７は、実施形態２の安全評価手順について説明するフロー図である。図１７に示すように、安全評価システム１５０は、炉心の安全評価を開始する（ステップＳ４００）。安全評価システム１５０は、予めキーボードなどの入力手段１５６により入力され、記憶部１７６に保存された原子炉の初期条件を読み込むロードステップを開始する（ステップＳ４０１）。原子炉の初期条件とは、例えば、燃料集合体の主要寸法や、燃料集合体の形状条件などである。

次に、処理部１７０の炉心条件算出部１７１は、原子炉の初期条件と計測装置９からの出力信号ｉｐとを解析した測定データから既存の解析コードにより、原子炉の状況解析を行う（ステップＳ４０２）。例えば、既存の解析コードとしては、公知の解析コードが使用可能である。サブチャンネル解析部１７２は、炉心条件算出部１７１の状況解析により出力された原子炉の出力、圧力、温度、質量速度、エンタルピ等の情報をえる（ステップＳ４０３）。サブチャンネル解析部１７２は、炉心条件算出部１７１の状況解析により出力された原子炉の出力、圧力、温度、質量速度、エンタルピ等の情報をサブチャンネルコードに与えて、炉心内の３次元的な流体挙動を求める（ステップＳ４０４）。例えば、サブチャンネル解析部１７２で用いるサブチャンネル解析コードとしては、公知の解析コードが使用可能である。

次に、限界熱流束比算出部１７３は、限界熱流束予測装置１００で求めた限界熱流束相関式を記憶部１７６から処理部１７０のメモリに読み出す。ここで、限界熱流束相関式は、ロジスティック式である。また、前述の通り、ロジスティック式は熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関数である式（１）で表される。ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティである。限界熱流束比とは、限界熱流束と実際の熱流束の比をいう。実施形態２は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ： Boiling Water Reactor）であるので、限界出力比ＣＰＲ（Critical Power Ratio)が限界出力と燃料集合体の出力の比から求められる。限界熱流束比算出部１７３は、サブチャンネル解析部１７２で解析した炉心内で最も熱的に厳しい燃料棒の限界熱流束比が１となるような燃料集合体の限界出力を限界熱流束相関式に基づき求める。そして、限界出力と実際の燃料集合体の出力との比を算出する（ステップＳ４０５）。この炉心内で最も熱的に厳しい燃料棒を含む燃料集合体の限界出力比を最小ＣＰＲという。運転時の異常な過渡変化時において炉心内の全ての燃料のうち９９．９％が限界熱流束を生じないために守るべき通常運転時の最小ＣＰＲとして予め定められた最小ＣＰＲの制限値を記憶部１７６から読み込み、算出した最小ＣＰＲと比較する（ステップＳ４０６）。最小ＣＰＲ制限値よりも算出した最小ＣＰＲが上回っている場合には、評価を安全とし、評価データを出力する（ステップＳ４０７）。評価データは例えば、設計データベースに登録され蓄積される。また、評価データを確認できるように、表示手段１５５にも評価データが表示されるとより好ましい（ステップＳ４０８）。その後、安全評価システム１５０は処理を終了する（ステップＳ４０９）。実施形態１と同様に、実施形態２に説明した安全評価システム及び安全評価手順を炉心燃料評価監視システムとして組み込むことは可能である。

以上のように、本発明に係る限界熱流束予測装置、限界熱流束予測方法、安全評価システム及び炉心燃料評価監視システムは、原子炉に有用であり、特に、燃料棒の限界熱流束を予測すること及び燃料棒の熱的余裕を評価することに適している。

１ 原子炉
２ 圧力容器
３ 炉心
４ 制御棒
６ 制御棒制御装置
９ 計測装置
１０ プラント制御装置
１１、１０５、１５５ 表示手段
１２、１０６、１５６ 入力手段
１５ センサ
３０ 燃料集合体
３１ 燃料棒
３２ 冷却材
３３ 支持格子
３４ 上部ノズル
３５ 下部ノズル
６１ 燃料ペレット
６２ 被覆管
６３ スプリング
１００ 限界熱流束予測装置
１０１、１５１ 入力処理回路
１０２、１５２ 入力ポート
１０３、１５３ 出力ポート
１０４、１５４ 出力処理回路
１１１〜１１３、１６１〜１６３ バス
１２０、１７０ 処理部
１２１ 実験データプロット部
１２２ サブチャンネル解析部
１２３ 限界熱流束相関式算出部
１２４、１７５ 制御部
１２５、１７６ 記憶部
１５０ 安全評価システム
１７１ 炉心条件算出部
１７２ サブチャンネル解析部
１７３ 限界熱流束比算出部
１７４ 安全判断評価部
２００ 実験装置
２０１ 実験容器
２０２ 電源
２０３ ヒータ
２０４、２０５ センサ

Claims (7)

1. 熱流束を変更した実験条件ごとにサンプリングされた限界熱流束と、前記実験条件から定まる熱平衡クオリティとを含む実験データを記憶する記憶部と、
   前記実験データから熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関係を示す相関プロット分布を求める実験データプロット部と、
   前記限界熱流束を前記熱平衡クオリティの関数で表現したモデル関数であるロジスティック式で前記相関プロット分布を近似することにより、前記限界熱流束と前記熱平衡クオリティとの相関式を求める限界熱流束相関式算出部と、
   を含むことを特徴とする限界熱流束予測装置。
2. 前記ロジスティック式は、式（１）であることを特徴とする請求項１記載の限界熱流束予測装置。
   ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。
   

   
3. 熱流束を変更した実験条件ごとにサンプリングされた限界熱流束と、前記実験条件から定まる熱平衡クオリティとを含む実験データを取得するステップと、
   前記実験データから熱平衡クオリティに対する限界熱流束の関係を示す相関プロット分布を求める相関プロットステップと、
   前記限界熱流束を前記熱平衡クオリティの関数で表現したモデル関数であるロジスティック式で前記相関プロット分布を近似することにより、前記限界熱流束と前記熱平衡クオリティとの相関式を求める限界熱流束相関式算出ステップと、
   を含むことを特徴とする限界熱流束予測方法。
4. 前記ロジスティック式は、式（１）であることを特徴とする請求項３記載の限界熱流束予測方法。
   ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。
   

   
5. 原子炉の状況解析を行う炉心条件算出部と、
   前記原子炉の状況解析に応じて前記原子炉の炉心内の３次元的な流体挙動を求めるサブチャンネル解析部と、
   前記３次元的な流体挙動に基づき、炉心内で最も熱的に厳しい燃料棒の限界熱流束比を最小限界熱流束比として算出する限界熱流束比算出部と、
   前記最小限界熱流束比と許容制限値との比較により安全評価する安全判断評価部と、を有し、
   限界熱流束と実際の熱流束の比である前記限界熱流束比を求めるための限界熱流束相関式は、前記限界熱流束を熱平衡クオリティの関数で表現したモデル関数であるロジスティック式であることを特徴とする安全評価システム。
6. 前記ロジスティック式は、式（１）であることを特徴とする請求項５記載の安全評価システム。
   ここで、ｑ”は限界熱流束、ｘは熱平衡クオリティであり、Ａ、Ｋ、Ｃは係数である。
   

   
7. 原子炉の測定データを測定する測定装置と、
   前記原子炉を制御するプラント制御装置と、
   請求項５又は６に記載の前記安全評価システムと、を有し、
   前記安全評価システムは、前記測定データに基づいて算出した最小限界熱流束比と許容制限値との比較により安全評価し、前記安全評価に基づいて前記プラント制御装置が原子炉を制御することを特徴とする炉心燃料評価監視システム。

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