KR0180718B1 - 가압수형원자로의 제어방법 및 이 방법을 실행하는 원자로 - Google Patents

가압수형원자로의 제어방법 및 이 방법을 실행하는 원자로 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

가압수형 원자로의 제어 방법 및 이 방법을 실행하는 원자로
제1도는 전형적인 원자로의 노심의 수평 횡단면의 일부에 있어서의 제어봉의 위치 분포를 나타내는 도면.
제2도는 본 발명의 일예에 따라 어떤 주기 중에 원자로의 노심에 삽입할 반응 억제도를 나타내는 도면.
제3a도, 제3b도 및 제3c도는 노심에 삽입할 반응 억제도에 따라 축방향 오프셋의 변량, 엔탈피 증가율 FΔH 및 제1도의 원자로의 6개의 각도 분할 섹터(sectors) 중의 하나의 분할부 내에 있는 제어봉의 위치에 대한 예를 각각 나타내는 도면.
제4도는 제3c도와는 달리 삽입된 반응도의 함수인 제어봉의 위치의 가능한 분포를 나타내는 도면.
제5도는 하나의 섹터의 최고온 집합체에 있어서, ΔH의 함수인 엔탈피 증가율 FΔH(모든 통로에 걸쳐 평균값에 대한 최고온 통로에 있어서의 엔탈피 상승 또는 증가)를 나타내는 곡선의 일예를 나타내는 도면.
제6도는 본 발명의 방법을 실현하기 위한 일반적인 흐름도.
제7도는 제6도의 변형예를 나타내는 흐름도.
제8도는 방사(放射) 불균형을 감소시키는 다른 변형 실시예를 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 컴퓨터 26 : 구동기구
28 : 위치 검출 수단 30 : 계수기
32 : 비교기
본 발명은, 원자로 내의 노심(爐心)의 현재 출력과 요구 출력 사이의 차이를 표시하고 있는 감시 또는 운전 파라미터(예컨대, 노심의 평균 온도)가 불감대(不感帶: deadband)라고 부르는 소정의 범위를 벗어날 때 노심 내의 제어봉을 재배치하는 가압수형 원자로(加壓水型原子爐:PWR)의 제어 방법에 관한 것이다. 이 재배치되는 제어봉은 축방향 출력 오프셋(axial power offset)과 기준값 사이의 차이가 증가하는 것을 방지하도록 선택된다. 본 명세서에서 언급하고 있는 용어 축방향 출력 오프셋은 노심의 상부 절반 및 하부 절반에서의 중성자속(中性子束)과 그 전체 중성자속 사이의 차이의 비를 표시하거나, 또는 노심을 통과하는 냉각수의 이동 경로에 따른 중성자속의 불균형을 표시하는 또 하나의 파라미터이다.
전술한 형태의 제어 방법은 이미 공지되어 있다(EP-A-0,051,542 또는 FR-A-2,493,582). 제어봉은 핵분열성 동위 원소(예컨대, 하프늄)를 발생시키는 일이 없이 중성자를 고효율로 흡수하는 물질을 부하 추종(load follow: 제어봉이 노심에 전부 삽입될 때 통상적으로 대략 1000 pcm)에 대해 충분한 반응 억제도 또는 제어봉 값을 갖는 양만큼 함유하고 있다. 제어봉은 일반적으로 여러 다발의 제어봉으로 구성되며, 각 제어봉에는 과립형(顆粒形) 중성자 흡수 재료를 함유하고 있는 차폐층(遮弊層)이 마련된다.
EP-A-0,051,542에는 다음과 같은 제어 방법이 기재되어 있다.
-운전 파라미터가 불감대의 범위 밖에 있을 경우에는, 그 운전 파라미터의 값과 부호의 함수로서, 축방향 오프셋에 응답하여 선택된 일군의 제어봉에 대해(최종 출력과 기준값 사이의 차이가 증가하는 것을 방지하도록) 주어져야 하는 방향과 변위 속도를 계산한다.
-운전 파라미터가 불감대의 범위 안에 있을 경우에는, 축방향 오프셋을 감소시키기 위해 일군의 제어봉을 재배치하고, 최종 출력의 현재 값과 기준값 사이의 차이가 소정의 임계값을 초과할 때에만 붕소 농도의 변화에 의한 변위를 보상한다.
이 종래 기술의 방법은 제어봉(및 정상 운전시에는 항상 노심으로부터 제거되고, 원자로의 운전을 정지시키기 위해서만 삽입되어 그 정지상태를 유지하는 운전 정지봉) 이외에, 냉각수에 용해된 화합물 형태의 붕소의 사용을 필요로 하는데, 냉각수의 붕소 함량은 특히 핵연료의 점진적인 소모로 인한 반응도의 감소를 보상하고, 심각한 사고의 경우 반응 억제도를 크게 증가시키도록 변경된다. 따라서, 초기의 붕소 함량은 매우 고농도이어야 한다. 물의 붕소 함량도 역시 원자로의 출력을 조절하고, 특히 크세논 효과(xenon effect)의 변화를 보상하기 위해 변경되는 수가 가끔 있는데, 제어봉군은 신속한 운전 과도기 중의 반응도를 변화시키기 위해서만 재배치된다.
1차 냉각제를 형성하는 물에 용해된 붕소를 사용하는 것이 유리하다. 붕소의 사용에 의해 유도되는 반응 억제도는 노심 전체에 균일하게 분포된다. 한편, 심각한 결함도 있다. 붕소의 존재는 복잡한 설비에 의해 가공 처리되어야 하는 액체 유출물을 상당량 발생시키는 결과를 초래한다. 붕산은 몇 가지 재료, 특히 지르코늄계 합금 차폐층을 부식시킨다.
또 하나의 결점은, 붕소 주입계가 그 구조로 인해 상당한 시정수(時定數)를 가지고 있으므로, 심각한 사고의 경우에 원자로를 정지시키기 위해 붕소의 주입에만 의지하는 것은 위험하게 된다는 사실과 관련된다. 용해성 붕소가 필수적인 제어 요소로서 이용된다 하더라도, 흡수봉이 원자로의 비상 정지에 충분한 반응 억제도를 갖는 것이 반드시 필요하다. 부하 추종은 붕소 함량을 급속하게 감소시키는 가능성을 요한다. 노심의 소모 때문에 이것은 정상 운전을 위한 붕소 함량이 낮은 값으로 감소할 경우 불가능하게 된다.
1차 냉각제를 형성하는 물 중에 요하는 최대 붕소 함량 및/또는 운전 중의 붕소 함량 변화를 감소시키기 위한 방법들이 제안되어 왔다. FR-A-2,547,447에 의하면, 제어봉군을 변위시키고, 가능한 한 계산 결과를 고려하여 원자로 조건을 상태 φ(원자로의 실제 출력 및 축방향 분포를 나타냄)로부터 기준 상태 φC로 조정할 필요가 있을 때 제1순환로 중의 붕소 농도를 조절한다. 이 계산은 감속 계수와 같은 내부의 제어 불능의 파라미터를 고려하여, 외부 파라미터와 원자로 상태 간의 결합 관계의 예측을 포함하는 반복 계산에 의해 외부 파리미터(특히 제어봉군의 위치와 붕소 농도)에 주어져야 할 변량을 측정하는 것이다. 결합 관계가 측정되고 나면, 기준 상태 φC에 접근시키기 위해 외부 파라미터의 최적 변량을 측정한다. 그러나, FR-A-2,547,447에는 그러한 결합 관계가 어떻게 측정될 수 있는지에 대한 교시가 없으며, 축방향 출력 분포만을 고려한 것으로 보이지만, 방사 출력, 특히 출력 최대값의 발생 위험성을 무시하지 않는 것이 중요하다.
연료 소모를 보상하는 데 요하는 붕소 농도의 변화, 말하자면 최초 붕소 농도의 변화를 감소시키기 위한 또 하나의 방법은 열외 스펙트럼(epithermic spectrum)에서 시작하여 노심의 운전 주기 중에 중성자의 에너지 스펙트럼을 변화시키는 것이다. 이러한 방법에 관한 특허인 FR-A-2,496,319에서는 노심이 소모될 때 그레이봉(gray bars), 즉 감속 중성자 흡수성이 있는 제어봉이 제거된다. 이어서, 이들 그레이봉은 감속비를 증가시키고 중성자의 에너지 스펙트럼을 열에너지 영역에 인접하게 이동시키는 물로 교체된다. 원자로의 출력은 블랙봉(black bars)에 의해 제어된다. 이를 위해, 노심의 수 개의 영역 내에서 다수의 고정 검출기를 사용하여 국부적인 중성자속을 측정하고, 최소 출력 분포도(分布圖)를 최소한으로 교란시키면서 필요한 반응도 변화가 생성되게 하는 상기 블랙봉의 조합을 요구 출력의 함수로서 선택한다. 이 방법은 노심 내에 배치된 다수의 중성자속 검출기로부터의 데이터를 이용한 매우 복잡한 계산을 수반하지만, 여전히 원자로를 제어하기 위해 용해성 화합물인 붕소를 이용하는 데 대한 문제점을 완전하게 극복하지는 못하였다.
실제의 축방향 출력 오프셋과 지정값 사이의 차이를 최소화하거나 감소시키기 위해 시도되고 있는 원자로 설비를 제어하기 위한 기타의 방법들이 알려져 있다. 이러한 한 가지 방법이 유럽 특허 출원 제0,097,488호에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 원자로가 정상 조건에 있는 한, 통상 1차 냉각수를 형성하는 물의 붕소 함량을 변화시키는 일이 없이, 붕소 함량을 0으로 하여 부하 요구 변량을 충족시키는 것을 가능하게 하는 가압수형 원자로의 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. 더욱 상세하게 말하자면, 중간(intermediate)인 것으로 간주될 수 있는 온도에서 정지되는 동안이라 할지라도 정상 운전하에서의 붕소 함량을 변화시키는 일이 없이, 예컨대 평균 온도를 기준 온도에 가깝도록, 또 축방향 출력 오프셋을 기준값에 가깝게 유지함으로써 운전 파라미터를 그 기준값에 근접하게 유지시킬 수 있는 원자로의 제어 방법을 제공하기 위한 것이다. 또 다른 목적은 상기 결과에 도달하기 위해 방사 출력 분포의 교란을 회피하기 위한 것이다.
이를 위해서는, 전술한 종류의 방법(냉각제가 그 정상 운전 온도 또는 이 온도 근처에 있는 한, 중성자 흡수 제어봉은 원자로의 정상 조업 중에, 그리고 원자로가 긴급 정지되어야 하는 사고시에 발생하는 전체 반응도의 변량(變量)을 보상하기에 충분한 반응 억제도 또는 반응 억제값을 가진다)이 제공되는데, 이 방법에 있어서 운전 파라미터가 불감대 범위 밖에 있거나, 또는 축방향 출력 오프셋이 기준값을 초과할 경우에는 노심 내부의 엔탈피 증가율을 최소로 하면서 상기 운전 파라미터 및/또는 오프셋을 이들의 정상값으로 조정하기 위해 어떤 제어봉이 변위(變位)되는지를 예측하는 데 시뮬레이션 처리법이 이용된다. 상기 엔탈피 증가는 노심의 출구에서의 엔탈피(온도의 2항 함수)의 값과, 가능하다면 그 이전(以前)의 시간에 노심의 입구에서의 엔탈피 사이의 차이라고 정의되며, 엔탈피 증가율은 상기 증가의 최대값과 노심(노심의 소정의 섹터에서)에서의 그의 평균값 사이의 비율이라 정의된다.
원자로의 운전 안정화에는 반응도 변량을 중화시키기 위한 수단 및 제어봉의 파손시에 중성자 반응을 정지시키기 위한 수단의 용장도(冗長度)가 요구된다.
붕소를 사용하지 않고 제어하는 경우, 이 결과는 원자로의 운전 정지를 유발할 뿐이고 정상 운전 상태 도중에 노심으로부터 완전히 제거되는 블랙봉과, 그레이제어봉, 즉 각개 반응 억제도가 중성자 흡수도가 낮은 재료로 만든 투명봉(透明棒)의 반응 억제도와 상기 블랙봉의 반응 억제도간의 중간인 제어봉을 제공함으로써 달성될 수 있다.
만약, 그레이 제어봉의 전체로서의 반응 억제도 또는 억제값이 충분히 크면, 상기 용장도는 제어봉계의 하나가 고장났을 경우에도 긴급한 운전 정지를 여전히 가능하게 한다.
스펙트럼 변동 원자로의 경우, 운전 정지봉의 반응 억제도와 제어봉의 반응 억제도의 합은, 모든 제어봉이 노심 내에 삽입될 때, 냉각제를 형성하는 물의 온도가 정상 운전 온도로부터 중간값으로 하강할 경우라 하더라도, 임계 사고(criticality)가 회피되도록 역시 충분하여야 한다. 붕소의 주입은 냉각제가 차가울 때 원자로를 정지 상태로 유지하는 것을 제외하고는 더 이상 필요하지 않다.
다수의 그레이 제어봉(일반적으로, 반응 억제도는 각각 블랙봉의 반응 억제도의 실질적으로 절반, 예컨대 150pcm 대신에 75pcm 임)이 필요하게 되기 때문에, 이들 제어봉은 2개조(個組)로 분배하는 것이 유리한데, 1개조의 각 제어봉(또는 그의 구동 기구)은 다른 1개조의 하나의 제어봉(또는 그의 구동 기구)과 동축을 이루고 있다. 따라서, 원자로 용기의 덮개를 통한 침투의 수효는 감소된다.
본 발명의 제어 방법에는 많은 장점이 있다. 정상 운전 중에는 냉각수에 다량의 붕소를 요하지 않기 때문에, 온도 함수로서의 반응도 변량의 계수는 항상 높은 부(負)의 값인데, 이는 노심의 온도를 증가시키는 경향이 있는 모든 경우에 유용하다. 제어봉의 높은 반응 억제도 값은 수증기 순환 도관에 파손이 있을 경우, 원자로가 임계 상태가 되어 파괴되는 위험성은 더 이상 일어나지 않게 된다는 것을 의미한다. 트리튬의 생성량은 감소된다. 1차 방출량이 감소된다. 재배치할 제어봉(또는 제어봉들)을 예측하는 선택된 방법은, 원자로의 부하 추종운전을 가능하게 하면서, 중성자속의 방사 분포 피크 인자를 회피 또는 감쇠하는 것을 가능하게 한다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제어되도록 장치된 원자로를 제공한다.
본 발명은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아닌 예시의 목적으로 주어진 특정의 실시예에 따른 방법 및 원자로에 대한 이하의 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다. 이 설명에는 첨부된 도면이 참조된다.
이하에 설명되는 본 발명의 실시예는 본 발명의 방법을, 예컨대 출력이 1300 MW이고, 노심의 단면이 6각형인 병치된 연료 집합체에 의해 구성되어 있는 가압수형 출력 원자로에 적용하는 대표적인 예로 간주될 수 있다. 본 발명은 4각형의 원료 집합체가 배열된 노심에도 역시 적용될 수 있지만, 상기 원자로의 일반적인 구조는 EP-A-0,231,710에 개시되어 있는 것과 같이 현재 개발 중인 가압수형 원자로와 유사하기 때문에 본 명세서에서는 설명하지 않겠다.
본 발명이 적용될 수 있는 원자로가 통합되어 있는 전체 설비에 관한 설명에 대해서는 전술한 유럽 특허 출원 제0,097,488호도 역시 참조할 수 있다.
노심은 가상적(假想的)으로 분할시킨 모두 동일한 구조의 6개의 각도 분할 섹터를 포함하는데, 이들은 모두 동일한 구성으로 되어 있기 때문에 제1도에는 2개의 섹터만을 완전하게 도시하였다.
도시된 바와 같이, 각 섹터에는 39개의 연료 집합체(노심의 중심에 있는 연료 집합체는 무시함)를 포함되며, 이들 각 집합체 위에 제어봉 삽입 기구가 장치된다. 흰색의 6각형으로 도시되어 있는 8개의 위치(10)는 운전 정지봉을 수용하기 위한 것이며, 이들 운전 정지봉은 중성자 흡수율 또는 반응 억제도가 높기 때문에 블랙봉이라 부른다. 따라서, 상기 원자로는 정상 운전온도일 때 그 원자로를 운전 정지시키는 데 단독으로 충분한 모두 48개의 운전 정지봉을 포함한다. 이들 정지봉은 각각 대응하는 원료 집합체의 안내관에 삽입되는 제어봉군(제어봉 다발)으로 형성되며, 각 제어봉에는 과립형 중성자 흡수 재료를 함유하는 차폐층이 있다. 상기 원자로에는 모두 49개의 운전 정지봉군(정지봉 다발)이 있는데, 이들 정지봉은 후술하는 정상 운전 중에 노심으로부터 완전히 분리된다(즉, 원자로의 상부 내에 수용된다).
각 섹터에는 전체 주기 기간의 일부를 나타내는 운전 시간 후에 노심으로부터 제거되는 제어봉을 수용하도록 정렬된 20개의 연료 집합체 위치(12)가 있다. 이 20개의 위치에서 제공되는 제어봉은 연소 가능한 중성자독을 함유하는데, 이 중성자독의 점진적인 소모는 초기 운전 단계 중에 연료의 소비를 보상한다. 이러한 제어봉은 모두 함께 반드시 상승하지 않는다. 연료의 소모 정도에 따라, 제1조의 제어봉(제어봉군)이 상승하고, 이어서 더 단기간 또는 장기간 후에 제2조의 제어봉군이 상승한다. 이들 제1 및 제2제어봉군은 방사 출력 분포를 방해하지 않도록 선택된다. 연소독 제어봉군(12)의 삽입 정도는 연료 관리와 무관하며, 일정한 방사 출력 분포가 가능하도록 선택될 수 있다. 이들 제어봉군을 제어하는 방법은 관용 기술이므로 설명하지 않겠다. 다만, 이들은 중성자 에너지 스펙트럼의 수정을 가능하게 한다는 점을 말하지 않을 수 없다. 즉, 이들이 노심으로부터 제거되면, 이미 이들을 수용하고 있었던 안내관에 물이 침입하여, 노심의 감속비를 증가시킨다. 이러한 낮은 에너지 방향으로의 중성자 스펙트럼의 변화 효과는, 특히 EP-A-0,231,710에서 실시예의 목적으로 설명하고 있는 바와 같이, 제어봉군이 핵분열성 물질을 함유한 경우에 증대된다.
결국, 제1도에 도시된 빗금이 쳐진 6각형으로 나타난 위치(14)는 제어봉을 수용하기 위한 것이다. 이들 제어봉은 흡수 제어봉군으로 다시 형성된다. 제어봉의 필요로 하는 변위를 제어하기 위한 덮개 내의 관통 통로를 감소시키려면, 각 위치(14)에 2개의 상호 독립적인 제어봉을 제공하고, 이들 2개의 제어봉을 공축(共軸)방향 또는 나란히 배치된 2개의 기구(機構; 메카니즘)로 제어하는 것이 유리하다. 노심 내에서 동일한 연료 집합체 위치를 점유하는 2개의 제어봉을 독립적으로 이동시키기 위한 장치가 이미 알려져 있다. 수 종의 장치들은 완전히 변위 독립성을 가능하게 한다. 단순화의 목적상, 이들 장치는 어떤 제약, 즉 구조에 의해 결정된 2개의 제어봉 중 하나의 제어봉은 항상 다른쪽 제어봉보다 노심 내에서 작은(또는 적어도 크지 않은) 삽입구가 갖추어져 있다(또는 다른쪽 제어봉은 노심에 완전히 삽입되면 대등하게 낮을 수도 있을 뿐이다).
제1도에 도시된 바와 같이, 노심의 각 섹터에는 2개가 1개조로 된 제어봉에 각 1개씩 균일하게 분포된 6개의 위치(14)가 포함되어 있다.
제2도는 제어봉의 삽입 또는 제거에 의해 달성되어야 할 노심 중의 최대 전체 반응 억제도 변화의 일예를 나타낸다. 제2도에 있어서, 수명의 초기 상태에 있는 새로운 노심에 대해 제공될 전체 반응 억제도는 다음이 방식으로 분석된다.
연소 예비량(연소독 효과의 공제 후) : 1000pcm
제어 한계량 : 500pcm
출력 운전 한계량 : 2000pcm
크세논 효과의 보상량 : 2000pcm
노심이 새로운 것이면, 원자로가 100%의 정격 출력으로 운전되도록 하는 1000 pcm의 연소 예비량은 위치(12)에 배치된 6 x 20 연소독 제어봉군에 의해 흡수된다. 노심이 새로운 것이면 크세논 독작용은 없으므로, 위치(14)에 있는 제어봉군은 가능한 최대의 독작용량에 대응하는 반응 억제도를 공급하여야 한다. 따라서 완전히 삽입되었을 때, 제어봉군은 적어도 5500pcm에 해당하는 반응 억제도를 가져야 한다.
제2도는 적시(適時)에 일어날 가능성이 있는 대표적인 전개를 예시하고 있는데, 이에 따라 연속적으로
- 크세논 포화시의 100%의 정격 출력 운전(A 지점),
- 50%의 정격 출력 통과(B 지점),
- 50% 정격 출력에서의 불변 운전(크세논에 의한 반응 억제도의 변량에 의해 달성됨)(C 지점),
- 크세논 함량의 변경 없이 100%의 정격 출력으로 복귀(D 지점),
- 크세논 반응 억제도의 점진적 감소(E 지점)가 있게 된다.
제3a도, 제3b도 및 제3c도에 따라, 본 발명에 의한 제어 방법은 다음 사항, 즉
- +/-3℃의 불감대 내에서, 노심의 출구에서의 실제 온도와 기준 온도 사이의 차이에 의해 형성된 제어 파라미터,
- +/-3℃의 범위에서 실제 축방향 오프셋과 기준 오프셋과의 차이(제3a도),
- 최소값 및 어느 경우에나 1.3 이하인 값에서의 엔탈피 증가율 FΔH(제3b도)를 유지하는 것을 목표로 한다는 가정하에 상기 방법의 실시에 대하여 설명하겠다.
엔탈피 증가 ΔH는 각개 연료 집합체나 일부의 노심 또는 전체의 노심에 대해서 계산될 수 있다. 단위를 고려하여(연료 집합체, 일부의 노심 또는 전체의 노심), 엔탈피 증가 ΔH는 소망하는 정확도에 따라 온도의 2차 또는 3차 다항식 함수로서 냉각수 입구 및 출구 온도로부터 계산될 수 있다. 고려되는 집합체 내의 냉각수의 통과 시간을 참작하는 것이 바람직할 때에는, 비교되는 입구 온도와 출구 온도는 반드시 동시에 측정되는 것들은 아니다.
제3c도는, 제어봉으로 이루어진 제어봉군이 제1도에 도시된 바와 같이 분포되어 있을 경우, 노심에 삽입되는 반응 억제도의 가능한 변량(축방향 오프셋 차이 또는 편차를 +/-3% 이하의 값으로 유지하기 위한 제어 공정이 수행되어야 한다고 가정함)을 나타낸다. 제1도에 있어서, 6개의 제어봉군의 위치는 참조 부호 1~6으로 지시되어 있으며, 이들은 제3c도에도 나타나 있다. 이들 부호에는 1조 2개로된 제어봉에 있어서, 노심에 더 많이 삽입된 제어봉에 대해서는 표시 A가 붙여져 있고, 노심에 더 적게 삽입된 제어봉에 대해서는 표시 B가 붙여져 있다. 삽입되는 반응 억제도가 2000pcm을 넘지 않을 때에는 표시 A를 붙인 제어봉만 삽입되었음을 알 수 있다. 그 밖에, 축방향 오프셋차를 17% 내지 20%로 유지하기 위해서는 A 및 B 제어봉을 사용하는 것이 필요하며, 이 오프셋차의 변화는 제3a도에 도시되어 있다. 제3a도에 있어서, 약 3000pcm의 반응 억제도에 대해서는, 실질적으로 최소값, 어떤 경우에나 1.3(제3b도) 이하로 엔탈피 증가율 FΔH를 유지하는 데 필요한 축방향 편차의 불연속 전개를 알 수 있다.
본 발명의 방법을 제1도에 개략적으로 나타낸 구성을 가진 노심이 구비된 원자로를 운전하는 데 사용하는 방식을 예시하는 실시예를 설명하겠다. 제어는 6개의 각 섹터에 대하여 독립적으로 실행되며, 관련 조건들은 제3a도 및 제3b도와 관련하여 이미 규정된 것들이다.
소정의 원자로에 관하여 각 연료 집합체에 대하여 각 섹터에 있어서의 엔탈피 증가율과 제어봉의 위치 사이의 관계를 정의할 수 있다. 특히, 최고온의 연료 집합체의 엔탈피 증가율 E=FΔH는 미리 계산된 영향 함수들(influence functions)인 fij의 선형(線形) 조합이다.
Figure kpo00002
여기에서,
- E0j는 출발 엔탈피 증가율 FΔH를 나타내고,
- 각 함수 fij는 출발 조건 E0j의 Ej에 대한 제어봉 i의 기여도를 나타내며,
- ri항은 제어봉 i의 변위에 의해 발생되는 반응 억제도의 변량을 나타내는데, i = 1A, 1B, ..., 6B 이고,
- Ej는 변량 ri를 발생시키는 제어봉군의 변위 후의 엔탈피 증가율 FΔH를 나타내는데, 이하 이러한 제어봉군은 편의상 1A, 1B, ..., 6B와 같이 나타낸다.
원자로의 상태가 크게 변화되었을 경우, 영향 함수를 갱신할 필요가 있을 때도 있다. 이를 위해서는, 3차원의 인라인(in-line) 출력 분포 계산이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제어 방법은 제어 파라미터의 임의의 전개에 반응하고, 이에 따라 적어도 1개의 제어봉의 위치를 변경함으로써 그 제어봉이 불감대로부터 벗어나게 되는데, 이 제어봉의 변위의 편각(偏角) 및 방향은 적어도
- 제어 파라미터를 다시 불감대 범위 내로 복귀시키고,
- 축방향 오프셋 차이를 공인된 범위 내(제3a도)로 유지(또는 복귀)시키며,
- 엔탈피 증가율을 최적화하기 위하여 측정된다.
수행될 첫째 조작은 섹터의 평균 출력 온도를 기준값 또는 설정값으로 다시 복귀시키기 위해 필요한 반응도 변량을 계산하고, 이어서 FΔH를 극대화하면서 이 변량을 달성하게 될 제어봉(제어봉들)을 선택하기 위한 시뮬레이션법이 이용된다.
이를 위해서는, 제6도의 흐름도에 의해 도시된 방식이 채용될 수 있다. 이 방식에는 예측되는 반응도의 변량과 요구 변량 사이의 차이가 소정값 이하로 될 때까지 수 개의 제어 루프(control loop)의 완결이 내포되어 있다.
1. 첫째 조작은 다음을 무작위로 선택하기 위한 선별로 이루어진다.
- 6개의 제어봉 중 1개의 제어봉, 또는 보다 일반적으로는 하나의 섹터 중의 n개의 제어봉(우선, 6개의 섹터 내에서 상호 대응하는 6개의 제어봉은 동일한 양으로 재배치되게 된다고 가정함)
- 반응도의 요구 변량에 대하여 소정 범위 내의 반응도 변량을 발생시키는 편각의 전체 변위(0을 포함한다) 중의 어떤 변위[예컨대, 요구 변량이 -0.5 pcm인 경우(제6도에 도시), 변위는 (-5+10) = +5 pcm 내지 (-5-10) = -15 pcm의 변량을 발생시키는 것 중 어느 하나일 수 있음]
이어서, 선택된 변위가 축방향 출력 오프셋 차이를 공인된 범위로부터 벗어나지 않게 한다는 것을 계산에 의해 확인한다.
조건이 충족되지 않는다면, 시도된 변위는 포기되고, 다른 제어봉 및/또는 다른 변위를 선택하기 위한 선별이 다시 행해진다.
계산을 다시 행하여 축방향 분포 상태가 참작될 때까지 상기 조작들이 반복된다.
2. 축방향 분포 상태가 충족되면, 의도하는 변위에 의해 발생된 엔탈피의 방출량(FΔH)이 상기 공식 (1)에 따라 계산된다. 예컨대, 초기 상태가 E0이면, 제어봉군 2A가 선택되며, 제어봉군 2A의 시뮬레이트된 변위가 반응 억제도를 (2A)로부터 (2A mod)까지 변화시킨다면, 최고온의 연료 집합체에 대한 상태 E1을 얻게 된다.
Figure kpo00003
a) E1 - E0 = Δ(FΔH)가 부(負)의 값이거나 0이면, 변위는 만족스러운 것으로 간주되어 저장(기억)된다.
b) Δ(FΔH)가 정(正)의 값이면, Δ(FΔH)의 절대값에 따라 0 내지 1 사이의 확률 P가 그 변위에 할당된다.
Figure kpo00004
확률 P는 온도의 함수로서 에너지 분포에 대한 볼츠만 법칙으로부터 유도된 함수이며, 이러한 이유로 지수 함수의 상수 분모는 kT로 나타낸다.
상기 방법의 초기화시에, kT 값은 매우 높기 때문에, P를 나타내는 부의 지수는 Δ(FΔH)에 상관 없이 1에 가까운 값을 갖는다.
시도된 변위가 달성되는 값 Δ(FΔH) = E1 - E0에 대한 P의 값이 계산에 의해 결정되면, 0 내지 1 사이의 임의의 수치가 무작위로 선택되고, 유리한 선별, 즉 0 내지 P 사이의 선별의 평균비는 확률 P와 동등하다.
- 그 선별의 결과가 정이면, 즉 무작위로 선택된 값이 P 이하이면, E1 값은 정격값으로 간주되게 된다.
- 무작위 선별의 결과가 부이면, 그 결과는 고려되지 않고, 즉 시도된 제어봉 및 그 변위량이 포기되고, 다른 제어봉 및/또는 다른 변위가 무작위로 선택되는데, 이는 다시 제6도의 첫째 루프를 통과하는 것에 대응한다.
제어봉계가 1에 가까운 확률의 초기 상태에 있을 때, 0 내지 1 사이의 몫에 의해 선별된 거의 모든 수치는 정의 결과를 나타낸다. 이 방법에서는 정의 선별된 수치와 시도된 변위의 전체 수치 사이의 비율을 계산하는 계산 회로 또는 프로그램을 사용하는 것이 유리하다. 결과가 너무 유리한 경우가 가끔 있을 경우(예컨대, 시도의 90% 이상), kT는 소정의 증가량만큼 감소되며, 반면 확률이 너무 저조하면 (70% 이하), kT는 동일 증가량 또는 상이한 증가량만큼 증가되는데, 장기간에 걸쳐 만족스러운 P의 값은 약 0.8이다.
상기 조작은 제어봉 및 변위가 선택될 때까지 반복되고, 이어서 선택된 값 및 대응하는 반응 억제도의 변량이 저장된다.
때로는, 어떤 상황에서는 변위가 FΔH를 더 이상 감소시키지 않기 때문에, FΔH를 증가시키는 방향으로 이들 제어봉을 이동시킴으로써 제어봉의 재배치에 순응할 필요가 있다.
선험적으로 올바른 방향으로 진행하지 않아 보이는 수정·변경을 시도하게 되면, 상기 제어봉계가 더 양호한 최소값을 발견하기 위한 함수의 2차 최소값(제5도에 나타나 있는 바와 같이)으로부터 벗어나도록 하는 것이 가능하다.
3. 시뮬레이션법은 저장된 변위의 합(예컨대, 동일한 섹터에서 1 내지 6으로 표시된 제어봉)이 소정 공차의 반응도의 요구 변량이 공급될 때까지 반복된다. 이어서, 전체 변위는 제어봉 엑추에이터(actuator)에 전력을 공급함으로써 수행된다.
제5도는 각 연료 집합체에 대하여, ΔH의 함수로서의 엔탈피 증가율 FΔH의 변량 곡선에 다수의 연속적인 최소값이 있다는 것을 보여주고 있다. 본 발명의 방법은 변위가 반드시 Δ(FΔH)의 가능한 최저값이라야 하는 것은 아닌 최소값이 되도록 선택하는 것을 가능하게 한다.
예컨대, 제4도는 수 개의 삽입 반응 억제도에 대한 대표적인 제어봉 배열을 나타내고 있다.
제6도의 흐름도에 대한 다수의 수정·변경이 가능하다. 특히, 제7도의 흐름도도 채택될 수 있는데, 여기에서는 축방향 오프셋량에 대해 제어봉군의 재배치의 예상되는 효과의 계산은 FΔH에 대한 허용 가능한 효과가 있는 반응 억제도의 요구 변량을 달성하는 제어봉의 무작위 선택과 변위 후에 수행될 뿐이다.
제7도의 흐름도는 제6도의 흐름도와 매우 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그 흐름도는 첫째의 계산이 얻고자 하는 전체 반응도의 변량이 x pcm인 것을 나타내고 있는 경우에 대응하며, a, h, Nm 및 Np는 그의 값이 칫수검토에 의하여 미리 결정되는 값인 조절 가능한 파라미터이다. 약호(略號)는 다음과 같다.
AO : 축방향 편차
FΔH : 엔탈피 증가율
abs : 절대값
지금까지는, 동일군에 속하는 모든 제어봉, 예컨대 모두 6개의 섹터에 있는 제어봉(2A)은 계산 후에 동일한 양만큼 동시에 교체된다고 간주되어 왔다. 이 운전 방법은 가능한 출력 분포의 방위각(方位角) 또는 방사상의 오프셋 또는 불균형을 고려하지 않는다. 이러한 낮은 값의 불균형은 기계적 또는 기하학적 불규칙성 때문에, 또는(특히, 제어봉이 누출되는 유압 기구에 의해 제어될 때) 1개 이상의 제어봉의 드리프트(drifts)가 늦기 때문에 발생될 수 있다.
일반적으로, 원자로에는 가압수의 온도를 측정하는 열전대(熱傳帶)가 장치되는데, 여기서 가압수는 각개 연료 집합체로부터 유출되고, 노심의 외부에 배치된 이온 챔버에 의하여 중성자속을 측정하는 것이 가능하다. 이들 센서에 의해 전달되는 측정값으로부터, 본 발명의 출원인으로부터 구득 가능한 프로스퍼 코드(PROSPER code)와 같은 공지된 코드를 이용하여 상기 방위각의 불균형을 계산할 수 있다. 그 불균형은, 오프셋량을 제공하고 위상(位相)이 그 불균형의 중심축의 측정을 가능하게 하는 고조파(高調波)에 의하여 나타낼 수 있다. 불균형의 축에 인접 배치된 1개의 제어봉군 또는 수 개의 제어봉군의 삽입 정도를 약간 변경함으로써, 상기 불균형량을 공차 임계치 이하로 감소시킬 수 있다.
제8도는 방위각 불균형을 감쇠하기 위하여 제어봉을 제어하는 방법을 나타내는 도표이다. 제8도에서, 참조 부호 20은 제6도 또는 제7도의 알고리즘을 이용하여 제어봉군(1~6)(또는 이중 제어봉인 경우에는 1~12)에 속하는 제어봉에 제공될 변위를 결정하는 컴퓨터를 지시하고 있다. 출력(1~12)에 의해 전달된 제어 명령(상이한 섹터 내의 동일군의 모든 제어봉에 대한 각각의 명령)을 직접 인가하는 대신에, 컴퓨터는 진폭 표시 및 방향 표시에 의해 형성된 명령을 입력(24)에 전달되는 방위각의 불균형 정보에 응답하여 제어봉에 제공될 각각의 변위를 계산하는 회로(22)에 전송한다.
간단한 실시예에 있어서, 입력(24)은 요구 반응 억제도의 변량을 변화시키지 않은 채 유지되는 상태에 순응하는 한편, 동일군의 제어봉 사이에서 컴퓨터(20)에 의해 계산된 공칭 변위와 관련한 편차를 분배하기 위한 6개의 계수를 간단히 전송한다.
더 상세한 실시예에서는, 그 결과를 개선하기 위하여 입력(24)은 6 x 6(6 x 12)항에 의하여 수정 계수 매트릭스(correction coefficient matrix)를 수신한다. 상기 계수의 매트릭스는 기존의 계산 코드를 사용하여 별도의 컴퓨터(도시되지 않음)에 의해 공급될 수 있다. 이 경우, 회로(22)는 36개(또는 72개)의 제어봉에 대해 컴퓨터(20)에 의해 전송된 변위 매트릭스 또는 계수 매트릭스의 매트릭스 증배(增倍; matrix multiplication)를 실행하여야만 한다.
채용된 해결책이 무엇이던간에, 회로(22)는 36개의 출력(단일 제어봉의 경우) 또는 72개의 출력(이중 제어봉의 경우)에서, 개개의 방향 데이타와 진폭 데이타를 각각의 구동 기구(26)에 전송한다.
상기 구동 기구(26)가 유압식이면, 일반적으로 제어봉을 지지하는 피스톤이 있는 실린더와 왕복 운동하는 유압식 액추에이터를 포함하는데, 이들 각 액추에이터의 작용은 소정 진폭의 실린더를 일단계씩 변위시킨다. 상기 실린더는 누출될 가능성이 있고, 그러한 누출은 제어봉의 느린 하향 트리프트를 초래하기 때문에, 이러한 드리프트를 보상하기 위한 리셋 시스템(reset system)이 마련될 수 있다. 제8도에 도시된 실시예에 있어서, 이 리셋 시스템은 여러 개의 위치 중 어느 하나의 위치에 있을 때 그 제어봉의 위치를 검출하는 수단(28)과, 상기 구동 기구(26)에 전송되는 에너지 신호를 수신하고 그 각 신호로부터 제어봉의 이론상 위치, 설정 위치를 산정하는 계수기(30)와, 마지막으로 제어봉(또는 제어봉 구동 기구)이 상기 위치 검출 수단(28)의 측정 지점 앞을 통과할 때마다 트립되는 비교기(32)를 포함한다. 이 비교기는 카운터(30)에 의해 제공된 이론상 위치와 각각의 기준점에 의해 표시되고 구조에 의해 알 수 있는 실제 위치 사이의 차이를 계산한다. 그 차이가 액추에이터 및 실린더의 하나의 동작 단계보다 크면, 비교기(32)는 제어봉의 드리프트를 보상하기 위해 다수의 동작 단계를 일으키는 업(up) 명령을 액추에이터에 전송한다.
구조상의 여러 가지 변형이 더 가능하다. 각 섹터의 제어봉의 갯수는 예컨대 거의 사용하지 않는 제어봉군(5)을 제거함으로써 감소시킬 수 있다. 이중 제어봉군을 사용하는 것이 단일 제어봉군보다 크세논 함량은 감소되는 데 충분히 장기간의 운전 정지 후의 운전 개시에 필요할 뿐이다. 다른 파라미터, 예컨대 연료봉의 외피 보호층과 연료 펠릿 사이의 화학적 상호 작용을 고려하여, 연료봉의 단위 길이에 대한 최대 출력을 감소시키기 위한 파라미터를 사용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 원자로와, 노심의 반응도를 제어하기 위하여 상기 원자로 내에 선택 및 개별적으로 배치하는 복수 개의 제어봉을 포함하고, 상기 제어봉이 노심에 완전히 삽입될 경우에는 그 제어봉에 의해 제공되는 부반응도(負反應度)는 원자로의 정상 운전 중과 가압수가 원자로의 운전에 정상인 온도에 있을 동안 그 원자로가 임계 미만(臨界未滿; subcritical) 상태로 되는 것을 요하는 사고시에 발생할 수 있는 모든 반응도 변량을 보상하기에 충분한 가압수형 원자로의 제어 방법에 있어서, (a) 상기 원자로 노심에 의해 발생된 출력을 나타내는 운전 파라미터의 현재값, 상기 제어봉의 현재 위치 및 상기 노심 내의 축방향 출력 분포 오프셋을 결정하는 단계와, (b) 상기 운전 파라미터의 현재값과 설정값 사이의 차이가 소정의 불감대(不感帶; deadband) 간격을 초과하거나 상기 노심의 축방향 출력 분포 오프셋이 기준값을 초과하는 경우, 상기 노심의 반응도의 수정량을 계산하는 단계와, (c) 상기 원자로의 모델에 대한 시뮬레이션법에 의하여 상기 제어봉들 중에서 어느 제어봉을 이동시킬 수 있는지 및 상기 기준값에서 벗어나는 상기 축방향 출력 분포 오프셋을 변경하는 일이 없이 그리고 노심의 엔탈피 증가율을 최소화하면서 상기 차이를 상기 불감대 내로 도입하기 위하여 상기 제어봉에 대해 주어질 변위의 양을 예측할 수 있는지를 결정하는 단계와, (d) 상기 변위의 양에 의하여 상기 제어봉을 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 제어방법.
  2. 원자로와, 노심의 반응도를 제어하기 위하여 상기 원자로 내에 선택적 및 개별적으로 배치하는 복수 개의 제어봉을 포함하는 가압수형 원자로의 제어 방법에 있어서, (a) 상기 노심에 의해 발생된 출력을 나타내는 운전 파라미터의 현재값과 상기 제어봉의 현재 위치 및 상기 노심 내의 축방향 출력 분포 오프셋을 측정하는 단계와, (b) 상기 운전 파라미터의 현재값과 설정값 사이의 소정의 불감대 간격을 초과할 경우, 상기 노심의 반응도의 수정량과, 상기 제어봉에 의해 제공되고 상기 차이를 0으로 감소시키는 데 필요한 부반응도(負反應度)의 변화를 계산하는 단계와, (c) 상기 노심 내부 또는 노심의 섹터 내부에 있는 적어도 1개의 제어봉을 무작위로 선택하고, 상기 적어도 1개의 제어봉의 다수의 추정 이동량(상기 추정 이동량은 필요한 부반응도의 변화를 초래하는 이동량과 실질적으로 동일한 평균값을 갖는다)으로부터 기대되는 부반응도의 변화를 시뮬레이팅하는 단계와, (d) 상기 각 추정 이동량으로부터 초래되는 상기 축방향 출력 분포 오프셋의 예측된 변량을 계산하고, 상기 예측된 변량이 소정의 기준값을 초과하는 축방향 분포 오프셋을 발생시키는지의 여부를 결정하는 단계와, (e) 상기 소정의 기준값이 초과되는 경우, 축방향 출력 분포 오프셋 변량이 상기 소정의 기준값을 초과하는 출력 축방향 오프셋을 초래하지 않을 때까지 상기 (c) 및 (d) 단계를 반복하는 단계와, (f) 상기 시뮬레이트된 이동량으로부터 초래되는 노심의 엔탈피 증가율의 변량을 계산하는 단계와, (g) 상기 시뮬레이트된 이동량이 상기 엔탈피 증가율을 감소시키는 경우, 상기 적어도 1개의 제어봉의 시뮬레이트된 이동량을 저장하고, 상기 시뮬레이트된 이동량이 엔탈피 증가율을 증가시키는 경우, 상기 변량의 정도에 대응하는 확률에 의하여 상기 시뮬레이트된 이동량을 저장하기 위한 저장 또는 소거를 결정하는 단계와, (h) 상기 저장된 이동량에 기인하는 축적된 부반응도의 변화가 허용 편차내의 요구 변화와 동등하게 될 때까지 상기 (b)~(g) 단계를 반복하는 단계와, (i) 상기 적어도 1개의 제어봉을 상기 저장된 이동량만큼 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압수형 원자로의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 축방향 출력 분포 오프셋의 변량은 상기 적어도 1개의 제어봉과 이 적어도 1개의 제어봉에 부여될 변위의 양이 저장된 후에 계산되는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 확률은 다음 식에 의하여 계산되는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
    Figure kpo00005
    상기식에서, (FΔH)는 엔탈피 증가율이고, kT는 Δ(FΔH)의 최대값의 적어도 10배만큼 더 큰 상수이다.
  5. 제4항에 있어서, 상기 kT는 처음에는 1에 근접한 확률로 되고, 그 확률이 미리 측정한 값보다 큰 평균값을 유지하는 한, 점진적으로 감소하는 값으로 주어지는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 노심은 모두 동일하게 배열되는 복수 개의 가상적으로 분할된 각도 분할 섹터를 포함하고, 상기 전체 섹터 내에서 동일한 위치에 있는 모든 제어봉은 시뮬레이션에 의하여 동일한 정도만큼 이동되는 단계를 더 포함하는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상이한 각 섹터 내의 동일한 위치에 있는 제어봉들은 동일한 정도만큼 이동되는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상이한 각 섹터 내의 동일한 위치에 있는 제어봉들은 상이한 정도로 이동되고, 상기 상이한 정도는 방사 출력 오프셋을 보상하는 평균값에 대한 수정을 가함으로써 선택되는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 원자로는 각각 제어봉의 대략 2배의 중성자 흡수율을 갖는 추가의 제어봉들에 의해 운전 정지된 후 임계 미만 조건으로 유지되는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
  10. 제2항에 있어서, 노심으로부터 연소 가능한 독을 함유하는 제어봉을 점진적으로 제거함으로써 중성자 에너지 스펙트럼을 변경하는 단계를 더 포함하는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
  11. 제2항에 있어서, 상기 제어봉들은 쌍을 이루어 분포되어 있고, 각 쌍을 이루는 2개의 제어봉은 노심 내에서 동일한 위치에 있는 것인 가압수형 원자로의 제어 방법.
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