KR100237114B1 - 부하가 증가하는 경우의 원자로 보호 방법 - Google Patents

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Abstract

보호될 가압수형 원자로는 그 원자력(ET)이 비상 정지 한계(LP)에 도달할 때 시동된다. 이러한 한계의 값은 원자로의 작동 온도(ST)가 낮아짐에 따라 낮아진다.

Description

부하가 증가하는 경우의 원자로 보호 방법
제1도는 본 발명의 적용된 원자로의 다이아그램.
제2도는 원자로를 보호하기 위한 공지의 과출력 시스템(excess power system)에 적용 가능한 흐름도.
제3도는 제2도의 시스템이 사용중일 때 x축을 따라 작도된 작동 온도의 함수로서 y축을 따라 도시된 원자로의 총 출력과 관련하여 비상 정지 한계선(JP)의 변화를 도시하고, 제2도 또는 제4도의 과출력 시스템과 동시에 사용되는 종래 방식의 고온 시스템의 작용으로부터 나타나는 비상 정지 한계선(KP)도 도시하는 그래프.
제4도는 제1도의 원자로에 적용 가능한 본 발명의 과출력 시스템의 흐름도.
제5도는 제3도와 유사하지만 제4도의 과출력 시스템을 사용할 때 얻어지는 비상 정지 한계선(LP)을 도시하고, 제2도 또는 제4도의 과출력 시스템과 동시에 사용되는 종래 방식의 고온 시스템의 작용으로부터 나타나는 비상 정지 한계선(KP)도 도시하는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 노심 4 : 유입 덕트
6 : 유출 덕트 8 : 1차 펌프
10 : 열 수용기 14 : 출력 측정 시스템
16 : 출력차 측정 시스템 18 : 온도 측정 시스템
24 : 출력 제어 시스템 30 : 과출력 보호 시스템
32 : 고온 보호 시스템
본 발명은 원자로 제어, 즉 원자로가 가변적인 수요를 충족시키는데 필요한 출력을 항상 제공하는 방식의 원자로 제어에 관한 것이다. 동시에, 이러한 제어는 연료의 불필요한 연소 및 사고 위험성을 가능한 한 회피할 수 있는 방식으로 수행된다. 특히, 상기 원자로들로 구성된 보일러에 대한 위험 요소들을 제한하기 위해 매우 엄격한 안전 기준들이 설정되어 있다.
본 발명은 구체적으로 가압수형 원자로에 관한 것이다.
가압수형 원자로는 본 발명의 실시예의 설명에서 언급된 잘 알려진 부품들을 포함한다. 특히, 가압수형 원자로에는 원자로의 과도한 출력에 의해 시동되는 보호 시스템과, 냉각 유체 온도가 지나치게 높은 경우에 시동되는 보호 시스템이 제공된다. 이러한 보호 시스템들은 “과출력 시스템” 및 “고온 시스템”이라고 부른다. 상기 시스템들은 원자로의 비상 정지를 시동하는 소정의 돌발적인 과도 현상(transient) 동안에 원자로 노심을 보호하도록 설계된다. 이를 위해, 상기 시스템들은 다음 변수들의 측정값에 기초하여 비상 정지 신호를 발생시킨다. 여기에서, 변수들의 측정값이란 원자력, 즉 원자로의 총 출력을 나타내는 열간 지선(hot branch)과 냉각 지선(cold branch) 사이의 온도차인 총 출력(DT)과, 원자로 용기의 평균 온도(ST)와, 1차 압력(고온 시스템에서만 사용됨)과, 1차 펌프의 회전 속도(VP, 1차 열교환 유체의 유량을 나타냄)와, 축방향 출력차(DI), 즉 노심의 상부에서 측정된 출력과 노심의 하부에서 측정된 출력 사이의 차이를 말한다(본 명세서에서 도면 부호 DT, ST, VP, DI는 각각 총 출력 신호, 작동 온도 신호, 1차 펌프의 회전 속도 신호, 축방향 출력차를 나타내는 신호를 표시하는 것으로도 사용됨).
제2도는 공지된 과출력 시스템의 흐름도이다.
예컨대, 2개의 보호 시스템들 중 하나의 보호 시스템 또는 다른 하나의 보호 시스템이 비상 정지 신호를 발생시키는 총 출력 한계선이 제3도에 도시되어 있다. 제3도에는 곡선 JP 및 KP에 의해 이러한 한계선이 도시되어 있으며, 이러한 곡선들은 각각 일정한 펌프 속도 및 일정한 축방향 출력차에 적용된다.
이러한 시스템의 작동에는 하나의 문제점이 발생된다. 이러한 문제점은 곡선 ET가 2차 열교환 회로의 제어되지 않은 부하 증가로 인해 돌발적인 과도 현상의 전형적인 거동을 도시하는 제3도를 참조하여 설명될 수 있다. 이러한 회로는 1차 열교환 회로의 열 수용기를 구성하는 증기 발생기에 열적으로 결합된다. 이 때, 2가지 현상이 일어난다. 즉, (1) 2차 열교환 회로에 대한 부하의 증가는 많은 출력이 1차 열교환 회로로부터 나오게 하여 원자로의 작동 온도를 저하시키고, (2) 원자로 제어 시스템은 2차 열교환 회로로부터의 출력 증가 요구에 부응하기 위해 원자로의 총 출력을 증가시킨다.
이러한 형태의 과도 현상의 분석에 따르면, 공지된 설계로 된 보호 시스템으로는 원자로의 비상 정지가 보증되지 않는 것으로 나타났다. 즉, 소정이 과도 현상으로, 연료의 완전성을 보증하는 안전 기준들은 충족되지 않게 된다.
본 발명의 구체적인 목적은, 가압수형 원자력 발전소의 2차 열교환 회로에 대한 부하의 제어되지 않은 증가로 인한 과도 현상이 원자로의 총 출력을 증가시키는 돌발적인 과도 현상으로부터 발생될 수도 있는 결과들을 제한함으로써 원자로 보호를 개선하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 온도의 함수로서의 과출력 시스템 비상 정지 한계선에 대한 보정을 제안한다.
따라서, 본 발명은 원자로의 부하가 증가하여 원자로의 총 출력(DI)이 비상 정지 한계선(LP)에 도달하는 경우에 원자로의 비상 정지가 시동되는 원자로, 특히 가압수형 원자로 보호 방법에 있어서, 상기 비상 정지 한계선(LP)은 기준 온도(TR)보다 낮은 온도에 해당하는 작동 온도 신호(ST)의 값들에서 낮아지는 것을 특징으로 하는 원자로 보호 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조하여 이하에 기재되어 있으며, 설명 및 도시된 부품 및 이에 대한 배치는 단순히 비제한적인 예로서 제공된 것이라는 것을 이해하여야 한다.
일반적으로, 본 발명은 제1도에 도시된 바와 같은 다음의 공지 부품을 포함하는 원자로에 적용된다.
즉, 핵반응이 발생하여, 노심의 상부와 하부 사이에서 확산되어 열로 변환되는 원자력을 방출시키는 연료봉들을 포함하는 노심(2).
열교환 유체를 유입 덕트(4)를 경유하여 노심 내로 관통시켜 1차 펌프(8)로 부터의 구동력에 의해 노심을 통해 유동시키고, 상기 열을 노심으로부터 제거하도록 유출 덕트(6)를 경유하여 노심을 빠져 나가게 하기 위한 열교환 회로. 열교환 회로는 2차 열교환 회로로 원자로의 총 출력을 전달하는 증기 발생기로 종래와 같이 구성되고 가변적인 수요를 갖는 열 수용기(10)로 열을 전달한다. 펌프(8)에는 펌프 속도 신호(VP)를 제공하는 속도 센서가 제공된다.
핵반응을 제어하기 위해 명령시에 상부로부터 노심 내로 관통하도록 기구(13)에 의해 구동되는 제어봉 클러스터(12).
원자로의 총 출력을 나타내는 총 출력 신호(DT)를 전달하는 출력 측정 시스템(14). 이러한 시스템은 각각 유입 덕트(4) 및 유츨 덕트(6)에 놓인 2개의 온도 검출기(20,22)에 의해 측정된 온도들 사이의 차이를 취한다.
노심의 상부와 하부 사이의 축방향 출력 차이를 나타내는 출력차 신호(DI)를 제공하는 출력차 측정 시스템(16). 이러한 시스템은 각각 노심(2)의 상부 및 하부를 향해 놓인 2개의 중성자 검출기(15,17)로부터 신호를 수용한다.
상기 열교환 유체 또는 냉각 유체의 온도인 작동 온도를 나타내는 작동 온도 신호를 제공하는 온도 측정 시스템(18). 이러한 시스템은 온도 검출기(20, 22)에 의해 측정된 온도들의 평균을 취한다.
종래 방식으로, 원자로용 제어 시스템은 다음의 부품을 포함한다.
즉, 열 수용기(10)가 적어도 대략 수요에 대응하는 열을 수용하는 것을 보증하도록, 특히 열 수용기(10)의 수요 변화의 함수로서 일부의 제어봉 클러스터(12)들에 작용하는 출력 제어 시스템(24).
상기 핵반응을 신속하게 정지시키기 위해 적어도 일부의 제어봉들을 노심 내로 관통시키는 비상 정지 신호를 제공하기에 적합한 과출력 보호 시스템(30). 이를위해, 이러한 시스템은 적어도 총 출력 신호(DT) 및 작동 온도 신호(ST)를 수용한다. 이러한 시스템은 상기 총 출력 신호(DT)에 의해 나타낸 원자로의 총 출력이 적어도 작동 온도 신호(ST)를 기초로 한정된 비상 정지 한계선(LP)을 초과할 때 기구(13)에 비상 정지 신호(AR)를 제공한다.
과출력 보호 시스템(30) 및 고온 보호 시스템(32)은 모두 상기 모든 신호를 수용하며, 고온 보호 시스템은 1차 압력 신호도 수용한다.
본 발명에 따르면, 비상 정지 한계선(LP)이 기준 온도(TR)보다 낮은 온도에 해당하는 작동 온도 신호(ST)의 값들에서 낮아지는 것은 함수 발생기에 의해 수행된다.
이러한 비상 정지 신호는 양호하게는 작동 온도의 함수로서 양의 기울기 법칙을 따르고, 이러한 기울기 법칙은 양호하게는 직선이다.
또한, 양호하게는 기준 온도(TR)는 270℃ 내지 320℃이고, 이러한 방법이 가압수형 원자로에 적용될 때에는 양호하게는 290℃ 내지 300℃이다.
또한, 양호하게는 작동 온도(ST)가 기준 온도(TR)보다 20℃ 낮을 때, 비상 정지 한계선(LP)의 값은 상기 작동 온도가 상기 기준 온도보다 약간 높을 때 갖는 값의 1/2보다 낮다.
제2도에 도시된 바와 같이, 보호 시스템(30)을 구성하기에 적절한 공지의 보호 시스템은 펌프 속도 신호(VP)를 처리하는 필터 회로(40) 및 증배기(42)와, 축방향 출력차 신호(DI)를 처리하는 회로(44)와, 원자로의 총 출력 신호(DT)를 처리하는 필터 회로(46)와, 비상 정지 신호(AR)를 제공하는 가산 회로(summing circuit, 50, 52)에 부가적인 일정한 신호를 제공하는 회로(48)를 포함한다.
원자로의 작동 온도를 나타내는 작동 온도 신호(ST)는 필터 회로(54)를 통과한다.
다음에, 이러한 신호는 2가지 경로를 통해 가산 회로(50)에 제공된다. 제1경로는 필터 회로(56) 및 증배기(58)를 포함한다. 제2경로는 우선 공칭 온도를 나타내는 신호(TN)도 수용하는 가산 회로(60)를 포함한다. 그 후, 제2경로는 증배기(62)도 포함한다. 이러한 방식으로 얻어진 비상 정지 한계선(JP)이 제3도에 도시되어 있다.
보호 시스템(30)을 구성하는 본 발명의 과출력 보호 시스템은 제4도에서 알 수 있는 바와 같이 상기 제2경로에 관한 것을 제외하고는 제2도에 도시된 것과 동일하다. 이러한 제2경로는 비상 정지 한계선(LP)을 제5도에 도시된 바와 같이 변화시키는 함수 발생기(64, function generator)에 의해 구성된다.
제5도에서, 곡선 ET는 2차 열교환 회로에서의 제어되지 않은 부하 증가로 인한 과도 현상의 발생을 도시하고 있다. 이러한 과도 현상은 초기에는 제3도의 곡선 ET에 의해 도시된 것과 동일하다. 그러나, 이러한 경우에, 상기 과도 현상은 비상 정지 신호를 전달하는 제4도의 시스템에 해당하는 지점(66)에서 중단된다. 이러한 변형은 안전 기준에 도달하기 전에 비상 원자로 정지를 시동시킬 수 있게 한다는 것이 관찰될 수도 있다. 따라서, 부하가 과도하게 증가되는 경우에 안전 기준이 충족되는 것을 보증할 수 있게 한다.
또한, 과출력 시스템 조립체의 융통성 있는 치수 설정을 가능케 하여, 통상적인 작동시의 소정의 과도 현상 중에서 큰 작동 여유를 갖고 사용할 수 있게 한다.

Claims (6)

  1. 원자로의 부하가 증가하여 원자로의 총 출력(DT)이 비상 정지 한계선(LP)에 도달하는 경우에 원자로의 비상 정지가 시동되는 원자로 보호 방법에 있어서, 상기 비상 정지 한계선(LP)은 기준 온도(TR)보다 낮은 온도에 해당하는 작동 온도 신호(ST)의 값들에서 낮아지는 것을 특징으로 하는 원자로 보호 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원자로는, 핵반응이 발생하여, 노심의 상부와 하부 사이에서 확산되어 열로 변환되는 원자력을 방출시키는 연료봉들을 포함하는 노심(2)과, 열교환 유체를 유입 덕트(4)를 경유하여 노심 내로 관통시켜 노심을 통해 유동시키고 유출 덕트(6)를 경유하여 노심을 빠져 나가게 하여 상기 열을 제거하며, 이러한 열을 가변적인 수요를 갖는 열 수용기(10)로 전달하는 열교환 회로(4,6,8)와, 상기 핵반응을 제어하기 위해 상부로부터 상기 노심 내로 제어된 방식으로 관통하는 제어봉 클러스터(12)와, 상기 원자로의 총 출력을 나타내는 총 출력 신호(DT)를 전달하는 적어도 하나의 출력 측정 시스템(14)과, 상기 열교환 유체의 온도인 작동 온도를 나타내는 작동 온도 신호(ST)를 제공하는 온도 측정 시스템(18)과, 상기 열 수용기(10)가 적어도 수요에 대응하는 열을 수용하도록 상기 열 수용기(10)의 수요 변화의 함수로서 일부의 상기 제어봉 클러스터(12)들에 작용하는 출력 제어 시스템(24)과, 상기 핵반응을 신속하게 정지시키기 위해 적어도 일부의 상기 제어봉 클러스터들을 상기 노심 내로 관통시키는 비상 정지 신호(AR)를 전달할 수 있고, 이를 위해 적어도 상기 총 출력 신호 및 상기 작동 온도 신호를 수용하고, 상기 총 출력 신호(DT)에 의해 나타낸 원자로의 총 출력이 적어도 상기 작동 온도 신호(ST)에 기초하여 한정된 비상 정지 한계선(LP)을 초과할 때 상기 비상 정지 신호(AR)를 전달하는 과출력 보호 시스템(30)을 포함하며, 비상 정지 한계선(LP)이 기준 온도(TR)보다 낮은 온도에 해당하는 상기 작동 온도 신호(ST)의 값들에서 낮아지는 것은 함수 발생기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 원자로 보호 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비상 정지 한계선(LP)은 상기 작동 온도(ST)의 함수로서 양의 기울기 법칙을 따르는 것을 특징으로 하는 원자로 보호 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비상 정지 한계선(LP)에 적용 가능한 상기 양의 기울기 법칙은 직선 법칙인 것을 특징으로 하는 원자로 보호 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 기준 온도(TR)는 270℃ 내지 320℃의 범위에 있으며, 상기 방법이 가압수형 원자로에 적용될 때 290℃ 내지 300℃ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 원자로 보호 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 작동 온도(ST)가 상기 기준 온도(TR)보다 20℃ 낮으며, 상기 비상 정지 한계선(LP)은 상기 작동 온도가 상기 기준 온도보다 약간 클 때 갖는 값의 1/2보다 낮은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 보호 방법.
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