KR100301297B1 - 노심내고정형검출기및원자로내의출력분포결정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원자로 조립체내에 말단끼리 서로 연결되도록 축방향으로 분배된 플라티늄 검출기 세그먼트 (30-40)와, 상기 원자로 조립체내의 동일공간에 배지된 바나듐 검출기 세그먼트(42-52)를 구비하는 원자로용 검출기 조립체에 관한 것이다. 상기 바나듐 검출기는 상기 플라티늄 검출기 신호를 계산하여 핵분열 생성물에 그 선속이 기여하지 않도록 한다. 조립체길이의 바나듐 검출기 (62)와 조립체길이의 플라티늄 검출기(90)가 그 대신 사용되어, 플라티늄 검출기 세그먼트(30-40)의 보정여부를 판정할 수도 있다. 보정된 플라티늄 검출기 신호는 원자로 노심의 보호 목적으로 사용할 수 있는 바, 이 경우 보정은 원자로 연료내의 현재의 국부적인 열배치율에 정비례하는 총 플라티늄 검출기 신호중 그 부분을 차단하는 것으로 이루어진다.

Description

노심내 고정형 검출기 장치와 원자로내의 출력분포 결정방법

제1도는 종래기술의 로듐/바나듐 검출기 구조체를 나타내는 도면.

제2도는 다른 종래기술의 코발트/바나듐 검출기 구조체를 나타내는 도면.

제3도는 공간적으로 서로 일치하도록 배열된 짧은 길이의 플라티늄 검출기 세그먼트와 짧은 길이의 바나듐 검출기 세그먼트를 동일 집합체내에 이용하는 것을 도시하는 본 발명에 따른 검출기 구조체를 나타내는 도면.

제4도는 본 발명에 따른 검출기 구조체의 측면도.

제5도는 본 발명에 따른 검출기 구조체의 평면도.

제6도는 노심내에 사용되는 본 발명에 따른 검출기 집합체의 바람직한 배치도를 도시하는 도면.

제7도는 본 발명에 따른 또 다른 검출기 구조체를 나타내는 도면.

제8도는 제7도의 검출기 집합체를 외부에서 본 도면.

제9도는 제7도의 검출기 집합체의 평면도.

제10도는 제7도의 검출기 집합체의 또 다른 구조체 예를 나타내는 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30-40 : 플라티늄 검출기 세그먼트 42-52 : 바나듐 검출기 세그먼트

56, 63, 86 : 맨드릴 82 : 바나듐 검출기

68 : 외장 84 : 플라티늄 검출기

본 발명은 서로 인접 배치되어 있는 감마선 검출기 요소와 중성자 검출기 요소를 사용하는 노심내 자체 가동식 고정형 검출기 집합체, 및 이 노심내 검출기 집합체를 사용해서 교정 및 감시하는 방법에 관한 것으로서, 특히 제 1 실시예로서, 동일한 반경방향 노심 위치에 축방향으로 배열되고 공간적으로 서로 일치하게 된 짧은 길이의 플라티늄 검출기 세그먼트와 짧은 길이의 바나듐 검출기 세그먼트를 포함하고, 그리고 제 2 실시예로서, 짧은 길이의 분할형 플라티늄 검출기와, 이 플라티늄 검출기 세그먼트의 전체 스택 길이에 걸쳐서 적어도 연장되며 그리고 노심의 높이에 걸쳐서 연장될 수 있는 하나의 바나듐 검출기와, 상기 바나듐 검출기와 공간적으로 일치하고 동일 길이로 연장된 하나의 플라티늄 검출기를 포함하는 검출기 집합체에 관한 것이다.

본 출원인의 상용 핵연료부(Commercial Nuclear Fuels Division)로부터 입수 가능한 비이콘(BEACON) 시스템과 같은 원자로의 출력분포를 예측하기 위한, 대단히 고속의 3차원 노달(nodal) 확산이론에 의거한 중성자 알고리즘의 최근의 개발로 인해서, 가압수형 원자로(PWR)의 노심 출력분포의 온라인(on-line) 감시를 위하여 사용되고 있던 왕년에 확립된 방법론이 재평가되고 있다.

종래에 있어서는, 노심 출력 분포를 온라인으로 감시하기 위한 이상의 두가지 접근법중 어느 하나가 모든 운영중인 가압수형 원자로에 이용되었다. 일 접근법으로 노심 외측에 배치된 중성자 검출기로부터의 출력 신호와 국부적인 출력 밀도를 제한하는 이미 계산된 최악으로 고려되는 경우간의 상관관계가 밝혀졌다. 본질적으로, 이러한 접근법은, 축방향 선속차와 상한 출력경사비(quadrant power tilt ratio)(양자는 노심 외측의 중성자 검출기로부터 유도되며 발전소 동작 기술 사양서에 규정되어 있다)의 양자가 기특정된 한계치내로 한정된다면, 핵출력 밀도 피크는 설정된 허용치를 초과하지 않을 수 있고 근시일내에도 초과하지 않을 것이라고 추정하였다. 다른 접근법으로서, 노심내 고정형 검출기 응답신호와 그 주변 연료내의 국부적인 핵출력 밀도 사이의 연관성이 연구된 바 있다. 이러한 접근법에 있어서는, 직접적인 측정 위치 바로 근방에서 "측정된" 출력 밀도를 토대로 비감시 노심위치의 국부적인 핵출력 밀도를 평가하기 위해서 비교적 간단하고 곧은 전방 보간법이 사용되었다. 제 1 접근법에 있어서는 직접 측정된 결과치와 보간된 국부적인 핵출력 밀도 결과치를 기규정된 한계치와 비교해서, 연속적인 동작의 결과로 허용할 수 없는 결과치가 발생하지 않도록 하였다. 이 양자의 경우는 오프라인 분석조절법을 제외하고는 국부적인 연소, 국부적인 감속제 밀도 예를 들면 크세논 및 사라뮴 농도에 있어서의 국부적인 변화의 효과에 대한 계산이 이루어지지 않았다. 비콘 시스템이 제공하는 것과 같이 컴퓨터 소프트웨어 팩키지내에 채용되는 최근에 도입된 중성자 계산 알고리즘은 국부적인 연소, 국부적인 핵 피드백 및 노심내 모든 지점의 국부적인 출력 밀도를 평가하는데 있어서의 국부적인 전이 흡수 효과에 대한 계산이 가능하도록 한다. 이러한 국부적인 출력 밀도는 현재 통용되고 있는 기존 방법론에서 얻을 수 있는 평가치보다 상당히 더 정확하다. 정확성이 증가하면 국부적인 출력 밀도의 평가치의 부정확성이 감소되므로, 가압수형 원자로를 채용한 원자력 발전소의 소유주에게 중요한 값이 되는 동작 및/또는 품질향상에 이익이 증가된다.

최근 도입된 중성자론 알고리즘의 성공적인 응용의 중요한 요인은 노심동작 경과와 같은 노심내 및/또는 노심의 노심출력분포 감시용 측정장치로부터 유도된 정보를 토대로 계산된 3 차원 노심출력 분포의 온라인 조절이다. 따라서, 노심내 출력분포변수를 측정하였을 때 최소의 모델결함으로 인하여 계산된 노심 출력분포에 약간의 에러가 존재한다면, 실제적인 측정으로부터 유도된 변수치와 온라인 계산된 노심 출력분포로부터 유도된 대응변수간의 절충이 이루어져야 한다. 이러한 방식으로, 점처럼 작은 크세논 및 사마륨 농도, 국부적인 중성자 밀도 및 국부적인 연료연소등과 같은 모든 중성자 관련 피드백 변수가 실제적인 노심상태와 영구히 절충하며, 기존의 모델결함의 효과는 사실상 감추어진다. 온라인 계산법에 대한 기존의 응용예에 있어서, 계산된 노심 출력분포조절은 두가지 상이한 형태를 취한다. 상세히 말하면, 장기간의 조절은 가동형 검출기 시스템으로부터 수득된 실제 측정된 응답속도와 가동형 노심내 검출기 시스템에 의해 접근된 원자로의 국부영역의 계산된 중성자 검출기 응답속도 분포를 비교함으로써 만들어진다. 이러한 상세한 조절요인은 적당한 노심내 선속 형성도가 만들어짐에 따라 여러달의 시간 간격에 걸쳐 주기적으로 품질 형상된다. 또한, 노심외 계측장치 , 즉 2개의 섹션의 출력 범위 중성자 검출기 채널과 노심 출구의 열전쌍시스템으로부터 유도된 일체적 변수값을 토대로 더 연속적으로 또는 덜 연속적으로 계산된 노심 출력분포에 대한 보다 간단한 조절이 이루어진다. 계산된 노심출력분포를 조절하기 위한 양자의 방법은 에러를 내기 쉽다. 제 1 방법은 선속형성도의 오랜시간 기간에 걸쳐서 노심의 특징이 대폭 변화될 수 있으며, 모델의 결함이 존재하는 경우, 선속 형성도의 형성 기간동안 그러한 결함이 전파되어 그러한 결함이 전파 및 성장될 수도 있기 때문에 믿을 수 없다. 제 2 방법은 일체적 변수, 특히 축방향 치수를 토대로 해서 단기간의 조절이 만들어지므로, 상세히 계산된 것 대 실제적인 노심모델 출력보포 편차를 양호하게 반영할 수 없기 때문에 믿을 수 없다.

우리가 인식하는 비콘과 같은 시스템으로부터 수득된 실시간 계산된 노심출력분포를 온라인 조절하기 위한 방법론의 향상은 노심내에 설치된 노심내 고정형 검출기의 다수의 스트링으로부터 유도된 정보를 사용해서 발견할 수 있다. 노심내 고정형 검출기는 항상 노심내에 존재하고 현재의 노심상태(아마도 출력 신호내의 단기간 붕괴성분을 가질 것임)에 항상 응답하기 때문에, 노심내 가동형 검출기 선속 형성도를 고착하는 사이의 비교적 긴 시간 간격사이의 관심은 정지상태로 남아 있다. 개별적인 검출기 섹션이 노심 전체를 통해 공간적으로 분포되어 있기 때문에, 계산된 노심출력 분포에 대한 단기간 조절을 공간적으로 일체화된 기초보다는 국부적으로 만들 수 있다.

조합된 공간적으로 일치하는 노심내 고정형 감마선 검출기쌍과 노심내 고정형 열중성자 검출기를 사용하는 더 강력한 이유는, 중성자 검출기가 감마선 검출기의 응답을 보정하기 위해서 중요한 부분으로 사용되어 지발된 감마 소오스의 기여자를 매우 신속히 응답하는 감마선 검출기의 출력응답 신호로부터 가급적 멀리 제거하는 경우, 노심을 보호할 목적으로 보정된 감마선 검출기 응답을 직접 이용할 수 있는 가능성에 있다. 이 전후 관계에 있어서, 비콘 또는 그 등가물은 본질적로(그러나 보호받지는 못함) 검출기 응답으로부터 유도된 국부적인 출력 밀도 및 직접 감시되지 않는 연료 집합체 근방의 국부적인 출력 밀도에 대한 검출기 응답사이의, 더 적합하게는 본 발명의 전후 관계에 있어서의 연속적으로 새로와진 온라인 관계를 제공하는 기능을 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 출원인은 두가지 유형의 노심내 고정형 중성자 검출기와 감마선 검출기를 고려한 바 있다. 현행 실무에 따른다면, 그러한 중성자 검출기로부터의 응답신호는 그 검출기를 직접 둘러싸는 핵연료내의 국부적인 출력 밀도와 아주 양호한 상관 관계에 있기 때문에 통상적인 중성자 검출기가 바람직할 수 있을 것이다. 그러나, 현재 사용중인 통상적인 노심내 고정형 중성자 검출기는 5년 내지 10년의 유효수명을 가지며, 검출기 노출이 계속될 때 검출기 출력 신호에 대한 중요한 분석 보정을 수행해야 한다. 더욱이, 실제적인 전기적 출력 신호를 발생시키는원자핵 과정은 중성자 포획 즉시 발생하지 않는다. 그 대신 그것은 초기의 중성자 포획후 무작위한 시간의 경과후 발생한다. 붕괴 과정은 반감기의 특성을 가질 수 있다. 통상적으로 가장 많이 사용되는 중성자 검출기 에미터 물질인 로듐은 두가지 붕괴법, 즉 하나는 43초의 반감기를 갖는 것이고, 다른 하나는 첫번째는 4.41분이고 두번째는 43초로 일어나는 연속적인 2개의 반감기를 갖는 것으로 이루어진다. 비교에 의해서 , 감마선 검출기로부터 출력 신호를 발생시키는 과정은 주로 원자론적 전자(핵이 아님)를 구비하므로, 감마선의 상호작용 발생후 바로 신호가 발생하며, 중성자 유도성 변환의 결과로서 발생된 검출기의 품질 저하가 중요한 고려 대상일 필요는 없다. 이 설명에 있어서, 본 출원인은 노심내 고정형 감마선 검출기의 사용을 강력 추천한다. 그러나, 감마선 검출기 신호와 국부적인 핵출력 밀도의 상호 관련성은 가압수형 원자로 노심내 감마선의 즉발 핵분열과 포획의 비교적 긴 평균 자유 경로로 인해서 중성자 검출기에서 발견한 것보다는 덜 강력하다. 이렇게 미약한 상호연관성은, 원자로의 감마선 선속의 무시할 수 없는 파편이 방사성 핵분열 생성물 및 활성 핵종의 붕괴시 발생하는 감마선으로 만들어지며, 따라서 출력분포가 변이상태에 있을 때나 연료를 보급하기 위한 가동중지에 뒤이은 재가동 바로후 최근의 , 다소는 현재의 노심상태를 반영한다는 사실에 의해서 더 악화된다. 그러나, 노심내 고정형 감마선 감지 검출기는 노심 감지, 특히 노심을 보호하기 위한 바람직한 대안이기 때문에, 그러한 검출기의 공지된 결점을 최소화시켜야 한다.

가압수형 원자로의 핵출력분포를 연속적으로 감시하기 위한 노심내 고정형자체 가동식 검출기 사용법은 널리 공지되어 있다. 미국에서, 동국 커넥티커트 윈드서 록스 소재의 컴버스쳔 엔지니어링(Combustion Engineering: CE)과 그러한 검출기를 갖는 동국 버지니아 린치버그 소재의 배브콕 앤드 월콕스(Babcock and Wilcox: B&W)에서 공급하는 원자핵 증기 공급시스템은 적어도 20년동안 사용되어오고 있으며, 그러한 검출기로부터의 출력 신호를 노심출력분포를 감시하는데 이용하는 개념은 타당하다고 받아들여지고 있으며, U.S. Nuclear Regulatory Commission가 원자력 발전소 작동에 대한 라이센스를 갖고 있다.

노심내 고정형 중성자 검출기의 라이센스의 기초가 되고 있는 데이타 베이스의 전개과정시에는 중성자 유도 변환으로 인한 검출기 출력 신호 감소의 문제와 직면해야 한다. 원자로의 일 매각인(B&W)은 초기의 발전소중 다수는 중앙 내측심블의 근방에 다수의 축방향 배열된 로듐을 구비한 검출기 섹션을 수납하는 조합한 노심내 계측심블을 구비하고 있으며, 그것의 노심내 가동형 중성자 검출기는 필요에 따라 삽입하여 최대한 수분내에 노심의 길이로 이동되고 회수할 수 있다고 알고 있다. 가동형 검출기는 노심의 활성영역에서 극히 적은 시간을 소요하기 때문에, 형변환 및 신호 저하는 무시해도 좋았다. 따라서, 검출기가 계측심블의 길이를 따라 이동할 때 얻어진 "선속 행적"은 주변의 로듐기재 검출기로부터 나온 점차 저하된 출력 신호와 비교하기 위한 참고 역할을 한다.

미국 뉴욕 호스헤즈 소재의 Imaging and Sensing Technology Corporation 및 또 다른 매각인(CE)은 제1도에 도시한 바와 같은 여러개의 독립적인 상대적으로 짧은 길이의 로듐 검출기(10-16)와 그 합산 길이를 갖는 하나의 바나듐 검출기를 사용했다. 바나듐은 낮지만 무시할 수 없는 중성자 흡수 단면적[2,200m/sec 4.5반(barn), 로듐의 경우는 156반임]을 가지므로, 비교적 무거운 바나듐 에미터는 유용한 신호를 발생시켜서 변환을 위한 극히 느린 붕피만을 경험할 수 있다. 바나듐은 로듐의 두가지 붕괴방식과 비교해서 225초의 반감기를 갖는 일 붕괴방식만을 가지며, 코발트에 존재하는 것파 같은 잔류 방사능은 없다. 원칙적으로, 본 출원인은 중성자 유도 변환으로 인한 로듐 검출기의 질적 저하율을 추적하기 위해서 개개의 로듐 검출기 섹션에 의해 발생된 신호와 비교하기 위한 기준으로써 긴 길이의 바나듐 검출기로부터의 출력 신호를 사용하는 것이 가능할 수도 있다는 것을 인식 하였다. 그러나, 이것이 수행되거나 심지어는 제안된 증거자료는 발견하지 못했다. 실제로, 긴 길이의 단일 바나듐 검출기로부터의 출력 신호는 다소 복잡한 공간적인 일체성과 축방향 출력분포를 변화시키는 시간만을 특징으로 하므로, 바나듐 검출기 신호에 대한 개별적인 로듐 검출기 신호의 관련성은 제 1 접근법 보다는 다소 덜 직접적이다. 그러한 로듐-바나듐 검출기 구조를 사용하는 것에 대한 유일한 공개 자료는 1974년 5월에 발생된 Nuclear Technology 제 22 권에 실린 코코란 등(Corcoran et al .)의 "Damping of Xenon Oscillations in the Maine Yankee Reactor"에 게재된 바와 같이 본 발명의 중요한 다른 응용예를 개시하고 있다.

필요 데이타 베이스가 조립되었고, 필요 상호 연관성이 개발되었으며, 노출시 로듐 검출기의 감도의 점차적인 저하를 실제로 감시하는 일은 결국 종결되었다.

다른 접근법으로서, Seabrook Nuclear Power Plant는 단지 짧은 길이의 플라티늄 세그먼트를 사용하며, 이들은 노심내 가동형 검출기 시스템을 사용해서 주기적으로 조사하였다. 최근의 공개자료[제이. 저스키 등(J. Gorski, et al.)의 "Incore Power Monitoring Using Platinum Incore Detectors At Seabrook Station", 미국 펜실바니아주 피츠버그에 소재하는 Mathematics, Computation and Reactor Physics 의 Proceeding ANS Topical Meeting Advance-1991년]는 작동중인 전형적인 발전소내에 있는 노심내 자체가동식 고정형 감마선 검출기로 수득가능한 신뢰성과 정확성의 증인이 되었다.

다양한 외국 회사, 예를 들면 Studsvik Nuclear는 제2도에 도시한 바와 같은 상이한 검출기 설계 구조를 아직 채용하고 있다. 이러한 검출기 구조에 있어서, 원자로내에는 짧은 길이의 코발트 검출기(20-23)와 약간 더 긴 길이의 바나듐 검출기 세그먼트(24-27)가 배치된다. 그 결과, 코발트 검출기(20-23)와 바나듐 검출기 세그먼트(24-27)는 공간적으로 일치하지 않는다. 사용된 전형적인 집합체는 상이한 집합체내에 코발트와 바나듐 검출기를 채용하였으나, 이 회사는 동일한 집합체내에 두가지 유형이 존재할 수 있다는 점을 인정하였다. 코발트는 거의 즉시로 응답을 제공하나, 노심내 고정형 검출기로써 사용하는 경우에는 높은 방사성 방사화 과정시 연소가 비교적 빨리 일어나서 비교적 자주 교체시켜 주어야 한다는 문제점을 나타낸다.

본 출원인은, 사용가능한 검출기 물질의 전 범위에 걸쳐서, 플라티늄은 감시대상의 핵분열에 의해서 생성된 감마선 뿐 아니라 핵분열 생성물에 의해서 나중에 방출된 감마선에 대해서도 민감하나, 플라티늄 응답은 거의 즉시로 일어나고 또한 낮은 잔류 방사능을 갖는다는 점을 알았다. 또한, 로듐과 바나듐은 열중성자에 민감하며 상술한 여러 가지 문제를 갖는다는 점도 알았다. 상술한 바와 같이 코발트는 중성자의 포획, 감마선의 방출, 전자를 방출하는 감마선의 포획을 포함한 과정에 의해서 중성자 선속에 비례하는 신호를 제공하므로, 코발트 검출기를 발전소의 위험지역에 종종 배치하여야 한다는 것을 알았다. 따라서, 긴수명 , 제거시 낮은 방사능, 빠른 응답시간, 사용시간중 안정한 선속 비례 신호를 나타내는 노심내 검출기 구조체가 소망된다.

본 발명의 목적은 사용시간동안 안정한 감도를 가지며 수명이 길고 잔류 방사능이 적으며 응답이 빠른 검출기 구조체를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 보정이 용이한 검출기 구조체를 제공하는데 있다.

상기 목적은 원자로 집합체내에 축방향으로 분산 배치된 플라티늄 검출기 세그먼트와, 동일 집합체내에서 그것과 동일공간에 형성된 대응하는 길이의 바나듐 검출기 세그먼트를 구비하는 검출기에 의해서 달성될 수 있다. 바나듐 검출기는, 플라티늄 검출기 응답신호로부터의 붕괴 생성물의 감마선속 기여분을 제거하기 위하며 플라티늄 검출기 신호를 보정하는데 이용된다. 짧은 길이의 바나듐 검출기 세그먼트는 원자로의 전체 길이에 걸친 플라티늄 검출기와 전체 길이의 바나듐 검출기 또는 그와 유사한 길이의 바나늄 검출기 및 적어도 스택된 플라티늄 세그먼트 만큼 긴 바나듐 검출기로 대체될 수 있다. 전체 길이의 플라티늄 검출기는 공간적으로 일치하는 전체 길이의 바나듐 검출기에 대해 측정될 수 있으며, 짧은 길이의 플라티늄 세그먼트의 보정여부를 판단하는데에도 사용할 수 있다.

이하에서 더욱 명백해질 상기 목적 및 기타 목적과 잇점은 이하에 충분히 기술하고 청구하는 바와 같은 구성과 작용의 세부 설명에 잘 나타난다. 이하의 설명은 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부도면을 참조하였는바, 도면에 있어서 동일 번호는 동일 부분을 나타낸다.

제3도에 도시한 바와 같은 본 발명은 축방향으로 배열된 플라티늄 검출기 세그먼트(30-40)와, 이 플라티늄 검출기 세그먼트(30-40)와 동일한 집합체 내에서 그와 동일한 길이(공간적으로 일치함)로 동일한 높이에 배치된 축방향으로 배열된 바나듐 검출기 세그먼트(42-52)를 구비한다. 바나듐 검출기 세그먼트(42-52)를 이용해서 노심내 고정형 감마선 검출기[플라티늄 검출기 세그먼트(30-40)]를 연속적으로 온라인 보정하면, 경수형 원자로 노심내 감마선의 비교적 긴 평균 자유경로와, 원자로내 임의 개소에서 시간에 따라 변하는 전체 감마 선속의 붕괴 감마 성분에 기인하는 유해한 효과를 가급적 많이 제거할 수 있게 된다. 각각의 반경방향 위치에 축방향으로 배열된 다수의 짧은 길이의 플라티늄 검출기 세그먼트(30-40) 섹션과 동일한 반경방향 위치에서 축방향으로 배열된 대응하는 수의 짧은 길이의 바나듐 검출기 세그먼트(42-52) 섹션을 갖는 일 실시예에 있어서, 각 바나듐 검출기 섹션의 활성 길이 및 높이의 양자를 대응하는 플라티늄 검출기 섹션에 기하학적으로 부합시키므로, 부합된 양자의 검출기 세그먼트는 노심의 동일 영역내의 평균핵 출력 밀도와 관련된 양을 보고한다.

제4도는 제3도의 세그먼트의 측면도를 도시하는 바, 이 도면에 있어서는 모든 리드 세그먼트(lead segment)(54, 12개가 전형적임)가 중앙 중공형 맨드릴(56)내에서 그의 접속 포트 또는 슬롯(58)까지 직선형 세그먼트의 형태로 하향 연장하고 있다. 검출기의 활성부, 예를 들면 참조부호(34, 46)가 쌍을 이루면서 맨드릴(56)의 외측을 둘러싸고 있으며 슬롯에서 리드 세그먼트(54)와 접속되어 있다. 모든 리드 세그먼트(54)는 활성 검출기와 동일한 직경을 가져야 하고 동일한 물질로 제조되어야 한다. 본 도면에는 그것의 외장을 도시하지 않는다.

제5도는 짧은 활성 영역을 통과하는 검출기 집합체(59)의 절단 도면이다. 이 도면은 2쌍의 바나듐 검출기 및 플라티늄 검출기를 사용하는 2 세그먼트형 검출기 집합체를 도시한다. 이 절단 도면에 있어서는 비활성 세그먼트(60, 62)용 리드가 맨드릴(63) 내측에서 활성 영역을 관통하며, 또한 참조부호(64, 66)는 외장(68) 내측으로 맨드릴(63)을 둘러싸는 바나듐 검출기와 플라티늄 검출기의 쌍을 나타낸다. 각 검출기는 활성 영역이든 비활성 영역이든지에 상관없이 절연물질(절연체)(70)을 구비한다. 활성 영역이 아닌 곳에서는 리드(72)와 상보형 리드(74)를 절연체(70)가 둘러싸고 있다. 또한 활성의 검출기쌍은 상보형 리드(76)를 구비하는 바, 바나듐 검출기(64)는 바나듐 리드(78)를 구비하고 플라티늄 검출기(66)는 플라티늄 리드(80)를 구비한다.

상술한 바와 같은 검출기 구조체를 이용하여 원자로의 대단히 효율적인 적용범위를 제공하기 위해서는, 제6도에 도시한 바와 같은 노심내 고정형 검출기 집합체 패턴이 제공되어야 한다. 이 도면에 있어서 FID는 노심내 고정형 검출기 집합체의 위치를 표시하며, 해칭된 블록은 제어봉 또는 운전정지봉의 위치를 표시하고, 점선 블록은 그레이 로드(gray rod)의 위치를 나타낸다. 다른 검출기 구조도 가능하나 이것이 전형적인 구조이다.

상술한 본 발명의 실시예에 있어서 , 노심내 고정형 검출기 시스템은 전력분포를 감시하기 위해서 이용될 수 있는 노심내 자체 가동식 바나듐 검출기 및 플라티늄 검출기를 갖는 것으로 기재하였다. 이러한 두가지 재료의 조합은 노심 감시 목적의 유효한 입력 결정에 이익을 제공한다. 바나듐제 중성자 검출기는 플라티늄제 감마선 검출기의 사용시 발생하는 두가지 문제를 극복하고자 창안된 것이다. 특히 플라티늄 검출기는 즉발 핵분열 및 포획 감마 소오스와 지연된 붕괴 감마 소오스를 구분할 수 없으며, 중성자 대 감마선의 긴 평균 자유 경로는 표시 출력과 각 국부출력 사이의 연관성을 저하시킨다. 상술한 양자의 문제의 해결 능력을 고양시키는 또 다른 실시예는 제7도에 도시한 바와 같이 긴 길이의 바나듐 검출기(82)와 긴 길이의 플라티늄 검출기(84)를 플라티늄 검출기 세그먼트(30-40)와 함께 제공하는 것이다. 한 세트의 짧은 길이의 플라티늄 검출기 세그먼트(30-40)와, 하나의 긴 길이의 플라티늄 검출기(84)와, 이것과 기하학적으로 동일한 하나의 긴 길이의 바나듐 검출기(82)를 갖는 이 제 2 실시예는 양자의 검출기가 적어도 플라티늄 검출기 세그먼트(30-40)의 전체 길이만큼 길게 제공되는 한은 백피트(backfit) 및 가까운 장래의 가압수형 원자로에 바람직하며, 아마도 본 출원인의 AP600과 같은 진보된 원자로에도 바람직할 수 있을 것이다. 긴 길이의 플라티늄 검출기 섹션의 응답과, 이것과 기하학적으로 동일한 긴 길이의 바나듐 검출기 섹션의 응답간의 관계는 후술하는 바와 같이 직선적이다. 제7도의 집합체의 전형적인 활성 섹션을 제8도에 도시하고 있다. 제8도는 긴 길이의 플라티늄 검출기(84) 및 긴 길이의 바나듐 검출기(82)와 함께 적층된 짧은 길이의 검출기 세그먼트(36)를 도시한다.

제9도에 도시한 바와 같이 모든 검출기와 리드가 고형 또는 중공형 맨드릴 둘레를 감싸는 것이 가능하다. 이 도면은 팎은 길이의 비활성 세그먼트용 비활성 리드(88), 짧은 길이의 활성 플라티늄 에미터(90)와 관련 보상 리드(92), 전체 길이에 걸쳐 연장된 플라티늄 에미터(94)와 보상 리드(96), 그리고 전체 길이에 걸쳐 연장된 바나듐 에미터(98)와 관련 보상 리드(100)가 맨드릴(86) 또는 봉 둘레를 감싸고 있는 것을 도시한다.

상술한 실시예의 변형예로서, 내측 맨드릴을 6개의 짧은 길이의 플라티늄 검출기로 둘러싸는 것도 가능한 바, 제10도는 하나의 짧은 길이의 활성 플라티늄 검출기(102)와 5개의 짧은 길이의 비활성 플라티늄 검출기(104-112)를 도시하고 있다. 맨드릴의 내부에는 하나의 긴 길이의 직선형 플라티늄 검출기(114)와 2개의 긴 길이의 직선형 바나듐 검출기(116, 118)가 있다. 2개의 바나듐 검출기(116, 118)는 바나듐 신호 세기를 증가시킨다.

기하학적으로 거의 동일한 바나듐 검출기에 대한 플라티늄 검출기의 응답을 연속적으로 온라인 교정하는 적당한 세트의 공식을 후술할 것이며, 이 공식은 본원에서 기술하는 동일한 길이의 플라티늄 세그먼트와 바나듐 세그먼트에 적용된다. 사용시, 본 시스템은 중성자 검출기와 감마선 검출기를 샘플링하여, 출력 분포를 생성하는 감마선 검출기 신호를 보정한다. 후술하는 바와 같이 이러한 보정으로서는, 즉발 신호원의 에러를 보정하는 것, 열데포지션율(heat deposition rate)을 계산하는 것, 상기 열데포지션율에 응답하여 감마선 신호를 조절하는 것을 들 수 있다.

자체가동식 중성자 감지용 바나듐 검출기에 의해 발생된 출력 신호는 검출기 심블(detector thimble)내의 열 중성자 선속 세기에 대하여 거의 정비례하며, 따라서 심블의 바로 근방에 있는 연료의 핵분열율과의 상관관계가 아주 높다. 그러나, 자체가동식 감마선 감지용 플라티능 걷출기에 의해 발생된 출력 신호는 검출기 심블내의 감마선 선속에 더욱 비례한다. 감마선 선속은: a) 심블 근방에서의 핵분열과; b) 심블 근방에서의 비핵분열성 물질내 중성자 포획과; c) 심블 근방에서의 핵분열 생성물 및 방사성 생성물 원자핵의 붕괴로부터 야기된 성분을 수용하는데, 상술한 "근방"이라는 의미는 검출기 에미터의 소정점으로부터 연료 집합체의 폭(전형적으로 8.5인치)을 훨씬 초과하는 거리까지 모든 방향으로 연장되는 것을 말할 수 도 있다. 따라서, 자체가동식 감마선 검출기로부터의 출력 신호 세기와 국부적인 핵분열 밀도간의 상관관계는 중성자 검출기를 사용할 때보다 덜 비례한다.

노심내의 모든 점에 있는 전체 감마선 선속중 포획 감마 성분은 은-인듐-카드뮴 또는 하프늄을 수납한 제어봉이 측정 점의 근방에 삽입되어 있지 않는 한 핵분열 감마 성분에 항상 정비례한다. 그러한 제어봉이 감마선 검출기와 동일한 연료 집합체내에 삽입되지 않으면, 국부적인 감마선 선속의 증가가 아주 크지는 않을 것이고, 그리고 이 목적을 위하여 모든 제어봉의 축방향 위치가 알려져 있기 때문에, 임의의 제어봉의 존재를 짐작하기 위해서 영향을 받은 검출기 출력 신호에 종래의 분석 보정을 적용할 수 있다.

감마선의 긴 평균 자유경로(즉, 검출기 에미터에 포획되는 감마선을 생성하는 핵분열 또는 포획이 발생한 곳) 및 전체 감마선 선속의 붕괴 감마 성분을 변경 시키는 시간(즉, 궁극적으로 감마선의 포획을 야기시키는 핵분열 또는 포획이 발생한 때)과 관련된 불확정성이 여전히 존재한다. 이 효과를 규명하기 위하여 검출기 출력 신호를 조절하는 것은, 적어도 하나의 자체 가동식 중성자 감지용 바나듐 검출기를 동일 집합체내에서 플라티늄 검출기의 각 스트링(string)과 조합하기 위함이다. 상술한 바와 같이, 바나듐 검출기는 수초의 시간 지연 후 원자로 내의 선속변경에 응답하며, 이에 반하여 플라티늄 검출기는 거의 즉시 응답하지만 측정할 필요가 있는 원자로내의 선속 변화에 기인하지 않은 신호 성분이 크게 나타난다. 바나듐 검출기를 사용하면 플라티늄 검출기 신호의 윈치 않는 성분을 제거할 수 있다. 이하에 수항의 보정 공식을 기술한다. 원자로의 변화는 비교적 천천히 일어나고 상기 보정은 본질적으로 준안정상태 보정이기 때문에 출력 분포 감시용으로는이 보정 공식만으로 충분하지만 보다 고차의 보정 공식도 가능하다.

국부적인 출력 밀도와 감마선 검출기의 출력 신호간의 상호관련성을 향상시키기 위해서는 여러가지 초기 상태가 만족되어야 한다. (a) 실제로 사용되는 유형의 전형적인 감마선 검출기의 감마선 에너지 의존 응답 함수(단위는, 예를 들면 앰프/유니트 감마선 선속/cm임)를 알 필요가 있다. 응답 함수를 결정하기 위한 분석법은 1991년 4월 미국 펜실바니아주 피츠버그에서 개최된 "수학, 컴퓨터 계산 및 원자로 물리의 진전에 관한 ANS 토픽 회의(ANS Topical Meeting on Advances in Mathematics, Computations and Reactor Physics)"의 의사록에 나타나 있는 나폴리탄 등(Napolitan et al.)의 "시브룩 발전소의 노심내 플라티늄 검출 감도(Sensitivity of Seabrook Station's Incore Platinum Detectors)"에 기재되어 있다. 상기 논문은 본원에 참고로 인용한다. (b)노심내에 설치하고자 하는 모든 개별적인 플라티늄 검출기 섹션의 상대적 감도를 알 필요가 있다. 상대적 감도를 결정하는 것은 각 검출기 섹션내 에미터 물질의 상대적 양을 결정하는 것만큼 간단하다. (c) 또한, 노심내에 설치하고자 하는 각 바나듐 검출기로부터의 출력 신호와 국부적인 열중성자 선속 간의 절대적 관계도 결정할 필요가 있다. Microamps/cm/nv와 같은 단위의 각 바나듐 검출기의 감도 값을 알아야 한다. 합리적인 제조 품질 제어가 행해질 수 있다고 가정하면, 기지(旣知)의 열중성자계에서 전형적인 바나듐 검출기의 대표적인 짧은 세그먼트를 단순히 교정하는 것으로 충분하다. (d) 또한, 노심내의 각 검출기 위치에 대해서 검출기 내측의 열중성자 선속세기와 그 주변 연료의 출력 밀도 사이의 절대 관계를 아는 것도 필요하다. 이러한 필요조건은 보통 널리 공지되어 있는 분석법을 이용함으로써 충족될 수 있다.

게다가, 어떤 개별적인 플라티늄 검출기 세그먼트와 그와 대응하게 기하학적으로 부합된 바나듐 세그먼트간의 상대적 길이와 상대적 위치도 알아야 한다.

보정중에는 전형적인 가압수형 원자로내 감마선 선속의 지발(delayed) 성분이 붕괴 열 소오스가 하는 것과 아주 동일한 방식으로 응답한다는 가정을 만든다. 다르게 말하면, 지발된 감마선 소오스는 모든 붕괴된 열 소오스의 부분집합이다. 이것이 설정된다면, ANS 붕괴열 모델의 수납된 소오스의 열량과 반감기(ANSl/ANS-5.1-1979, "Amer ican National Standard for Decay Heat Power in Light Water Reactors," American Nuclear Society-1979년 8월 29일)를 조사할 수 있고, 가압수형 붕괴열 소오스중 약 2/3가 바나듐-52 반감기보다 짧은 반감기를 갖는다는 것을 발견할 수 있다. 다시 말하면, 노심내의 자체가동식 고정형 감마선 검출기로부터의 전체 신호중 약 15%가 붕괴되지만, 이것은 국부적인 열데포지션율을 추론하는데 사용되는 감마선 검출기 출력 신호를 교정하기 위해 온라인 데이타의 소오스로써 제공된 바람직한 노심내 자체가동식 고정형 열중선자 검출기(즉, 바나듐 검출기)의 출력 신호보다 더 빠르게 응답한다.

본 출원인은, 공간적으로 일치하고 응답이 신속히 일어나는 감마선 감지 및 열중성자 감지 검출기 세그먼트를 포함하는 노심내 자체가동식 고정형 검출기 구조에 대해서, 노심의 상태가 수분동안 명목상 고정되어 있을 때든 아니든지간에 국부적인 감마선 감지용 노심내 고정형 검출기의 응답으로부터 국부적인 열데포지션율을 역학적으로 추론하고 국부적인 열중성자 감지용 노심내 고정형 검출기 응답의 중간 물질을 통해 국부적인 감마선 감지용 고정형 노심내 검출기의 응답을 국부적인 열데포지션율로 교정하기 위한 합리적인 방법을 개발하여 이하에 기술한다.

통상적인 가압수형 원자로 노심내 핵연료 집합체의 높은 열데포지션율 영역의 국부적인 열데포지션율의 중요한 기여자(contributors)를 후술한다. 열을 냉각제 내에 직접 배치할 때 뿐만 아니라 구조적 물질, 가연성 해독성 봉 또는 삽입된 제어봉내에 열을 배치할 때는 본질적으로 열전사가 포함되지 않으며, 약간의 열전사가 포함되더라도 설계상 열전사는 제한되기 때문에, 냉각제내의 직접적인 열전사는 배제된다. 연료 집합체내 고 에너지 배치율 영역의 국부적인 열데포지션율의 중요한 기여자는 하기와 같다:

즉발 소오스

a) 열데포지션 메카니즘이 핵분열 사상 지역의 바로 근방에 천천히 하강하는 에너지 핵분열 파편을 구비하고 핵분열 사상 지역의 바로 근방에 핵분열 중성자의 비탄성 산란시 발생된 감마선 및 즉발 핵분열 감마선의 붕괴 및 흡수가 일어나고 있는 경우의 핵분열.

b) 연료 집합체의 중성자 포획 사상(capture events), 냉각제내 수소와 붕소의 중성자 포획 사상 및 근방 제어봉의 중성자 포획 사상. 상술한 것들은 모두 연료의 고원자수 물질내의 높은 부분에 흡수 및 붕괴되는 즉발 감마선을 생성한다.

c) 연료 펠레트(fuel pellet)상의 붕소 피막의 중성자 흡수 사상, 이 경우 리튬과 헬륨 반응성 생성물의 반동 에너지가 노심내 기존 고-열데포지션율 영역내에 배치 된다.

지발 소오스(delayed sources)

d) 열데포지션 메카니즘이 붕괴 사상 지점의 바로 근방에서 방출된 베타 및 알파 입자의 느린 하강과, 지발된 붕괴 과정시 방출된 감마선의 흡수 및 붕괴가 붕괴 사상 지점의 바로 근방에서 일어나는 것의 양자의 과정을 겪고 있는 경우 연료 집합체내의 핵분열 생성물과 초우라늄핵 및 방사화 생성물(activation products)의 방사성 붕괴. 기록에 첨부하자면, 본 출원인은 베타선 붕괴 과정과 관련하여 방출된 지발 중성자의 비탄성 산란으로 인해 발생된 후자의 강마선을 구비한다.

e) 방사화된 구조적 재료의 바로 근방의 고-열데포지션율 영역(즉, 연료봉)내에서 흡수 및 붕괴되는 감마선을 발생시키는 연료 집합체 구성물질내 방사화 생성물의 방사성 붕괴.

초기의 연료 농축 및 국부적 연소를 위해 제공된 표준형 가압수형 원자로 연료에 대해서 즉발 연료배치에 대한 각종 기여자의 혼합은 매우 큰 정도까지 구조적으로 기결정되며 분석적으로 평가될 수 있다는 점을 알아야 한다. 따라서, 공명 중성자 비탄성 산란과 흡수가 국부적인 연료 온도 및 감속제 밀도의 검출가능 정도에 따라 달라질 수도 있고, 핵분열 생성물에 의한 중성자 포획은 국부적인 크세논-135와 사마륨-149의 검출가능 정도에 따라 달라질 수도 있으며, 제어봉내의 중성자 포획은 명백하게 근방의 제어봉 존재 여부에 따라 달라진다. 하더라도, 국부적인 즉발 열데포지션 소오스의 혼합 변화는 열중성자로 유도된 핵분열 및 포획응답으로 인해서 우세한 "하드-와이어(hard-wired)" 기여자에 의해 크게 가려진다. 따라서, 각종 소오스로부터의 상대적 기여 레벨을 즉발 열데포지션율, 오프라인 및 필요성의 진보에 기여하도록 할당할 수 있다. 한편, 국부적인 열데포지션율의 지발된 기여자가 비록 크진 않지만 최근의 국부적인 핵 출력 레벨 이력(nuclear power level history)에 달려 있으므로, 실제적인 발전소 동작에 앞서서 확실히 기대할 수 없다는 점을 반드시 인식해야 한다.

일 시간(t)에서 국부적인 열데포지션율에 대한 즉발 및 지발 기여자의 복합식은 하기의 식으로 나타낼 수 있다.

이 식에 있어서 , LHDR(t)은 국부적인 열데포지션율이고, Φ (t)는 국부적인 시간 의존성 열 중성자 선속이며, Σ_a는 핵분열, 비탄성 산란 및 중성자 포획 사상의 원인이 되는 국부적인 평균 거시적 중성자 흡수 단면적이며, K_prompt는 국부적인 즉발 열데포지션율에 대한 국부적인 중성자 흡수율에 관련된 승수(multiplier)로서, 핵분열율과 관련하여 발견된 전통적인 K 인자와 유사하지만 동일하지는 않을 것이다.

λ_n은 n번째 붕괴 열 전조물질(precursor)의 붕괴 상수이며, D_n(t)는 관련 전조물질의 시간 의존성 국부농도이고, Kn은 국부적인 전체 열데포지션율에 대한 n번째 전조물질에 기여하기 위한 n번째 전조물질 핵의 붕괴율과 관련된 승수이다. ∑ a와 k Prompt,의 값 또는 가능하면 ∑ aK Prompt의 조합은 주로 연료 유형, 초기 농축도 및 국부적인 연소율에 따라 달라지며, 상술한 바와 같이 연료 설계 과정중 이들 변수의 함수로써 쉽게 평가할 수 있다. λ_n및 k_n의 값은 ANS/ANSl 붕괴열 모델(1979년 8월에 ANS/ANSl 표준 5.1로써 American Nuclear Society에서 편찬된 "American National Standard for Decay Heat Power in Light Water Reactors", 본원에 참고로 인용됨)의 일부로써 공급되는 데이타로부터 직접 유도할 수 있다.

n번째 붕괴열 전조물질의 국부적 농도의 시간 의존 변수는, 붕괴열 모델의 범위내에서 하기의 식을 갖는 국부적 중성자 흡수율 Φ (t)I a의 시간 의존 변수와 관련될 수 있다.

이 식에서, β_n은 핵분열율이 아니라 중성자 흉수율과 관련된 전조물질 수율이다.

국부적인 감마선 선속에 대한 관련 기여자에 비추어 연료 물질의 국부적인 열데포지션율에 대한 각각의 지발된 즉발 기여자를 고려할 필요가 있다. 국부적인 열데포지션율에 기여하는 각 원자핵 반응시 방출된 감마선의 수 및 에너지 분포는 전체적으로 적당한 정도까지 알려져 있다. 더욱이, 노심내 고 열데포지션율 영역의 국부적인 열데포지션율에 대한 중요한 기여자가 되지 않는 국부적인 감마선 선속에 대한 중요한 기여자는 없는 것으로 보인다. 감마선 선속에 대한 국부적인 기여자라는 용어에 사용한 "국부적인"은 국부적인 열데포지션율이라는 용어에 사용한 "국부적인"이라는 뜻보다 기하학적으로 더 큰 노심영역을 포함한다. 그러나, 상대치수의 차이는 감마선을 나타내기 위한 것이 "연료 집합체 피치보다 약간 큰"이라는 것과 열데포지션율을 나타내기 위한 것이 "연료 집합체 피치보다 약간 작은"이라는 것으로써 적당히 나타낼 수 있다. "국부적인" 이라는 상이한 규정의 문제는 예측가능한 국부적인 연소방법이 변화되는 한세트의 분석적 유도변수의 적당한 규정에 의해서 적절히 해결된다는 것을 나중에 알 것이다.

상술한 코멘트의 출구는 국부적인 연료의 유형(피복된 연료 펠레트를 갖거나 또는 갖지 않음), 국부적인 초기 농축도 및 국부적인 연소율("국부적인"은 연료 집합체의 기준으로 규정됨)에 관한 몇가지 특성을 규정하는 경우, 즉발 기여자를 반감기 또는 특징적인 지발시간의 말로 지발 기여자로부터 구분할 수 있다면 감마선 선속에 대한 국부적인 기여자와 열데포지션율에 대한 국부적인 기여자 사이에 직접적인 연관성이 설정될 수 있다. 열데포지션율 및 감마선 선속에 대한 지발 기여자로부터 즉발 기여자를 구별하기 위한 주된 이유는, 연료 물질내의 즉발 감마선 붕괴 및 흡수는 전체 즉발 열데포지션율중 비교적 작은 부분(아마도 10%를 초과하지 않을 것임)에 응답하는 반면, 지발 감마선은 감마선 검출기 신호와 관련된 총량중 약 ¼ 을 점유할 수 있다는 사실에 각기 의거한다.

각종 초기의 중성자 방사성 붕괴 과정시 발생된 감마선의 수 및 에너지 스펙트럼과 관련된 특성은, 예를 들면 Oak Ridge National Laboratory가 1973년에 처음 발행한 "ORNL-4628, ORIGEN - The ORNL Isotope Generation and Depletion Code"라는 표제하에 실린 공공연한 기술보고서, 및 1975년 발행된 RSIC DCL-38 "LRYX-E: ORIGEN Yields and Cross Sections - Nuclear Transmutation and Decay Data from ENDF/B-IV"라는 표제의 또 다른 보고서에서 발견할 수 있다. 공공연한 ENDF/B 핵데이타 파일은 공개 문헌에 새로운 핵 데이타가 공개될 때마다 계속해서 새로와진다.

노심내 고정형 감마선 검출기를 노심내의 국부영역에 삽입하였고; a) "즉발" 감마선에 기여하는 즉발성 감마선 검출기 응답 신호성분을 "지발' 감마선에 기여하는 성분으로부터 구별할 수 있고, 또한 b) 반감기 또는 특정 시간에 따라서 검출기 응답신호에 대한 각종 "지발" 감마선 기여들을 구분할 수 있다면, 국부적인 노심내 고정형 감마선 검출기 응답신호에서 해결되는 바와같은 국부적인 감마선 선속의 각 성분의 감도에 국부적인 열데포지션율 기여의 공지된 비를 적용함으로써 노심의 높은 열데포지션율 영역의 국부적인 열데포지션율을 판단할 수 있음이 명백하다.

이 목적을 달성하기 위해서, 가압수형 원자로 노심의 시간 의존성 감마선 선속의 단순화된 모델을 고려해보면, 국부적인 감마선 이송에 관련하여 노심이 공칭적으로 균질한 경우, 가짜의 감마선 선속은 중성자 유도 핵분열 및 포획으로부터 직접 야기된 현재의 국부적인 즉발 열데포지션율에 직접 비례하는 즉발 성분과, 근방의 초기 핵분열 및 포획 사상에 의해 발생된 핵의 현재 농도에 따라 달라지는 다수의 지발성분의 양자로 구성된다. 본 출원인은 ANS/ANSl 기준에 의거하여, 감마 성분은 감마선 전조물질의 단일 방식 붕괴를 포함하고, 감마선 선속내에 묻힌 고정형 감마선 검출기의 응답은 에너지 독립적이라는 가정을 할 것이다. 상술한 가정이 하기의 것에 중요하다고 할 수는 없으나, 양자의 가정을 수용하면 기수법이 단순화되므로, 본 목적은 달성하기 위하여 복잡한 표현요소를 생략할 수 있게 된다.

소정의 국부적인 노심영역에 있어서, 고속 응답을 한다고 추정된 노심내 고정형 감마선 검출기의 출력 신호의 즉발성분의 강도는 Φ (t)∑_aη_Prompt의 곱에 비례 한다. 이 경우 η_Prompt는 국부적인 단일 중성자 흡수 사상과 동시에 발생한 국부적으로 검출가능한 감마선 선속의 평균 증가율을 나타내는 수율인자이다. η_Prompt를 연료 유형, 초기 농축 및 국부적인 연소율로서 평가하는 작업은 연료 설계공정중 손쉽게 수행할 수 있다.

검출기 감도 인자 F_Pt가 주어진 경우 하기 식을 설정할 수 있다.

이 경우 S_Prompt(t)는 검출기 출력 신호의 즉발성분이다. 노심내 고정형 감마선 검출기의 출력 신호의 각 지발성분 강도는 λ_nD_n(t)η_n의 곱에 비례하는 바, 이 경우 η_n은 검출기의 근방에서 n형의 국부적인 단일 감마선 전조물질 핵의 붕괴와 동시에 발생하는 국부적인 검출가능한 감마선 선속의 평균 증가율을 나타내는 수율 인자이다. 편리함을 도모하기 위해서, 동일한 검출기 강도 인자 F_Pt를 가정하면, n번째 붕괴 감마선 소오스에 기인해서 노심내 고정형 감마선 검출기에 의해 발생된 출력 신호의 성분 S_n(t)를 하기의 식으로 규정할 수 있다.

검출기의 전체 출력 신호 강도는 하기로 단순화된다.

또는

검출기 반응신호 Spt(t)는 즉발 및 지발 감마 소오스의 양자에 기인하는 성분을 포함하고 있지만, 반응신호 자체는 본질적으로 즉시 필요한 바, 다시 말해서 신호강도는 항상 국부적인 감마선 선속 레벨에 정비례하며 국부적인 감마선 선속 방출율에도 정비례한다는 것을 알아야 한다. 이러한 요구조건은 플라티늄을 활성 감지물질로써 사용하는 감마선 검출기에 의해 쉽게 만족시킬 수 있다.

변수 η_Prompt와 η_n의 세트는 국부적인 열데포지션율과 관련된 "국부적인"이라는 말과 감마선 선속에 대한 국부적인 기여자와 관련된 "국부적인"이라는 말 사이의 차이점을 각 규정에서 암암리에 포함하고 있음을 알아야 한다. 특정한 노심내 고정형 감마선 검출기에서 볼 수 있는 감마선 선속에 기여하는 지발 감마선 전조물질의 확율 계산시 감마선 이송 확률의 계산은 통상인 노심설계 액티버티를 지나서 약간 진행되므로, 당해 업계의 분석능력을 가진 자라면 필요한 계산을 우수하게 수행할 수 있을 것이다.

관찰가능한 노심내 감마선 검출기 반응신호와 그것에 대응하는 국부적인 열데포지션율간의 결합관계를 공칭적인 안정상태 및 신속히 변화되는 동적 상태의 양상태에서 제공할 필요가 있다. 특성시간 λ_n ^-1과 비교해서 계산상의 시간 단계 dt가 제공된다면, n번째 붕괴열과 붕괴 감마 전조물질 농도의 시간적 전개를 기술하는 미분 방정식이 하기의 해를 갖는다.

이 식을 방정식(6)에 대입하면 하기의 식이 얻어진다.

이것을 계산하면 하기 식이 얻어진다.

이 경우,

따라서, 계산식의 갱신시간 dt를 예를 들면 1 초로 설정하면; a) 감마선 반응신호 S_pt(t)의 현재값과 각 전조물질 농도 D_n(t-dt)의 가장 최근에 계산된 값 및 중성자 흡수율 Φ (t)∑_a를 이용해서 상술한 현재의 중성자 흡수율 Φ (t)∑_a를 계산하는 것과; b) 상술한 현재의 중성자 흡수율 Φ (t)∑_a및 상술한 시간 단계의 종말시 수득된 전조물질 농도 D_n(t-dt)를 중성자 흡수율의 값 Φ (t-dt)∑_a과 함께 사용해서 전조물질 농도의 현재값 Dn(t)를 계산하는 것과; c) 국부적인 중성자 흡수율 Φ (t)∑_a의 현재값 및 국부적인 전조물질 농도 D_n(t)를 사용해서 상술한 방정식(1) 형태의 국부적인 열데포지션율을 계산하는 것은 쉽다. 계산상의 갱신시간 dt가 어떤 특정한 허용가능한 값, 예를 들면 1 초에 엄격하게 설정된다면, 기수법 및 실제의 계산의 양자에 유용한 단순화가 도입될 수 있다는 점을 참고로 말하고자 한다. 특히 η_nλ_ne^-λn^dt및 η_nβ_n(1-e^-λn^dt)/2 의 인자는 상술한 바와 같이 상수로 평가된다.

상술한 시간 단계별 절차는 단순하며, 공개 문헌에 유용하거나 널리 알려져 있는 분석법에 의해 쉽게 수득된 핵 데이타만을 사용한다면, 각각의 전조물질 미분방정식에 대해 해답을 얻기 위한 초기 상태의 문제는 여전히 고려대상이다. 선택된 초기상태가 시간별 단계의 유효성으로 전조물질 방정식(2)에 의해 표시된 유형의 미분 방정식에 대한 해답을 갖게 됨으로써 생기는 영향력은 모든 실용목적에 대해 각 전조물질 반감기의 약 3배의 시간에 걸쳐 점차 사라진다는 것은 널리 알려져 있다. 그러나, 또한 많은 붕괴 열/붕괴 감마 전조물질이 분단위 내지 시간단위의 반감기를 갖는다는 것도 알려져 있다. 따라서, 전체 감마선 검출기 응답신호에 대해 지발 붕괴 감마선 기여를 하는 모든 합성수가 크다는 사실을 허가하면, 국부적인 열데포지션율에 대한 대응하는 붕괴 감마선 기여가 작은 경우에도, 예를 들면 감지신호의 손실이나 컴퓨터의 기능부전과 같은 것에 의해서 계산상의 흐름에 대한 방해가 일어난 후, 국부적인 열데포지션율의 계산값의 에러는 허용할 수 없는 기간 동안 특히 노심을 보호할 목적으로 허용되지 않을 수도 있다고 예상된다.

바나듐을 활성 요소로써 사용하는 노심내 자체가동식 고정형 검출기의 반응 특징을 고려하고자 한다. 천연 바나듐은 대개 51V의 완전한 단일 동소체로 이루어 진다. 자연적으로 발생되는 최소 동소체 :50V는 중성자 흡수시 포획 감마선을 방출하면서 안정한⁵¹V로 변환된다.⁵¹V는 비교적 작은 교과서와 유사한 중성자 흡수 단면적으로 시장에 출하되어 있는 바, 그 단면적은 분석 표시되어 있다.⁵¹V 의 중성자 흡수와 그 이후의 안정상태로의 변환 원자핵 과정은 하기와 같다.

따라서,⁵¹V의 중성자 흡수는 3.45분의 반감기에 대응하는 시간 지발과 함께 발생하며, 고-에너지의 전자 방출은 검출기에 의한 응답신호 출력에 기여할 수 있다. 열중성자 선속 계내에 침지된 자체 가동식 바나듐 검출기의 웅답신호 Sv(t)는 하기 식으로 표시할 수 있다.

이 식에서, Fv는 바나듐 검출기의 감도 인자이고, λ₅₂는⁵²V 동소체의 붕괴 상수이며, V₅₂(t)는⁵²V 핵의 국부농도이다.⁵²V 핵의 생성 및 붕괴방식은 하기의 방정식에 따른다.

이 식에서, σ₅₁은⁵¹V 핵의 미시적 중성자 흡수 단면적이며, V_5l은⁵¹V 핵의 국부농도이므로, 관심을 기울인 시간동안 σ₅₁의 작은 값에 의해서 거의 일정하다고 생각할 수 있다. 생성율 항 Φ (t)σ₅₁V₅₁은 동등한 항 Φ (t)∑_aβ₅₂으로 대체할 수 있으며, 이 경우 수율 인자 β₅₂는 하기의 비율로 간단히 나타낸다.

연료 유형, 초기 농축도, 및 국부적인 연소율의 서서히 변화되는 함수는 연료 설계 과정중 쉽게 평가된다. 따라서 하기 식을 얻을 수 있다.

특성⁵²V 붕괴 시간 λ^-1 ₅₂와 비교해서 짧은 시간을 갖는 계산상의 시간 단계 dt(예를 들면, 전술한 바와 같이 1초를 사용할 수도 있음)를 사용하는 경우, 미분 방정식의 적당한 해답은 하기 식과 같다.

이 식을 방정식(12)에 대입하면 하기 식이 수득된다.

이것은 전형적인 붕괴 열/지발 감마선 전조물질에서 발견했던 일반적인 관계와 거의 유사하다. 추가로 계산하면 하기 식이 수득된다.

이 경우,

적당한 계산상의 갱신시간(1초일 수도 있음)을 사용하면; a) 바나듐 검출기 응답신호 Sv(t)의 현재 값과⁵²V 농도 V₅₂(t-dt)의 가장 최근 계산된 값 및 중성자 흡수율 Φ (t-dt)의 가장 최근 계산된 값을 사용해서 현재의 중성자 흡수율 Φ (t)∑_a을 계산하고; 상기 현재의 중성자 흡수율 Φ (t)∑_a을이전 시간 단계의 종결시 수득된 중성자 흡수율 Φ (t-dt)∑_a및⁵²V의 농도 V₅₂(t-dt)와 함께 사용해서⁵²V 농도 V₅₂(t)의 현재 값을 계산하기가 용이하다. 현재의 중성자 흡수율 Φ (t)∑_a을알기 위해 얻은 값의 가정된 초기상태는 노심상태가 동적인 경우에도 방해된 시간별 단계 계산의 시작으로부터 약 15분 이내에 독립적으로 될 것이다.

따라서, 본 출원인은 국부적인 중성자 흡수율의 평가 및 이에 따라 노심의 고-열데포지션율 영역내의 국부적인 열데포지션율로의 두가지 접근방법을 발견하였다. 노심내 자체가동식 고정형 감마선 검출기에 의해 발생된 응답신호의 크기를 고려하는 방정식(9)은, 국부적인 열데포지션율의 증가가 비교적 빠르게 이루어진 경우 그러한 증가를 표시하는 중요한 즉발 검출기 반응성분의 존재를 인식한다. 그러나, 이 방정식이 적당한 의미를 내포하려면, 긴 수명의 붕괴 감마 전조물질의 존재가 실용적인 디지탈 컴퓨터를 통한 감지 및 잠재적으로는 보호 시스템내에 불확실한 초기상태를 제공하는 경우에는 이 방정식을 이용해서 지발 감마 소오스를 상당히 보정해야 할 필요가 있다. 노심내 자체가동식 고정형 열 중성자 검출기에 의해 발생된 반응신호의 크기를 고려하는 방정식(18)은 국부적인 열데포지션율의 증가가 빠르게 발생한다면 그 증가의 존재를 곧 바로 인식할 수 없다. 그러나, 방정식(16)은 약 225초의 특성 시간상수로 통상적인 제1차 유도보정을 함으로써 국부적인 열데포지션율의 비교적 느린 변화를 추적할 수 있다. 따라서, 방정식(16)의 V₅₂(t-dt)항에서와 같은 초기상태에 대한 관심은 바나듐 검출기 반응추적의 시작으로부터 최대한 15분 이내에 사라질 것이다.

방정식(9)와 (18)을 하기의 식으로 조합하는 것이 적당하다.

노심내 고정형 감마선(플라티늄) 검출기로부터 나온 반응 신호의 중요한 부분으로 보이는 지발 감마선의 전조물질을 2개의 세트, 즉⁵²V의 반감기보다 짧은 반감기를 갖는 전조물질을 포함하는 세트와, 225초의⁵²V 반감기보다 긴 반감기를 갖는 전조물질을 포함하는 세트로 분류하는 것이 적당하다. 붕괴열 소오스 모델을 검사하면, 2세트 사이의 분류가 예를 들면 225 반감기의 부근에서 자연적으로 발생한다는 것을 알 수 있다. 그 후 방정식(20)을 다시 계산할 수 있다.

이 식을 다시 정리하면,

상술한 형태의 방정식(22)에 있어서는, 단일 항 T(t-dt)의 모든 비교적 긴 수명의 감마선 전조물질에 대한 기여자를 계속해서 수집하였는 바, 항 T(t-dt)을 공간적으로 일치하는 노심내 고정형 감마선(즉, 플라티늄)과 중성자(즉, 바나듐) 검출기를 종종 조사함으로써 연속적으로 평가할 수 있다. 단 하나의 필요조건은 V₅₂(t-dt)와 m≤ M<N에 대한 D_n(t-dt)의 신뢰가능한 평가치를 얻기 위한 갱신 계산이 약 15분의 시간동안 중요한 방해없이 수행되어야 할 것이라는 점이다. 집합항 T(t-dt)은, 보다 긴 수명의 감마선 전조물질이 공간적으로 일치하는 두가지 금속으로 된 노심내 고정형 검출기 장치의 바로 근방의 평행상태에 접근 및 이탈할 때, 그 값의 변화가 매우 천천히 일써나는 것으로 보인다.

T(t-dt)는 계산상의 갱신시간(약 1초 정도)동안 약간만 변화할 것이기 때문에, 가장 최근에 계산된 T(t-dt)값을 t-dt와 t 사이의 어떤 시간에 적용하는 것으로 가정하는 노심보호 목적에 안전하다. 따라서, 방정식(9)을 하기식

으로 이용하여, 현재의 노심내 고정형 강마선 검출기 반응신호 S_Pt(t)와, 검출기의 근방에서 짧은 수명의 감마선 전조물질 농도에 대해 계산된 현재의 기여도, 및 보정된 바나듐 검출기의 반응신호 강도와 짧은 기간 보정된 플라티늄 검출기 반응신호 강도를 비교함으로써 유도된 서서히 변하는 보정항 T(t-dt)를 토대로 이 기간중의 어떤 시간에서 Φ (t)∑_ak 형태의 국부적인 열데포지션율의 신뢰성 있는 평가치를 발생시키는 것이 실용적이다. 노심내 열데포지션율의 출력이 급상승한다면, 이와 동시에 플라티늄 검출기 반응신호 강도의 출력도 급상승할 것이다. 검출기 반응신호의 급상승하는 출력 진폭과 열데포지션율의 급상승하는 출력 진폭간의 연관성은 방정식(22)의 적용에 의해서 쉽게 설정할 수 있다. 이러한 방정식은 노심출력 레벨 및 분포를 자동적으로 보호하기 위한 목적으로 노심내 즉발 반응식 고정형 감마선 검출기 및 그것보다 다소 느리게 반응하며 공간적으로 일치하는 노심내 고정형 열중성자 검출기를 이용하는 시스템에서 가능하다.

그러나, 하기의 여러가지 고려사항을 인식하여야 한다:

1) 모든 핵물리 관련 데이타, 예를 들면 감마선 선속에 대한 감마선 전조물질의 기여도, 반감기, 국부적인 열흡수율 및 국부적인 붕괴열 생성율과 열데포지션율의 연관성 등이 공개되어 있긴 하지만, 이러한 데이타를 사용하고자 하는 응용예에 이용할 수 있는 형태로 처리하는 작업은 쉬운 일이 아니며, 그러나 당업자라면 이 일을 해낼 수 있다. 2) 감마선 검출기의 근방에 하프늄 또는 은-인듐-카드율제 제어봉을 도입하면 T(t-dt) 값의 단계적 변화가 나타날 것이다. 이것을 계산할 때는 신호를 분류해서 분석하는 것이 바람직한 바, 분류해서 분석하지 않으면 감마선 선속의 즉발 소오스가 계산되지 않을 것이기 때문이다. I-E 분류를 갖도록 쉽게 만들 수 있는 통상적인 열전쌍(thermocouple) 기재의 제어봉 위치 추리 시스템과 제안된 노심내 고정형 검출기 시스템을 결합하면, 단순한 제어봉 이동과 그에 따라 발생된 국부적인 공간상의 열데포지션율 변화를 구분할 수 있을 것이다. 3) 시간에 따라 달라지는 감마선 스펙트럼과 감마선 전조물질의 위치로 유도된 감마선 감도 인자 F_Pt값의 드래프트는, 그것을 보정하지 않는다면 국부적인 열데포지션율 대감마선 검출기 반응신호 강도의 연관성을 저하시킬 수도 있을 것이다. F_Pt에서의 가정값이 노심의 국부적인 영역에 적당하지 않게 된다면, 노심내 자체가동식 고정형 감마선 검출기 및 그것과 공간이 일치하는 열중성자 검출기의 반응 신호 비교에 의한 국부적인 열데포지션율이 국부적인 열데포지션율의 변화에 따라 변화될 것이라는 점은 분명하다. 노심내 자체가동식 고정형 바나듐 검출기의 열중성자 반응기능이 실험실 테스트에 의해서 오프라인 분석평가치로 쉽게 보정될 수 있다면, 감마선 검출기 반응기능이 변화되었다는 것을 표시하는 신호가 방출될 것이다. 차등적으로 설명한 바와 같이, 소정 검출기의⁵²V 농도가 국부적인 중성자 선속과 평형상태를 이루거나 또는 동적 효과를 위해서 바나듐 검출기 반응신호의 보상시 도입된 에러가 본 발명의 목적을 위해서 무시할 수 있을 정도로 되었을 경우, 필요하다면 제 1 원리로부터 자체 가동식 열중성자 감지용 바나듐검출기로부터의 반응신호와 국부적인 열데포지션율간의 관계를 쉽게 결정할 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 노심내 고정형 검출기 장치에 있어서, 원자로 노심 집합체의 길이를 따라 고정 배치된 감마선 검출기와; 상기 원자로 노심 집합체의 길이를 따라 위치설정 되었으며 상기 감마선 검출기와 공간적으로 일치하도록 배치된 중성자 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 노심내 고정형 검출기 장치.
2. 제1항에 있어서, 원자로 노심 집합체의 길이를 따라 고정 배치된 바나듐 검출기가 중성자 검출기로써 사용된다는 것과; 상기 바나듐 검출기의 근방에 상기 노심 집합체의 길이를 따라 상기 바나듐 검출기와 공간적으로 일치하도록 배치된 플라티늄 검출기가 감마선 검출기로써 이용되는 것을 특징으로 하는 노심내 고정형 검출기 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 바나듐 검출기와 상기 플라티늄 검출기는 서로 동일한 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 노심내 고정형 검출기 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 플라티늄 검출기는 활성 영역을 갖는 것과, 중공형 맨드릴이 상기 바나듐 검출기 및 플라티늄 검출기를 둘러싸고 있고 검출영역에 배치된 슬롯을 가지며, 상기 바나듐 검출기 및 플라티늄 검출기는 상기 맨드릴을 둘러싸면서 상기 슬롯으로부터 연장된 활성 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 노심내 고정형 검출기 장치.
5. 노심내 고정형 검출기 장치에 있어서, 원자로 노심 집합체의 길이를 따라 고정 연장된 하나의 중성자 검출기와; 상기 중성자 검출기의 근방에 그것과 공간적으로 일치하도록 전체 길이에 걸쳐 배치된 하나의 감마선 검출기와, 상기 중성자 검출기의 근방에 상기 노심 집합체의 길이를 따라 배치된 분할형 감마선 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 노심내 고정형 검출기 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 전체 길이에 걸쳐 연장된 하나의 감마선 검출기와 분할형 감마선 검출기는 플라티늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 노심내 고정형 검출기 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 중성자 검출기는 바나듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 노심내 고정형 검출기 장치 .
8. 출력분포 결정방법에 있어서, (a) 일 집합체내의 하나의 중성자 검출기로부터 출력 신호를 샘플링하는 단계와; (b) 상기 중성자 검출기의 집합체내에 상기 중성자 검출기와 공간적으로 일치하도록 배치된 하나의 감마선 검출기로부터 출력 신호를 샘플링하는 단계와; (c) 상기 중성자 검출기의 출력을 사용해서 상기 감마선 검출기의 출력 신호를 보정함으로써 출력 분포 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 출력분포 결정 방법.
9. 원자로내의 출력분포 결정방법에 있어서, (a) 원자로의 동일 집합체내에 배치된 중성자 검출기와 감마선 검출기의 신호를 샘플링하는 단계와; (b) 신호 에러를 일으키는 지발 소오스에 대해서 중성자 신호 및 감마선 신호를 보정하는 단계와; (c) 상기 중성자 및 감마선 검출기에 대한 제 1 및 제 2 열데포지션율을 각기 계산하는 단계와; (d) 상기 제 1 열데포지션율이 안정 상태에 도달했을 때, 상기 제 1 열데포지션율파 상기 제 2 열데포지션율간의 차이에 응답하여 상기 원자로의 출력 분포가 반영되도록 상기 보정된 감마선 신호를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로내의 출력분포 결정방법.