KR100385197B1 - 가압수형 원자로의 감소된 노심 내 계측장치 패턴 - Google Patents

Abstract

더 적은 수의 ICI를 사용하여 노심 제어와 감시 및 다른 필요한 기능을 달성하도록 감소된 ICI(in-core instrumentation; 노심 내 계측장치) 패턴을 결정하는 방법이 제공된다. 기존 패턴에 비해서 더 감소된 수의 ICI를 갖는 후보 ICI 패턴이 미리 설정된 선택 고려사항에 따라 먼저 선택된다. 선택 후에, 이 후보 패턴은 미리 설정되어 있는 평가 기준에 따라 평가된다.

Description

가압수형 원자로의 감소된 노심 내 계측장치 패턴{REDUCED IN-CORE INSTRUMENT PATTERNS FOR PRESSURIZED WATER REACTORS}

가압수형 원자로에는 원자로 노심의 특정 지점에서 중성자 선속(neutron flux)을 주기적으로 및 원격 방식으로 측정하는 장치가 구비되어 있다. 다양한 유형의 방사선(주로, 중성자와 감마선) 측정을 위해서 계측 계기와 센서가 원자력 발전소에 설치된다. 이외에도, 예를 들면 온도, 압력, 유량, 등과 같은 공정 파라미터(process parameter)를 측정하기 위해서 비핵(non-nuclear) 계측 장치가 설치된다. 각각의 계측기는 일 단부에 센서, 신호 전송 라인, 증폭기, 또는 다른 전자장치와, 타 단부에 계량기(meter), 인디케이터(indicator), 및 리코더(recorder)를 포함하는 채널의 일부분이다. 측정된 파라미터는 그 유형과 중요도에 따라 다양한 방법으로 전달될 수 있다.

PWR에서의 출력 생산 레벨은 두 개의 계측 시스템, 즉 노심 외(ex-core) 계측기 및 노심 내(in-core) 계측기를 통해서 제어가 이루어진다. 노심 외 계측기는 전체 중성자 선속을 측정하고 그래서 총 출력 레벨을 측정하는 반면, 노심 내 계측기는 국부적인 출력 레벨을 측정한다. 모든 노심 외 중성자 탐지기는 원자로 용기의 외부에, 전형적으로 차폐벽(shielding wall)의 내측면에 인접하게 그룹 단위로 위치한다. 중성자 탐지기의 각 그룹은 규제 조건에 따라 의무 사항인 여분의 구조(redundancy)를 제공하기 위해서 하나 이상의 유닛을 포함한다. 이러한 계측기들은 중성자 속도의 증가를 결정하기 위해 제어봉이 노심으로부터 천천히 후퇴될 때, 원자로 시동시에 사용된다. 중성자 선속 레벨 지시값(indication)을 제공하는 것 이외에, 신호는 중성자 선속의 변화율을 계산하는 전자 미분 회로(electronic differentiating circuit)로도 또한 공급된다.

노심 내 계측장치는 노심 내부 출력 레벨의 보다 상세한 상황을 제공하기 위해 PWR에서 사용된다. 원자로의 국부적인 출력 밀도는 다수의 이와 같은 노심 내 탐지기의 사용에 의해서 종종 측정되는데, 이들 탐지기 각각은 계측기를 핵 연료 집합체로 통과하도록 안내하는 기다란 가이드 튜브(elongated guide tube)에 들어있다. 함께, 계측기와 가이드 튜브는 전형적으로 노심 내 계측기 또는 계측기 조립체라 지칭된다. 노심 내 계측기(ICI; in-core instrument)는 매우 높은 수준의 방사선에 노출되며, 그래서 방사능이 매우 높을 수 있다. 이러한 방사능은 다 소모된 계측기를 처리해야할 때, 보통 원자로의 연료 교체(refueling)를 위한 작동 정지 중에 ICI 튜브와 계측기를 취급하는 것을 매우 위험하게 만든다. 노심 내 계측기는 연료의 부적절한 장전(misloading)을 탐지하기 위해서 뿐만 아니라, 노심의 출력 최대값(peak)과 노심의 출력 틸트(tilt)를 모니터(monitor)하고 이를 감시하는 기능을 위해서 기존의 PWR에서도 또한 사용된다. 특히, ICI는 노심 출력 최대값과 노심 출력 틸트와 같이 계산된 각종 수치의 불확정 값이 미국 원자력 규제 위원회(USNRC; United States Nuclear Regulatory Commission)에 의해 발전소에 인가(認可)된 한계치 내에 있도록 각 작동 주기 동안에 노심 출력 최대값과 노심 출력 틸트를 결정할 수 있어야 한다. 또한, ICI는 각 작동 주기의 시작 시점에 노심 내의 임의의 핵 연료 집합체의 부적절한 장전을 탐지할 수 있어야 한다.

위에서 언급된 바와 같이, 계측기는 노심 내의 가이드 튜브 내에 들어 있다. 노심을 과도하게 교란하는 것을 방지하기 위해서, 보통 자체 구동식(self-powered의 매우 얇은 유형의 작은 채널과 계측기가 사용되어야 한다. 노심 전체 영역에 걸쳐서 이러한 계측기를 분산시키는 다양한 방법이 알려져 있다. 전형적인 PWR 노심에서, 노심에 있는 조립체의 약 25%에 계측기가 삽입되는 계측기 채널을 포함된다. 더욱이, 원자로 용기의 하단(bottom) 또는 상단(top)을 통해서 제공된 다양한 관통부를 통해서 리드 와이어(lead wire) 접속부가 계측기에 만들어져야 한다. 연료 교체 중에, 다 소모된 ICI의 제거 및 이송은 물의 방사선 차폐 효과를 이용할 수 있도록 충분한 깊이의 물 속에 있는 상태로 전 과정이 행해져야 한다. 하지만 이러한 요건은, 특히 ICI가 원자로 용기의 상단을 통해서 노심으로 들어가는 원자로 설비에서, 종종 원자로의 연료 교체시 ICI의 제거 작업이 위험한 경로(critical path) 상에서 행해지게 된다. 종종, 충분한 깊이의 물이 존재하는 원자로 설비의 유일한 장소는 원자로의 바로 위에 있다. 그래서, 주요한 연료 교체 작업은 ICI 교체 작업이 완료될 때까지 행해질 수 없다. 전형적인 연료 교체시에, 20개 내지 30개의 ICI가 개별적으로 제거되고 처리되어야 한다.

최종적으로, 현재의 ICI 패턴은 예기지 않은 ICI 고장이 발생하는 경우에 ICI가 그 의도된 기능을 수행하는데 사용될 수 있도록 하기 위해서 상당한 정도의 여분의 구조를 포함한다.회보 '원자력 기술(Nuclear Technology)' 제 54권, 145-154 쪽의, '노심 감시 시스템의 정확도와 관련된 작동 불가능한 노심 내 탐지기의 효과" 라는 표제의 논문은 위에서 논의된, ICI 패턴의 이용과 여분의 구조에 대한 요건에 대해서 기술한다. 이 논문은 특정 퍼센트(%)를 초과하는 다수 개의 ICI가 고장나면 발전소의 작동에 제한을 가해야 함을 개시한다. 하지만, 이 논문은 지속적이며, 비제한적인 발전소의 작동과 관련하여 원래의 발전소 설계 기준을 벗어나도록 ICI의 개수를 감소시키는 것에 대해서는 개시하지 않는다.

앞의 설명으로부터, ICI의 개수가 감소된다면 연료 교체 시간과 비용에서 상당한 절감이 이루어질 수 있다는 것이 인지될 수 있다.

본 발명은 가압수형 원자로(PWR; pressurized water nuclear reactor)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가압수형 원자로의 감소된 노심 내 계측 장치(in-core instrumentation)에 관한 것이다.

상호 참조 및 관련 출원

본 출원은 1997년 12월 27일 출원되고, 본 발명의 양수인에게 양도된 가출원 번호 제 US 60/068,494호에 관한 것이며, 이를 기초로 하여 우선권이 주장된다.

도 1 내지 도 8은 본 발명의 방법을 이용함으로써 달성될 수 있는, ICI의 필요 개수의 감소와 관련한 예를 도시한다.

도 1은 61개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 241개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 49개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 241개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

도 2는 56개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 44개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

도 3은 45개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 35개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

도 4는 도 3과 다른, 45개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 35개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

도 5는 도 3 및 도 4와 약간 다른, 45개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 35개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

도 6은 45개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 177개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 39개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 177개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

도 7은 44개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 177개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 36개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 177개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

도 8은 28개의 ICI가 있는 원래 ICI 패턴을 갖는 133개의 연료 집합체 노심의 현재 ICI 패턴과, 25개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴을 갖는 133개의 연료 집합체 노심의 감소된 ICI 패턴을 도시하는 도면.

본 발명의 목적은 가압수형 원자로에 사용되는 노심 내 계측기(ICI)의 개수를 감소시키는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 필요한 모든 기능을 수행할 수 있도록 ICI의 성능을 유지시키면서 ICI의 개수를 감소시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 작동 정지 시간과, ICI 시스템을 지원하는데 필요한 설비 규모와, 발전소의 수명 동안 교체 필요성이 있는 ICI의 개수를 감소시킴으로써 초기 자본과 라이프 사이클(life cycle)에 걸친 비용의 절감을 달성하도록 작동 발전소의 ICI의 개수를 감소시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 감소된 ICI 패턴의 결정 방법은 적합한 연방 규정(10 C.F.R. 50.59)에 따라 ICI 시스템에 포함시키고 또한 이 ICI 시스템에 행해진 변경을 평가하기 위해, USNRC에서 권고하는 고려사항을 기초로 하여 제공된다. 본 발명의 방법에 따르면, 기존의 패턴에 비해 감소된 개수의 ICI를 구비하는 후보(candidate) ICI 패턴이 먼저 선택된다. 선택 후에, 예상되는 노심 출력 분산(core power distribution)과 감소된 ICI 패턴으로부터 합성된 출력 분산의 차(difference)가 특정 PWR에 인가된 한계치에 일치하도록 하기 위해서 후보 패턴이 평가된다. 부적절한 위치로 연료 집합체가 잘못 장전되는 것을 탐지하는 능력을 감소된 개수의 ICI가 제공할 수 있도록 후보 패턴이 또한 평가된다. 마지막으로, 감소된 ICI 패턴이 특정 발전소와 관련된 현재 기술 사양서의 ICI 작동 가능 범위 내에서 여전히 작동할 수 있도록 하기 위해서 후보 ICI 패턴이 평가된다.

몇 회의 작동 주기마다 교체되어야 하는 ICI의 개수를 감소시키는 것은 발전소의 수명에 걸쳐 교체될 필요가 있는 ICI의 개수를 감소시키게 만든다. 그 결과, ICI 시스템의 라이프 사이클 비용에 상당한 절감이 이루어질 수 있는데, 이는 하드웨어 교체 비용과 하드웨어 처리 비용의 절감 결과에 기인한다. 게다가, 연료 교체를 위한 작동정지 때마다 교체되어야 하는 ICI가 거의 없기 때문에, 발전소의 작동 정지 시간의 절감과 발전소 관리 직원에 대한 방사선 노출 감소가 또한 달성될 수 있다. 마지막으로, 아직 건설되지 않은 발전소의 ICI의 개수를 줄이는 것은 ICI 시스템을 지원하는데 필요한 장비의 추가적인 감소를 제공한다. 그 결과, 새로운 PWR의 전체 자본 비용을 상당히 줄이는 것 뿐만 아니라 이러한 발전소의 운영 및 정비 보수 비용의 감소가 달성된다.

본 발명의 특징과 새로운 측면은 다음의 상세한 설명, 청구항, 및 간략한 설명이 아래에 이어지는 도면의 이해로부터 보다 분명하게 될 것이다.

감소된 노심 내 계측장치(ICI; in-core instrumentation) 패턴을 결정하는 본 발명의 방법은 ICI 시스템에 포함시키고 또한 이 ICI 시스템의 변경을 평가하기 위해 미국 핵 규제 위원회(USNRC)에서 권고하는 고려사항을 기초로 한다. 이러한 고려사항은 연방 규정, 특히 10 C.F.R. 50.59에 따라 이루어진다. USNRC에 의해 약술된 고려사항은 다음 사항을 포함한다.

1. 부주의로 인해 연료 집합체를 부적절한 위치로 장전하는 것을 탐지할 것;

2. 노심 출력 틸트 추정치(core power tilt estimates)의 유효성을 보증할 것;

3. 계측장치에 의해 커버(cover)되는 적절한 노심 범위를 유지할 것;

4. 측정된 최대 선형 가열속도(peak linear heat rate), 최대 핀 출력(peak pin power), 레이디얼 피크 계수(radial peak factor), 및 방위각 틸트(azimuthal tilt)를 포함하는, 다양한 측정값에 대한 발전소 기술 사양서의 허용치를 만족하도록 측정의 불확정 값을 제한할 것; 및,

5. 매 연료 사이클의 개시점에서 완전 개방(또는 거의 완전 개방) 운전 상태로 ICI 시스템을 복귀시킬 것.

이러한 고려사항들을 이용하면, 본 발명의 방법에 따른 감소된 ICI 패턴의 결정법은 두 개의 주요 부분을 포함한다. 첫 번째로, 기존의 ICI 패턴에 비해 감소된 수의 ICI를 갖는 후보 ICI 패턴이 특정의 선택 고려사항에 따라 선택된다. 두 번째로, 선택된 후보 ICI 패턴은 특정 기준에 따라 평가가 이루어진다.

본 발명의 방법의 제 1 부분에 따르면, 감소된 수의 ICI를 갖는 후보 ICI 패턴이 선택되어야 한다. 본 발명의 방법에 따라 후보 ICI 패턴의 선택을 안내하기 위해, ICI의 감소된 패턴이 전체 ICI에 요구되는 모든 기능을 수행할 수 있도록 선택 고려사항이 정립된다. 감소된 ICI 패턴에 요구되는 기능은 다음 사항을 포함한다.

ⅰ. 노심 출력 틸트 측정 능력을 유지시킬 것;

ⅱ. 노심 외 탐지기의 캘리브레이션(calibration) 수행 능력을 제공할 것;

ⅲ. 전체 노심을 커버할 것;

ⅳ. 연료의 부적절한 장전을 탐지할 것;

ⅴ. 리드 제어봉 뱅크(lead control rod bank)의 부적절한 정렬 상태를 탐지할 것; 및,

ⅵ. 충분한 여분의 구조를 제공할 것.

첫 번째로, 감소된 ICI 패턴은 틸트 그룹에 속하는 기존 ICI 패턴의 모든 ICI를 계속 보유함으로써 노심 출력 틸트 측정 능력을 유지시킨다. 이와 같은 방법으로, 모든 틸트와 관련된 ICI가 계속 보유되기 때문에 노심 출력 틸트 측정 능력은 감소된 ICI 패턴에 의해 영향을 받지 않는다.

두 번째로, 중성자 선속의 대부분이 노심 외 탐지기에 충돌하도록 하는 연료 집합체의 출력 분산에 대한 정보를 제공하는 기존 ICI 패턴의 모든 ICI를 계속 보유함으로써 노심 외 탐지기 캘리브레이션의 완전성(integrity)이 유지된다. 대부분의 중성자 선속을 노심 외 탐지기로 보내는 연료 집합체 내의 측정 능력을 유지시킴으로써, 완전한 노심 외 탐지기 캘리브레이션을 제공할 수 있도록 계속 보유되는 ICI와 노심 외 탐지기 사이의 비교가 이루어진다.

세 번째로, 모든 노심 사분면(quadrant)에서, 노심 주변(periphery)으로부터 노심 중심으로 계측기를 갖춘 연료 집합체의 균일한 분포를 제공하는 ICI가 계속 보유되기 때문에, 전체 노심 계측장치에 의해 커버되는 범위는 감소된 ICI 패턴의 사용으로 인해서 영향을 받지 않는다. 다시 말하면, ICI의 균일한 분포를 유지시킴으로써, 그 수가 감소되기는 하지만, 본 발명을 통해 여전히 노심 계측장치에 의해서 완전히 커버된다.

네 번째로, 감소된 ICI 패턴에 의해 연료의 부적절한 장전이 탐지되어야 한다. 본 발명의 방법에 따르면, 감소된 ICI 패턴의 연료 집합체의 부적절한 장전 탐지 능력은 ICI 패턴 평가 과정 중에 연료의 부적절한 장전을 모의 실험해봄으로써 입증된다. 평가 과정은 아래에 더 자세히 논의된다.

다섯 번째로, 감소된 ICI 패턴은 리드 제어봉 뱅크의 부적절한 정렬 상태를 탐지하는 능력을 유지한다. 이러한 능력은 리드 제어봉 뱅크의 움직임과 관련된 출력 분산의 어떠한 교란 상태도 탐지할 수 있도록 제어봉 위치에 충분히 가까이 있는 ICI를 계속 보유함으로써 확보된다. 리드 제어봉 뱅크의 움직임에 의해 야기되는 출력 분산의 변화를 탐지하는 위치에 있는 ICI를 계속 보유함으로써, 리드 제어봉 뱅크의 부적절한 정렬 상태가 손쉽게 탐지된다.

마지막으로, 감소된 ICI 패턴을 갖는 여분의 구조는 감소된 ICI 패턴이 여전히 이들의 의도하는 기능을 수행하는지를 입증하기 위해서 예기치 않은 ICI 고장과 결부하여 감소된 ICI 패턴의 성능을 평가함으로써 입증된다. 다양한 평가에 대해서는 아래에 더 상세히 논의된다.

감소된 ICI 패턴이 위에서 언급된 다양한 선택 고려사항을 만족시키는 기준에 따라 선택되고 나면, 감소된 ICI 패턴 구조는 예상 노심 출력 분산과 감소된 ICI 패턴으로부터 합성된 노심 전력 분산 사이의 어떠한 차이도 발전소에 인가된 한계치 내에 있도록 보장하기 위한 평가가 이루어진다. 게다가, 감소된 ICI패턴이 부적절하게 위치된 연료 집합체의 부적절한 장전을 탐지할 수 있도록 입증하기 위해서 감소된 ICI 패턴의 평가가 이루어진다. 더욱이, 감소된 ICI 패턴은 75%의 ICI만이 작동 가능한 상태에서 테스트되며, 25%의 ICI가 작동 가능하지 않다 하더라도 전체 평가 기준을 만족해야 한다.

그래서, 본 발명의 방법의 평가 부분에 의해, 후보 패턴이 다음의 기준을 따라 평가된다:

A. 예상 노심 출력 분산과 감소된 ICI 패턴으로부터 합성된 노심 출력 분산 사이의 차가 발전소에 인가된 한계치를 만족해야 한다;

B. 감소된 ICI 패턴은 부적절한 위치에 놓여진 연료 집합체의 부적절한 장전을 탐지하는 능력을 제공해야 한다; 및,

C. 감소된 ICI 패턴은 발전소 기술 사양서에 따라, 75%의 ICI만이 작동 가능한 상태에서 의도하는 모든 기능이 수행될 수 있어야 한다.

출력 분산의 불확정 값이 인가된 한계치 내에 있는지 판단하기 위해서, 허용되는 인가된 방법을 이용하여 설계 계산에 대해 얻어진 예상 출력 분산과 ICI 탐지기 신호로부터 얻어진 측정 출력 분산의 비교가 이루어진다. 두 가지 유형의 불확정 값이 평가되는데, 즉, 기본 측정 불확정 값과 합성 불확정 값이다. 기본 측정 불확정 값은 계측기를 갖춘 연료 집합체의 국부적인 출력에 관련된다. 합성 불확정 값은 계측기를 갖추지 않은 연료 집합체의 외삽법에 의한 출력 계산과 관련된다. 감소된 ICI 패턴이 허용 가능하게 되도록 하기 위해서, 계산된 기본 측정 불확정 값과 합성 불확정 값 모두 발전소에 인가된 한계치 내에 있어야 한다.

평가의 두 번째 부분에 있어서, 연료의 부적절한 장전을 탐지하는 능력을 보장하기 위해서 불확정 값 분석(uncertainty analysis)을 만족하는 후보 ICI 패턴이 테스트된다. 감소된 ICI 패턴에 의한 연료의 부적절한 장전 탐지 테스트는 일련의 연료의 부적절한 장전을 모의 실험하고, 감소된 ICI 패턴에 의해서 측정된, 적절하게 장전된 노심과 모의 실험이 이루어지는 부적절하게 장전된 노심 사이의 출력 분산 차이를 검사함으로써 입증된다. 이러한 모의 실험은 종래의 알려진 모의 실험 방법을 이용함으로써 수행될 수 있다. 허용 가능하도록 하기 위해, 적절하게 장전된 노심의 ICI 탐지기 신호로부터 얻어진 출력 분산과 모의 실험이 이루어지는 부적절하게 장전된 노심의 ICI 탐지기 신호로부터 얻어진 출력 분산의 차이가 식별 가능해야 한다. 만약 그 차이가 식별 가능하다면, 감소된 ICI 패턴은 연료의 부적절한 장전은 탐지할 수 있는 것으로 여겨진다.

마지막으로, 각각의 감소된 ICI 패턴은 기술 사양서 요구 조건의 75% 작동 가능 하에서 의도된 기능을 수행하는 능력에 대해서 평가가 이루어진다. 즉, 감소된 ICI 패턴이 75%의 ICI만이 작동 가능한 상태에서 의도하는 기능을 수행할 수 있다는 것을 입증하기 위해서 각각의 감소된 ICI 패턴은 감소된 패턴의 75%까지 추가적으로 감소가 이루어진다. ICI의 작동 가능 한계치는 발전소 기술 사양서와 발전소 인가서를 근거로 한다. 기존의 발전소 기술 사양서는 75%의 ICI 작동 가능 한계치를 기술한다. 예를 들면, 90%로 증가되거나 또는 70%로 감소되듯이, 만약 ICI 작동 가능 한계치가 변경되면, 각각의 감소된 ICI 패턴은 특정의 기술 사양서 ICI 작동 가능 한계치 하에서 의도하는 기능을 수행하는 능력에 대해서 평가가 이루어질 것이다.

위에서 설명된 방법을 적용하면, 몇 가지의 감소된 ICI 패턴이 다양한 노심 구조에 대해서 허용 가능하다는 것이 결정되었다. 이와 같이 허용 가능한 감소된 ICI 패턴 중 몇 가지가 아래에 예로서 기술되어 있으며, 도 1 내지 도 8에 도시되어 있다. 다음의 예는 오직 예시를 위한 것이며, 어떠한 방법으로든 간에 본 발명의 범위를 한정하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

도 1 내지 도 8에서, 이러한 구조의 기존 노심에서 ICI를 포함하는 연료 집합체를 나타내는 박스(box)가 연한 빗금(light cross-hatching)과 진한(dark) 빗금으로 도시되어 있으며, 그리고 괄호 안에 해당 번호가 들어있다. 진한 빗금을 포함하는 박스는 본 발명의 방법을 이용하여 ICI가 제거된 연료 집합체에 해당한다. 그래서, 연한 빗금을 포함하는 박스는 ICI가 제거되지 않은 연료 집합체에 해당한다.

예 1

도 1은 241개의 연료 집합체를 갖는 PWR 노심의 평면도를 도시한다. 기존의 플랜트 디자인에서, 241개의 연료 집합체 노심은 통상적으로 도 1에 도시된 바와 같이 분포된 61개의 ICI가 있는 기존 ICI 패턴을 갖는다. 여기서 설명된 방법을 이용하면, 12개의 ICI{번호(13, 22, 23, 25, 27, 30, 34, 35, 37, 43, 44 및 47)}가 제거되며, 그래서 49개의 ICI를 갖는 감소된 ICI 패턴이 된다. 본 방법에 의한 도 1의 ICI의 순(net) 감소는 20% 이다.

예 2

도 2에는, 56개의 ICI가 있는 원래의 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심이 도시되어 있다. 여기서 설명된 방법을 이용하면, 12개의 ICI{번호(2, 4, 9, 15, 18, 20, 37, 39, 42, 48, 53 및 55)}가 노심으로부터 제거된다. 이로써 감소된 ICI 패턴은 44개의 ICI만 포함하며, 순 감소는 21%이다.

예 3

도 3은 45개의 ICI가 있는 원래의 ICI 패턴을 갖는 다른, 217개의 연료 집합체 노심 구조를 도시한다. 도 3의 원래의 ICI 패턴은 도 2에 도시된 것과 다르다. 여기서 설명된 방법을 이용하면, 10개의 ICI{번호(9, 12, 18, 19, 20, 27, 28, 33,35 및 37)}가 노심으로부터 제거되며, 그래서 35개의 ICI를 갖는 감소된 ICI 패턴이 되며, 순 감소는 22%이다.

예 4

도 4에는, 45개의 ICI가 있는 원래의 ICI 패턴을 갖는 217개의 연료 집합체 노심의 다른 구조가 도시되어 있다. 다시, 도 4에 도시된 기존 ICI 패턴은 도 2 또는 도 3의 패턴과 다르다. 본 발명의 방법을 사용하여, 10개의 ICI(8, 12, 18, 19, 20, 27, 31, 33, 35 및 35)가 제거되며, 35개의 ICI를 갖는 감소된 ICI 패턴이 도시되며, 10개의 ICI가 감소되거나, 또는 22%의 감소가 이루어진다.

예 5

도 5에는 도 2, 도 3 또는 도 4에 도시된 것과 다른 45개 ICI의 원래 패턴을 구비하는, 다른 217개의 연료 집합체 노심 패턴이 도시되어 있다. 본 발명의 방법을 이용하면, 10개의 ICI(9, 12, 18, 19, 20, 27, 28, 33, 35 및 37)가 제거되며, 35개의 ICI가 있는 감소된 ICI 패턴이 되며, 순 감소는 22%이다.

예 6

도 6에는 45개의 ICI가 있는 원래의 ICI 패턴을 포함하는 177개의 연료 집합체 노심이 도시되어 있다. 본 발명의 방법을 이용하면, 6개의 ICI(16, 17, 20, 26, 32 및 33)가 제거되며, ICI의 개수가 39개로 감소하고, 순 감소는 13%이다.

예 7

도 7에는 44개의 ICI가 있는 원래의 ICI 패턴을 갖는, 다른 177개의 연료 집합체 노심 구조가 도시되어 있다. 본 발명의 방법을 이용하면, ICI의 개수가 8개{번호(3, 5, 14, 20, 25, 31, 40 및 42)} 감소하여 36개의 ICI가 되며, 순 감소는 18%이다.

예 8

도 8은 28개의 ICI가 있는 원래의 ICI 패턴을 갖는 133개의 연료 집합체 노심을 도시한다. 본 발명의 방법을 이용하면, ICI의 개수는 3개{번호(10, 18 및 20)} 감소하며, 순 감소는 11%가 된다.

예 1 내지 예 8의 각각에서, 도시되어 있는 감소된 ICI 패턴은 ICI의 개수를 상당히 감소시키면서 ICI 시스템의 모든 요건을 만족시킨다. ICI의 개수를 감소시키는 것은 발전소의 운영비와 유지보수비를 줄인다. 만약 본 발명의 방법이 새로운 발전소의 건설 중에 행해진다면, 지원해야 할 ICI의 개수가 더 적기 때문에, ICI 시스템을 지원하는데 필요한 추가 장비의 규모가 줄어들게 된다. 그 결과, 본 발명의 실행을 통해서, 운영 및 유지보수 뿐만 아니라 건설에 있어서 전체적인 자본 비용의 상당한 감소가 실현된다. 게다가, 감소된 전체 ICI를 교체하는데 필요한 시간이 더 짧기 때문에, 연료 교체로 인한 작동 정지 동안에 원자로의 작동정지에 따른 비용이 감소될 수 있다. 더욱이, 위험한 경로를 따르는 시간이 이에 따라 감소되기 때문에, 발전소 관리 직원에 대한 잠재적인 방사선 노출이 또한 감소될 수 있다.본 발명의 다양한 실시예가 개시되어 있다. 실행 가능한 다양한 변경과 수정이 본 발명과 관련된 분야의 당업자에게 자명할 것이며, 첨부된 청구항에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실행될 수 있다는 것이 인지되어야 한다

상술한 바와 같이, 본 발명은 가압수형 원자로(PWR), 특히 가압수형 원자로의 노심 내 계측 장치에 이용될 수 있다.

Claims (20)

1. 가압수형 원자로(PWR; pressurized water reactor)의 원자로 노심에서 노심 내 계측장치(ICI; in-core instrumentation) 패턴(pattern)내의 노심 내 계측장치를 감소시키는 방법으로서, 상기 패턴은 그 내부에 포함된 복수의 노심 내 계측기를 포함하며, 상기 방법은:

   (ⅰ) 적어도 하나의 틸트 그룹(tilt group)에 속하는 상기 복수의 노심 내 계측기 각각을 보유하고,

   (ⅱ) 대부분의 중성자 선속(neutron flux)을 노심 외 탐지기(ex-core detector)로 보내는 연료 집합체의 출력 분산에 대한 정보를 제공하는 상기 복수의 노심 내 계측기 각각을 보유하고,

   (ⅲ) 상기 원자로 노심의 주변으로부터 중심까지, 그리고 상기 원자로 노심의 사분면(quadrant) 각각에서 계측기를 갖춘 연료 집합체의 균일한 분포 상태를 유지하고,

   (ⅳ) 연료 집합체가 임의의 장소로 부적절하게 장전되는 것이 상기 복수의 노심 내 계측기 중 적어도 하나에 의해서 탐지될 수 있도록 상기 복수의 노심 내 계측기를 보유하고,

   (ⅴ) 리드 제어봉 뱅크(lead control rod bank)의 이동과 관련된 출력 분산의 교란을 탐지할 수 있게 적어도 하나의 노심 내 계측기가 제어봉 위치에 충분히 가까이 있도록 상기 복수의 노심 내 계측기를 보유하면서,

   상기 패턴 내부로부터 상기 복수의 노심 내 계측기 중 적어도 하나를 제거하는 단계와,

   상기 단계에 의해서 감소된 패턴을 형성하는 단계와,

   적어도 하나의 미리 설정된 성능 기준에 대해서 상기 감소된 패턴의 성능을 평가하는 단계를

   포함하는, 노심 내 계측장치를 감소시키는 방법.
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12. 제 1항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 미리 설정된 성능 기준은 예상 노심 출력 분산(predicted core power distribution)과 상기 복수의 노심 내 계측기 중 상기 감소된 수의 노심 내 계측기로부터 합성된 노심 출력 분산 사이의 차(difference)가 상기 가압수형 원자로의 인가(認可)된 한계치 내에 들도록 하는 것을 포함하는, 노심 내 계측장치를 감소시키는 방법.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 미리 설정된 성능 기준은 기본 측정 불확정 값(basic measurement uncertainty)과 합성 불확정 값(synthesis uncertainty)이 상기 가압수형 원자로의 인가된 한계치 내에 들 때 만족되며,

    상기 가압수형 원자로는 상기 원자로 노심을 포함하는,

    노심 내 계측장치를 감소시키는 방법.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 미리 설정된 성능 기준 중 제 2 기준은 상기 감소된 패턴이 연료의 부적절한 장전을 탐지하는 능력을 제공하도록 보장하는 것을 포함하는, 노심 내 계측장치를 감소시키는 방법.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 미리 설정된 성능 기준은 적절하게 장전된 노심의 상기 복수의 노심 내 계측기로부터의 탐지기 신호로부터 얻어진 출력 분산 차(difference)가 모의 실험이 이루어진 부적절하게 장전된 노심으로부터 얻어진 출력 분산 차와 판별이 가능할 때 만족되는, 노심 내 계측장치를 감소시키는 방법.
16. 제 1항에 있어서,

    상기 패턴 내부로부터 상기 복수의 노심 내 계측기 중 적어도 하나를 제거하는 단계는: 상기 복수의 노심 내 계측기 중 작동 가능한 상기 적어도 하나의 노심 내 계측기의 수를 약 25% 감소시키는 것을 더 포함하는, 노심 내 계측장치를 감소시키는 방법.
17. 제 1항에 있어서,

    상기 감소된 패턴의 성능을 평가하는 단계는:

    (ⅰ) 상기 후보 패턴이 출력 분산 측정의 불확정 값을 최소화하는지를 평가하는 단계와,

    (ⅱ) 상기 감소된 패턴이 연료의 부적절한 장전을 탐지하는 능력을 제공하도록 보장하는 단계와,

    (ⅲ) 상기 감소된 패턴의 25%가 작동 가능하지 않을 때 상기 후보 패턴이 작동 가능하도록 보장하는 단계를

    더 포함하는, 노심 내 계측장치를 감소시키는 방법.
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