이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 개별 제어봉 위치신호를 처리한 제어봉위치 편차에 대한 정보에 따라, 노심 운전조건에 대한 계측신호를 이용하여 최소 핵비등이탈률(DNBR)과 최대 핵연료봉 선출력밀도(LPD)를 실시간으로 계산하여 각각의 설계제한치를 위반한 때 원자로 정지신호를 발생시키도록 되어 있는 디지털 컴퓨터를 이용한 루프형 가압경수로용 실시간 원자로보호시스템에 있어서, 노심보호연산기(CPC)와 제어봉연산기(CEAC)의 기능을 하나로 통합하여 DNBR과 LPD 등의 주요 노심운전 인자들을 실시간으로 계산하는 CPU, 노심유량과 노심출력 보정 및 노심 DNBR 운전제한치 감시 등 운전원 연계 기능을 위한 계산을 수행하는 보조연산장치모듈, 계측기 입력신호를 처리하고 주요 실시간 계산결과를 유지보수시험대(MTP)와 운전원모듈(OM) 및 발전소 경보시스템으로 전송하는 공통 및 입출력모듈(31)로 이루어진 복수의 통합형 실시간 열적보호기(ITOP)와; 통합형 실시간 열적보호기의 각 채널에서 실시간으로 계산된 노심운전 정보를 인트라 채널네트워크를 통해 전달 받아 운전원으로 하여금 노심운전 정보를 실시간으로 관측할 수 있도록 하는 유지보수시험대(MTP) 및 운전원모듈(OM)과; 유지보수시험대로부터 전달 받은 제어봉위치 정보를 제어봉의 노내 삽입 상태를 나타내는 그림 정보로 운전원에게 표시하는 제어봉위치 표시장치(CEAPD)로 구성되어 있는 통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템을 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명은 가압경수로용 통합형 디지털 실시간 원자로 열적보호시스템에 관한 것으로서, 기존 디지털 원자로 열적보호시스템인 CPCS를 개량한 것으로, 디지털 컴퓨터를 이용한 하드웨어와 이를 운영하는 소프트웨어를 담고 있는 운영모듈로 구성되며, 본 발명의 하드웨어는 다시 도 2에 도시된 바와 같이, 제어봉위치 신호 처리를 위한 별도의 제어봉연산기를 제거하고 그 기능을 통합형 실시간 열적보호기(10,11,12,13;Integrated Thermal On-line Protector,ITOP)에 포함시킨 통합형 실시간 원자로 열적보호시스템으로 이루어진다.
즉, 본 발명의 통합형 실시간 원자로 열적보호시스템은 두 세트의 제어봉 위치신호(RSPT1 & RSPT2)를 CEA 입출력모듈(32)을 이용하여 각각의 ITOP(10,11,12,13)에 직접적으로 연결하고 ITOP(10,11,12,13)의 소프트웨어를 이용하여 각각의 ITOP(10,11,12,13)가 제어봉연산기의 기능을 수행하도록 한다. ITOP(10,11,12,13)의 각 채널에서 실시간으로 계산된 노심운전 주요정보는 광섬유 인트라 채널네트워크를 통해 각각 유지보수시험대(27;Maintenance and Test Panel,MTP)와 운전원모듈(28;Operator Module,OM)로 전달되어 운전원으로 하여금 노심운전 정보의 실시간 관측이 가능하도록 하였다. 또한 MTP(27)로부터 제어봉위치 정보는 제어봉위치 표시장치(29;CEA Position Display,CEAPD)로 전송되어 운전원에게 제어봉의 노내 삽입정보를 그림으로 보여준다. 여기에서 제어봉 위치신호와 각 ITOP(10,11,12,13) 채널의 연결 시 채널 사이의 독립성을 유지하기 위해 신호 격리장치를 이용하는데, 독립적인 2개 채널의 개별 제어봉 위치신호를 동시에 신속 처리하기 위해 ITOP(10,11,12,13)는 도 3에 도시된 바와 같이 고성능의 중앙연산처리장치(15;CPU)를 이용한다.
따라서, CPU(15)를 이용하여 주요 노심운전 인자(DNBR과 LPD 등)들을 실시간으로 계산하게 되고 보조연산장치모듈(30)은 운전원 연계기능(즉 노심유량과 노심출력 보정, 노심 DNBR 운전제한치 감시)을 편리하게 하기 위해 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21)의 노심유량과 복합기능 모듈(25)의 노심출력의 보정상수를 자동으로 계산하는 등 소정의 계산을 수행한다. 이 때, 보정상수는 노심유량보정을 위한 기준유량과 도 4의 냉각수 유량계산 모듈(21)에서 계산된 유량을 비교하여 계산한다. 보조연산장치모듈(30)은 또한 복합기능모듈(25)에서 실시간으로 계산된 최소 DNBR과 미리 설정된 DNBR 운전제한치의 비교를 자동으로 수행하여 DNBR 운전제한치를 감시하도록 되어 있는 감시장치를 구비하고 있다.
한편, 공통모듈(Common Module,COM.) 및 입출력모듈(Input/Output Module,I/O)은 도면번호 31로 표시된 것처럼, 계측기 입력신호를 처리하고 주요 실 시간 계산결과를 MTP(27)와 OM(28) 및 발전소 경보시스템으로 전송한다.
도 3은 ITOP 채널 A(10)의 상세도이며 입력신호와 출력신호를 보여준다. 도 1의 기존 노심보호연산기(110 내지 113) 채널 A(110)의 입력신호와 비교하면 ITOP 마다 4개 씩 묶여 있는 개별 제어봉에 대하여 제어봉 그룹 위치신호 대신에 개별 제어봉위치 신호(Reed Switch Position Transmitter,RSPT1 & RSPT2)가 사용되고 냉각수 펌프 회전속도 대신에 공급전원 주파수(ω)와 전류신호(I)가 사용되고 있음을 알 수 있다.
통합형 원자로 열적보호시스템의 기능모듈부는 도 4에 도시된 바와 같이 5개의 계산기능 모듈과 1개의 원자로 정지신호 처리모듈로 구성된다. 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21;Core Flow,CFLOW)은 계측된 냉각수 펌프 공급전원 주파수와 입력전류 신호를 이용해 노심유량을 계산하여 원자로 출력분포합성 모듈(23)과 DNBR 계산 모듈(24)로 전송한다. 또한 복합기능 모듈(25)로부터 최소 DNBR과 최대 LPD 값을 입력받아 노심유량 변화에 따른 보정계산을 수행하여 원자로정지신호처리 모듈(26)로 수정된 최소 DNBR과 최대 LPD 값을 전송한다. 제어봉 연산기능 모듈(22;CEA Deviation,CRDEV)은 개별 제어봉위치 신호를 처리하여 위치편차에 따른 DNBR과 LPD 페널티 인자를 계산한다. 제어봉위치 편차에 의한 DNBR과 LPD 페널티 인자를 복합기능 모듈(25;Update Variable,UPDVAR)로 전달하고 각각의 목표 제어봉위치 정보를 원자로 출력분포 합성모듈(23)로 보낸다. 복합기능 모듈(25)은 다양한 계측기 입력신호와 노심 출력분포 관련 정보를 이용하여 노심출력을 계산하고 수시로 변하는 원자로 운전조건을 반영하여 DNBR과 LPD를 짧은 시간간격으로 계산 한다. UPDVAR에서 수정 계산된 DNBR과 LPD는 원자로정지신호처리 모듈(26)로 전송된다. 원자로 출력분포 합성모듈(23;Core Power Distribution,CPWRD)은 CFLOW(21)에서 계산된 노심유량과 UPDVAR(25)에서 전달된 노외핵계측기 신호를 이용하여 노심 축방향 및 반경방향 출력분포를 합성한다. 실시간으로 합성한 노심 축방향 및 반경방향 출력분포는 DNBR 계산 모듈(24)과 복합기능 모듈(25)로 보내어진다. DNBR 계산 모듈(24;Static DNBR, SDNBR)은 CFLOW(21)에서 계산된 노심유량과 CPWRD(23)에서 합성된 노심 출력분포를 이용해 상세 DNBR 계산을 수행하여 UPDVAR(25)로 보낸다. 마지막으로 원자로 정지신호처리 모듈(26;Trip Generation, TRPGEN)은 DNBR과 LPD의 원자로 정지신호 및 보조 정지신호의 발생여부를 결정한다. 또한 DNBR과 LPD의 예비 정지신호를 처리하여 필요시 경보를 발생시킨다.
여기에서 먼저 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21)은 기존의 냉각수 펌프의 회전속도 신호 대신에 공급전원의 주파수(Frequency)와 3상(3-phase) 전류 신호를 이용하여 노심유량을 계산한다. 즉, 노심유량은 펌프 공급전원의 출력에 비례하는 원리를 이용한다. 이러한 입력신호의 변경은 냉각수 펌프 축고착 사고와 축파단 사고를 보다 빨리 인지할 수 있게 해주므로 사고 발생을 대비해 요구되는 열적여유도를 줄일 수 있으며 3상 전류신호의 사용은 입력신호를 다중화하는 장점도 있다.
제어봉연산기능 모듈(22;CEA Deviation,CRDEV)은 기존의 제어봉연산기의 기능을 수행하기 위해 본 발명에서 통합형 열적보호기(ITOP)의 기능모듈로 개량한 것이다. 개별 제어봉위치 신호를 처리하여 위치편차에 따른 DNBR과 LPD 페널티 인자를 계산하고 그룹제어봉 위치신호도 결정하여 출력분포 합성모듈에 제공한다. 두 세트의 제어봉위치 입력신호 중 한 세트가 사용불능이면 일정 시간동안 사용가능한 신호만을 사용한다. 제어봉 위치신호가 모두 사용불능이면 CRDEV(22) 모듈의 기능은 자동으로 우회되고 DNBR과 LPD 페널티 인자는 이전의 값을 사용한다.
원자로 출력분포합성 모듈(23)은 노심 축방향 및 반경방향 출력분포를 합성한다. 축방향 출력분포는 기존의 3차 스플라인(Spline) 합성법을 개선하여 출력분포 특성을 세분화하고 최적의 합성계수를 사용한다. 반경방향 출력분포는 CRDEV 모듈(22)에서 제공한 그룹제어봉 위치를 이용하여 결정되며 보수적인 LPD와 DNBR 계산을 위해 가상의 고온봉(Hot-pin) 출력분포를 합성한다.
DNBR 계산 모듈(24)은 도 5a에 나타낸 바와 같이 상세 4-수로해석모델을 이용하여 원자로 열유동 지배방정식의 수치해를 얻고 노심 최소 DNBR을 계산한다. 즉, 냉각수가 흐르는 원자로내 핵연료봉다발 사이의 유로를 노심평균 수로(41)와 고온핵연료다발 수로(42)로 구분하고 수로(42)의 내부는 최소 DNBR 발생을 가정한 고온수로(44)와 고온수로 주변의 수로(43)로 구분한다. 상세 4-수로는 그룹수로(43)와 수로(42) 사이의 운동량과 에너지 전달을 보다 상세하고 정확하게 계산하기 위해 경계수로(42')와 경계수로(42")를 추가로 모델링한 것인데, 여기에서 수로(42)는 도 5b 중 44, 43, 42' 또는 42"으로 표시된 부분을 제외한 아무 표시도 되어 있지 않은 수로 들을 평균적으로 나타내는 수로이며, 상세 4-수로라 함은 경계수로(42')와 경계수로(42")의 추가를 통해 모델링을 더욱 세분화함으로써 수로 전체의 운동량과 에너지 전달을 더욱 상세하고 정확하게 계산할 수 있게 되는 것을 의미한다.
그룹수로 사이의 운동량 및 에너지 전달은 그룹수로 사이의 경계수로를 추가로 정의하여 원자로 운전조건에 따라 실시간으로 계산된다. 기존의 단순화된 4-수로 해석방법은 경계수로를 정의하지 않고 보다 상세한 DNBR 해석방법과의 조정과정을 통해 결정된 일정한 값을 갖는 전달계수를 사용한다.
도 6a 내지 도 6c는 각각 축방향 및 횡방향 운동량과 에너지 방정식을 풀기 위한 인접수로 사이의 유량(속도), 압력 및 엔탈피 교환을 도식적으로 나타낸 것으로 인접한 수로 사이의 압력, 속도 및 엔탈피 전달계수(NP, NU, NH)를 다음 수학식 1과 같이 정의한다.
여기에서 P, U, H는 인접한 임의의 통합수로 I, J의 평균 압력, 속도와 엔탈피이며 p, u, h는 통합수로 I, J 사이의 경계수로의 압력, 속도와 엔탈피를 나타낸다. 본 발명에서 이용하는 상세 4-수로해석모델의 경우 상기와 같이 정의된 각각의 전달계수는 주로 고온핵연료다발 수로(42)와 고온수로의 주변수로(43) 사이의 압력, 속도, 엔탈피의 교환을 나타내기 위한 것으로 정의된다. 압력과 속도에 대한 전달계수 NP와 NU는 미리 계산된 최적 상수값을 사용하며 엔탈피 전달계수(NH)만 경계수로(42'와 42")의 엔탈피를 이용하여 다음 수학식 2와 같이 계산한다.
복합기능 모듈인 UPDVAR(25;Update Variable)은 원자로출력과 수시로 변하는 원자로 운전조건을 반영하여 수정 DNBR을 계산한다. UPDVAR(25)은 가변 과출력정지, 비대칭 증기발생기 과도상태 방지 및 허용 운전범위 위반 방지 등을 위한 관련 보조정지 인자들을 계산하여 각각의 원자로정지 제한치와 비교한다. 기존의 노심보호장치는 보조 정지신호에 대한 예비 정지 경보기능이 없어서 운전원으로 하여금 원자로정지를 막기 위한 조치를 취하도록 할 수 없는 단점이 있기 때문에, 본 발명에서는 모든 보조정지 인자들에 따른 예비정지 경보모듈을 UPDVAR에 추가로 설치하여 보조정지 인자와 원자로정지 제한치의 비교 결과를 원자로 정지신호 처리모듈(26)로 전달되도록 한다.
원자로 정지신호처리 모듈(26)은 DNBR과 LPD의 원자로 정지신호 및 보조 정지신호의 발생여부를 결정하며 나아가서 본 발명에서는 모든 원자로정지 변수의 예비 정지신호를 처리하여 필요시 경보를 발생시킴으로써 운전원으로 하여금 필요한 원자로정지 예방조치를 취하도록 한다.
이와 같이 구성된 통합형 원자로 열적보호시스템은 운전원과의 연계성을 개선하기 위해 원자로출력과 냉각수 유량에 대한 보정을 자동화하기 위해 실시간으로 계산되는 원자로출력과 냉각수 유량을 운전원에게 제공한다. 또한 노심감시시스템이 운전불능인 경우 DNBR 정상운전제한치에 대한 감시기능도 자동화할 수 있게 된 다.