KR100881615B1 - 다채널용 제어봉 위치 감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 제어봉 구동장치의 하우징 내부에 위치하며 자기장을 발생시키는 이동 가능한 부재를 감지하기 위한 자기장 감지 센서인 리드스위치와 그 위치신호를 전기신호로 출력하기 위한 전압분배회로를 가지며, 그 구성은 내구성이 강한 몰드형 리드 스위치와 인쇄회로기판 및 반원형 금속 외부보호관으로 이루어지며 이는 감지 장치의 크기를 최소화할 수 있고, 이를 통해 기존의 제한된 공간 내에 각기 2개의 감지 장치를 장착 가능케 함으로써 자기장을 발생시키는 이동 부재의 위치 출력신호를 각각의 감지 장치가 독립적으로 제공하여 이동부재 감지 시스템을 2채널에서 4채널 시스템으로 구성된다.

원자로, 제어봉, 4채널, 전압분배회로, 리드스위치

Description

다채널용 제어봉 위치 감지장치{REED SWITCH POSITION TRANSMITTER FOR MULI-CHANNEL USE}

본 발명은 원자력 발전소의 원자로에서 핵연료의 반응 속도를 제어하기 위하여 사용되는 제어봉 또는 그 집합체의 위치를 검출하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 원자력 발전소는 원자로 내의 핵연료의 연소 작용을 통하여 발생된 열에너지를 바탕으로 원자로내의 순환되는 1차 냉각수를 높은 온도로 가열시킨다. 이 가열된 1차 냉각수는 다시 증기발생기에서 열교환을 통해 2차 냉각수를 가열시켜 고온 고압의 증기를 발생시키게 된다. 이 발생된 고온 고압의 증기가 터빈을 움직여 전력을 생산하게 된다. 이러한 원자로내의 핵반응을 적절한 수준으로 유지 또는 정지시키기 위하여 사용되는 것이 제어봉집합체(Control element assembly)이다. 이 제어봉집합체를 원자로 노심의 상하로 이동시켜 핵반응을 제어하게 되는데, 이를 구동시키는 것이 바로 제어봉구동장치(CEDM : Control element drive mechanism) 이다. 제어봉구동장치는 원자로헤드의 상부에 있으며, 제어봉집 합체를 직접 구동시키지 않고 집합체와 연결된 연장축을 구동시킴으로써 제어봉집합체의 움직임을 제어하게 된다.

상기와 같이 원자로 노심의 핵반응을 제어하는 매우 중요한 제어봉의 위치를 감지하는 장치가 바로 제어봉위치지시기이다.

현재 건설되어 운전 중에 있는 한국표준형원전(KSNP)에서는 이러한 제어봉위치지시기로서 리드스위치(Reed switch)를 감지센서로 사용하는 리드스위치 위치전송기(RSPT : Reed Switch Position Transmitter)를 사용하고 있다.

도 1은 원자로의 제어봉 구동장치의 개략도이다.

원자로(11)의 상부에 하우징(12)으로 둘러싸인 제어봉 집합체(15)가 있고, 그 제어봉 집합체의 상부 내부에는 영구자석(16)이 배치되어 있다.

원자로(11) 내부의 제어봉 집합체(15)는 원자로 상부의 연장축과 연결되어 그 끝 단에 영구자석(16)을 가지게 되는데, 영구자석의 자기장을 방해하지 않기 위해 주변의 하우징(12)은 비자성체로 구성되며, 이 이동 가능한 영구자석(16)의 자기장을 위치전송기 내부의 센서인 리드스위치가 감지하게 된다.

위치전송기는 가이드 튜브(18) 내부에 장착되어 있으며 상부 전기 커넥터(20)에서 외부 연장 신호선과 연결되어 지시기(22)로 감지 위치를 송신하게 된다.

도 2는 종래 사용되는 제어봉 위치 감지장치의 내부 구조도이다.

가이드튜브(18) 내에 장착된 제어봉 위치 감지장치(26) 내부에 장착된 리드스위치(28, 28') 한 쌍으로 그 리드선이 터미날(32)에 접합되어 직렬구조를 가지며 영구자석(16)의 자기장에 따라 개폐되어 전류를 제어하는 스위치 역할을 한다.

이러한 저항소자(30)는 입력된 전압(33, 34)을 특정한 값의 전압강하를 만들어 내어 출력(33, 35)되도록 하는 역할을 한다.

도 3은 종래 기술의 제어봉 위치 감지장치의 회로도이다.

상기 리드스위치(28, 28')를 일정한 간격으로 배치하여 그 간격마다 입력 전압을 분배할 수 있도록 저항소자(30)을 연결하여 위치전송기의 전압분배회로(29)를 구성하게 된다.

도 3에 도시된 전압분배회로(29)에 따라 영구자석이 상하로 이동하면 그 자기장에 위치된 리드스위치(28, 28')가 자화(Magnetization)되어 리드스위치가 폐회로(Closed circuit)을 구성하게 된다. 따라서, 폐 회로를 따라 전류가 흐르게 되어 그 회로를 구성하고 있는 저항소자(30)의 총 저항값 만큼의 전압강하를 얻을 수 있게 된다.

상기와 같이 기술된 위치전송기는 원자로 노심의 안전계통의 신호를 생산하는 매우 중요한 장치이며 높은 신뢰성을 필요로 한다.

현재 운전중인 원자로에서는 이러한 위치전송기가 제어봉구동장치(CEDM)에 2개씩 설치가 되어 각각의 위치신호를 상호 비교하여 그 값이 기준값을 벗어나면 원자로를 비상 정지하기 위하여 제어봉집합체를 원자로 바닥으로 낙하시키게 된다. 이러한 상황을 원자로의 트립(Trip)이라고 하며, 현재 위치전송기의 신호 오류로 인한 원자로의 트립이 빈번히 발생되고 있다.

상기 언급된 위치전송기의 신호지시 오류의 원인 중에는 열화(Aging)와 진동으로 인한 위치전송기의 내부 구성회로의 접촉 결함이 한 원인일 수 있다.

종래의 위치 감지장치는 유리관 형태의 리드스위치(28,28') 를 자기장 검출 센서로 사용하며 이를 터미날 스트립에 조립되어 있는 터미날(32)에 접합시키기 위해서 특정한 형상으로 그 리드선을 벤딩 또는 절단하여야 하며, 제작 시 여러 차례의 공정을 거쳐야 하므로 외부의 힘 또는 충격에 취약한 재질로 변화되어 잠재적 손상을 입을 확률이 높게 된다.

실제적으로 원자력 발전소에서는 위에서 언급한 위치 감지장치의 제작상 또는 설계상의 문제점으로 인한 신호 오류는 물론 발전소 현장의 예측할 수 없는 비정상적인 환경에 의하여 위치 감지장치의 신호 오류가 발생될 수 있다. 발생된 신호 오류는 원자로 트립을 발생시킬 수 있는데, 이는 현재 발전소에서 위치 감지장치(RSPT)를 제어봉 구동장치(CEDM)에 1 쌍, 즉 2 개씩 설치하여 그 신호를 상호 비교하여 원자로 트립 신호를 발생시키기 때문이다.

도 4는 종래 기술의 제어봉 위치 감지장치의 센서 밀집부위의 측면도이다.

도 4에서 알 수 있듯이 종래의 제어봉 위치 감지장치는 그 기능상 상단과 하단부에 리드스위치(28, 28') 가 여러 쌍으로 근접되어 설치될 수 있는데, 이는 제어봉의 낙하 위치를 측정하는 로드 드롭(Rod Drop) 스위치(40, 40') 또는 리미트스위치(41, 41') 등이 추가적으로 포함될 수 있기 때문이다. 위치전송기는 상단과 하단에 감지 포인트가 추가적으로 집중되어 있는데 로드 드롭 스위치(40, 40') 는 제어봉이 낙하하였을 경우, 즉 Rod Drop 의 감지 위치에 위치하며, 리미트스위치(41, 41') 는 하향 한계점(Lower Electrical Limit) 감지 위치이다. 리드스위치(28, 28') 가 몰려 있기 때문에 공간제약상 위쪽으로 돌출되어 설치되어 있다.

일부 국부적인 제한된 구간에 여러 쌍의 리드스위치(28, 28') 를 설치하기 위하여는 리드스위치를 여러 형태로 그 형상을 변형시켜야 하고, 작업자의 고도로 숙련된 기술을 필요로 한다. 결국 이러한 설치는 변형으로 인한 리드스위치의 결함의 발생 및 리드스위치끼리 상호 근접 또는 접촉되었을 경우 자기장 간섭으로 인하여 오작동도 유발할 수 있다.

도 5는 종래 운용되고 있는 제어봉 위치 감지 장치의 장착도이다.

도 5에서 보듯이 종래기술에 의한 감지장치는 영구자석(16)을 포함하는 하우징(12)의 양쪽에 근접하여 설치된 장착용 가이드튜브(18)에 장착되도록 원형의 보호관(70)을 가진다. 보호관(70)의 내부에는 터미널스트립(37)의 상면에 리드스위치(28, 28'), 저항소자(30), 신호선(36) 등이 설치된다. 또한, 가이드튜브(18)와 보호관(70)의 사이에는 스프링(39)가 설치되어 진동이 발생하지 않도록 한다.

즉, 종래에는 가이드튜브(18) 내에 단 한 개의 위치 감지장치만이 설치될 수 있었다. 결국, 영구자석(16)을 중심으로 양방향으로 2개의 위치 감지장치를 장착 하여 궁극적으로는 2채널(38, 38') 제어봉 위치 감지장치 시스템을 구축하는 것이다.

현재의 발전소 보호계통은 독립적인 4채널 시스템으로 이루어져 있으나, 상기에서 알 수 있듯이 이에 신호를 입력시켜 주는 센서인 제어봉 위치 감지장치는 2채널로 이루어져 있다. 이는 종래의 기술로는 제한된 공간에 설치된 2개의 가이드 튜브(18) 내에 각각 1개 밖에 설치할 수 밖에 없기 때문이다.

결국, 종래기술의 한계로 인해 2개의 입력신호를 받아 상호 비교하여 불완전한 4채널 보호시스템을 유지할 수 밖에 없는 것이다. 따라서 현재는 2개의 위치 감지장치를 사용하여 만약 이 중 한 개에 오작동이 발생되면 바로 원자로의 트립이 발생하여 원자로가 정지되는 문제점이 있었다.

상기와 같이 종래기술의 위치 감지장치의 제작상 및 설계상의 신호 오류 문제와 현 2채널 위치 감지장치 시스템을 독립적인 4채널 시스템으로 전환 가능하도록 하기 위하여 본 발명은 개선된 설계를 통하여 제한된 공간에 4개의 위치 감지장치를 설치하여 종래의 위치 감지장치로 인해 발생되는 손실을 막기 위한 제어봉 위치 감지장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 개선된 설계를 통하여 위치 감지장치 크기를 최소화하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 원자로의 제어봉 구동장치의 하우징 내의 자기장을 발생시키는 이동 가능한 부재인 영구자석의 위치를 감지하기 위한 장치에 있어서, 영구자석의 자기장을 감지하는 리드스위치와 전압분배를 위한 저항소자를 인쇄회로기판에 집적화하여 그 부피를 소형화함으로써 가이드튜브 내에 동시에 2개가 장입될 수 있는 것을 특징으로 하는 다채널용 제어봉 위치 감지장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 리드스위치는 몰드형 리드스위치인 것을 특징으로 하는 다채널용 제어봉 위치 감지장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 리드스위치 또는 상기 저항소자가 인쇄회로기판의 상 하 양면에 배치되는 것을 특징으로 하는 다채널용 제어봉 위치 감지장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제어봉 위치 감지장치가 반원형의 보호관 내에 장입되는 것을 특징으로 하는 다채널용 제어봉 위치 감지장치를 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 가져올 수 있다.

첫째, 종래 기술에 의해 제작된 유리 밀봉형 리드스위치 사용 및 변형에 의한 잠재적 결함을 미연에 방지할 수 있다

둘째, 몰드형의 리드스위치와 소형의 부품 및 인쇄회로기판을 사용하여 집적화 및 공간 활용 최적화를 통한 제어봉 위치 감지장치의 부피를 최소화한다.

셋째, 4채널 감지시스템으로 함으로써 원자로 보호계통의 효율을 극대화할 수 있다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명에 따라 형성된 제어봉 위치 감지장치의 내부 측면도이다.

제어봉 집합체(CEA)의 위치를 감지하기 위해 이에 연결된 연장축에 고정된 영구자석의 위치를 상하로 감지하기 위해 인쇄회로기판(60)의 양면에 영구자석의 자기장 세기에 최적화된 자기 민감도 값을 가지는 리드스위치(50, 50', 51, 51', 52') 와 전압분배를 위한 저항소자(55)의 조합이 설치된다.

본 발명에서는 외부에 몰딩 처리된 리드스위치를 사용하여 제작 중 그 형상에 변형을 가하지 아니하고 변형되지 않은 초기 부품 형태로 인쇄회로기판의 정해진 정확한 위치에 장착할 수도 있다. 이는 추가적으로 기존의 회로가 수작업으로 그 위치에 설치하는 작업에 비하여 센서가 정확한 위치에 설치될 수 있다.

도 7은 제어봉 위치 감지장치의 단면도이다.

도 6의 리드스위치(50, 50') 가 장착된 인쇄회로기판(60)으로 형성된 제어봉 위치 감지장치를 외부보호관(56)에 장입한다.

상기 외부보호관(56)은 제어봉 위치 감지장치의 어셈블리를 보호하고 특정한 형상을 가지는데, 반원형의 형상을 가질 수도 있다.

도 8은 본 발명의 4채널 제어봉 위치 감지장치의 설치도이다.

본 발명에서는 제어봉 위치 감지장치는 집적화된 회로와 이에 반원형 보호관(56) 내에 장입됨으로써 기존의 동일한 가이드튜브(18) 또는 유사한 원형의 공간 내에 동시에 2개의 위치감지장치를 장착 가능하게 함으로써 종래기술이 이루지 못하던 4채널 위치 감지장치 시스템을 가능하게 하는 것이다.

반원형 위치 감지장치를 가이드튜브(18) 내에 평평한 면을 서로 맞대어 하나의 원형을 이루어 장착된다. 2개의 위치 감지장치가 장착되고 가이드튜브(18)와의 빈 공간은 떨림 방지를 위한 판 스프링(85)이 장착될 수 있다.

본 발명은 제어봉 위치 감지장치의 제작 및 기능 상에 있어서 종래 기술의 단점을 극복함과 동시에 종래기술의 한계였던 2채널 제어봉 위치 감지시스템과는 전혀 다른 독립적인 4채널(80, 80', 90, 90') 제어봉 위치 감지시스템을 가능케 하여 위치 지시 신호오류 발생으로 인한 원자로의 비정상적인 정지를 효과적으로 방지하는 기술을 제공한다.

도 1은 원자로상부의 제어봉구동장치(CEDM)상에 설치된 종래 기술의 제어봉 위치 감지 장치의 설치도

도 2는 종래 기술의 제어봉 위치 감지 장치의 내부 구조도

도 3은 종래 기술의 제어봉 위치 감지 장치의 회로도

도 4는 종래 기술의 제어봉 위치 감지장치의 센서 밀집부위 측면도

도 5는 종래기술의 제어봉 위치 감지장치의 장착도

도 6은 본 발명에 따라 구성된 제어봉 위치 감지 장치의 내부 측면도

도 7은 본 발명에 따라 구성된 제어봉 위치 감지장치의 단면도

도 8은 본 발명에 따라 구성된 제어봉 위치 감지장치의 장착도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 원자로 12 : 제어봉구동장치 하우징

16 : 영구자석 50,50',51,51',52' 리드스위치

55 : 저항소자 56 : 보호관

Claims (4)

1. 원자로의 제어봉 구동장치의 하우징 내의 자기장을 발생시키는 이동 가능한 부재인 영구자석의 위치를 감지하기 위한 장치에 있어서,

   영구자석의 자기장을 감지하는 리드스위치와 전압분배를 위한 저항소자를 인쇄회로기판의 상하 양면에 배치하고, 상기 인쇄회로기판이 반원형의 보호관 내에 장입되며, 상기 보호관이 가이드튜브 내에 동시에 2개가 장입될 수 있는 것을 특징으로 하는 다채널용 제어봉 위치 감지장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 리드스위치는 몰드형 리드스위치인 것을 특징으로 하는 다채널용 제어봉 위치 감지장치.
3. 삭제
4. 삭제

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