KR100960228B1

KR100960228B1 - 고정형 노내핵계측기

Info

Publication number: KR100960228B1
Application number: KR1020090134402A
Authority: KR
Inventors: 명 은 채; 용 원 서
Original assignee: 주식회사 우진
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-06-01

Abstract

본 발명은 원자력 발전소의 원자로 내부의 핵연료의 분열반응을 일으키는 중성자 선속 및 온도를 측정하여 이를 통하여 원자로 내의 3차원적인 출력분포를 모니터링하기 위해 사용되는 노내핵계측기에 관한 것이다.

본 발명은 커넥터와 상기 커넥터에 연결된 계측부를 포함하는 노내핵계측기에 있어서, 상기 계측부는 외부튜브와 상기 외부튜브 내의 최중심부에 배치된 일체형 열전대와 상기 외부튜브와 상기 일체형 열전대의 사이에 위치되며 상기 일체형 열전대를 둘러싸도록 배치된 복수의 중성자 검출기와 복수의 신호보상용 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 고정형 노내핵계측기를 제공한다.

본 발명에 의하면 기존 노내핵계측기의 다수의 필러 케이블을 사용하지 않고 또한 2개의 케이블 구조로 된 열전대를 1개의 케이블로 된 일체형 열전대로 개선하여 사용함으로써 외부보호관의 외경이 현저하게 감소되는 최적화된 구조가 되므로 노내핵계측기의 사용 후 발생되는 고준위 및 중준위 방사선 폐기물의 양이 획기적으로 줄어들어 그 처리비용의 지대한 절감효과가 발생한다.

원자력 발전소, 노내핵계측기

Description

고정형 노내핵계측기 {ADVANCED FIXED TYPE IN-CORE INSTRUMENTATION}

본 발명은 원자력 발전소의 원자로 내부의 핵연료의 분열반응을 일으키는 중성자 선속(neutron flux) 및 온도를 측정하여 이를 통하여 원자로 내의 3차원적인 출력분포를 모니터링하기 위해 사용되는 노내핵계측기에 관한 것이다.

일반적으로 원자력 발전소는 원자로 내의 핵연료의 분열 반응 즉, 연소 작용을 통하여 발생된 열에너지를 이용하여 그 주위로 순환되는 1차 냉각수를 높은 온도로 가열시킨다. 이 가열된 1차 냉각수는 다시 증기발생기에서 열 교환을 통해 2차 냉각수를 가열시켜 고온 고압의 증기를 발생시키게 된다. 이 발생된 고온 고압의 증기가 터빈을 움직여 전력을 생산하게 된다. 이러한 원자로 내의 연쇄적인 핵분열을 일으키는 매개체가 바로 중성자이다. 따라서, 중성자 선속을 측정함으로써 원자로 내의 출력을 모니터링 및 제어할 수 있는 것이다. 원자로 노심의 중성자 선속을 측정하는데 사용되는 검출기는 자기출력형 중성자검출기(self-powered neutron detector)이다. 이러한 중성자검출기는 일반적으로 독립적으로 사용되지 않고 하우징 내에 다수가 집합되어 하나의 어셈블리인 집합체로 구성되어 사용된다. 이렇게 다수의 중성자검출기로 구성되어 최종적으로 원자로 내부에 삽입 및 장 착되는 장치가 노내핵계측기이다.

도 1은 종래의 노내핵계측기의 외관도이다.

종래의 노내핵계측기는 도면에서 볼 때 좌로부터 커넥터(50), 플렉서블호스(51), 씰플러그(52), 계측부(54)로 연결구성되고 계측부(54)의 외관은 외부보호관(53), 불릿노우즈(55)로 구성되어 있다.

계측부(54)는 원자로와 연결되어 있는 가이드 튜브를 통해 원자로 내부로 삽입되며, 외부보호관(53) 내부에는 검출기들이 배치되어 있고, 검출기들이 원자로 내부의 중성자 선속 및 온도를 측정한다.

검출기들은 중성자를 측정하는 중성자 검출기와 이를 보상하는 신호보상용 검출기 및 냉각수의 온도를 측정하는 K형 열전대로 구성된다.

씰플러그(52)는 고온, 고압이 작용하는 원자로 내부와 외부의 경계면을 형성하여 압력누출을 방지하며 검출기에서 측정된 신호는 커넥터(50)를 통해 전송 케이블과 연결된다.

도 2는 상기 검출기들중의 하나인 로듐형 자기출력형 중성자 검출기의 단면도이다. 중성자 검출기는 중성자와 반응하여 연소되면서 전자를 방출하는 이미터(Emitter)(61)가 존재하고 이와 연결된 신호선(62) 및 방출된 전자를 수집하는 콜렉터(Collector)의 역할을 하는 외부관(63)으로 구성되며, 그 사이의 공간은 알루미나와 같은 절연체(64)가 충전되어 있다. 중성자 검출기의 양단은 밀봉되어 전기적으로 절연되어 있다.

중성자 검출기의 이미터(61)로는 백금, 바나듐, 은 또는 로듐 등이 사용되어 왔다. 이 중 로듐은 중성자에 대한 반응 단면적이 다른 재질에 비하여 커서 상대적으로 높은 전류 신호를 얻을 수가 있다. 이러한 장점 때문에 현재 원자력발전소에서 널리 사용되고 있다.

도 3은 도 1의 A-A 단면도이다.

노내핵계측기의 외부보호관(53)의 내부에는 중심관(71)이 존재하고, 이 중심관(71)의 주위에 복수의 중성자검출기(60), 열전대(72), 필러케이블(73) 및 신호보상용 검출기(74)가 둘러 싸여져 있다.

내부의 중심관(71)은 초기 설계 당시 이 빈 관의 공간을 사용하여 계측기를 교정하거나 또 다른 검출기를 사용할 수 있도록 된 것이나, 현재는 그 용도로 사용되고 있지 않다.

중성자 검출기(60)는 이미터(61)를 제외한 신호선(62) 및 외부관(63)에서 중성자 및 기타 방사선과 반응하여 발생하는 불필요한 신호를 제거해 주어야 하는데, 이 때 사용되는 것이 바로 신호보상용 검출기(74)이다. 이는 중성자 검출기와 동일한 구조를 가지지만 이미터(61) 부위 만을 제거하여 이미터(61) 이외의 부분에서 나오는 불필요한 신호를 보상해 주는 것이다.

이러한 종래의 노내핵계측기는 중성자 선속을 측정하는 것이 그 주된 목적이며, 또 다른 목적은 원자로의 냉각수 온도를 측정하는 것이다. 이를 위해 열전대(72)인 크로멜(72a) 및 알루멜(72b)이 설치되어 있다.

필러케이블(73)은 빈 공간을 채워서 타 검출기가 움직이지 않도록 한다.

종래의 노내핵계측기는 상기와 같은 구조로 인하여 여러 가지 문제점이 발생된다.

그 중, 가장 중요한 문제점은 경제적 비용측면이다.

원자력발전소는 그 특성상 고방사능에 노출될 수 밖에 없는 것이 현실이다. 특히, 원자로 내부는 핵연료가 연소되는 곳이므로 그 방사능 수위가 가장 높은 곳이다. 따라서, 이 핵연료 내부에 삽입되어 직접적인 접촉이 이루어지는 노내핵계측기는 필연적으로 고준위 방사선 폐기물로 된다. 결국, 사용 당시의 노내핵계측기의 부피의 증가는 이러한 고준위 방사선 폐기물의 증가와 직결되며, 이러한 폐기물의 취급은 매우 까다롭고 그 처리에 고비용이 소요된다.

또 다른 측면은 바로 노내핵계측기의 제작비용의 증가이다.

노내핵계측기에 사용되는 재질은 매우 특수한 고가의 재질이 사용된다. 원자력발전소의 특성상 매우 높은 내구성 및 내식성이 필요하기 때문이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 현재는 특수 목적 합금인 인코넬(Inconel 600)합금을 사용하고 있으며, 계측기 내부에서 별다른 기능을 하지 않는 필러케이블(73) 및 중심관(71) 또한 원자로 내에 삽입되므로 동일한 고급 재질을 사용하고 있다.

노내핵계측기의 수명은 내부의 중성자 검출기의 수명에 의하여 정해지는데, 중성자와 이미터(61)의 상호작용을 통한 연소 수명이 제한되어 있으므로 계측기를 주기적으로 교체하여야 하므로 교체시 또 비용이 증가한다.

또한, 종래의 기술에서는 하나의 신호보상용 검출기(74)가 다수의 중성자 검 출기(60)의 신호를 보상하고 있다. 따라서 이 하나의 신호보상용 검출기(74)가 기능을 상실하게 되면 다수의 중성자 검출기(60)의 신호를 사용할 수 없게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 종래의 노내핵계측기와 동등 이상의 기능 및 성능을 가지면서 제작, 관리 및 유지 보수에 있어 보다 저렴하고 신호의 효율적인 안정성을 확보할 수 있는 노내핵계측기의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 외부보호관의 외경을 축소하여 노내핵계측기 전체의 부피를 감축하며, 출력신호 수집의 신뢰성을 높이며 종래와 동일한 설비에 설치가 가능한 개선된 노내핵계측기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 커넥터와 상기 커넥터에 연결된 계측부를 포함하는 노내핵계측기에 있어서, 상기 계측부는 외부튜브와 상기 외부튜브 내의 최중심부에 배치된 일체형 열전대와 상기 외부튜브와 상기 일체형 열전대의 사이에 위치되며 상기 일체형 열전대를 둘러싸도록 배치된 복수의 중성자 검출기와 복수의 신호보상용 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 고정형 노내핵계측기를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 외부튜브의 끝단에 연결고정되는 원추상고정부를 구비하고, 상기 중성자검출기, 상기 신호보상용 검출기 또는 상기 열전대의 끝단에 형성되는 선단마감부와, 상기 선단마감부에 연결 고정되는 고정부재와 상기 고정부재를 수용 고정하는 고정자가 형성되고, 상기 원추상고정부에 상기 고정자가 관통하 여 고정되고, 상기 고정자의 끝단은 실링부와 결합고정되는 것을 특징으로 하는 고정형 노내핵계측기를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 외부튜브의 외면에는 핵연료 집합체 내부의 가이드 튜브에 삽입되어 고정될 수 있도록 대경부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 노내핵계측기를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 대경부재는 상기 중성자 검출기의 위치 또는 핵연료 집합체 내부의 가이드 튜브의 오목부의 위치에 대응되도록 일정 간격 떨어져 형성되는 것을 특징으로 하는 노내핵계측기를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 외부튜브의 소재는 300계열의 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 노내핵계측기를 제공한다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 가져올 수 있다.

첫째, 기존 노내핵계측기의 다수의 필러 케이블을 사용하지 않고 또한 2개의 케이블 구조로 된 열전대를 1개의 케이블로 된 일체형 열전대로 개선하여 사용함으로써 외부보호관의 외경이 현저하게 감소되는 최적화된 구조가 되므로 노내핵계측기의 사용 후 발생되는 고준위 및 중준위 방사선 폐기물의 양이 획기적으로 줄어들어 그 처리비용이 현저하게 절담되는 효과가 있다.

둘째, 기존 원자력발전소에서 노내핵계측기의 신호보상용 검출기의 고장으로 중성자 검출기의 기능이 상실되어 고가의 노내핵계측기가 무용지물이 되는 문제점이 있었으나, 복수의 신호보상용 검출기를 적용함으로써 하나의 신호보상용 검출기 가 그 기능을 상실하더라도 이중화된 설계로 인해 검출기신호의 신뢰성을 확보할 수 있다.

셋째, 노내핵계측기 내부의 부품의 수가 감소되므로 기존 제품과 비교하여 생산원가 절감 및 운영비용의 절감효과가 현저하다.

넷째, 개선된 구조의 노내핵계측기 사용으로 계측기 삽입 및 인출작업 등 유지보수 작업이 매우 용이하게 진행될 수 있다.

다섯째, 노내핵계측기는 그 삽입 및 장착을 위해 원자로 외부에 위치하는 씰테이블(seal table)에 설치되어 씰 플러그를 통해 압력경계를 형성하고 외부 가이드 튜브를 통해 원자로 내부에 위치하는 핵연료 집합체의 가이드 튜브로 설치되게 되며 내부의 검출기 신호는 플렉서블 호스의 내부를 통해 커넥터로 최종 연결되어 외부의 신호케이블과 결합되며, 삽입되는 길이는 약 35 미터에 달한다.

따라서, 종래의 큰 외경의 외부보호관을 가지는 노내핵계측기는 삽입 및 인출 시 가이드 튜브와의 여유 공간이 매우 협소해 약 35 미터 길이에 대해 발생하는 강한 마찰력으로 인해 상당한 어려움을 겪게 된다. 하지만, 본 발명에 의하면 축소된 외경의 외부 튜브와 대경부재를 가지는 개선된 노내핵계측기는 대경부재가 위치하는 국부적인 부위에서만 마찰력이 존재하기 때문에 그 인출이 매우 용이하다.

본 발명에서는 종래의 노내핵계측기를 개선하기 위해 내부의 중심관과 다수의 필러 케이블을 제거하고 기존의 열전대가 차지하는 부피를 감소시키기 위해 일체형 열전대를 적용하여 보다 축소된 외경의 외부 튜브의 사용이 가능하다.

또한, 외부 튜브의 외부에 대경부재를 형성하여 가이드튜브 내에 긴밀히 삽입되도록 하고, 중성자 검출기의 측정치의 오류를 방지한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 노내핵계측기의 계측부의 단면도이다.

본 발명의 계측부(25)의 외부튜브(24) 내의 최중심부에 노내의 냉각수 온도를 측정할 수 있는 일체형 열전대(22)가 배치되고, 그 주위에 중성자를 측정하기 위한 복수의 중성자 검출기(15, 16, 17, 18, 19)와 중성자 검출기 신호를 보상하기 위한 복수의 신호보상용 검출기(20, 20a)가 배치된다.

계측부(25)의 검출기들은 외부 튜브(24)에 의해 고온 고압의 외부 냉각수로부터 보호되며, 이 외부튜브(24)의 외부에는 대경부재(23)가 설치된다.

이 대경부재(23)의 외경과 원자로 핵연료 집합체 내부의 가이드튜브의 내경이 서로 밀착되어 삽입 장착될 수 있도록 한다.

종래 사용된 외부 보호관(53)은 특수 합금인 고가의 인코넬(Inconel 600)이 사용되었다. 노내핵계측기는 내부의 센서인 중성자 검출기의 특성상 그 수명이 발전소의 일반적인 설계수명(40년 이상)보다 매우 짧은 3~4 년 정도이고, 그 이후는 재활용되지 않고 폐기된다.

본 발명은 종래의 인코넬보다 상대적으로 저렴한 합금인 300계열의 스테인리스강, 예를들면 316L을 사용하여 경제적 효과를 극대화하고, 노내핵계측기 사용상의 특성을 그대로 살릴 수 있다.

본 발명의 개선된 내부 구조 즉, 중성자 검출기(15, 16 ,17, 18, 19), 신호 보상용 검출기(20, 20a) 및 열전대(22)의 내부 어셈블리는 실제 제작상의 편의를 위해 외부 튜브(24) 내로 직선형태로 삽입될 수 있지만, 그 삽입을 용이하도록 하기 위해 일정한 피치(pitch)로의 코일링 구조로 완성되어 삽입될 수도 있다.

또한, 외부 튜브(24)는 내부 검출기들과의 상호 밀착을 통한 내부의 빈 공간을 제거하기 위해 단면 축소 작업인 스웨이징 작업을 적용할 수도 있다.

도 5는 가이드튜브에 삽입된 본 발명의 노내핵계측기의 일실시예의 개념도이다.

가이드튜브(40)에는 일정 간격으로 오목부(42)가 형성되어 있고, 본 발명의 노내핵계측기의 대경부재(23)의 외경은 그 오목부(42)의 내경과 맞추어 삽입된다.

상기 오목부(42)는 노내핵계측기와 서로 밀착되어 설치되도록 하기 위하여 형성된다.

도 6은 가이드튜브에 삽입된 본 발명의 노내핵계측기의 또다른 실시예의 개념도이다. 도에서 외부튜브(24)의 내부가 보이도록 도시하였다.

동 실시예의 대경부재(26)는 일정 간격을 두고 본 발명의 노내핵계측기의 외부 튜브(24)의 외부에 형성된다.

상기 대경부재(26)는 상기 중성자 검출기의 위치 또는 핵연료 집합체 내부의 가이드 튜브의 오목부의 위치에 대응되도록 일정 간격 떨어져 형성된다.

도 6에서는 노내핵계측기 내를 개념적으로 도시하였으며, 중성자 검출기(15, 16, 17)의 이미터(45)의 위치에 맞추어 국부적으로 대경부재(26)가 형성되었음을 알 수 있다.

노내핵계측기는 중성자 검출을 위해 로듐형 중성자 검출기를 사용하는데, 원자로 노내의 특정 위치의 중성자 선속을 측정하기 위해 복수의 검출기를 사용하게 된다. 즉, 검출기의 이미터(45)를 특정 지점에 위치하도록 하여 국부적인 측정이 가능케 한다.

따라서, 이 이미터(45)의 위치에 대경부재(26)가 설치됨으로써 노내핵계측기가 냉각수와 접하는 부위가 달라져 원자로 냉각수와의 상호작용에 의해 발생할 수 있는 중성자 선속의 측정값의 차이를 방지한다.

즉, 대경부재(26)와 오목부(42)가 접촉하여 간격을 최대한 줄임으로써 그 사이에 흐르는 냉각수가 이미터(45)의 측정의 정밀도에 미치는 악영향을 최소화할 수 있는 것이다.

본 발명의 노내핵계측기의 계측부(25)의 내부구조는 종래의 구조와는 완전히 상이하므로 계측부(25)의 끝단부의 고정구조도 상이하며 상당히 개선된 형상이다.

도 7은 본 발명의 노내핵계측기의 계측부(25)의 끝단부의 단면을 도시한 것이다.

도면의 좌측에는 개념적으로 중성자 검출기(15, 16, 17, 18, 19), 신호보상용 검출기(20, 20a) 및 열전대(22) 중 3개가 표시되어 있다.

노내핵계측기의 계측부(25)의 끝단부는 가이드튜브(40)으로의 삽입을 용이하게 하기 위해 경사진 팁의 형태를 가진 원추상고정부(30)가 형성되며, 이 원추상고정부(30)는 외부 튜브(24)와 결합되어 최종적으로 압력 경계면을 형성한다.

외부 튜브(24) 내에 위치하게 되는 중성자 검출기(15, 16, 17, 18, 19), 신호보상용 검출기(20, 20a) 및 열전대(22)의 각각에는 선단마감부(28)가 형성되고, 상기 선단마감부(28)에는 각각 고정부재(27)가 연결되어 있다.

이 고정부재(27)는 각 검출기들이 진동에 의해 움직이거나 그 위치가 바뀌는 현상 등을 방지하기 위해 각 고정부재(27)를 수용할 수 있는 고정자(29)로 최종적으로 고정 되고, 상기 고정자(29)의 일단은 원추상고정부(30)를 관통하여 원추상고정부(30)의 끝단과 용접 등의 방법으로 결합되어 실링부(32)를 형성한다

상술한 듯이 본 발명에 의한 체적감소의 효과가 현저한데 본 발명에 의한 일실시예로서 종래예와 대비한다.

상기와 같은 외부보호관 또는 외부튜브의 외경의 차이로 인하여 대경부재가 없는 경우 본 발명의 노내핵계측기의 폐기물은 종래예보다 1개당 약 1,907 cm³ 의 부피 감소가 생기고, 따라서 발전소 호기당 폐기물 감소량은 약 85,840 cm³ (1,907 cm³ × 45 개)이 된다.

도 1은 노내핵계측기 내부에 설치되는 종래기술의 자기출력형 중성자 검출기의 구조도

도 2는 종래 중성자 검출기의 단면도

도 3은 종래 노내핵계측기의 내부 단면도

도 4는 본 발명의 노내핵계측기의 내부 단면도

도 5는 본 발명에 따라 구성된 노내핵계측기의 장착도

도 6은 본 발명에 따라 다르게 구성된 노내핵계측기의 장착도

도 7은 본 발명에 따라 구성된 노내핵계측기의 끝단의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

15, 16, 17, 18, 19 : 중성자 검출기 20, 20a : 신호보상용 검출기

22 : 열전대 23, 26 : 대경부재

24 : 외뷰튜브 30 : 원추상 고정부

40 : 가이드튜브

Claims

커넥터와 상기 커넥터에 연결된 계측부를 포함하는 노내핵계측기에 있어서,

상기 계측부(25)는

외부튜브(24)와;

상기 외부튜브(24) 내의 최중심부에 배치된 일체형 열전대(22)와;

상기 외부튜브(24)와 상기 일체형 열전대(22)의 사이에 위치되며 상기 일체형 열전대(22)를 둘러싸도록 배치된 복수의 중성자 검출기(15,16,17,18,19)와 복수의 신호보상용 검출기(20, 20a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 고정형 노내핵계측기.
제 1 항에 있어서,

상기 외부튜브(24)의 끝단에 연결고정되는 원추상고정부(30)를 구비하고,

상기 중성자검출기, 상기 신호보상용 검출기 또는 상기 열전대의 끝단에 형성되는 선단마감부(28)와

상기 선단마감부(28)에 연결 고정되는 고정부재(27)와

상기 고정부재(27)를 수용 고정하는 고정자(29)가 형성되고

상기 원추상고정부(30)에 상기 고정자(29)가 관통하여 고정되고, 상기 고정자(29)의 끝단은 실링부(32)와 결합고정되는 것을 특징으로 하는 고정형 노내핵계측기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 외부튜브(24)의 외면에는 핵연료 집합체 내부의 가이드 튜브(40)에 삽입되어 고정될 수 있도록 대경부재(23)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 노내핵계측기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 외부튜브(24)의 외면에는 핵연료 집합체 내부의 가이드 튜브(40)에 삽입되어 고정될 수 있도록 대경부재(26)를 더 구비하고,

상기 대경부재(26)는 상기 중성자 검출기의 위치 또는 핵연료 집합체 내부의 가이드 튜브의 오목부의 위치에 대응되도록 일정 간격 떨어져 형성되는 것을 특징으로 하는 노내핵계측기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 외부 튜브(24)의 소재는 300계열의 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 노내핵계측기.