KR101242876B1 - 원자력발전소의 붕소사용 절감을 위한 원자로 냉각재 온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

원자력발전소의 붕소사용 절감을 위한 원자로 냉각재 온도 제어방법이 개시된다. 본 발명의 방법은 초기 노심 상태에서 냉각재에 주입되는 붕소의 양을 줄이는 대신 냉각재의 온도를 다소 높게 설정함으로써 붕소의 양이 줄어든 것에 따른 잉여 반응도를 보상한다. 이후에 냉각재의 온도를 핵 연료의 연소도에 따라 낮춤으로써 전체적으로 잉여 반응도를 줄임과 동시에 독성물질인 붕소의 사용량도 줄일 수 있다.

Description

원자력발전소의 붕소사용 절감을 위한 원자로 냉각재 온도 제어방법{Method for Controlling Temperature of Reactor Coolant to Reduce Amount of Boron Used in Nuclear Power Plant}

본 발명은, 원자력발전소의 초기 노심의 냉각재에 주입되는 붕소의 양을 줄이기 위한 원자로 냉각재 온도 제어방법에 관한 것이다.

원자로는 농축 우라늄으로 제조된 다수의 연료봉을 연소(핵분열)시킬 때 발생하는 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 열은 증기를 발생시키고, 그 증기는 터어빈 및 발전기를 회전시켜 전기를 생산하는 것이다.

가압수형(PWR: Pressurized Water Reactor) 원자로는 원자로 압력용기 안의 노심(爐心) 내에서 이루어지는 핵연료의 연쇄반응에 의해 발생하는 열로 동작한다. 연쇄반응에서 발생한 열은 연료 집합체와 열 교환기 사이로 순환하는 제1차 계통에 전달되어 1차 계통의 물을 데우고, 1차 계통의 물은 증기 발생기로 불리는 열 교환기에서 제2차 계통에 열을 전달한다. 그 결과로 생성된 증기가 터빈발전기를 돌린다. 터빈을 통과한 2차 계통은 응축기에서 온도가 낮춰지게 되고, 증기 발생기로 다시 들어가게 된다.

일반적인 가압수형 원자로의 출력은 1차 계통에 들어있는 붕산(Boron)의 양이나, 붕소의 펠렛으로 채워진 제어봉의 높이 제어를 통해 조절된다. 붕소는 핵 분열시에 방출되는 중성자를 즉시 흡수하므로, 중성자에 의한 연쇄반응을 줄여서 원자로의 반응도, 즉 출력을 제어한다.
다시 말해서, 대한민국특허 제1982-0000164호의 "가압수형 원자로의 출력변화에 의한 반응도 효과의 제어방법"에 의해 공개된 바와 같이, 원자로 반응도의 제어를 위해서는 1차 유체 중의 가용성 붕소농도를 가변시키는 것이 일반적인 방법이다.

가압수형 원자로의 출력 제어는 반응도 제어계통에 의해 이루어지며, 일반적으로 노심 내부에서 중성자를 흡수하는 제어봉을 세로로 이동시켜서 제어한다. 가압수형 원자로의 제어방식 중 가장 많이 사용되는 방식에는 고도 흡수봉으로 구성된 제어집단의 운동을 노심의 실 평균온도와 원자로가 터빈에 공급해야 하는 출력의 일차함수인 기준온도 사이의 편차를 조절 매개변수로 이용하여 자동 제어하는 것이다.

그러나 가압수형 원자로의 모든 반응도 제어 계통에는 원자로 냉각수의 붕산처리 및 그 냉각수 희석 시스템을 추가로 포함한다. 그런데 가용성 붕산 함유량의 증가는 사실상 냉각수에 의한 중성자의 흡수를 증가시키기 때문에 원자로의 출력을 감소시킬 수 있다.

따라서, 최근의 가압수형 원자로에서는 독성물질인 붕산수를 사용하지 않고 노심 잉여 반응도를 보상하는 무붕산 노심 반응도 제어기법에 대한 연구가 진행되고 있다.

본 발명의 목적은 연소도가 증가함에 따라 원자로 냉각재의 온도가 변화되도록 제어함으로서, 원자력발전소의 초기 노심의 냉각재에 주입되는 붕소의 양을 줄이는 원자로 냉각재 온도 제어방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원자로 냉각재 온도 제어방법은, 원자로 내부를 순환하는 냉각재의 온도를 초기 노심 상태에서부터 핵 연료의 연소가 진행됨에 따라 상기 냉각재 온도를 점차 낮추는 단계를 포함하여 상기 원자로의 잉여 반응도를 제어한다.

여기서, 초기 노심 상태의 상기 냉각재 온도는 초기 노심 상태에 상기 냉각재에 주입된 붕소의 양에 따른 잉여 반응도를 줄이기 위한 온도로 설정되어야 한다.

또한, 상기 핵 연료의 동일한 연소도를 기준으로, 상기 원자로의 출력을 줄일수록 상기 냉각재의 온도를 더 낮게 제어하는 것이 바람직하다.

실시 예에 따라, 상기 냉각재 온도 제어는 응축기에서 냉각되는 2차 냉각수의 온도와, 열교환기로 공급되는 상기 2차 냉각수의 양을 제어함으로써 상기 냉각재의 온도를 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 냉각재 온도 제어방법은 냉각재에 주입되는 붕소의 양을 줄이면서도 초기 노심 상태의 잉여 반응도를 제어할 수 있으며, 붕소의 과다한 사용으로 인한 원자로의 출력 저하 문제를 해결할 수 있다.

또한, 핵 연료의 연소가 진행되는 것에 맞추어 냉각재의 온도를 점진적으로 낮춤으로써, 냉각재 온도가 높음에 따라 발생할 수 있는 원자로의 출력 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원자로 냉각재 온도 제어방법이 수행되는 원자력 발전소의 구성을 간략히 도시한 도면, 그리고
도 2는 본 발명의 원자로 냉각재 온도 제어방법의 설명에 제공되는 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원자력발전소는 가압수형 원자로(PWR: Pressurized Water Reactor)를 간략히 도시한 것으로서, 원자로 압력용기(101), 1차 냉각계통(103), 열교환기(105), 2차 냉각계통(107), 터빈(109), 발전기(111), 응축기(113) 및 제어장치(115)를 포함한다.

원자로 압력용기(101) 내의 핵연료의 연쇄반응에 의해 발생하는 열이 1차 냉각계통(103) 상의 물을 데운다. 열교환기(105)는 1차 냉각계통(103)상의 냉각재가 가진 열 에너지를 이용하여 2차 냉각계통(107)상의 물을 증기로 변화시키고, 열교환기(105)에서 발생한 고압의 증기가 터빈(109)을 돌리면 터빈(109)에 축 연결된 발전기(111)가 발전하게 된다. 터빈(109)을 통과한 증기는 응축기(113)에서 다시 물로 냉각되어 열교환기(105)로 공급된다.

제어장치(115)는 응축기(113)와 2차 냉각계통(107)을 제어하여 2차 냉각수의 온도를 제어함으로써, 본 발명의 방법에 따른 원자로 냉각재(1차 냉각수) 온도 제어를 수행한다. 이에 따라, 원자력발전소의 초기 노심 상태에서 냉각재에 주입되는 붕소의 양을 현저하게 줄이고도 초기 노심시의 잉여 반응도를 줄인다.

이하에서는 도 2를 참조하여, 본 발명의 원자로 냉각재 온도 제어방법을 설명한다. 도 2의 가로축은 핵 연료의 연소도를 나타내는 것으로서, 새로운 핵 연료가 주입된 주기 초(BOC: Beginning Of Cycle)에서부터 주기 말(End Of Cycle)까지 냉각재 온도 제어가 수행됨을 알 수 있다. 세로축은 냉각재 계통(RCS: Reactor Coolant System) 냉각재(Coolant)의 평균 제어온도를 나타낸 다. 이해를 돕기 위하여, 종래에 일정하게 유지된 냉각재의 온도(Tc)도 점선으로 함께 도시되어 있다.

도시된 것처럼, 본 발명에 따른 원자로 냉각재 온도 제어방법은 원자로 냉각재(즉, 1차 냉각수)의 평균 온도를 일정하게 유지하지 않고, 핵 연료의 연소도가 증가함에 따라 원자로 냉각재의 평균 온도가 변하도록 제어하는데 특징이 있다.

특별히, 냉각재의 평균 온도(Tavg)는 새로운 핵 연료가 주입된 주기 초(BOC: Beginning Of Cycle)에는 높게 유지하였다가 주기 말(End Of Cycle)이 될수록 낮춘다. 도 2에서처럼, 종래에 일정하게 유지된 냉각재 온도(Tc)와 비교할 때, 주기 초에는 종래의 냉각재 온도(Tc)보다 높은 온도를 유지하고, 주기 말에는 종래의 냉각재 온도(Tc)보다 낮은 온도로 제어된다.

여기서, 냉각재 온도는 원자로 내에서의 온도를 의미하며, 냉각재 평균 온도(Tavg)는 원자로로 입수되는 냉각재의 온도(Tin)와 원자로로부터 배출되는 냉각재의 온도(Tout)의 평균값이 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제어장치(115)가 응축기(113)와 2차 냉각계통(107)을 제어하여 응축기(113)에서 냉각되는 2차 냉각수의 온도와 열교환기(105)로 공급되는 2차 냉각수의 양을 제어하면, 열교환기(105)에서 다시 냉각되는 냉각재의 온도를 제어할 수 있게 된다.

핵연료의 반응도는 여러 가지 요인에 영향을 받으며, 그 중에서 냉각재 온도가 높을수록 반응도는 떨어진다. 따라서 잉여 반응도가 상당히 높은 초기 노심 상태(BOC)에서 노심의 평균온도를 증가시킴으로써 붕소를 적게 사용하고도 반응도를 충분히 낮추어 잉여 반응도를 보상할 수 있게 된다.

초기 노심 이후의 제어는 잉여 반응도의 감소량을 반영하여 온도를 서서히 감소시키게 된다. 반응도는 핵 연료의 연소도와 출력의 세기(0% ~ 100%) 뿐만 아니라 냉각재에 주입되는 붕소(Boron)의 양에 등에 모두 영향을 받으므로, 초기 노심 이후에 냉각재 온도의 감소량은 잉여 반응도의 감소 경과, 핵 연료의 연소도, 출력의 세기 및 붕소의 량을 기준으로 종합적으로 결정된다.

예컨대, 도 2는 특별히 원자로가 100 %의 출력으로 운행될 때를 도시하고 있으나, 냉각재 온도는 원자로의 출력에 따라서 달라질 수 있다. 도 2에서 원 안에 도시된 것은, 해당 연소도 상태에서의 냉각재의 제어온도를 출력 상태별로 나타낸 것으로서, 원자로의 출력이 낮아질수록 냉각재 평균 제어온도도 낮아진다.

한편, 도 2에는 주기 초에서 주기 말로 가면서 냉각재의 평균 온도가 선형 제어되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 선형 제어만을 포함하는 것은 아니다. 다시 말해, 연소도의 진행에 따른 냉각재 온도의 감소 폭은 다양한 요소에 의해 종합적으로 결정된다.

실제적으로, 제어장치(115)는 초기 노심에는 냉각재의 평균온도를 기준온도보다 높게 시작하여 점차 낮추는 제어를 수행할 수 있을 것이다. 여기서, 기준온도는 실험적으로 정해질 수 있으며, 적어도 종래의 일정하게 유지된 냉각재 온도(Tc)와 같거나 높은 온도가 될 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (5)

1. 핵연료의 반응도를 조절하기 위해서 가압수형 원자로에서 제어장치를 이용하여 응축기와 2차 냉각계통을 제어함으로써 2차 냉각재 온도를 제어하는 방법에 관한 것으로서,
   원자로 내부를 순환하는 냉각재의 온도가 새로운 핵연료가 주입된 초기 노심 상태에서는 높은 온도가 되도록 설정하는 단계; 및
   시간이 경과하여 핵연료 연소가 진행함에 따라서 상기 제어장치가 상기 냉각재의 온도를 선형적으로 낮추는 단계;를 포함하되,
   초기 노심 상태의 상기 냉각재 온도는 초기 노심 상태에 상기 냉각재에 주입된 붕소의 양에 따른 잉여 반응도를 줄이기 위한 온도인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 온도 제어방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어장치는
   응축기에서 냉각되는 2차 냉각수의 온도와, 열교환기로 공급되는 상기 2차 냉각수의 양을 제어함으로써 상기 냉각재의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 온도 제어방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어장치는 상기 핵 연료의 동일한 연소도를 기준으로, 상기 원자로의 출력을 줄일수록 상기 냉각재의 온도를 더 낮게 제어하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 온도 제어방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각재의 온도는 상기 원자로로 입수되는 냉각재의 온도와 상기 원자로로부터 배출되는 냉각재의 온도의 평균값인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 온도 제어방법.
   

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