KR101313920B1 - 원자로 보호 시스템 및 원자로용 센서 시스템 및 원자로 감시 방법 - Google Patents

Abstract

원자로 보호 시스템은 감마선 센서와, 대응되는 중성자 센서를 구비하는 기구 조립체를 포함한다. 감마선 센서가 중성자 센서의 응답과 관한 시간 지연을 보정하고 중성자 센서가 핵반응 자체에서 발생되는 감마선에 추가하여 핵반응 폐기물에서 발생되는 감마선에 의한 감마선 민감도를 보정하도록, 감마선 센서와 중성자 센서 양자는 코어 내의 전력 분포를 직접 모니터링하는데 사용한다. 코어 내의 전력 레벨의 직접 측정은 코어 밖의 전력 측정에 현재 관련된 불확실성을 감소하게 하고, 원자로 전력 레벨의 직접 측정은 한 센서의 다른 센서에 기초한 조정을 위한 복잡한 계산의 필요를 없앤다. 코어를 걸쳐 균등하게 배치된 센서로부터 신호를 받는 각각 4개의 채널이 있는 4개 채널의 원자로 보호 시스템은, 비록 어떠한 센서들이나 보호 채널이 작동하지 않더라도, 코어의 효과적인 모니터링이 이루어지도록 보장한다. 기구 조립체는 기존의 원자로 보호 시스템을 개선하는데 사용될 수 있다.

Description

원자로 보호 시스템 및 원자로용 센서 시스템 및 원자로 감시 방법{NUCLEAR REACTOR PROTECTION SYSTEM USING IN-CORE SENSORS}

도 1은 본 발명에 따른 인-코어 기구 조립체의 측면도,

도 2는 본 발명에 따른 인-코어 기구 조립체의 도 1의 선 2-2를 따른 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 인-코어 기구 조립체의 도 1의 선 3-3을 따른 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 인-코어 기구 조립체의 도 1의 선 4-4를 따른 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 인-코어 감마선 센서나 코어 내의 기구 조립체의 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 중성자 센서의 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 감지기의 촉을 보여주는, 도 1의 세부사항 7을 상세하게 보여주는 단면도,

도 8은 본 발명에 따른 원자로 코어 보호 시스템의 개략도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 인-코어 기구 조립체 12 : 하우징

14 : 중심축 16 : 백금 감지기

16, 18, 20 : 감마선 센서 44, 58 : 금속 하우징

22, 24, 26, 28, 30, 32 : 중성자 센서

76 : 강화 와이어 84, 96 : 커넥터

본 발명은 원자로 보호 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 원자로 코어 내에서 발생하는 전력 레벨과 3차원적인 전력 분포에 대한 연속적인 모니터링을 제공한다.

원자로는 각각의 연료 조립체가 연료 봉의 어레이로 구성되는 복수의 연료 조립체를 가지는 코어를 포함한다. 연료 봉은 총알 형상의 핵분열가능한 물질을 포함한다. 연료봉은 통상적으로, 각 연료 조립체가 전형적으로 200개 내지 300개의 봉을 가지고 기다란 연료 조립체를 형성하는 정방형 프레임으로 배열된다. 원자로의 대략적인 원통형 코어는 전형적으로 100개 내지 200개의 연료 조립체로 형성된다. 핵분열이 진행되면서, 원자로부터 방출된 핵분열 반응을 겪는 중성자들은 다른 원자와의 핵분열을 촉진시켜서, 코어 내부의 열을 발생하는 연쇄반응을 유지케 한다. 열은 코어를 통해 순환하는 냉매에 의해 흡수된 다음, 전력을 생성하도록 터빈 내에서 이용된다.

코어 내의 중성자 밀도는 연쇄반응 전반에 걸쳐서 비교적으로 일정하게 유지되도록 제어된다. 이는 전형적으로 이러한 목적을 위해 설계된 연료 조립체의 개구부를 통해 연료 조립체에 삽입된 복수의 평행하고 기다란 봉 즉, 제어봉의 사용을 통해 이루어진다. 제어봉은 예를 들어, 탄화붕소, 하프늄, 은-인듐-카드뮴과 같이 핵분열 과정을 통해 생성되는 중성자를 흡수하는 물질로 형성된다. 전형적으로, 제어봉을 위한 구동 시스템은 단계적인 방식으로 동시에 코어의 내외부로 4개의 제어봉을 이동시키도록 구성될 것이다.

어떠한 원자로에서도, 코어 전체에 걸쳐서 생성된 총 전력과 전력의 분포는 모두 감시되어야 한다. 코어의 온도는 연료봉 피복재에 의하여 결정되는 상한 이내에서 감시되고 유지되어야 한다. 덧붙여, 냉매로 전달되는 과도한 온도는 냉매 내에서 핵 비등시에 형성되는 기포가 냉매에 의해 멀리 운반될 수 있는 것보다 빨리 형성되게 한다. 열전달 표면상의 결과적으로 생기는 증기 박막은 "핵 비등 이탈(departure from nuclear boiling)" 또는 "DNB"로 알려진 열전달의 큰 저항을 생기게 한다.

게다가, 코어 내의 국부적인 전력 밀도는 감시되어야 한다. 과도한 국부적인 전력 밀도는 중심선 연료 용해를 초래할 수 있어서, 연료 피복재의 실패를 가져올 수 있다. 또한, 과도한 국부적인 전력 밀도는 연료봉 피복의 온도를 냉매의 유실의 경우에 허용할 수 있는 한도를 초과하게 한다. 마지막으로, 코어는 특정한 원자로가 작동할 수 있도록 허용되는 인가된 전력을 초과하지 않는 것이 보장되도록 감시되어야 한다.

원자로의 코어를 감시하는 몇 가지의 종래 방법들이 제안되어 있다. 예를 들어, 1973년 12월 18일자로 E. Klar에게 허여된 미국 특허 제3,780,292호는 원자로 활동 영역에 삽입가능한 복수의 중성자를 흡수하는 프로브를 개시한다. 프로브 중 하나는 활동영역의 전체 길이 동안 연장된다. 나머지의 프로브는 점진적으로 보다 짧은 거리로 연장된다. 프로브에 연결된 케이블들은 높은 의사 전류가 프로브들 내에서 발생되는 것을 방지하도록 원자로의 활동영역 외부에 배치된다.

1976년 1월 13일자로 J. J. Loving Jr.에게 허여되고 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제3,932,211호는 원자로의 전력 분포를 자동으로 감시하는 방법을 개시한다. 그 시스템은 4개 내지 6개의 감지기/구동 조립체를 포함한다. 각각의 감지기는 코어를 향해 고속으로 접근된 다음, 저속으로 코어의 하부로부터 상부로 이동되어, 다시 원래 위치인 코어의 하부로 복귀될 수 있다. 이러한 이동가능한 센서의 사용은 원자로 코어 내의 전력 분포의 지도(map)를 가능케 한다.

1987년 1월 20일자로 A. J. Impink Jr.에게 허여되고 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제4,637,910호는 원자로의 코어 내의 전력 분포를 연속적으로 온라인 감시하기 위한 장치를 개시한다. 그 시스템은 채널 세트 내에 배열되고 코어의 연료 조립체에 분포된 인-코어 감지기(in-core detector)의 다발들을 포함한다. 각 채널은 코어 전 범위를 걸치는 전력 신호를 발생하는 신호 처리 장치를 포함한다. 시스템은 선택된 봉 집단의 오정렬을 실제적인 감지기의 반응들과 기준값, 그리고 평균 자승 오차들을 평가하는 것 사이의 실제 파쇄성의 편차에 대해 가까이 위치한 감지기의 신호들이 가지는 이러한 오정렬의 파쇄성의 효과에 따른 최소 자승 피팅을 얻으면서 성공적으로 추정하기 위해 패턴 인식 설계를 이용하여 어떠한 봉 집단들의 오정렬을 결정할 수 있다. 평균 자승 오차가 임계치 이상이면, 연관되어 있는 봉 집단은 오정렬된 것이다. 국부적인 전력 밀도는 먼저, 오정렬된 봉에 발생한 효과를 제거하고 나서 그 후에 조정된 편차에 맞추어 피팅 함수(fitting fucnction)를 유도하여 계산한다. 절대 전력은 1 및 그 지점에서 피팅 함수값의 분수값과 봉의 움직임에 의한 국부적인 효과를 계산하기 위한 인자를 합산하여 기준 전력에 곱하여 계산한다. 어떠한 국부적인 전력 신호가 정지(trip) 기준을 초과하면 원자로는 정지된다. 이러한 평면(XY)의 어떠한 국부적인 전력이 정지 기준에 접근하면, 감지기 레벨들 사이에 위치한 어떠한 지점에서도 국부적인 전력이 정지 기준을 초과하는지 판단하기 위해 이 지점에서 지점에 따른 축방향 전력의 분포가 일어나게 한다. 각 감지기 레벨에 표시된 지점(XY)의 국부적인 전력에 대한 피팅 함수가 생성되고 나서, 피팅 함수의 최대치가 정해진다. 선호되는 감지기들은 자가발전하는 백금 감마선 감지기들이다. 그러나 감지기들은 핵분열실에 의해 외부적으로 전기가 공급되거나, 자가발전하는 로듐이나 바나듐 중성자 감지기일 수 있다.

1988년 1월 5일자로 C. E. Meyer 등에게 허여된 미국 특허 제4,717,528호는 제어봉 제어 시스템을 개시한다. 그 시스템은 각 제어봉의 집단이 코어를 패턴으로 뒤덮는 4개의 제어봉 집단을 포함한다. 중성자 흡수기일 수 있는 코어 내의 복수의 센서들은 코어 내에 위치한다. 각 영역의 국부적인 전력 밀도는 그 셀의 반응성의 유효한 레벨, 인접영역의 중성자 누출, 그리고 영역에 존재하는 중성자 흡수기의 양에 기초한 지점 동역학 계산으로부터 결정된다. 이러한 정보는 코어 내의 1개 이상의 제어봉 집단을 투입하는 제어봉 운전 메카니즘을 방전하기 위한 부분적인 트립 처리장치에서 사용된다. 이러한 부분적인 트립 능력은 물공급 펌프기나 원자로 냉매 펌프 같은 부품이 고장나더라도 발전소를 정상적으로 유지하게 하는 능력을 제공한다.

1993년 7월 6일자로 L. A. Banda에게 허여된 미국 특허 제5,225,149호는 각각 복수의 감마선 유동 센서들과 짝지어지고 원자로 코어의 축 영역에 분포된 복수의 중성자 유동센서들을 개시한다. 각 중성자 센서의 판독결과는 판독결과의 차이가 명기된 공차 내에 있도록 보증하기 위해 짝지어진 감마선 센서의 판독결과와 비교된다. 그 후 판독결과의 쌍은 중성자와 감마선 판독결과의 그레이스케일 영상을 생성하는데 사용된다. 이미 정해진 공차에 의해 달라지는 중성자와 감마선 센서 간의 차이의 총수는 공차양보다 더 많이 수렴되는 수와 비교되어 원자로 내의 불안정성을 향하는 경향의 지표를 제공한다.

1993년 10월 5일자로 A. J. Impink Jr 등에게 허여된 미국 특허 제5,251,242호는 바이메탈 재질의 자가발전하는 고정된 코어 내의 센서를 개시한다. 그 감지기 조립체는 단부가 만나도록 배치된 백금 감지기 단편들과 같은 길이의 공간적으로 일치하는 바나듐 감지기들을 포함한다. 바나듐 감지기 단편들은 백금 감지기 응답 신호로부터 감마선 유동에 의한 붕괴 생성물을 제거하기 위한 백금 감지기 신호를 조정하기 위해 사용한다. 백금 감지기가 원자로 내의 유동 변화에 의하지 않는 큰 신호 성분을 포함하지만 대체로 즉시 응답하는데 비해 바나듐 감지기는 한 원자로 내의 유동 변화에 대해 몇 분 늦게 응답한다. 이 두 감지기의 종류는, 코어 내의 전력 분포를 직접 계산하기 위해 각각 종류의 감지기 사용하는 대신에 바나듐 감지기의 신호에 기초하여 백금 감지기로부터 중성자의 유동을 계산함으로써 함께 이용된다.

1998년 4월 28일자로 M. D. Heibel에게 허여된 미국 특허 제5,745,538호는 자가발전하는 고정된 인-코어 감지기를 개시한다. 그 감지기는 활동 연료 영역의 길이로 연장되는 바나듐 소자를 포함한다. 증가하는 길이의 감마선에 민감한 방사 요소의 상당수는 전 길이에 대해 중성자에 민감한 방사기에 대해 연속하여 증가하는 중복부분을 제공한다. 감마선에 민감한 방사기는 백금이 선호되나, 지르코늄, 세륨, 탄탈 또는 오스뮴 소자들일 수 있다. 중성자에 민감한 방사기 요소에 의해 생성된 전 길이 신호의 부분은 각각의 코어의 축 영역에 기인하고 감마선에 민감한 요소에 의거 생성된 할당 신호에 의해 비율이 결정된다. 할당신호의 비율의 사용으로 핵분열 생성물에 의한 지연 감마선 복사의 효과의 상당부분이 제거된다. 이 특허는 전력레벨을 결정하기 위해 바나듐 신호에 의존하며, 원자로 전력 할당을 결정하기 위해 백금 신호에 의존한다.

2000년 4월 11일자로 R. R. Senechal 등에게 허여된 미국 특허 제6,049,578호는 디지털 발전소 보호 시스템을 개시한다.

2000년 5월 9일자로 D. L. Stucker 등에게 허여된 미국 특허 제6,061,412호는 원자로 보호 시스템을 설명한다. 그 시스템은 백금으로 만들어진 코어 내부 감마선 감지기와 인-코어 바나듐 중성자 감지기를 포함한다. 코어의 입구 온도와 냉매의 흐름 비율, 압력이 또한 측정된다. 이 센서들로부터의 신호는 백금 센서로부터 직접 유도된 3차원적인 원자로 전력 분포 측정결과를 가져온다. 백금 신호는 미국특허 제5,741,538에서 설명된 단일 바나듐 신호를 이용하여 분석되고 측정된다.

본 발명은 코어 내의 감마선과, 중성자 복사 센서를 포함하는 원자로 보호 시스템을 제공한다. 인-코어 기구 조립체 내에 다수 축방향 위치에 대해 감마선과 중성자 복사 센서들의 일부분 또는 모두의 위치나 길이를 서로에 대해 직접 대응시켜서, 코어 내의 각 감지기 조립체 위치하는 각 인-코어 기구 조립체 안에 각 감마 센서와 중성자 센서 중에 1개 사이에서 직접 오버랩이 생기도록 한다. 본 발명은 원자로 내의 전력 분포 및 전력 레벨을 컴퓨터로 계산하기 위해 감마선 복사 센서로부터 연속으로 획득한 정보를 사용한다. 원자로가 원자로 전력 레벨 및 국부적인 전력 밀도 및 DNB의 한계 내에 전력 분포를 유지하기 위해 즉시 정지 여부를 결정하여 손상으로부터 원자로를 연속적으로 보호하기 위해 전력 레벨 및 분포 정보가 사용된다.

감마선 센서는 광자 또는 콤프턴 전자 소산 메카니즘(Compton electron scattering mechanism)을 통해 감마선에 대해 응답하는, 예를 들어 백금 또는 코발트 같은, 감지 소자를 포함한다. 각 중성자 센서는 중성자에 민감한, 예를 들어 바나듐 같은, 물질로부터 만들어진 중성자 감지 소자를 포함한다. 감지 소자들은 금속 포장되고 산화알루미늄이 바람직한 보호물질로 보호될 수 있다. 각 감지기는 나아가 감마선과 중성자에 의한 노출로부터 비롯되는 전기적인 신호를 전송하는 전기적인 연결을 포함한다.

감마선과 중성자 센서는 코어에 걸쳐 다양한 위치에 배치되는 인-코어 기구 조립체에 포함된다. 각 기구 조립체는 예를 들어 각 감마선 센서당 2개의 중성자 센서 비율로 감마선 센서와 중성자 센서를 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 실시예는 기구 조립체가 6개의 중성자 센서와 3개의 감마선 센서를 포함하는 것이다.

다양한 감지 소자로부터 생성된 전기적인 신호는 복수의 원자로 보호 모듈에 제공된다. 이러한 모듈들은 각 중성자 감지기를 위해 예측 가능한 노드 전력 분포 및 대응하는 예측 가능한 신호를 생성한다. 원자로 보호 모듈은 현재 측정된 전력 레벨, 냉매의 입구 및 출구 평균온도, 제어 저장소 요구 위치, 원자로 냉매 펌프 속도, 원자로 냉매 시스템 압력, 원자로 작동 내력 정보에 대해 고려할 수 있다. 원자로 보호 모듈은 그 후에 측정되고 예측된 중성자 센서 신호를 진보된 노드 코어 전력 분포 예측 방법을 사용하여 생성된 예측된 노드 전력 분포를 조절하기 위한 이 비율들을 이용하여 결정하게 된다. 원자로 보호 모듈은 그 다음에 피트당 킬로와트 단위의 최대 국부적인 전력 분포 정보 및 핵 비등 이탈(DNB)에 대한 코어 내의 경향 정보를 얻기 위해 조정된 노드 전력 분포로부터 상세한 3차원적인 전력 분포를 생성할 것이다. 매 제 1 시간 구간 동안, 예를 들어 1초 동안 또는 가능한한 심지어 몇 밀리초 동안, 감마선 감지기에 의해 생성된 신호는 측정될 것이고, 대응하는 기준값에 대해 현 감마선 감지기 신호의 비율이 계산될 것이다. 기준 전력 분포는 이 비율들에 기초하여 조정될 것이다. 매 제 2 시간 구간 동안, 예를 들어 15분 동안, 중성자 센서를 위해 예측된 노드 전력 분포 및 대응하는 예측된 신호들은 다시 계산될 것이고, 측정되고 예측된 중성자 센서 신호 비율에 기초하여 예측된 노드 전력 분포는 다시 조정된다.

결과적으로, 이러한 시스템은 감마선 센서와 중성자 센서가 필수적으로 서로를 조정하게 된다. 감마선 센서는 감마선에 대해 즉시 반응한다. 그러나 원자로 내의 감마선은 핵분열 반응에 의해서 뿐만 아니라, 코어 내에 잔존하는 핵분열 반응에 의해 생성된 폐기물에 의해서도 발생한다. 그러므로, 감마선 센서의 조정의 결여 및 반응이 진행됨에 따른 폐기물의 발생 증가는 감마선 센서의 정확도를 감소시킬 것이다. 반대로, 코어 내의 중성자는 오로지 핵반응으로만 생성되므로 중성자 센서에 불리하게 작용하지 않는다. 그러나 중성자 센서는 중성자와 충돌하는 즉시 중성자에 대해 바로 응답하지 않는다. 그러므로 감마선 센서와 중성자를 모두 코어 내의 전력 레벨과 분포를 직접 측정하는데 사용함으로써, 정확하고, 연속적으로 전력 분포 측정이 얻어질 수 있다.

본 발명의 몇몇의 바람직한 실시예에서는 코어 내의 예측된 전력 분포를 감시하기 위한 4개의 분리된 원자로 보호 모듈을 제공할 수 있다. 이 4개의 원자로 보호 모듈 중 어느 2개라도 과도한 전력 레벨이나 핵 비등 이탈을 지시하는 신호를 발생하게 되면, 원자로 보호 작동 모듈이 원자로를 정지시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 감마선 감지기와 1개 이상의 중성자 감지기 간에 1 대 1 대응관계를 가지는 원자로 보호 시스템을 제공하는 것으로서, 각 중성자 감 지기는 관련된 감마선 감지기와 같은 위치에 있다.

본 발명의 다른 목적은 코어 내에 전력 레벨과 전력 분포의 코어 내를 실시간 감시하는 것을 포함하는 원자로 보호 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 감마선에 민감한 감지기와 중성자에 민감한 감지기들이 각각 서로를 조정하여 중성자 감지기의 시간 지연 오차와 감마선 감지기의 핵반응에 의한 폐기물로부터 생성된 감마선에 의한 오차를 제거하는데 이용되는 원자로 보호 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 개별적인 센서, 인-코어 기구 조립체, 또는 원자로 보호 모듈의 고장이 원자로 보호 시스템의 기능을 멈추지 못하도록 충분한 능력을 가진 원자로 보호 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 실시예는 기존의 원자로 보호 시스템들을 개선하는데 사용될 수 있는 원자로 보호 인-코어 센서를 제공하는 것이다.

이하의 설명과 도면을 통해 본 발명의 상기 목적과 다른 목적들이 보다 분명해질 것이다.

상기에 참조한 어떠한 발명도 직접 원자로 코어 내에 실시간으로 전력 레벨과 3차원적인 전력 분포와 DNB를 본래 감마선에 민감한 인-코어 센서를 직접 사용하여 감시하는 수단을 제공하지 않는다. 코어 외부 감지기로 전에 사용되던 이온실은 원자로 코어 가장자리에 가장 가까운 연료 조립체의 전력 분포를 감지할 수 없기 때문에 코어의 전력 분포를 정확히 측정하기에는 능력이 한정되어 있어서 그들의 주기능은 원자로의 총 전력레벨을 결정하는 것이다. 반응이 진행되면서, 전력은 원자로의 낮은 부분으로 변환될 것이다. 나아가 제어봉이 삽입되면, 가장자리들이 비례하여 더 큰 전력을 가지도록 원자로의 중앙부분의 전력은 감소될 것이다. 원자로 전력 레벨을 결정하기 위해 코어 외부의 감지기를 사용하는데 나타나는 불확실성은 더 정확한 연속 전력 레벨 측과 동반되는 그들의 잠재적인 능력보다 25% 적게 원자로의 전력 레벨을 허가하는 필요를 가져오게 한다. 따라서, 원자로 코어 내의 전력 분포를 연속적으로 결정하는 더 단순하고 정확한 수단이 필요하다.

도면 전체에 있어서, 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명은 코어 내 전력 분포의 실시간 감시를 제공하는 감마선 센서와 중성자 센서를 둘다 가지는 인-코어 기구 조립체를 포함하는 원자로 보호 시스템을 제공한다.

도 1을 참조하면, 인-코어 기구 조립체(10)는 도 2의 단면에서 도시하는 코어 내 영역(11)과 전자 영역(13)을 포함한다. 기구 조립체(10)의 코어 내 영역(11)은 하우징(12)과 중심축(14)을 포함한다. 다양한 센서들이 하우징(12) 내에 위치하며 중심축(14)을 둘러싼다. 도 1 및 도 2에서 도시된 센서들은 감마선 센서(16, 18, 20)와 중성자 센서(22, 24, 26, 28, 30, 32)와 코어 출구 열전대(34)를 포함한다. 센서(16 내지 34)들은 기구 조립체(10)를 통해 세로로 연장하며 기구 조립체(10)의 상부(36)(도 5)에 위치한다.

도 5를 참조하면, 감마선 센서가 도시되어 있다. 감마선 센서(36)는 그 코어에 감지 소자(38)를 포함한다. 감지 소자(38)는 백금이나 코발트가 바람직하다. 전기 전도체(40)가 하나의 감지 소자(38)의 단부로부터 연장된다. 감지 소자(38)와 전기 전도체(40)는 벽(46)과 단부 마개(48)를 가지는 금속 하우징(44)으로 둘러싸인 에폭시(42)에 의해 보호된다. 유사하게, 중성자 센서(50)는 도 6에 도시되었다. 중성자 센서(50)는 바나듐이 선호되는 감지 소자(52)를 포함한다. 전기 전도체(54)는 하나의 감지 소자(52) 단부로부터 연장된다. 감지 소자(52)와 전기 전도체(54)는 에폭시(56)에 의해 보호된다. 에폭시(56)는 벽(60)과 단부 마개(62)를 가지는 금속 하우징(58)으로 보호된다.

도 1을 다시 참조하면, 감마선 센서(16, 18, 20)와 중성자 센서(22, 24, 26, 28, 30, 32)들은 다른 센서들이 코어의 다른 부분들을 감시하기 위하여 각각 다른 길이로 공급된다. 도시된 실시예에서는 감마선 센서(16)는 실질적으로 중성자 센서(24)와 동일한 길이를 가지며, 감마선 센서(18)는 실질적으로 중성자 센서(28)와 동일한 길이를 가지고, 감마선 센서(20)는 실질적으로 중성자 센서(32)와 동일한 길이를 가진다. 중성자 센서(26, 30)는 중간 정도의 길이로 제공되고 중성자 센서(22)는 가장 짧은 길이로 제공된다. 그러므로 센서(20, 32)들은 기구 조립체(10)의 활동영역(64)을 거쳐 연장되며, 중성자 센서(30)와 함께 코어 정상 근처의 전력 분포를 감시한다, 감마선 센서(18)는 중성자 센서(26, 28)와 함께 코어 중심부의 전력 분포를 감시한다. 마찬가지로, 감마선 센서(16)는 중성자 센서(22, 24)와 함께 코어 하부의 전력 분포를 감시한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 활동 영역(64)의 상부 단부(66)는 벽(70)과 총알 모양 촉(72)을 가지는 하우징(12)을 포함한다. 중심축(14)은 총알 형상 촉(72)까지 실질적으로 연장된다. 도시된 예에서는 감마선 센서나 중성자 센서일 수 있는 센서(74) 및 열전대(34)는 영역(66) 안으로 또한 연장된다. 강화 와이어(76)는 열전대(34)의 상부 단부(78), 센서(74)의 상부 단부(80)로부터 대략 총알 모양 촉(72)까지 대략 연장된다.

도 1을 다시 참조하면, 기구 조립체(10)는 사용시 코어 아래에 위치하는 전자 영역(13)을 포함한다. 감마선 센서에 의해 생성된 신호를 위한 전기 전도체는 가요성 호스(82) 안에 위치한, 커넥터(84)에서 종단되는 도선에 의해 전달된다. 도 3에 의하면 커넥터(84)는 각각 감마선 감지기(16, 18, 20)로부터 발생된 신호를 전달하는 커넥터 핀(86, 88, 90)들을 포함한다. 커넥터(84)는 또한 여분의 핀(92)을 포함한다. 도 1을 다시 참조하면, 커넥터(96)에서 종단되는 가요성 호스(94)는 중성자 감지기에 의해 생성된 전기적 신호들을 전달한다. 도 4에 의하면, 커넥터(96)는 각각 바나듐 감지기(22, 24, 26, 28, 30, 32)의 신호를 전달하는 핀(98, 100, 102, 104, 106, 108)들을 포함한다. 커넥터(96)는 또한 열전대(34)로부터 신호를 전달하는 핀(110, 112)들을 포함한다. 마지막으로 커넥터(96)는 공통 핀(114)을 포함할 수 있다.

사용시 기구 조립체(10)는 연료 조립체의 하부를 통과하여 삽입될 것이다. 커넥터(84, 96)는 아래에서 설명하는 바와 같이 다양한 센서들에 의해 생성되는 신호를 처리하기에 적당한 마이크로 프로세서에 연결될 것이다. 기구 조립체(10)의 구조는 하우징(12)이 연료 조립체 내의 현재 이용가능한 루테늄 센서 위치들에 맞도록 구성되었으며, 커넥터(84, 96)들은 현재 사용하는 루테늄 감시 센서와 함께 사용되도록 설계된 코어 내의 감시 시스템과 연결되도록 구성된 구조이다. 원자로 운영자는 따라서 그들의 감시와 보호 시스템을 본 발명 중의 하나로 먼저, 센서를 구입하여 감시하는데만 사용하고, 원자로 보호 시스템의 나머지를 구입하는 순서로 단계별 갱신하도록 선택할 수 있다.

도 8에 의하면, 코어 보호 계산 시스템(116)이 도시되어 있다. 원자로(118) 내의 센서로부터 신호가 발진 접합점(120)에 전송되면, 다양한 신호들이 4개의 별개의 보호 채널로 보내진다. 각각의 4개의 보호 채널들은 코어 내의 총수의 센서의 1/4로부터 신호를 받고, 그 센서들이 각 4개의 보호 채널들이 코어에 걸쳐 분포된다. 따라서, 전체 코어는 1개 이상의 보호 채널이 고장나더라도 남는 보호 채널에 의해 감시된다. 각 보호 채널은 신호 처리 캐비넷(122, 124, 126, 128)에서 시작되며, 신호는 아날로그 전류 신호에서 디지털 값으로 변환되어, 각 캐비넷(122, 124, 126, 128)으로부터 4개의 서로 다른 보호 시스템 정보 고속도로(130, 132, 134, 136)로 전송된다. 각 신호는 그 후, 4개의 노드 솔루션 계산 모델(138, 140, 142, 144)로 전송된다.

각 노드 솔루션 계산 모델은 중성자 감지기를 위한 큰 시간 구간에서, 예를 들어 15분, 예측된 노드 전력 분포와 대응하는 예측된 신호를 현재 측정된 전력 레벨, 냉매의 입구 및 출구 평균 온도, 제어 저장소 요구 위치, 그리고 원자로 작동 내력 정보를 기초로 하여 생성한다. 원자로에 의해 생성되는 총 전력은 코어의 입구와 출구 사이의 냉매 온도 차이와 원자로를 통과하는 냉매가 흐르는 비율을 기초로 하여 계산할 수 있다. 잘 알려진 열역학 법칙들에 의해, 냉매의 엔탈피 변화의 비율은 코어를 통과하여 흐르는데 필요한 시간에 대한 냉매의 온도 변화와 냉매의 유량과 냉매의 비열을 곱한 것과 일치한다. 핵반응에 의하여 생성된 에너지가 열의 형태로 있기 때문에, 그 열이 냉매에 의해 전달되면서, 냉매의 엔탈피 변화는 코어 내에서 생성되는 에너지와 대략 일치한다.

코어 총 전력을 알게 되어 코어 내의 전력분포는 바나듐 센서에서 받은 신호에 기초하여 계산할 수 있다. 도시된 실시예에서는 각 코어 내의 감지기는 중성자 센서가, 여기서는 설명의 편의를 위해 제 1 영역이 코어의 밑이고 제 6 영역이 코어의 꼭대기인 제 1 영역 내지 제 6 영역이라고 명명되는, 6축의 영역에 걸쳐 전력 분포를 측정할 수 있기 위해 각각 서로 다른 길이를 가지는 6개의 중성자 센서를 포함한다. 바나듐 센서(22)는 코어 제 1 영역의 전력 레벨에 비례하여 전기 신호를 발생시킨다. 센서(24)는 코어 제 1 영역과 제 2 영역의 전력 레벨에 비례하여 전기 신호를 생성할 것이다. 센서(22)의 신호로부터 알려진 제 1 영역의 전력 레벨로 코어의 제 2 영역의 전력 레벨은 센서(24)에서 보내진 신호에서 센서(22)에서 보내진 신호를 감하여 계산할 수 있다. 마찬가지로, 센서(26)는 제 1 영역 내지 제 3 영역의 전력 레벨에 비례하여 신호를 생성할 것이다. 센서(26)에서 보내진 신호에서 센서(24)에서 보내진 신호를 감하면 제 3 영역의 전력 레벨에 상응하는 신호값이 생성될 것이다. 센서(28)는 제 1 영역 내지 제 4 영역의 전력 레벨에 비례하여 신호를 생성할 것이다. 센서(28)에서 보내진 신호에서 센서(26)에서 보내진 신호를 감하면 제 4 영역의 전력 레벨에 비례하는 신호값이 생성될 것이다. 마 찬가지로 센서(30)는 제 1 영역 내지 제 5 영역의 전력 레벨에 비례하여 신호를 생성할 것이다. 센서(30)에서 보내진 신호에서 센서(28)에서 보내진 신호를 감하면 제 5 영역의 전력 레벨에 비례하는 신호값이 생성될 것이다. 마지막으로 센서(32)는 제 1 영역 내지 제 6 영역의 전력 레벨에 비례하여 신호를 생성할 것이다. 센서(32)에서 보내진 신호에서 센서(30)에서 보내진 신호를 감하면 제 6 영역의 평균 전력 레벨에 비례하는 신호값이 생성될 것이다.

총 전력 레벨과 또한 각 6개의 영역 내의 전력 레벨에 비례하는 신호값을 알게 되어 각 영역으로부터 비롯된 총 원자로 전력에 대한 비율을 역시 알 수 있다. 이러한 비율을 알게 되면, 신호를 원자로 전력 레벨로 변환하기 위해 각 영역의 전기적 신호값에 곱해야할 상수값이 계산된다. 바나듐 센서들이 핵반응 자체에서만 발생하는 중성자에 민감하기 때문에 이러한 상수는 핵반응 동안 비교적 일정하게 유지된다.

감지기를 그 내에 가지는 각 연료 조립체의 전력 레벨의 경우, 3차원적인 스플라인 피팅이 코어 나머지의 전력 레벨을 결정하는데 사용될 수 있다. 이러한 계산을 수행하는 현재 가능한 수단은 웨스팅하우스 일레트릭 컴퍼니(Westinghouse Electric Company)에 의해 현재 사용하는 SPNOVA 코드에 포함되어 있다.

노드 시스템 계산 모듈은 그 후에 대응하는 예측된 중성자 감지기 신호에 대한 각각 측정된 중성자 감지기 신호의 비율을 계산하고 이러한 비율들을 예측된 노드 전력 분포를 조정하기 위해 사용한다. 각각의 노드 시스템 계산 모듈(138, 140, 142, 144)은 조정된 노드 전력 분포로부터 기준 3차원 전력 분포를 발생시킨다. 이러한 기준 전력 분포는 그 후에 Kw/Ft 단위로 전력과 핵 비등 이탈 경향이 최대인 위치들을 결정하기 위해 검사될 수 있고, 이 위치들은 그들이 허용가능한 한계안에 있는지 보증하기 위해 점검될 수 있다.

더 작은 시간 구간에서는, 예를 들어 1초보다 작거나 또는 가능하게는 심지어 몇 밀리초 구간 동안, 감마선 감지기의 현재 신호가 측정된다. 백금 센서의 신호들은 바나듐 센서의 신호가 사용하는 동일한 방식으로 코어에 걸친 전력 분포를 결정하는데 사용된다. 참조의 편의상 상기 설명된 동일한 6축의 코어 영역들이 감마선 센서(16, 18, 20)의 신호 처리를 설명하는데 사용될 것이다.

앞서서, 냉매의 유속과 비열과 함께 냉매 입구와 냉매 출구 사이의 온도차에 의해 측정된, 원자로를 통과하는 냉매의 엔탈피 증가에 기초하여, 원자로 총 전력 레벨을 알 수 있다. 백금 감지기(16)로부터의 전기적 신호는 제 1 영역과 제 2 영역 내의 평균 전력 레벨의 측정값을 제공한다. 백금 감지기(18)는 첫 4개의 영역의 평균 전력 레벨에 대응하는 신호를 제공한다. 센서(18)에서 보내진 신호에서 센서(16)에서 보내진 신호를 감하면 제 3 영역 및 제 4 영역의 평균 전력 레벨이 제공될 것이다. 마찬가지로, 백금 감지기(20)는 제 1 영역 내지 제 6 영역의 평균 전력 레벨에 비례하는 전기적신호를 제공한다. 센서(20)에서 보내진 신호에서 센서(18)에서 보내진 신호를 감하면 제 5 영역 및 제 6 영역의 평균 전력 레벨에 비례하는 신호값이 제공될 것이다. 센서값들이, 조정 상수를 곱하여 전력 레벨로 변환될 수 있고, 기준 전력 분포를 현재의 감마선 센서 신호와 대응하는 기준값의 비율에 기초하여 조정하기 위한 백금 센서의 조정 상수는 이러한 신호들과 총 전력 레벨에 기초하여 계산될 수 있다. 이 조정 상수는 핵반응 폐기물에 의한 감마선 비율이 핵반응에 의한 감마선 비율보다 증가함에 따라 변화될 것이다.

노드 시스템 계산 모듈들(138, 140, 142, 144) 내에 계산된 정보는 입력(156, 158, 160, 162)들에 의해 제공된 정보와 결합되어 핵반응 보호 활성화 모듈(146, 148, 150, 152)로 보내진다. 원자로 코어에서 현재 사용되는 센서들로부터 온 입력(156, 158, 160, 162)들은 코어에서 배출되는 냉매의 평균 온도, 코어에서 배출되는 냉매의 평균 압력, 코어 내의 제어봉의 요구 저장소의 위치 및 원자로 작동 내력 정보를 제공한다. 어떠한 원자로 보호 활성화 모듈(146, 148, 150, 152)에 보내진 값이 허용한계를 초과하게 되면, 그 채널은 원자로 정지 신호를 생성한다. 4개 중에 어느 2개의 원자로 보호 활성화 모듈(146, 148, 150, 152)이 원자로 정지 액추에이터(154)에 정지 신호를 보내면, 원자로 정지 차단기들이 열리면서 원자로를 멈추게 한다.

원자로(118)내의 다양한 열전대로부터 정보를 받는 동시에, 기준 접함점(164, 166)은 부적당한 코어 냉각 감시기(168, 170)에 이러한 정보를 보낸다. 이러한 감시기들은 어떠한 사고의 조사에 사용되기 위한 원자로 정보를 기록하는 현재 사용되며 널리 공지된 수단이다.

그러므로 본 발명은 각 종류의 감지기가 다른 종류의 단점을 제거하기 위해서 대응하는 위치에 있는 감마선 감지기와 중성자 감지기의 조합을 이용하는 원자로 보호 시스템을 제공한다. 중성자에 민감한 감지기의 사용은 핵반응 자체에 의해 발생된 감마선에 추가하여 핵반응 폐기물에 의해 발생된 감마선에 의한 감마선 감지기의 민감도를 보정한다. 감마선 감지기는 중성자에 민감한 감지기의 신호 생성의 시간 지연을 보정한다. 본 발명은 나아가 원자로 코어 내의 전력 분포를 실시간, 코어 내의 감시를 제공하여서 원자로 코어 외의 감시와 관련된 불확실성을 제거하고, 원자로를 높은 전력 레벨에서 안전하게 작동할 수 있게 허용한다. 본 발명은 추가적으로 개별적인 센서, 인-코어 기구 조립체 또는 원자로 보호 모듈이 원자로의 정확한 감시를 방해하지 못하도록 원자로 보호 시스템에 충분한 능력을 제공한다. 본 발명은 더 나아가 현재 존재하는 원자로 보호 시스템을 갱신하기 위해 사용하는 원자로의 코어 내의 센서를 제공한다.

본 발명의 특정한 실시예가 상세하게 설명되는 동안에 본 공개에 의한 총괄적인 가르침의 견지에서 세부사항에 대한 다양한 변경과 대안이 발전될 수 있으면 능숙한 당업자가 고맙게 생각할 것이다. 따라서, 공개된 특정한 배합은 오직 도시되기 위한 것이며, 첨부되는 청구항의 전 범위와 그 어떠한 그리고 모든 균등물에 대해 부여될 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

원자로 보호 시스템은 감마선 센서와 대응하는 중성자 센서를 구비하여, 감마선 센서가 중성자 센서의 응답과 관련한 시간 지연을 보정하고 중성자 센서가 핵반응 자체에서 발생되는 감마선에 추가하여 핵반응 폐기물에서 발생되는 감마선에 의한 감마선 민감도를 보정하여 코어 내의 전력 분포를 직접 모니터링하는데 사용한다. 따라서 코어 내의 전력 레벨이 직접 측정되어서 코어 밖의 전력 측정에 현재 관련된 불확실성이 감소하고, 원자로 전력 레벨의 직접 측정으로 하나의 센서의 다른 센서에 기초한 조정을 위한 복잡한 계산에 대한 필요성이 없어진다. 또한, 코어에 걸쳐 균등하게 배치된 센서로부터 신호를 받는 각각 4개의 채널이 있는 4개 채널의 원자로 보호 시스템은, 비록 어떠한 센서들이나 보호 채널이 작동하지 않더라도, 코어의 효과적인 모니터링이 이루어지도록 보장한다. 그리고 코어 내에서 발생하는 전력 레벨과 3차원적인 전력 분포에 대한 연속적인 모니터링을 제공한다. 뿐만 아니라 기구 조립체는 기존의 원자로 보호 시스템을 개선하는데 사용될 수 있다.

Claims (19)

1. 원자로 보호 시스템에 있어서,

   원자로의 코어 내의 대응하는 개수의 연료 조립체 내에 각각 위치된 복수의 인-코어 감지기로서, 각각의 인-코어 감지기는 상이한 오버랩 길이를 각각 갖는 복수의 기다란 인-코어 감마선 센서 및 상이한 오버랩 길이를 각각 갖는 복수의 중성자 센서를 포함하며, 상기 복수의 감마선 센서는 상기 코어의 대응하는 개수의 축방향 영역의 감마선 출력을 각각 모니터링하여 대응하는 신호 출력을 제공하고, 상기 복수의 중성자 센서는 상기 코어의 대응하는 개수의 축방향 영역의 중성자 출력을 각각 모니터링하여 대응하는 신호 출력을 제공하며, 상기 중성자 센서에 의해 모니터링된 영역은 상기 감마선 센서에 의해 모니터링된 영역과 상호 관련이 있을 수 있으며, 상기 복수의 중성자 센서는 상기 복수의 감마선 센서보다 많은, 상기 복수의 인-코어 감지기와,

   상기 코어의 총 전력 출력을 직접 계산하기 위한 수단과,

   상기 코어의 계산된 총 전력 출력과, 상기 감마선 센서 및 상기 중성자 센서에 의해 각각 생성된 신호로부터, 코어에 걸친 전력 분포를 직접 계산하여, 기준 전력 분포를 조정하기 위한 수단을 포함하며,

   또한, 현재 측정된 전력 레벨과, 평균 용기 입구 및 출구 온도에 기초하여 상기 중성자 센서에 대한 예측된 노드 전력 분포와 대응하는 예측된 신호를 생성하는 수단과,

   상기 측정되고 예측된 중성자 센서 신호 전체의 비율을 결정하는 수단과,

   상기 측정되고 예측된 중성자 센서 신호의 비율을 이용하여 예측된 노드 전력 분포를 개별적으로 조정해서 기준값으로 이루어지는 기준 전력 분포를 얻는 수단과,

   상기 감마선 센서로부터의 현재 신호를 측정하는 수단과,

   대응하는 기준값에 대한 상기 현재 감마선 센서 신호의 비율을 계산하는 수단과,

   상기 대응하는 기준값에 대한 현재 감마선 센서 신호의 비율에 기초하여 기준 전력 분포를 개별적으로 조정하는 수단과,

   DNB와 Kw/ft 분포를 얻기 위해, 조정된 상기 노드 전력 분포로부터 상세한 기준 3차원 전력 분포를 생성하는 수단을 더 포함하는

   원자로 보호 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   코어 입구 온도 측정 장치와,

   코어 출구 온도 측정 장치와,

   상기 코어를 통과하는 냉매 유량을 결정하는 수단을 더 포함하며,

   상기 코어의 총 전력 출력을 직접 계산하기 위한 수단은 코어 입구 온도, 코어 출구 온도 및 냉매 유량으로부터 코어의 입구와 출구 사이의 냉매의 엔탈피 변화를 계산하는

   원자로 보호 시스템.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   복수의 원자로 보호 채널을 더 포함하는

   원자로 보호 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 감마선 센서 및 중성자 센서로부터 신호를 수신하는 복수의 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하며,

   각각의 아날로그-디지털 변환기는 코어 전체에 걸쳐서 균일하게 분포된 상기 센서의 동일한 부분으로부터의 신호를 수신하며,

   각각의 아날로그-디지털 변환기는 상기 복수의 원자로 보호 채널의 각각에 출력 신호를 공급하는

   원자로 보호 시스템.
6. 제 4 항에 있어서,

   소정 개수의 채널이 정지 신호를 발생하면, 원자로를 정지하도록 구성된 원자로 보호 활성화 모듈을 더 포함하는

   원자로 보호 시스템.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,

   제 1 시간 구간에서는 기준 전력 분포가 상기 감마선 센서에 의해 조정되고,

   제 2 시간 구간에서는 예측된 노드 전력 분포가 상기 중성자 센서에 의해 조정되며,

   상기 제 2 시간 구간이 상기 제 1 시간 구간보다 긴

   원자로 보호 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제 1 시간 구간은 1초 또는 그 이하이고,

   상기 제 2 시간 구간은 15분인

   원자로 보호 시스템.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 원자로를 감시하는 방법에 있어서,

    복수의 기다란 인-코어 감마선 센서를 제공하는 단계와,

    각각의 상기 감마선 센서에 대응하는 적어도 하나의 인-코어 중성자 센서를 제공하는 단계와,

    코어 입구 및 코어 출구에서 냉매의 온도를 측정하는 단계와,

    코어를 통과하는 냉매의 유량을 측정하는 단계와,

    코어 입구로부터 코어 출구까지의 냉매의 엔탈피 변화를 계산하는 단계와,

    상기 중성자 센서로부터 전기적인 신호를 수신하는 단계와,

    냉매 엔탈피에 기초하여 상기 중성자 센서로부터의 전기적인 신호를 전력 레벨로 변환하는 단계와,

    상기 중성자 센서에 대한 예측된 노드 전력 분포와 대응하는 예측된 신호를 발생시키는 단계와,

    상기 측정되고 예측된 중성자 센서 신호 전체의 비율을 결정하는 단계와,

    상기 측정되고 예측된 중성자 센서 신호의 비율을 이용하여 예측된 노드 전력 분포를 조정하는 단계와,

    상기 감마선 센서로부터 전기적인 신호를 수신하는 단계와,

    냉매 엔탈피에 기초하여 상기 감마선 센서로부터의 전기적인 신호를 전력 레벨로 변환하는 단계와,

    대응하는 기준값에 대한 현재 감마선 센서 신호의 비율을 계산하는 단계와,

    상기 대응하는 기준값에 대한 현재 감마선 센서 신호의 비율에 기초하여 기준 전력 분포를 조정하는 단계와,

    DNB와 Kw/ft 분포를 얻기 위해, 조정된 상기 노드 전력 분포로부터 상세한 기준 3차원 전력 분포를 생성하는 단계를 포함하는

    원자로 감시 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 감마선 센서로부터 전기적인 신호를 수신하는 단계와,

    냉매 엔탈피에 기초하여 상기 감마선 센서로부터의 전기적인 신호를 전력 레벨로 변환하는 단계와,

    대응하는 기준값에 대한 현재 감마선 센서 신호의 비율을 계산하는 단계와,

    상기 대응하는 기준값에 대한 현재 감마선 센서 신호의 비율에 기초하여 기준 전력 분포를 조정하는 단계는, 1초보다 짧은 시간 구간에서 실행되는

    원자로 감시 방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 중성자 센서로부터 전기적인 신호를 수신하는 단계와,

    냉매 엔탈피에 기초하여 상기 중성자 센서로부터의 전기적인 신호를 전력 레벨로 변환하는 단계와,

    상기 중성자 센서에 대한 예측된 노드 전력 분포와 대응하는 예측된 신호를 생성하는 단계와,

    상기 측정되고 예측된 중성자 센서 신호 전체의 비율을 결정하는 단계와,

    상기 측정되고 예측된 중성자 센서 신호의 비율을 이용하여 예측된 노드 전력 분포를 조정하는 단계는, 15분의 시간 구간에서 실행되는

    원자로 감시 방법.
18. 제 15 항에 있어서,

    잠재적으로 과도한 DNB와 Kw/ft 값을 갖는 위치에서의 DNB와 Kw/ft 분포를 탐색하는 단계와,

    상기 위치에서의 상기 DNB와 Kw/ft 값을 소정의 최대값과 비교하는 단계와,

    상기 과도한 DNB 또는 Kw/ft 값이 발견된 경우에 원자로를 정지하는 단계를 더 포함하는

    원자로 감시 방법.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 방법은 복수의 채널에 의해 동시에 수행되고,

    소정 수의 채널들이 과도한 DNB 또는 Kw/ft 값을 발견하면 원자로를 정지하는 단계를 더 포함하는

    원자로 감시 방법.

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