KR101387343B1 - 바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법 - Google Patents

바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바나듐 노내계측기의 동적 모델과 노내계측기 재료의 물리적 특성으로 시간이 지연되는 신호를 보상하는 방법에 관한 것으로서, 아래식에 의해, 현재 및 이전 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호를 이용하여 노내계측기 주위의 출력밀도(
Figure 112013083893773-pat00033
)에 대하여 시간이 지연되어 나타나는 바나듐 노내계측기 신호를 보상하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112013083893773-pat00034

(여기서,
Ｗ' : 바나듐 노내계측기 출력변환상수(핵설계를 통하여 노심의 핵연료, 피복관 및 구조재의 물질 정보와 기하학적 구조를 입력으로 하여 산출됨)
signal(t) : 바나듐 노내계측기 신호
α : 현재 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호값
ｂ : 현재 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호값과 이전 여러 단계에서 측정된 신호값들과의 변화 기울기
λ52 :: V-52의 붕괴상수(decay constant))

Description

바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법{Time-delay Compensation for Vanadium In-core Detector}
본 발명은 바나듐 노내계측기에 관한 것으로서, 특히 원자력발전소의 안전운전에 있어서 중요한 노심감시계통에 중성자 신호를 발생시키는 바나듐 노내계측기의 신호지연 보상방법에 관한 것이다.
원자력발전소 설계자는 핵연료가 견딜 수 있는 최대 허용출력을 미리 계산하여 정보를 제공하고, 운전원은 최대 허용출력을 넘지 않도록 운전함으로써 핵연료의 건전성을 유지한다. 따라서, 노심내의 중성자 출력분포를 정확히 측정하는 것은 원자로 안전성 확보에 매우 중요하다.
원자로내의 중성자속을 측정하는 노내계측기는 중성자와 반응하여 전자를 발생시키는 에미터(emitter) 재료의 물리적 특성에 따라 아래의 표1과 같이 응용분야가 제한되며, 발전용원자로에는 일반적으로 로듐(Rh-103), 바나듐(V-51) 및 백금(Pt-195) 등이 이용되고 있다.
Figure 112012042146330-pat00001
노내계측기 재료 중에서 에미터 핵에 대한 중성자의 방사화 반응(n,e)을 이용하는 경우, 일반적으로 표적핵의 β-붕괴 반감기에 대한 시간지연이 발생하게 된다. 즉, 베타붕괴는 중성자속에 해당하는 신호를 발생하기 때문에 이들 계측기 재료는 각각의 반감기에 따른 지연된 반응 신호를 나타낸다. 바나듐 계측기는 V-52의 반감기가 3.76분으로 인한 다소 간단한 붕괴형태에 의한 시간지연 효과를 나타내는 반면, 로듐계측기는 반감기가 42초의 Rh-104(92.3%) 및 4.4분의 Rh-104m(7.7%)로 인한 복잡한 시간지연 효과를 나타내어 이를 적절히 보상해 주어야 한다. 로듐 계측기의 경우 kalman 필터를 적용하여 지연시간을 약 27초로 보상하는 알고리즘을 사용하고 있으나, 중수로원전에서 사용되는 바나듐 계측기는 신호보상을 하지 않고 사용하고 있는 실정이다.
한편, 종래 관련분야 특허기술로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 원자로(1)내에 설치되어 있는 백금계측기(2) 및 바나듐계측기(3)와, 백금계측기(2) 및 바나듐계측기(3)로부터 입력되는 신호를 포함한 발전소의 운전상태와 관련된 데이터를 수집하는 플랜트 모니터링 시스템(4)과, 상기 플랜트 모니터링 시스템(2)으로부터 전달되는 노내 계측기 신호를 보상하는 H∞필터(5)와, 노심 출력분포 및 열적 여유도를 계산하여 운전원에게 제공하는 코어 모니터링 시스템(6)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 노심내 바나듐 및 백금계측기의 지연신호 보상장치가 제안되어 있다(특허문헌1 참조).
[특허문헌1] 국내등록특허 10-0694436
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바나듐 노내계측기의 동적 모델과 노내계측기 재료의 물리적 특성으로 시간이 지연되는 신호를 보상하는 바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법은, 바나듐 노내계측기의 동적 모델과 노내계측기 재료의 물리적 특성으로 시간이 지연되는 신호를 보상하는 방법에 있어서, 아래식에 의해, 현재 및 이전 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호를 이용하여 노내계측기 주위의 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00002
)에 대하여 시간이 지연되어 나타나는 바나듐 노내계측기 신호를 보상하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112012042146330-pat00003
(여기서,
Ｗ' : 바나듐 노내계측기 출력변환상수(핵설계를 통하여 노심의 핵연료, 피복관 및 구조재의 물질 정보와 기하학적 구조를 입력으로 하여 산출됨)
삭제
signal(t) : 바나듐 노내계측기 신호
α : 현재 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호값
ｂ : 현재 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호값과 이전 여러 단계에서 측정된 신호값들과의 변화 기울기
λ52 : V-52의 붕괴상수(decay constant))
본 발명에 따르면, 바나듐 노내계측기의 동적 모델과 노내계측기 재료의 물리적 특성으로 시간이 지연되는 신호를 보상함으로써 노심감시계통의 정확도/신뢰도를 제고하여 노심 안전성을 증진할 수 있다. 즉, 바나듐의 비교적 긴 반감기로 인하여 급격한 출력변동의 과도상태 동안 발생하는 상당한 출력 측정오차를 제거할 뿐만 아니라 노심감시계통에 정확한 신호를 제공함으로써 노심의 출력분포를 정확히 계산하여 운전 여유도를 확장하고 안정성을 제고할 수 있다. 특히, 원자로의 운전 유연성을 제고하여 불필요한 출력감발 혹은 불시정지를 방지하여 원자력발전소의 경제성을 크게 높일 수가 있다.
도 1은 원자력발전소 노내계측기 개념도.
도 2는 종래 원자로 노심내 바나듐 및 백금계측기의 지연신호 보상장치의 구성도.
도 3은 과도상태의 출력 및 노내계측기 전류 신호를 보여주는 그래프.
도 4는 과도상태의 노내계측기 출력측정 오차를 보여주는 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 3은 과도상태의 출력 및 노내계측기 전류 신호를 보여주는 그래프, 도 4는 과도상태의 노내계측기 출력측정 오차를 보여주는 그래프이다.
본 발명에 따른 바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법은, 원자력발전소의 노심감시에 사용이 가능한 바나듐 노내계측기의 중성자속 측정신호를 보정하는 방법에 관한 것으로서, 특히 바나듐 노내계측기의 동적 모델과 노내계측기 재료의 물리적 특성으로 시간이 지연되는 신호를 보상하는 바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법을 그 기술적 요지로 한다.
[본 발명의 기술적 원리]
바나듐 노내계측기의 에미터 재료로 사용되는 V-51 동위원소는 중성자(n)를 흡수하여 V-52 동위원소로 변환되며, V-52 동위원소는 출력(또는 중성자속)에 비례하는 전류를 발생하는 베타입자를 방출하며 붕괴하게 된다.
Figure 112012042146330-pat00004
따라서, 수학식 1을 이용하여 원자로심과 같이 중성자속(ф)이 존재하는 장소에 삽입된 바나듐 노내계측기의 반응함수를 정의하면 다음의 수학식 2,3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00005
Figure 112012042146330-pat00006
(여기서,
Figure 112012042146330-pat00007
)
수학식 2의 우측 항은 다음의 수학식 4,5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00008
Figure 112012042146330-pat00009
(여기서,
Figure 112012042146330-pat00010
: 출력밀도, α 및 β는 상수, signal(t) : 바나듐 노내계측기 신호)
수학식 2~5에서 시간의 변화가 없는 평형상태(△t=0)에서는 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00011
따라서, 측정된 '바나듐 노내계측기 신호' 및 핵설계를 통하여 노심의 핵연료, 피복관 및 구조재의 물질 정보와 기하학적 구조를 입력으로 하여 산출되는 계측기 출력변환상수(W')를 이용하여 출력밀도(
Figure 112013083893773-pat00012
)를 계산할 수 있다.
[본 발명의 구체적인 기술적 원리]
노내계측기 주위의 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00013
) 변화는 V-52의 붕괴율과 V-51의 생성율이 평형상태가 될 때까지는 시간지연 효과로 인하여 계측기 신호를 통해 충분히 반영되어 나타난다고 볼 수 없다. 즉, 현재의 시점에서 측정된 바나듐 계측기 신호는 중성자속이 변할 때마다 약 15분의 시간이 경과한 후에 평형상태 신호의 약 95% 정도를 나타내게 된다. 따라서, 바나듐 계측기의 실질적인 신호는 그 신호가 향후 어떻게 진행될 것인지를 결정함으로써 15분 이전에 평형상태의 신호수준으로 평가할 수 있으며, 이러한 결정과정은 다음과 같이 바나듐 계측기의 반응함수를 효과적으로 가속화(speeded up)하여 구할 수 있다.
수학식 2~4에서 바나듐 노내계측기의 V-52 변화율은 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00014
수학식 5,7을 이용하여 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00015
)에 대하여 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00016
시간의 함수인 signal(t)의 미분계수가 현재의 시간에서 결정된다면 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00017
)는 수학식 8에서 결정될 수 있다. 따라서, signal(t)를 구하기 위하여 최소한의 측정값으로부터 다음의 수학식 9와 같이 다항식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00018
수학식 9를 시간에 대하여 미분을 취하면 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00019
t=0에서의 계측기 신호는 다음의 수학식 11,12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00020
Figure 112012042146330-pat00021
따라서, t=0에서의 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00022
)는 다음의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00023
수학식 13에서 계산되는 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00024
)는 바나듐 노내계측기 측정신호가 평형상태에서의 실질적인 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00025
)값으로 되기 이전에 결정될 수 있는데, 이는 바나듐 노내계측기 신호가 측정되는 시간간격마다 상수 a, b값을 반복 계산하여 조정함으로써 이루어지며, 이러한 접근법은 측정 시간간격을 V-52의 반감기보다 큰 시간간격에 걸쳐 측정지점의 수를 최대화함으로써 정확도를 높일 수 있다.
원자력발전소 노심감시계통의 경우, 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00026
)는 노내계측기 신호 측정값 대비 평형상태 예측값의 비를 조정함으로써 모사된 노심출력분포로부터 결정된다. 이러한 시간지연 효과가 있는 계측기 신호의 조정은 시간지연 효과가 사라지기 전에 평형상태에 있는 현재의 출력분포에 해당하는 최적의 측정신호를 결정함으로써 정확성을 높일 수 있다. 현재 평형상태에 있는 최적의 계측기 신호(
Figure 112012042146330-pat00027
)는 최소한 4개의 측정된 바나듐 계측기 신호를 이용하여 상기 수학식에서 언급한 a 및 b값을 반복계산 및 내삽을 통하여 결정할 수 있다.
Figure 112012042146330-pat00028
정상적으로 측정된 최소한 4개의 바나듐 신호가 구해지면, 계측기 신호(
Figure 112012042146330-pat00029
)값은 최적의 바나듐 신호값이 될 것이다. 만약 바나듐 계측기 신호가 1분 간격으로 측정된다면 실제 출력밀도(
Figure 112012042146330-pat00030
)에 해당하는 최적의 바나듐 계측기 신호는 약 5분 후에 계산될 수 있다. 따라서 바나듐 계측기 신호측정 간격이 증가된다면 시간지연에 따른 신호의 정확성은 더욱 증가하게 된다.
도 3에서는 다양한 과도상태에 대한 바나듐 계측기의 시간에 따른 전류신호를 계산하기 위하여 다음과 같이 출력을 모사하였다.
- 초기출력 : 0%
- 20분 동안 100%까지 출력 증발
- 60분 동안 100% 출력 유지
- 20분 동안 50% 까지 출력 감발
- 60분 동안 50% 까지 출력 유지
- 20분 동안 0% 까지 출력 감발
- 60분 동안 0% 출력 유지
도 3에 도시한 바와 같이, 전류신호는 출력변동에 따라 변동초기에 순간적으로 약간의 시간지연을 가지고 나타남을 알 수 있다. 또한, 그에 따른 출력오차가 출력변동 시작시를 제외하고는 오차가 거의 영에 가까움을 알 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 바나듐 계측기 신호는 약 26%의 출력오차를 보이고 있으며, 이는 급격한 출력변동시 바나듐 계측기를 이용한 출력측정이 적절하지 않음을 알 수 있다. 따라서, 상기 절차를 실제 바나듐 계측기 전류의 시간지연 보상에 사용하기 위해서는 최소한 5개에서 10개의 이전에 측정된 전류값을 보정계수(a, b) 결정에 사용하여야 하는데 이는 시간지연 보상정도를 결정하는데 잡음신호를 최대한으로 제거하기 위함이다.
한편, 본 발명에 따른 바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법을 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (1)

  1. 바나듐 노내계측기의 동적 모델과 노내계측기 재료의 물리적 특성으로 시간이 지연되는 신호를 보상하는 방법에 있어서,
    아래식에 의해, 현재 및 이전 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호를 이용하여 노내계측기 주위의 출력밀도(
    Figure 112013083893773-pat00031
    )에 대하여 시간이 지연되어 나타나는 바나듐 노내계측기 신호를 보상하는 것을 특징으로 하는 바나듐 노내계측기 신호지연 보상방법.
    Figure 112013083893773-pat00032

    (여기서,
    Ｗ' : 바나듐 노내계측기 출력변환상수(핵설계를 통하여 노심의 핵연료, 피복관 및 구조재의 물질 정보와 기하학적 구조를 입력으로 하여 산출됨)
    signal(t) : 바나듐 노내계측기 신호
    α : 현재 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호값
    ｂ : 현재 단계에서 측정된 바나듐 노내계측기 신호값과 이전 여러 단계에서 측정된 신호값들과의 변화 기울기
    λ52 : V-52의 붕괴상수(decay constant))
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4411858A (en) * 1981-01-30 1983-10-25 Scandpower, Inc. Power performance monitoring system for nuclear reactor fuel core
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