KR101395103B1 - 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템 및 이를 이용한 감시 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템 및 이를 이용한 감시 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용후연료 저장조 내에서 각각 방사선의 준위, 수위 및 수온 변화를 감지하는 방사선 감지 센서, 수위 센서 및 온도 센서를 구비하고, 상기 각각의 센서와 광섬유를 통해 연결되어 각각의 센서로부터 감지되는 신호를 변환 및 수집하는 신호 변환/수집 장치와, 상기 신호 변환/수집 장치에서 수집된 신호를 분석하여 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하는 신호분석장치와, 상기 신호 변환/수집 장치 및 신호분석장치에 DC 전원을 공급하는 DC 전원부를 구비하여 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템을 구성함으로써, 자연 재해 등의 원인으로 인해 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우에도, 저전압의 DC 전원으로 용이하게 구동되어 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 원격으로 감시하여 비상 상황의 발생 여부를 인지할 수 있는 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템 및 이를 이용한 감시 방법에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 원자력발전소의 주 감시시스템을 보조하여, 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 감시하는 보조 감시시스템에 있어서, 사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선의 준위를 감지하는 방사선 감지 센서와; 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 감지하는 수위 센서와; 사용후연료 저장조 내 붕산수의 표면 온도를 감지하는 온도 센서와; 상기 각각의 센서와 연결되어 각각의 센서로부터 감지되는 광신호를 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유를 통해 전송받은 광신호를 전기신호로 변환하여 수집하는 신호 변환/수집 장치와; 상기 신호 변환/수집 장치에서 변환된 전기신호를 분석하여 상기 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 측정하는 신호분석장치와; 상기 신호 변환/수집 장치 및 신호분석장치에 DC 전원을 공급하는 DC 전원부;를 포함하여 구성되어, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동되는 주 감시시스템이 마비되는 사고발생시, DC 전원으로 구동되어 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 감지하여 비상 상황의 발생 여부를 감시하는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여, 본 발명은 원자력발전소의 주 감시시스템을 보조하여, 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 감시하는 보조 감시시스템에 있어서, 사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선의 준위를 감지하는 방사선 감지 센서와; 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 감지하는 수위 센서와; 사용후연료 저장조 내 붕산수의 표면 온도를 감지하는 온도 센서와; 상기 각각의 센서와 연결되어 각각의 센서로부터 감지되는 광신호를 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유를 통해 전송받은 광신호를 전기신호로 변환하여 수집하는 신호 변환/수집 장치와; 상기 신호 변환/수집 장치에서 변환된 전기신호를 분석하여 상기 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 측정하는 신호분석장치와; 상기 신호 변환/수집 장치 및 신호분석장치에 DC 전원을 공급하는 DC 전원부;를 포함하여 구성되어, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동되는 주 감시시스템이 마비되는 사고발생시, DC 전원으로 구동되어 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 감지하여 비상 상황의 발생 여부를 감시하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템 및 이를 이용한 감시 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용후연료 저장조 내에서 각각 방사선의 준위, 수위 및 수온 변화를 감지하는 방사선 감지 센서, 수위 센서 및 온도 센서를 구비하고, 상기 각각의 센서와 광섬유를 통해 연결되어 각각의 센서로부터 감지되는 신호를 변환 및 수집하는 신호 변환/수집 장치와, 상기 신호 변환/수각 집 장치에서 수집된 신호를 분석하여 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하는 신호분석장치와, 상기 신호 변환/수집 장치 및 신호분석장치에 DC 전원을 공급하는 DC 전원부를 구비하여 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템을 구성함으로써, 자연 재해 등의 원인으로 인해 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우에도, 저전압의 DC 전원으로 용이하게 구동되어 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 원격으로 감시하여 비상 상황의 발생 여부를 인지할 수 있는 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템 및 이를 이용한 감시 방법에 관한 것이다.
사용후연료는 그 속에 포함된 핵분열생성물 때문에 원자로에서 꺼낸 이후에도 오랜 기간 동안 방사선과 열을 발생시킨다. 따라서 발전소에서 근무하는 작업자와 환경을 방사선으로부터 보호하고, 계속해서 발생하는 열을 제거하기 위하여 사용후연료를 발전소의 핵연료 건물 안의 수조에 저장하게 되는데, 이러한 사용후연료를 저장하는 철근 콘크리트 구조물을 사용후연료 저장조라 한다.
사용후연료에는 우라늄-235, 플루토늄-239를 비롯한 다양한 방사성 핵종이 다량 포함되어 있으며, 이들 핵종이 방사성 붕괴하면서 붕괴열과 방사선을 장기간 방출한다. 이 때문에 사용후연료 저장조에 막대한 양의 물을 채워, 사용후연료에서 방출되는 붕괴열을 제거하고 방사선을 차폐한다.
사용후연료 저장조의 냉각 및 정화계통은 사용후연료 집합체를 최대 설계용량까지 저장했을 때 방출되는 열을 가정하여 저장조 내의 수온이 끓는점보다 충분히 낮게 유지될 수 있도록 설계된다.
예를 들면, 국내 원전 중 신고리 1, 2호기의 경우, 사용후연료 저장조 수위는 핵연료집합체 상부로부터 23 ft (7m) 이상, 붕산수의 수온은 정상출력운전 중에는 48.9 ℃ 이하, 핵연료 재장전운전 중에는 60 ℃ 이하로, 방사선 준위는 저장조 수면에서 0.025 mSv/hr 이하로 유지하도록 제한하고 있다.
사용후연료 저장조가 정상 상태라면 저장조의 수위, 수온 및 방사선 준위는 운전제한조건 이내를 유지할 것이지만, 비상 상황이 발생하면 운전제한조건을 벗어나게 될 것이다. 어떤 원인에 의해 냉각 및 정화계통의 능력이 일부 또는 전부 상실되면, 사용후연료에서 나오는 붕괴열을 제거하지 못해 수온이 상승하고, 제때 조치를 취하지 않으면 수온이 계속 상승해서 끓는점에 도달하여 증발이 일어나면서 수위가 감소하게 될 것이다. 또한 사용후연료 저장조의 물은 방사선 차폐체 역할도 하기 때문에, 수위가 낮아지면 차폐체의 두께가 얇아진다는 것을 의미하므로 사용후연료 저장조 수면 위의 방사선 준위가 상승하게 될 것이다.
이와 같이 사용후연료 저장조의 수위, 수온과 방사선 준위의 변동 상황을 모니터링하면 사용후연료 저장조에 비상상황 발생여부를 인지할 수 있기 때문에, 이들 3개 변수(수위, 수온 및 방사선 준위)가 사용후연료 저장조의 핵심 환경변수라 할 수 있다. 또한 이들 변수 중 하나의 변동 상황만을 감시하면 오신호(False signal) 등에 의해 상황을 오인할 가능성이 있지만, 3개 변수를 동시에 모니터링하여 상호 점검을 하게 되면 상황을 오인할 가능성을 대폭 줄일 수 있는 효과를 거둘 수 있다.
실제로 국내 원전의 경우, 주제어실에서는 사용후연료 저장조에 설치된 초음파 수위계와 온도계가 측정한 수위 및 수온 정보를 전송받아, 저장조의 상태를 확인하고 있다. 또한, 사용후연료 저장조 주변 지역의 공간 방사선 준위는 일본공개특허 제2005-164450호에 개시되어 있는 방사선량 측정 장치 등과 같은 고정형 방사선계측시스템을 이용하여 측정하고 있으나, 저장조 수면에서의 선량률은 필요한 경우 작업자가 측정지점까지 접근하여 휴대용 방사선계측기를 이용하여 측정하고 있다.
한편, 이와 같은 사용후연료 저장조에 설치된 수위계, 수온계 및 고정형 방사선계측시스템은 AC 전원을 사용하고 있다. 이와 같이 AC 전원을 사용하는 능동 계측기기를 통해 핵심변수를 측정하고 있기 때문에, AC 전원이 상실되면 주제어실에서 이들 핵심 변수의 변동 상황을 알 수가 없게 된다. 특히, AC 전원이 상실되면 사용후연료 저장조가 암전 상태로 되기 때문에 작업자가 직접 측정지점까지 접근해야 하는 저장조 수면 위의 방사선 준위는 더더욱 계측이 어렵게 된다.
실제로, 2011년 3월 발생한 후쿠시마 원전 사고 시 모든 AC 전원이 상실되어 후쿠시마 4호기의 사용후연료 저장조의 상태에 대한 정확한 정보를 제공받을 수 없었으며, 이로 인해 전체적인 사고대응이 늦어지는 결과를 초래하였다.
이와 같은 문제점으로 인해, 발전소 내외의 AC전원이 상실되는 사고가 발생한 경우에도 사용후연료 저장소의 수위, 수온 및 방사선 준위를 원격으로 감시하여 사용후연료 저장조에 비상상황이 발생하였는지의 여부를 감지할 수 있는 감시시스템의 구축이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 사용후연료 저장조 내에서 각각 방사선의 준위, 수위 및 수온 변화를 감지하는 방사선 감지 센서, 수위 센서 및 온도 센서를 구비하고, 상기 각각의 센서와 광섬유를 통해 연결되어 각각의 센서로부터 감지되는 신호를 변환 및 수집하는 신호 변환/수집 장치와, 상기 신호 변환/수집 장치에서 수집된 신호를 분석하여 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하는 신호분석장치와, 상기 신호 변환/수집 장치 및 신호분석장치에 DC 전원을 공급하는 DC 전원부를 구비하여 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템을 구성함으로써, 자연 재해 등의 원인으로 인해 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우에도, 저전압의 DC 전원으로 용이하게 구동되어 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 원격으로 감시하여 비상 상황의 발생 여부를 인지할 수 있는 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템 및 이를 이용한 감시 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 원자력발전소의 주 감시시스템을 보조하여, 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 감시하는 보조 감시시스템에 있어서, 사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선의 준위를 감지하는 방사선 감지 센서와; 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 감지하는 수위 센서와; 사용후연료 저장조 내 붕산수의 표면 온도를 감지하는 온도 센서와; 상기 각각의 센서와 연결되어 각각의 센서로부터 감지되는 광신호를 전송하는 광섬유와; 상기 광섬유를 통해 전송받은 광신호를 전기신호로 변환하여 수집하는 신호 변환/수집 장치와; 상기 신호 변환/수집 장치에서 변환된 전기신호를 분석하여 상기 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 측정하는 신호분석장치와; 상기 신호 변환/수집 장치 및 신호분석장치에 DC 전원을 공급하는 DC 전원부;를 포함하여 구성되어, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동되는 주 감시시스템이 마비되는 사고발생시, DC 전원으로 구동되어 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 감지하여 비상 상황의 발생 여부를 감시하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템은 원자력발전소의 주 제어실에 구비되는 주 감시시스템을 보조하는 보조 감시시스템으로서, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우에도, 저전압의 DC 전원으로 구동되는 보조 감시시스템을 통해 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 원격으로 감시하여 비상 상황의 발생 여부를 인지함으로써, 원전 운영의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조 보조 감시시스템의 전체적인 구조를 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조 보조 감시시스템에 적용되는 방사선 감지 센서의 구조를 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조 보조 감시시스템에 적용되는 방사선 감지 센서의 구조를 보여주는 도면
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조 보조 감시시스템의 전체적인 구조를 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템은 사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선의 준위를 감지하는 방사선 감지 센서(10)와, 상기 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 감지하는 수위 센서(20)와, 상기 사용후연료 저장조 내 붕산수의 표면 온도를 감지하는 온도 센서(30)와, 상기 각각의 센서(10,20,30)에 연결되어 각각의 센서(10,20,30)에서 발생되는 광신호를 전송하는 광섬유(40)와, 상기 광섬유(40)로부터 광신호를 전송받아 전기신호로 변환하여 수집하는 신호 변환/수집 장치(100)와, 상기 신호 변환/수집 장치(100)에서 변환된 전기신호를 분석하여 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하는 신호분석장치(200)와, 상기 신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)에 저전압의 DC 전원을 공급하는 DC 전원부(50)를 포함하여 구성된다.
이때, 상술한 바와 같은 신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)에 저전압의 DC 전원을 공급하는 DC 전원부(50)는 원자력발전소 내·외의 AC 전원과 독립적으로 동작하는 별도의 비상전원용 DC 배터리로 구성된다.
이때, 상술한 바와 같은 신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)에 저전압의 DC 전원을 공급하는 DC 전원부(50)는 원자력발전소 내·외의 AC 전원과 독립적으로 동작하는 별도의 비상전원용 DC 배터리로 구성된다.
즉, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템은, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되는 사고가 발생하여, AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우에도, 저전압의 DC 전원을 통한 전력 공급만으로도 용이하게 구동되어, 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 원격으로 감시함으로써 사용후연료 저장조에서의 비상 상황 발생 여부를 인지할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조 보조 감시시스템의 각 구성을 보다 상세하게 설명하면, 사용후연료 저장조의 내부에는 방사선 측정 센서(10), 수위 센서(20) 및 온도 센서(30)가 각각 구비되어 사용후연료 저장조 내부의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도의 변화를 감지한다.
이때, 상기 방사선 측정 센서(10), 수위 센서(20) 및 온도 센서(30)를 사용후연료 저장조의 내부에 설치함에 있어서는, 사용후연료 저장조의 내부 소정 위치에, 센서용 거치대를 설치하여, 거치대에 상기 각각의 센서들(10,20,30)을 통합하여 설치하거나, 또는 상기 각각의 센서들(10,20,30)을 사용후연료 저장조 내부의 필요한 위치에 각각 별도로 설치할 수 있음은 물론이다.
방사선 감지 센서(10)는 사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선과 반응하여 가시광선을 발생시키고, 발생된 가시광선을 광섬유(40)를 통해 신호 변환/수집 장치(100)로 전송함으로써 방사선 준위를 측정할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조 보조 감시시스템에 적용되는 방사선 감지 센서의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 방사선 감지 센서(10)는 사용후연료 저장조 내의 붕산수 표면으로부터 방출되는 방사선과 반응하여 가시광선을 발생시키는 섬광체(11)와, 섬광체(11)에 연결되어 섬광체(11)에서 발생된 가시광선을 집속하여 광섬유(40)에 전달하는 집속관(12) 및 상기 집속관(12)과 섬광체(11)의 외부를 감싸는 차폐체(13)로 구성된다.
이와 같은 구성으로, 섬광체(11)가 사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선과 반응하여 가시광선을 발생시키고, 발생된 가시광선은 집속관(12)을 통해 집속되어 광섬유(40)로 전달된다.
여기서, 상기 섬광체(11)는 방사선을 흡수하여 광신호로 변환하는 역할을 담당하는데, 저장조의 수면 위로 방출되는 방사선의 대부분은 감마선이므로, 감마선에 대한 광 변환효율이 높은 섬광체(11)로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 차폐체(13)는 외부 가시광을 차단하는 차폐물질로 구성되어, 사용후연료 저장조 내의 여타 반사물질이나 외부 가시광선의 영향으로 섬광체(11)에서 발생하는 가시광선의 양이 왜곡되는 현상을 방지한다.
상술한 바와 같이, 붕산수 표면에서 방출되는 방사선이 섬광체(11)와 반응하여 발생된 가시광선은 광섬유(40)를 통해 신호 변환/수집 장치(100)에 전송되는데, 이때 발생하는 가시광선의 광량은 붕산수 표면에서 방출되는 방사선 양에 비례하므로, 섬광체(11)에 의해 발생된 가시광선의 광량을 이용하여 사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선 준위의 변화를 감지할 수 있게 된다.
즉, 방사선량에 비례하여 발생된 광신호는 광섬유(40)를 통해 신호 변환/수집 장치(100)에 전송되어 전기신호로 변환 및 수집되고, 신호분석장치(200)를 통해 전기신호를 분석하여 방사선 준위를 측정하게 된다.
여기서, 상기 신호 변환/수집 장치(100)에는 광섬유(40)를 통해 전달되는 신호를 전기신호로 변환하는 신호변환부(120)가 구비되어 있는데, 방사선 감지 센서(10)의 경우에는 섬광체(11)로부터 광섬유(40)를 통해 전달되는 광신호가 신호변환부(120)에 구비된 광전변환소자(미도시)를 통해 전기신호로 변환되어 처리된다.
즉, 광전변환소자(미도시)는 방사선 감지 센서(10)로부터 전달되는 가시광선의 광량에 비례하는 전기신호를 발생시키며, 이와 같이 발생된 전기신호를 이용하여 신호분석장치(200)에서 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위를 측정할 수 있게 되는 것이다.
한편, 수위 센서(20)는 광섬유(40)의 말단에 연결되는 감지 프로브(21)로 이루어져, 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 감지한다.
상기 수위 센서(20)는 감지 프로브(21)의 말단이 사용후연료 저장조 내 붕산수에 접촉하고 있는지 여부에 따라 감지 프로브(21) 말단에서 달라지는 반사율을 이용하여 반사광의 광 강도 변화를 측정하여 붕산수의 수위를 파악하는데, 감지 프로브(21)의 말단이 붕산수에 접촉하고 있는지 또는 붕산수로부터 떨어져 공기에 중에 위치해 있는지에 따라, 감지 프로브(21) 말단에서의 광 반사율이 달라지며, 상기와 같이 달라지는 반사율을 이용하여 광섬유를 통해 전송되는 반사광의 광 강도 변화를 측정함으로써, 사용후 연료 저장조 내에서 감지 프로브(21)의 위치까지 붕산수가 채워져 있는지 여부를 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 수위 센서(20)를 이용하여 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 측정하기 위하여는, 감지 프로브(21)를 사용후연료 저장조 내에서 높이 조절이 가능하게 설치하여 감지 프로브(21)의 높이를 변화시켜가며 반사광의 광 강도 변화를 측정함으로써 붕산수의 수위 변화를 감지하거나, 또는 사용후연료 저장조 내에 일정 높이 간격으로 다수개의 감지 프로브를 설치하여 붕산수의 수위 변화를 높이 별로 감지할 수도 있다.
이와 같은 구성으로, 감지 프로브(21)의 말단이 붕산수에 접촉하고 있는지 여부에 따라 감지 프로브(21)에서 반사되는 반사광의 광 강도가 달라지게 되며, 이렇게 달라진 반사광이 광섬유(40)를 통해 신호 변환/수집 장치(100)에 전송되어 전기신호로 변환 및 수집되고, 신호분석장치(200)를 통해 전기신호를 분석하여 사용후연료 저장조 내에서 붕산수의 수위 변화를 측정할 수 있게 된다.
즉, 신호 변환/수집 장치(100)에서는 감지 프로브(21)로부터 전달되는 반사광의 광 강도에 따른 전기신호를 발생시키며, 이와 같이 발생된 전기신호를 이용하여 신호분석장치(200)에서 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 측정할 수 있게 된다.
이때, 신호 변환/수집 장치(100)에는 반사광의 광 특성변화를 분광학적으로 분석하기 위해 적외선 스펙트로미터(Spectrometer)와 가시광선 스펙트로미터가 구비될 수 있으며, 반사광의 미세한 광 강도 변화를 계측하기 위해 광증배관(Photo-multiplier, PMT)이 사용될 수 있다.
한편, 온도 센서(30)는 비접촉식 센서로서, 사용후연료 저장조 내의 붕산수 표면에서 방사되는 적외선을 집속하여 광섬유(40)로 전달하며, 이를 위해 붕산수 표면으로부터 방사되는 적외선을 광섬유의 길이방향과 평행하게 집속하는 광학장비(31)가 구비될 수 있다.
온도 센서(30)를 통해 집속된 적외선은 광섬유(40)을 따라 신호 변환/수집 장치(100)로 전송되고, 신호 변환/수집 장치(100)에 구비되는 서모파일 센서(미도시)를 통해 전기신호로 변환된 후, 신호증폭부(130)를 거쳐 증폭된 전기신호가 신호수집부(140)을 통해 수집되게 된다.
이후, 신호분석장치(200)를 통해 신호수집부(140)에서 전달되는 전기신호를 분석함으로써 사용후연료 저장조 내의 붕산수의 표면 온도를 측정할 수 있게 된다.
이때, 상기 온도 센서(30)에 연결되는 광섬유(40)는 집속되는 적외선의 효과적인 전송을 위해 적외선 투과 광섬유가 사용되는 것이 바람직하다.
상술한 구성을 통해, 본 발명에 따른 감시시스템은 통상 40~100℃ 범위에서의 붕산수 온도 변화를 측정할 수 있으며, 이를 통해, 붕산수의 온도가 설정된 온도 범위를 초과하는 경우 사용후연료 저장조 내의 비상 상황을 감지할 수 있게 된다.
한편, 상술한 바와 같이 방사선 감지 센서(10), 수위 센서(20) 및 온도 센서(30)에 각각 연결되는 광섬유(40)는 상기 각각의 센서(10,20,30)에서 발생 또는 수집되는 광신호를 신호 변환/수집 장치(100)에 전송하는 역할을 한다.
이때, 상기 광섬유(40)는 일부가 사용후연료 저장조(40) 내부에 위치하게 되기 때문에 방사선에 의해 전송 능력이 저하될 우려가 있으므로, 방사선에 노출되어도 광 전송능력의 손실이 적은 내환경성 광섬유를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광섬유(40)는 사용후연료 저장조 내부의 방사선 준위, 수위 및 수온을 원격으로 측정 가능하도록 신호의 장거리 전송이 유리하고, 자기장 및 방사선 등에 신호왜곡이 발생하지 않는 광섬유를 이용한다.
상기와 같이, 광섬유(40)를 통해 사용후연료 저장조 내부의 방사선 준위, 수위 및 수온을 원격으로 측정함에 있어서는, 작업자의 안전을 위해 적어도 10m 이상의 광섬유(40)를 구비하여 상기 각각의 센서(10,20,30)와 감시시스템(신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)) 간의 거리를 10m 이상 이격하여 구성한다.
즉, 사용후연료 저장조에 비상 상황이 발생되면 그 주변 지역으로 다량의 방사선이 방출될 가능성이 있으므로, 작업자의 안전을 위해 신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)가 배치되는 감시시스템 운영실을 사용후연료 저장조로부터 최소한 10m 이상 이격하여 구비하는 것이 좋다.
이때, 바람직하게는 작업자의 안전과 광섬유(40)의 광 전송능력 및 수명을 고려하여 10m 내지 15m 길이의 광섬유(40)를 사용하는 것이 좋다.
한편, 상기 방사선 감지 센서(10), 수위 센서(20) 및 온도 센서(30)와 각각 광섬유(40)를 통해 연결되는 신호 변환/수집 장치(100)는 상기 각각의 센서(10,20,30)로부터 광섬유(40)를 통해 전송되는 광신호를 전기신호로 변환하여 수집하는 역할을 한다.
이와 같은 신호 변환/수집 장치(100)는 신호변환부(120), 신호증폭부(130) 및 신호수집부(140)를 포함하여 구성되며, DC 전원부(50)와 연결되어, DC 전원부(50)로부터 공급되는 DC 전압을 조절하여 신호변환부(120) 및 신호증폭부(130)에 공급하는 역할을 수행하는 전압조절부(100)가 구비된다.
또한, 신호변환부(120)는 방사선 감지 센서(10), 수위 센서(20) 및 온도 센서(30)로부터 광섬유(40)를 통해 전송되는 각각의 광신호를 전기신호로 변환하여 신호증폭부(130)로 전송한다.
상기 신호변환부(120)는 광전변환소자(미도시), 광 스펙트로미터(미도시) 및 서모파일 센서(미도시)를 포함하여 구성되어, 광섬유(40)를 통해 전송되는 광신호를 전기신호로 변환하는 역할을 수행한다.
신호증폭부(130)는 상기 신호변환부(120)로부터 전송된 각각의 전기신호를 증폭하여, 신호수집부(140)로 전달하는데, 본 발명에 구비되는 신호증폭부(130)는 저전압의 DC 전원으로도 구동 가능하도록 MPPC(Multi-pixel photon counter) 증폭시스템 등이 적용될 수 있다.
신호수집부(140)는 상기 신호증폭부(130)에서 증폭된 각각의 전기신호를 수집하여 신호분석장치(200)에 전송한다.
한편, 신호분석장치(200)는 신호수집부(140)로부터 전송된 전기신호를 분석하여 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위, 수온을 측정하게 된다. 이때, 신호분석장치(200)는 상기와 같이 측정된 방사선 준위, 수위, 수온의 변동추세를 분석함으로써, 분석된 측정치가 정상 범위의 방사선 준위, 수위 및 수온의 측정치를 벗어나는 경우 비상 상황이 발생한 것으로 판단하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)는 광전 변환에 기초한 신호 변환 및 수집을 수행하도록 구성되어, 비상전원용 DC 배터리로 구성되는 DC 전원부(50)로부터 제공되는 저전압의 DC 전력으로도 용이하게 구동될 수 있음은 물론이다.
이에 따라, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우, 별도의 비상전원용 DC 배터리로 구성된 DC 전원부(50)를 통해 상기 신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)를 구동함으로써, 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하여 비상 상황의 발생 여부를 인지할 수 있다.
이에 따라, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우, 별도의 비상전원용 DC 배터리로 구성된 DC 전원부(50)를 통해 상기 신호 변환/수집 장치(100) 및 신호분석장치(200)를 구동함으로써, 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하여 비상 상황의 발생 여부를 인지할 수 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템을 이용한 비상 상황 감지 방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템은 원자력발전소의 주 제어실에 구비되는 주 감시시스템을 보조하는 보조 감시시스템으로서, 평소 원자력발전소 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위, 수온의 측정은 주 제어실의 주 감시시스템에서 수행하게 된다.
그러나, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우에는, 저전압의 DC 전원으로도 구동 가능한 보조 감시시스템을 이용하여 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하여 비상 상황의 발생 여부를 인지할 수 있다.
즉, 사용후연료 저장조에 설치되는 보조 감시시스템의 방사선 감지 센서(10), 수위 센서(20) 및 온도 센서(30)를 통해 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변화를 감지하게 된다.
이때, 방사선 감지 센서(10), 수위 센서(20) 및 온도 센서(30)를 통해 감지된 광신호는 상기 각각의 센서(10,20,30)에 각각 연결된 광섬유(40)를 통해 신호 변환/수집 장치(100)로 전송되며, 신호 변환/수집 장치(100)에서는 상기 각각의 센서(10,20,30)로부터 전송된 각각의 광신호를 전기신호로 변환하고 수집하여 신호분석장치(200)로 전송한다.
이후, 신호분석장치(200)를 통해, 신호 변환/수집 장치(100)로부터 전송된 각각의 전기신호를 분석하여, 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온을 측정하게 된다.
상기와 같은 과정에서, 신호분석장치(200)는 상기 측정된 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동추세를 분석함으로써, 분석된 측정치가 정상 범위의 방사선 준위, 수위 및 수온의 측정치를 벗어나는 경우, 사용후연료 저장조에 비상 상황이 발생한 것으로 판단하게 된다.
즉, 사용후연료 저장조에서 냉각 및 정화계통의 능력이 일부 또는 전부 상실되는 사고가 발생하여, 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온이 운전제한조건을 벗어나게 되면, 사용후연료에서 나오는 붕괴열을 제거하지 못해 수온이 상승하고, 수온이 계속 상승해서 끓는점에 도달하여 증발이 일어나면서 수위가 감소하게 되며, 수위가 낮아짐에 따라 사용후연료 저장조 수면 위의 방사선 준위가 상승하게 되는데, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 보조 감시시스템은 사용후연료 저장조 내 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동상황을 동시에 감시하여 상호 점검함으로써, 사용후연료 저장조에 비상 상황이 발생할 시 이를 정확하게 인지할 수 있다.
다시 말해서, 사용후연료 저장조 내 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동상황을 감시함에 있어서, 상기 방사선 준위, 수위 및 수온 중 어느 하나의 변동상황만을 감시하게 되면, 센서의 오작동 등에 의해 비상 상황의 발생 여부를 오인할 가능성이 커지게 되므로, 방사선 준위, 수위 및 수온을 동시에 감시함으로써 상술한 바와 같은 센서의 오작동에 의한 비상 상황 발생 여부 판단의 오류를 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템은 원자력발전소의 주 제어실에 구비되는 주 감시시스템을 보조하는 보조 감시시스템으로서, 원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동하는 주 감시시스템이 마비되는 사고가 발생하는 경우에도, 저전압의 DC 전원으로 구동되는 보조 감시시스템을 통해 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 원격으로 감시하여 비상 상황의 발생 여부를 인지함으로써, 원전 운영의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
10 : 방사선 감지 센서, 11 : 섬광체
12 : 집속관 13 : 차폐체
20 : 수위 센서 21 : 감지 프로브
30 : 온도 센서, 31 : 광학장비
40 : 광섬유 50 : DC 전원부
100 : 신호 변환/수집 장치 110 : 전압조절부
120 : 신호변환부 130 : 신호증폭부
140 : 신호수집부 200 : 신호분석장치
12 : 집속관 13 : 차폐체
20 : 수위 센서 21 : 감지 프로브
30 : 온도 센서, 31 : 광학장비
40 : 광섬유 50 : DC 전원부
100 : 신호 변환/수집 장치 110 : 전압조절부
120 : 신호변환부 130 : 신호증폭부
140 : 신호수집부 200 : 신호분석장치
Claims (14)
- 원자력발전소의 주 감시시스템을 보조하여, 사용후연료 저장조 내의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 감시하는 보조 감시시스템에 있어서,
사용후연료 저장조 내에서 방출되는 방사선의 준위를 감지하여 광신호로 변환하는 방사선 감지 센서와;
감지 프로브를 이용하여 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 감지하여 광신호로 변환하는 수위 센서와;
사용후연료 저장조 내 붕산수의 표면 온도를 감지하여 광신호로 변환하는 온도 센서와;
상기 각각의 센서와 연결되어 각각의 센서로부터 감지되는 광신호를 전송하는 광섬유와;
상기 광섬유를 통해 전송받은 광신호를 전기신호로 변환하여 수집하는 신호 변환/수집 장치와;
상기 신호 변환/수집 장치에서 변환된 전기신호를 분석하여 상기 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 붕산수의 수위 및 온도를 측정하는 신호분석장치와;
상기 신호 변환/수집 장치 및 신호분석장치에 DC 전원을 공급하는 DC 전원부;
를 포함하여 구성되되,
상기 DC 전원부는,
원자력발전소 내·외의 AC 전원과 독립적으로 동작하는 별도의 DC 배터리로 구성되어,
원자력발전소 내·외의 AC 전원이 상실되어 AC 전원으로 구동되는 주 감시시스템이 마비되는 사고발생시, 독립적으로 작동하는 DC 배터리를 통해 사용후연료 저장조의 방사선 준위, 수위 및 수온의 변동 상황을 감지하여 비상 상황의 발생 여부를 감시하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 방사선 감지 센서는,
상기 사용후연료 저장조 내의 붕산수 표면으로부터 방출되는 방사선과 반응하여 가시광선을 발생시키는 섬광체와;
상기 섬광체에 연결되어 상기 섬광체에서 발생된 가시광선을 집속하여 상기 광섬유로 전송하는 집속관과;
상기 섬광체와 집속관의 외부를 감싸는 차폐체;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 수위 센서는,
상기 감지 프로브의 말단에서 반사되는 반사광을 상기 광섬유를 통해 전송함으로써, 상기 감지 프로브의 말단이 상기 사용후연료 저장조 내 붕산수와 접촉되는지의 여부에 따라 변화되는 반사광의 광 강도 변화를 통해 사용후연료 저장조 내 붕산수의 수위 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 감지 프로브는,
상기 사용후연료 저장조 내에서 높이 조절이 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 감지 프로브는,
상기 사용후연료 저장조 내에 일정 높이 간격으로 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 온도 센서는,
상기 사용후연료 저장조 내의 붕산수 표면에서 방사되는 적외선을 집속하여 상기 광섬유로 전송하는 광학장비를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보조 감시시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 신호 변환/수집 장치는,
상기 방사선 감지 센서, 수위 센서 및 온도 센서로부터 상기 광섬유를 통해 전달되는 각각의 광신호를 전기신호로 변환하는 신호변환부와;
상기 변환된 각각의 전기신호를 증폭하는 신호증폭부와;
상기 신호증폭부에서 증폭된 상기 각각의 전기신호를 수집하여 상기 신호분석장치에 전달하는 신호수집부;
를 포함하여 구성되며,
상기 DC 전원부로부터 공급되는 전압을 조절하여 상기 신호변환부 및 신호증폭부에 공급하는 전압조절부가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 7항에 있어서,
상기 신호증폭부는,
MPPC(Multi-pixel photon counter) 증폭시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 7항에 있어서,
상기 신호변환부에는,
상기 방사선 감지 센서로부터 전송되는 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환소자가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 7항에 있어서,
상기 신호변환부에는,
상기 수위 센서로부터 전송되는 광신호를 전기신호로 변환하는 광 스펙트로미터가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 7항에 있어서,
상기 신호변환부에는,
상기 온도 센서로부터 전송되는 광신호를 전기신호로 변환하는 서모파일 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 광섬유는,
10m 내지 15m의 길이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 사용후연료 저장조의 보조 감시시스템.
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| JPH05288590A (ja) * | 1992-04-13 | 1993-11-02 | Toshiba Corp | 原子炉水位測定装置 |
| JPH09211138A (ja) * | 1996-01-31 | 1997-08-15 | Toshiba Corp | 光ファイバ放射線モニタシステム |
| KR970706581A (ko) * | 1995-07-14 | 1997-11-03 | 제이 엘. 차스킨 | 원자로 보호 시스템(Reactor Protection System) |
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2012
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Patent Citations (4)
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