KR101474068B1 - The nuclear power plant monitering system for environment using the fiber bragg grating - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자력발전소 사고 발생시 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating, FGB) 센서의 브래그 파장의 변화를 이용하여 원전 내부에 구역별 온도를 실시간 모니터링 할 수 있고, 방사선 누출시 광섬유 브래그 격자 센서의 특정격자 사이의 광섬유 방사선 유입손실(Radiation Induced Loss, RIL)을 측정하여 방사선 누출량과 방사선 누출위치를 예상할 수 있는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a nuclear power plant environmental monitoring system using an optical fiber Bragg grating, and more particularly, to a nuclear power plant environmental monitoring system using a fiber Bragg grating (FGB) It is possible to monitor in real time and measure the radiation induced loss (RIL) between specific lattices of the fiber Bragg grating sensor during radiation leakage, so as to estimate the radiation leakage amount and radiation leakage position. Monitoring system.
Description
본 발명은 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자력발전소 사고 발생시 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating, FGB) 센서의 브래그 파장의 변화를 이용하여 원전 내부에 구역별 온도를 실시간 모니터링 할 수 있고, 방사선 누출시 광섬유 브래그 격자 센서의 특정격자 사이의 광섬유 방사선 유입손실(Radiation Induced Loss, RIL)을 측정하여 방사선 누출량과 방사선 누출위치를 예상할 수 있는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a nuclear power plant environmental monitoring system using an optical fiber Bragg grating, and more particularly, to a nuclear power plant environmental monitoring system using a fiber Bragg grating (FGB) It is possible to monitor in real time and measure the radiation induced loss (RIL) between specific lattices of the fiber Bragg grating sensor during radiation leakage, so as to estimate the radiation leakage amount and radiation leakage position. Monitoring system.
후쿠시마 원전 사고와 같이 지진이나 해일로 인하여 원자력발전소의 전력계통의 침수로 월활한 전력공급이 되지 않을 경우 외부에서 전력을 공급해주지 못하면 기존 전기식 센서로는 원전 내부의 온도측정이 불가능하며, 침수로 인해서 원전센서의 계측/제어 장비에도 문제가 발생할 가능성이 크다.If power supply is not provided due to flooding of power system of nuclear power plant due to earthquake or tsunami such as Fukushima nuclear accident, if electric power can not be supplied from outside, existing electric sensor can not measure temperature inside nuclear power plant. There is a great possibility that problems with the measurement / control equipment of the nuclear sensor are also generated.
이러한 문제점의 해결책으로 센서의 구동에 전원이 필요 없고, 원거리에서도 원격지 환경을 측정할 수 있는 광섬유 브래그 격자 센서가 유력한 대안으로 제시되고 있다. 광섬유 브래그 격자 온도 센서는 수 km 이상의 원격지에서 센서에 전원공급 없이도 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 파장의 변이측정으로 설치된 환경의 온도를 정밀하게 측정이 가능하다. 그러나, 이 파장의 변화는 온도뿐만 아니라 방사선에도 영향을 받아 방사선환경에서 온도를 측정하는 센서로 구현하기에는 기술적 한계가 있다. As a solution to this problem, a fiber Bragg grating sensor which can measure the remote environment from a remote place without power source is suggested as a powerful alternative. The fiber Bragg grating temperature sensor can measure the temperature of the installed environment precisely by measuring the wavelength variation reflected from the fiber Bragg gratings without powering the sensor at distances of several km or more. However, the change of this wavelength is technically limited by the fact that it is affected not only by temperature but also by radiation.
광섬유 브래그 격자 센서의 경우 파장 1550nm에서 대략 25 ℃에서 65 ℃ 사이의 온도에서 α(열팽창계수)는 약 10 pm/℃ 이다. 즉 온도가 1 ℃ 변화 할 때마다 10 pm 정도 이동하게 된다. 하지만, 온도가 일정하더라도 광섬유 브래그 격자 센서가 방사선에 노출되면 브래그 파장의 이동현상이 발생한다. 즉 방사선 환경에서 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 온도를 측정하기 위해서는 방사선에 의한 브래그 파장 변화(Bragg Wavelength Shift, BWS)를 고려해서, 방사선의 영향을 보상하여 정확한 온도를 계측해야 되는 문제점이 있다. For a fiber Bragg grating sensor, the α (coefficient of thermal expansion) is about 10 pm / ° C at a temperature between about 25 ° C and 65 ° C at a wavelength of 1550 nm. That is, each time the temperature changes by 1 ° C, it moves by about 10 pm. However, even if the temperature is constant, the Bragg wavelength shift occurs when the fiber Bragg grating sensor is exposed to radiation. In other words, in order to measure temperature using a fiber Bragg grating sensor in a radiation environment, it is necessary to measure the accurate temperature by compensating for the influence of radiation in consideration of Bragg wavelength shift (BWS) due to radiation.
또한, 종래의 시스템에서는 온도와 방사선량을 한꺼번에 측정할 수 있는 시스템이 부재하여, 온도 측정 시스템과 반사선량 측정 시스템을 별도로 배치하여 비용 및 설치공간의 낭비를 초래하였다.
Also, in the conventional system, there is no system capable of measuring the temperature and the radiation dose at a time, and the temperature measurement system and the reflection dose measurement system are separately disposed, resulting in cost and installation space.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 전기식 센서를 대체할 수 있는 광섬유 브래그 격자 센서를 활용하여 별도의 전원이 필요 없고, 수십 km 떨어진 곳에서 광섬유 브래그 격자 센서의 반사파장을 분석하여 온도를 측정할 수 있는 시스템을 제공하는 데에 있다.It is an object of the present invention to provide an optical fiber Bragg grating sensor capable of replacing an existing electric sensor, so that a separate power source is not necessary, and an optical fiber Bragg grating And to provide a system capable of measuring temperature by analyzing the reflection wavelength of the lattice sensor.
또한, 원전 사고 발생시 광섬유 브래그 격자 센서의 브래그 파장의 변화를 이용하여 원전 내부에 구역별 온도를 실시간 모니터링 할 수 있고, 방사선 누출시 광섬유 브래그 격자 센서의 특정격자 사이의 광섬유 방사선 유입손실을 측정하여 방사선 누출량과 방사선 누출위치를 예상할 수 있는 시스템을 제공하는 데에 있다.
In addition, it is possible to monitor the zone temperature inside the nuclear reactor in real time using the change of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating sensor when the nuclear accident occurs, and to measure the loss of the optical fiber radiation inflow between specific grids of the fiber Bragg grating sensor upon radiation leakage, And to provide a system capable of predicting the amount of leakage and the position of radiation leakage.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원자로 격납용기 내부에 설치되는 센서부와 광섬유; 원자력발전소내부의 제어실에 위치하며, 광섬유에 의해서 연결되는 전원부와 계측부;를 포함하고, 상기 센서부는 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating, FGB) 온도센서와 광섬유 브래그 격자 변형률센서로 구성되며, 상기 광섬유 브래그 격자 변형률센서에서 측정된 브래그 파장의 변화량에서 상기 광섬유 브래그 격자 온도센서에서 측정된 브래그 파장의 변화량을 뺀 변형률에 의한 브래그 파장의 변화량을 계산하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a nuclear reactor including a sensor unit and an optical fiber installed in a reactor containment vessel; A fiber Bragg grating (FGB) temperature sensor and an optical fiber Bragg grating strain sensor, wherein the sensor unit includes a fiber bragg grating (FGB) temperature sensor and a fiber Bragg grating strain sensor, and the optical fiber Bragg grating strain sensor is disposed in a control room inside the nuclear power plant, Wherein the temperature is measured by calculating a change amount of Bragg wavelength due to a strain obtained by subtracting a change amount of the Bragg wavelength measured by the optical fiber Bragg grating temperature sensor from a change amount of the Bragg wavelength measured by the grating strain sensor. Provides an environmental monitoring system.
또한, 본 발명은 원자로 격납용기 내부에 설치되는 센서부와 광섬유; 원자력발전소내부의 제어실에 위치하며, 광섬유에 의해서 연결되는 전원부와 계측부;를 포함하고, 상기 센서부는 제 1 광섬유 브래그 격자 온도센서, 제 1 광섬유 브래그 격자 변형률센서, 방사선 측정용 광섬유 센서, 제 2 광섬유 브래그 격자 온도센서, 제 2 광섬유 브래그 격자 변형률센서로 구성되며, 상기 제 1 및 제 2 광섬유 브래그 격자 변형률센서에서 측정된 브래그 파장의 변화량에서 상기 제 1 및 제 2 광섬유 브래그 격자 온도센서에서 측정된 브래그 파장의 변화량을 뺀 변형률에 의한 브래그 파장의 변화량을 계산하여 온도를 측정하며, 상기 방사선 측정용 광섬유 센서는 선량률(Dose rate)에 상관없이 일정한 손실을 나타내서 방사선에 의한 선형적 유입손실을 측정하여 반사선 선량을 계산하는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템을 제공한다.
The present invention also relates to a sensor unit and an optical fiber installed in a nuclear reactor containment vessel. A first fiber Bragg grating temperature sensor, a first fiber Bragg grating strain sensor, a radiation measurement fiber optic sensor, a second optical fiber Bragg grating temperature sensor, a first optical fiber Bragg grating strain sensor, Bragg grating temperature sensor and a second optical fiber Bragg grating strain sensor, wherein the Bragg grating temperature sensor and the second fiber Bragg grating strain sensor measure a change in Bragg wavelength measured by the first and second fiber Bragg grating strain sensors, The optical fiber sensor for measuring a radiation has a constant loss irrespective of a dose rate and measures a linear inflow loss by the radiation, And calculating a dose using the optical fiber Bragg grating. Provide nuclear environment monitoring system.
본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템에 따르면 원전 사고 발생시 원전 내부 구역에 따른 온도 분포를 실시간 측정할 수 있으며, 방사선 누출 발생시 방사선 선량 및 누출 위치를 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서 온도와 방사선 선량계측을 통한 원전 내부 상태를 진단하여 사고 원인을 신속하게 분석하여 사고확대를 방지 할 수 있는 효과가 있다.According to the nuclear power plant environmental monitoring system using the optical fiber Bragg grating according to the present invention, it is possible to measure the temperature distribution according to the inside of the nuclear power plant in real time in case of nuclear accident, and to measure the radiation dose and leakage position in case of radiation leakage. Therefore, it is possible to diagnose the internal state of nuclear power plants through temperature and radiation dosimetry, and to quickly analyze the cause of the accident and prevent the accident from spreading.
또한, 원자력발전소 내부 및 외부에 각각 광섬유로 연결된 계측부와 전원부를 가지고 있어서, 하나의 계측부와 전원부에 이상이 발생한 경우에도 이를 대체할 수 있는 효과가 있으며, 원격 관리의 편의성이 증대된다.In addition, since the measuring unit and the power unit are respectively connected to the inside and the outside of the nuclear power plant by optical fibers, it is possible to replace the measuring unit and the power unit when an abnormality occurs, and the convenience of remote management is increased.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 서로 다른 광섬유에 따라 파장 1550nm에서의 브래그 파장의 이동현상을 보여주고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템의 구성도이다.
도 5 내지 6은 본 발명의 일실시예에 따른 센서부의 구성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템에서 전원부와 계측부의 구성도이다.1 is a conceptual diagram of an optical fiber Bragg grating according to the present invention.
2 shows a structure of an optical fiber Bragg grating according to the present invention.
3 shows the phenomenon of the Bragg wavelength traveling at a wavelength of 1550 nm according to different optical fibers.
4 is a block diagram of a nuclear power plant environmental monitoring system using an optical fiber Bragg grating according to the present invention.
5 to 6 show a configuration of a sensor unit according to an embodiment of the present invention.
7 is a configuration diagram of a power unit and a measuring unit in a nuclear power plant environmental monitoring system using an optical fiber Bragg grating according to the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a nuclear power plant environmental monitoring system using an optical fiber Bragg grating according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리에 있으며, 광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파되게 된다. 이러한 광섬유의 주성분은 실리카 유리로 이루어져 있으며, 그 구조는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성되어 있다. The principle of propagation of light in an optical fiber is a principle of total reflection in which light is reflected at a certain angle at a boundary when light propagates from a material having a high refractive index to a material having a low refractive index. And the cladding layer having a low refractive index, and is propagated along the optical fiber core portion. The main component of the optical fiber is made of silica glass. The structure of the optical fiber is composed of a core portion which is a center of the optical fiber to which germanium is added so that the refractive index is slightly higher, and a cladding portion which is an overlay layer which protects the center.
광섬유 브래그 격자 배열형 센서는, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다. The fiber Bragg grating array type sensor uses a characteristic in which a plurality of optical fiber Bragg gratings are formed on a single optical fiber by a certain length and then the wavelength of light reflected from each grating is changed according to changes in external conditions such as temperature and intensity Sensor. Generally, a germanium (Ge) material is added to the optical fiber core in order to increase the refractive index of the cladding rather than the cladding. In this process, structural defects may occur during the deposition of the material on the silica glass. In this case, when a strong ultraviolet ray is irradiated to the optical fiber core, the refractive index of the optical fiber is changed while the bonding structure of germanium is deformed. The fiber Bragg grating refers to a periodic change in the refractive index of the optical fiber core using this phenomenon. This grating reflects only the wavelengths satisfying the Bragg condition and transmits the other wavelengths as they are. When the ambient temperature of the grating is changed or a tensile force is applied to the grating, the refractive index or length of the optical fiber is changed, so that the wavelength of the reflected light is changed. Therefore, temperature, tensile, pressure, bending, etc. can be detected by measuring the wavelength of light reflected from the fiber Bragg grating.
광섬유 브래그 격자 배열형 센서에는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 빛의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장분할방식이라 하는데, 이 방법에서는 광원의 한정된 선폭에 의하여 동시에 측정할 수 있는 격자의 개수에 제약을 받는다. 측정할 수 있는 격자의 개수를 증가시키기 위한 방법으로 파장분할방식과 시간분할방식을 병행하기도 한다. Fiber Bragg Gratings Arrayed sensors use multiple gratings in a single strand of optical fiber. In this case, the reflections of the gratings are all different, so the physical quantities of a particular grating can be easily distinguished from the reflected light spectrum. This method is referred to as a wavelength division method. In this method, the number of gratings that can be simultaneously measured by the limited line width of the light source is limited. As a method for increasing the number of gratings that can be measured, a wavelength division method and a time division method are used in parallel.
브래그 격자 센서 어레이의 가장 큰 응용 중에 하나는 구조물의 상태를 진단하는 smart structure가 있다. 교량, 댐, 건축물 등의 제작 시에 콘크리트 내부에 광섬유 격자 어레이를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 감지하여 구조물의 안전상태를 진단할 수 있다. 항공기나 헬리콥터 등의 날개 상태 진단 등에도 응용되고 있다. One of the largest applications of the Bragg grating sensor array is a smart structure that diagnoses the condition of the structure. In the case of bridges, dams, buildings, etc., the optical fiber grating array is installed inside the concrete, and the safety condition of the structure can be diagnosed by detecting tensile distribution and bending degree inside the structure. It is also applied to diagnosis of wing condition of aircraft or helicopter.
광섬유 브래그 격자는 도 1에 도시된 바와 같이 코어(101)를 중심으로 클레딩(102)이 형성되고, 형성된 크레딩(102)의 외면에 자켓(103)이 형성된 것으로, 코어(101)에는 자외선에 노출되는 경우 굴절률이 증가할 수 있도록 게르마늄(Ge) 등을 이용한 격자(104)를 형성한다. 따라서 코어(101)로 입사되는 입사파(I)는 격자(104)에서 굴절율에 따른 필터링이 수행되며 반사된다. 따라서 방사선 조사전과 조사후의 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 반사파(R)의 광파워를 비교하여 방사선 조사선량에 따른 광섬유의 방사선 유입손실을 측정할 수 있으며, 광섬유의 유입손실 크기에 따라 방사선의 양을 측정할 수 있는 방사선 측정센서를 구성할 수 있다. 이러한 센서의 경우 전자파 등에 의한 노이즈를 발생시키지 않고, 광섬유의 유입손실과 그에 따른 방사선 선량을 측정할 수 있는 효과가 있다.As shown in FIG. 1, the optical fiber bragg grating has a
도 2는 광섬유 브래그 격자의 구조를 나타낸 것이다. 광대역의 스펙트럼을 광섬유에 입사시킬 경우, 아래에 주어진 식(1)과 같은 브래그 조건식에 만족하는 파장 성분이 광섬유 브래그 격자에서 반사되며, 나머지 파장 성분은 그대로 통과하여 광 스펙트럼 분석기에 나타난다. 2 shows the structure of an optical fiber Bragg grating. When a broadband spectrum is incident on an optical fiber, a wavelength component satisfying the Bragg condition equation (1) given below is reflected from the fiber Bragg grating, and the remaining wavelength components pass through the optical spectrum analyzer.
위의 식에서 n은 광섬유 코어의 유효 굴절률(effective refractive index)이며, Λ 는 격자와 격자 사이의 간격(grating period)이다. Where n is the effective refractive index of the optical fiber core and Λ is the grating period between gratings.
격자에서 반사되는 브래그 파장은 식(1)과 같이 유효 굴절률과 격자간격의 함수이며, 광섬유 브래그 격자에 온도나 압력 등의 외부 물리량을 인가할 경우 브래그 파장이 달라진다. 그러므로 브래그 파장의 변화를 측정한다면 광섬유 브래그 격자에 인가된 물리량을 구할 수 있다. 먼저 온도 변화(△T)에 대한 브래그 중심파장 λB의 변화량 △λB는 The Bragg wavelength reflected from the lattice is a function of the effective refractive index and the lattice spacing as shown in equation (1), and the Bragg wavelength changes when external physical quantities such as temperature and pressure are applied to the fiber Bragg grating. Therefore, if the change in Bragg wavelength is measured, the physical quantity applied to the fiber Bragg grating can be obtained. First variation △ λ B of the Bragg center wavelength λ B with respect to temperature change (△ T) is
이며, 여기서 α는 광섬유의 온도에 따른 팽창 계수(thermal expansion coefficient)로 실리카(silica) 유리의 경우 약 0.55 × 10-6/℃ 이며 , Z는 온도에 의한 광섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열 광학계수(thermal-optic coefficient)로서 약 8.3 ×10-6/℃ 이다. 위와 같이 온도에 의한 브래그 파장의 변화는 굴절률 변화에 기인함을 알 수 있다. 또한 strain 변화에 대한 브래그 중심 파장의 변화는 아래의 식(3)과 같으며,Where α is the thermal expansion coefficient according to the temperature of the optical fiber, about 0.55 × 10 -6 / ° C for the silica glass, and Z is the thermal optical coefficient representing the refractive index change of the optical fiber due to temperature thermal-optic coefficient) of about 8.3 × 10 -6 / ° C. It can be seen that the change of the Bragg wavelength due to the temperature is due to the change of the refractive index. The change of the Bragg center wavelength with respect to the strain change is shown in the following equation (3)
여기서, Pe는 광탄성 상수(photo-elastic constant)로 게르마늄 실리카 유리(germano-silicate glass)의 경우 대략 0.22의 값을 가지며, ε은 광섬유 격자에 가해진 strain이다. 그러므로 위의 식 (2)와 (3)에 의하여 광섬유 브래그 격자의 중심파장 변화는 온도와 압력에 의해서 변화함을 알 수 있다. Here, Pe is a photo-elastic constant with a value of approximately 0.22 for germanium-silicate glass, and is the strain applied to the fiber grating. Therefore, it can be seen from the above equations (2) and (3) that the change in the central wavelength of the fiber Bragg grating varies with temperature and pressure.
도 3은 서로 다른 광섬유에 따라 파장 1550nm에서의 브래그 파장의 이동현상을 보여주고 있다. 광섬유 브래그 격자 센서의 경우 파장 1550nm에서 대략 25 ℃에서 65 ℃ 사이의 온도에서 α(열팽창계수)는 약 10 pm/℃ 이다. 즉 온도가 1 ℃ 변화 할 때마다 이 10 pm 정도 이동하게 된다. 하지만 도 3에서 보이듯이 온도는 일정하더라도 광섬유 브래그 격자 센서가 방사선에 노출되면 브래그 파장의 이동현상이 발생한다. 즉 방사선 환경에서 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 온도를 측정하기 위해서는 방사선에 의한 BWS의 영향을 고려해서, 방사선의 영향을 보상하여 정확한 온도를 계측해야 한다. 3 shows the phenomenon of the Bragg wavelength traveling at a wavelength of 1550 nm according to different optical fibers. For a fiber Bragg grating sensor, the α (coefficient of thermal expansion) is about 10 pm / ° C at a temperature between about 25 ° C and 65 ° C at a wavelength of 1550 nm. That is, each time the temperature changes by 1 ° C, it moves by about 10 pm. However, as shown in FIG. 3, even if the temperature is constant, a Bragg wavelength shift occurs when the fiber Bragg grating sensor is exposed to radiation. In other words, in order to measure the temperature using a fiber Bragg grating sensor in a radiation environment, it is necessary to measure the exact temperature by compensating the influence of the radiation in consideration of the influence of the BWS by the radiation.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템의 구성도이다. 모니터링 시스템은 크게 전원부(300), 계측부(400), 광섬유(100), 센서부(200)로 구성되어 있다. 전원부(300)는 광섬유(100)에 의해서 센서부(200)와 연결되어 있으며, 원자력발전소 내부 및 외부에 설치하여 원전 사고 발생시에도 상시 동작할 수 있도록 설치된다. 통상적으로 전원부(300)는 도 7에 도시된 것과 같이 LED SOURCE로 구성되며, 전원부(300)에 대한 자세한 내용은 이미 공지된 것이므로 설명을 생략한다.4 is a block diagram of a nuclear power plant environmental monitoring system using an optical fiber Bragg grating according to the present invention. The monitoring system includes a
계측부(400)는 전원부(300)와 동일한 장소에 설치되며, 광섬유(100)와 센서부(200)에서 나오는 광신호(광세기, 광파장 변화)를 측정하는 역할을 한다. 계측부(400)에 대한 자세한 구성이 도 7에 나타나 있으며, 계측부(400)에 대한 자세한 내용은 이미 공지된 것이므로 설명을 생략한다. 광섬유(100)는 광신호의 전송로로 이용되기도 하며, 방사선 누출량을 감지하는 센서로도 활용된다. The measuring
센서부(200)는 원자로 격납용기 내부에 배치되는 것이 일반적이며, 원자력발전소 내의 온도 및 방사선 누출량을 감지하기 위해 원자력발전소의 특정위치에도 배치 될 수도 있다.The
도 5 내지 6은 본 발명의 일실시예에 따른 센서부의 구성을 나타낸 것이다.5 to 6 show a configuration of a sensor unit according to an embodiment of the present invention.
도 5는 방사선 영향으로 인한 브래그 파장 변화를 보정하는 센서부(200)의 구성으로, 센서부(200)는 광섬유(100)의 일측에 광섬유 브래그 격자 온도센서(230)와 광섬유 브래그 격자 변형률센서(240)가 각각 배치되어 있다. 상기 센서들의 배치순서는 무관하며, 배치시 어느 정도의 간격을 가지고 배치되는 것이 일반적이다. 상기 광섬유 브래그 격자 온도센서(230)는 온도변화에 따른 브래그 파장의 변화를 감지하여 온도를 측정하고, 광섬유 브래그 격자 변형률센서(240)는 열팽창 값을 측정하여 열팽창계수로 나누어 온도를 측정한다. 광섬유 브래그 격자 센서는 방사선 영향으로 인해서 브래그 파장이 미세하게 변화된다. 이것을 보상하기 위해서 온도 변화에 의한 브래그 파장의 변화량(△λT), 방사선 선량에 의한 브래그 파장의 변화량(△λR), 변형률에 의한 브래그 파장의 변화량(△λS)을 측정하여 그 값을 서로 보정하면 방사선 영향에 무관한 정확한 온도값을 산출할 수 있게 된다.The
광섬유 브래그 격자 온도센서(230)의 브래그 파장의 변화량 변수인자는 식(4)와 같고, 광섬유 브래그 격자 변형률센서(240)의 브패그 파장의 변화량 변수인자는 식(5)와 같다.The variable parameter of the Bragg wavelength of the optical fiber Bragg grating
식(4)와 식(5)에 의해서 방사선과 온도의 영향을 뺀 변형률에 의한 브래그 파장의 변화량(△λS)을 결정할 수 있다.By use of Expression (4) and (5) may determine a change amount (△ λ S) of the Bragg wavelength due to the strain obtained by subtracting the effects of radiation and temperature.
그러므로 외부의 응력이나 하중에 의한 변형이 발생하지 않을 경우, 변형률에 의한 브래그 파장의 변화량은 단지 변형률 센서의 금속(ex. SUS 304)이 온도변화에 의한 길이 변화(열팽창)에 영향을 받는다. 일반적으로 변형률 센서의 브래그 파장의 변화에 따른 변형률값은 식(7)과 같다. 예를 들어 온도변화에 의한 길이 변화로 브래그 파장이 120 pm 가 변했을 경우, 변형률값은 100 값을 가지게 된다.Therefore, when the stress due to external stress or load does not occur, the amount of change in Bragg wavelength due to the strain is influenced only by the change in length (thermal expansion) due to the temperature change of the metal (ex. SUS 304) of the strain sensor. In general, the strain value according to the change of the Bragg wavelength of the strain sensor is expressed by Equation (7). For example, when the Bragg wavelength is changed by 120 pm due to the temperature change, the strain value becomes 100.
dL: 길이 변화량dL: Length variation
L: 원래의 길이L: original length
온도에 따른 금속의 열팽창계수(αm)는 일반적으로 정해져있고, 열팽창량(Qs)은 식(7)로 나타낼 수 있으며, 식(6)에서 계산된 strain 값을 식(7)의 열팽창량(Qs)에 대입하여 계산하면 순수한 온도변화를 계산할 수 있다.The coefficient of thermal expansion (αm) of the metal with temperature is generally determined and the amount of thermal expansion Qs can be expressed by
열팽창량(Qs) = 길이(L) × 열팽창계수(αm) × 온도변화(℃) 식(7)Thermal expansion coefficient (Qs) = length (L) x thermal expansion coefficient (? M) x temperature change (占 폚)
상기와 같은 방법으로 방사선 영향에 무관한 정확한 온도를 계측할 수 있게 된다.The accurate temperature irrespective of the radiation influence can be measured by the above-described method.
도 6은 온도와 방사선 선량을 동시에 측정할 수 있는 센서부(200)의 구성으로, 센서부(200)는 광섬유(100)의 일측에 제 1 광섬유 브래그 격자 온도센서(231), 제 1 광섬유 브래그 격자 변형률센서(241), 방사선 측정용 광섬유 센서(220), 제 2 광섬유 브래그 격자 온도센서(232), 제 2 광섬유 브래그 격자 변형률센서(242)의 순서로 배치된다. 각각 하나의 온도센서와 변형률센서 사이에 방사선 측정용 광섬유 센서(220)가 배치되는 구조로, 온도센서와 변형률센서 사이의 순서는 무관하나, 방사선 측정용 광섬유 센서(220)는 상기 제 1 및 제 2 센서들의 사이에 배치되어야만 한다. 6 is a configuration of a
방사선 측정용 광섬유 센서(220)는 본 시스템에서 쓰이는 광섬유(100)와는 다른 재질로 구성되어 있다. 방사선 측정용 광섬유는 선량률(Dose rate)에 상관없이 일정한 손실을 나타내어야만 한다. 이는 방사선 크기에 따라 일정한 손실을 보여주어야 센서로 이용이 가능하기 때문이다. 예를 들어 게르마늄(Germanium, Ge)이 함유된 일반 단일모드 광섬유의 경우 동일한 누적선량(Total Dose)에 노출되더라도 선량률이 높아지면 손실이 높아지게 되는데, 이는 게르마늄을 함유하게 되면 선량률에 대한 민감도가 커지기 때문이다. 따라서, 이를 해결하기 위해서 인(Phosphorus, P)이 첨가된 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 방사선 측정용 광섬유(110)의 코어에는 게르마늄과 인이 함유된 것이 바람직하다. 또한 실시예에 따라 인외에 메탈릭 계열의 성분 또는 희토류 성분을 첨가할 수도 있다.The radiation measuring
온도 측정 방법은 상술한 방법과 동일하며 방사선 선량의 측정 방법은 다음과 같다.The temperature measurement method is the same as the above-mentioned method, and the measurement method of the radiation dose is as follows.
방사선의 조사 전과 조사 중에 광섬유(100)를 통해 제 1 및 2 광섬유 브래그 격자 온도센서(231, 232) 또는 제 1 및 2 광섬유 브래그 격자 변형률센서(241, 242)로 입사된 입사파와 격자에서 굴절된 반사파의 크기를 측정하여 비교함으로써 유입손실을 측정할 수 있다. 방사선의 조사량과 유입손실 사이의 실험적으로 구한 정량적인 관계를 통해서 상기에서 구한 유입손실로부터 방사선 선량을 측정할 수 있게 된다. Reflected at the first and second fiber Bragg grating
본 발명에서 사용되는 광섬유 브래그 격자 온도센서들과 변형률센서들은 이를 구성하는 광섬유 브래그 격자들이 상호 상이한 파장의 파동을 굴절시킬 수 있도록 구성하여 다양한 파장에서 유입손실을 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.It is preferable that the optical fiber Bragg grating temperature sensors and strain sensors used in the present invention are configured such that the optical fiber Bragg gratings constituting the optical fiber Bragg grating temperature sensors and the strain sensors can refract the waves of different wavelengths to measure the inflow loss at various wavelengths.
즉, 다양한 파장의 방사선에 의하여 발생되는 광섬유 유입손실을 측정함으로써 방사선 유입손실 사이의 다양한 정량적 관계를 획득하고, 광섬유 브래그 격자 센서를 통하여 방사선 선량을 측정하는 경우 측정된 방사선 선량의 신뢰성을 높일 수 있도록 하는 것이 바람직하다. In other words, it is possible to obtain various quantitative relations between the radiation inflow loss by measuring the optical fiber inflow loss caused by radiation of various wavelengths, and to increase the reliability of the measured radiation dose when measuring the radiation dose through the fiber Bragg grating sensor .
또한, 원자로 격납용기 외부에 위치하는 광섬유의 일단에 광섬유 브래그 격자 기준센서를 연결하면, 상기 센서들의 이상유무를 확인할 수 있게 된다.
In addition, if an optical fiber Bragg grating reference sensor is connected to one end of an optical fiber located outside the reactor containment vessel, it is possible to check whether the sensors are abnormal.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
100: 광섬유
200: 센서부
300: 전원부
400: 계측부100: Optical fiber
200:
300:
400:
Claims (6)
원자력발전소내부의 제어실에 위치하며, 광섬유에 의해서 연결되는 전원부와 계측부;를 포함하고,
상기 센서부는 제 1 광섬유 브래그 격자 온도센서, 제 1 광섬유 브래그 격자 변형률센서, 방사선 측정용 광섬유 센서, 제 2 광섬유 브래그 격자 온도센서, 제 2 광섬유 브래그 격자 변형률센서로 구성되며,
상기 제 1 및 제 2 광섬유 브래그 격자 변형률센서에서 측정된 브래그 파장의 변화량에서 상기 제 1 및 제 2 광섬유 브래그 격자 온도센서에서 측정된 브래그 파장의 변화량을 뺀 변형률에 의한 브래그 파장의 변화량을 계산하여 온도를 측정하며,
상기 방사선 측정용 광섬유 센서는 선량률(Dose rate)에 상관없이 일정한 손실을 나타내서 방사선에 의한 선형적 유입손실을 측정하여 반사선 선량을 계산하고,
상기 제 1 및 제 2 광섬유 브래그 격자 온도센서와 상기 제 1 및 제 2 광섬유 브래그 격자 변형률센서의 광섬유 브래그 격자들은 상호 상이한 파장을 굴절시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전 환경 모니터링 시스템.A sensor part and an optical fiber installed inside the reactor containment vessel;
And a power unit and a measuring unit, which are located in a control room inside the nuclear power plant and are connected by an optical fiber,
The sensor unit includes a first optical fiber Bragg grating temperature sensor, a first optical fiber Bragg grating strain sensor, a radiation measuring optical fiber sensor, a second optical fiber Bragg grating temperature sensor, and a second optical fiber Bragg grating strain sensor,
The first optical fiber Bragg grating strain sensor and the second optical fiber Bragg grating strain sensor, the first and second optical fiber Bragg grating strain sensors each measuring a change in the Bragg wavelength by a strain obtained by subtracting a change amount of the Bragg wavelength measured by the first and second fiber Bragg grating temperature sensors, Respectively,
The optical fiber sensor for measuring a radiation has a constant loss irrespective of a dose rate (Dose rate), calculates a reflected beam dose by measuring a linear inflow loss by radiation,
Wherein the first and second optical fiber Bragg grating temperature sensors and the optical fiber Bragg gratings of the first and second optical fiber Bragg grating strain sensors refract different wavelengths.
상기 전원부와 계측부는 원자력발전소 외부에 설치되어 광섬유로 연결되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전환경 모니터링 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the power unit and the metering unit are installed outside the nuclear power plant and connected by an optical fiber.
상기 원자로 격납용기 외부에 위치하는 광섬유의 일단에 광섬유 브래그 격자 기준센서가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전환경 모니터링 시스템.3. The method of claim 2,
And an optical fiber Bragg grating reference sensor is further connected to one end of the optical fiber located outside the reactor containment vessel.
상기 방사선 측정용 광섬유 센서의 코어에는 선량률에 민감도가 낮은 인(P) 성분이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자를 이용한 원전환경 모니터링 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the core of the optical fiber sensor for radiation measurement is doped with phosphorus (P) having a low sensitivity to a dose rate.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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