KR101549699B1 - 감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도 및 수위를 측정하기 위한 감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도를 측정하기 위해 광섬유를 통해 수신된 광신호를 수집부로 반사시키는 감지부는, 수집부와 연결되어 광신호를 수신하는 광섬유; 광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스; 및 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하고, 광섬유는 케이스 내에서 수용액과 접촉하며, 광섬유와 수용액의 접촉부에서 수신된 광신호를 반사시키는 것을 특징으로 한다.

Description

감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치{SENSING UNIT AND OPTICAL FIBER SENSOR APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도 및 수위를 측정하기 위한 감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유(optical fiber)는 고주파 및 전자기파에 간섭을 받지 않고, 방사선 환경에서 사용이 가능하며 신호의 원거리 전송이 가능하다는 장점을 가진다. 또한 광섬유는 광신호의 전송부로서의 일반적인 역할뿐만 아니라 감지부로 사용이 가능하기 때문에 광섬유 기반의 물리, 생물, 화학, 방사선 센서는 산업계, 의료계를 비롯한 원자력 계통 분야 등에서 널리 사용되고 있다.
우리나라는 1978년 고리 원자력 발전소를 시작으로 현재까지 23기의 원자로가 가동 중에 있으며, 국내 총 전력 발전량의 약 24%를 차지하고 있다. 원자력 발전소는 다른 발전소에 비해서 초기 건설비와 시간이 많이 소요되고, 방사성폐기물의 발생이라는 위험성을 가지고 있음에도 불구하고, 원자력 발전의 전력 판매 단가는 다른 전력 발전소에 비해서 싸다는 장점으로 원자력 발전소의 수가 점점 증가하는 추세에 있다. 하지만 방사성 물질을 다루는 원자력 발전은 사고 발생 시 큰 위험을 초래하기 때문에 원전 내외부의 실시간 모니터링이 반드시 필요하다. 특히 방사선으로 인해 접근이 어렵고 내부의 전원이 상실되는 극단적인 상황이 발생할 경우, 실시간 내부정보를 제공받지 못함에 따라 안전성에 큰 문제가 발생할 수 있다. 따라서 원전 내부의 정보를 외부에서 실시간 감시할 수 있는 원거리 측정 시스템의 개발이 필요하다.
고준위 폐기물(high-level waste)인 사용후핵연료는 지속적인 핵분열(nuclear fission)로 인한 붕괴열(decay heat)이 발생하고 방사선을 방출하기 때문에 건식 또는 습식 저장조(storage pool)에 보관되고 있다. 습식 저장조의 경우, 냉각수를 이용하여 사용후핵연료를 냉각 및 차폐시키므로 냉각수의 온도 및 수위 측정이 매우 중요하다. 국내 원자력 발전소 중 신고리 1, 2호기의 경우, 사용후핵연료 저장조의 수위는 핵연료집합체 상부로부터 약 7 m 이상, 냉각수로 사용되는 붕산수(borated water)의 온도는 정상출력 운전 중에는 48.9℃이하, 핵연료 재장전 운전 중에는 60℃이하로, 그리고 방사선 준위는 저장조 수면에서 0.025 mSv/hr 이하로 유지하도록 제한하고 있다.
현재, 사용후핵연료 습식 저장조의 온도 측정에 사용되는 장비로는 열전대(thermocouple), RTD(resistance temperature detector) 등이 있으며, 초음파 수위계(ultrasonic water-level meter)가 수위 측정에 사용되고 있다. 하지만 기존의 온도 및 수위를 측정하는 장비는 전기전자 기반의 감지부(sensing element)를 가지고, 내부의 전원을 공급받아 작동되므로 내부의 전원이 상실될 경우, 정상적인 작동이 불가능하고 단일 물리량만 측정이 가능하다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 위험성을 보완하고자 여러 나라에서는 원전사고 발생 시에서도 사용이 가능한 온도 및 수위 센서 시스템을 개발하여 극단적인 상황에 대응하려 하고 있다.
이에 관련하여, 발명의 명칭이 "광섬유 센서를 이용한 액위계, 수준기, 압력계 및 온도계"인 일본공개특허 제2006-047018호가 존재한다.
본 발명은 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도와 수위를 원격으로 측정할 수 있는 감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도를 측정하기 위해 광섬유를 통해 수신된 광신호를 수집부로 반사시키는 감지부는, 수집부와 연결되어 광신호를 수신하는 광섬유; 광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스; 및 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하고, 광섬유는 케이스 내에서 수용액과 접촉하며, 광섬유와 수용액의 접촉부에서 수신된 광신호를 반사시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 수용액은 염화나트륨 수용액일 수 있다.
또한, 케이스는 금속 재질일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부는 케이스의 개방면을 커버하는 커버를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 감지부는 광섬유의 단부를 지지하는 페룰(ferrule)을 포함하고, 케이스와 상기 광섬유를 연결하는 커넥터를 더 포함하여 구성될 수 있고, 여기서 페룰은 커버에 형성된 홀을 관통하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사용후핵연료를 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 광섬유 센서 장치는 광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스와 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하는 적어도 하나의 감지부; 광섬유를 통해 감지부에 광신호를 송신하고, 수용액과 광섬유의 접촉부에서 반사되어 되돌아오는 광신호를 수집하는 수집부; 및 수집된 광신호의 세기를 근거로 냉각수의 온도를 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 수집된 광신호의 세기는 수용액의 굴절률 변화에 따라 변하고, 수용액의 굴절률은 냉각수의 온도 변화에 따라 변할 수 있다.
또한, 측정부는, 저장된 광신호의 세기별 온도 데이터와 수집된 광신호의 세기를 비교함으로써, 냉각수의 온도를 산출할 수 있다.
또한, 수용액은 염화나트륨 수용액일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 장치는 수집부에서 송신한 광신호를 복수개의 감지부에 전달하는 광 커플러를 더 포함하여 구성될 수 있고, 광 커플러와 복수개의 감지부를 연결하는 복수개의 광섬유들은 서로 다른 길이를 가질 수 있다.
또한, 광 커플러는 복수개의 감지부로부터 반사된 복수개의 광신호들을 하나의 광신호로 중첩하여 수집부로 전달할 수 있다.
또한, 복수개의 감지부들은 냉각수를 수용하는 냉각조 내에서 서로 다른 깊이에 배치될 수 있다.
또한, 측정부는 냉각수 내에 위치된 하나 이상의 감지부를 통해 반사된 광신호와, 냉각수 외부에 위치된 다른 하나 이상의 감지부를 통해 반사된 광신호의 신호 차를 근거로, 냉각수의 수위를 측정할 수 있다.
또한, 감지부는 케이스의 개방면을 커버하는 커버를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 감지부는 광섬유의 단부를 지지하는 페룰을 포함하고, 케이스와 광섬유를 연결하는 커넥터를 더 포함하고, 수용액은 커넥터, 커버 및 케이스에 의해 밀봉될 수 있다.
본 발명의 감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치에 따르면 냉각수의 온도와 수위를 원격으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 감지부 및 이를 포함하는 광섬유 센서 장치에 따르면, 통신용으로 흔히 사용되는 광섬유를 본 발명에 적용하여, 부품의 손쉬운 구매 및 빠른 대체가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 감지부에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치에서 광섬유와 접촉하는 수용액의 굴절률 변화에 따른 프레넬 반사율의 변화에 대한 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 광섬유 센서 장치에서 서로 다른 파장의 광원과 농도에 대해, 냉각수의 온도 변화에 따른 출력신호에 대한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 광섬유 센서 장치에서 온도 변화에 따른 광 출력 신호에 대한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치의 개념도이다.
도 8은 공기 중에 위치한 감지부들로부터 반사된 광신호에 대한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 광섬유 센서 장치에서 수위 변화에 따른 출력 신호 변화에 대한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치를 이용한 냉각수의 온도 측정 방법에 대한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치를 이용한 냉각수의 온도 측정 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치의 개념도이다. 이하, 도 1을 참조로 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(100)에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(100)는 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도를 측정하는 기능을 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(100)는 감지부(110), 수집부(120), 측정부(130) 및 저장부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(100)는 수집부(120)를 통해 광을 발생시키고, 발생된 광을 광섬유(10)를 통해 감지부(110)에 전송하며, 감지부(110)에서 반사된 광을 다시 수집부(120)를 통해 수집하고, 측정부(130)에 의해 수집부(120)에서 수집된 광의 세기를 근거로 냉각수의 온도를 측정한다. 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(100)에 포함된 각 구성에 대한 설명은 이하에서 이루어진다.
감지부(110)는 냉각조 내의 냉각수에 위치될 수 있다. 또한, 이러한 감지부(110)는 단채널로 구성될 수 있다. 여기서 용어 단채널은 하나의 감지부(110)를 이용하여 냉각수의 온도를 측정하는 것을 나타낸다. 구체적으로, 여기서 용어 단채널은 수집부(120)에서 생성된 광이 광섬유(10)를 통해 메이팅 슬리브(20)로 전달된 후, 메이팅 슬리브(20)에서 하나의 광섬유를 통해 하나의 감지부(110)에 광을 전달하는 것을 나타낸다.
또한, 감지부(110)는 감지부(110)의 확대도에 도시된 것처럼, 페룰(111), 케이스(112), 수용액(113) 및 커버(114)를 포함하여 구성될 수 있다. 감지부(110)에 포함된 각 구성의 기능은 다음과 같다.
페룰(111)은 광섬유와 감지부(110)를 연결시키는 커넥터의 일 측에 위치된다. 또한, 페룰(111)은 내부에 광섬유(10)가 삽입될 수 있는 홀이 형성되고, 이 홀 내에 광섬유(10)가 삽입된다.
케이스(112)는 수용액(113)이 내부에 충진되고, 이러한 수용액(113)은 케이스(112), 페룰(111) 및 이하에서 언급되는 커버(114)에 의해 밀봉될 수 있다. 또한, 앞서 언급한 것처럼, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 방법은 감지부(110)가 냉각수 내에 위치된 상태에서 이루어지는 것이므로, 냉각수 또는 외부 즉 공기의 온도 변화에 민감하게 반응할 수 있는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 케이스(112)는 열전도도가 높은 금속 재질의 케이스로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 케이스(112)는 스테인리스 강으로 이루어질 수 있지만, 이는 단지 예시일 뿐이고, 열전도도가 높은 다양한 재질로 형성될 수 있다.
커버(114)는 케이스(112)에 충진된 수용액(113)의 밀봉을 위해 케이스(112)의 개방면에 위치될 수 있다. 또한, 이러한 커버(114)의 재질은 예를 들어 고무로 이루어질 수 있다. 커버(114)는 내부에 관통 홀이 형성되어 있는데, 이는 수용액(113)으로의 페룰(111)의 삽입을 위해 존재한다.
수용액(113)은 앞서 언급한 것처럼 케이스(112)의 내부에 충진되고, 케이스(112), 페룰(111) 및 커버(114)에 의해 밀봉된다. 즉, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(100)에서 이루어지는 냉각수의 온도 측정 방법은, 감지부(110)가 냉각수 내에 위치된 상태에서 이루어진다. 또한, 이러한 온도 측정 방법은, 감지부(110) 내에 충진된 수용액과 광섬유(10)의 접촉부(115)에서 반사된 광의 세기를 이용한다. 즉, 수용액(113)은 접촉부(115)에서 반사되는 광의 세기가 온도에 따라 명확하게 변하게 하는 물질로 이루어져야 한다. 또한, 수용액(113)의 농도가 25%로 이루어질 때, 최적의 결과가 도출됨을 알 수 있었다.
또한, 종래에는 감지부(110) 내에 수용액(113)을 충진하지 않고, 광섬유만을 이용하여 예를 들어 물의 수온을 측정하는 기술은 존재하였다. 반면, 본 발명의 경우, 감지부(110)가 외부 온도 변화에 민감하게 반응할 수 있도록 금속 재질인 케이스(112)를 구비하고, 외부 온도 변화에 따라 최적으로 결과를 도출할 수 있는 수용액(113)의 구성을 포함하므로, 종래의 방법에 비해 현저하게 개선된 정확도로 냉각수의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 이러한 케이스(112)는 완벽히 밀봉되어 최적의 결과를 도출할 수 있는 수용액(113)에 다른 물질이 첨가되지 않게 되므로, 오랜 기간이 지나더라도 정확한 온도 측정이 가능하다.
수집부(120)는 상술한 측정을 위해 감지부(110)에 연결된 광섬유(10)를 통해 광신호를 감지부(110)에 송신하는 기능을 한다. 또한, 수집부(120)는 수용액(113)과 광섬유(10)의 접촉부(115)에서 반사되어 되돌아오는 광신호를 수집하는 기능을 한다. 여기서, 접촉부(115)에서 반사되어 되돌아오는 광신호는 앞서 언급한 것처럼, 수용액(113)의 굴절률 변화에 따라 그 세기가 변한다. 또한, 여기서 수용액(113)의 굴절률은 냉각수의 온도 변화에 따라 변한다. 여기서, 수집부(120)는 OTDR(optical time-domain reflectometer)을 포함하여 구성될 수 있다.
OTDR은 수백 km가 떨어진 곳에서도 광섬유(10)에서 발생한 특정 이벤트(event)의 측정이 가능하고, 배터리로 구동되는 휴대용 장비이다. 이에 따라, 종래 기술의 문제점으로 언급한 내부 전원의 차단 경우에도 사용 가능하고, 원자력 관련 시설에서 특정 물리량의 측정에 적용할 수 있다. 또한, 일반적으로 광섬유(10)의 전송 가능한 광의 파장 대역은 980 내지 1,600 nm이고, -55 내지 80℃의 온도범위에서 사용 가능하다. 본 예시에서, 수집부(120)를 통해 송신된 광의 파장은 근적외선(near infrared) 영역인 1,550 nm가 이용된 것으로 가정된다. 다만, 이는 단지 예시일 뿐이고, 상술한 파장으로 제한되지 않는다.
측정부(130)는 수집부(120)에서 수집된 광신호의 세기를 근거로 냉각수의 온도를 측정하는 기능을 한다. 구체적으로, 측정부(130)는 수집된 광신호의 세기와 기준 광신호의 세기의 비교를 통해 냉각수의 온도를 측정하는 기능을 한다. 여기서 기준 광신호의 세기 별 온도에 대한 데이터는 측정부(130) 내부 또는 외부 저장부(140)에 저장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 감지부(110)에 대한 분해 사시도이다. 이하, 도 2를 참조로 본 발명의 광섬유 센서 장치에 포함된 감지부(110)에 대해 더 서술한다. 도 2에 도시된 것처럼, 감지부(110)는 커넥터(118), 커넥터(118)의 페룰(111), 케이스(112), 수용액(113) 및 커버(114)를 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 것처럼, 케이스(112)는 외부 온도 변화에 민감하도록 금속 재질로 이루어질 수 있다. 즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치를 이용한 온도 측정 방법은 감지부(110)가 냉각수 내에 위치된 상태로, 냉각수의 온도를 측정하게 되므로, 냉각수의 온도 변화를 민감하게 감지해야 한다. 또한, 감지부(110)는 냉각수의 온도뿐만 아니라, 이하에서 제 2 실시예에서 언급되는 것처럼 외부 공기의 변화에도 민감하게 반응해야 한다. 이를 통해 케이스(112)는 열전도도가 높은 금속 재질로 이루어져야 한다. 또한, 이러한 케이스(112)는 예를 들어, 스테인리스 강으로 이루어질 수 있지만, 이는 단지 예시일 뿐이고, 열전도도가 높은 다양한 재질로 형성될 수 있다.
커버(114)는 케이스(112)에 포함된 수용액(113)의 밀봉을 위해 케이스(112)의 개방면에 위치되고 재질은 예를 들어 고무로 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 커버(114)는 내부에 관통 홀이 형성되어 있는데, 이는 수용액(113)으로의 페룰(111)의 삽입을 위해 존재한다. 즉, 커넥터(118)는 커버(114)를 관통하여 케이스(112)와 연결된다. 상술한 것처럼, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 방법은 광섬유와 수용액의 접촉부(115)에서 반사된 광의 세기를 이용한다. 여기서 커버(114)의 관통 홀은 이를 위해 형성된다.
수용액(113)은 커버(114), 케이스(112) 및 커넥터(118)의 페룰(111)에 의해 밀봉된다. 또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 측정 방법은 감지부(110) 내에 충진된 수용액과 광섬유(10)의 접촉부(115)에서 반사된 광의 세기를 이용하므로, 수용액(113)은 접촉부(115)에서 반사되는 광의 세기가 온도에 따라 명확히 변화될 수 있는 염화나트륨 수용액일 수 있다 또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(100)는 외부 물리량 즉, 냉각수의 온도에 의해 감지부(110)에서 발생하는 프레넬 반사(Fresnel' reflection)에 따른 광신호의 변화를 이용하고, 수용액(113)은 이러한 프레넬 반사의 이용을 위해 사용될 수 있다. 즉, 수용액(113)은 온도에 따라 굴절률이 달라진다. 또한, 이러한 굴절률의 변화에 따라 접촉부(115)에서 아래의 수학식 1에 개시된 프레넬 반사가 이루어진다.
Figure 112014044489075-pat00001
수학식 1에서, n1은 광섬유 센서 장치(100)에 사용된 광섬유(10)의 코어(core)의 굴절률을 나타내고, n2는 감지부(110)의 내부에서 광섬유(10)의 끝단과 접촉하는 수용액(113)의 굴절률을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치에서 광섬유와 접촉하는 수용액의 굴절률 변화에 따른 프레넬 반사율의 변화에 대한 그래프이다. 구체적으로, 도 3에 도시된 그래프는 도 2를 참고로 이루어진 서술에서, 수학식 1을 통해 광섬유(10)에 접촉하는 수용액의 굴절률에 따라 획득된 프레넬 반사율에 대한 그래프이다. 도 3의 그래프에서 x 축은 굴절률을, y 축은 프레넬 반사율을 나타낸다.
도 3에 도시된 것처럼, 광섬유(10)에 접촉하는 수용액의 굴절률에 따라 반사율이 달라지는 것을 확인할 수 있고, 접촉하는 수용액의 굴절률이 광섬유 코어의 굴절률에 가까워질수록 반사율은 줄어들고(즉, 투과를 많이 하고), 반대로 접촉하는 물질의 굴절률이 광섬유 코어의 굴절률과 차이가 많이 날수록 반사율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
예를 들어 굴절률이 1인 공기에 비해서 굴절률이 1.33인 물의 경우, 프레넬 반사율이 약 90% 이상 줄어드는 것을 볼 수 있으며. 이와 같이 굴절률에 따른 반사율의 차이를 측정하여 온도를 측정할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 광섬유 센서 장치에서 서로 다른 파장의 광원과 농도에 대해, 냉각수의 온도 변화에 따른 출력신호에 대한 그래프이다. 도 4 및 도 5에서, x축은 온도를 5℃간격으로, 그리고 y축은 광신호의 세기를 나타낸다. 또한, 도 4 및 도 5는 기설정된 파장의 광을 감지부에 전송하고, 감지부에 의해 반사되어 수집된 광의 세기 별 온도에 대한 그래프를 도시한다. 또한, 오른쪽 범례에 도시된 것처럼 수용액의 농도에 따른 결과 데이터가 각각 구분되어 도시되었고, 여기서 수용액의 농도는 5%, 10%, 15%, 20% 및 25%로 실험되었다.
또한, 도 4는 광의 파장이 1,310nm인 경우의 결과 데이터를 도시하는데, 도 4에 도시된 것처럼, 수용액의 농도가 5%인 경우, 온도에 따른 광신호의 세기에 대한 변화가 가장 미비한 것으로 나타났고, 수용액의 농도가 25%인 경우, 온도에 따른 광신호의 세기에 대한 변화가 가장 높은 것으로 나타났다. 이에 따라, 수용액(113)의 농도는 25%일 때, 온도에 따른 광신호의 세기에 대한 변화가 명확함을 알 수 있다.
또한, 도 5는 광의 파장이 1,550 nm인 경우의 결과 데이터를 도시하는데, 도 5에 도시된 것처럼 전반적으로 도 4에서 개시된 광의 파장이 1,310 nm인 경우 보다 결과가 보다 선형적으로 나타남을 알 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 결과도, 도 4에 도시된 결과와 마찬가지로, 수용액의 농도가 5%인 경우 보다, 수용액의 농도가 25%인 경우, 온도 변화에 따른 광신호의 변화가 가장 크고, 즉, 온도 민감도가 가장 좋고 선형성을 갖는 것이 확인된다.
도 6은 본 발명의 광섬유 센서 장치에서 온도 변화에 따른 광 출력 신호에 대한 그래프이다. 구체적으로, 도 6은 25%의 염화나트륨 수용액으로 제작된 감지부와 1,550 nm의 근적외선 파장을 가지는 광원을 사용한 광섬유 센서 장치를 이용하여 냉각수의 온도를 5℃에서부터 65℃까지 5℃ 간격으로 변화시키면서 측정한 결과를 도시한다. 도 6의 그래프에서, x 축은 온도를 5℃ 간격으로 도시하였고, y축은 광의 세기를 도시한다.
도 6에 도시된 것처럼, 냉각수의 온도가 올라감에 따라 감지부 내에 위치한 염화나트륨 수용액의 굴절률이 낮아지고, 이에 따라 광섬유 끝단과 염화나트륨 수용액의 접촉면에서 되돌아가는 반사광의 광량이 증가하게 되며 그 결과 수집부에서 감지되는 광신호의 광 파워(optical power)가 커지게 된다. 5 내지 65℃의 온도 범위에서 광섬유 센서 장치를 이용하여 측정한 결과를 살펴보면 온도가 올라감에 따라 측정된 광신호의 광 파워가 커지는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(200)의 개념도이다. 이하, 도 7을 참조로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(200)를 서술한다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(200)는 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도 및 수위를 측정하는 기능을 한다. 또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(200)는 감지부가 복수개로 구성되는 점, 이에 따라 복수개의 광섬유가 이용되는 점, 그리고 온도뿐만 아니라 수위도 측정이 되는 점을 제외하고, 도 1을 참조로 개시된 광섬유 센서 장치(100)와 유사하다. 이에 따라, 이하의 서술에서 앞서 도 1을 참조로 개시된 사항과 중복되는 사항은 설명의 이해를 돕기 위해 생략한다.
감지부(210)는 복수개로 구성되는 점을 제외하고, 도 1 및 도 2를 참조로 개시된 감지부와 거의 유사하다. 즉, 감지부(210)는 복수개의 감지부를 구비한 형태를 갖고, 이들 각각의 감지부는 내부에 수용액을 포함한다. 즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 감지부(210)는 다채널로 형성된다. 여기서, 용어 다채널은 하나의 광섬유(10)와 광 커플러(30)가 연결되고, 광 커플러(30)와 복수개의 감지부들이 연결되는 구성을 나타낸다. 즉, 도 1에서 언급한 단채널의 경우 감지부가 하나만 이용된 것과는 달리, 다채널은 복수개의 감지부들이 이용되는 것을 나타낸다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(200)는 감지부가 복수개로 구성되더라도, 광 커플러(30)와 수집부(220) 사이의 연결은 하나의 광섬유(10)만 있으면 된다. 즉, 복수개의 감지부(210)를 통해 복수개의 반사된 광신호가 발생하더라도 광 커플러(30)를 통해 하나의 신호로 중첩되어 수집부(220)로 송신 가능하므로, 수집부(220)와 광 커플러(30) 사이의 광섬유를 복수개로 형성하는 것에 비해 설치가 용이하게 이루어질 수 있고 보다 저렴하게 구성 가능한 장점을 갖는다.
본 예시에서 감지부(210)와 광섬유(11, 12, 13)의 개수는 3개로 가정된다. 다만, 이는 설명의 이해를 돕기 위함이고, 다양한 개수로 변경 가능하다. 여기서, 광 섬유(11, 12, 13)는 광 커플러(30)에 연결된다. 또한, 광섬유(11, 12, 13)의 각각의 길이는 서로 상이한데 이는 이들 거리가 동일할 경우, 다른 위치의 감지부에서 측정된 결과더라도 동일한 거리에서의 이벤트로 받아들이게 되어 신호의 피크값이 중첩되기 때문이다. 즉, 이 경우 수위의 측정이 불가능해지므로, 복수개의 광섬유들에 대한 길이는 서로 상이해야 한다.
또한, 복수개의 감지부(211, 212, 213)는 도 7의 확대도에 도시된 것처럼 복수개의 감지부들은 냉각수를 수용하는 저장조 내에서 서로 다른 깊이에 배치되고, 이들 감지부(211, 212, 213)는 높이가 조절 가능하도록 설치될 수 있다. 또한, 복수개의 감지부(211, 212, 213)들은 서로 다른 위치에 위치된다.
수집부(220)는 상술한 측정을 위해 광섬유(10)를 통해 광신호를 적어도 하나의 감지부(210)에 송신하는 기능을 한다. 또한, 수집부(220)는 수용액과 광섬유(10)의 접촉부에서 반사되어 되돌아오는 광신호를 수집하는 기능을 한다. 상술한 것처럼, 수집부(220)는 OTDR을 포함하여 구성될 수 있다.
측정부(230)는 수집부(220)에서 수집된 광신호의 세기를 근거로 냉각수의 온도를 측정하는 기능을 한다. 구체적으로, 측정부(230)는 수집된 광신호의 세기와 기준 광신호의 세기의 비교를 통해 냉각수의 온도를 측정하는 기능을 한다. 여기서 기준 광신호의 세기 별 온도에 대한 데이터는 측정부(230) 내부 또는 외부 저장부(240)에 저장될 수 있다.
또한, 상술한 것처럼, 측정부(230)는 냉각수 내에 위치된 적어도 하나의 감지부를 통해 반사된 광신호와, 냉각수 외부에 즉, 공기 중에 위치된 적어도 다른 하나의 감지부를 통해 반사된 광신호의 신호 차를 근거로, 냉각수의 수위를 측정할 수 있다.
도 8은 공기 중에 위치한 감지부들로부터 반사된 광신호에 대한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 광섬유 센서 장치에서 수위 변화에 따른 출력 신호 변화에 대한 그래프이다. 상술한 것처럼, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치(200)를 통한 수위 측정은, 냉각수 내에 위치된 적어도 하나의 감지부를 통해 반사된 광신호와, 냉각수 외부에 즉, 공기 중에 위치된 적어도 다른 하나의 감지부를 통해 반사된 광신호의 신호 차를 근거로, 냉각수의 수위를 측정한다. 여기서, 도 8은 복수개의 감지부가 외부 즉, 공기 중에 위치한 경우, 광 커플러에 의해 중첩된 광신호를 도시한다.
구체적으로, 도 8은 공기 중에 위치한 감지부들로부터 반사된 광신호에 대한 그래프를 도시하고, 광섬유 커플러(30)에 서로 다른 길이(L = ①: 3 m, ②: 5 m, ③ 10 m)를 갖는 광섬유를 3개의 감지부와 연결하여 제작한 광섬유 센서 장치의 출력신호에 대한 예시를 도시한다. OTDR로 측정 시, 서로 독립적으로 각각의 측정위치에서 반사광이 동시에 측정되는 것을 확인할 수 있다. OTDR과 감지부를 광섬유 커플러를 이용하여 다채널로 연결한 뒤 특정 물리량을 측정할 경우, 광섬유 커플러에 동일한 길이의 광섬유를 연결하면 반사된 광신호가 서로 겹쳐지므로 서로 다른 길이(L)를 가지는 광섬유를 사용하여야 한다. 이 때, 각 감지부의 위치 및 깊이 차이(d)는 임의로 조정하여 수위를 측정하기 위한 위치 및 공간 해상도(spatial resolution)를 변경할 수 있고, 광신호의 감쇠(attenuation)를 고려하여 광 커플러에서 광신호를 분배할 수 있는 개수만큼 감지 채널을 늘리는 것이 가능하다.
또한, 도 9를 참조하면, 저장조의 각 깊이에 3개의 감지부를 위치시킨 후 수위가 올라갈 때 측정한 광신호의 변화가 도시된다. 저장조의 맨 아래 위치한 1번부터 3번 감지부까지 차례대로 광신호의 광 파워가 커지는 것을 확인할 수 있다. 즉 각각의 깊이에 위치한 감지부가 차례대로 물에 잠길 때 점선에서 실선으로 광 파워가 커지는 것을 볼 수 있다. 또한 각 신호의 변화는 다른 광신호의 변화에 영향을 주지 않으며, 서로 독립적으로 측정되는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 9에서, 냉각수 외부에 즉, 공기 중에 위치된 적어도 다른 하나의 감지부를 통해 반사된 광신호는 실선으로 도시된다. 여기서, 공기와 냉각수는 온도차이가 존재하므로, 만일 감지부가 냉각수 내에 존재하는 경우, 도 9에 도시된 신호 차이(94 내지 99)가 발생하게 될 것이다. 이러한 신호 차이를 근거로, 냉각수의 수위가 판정될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치를 이용한 냉각수의 온도 측정 방법에 대한 흐름도이다. 이하, 도 10을 참조로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광섬유 센서 장치를 이용한 냉각수의 온도 측정 방법을 서술한다. 이하의 서술에서는 앞서 도 1을 참조로 언급한 부분과 중복되는 사항은 설명의 이해를 돕기 위해 생략한다.
먼저, 수집부에 의해, 광신호를 생성하는 단계(S110)가 수행된다. 상술한 것처럼, 일반적으로 광섬유를 통해 송신 가능한 광의 파장 대역은 980 내지 1,600 nm이고, -55 내지 80 ℃의 온도범위에서 사용 가능하다. 본 예시에서 S110 단계에서 생성된 광신호의 파장은 1,550 nm로 가정되지만 이에 제한되지 않는다.
그 후, 수집부에 의해, S110 단계에서 생성된 광신호를 광섬유를 통해 감지부로 송신하는 단계(S120)와, 감지부에 포함된 수용액과 광섬유의 접촉부에서 반사되어 되돌아오는 광신호를 수집하는 단계(S130)가 수행된다.
그 후, 측정부에 의해, 수집된 광신호의 세기를 근거로 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S140)가 수행된다. S140 단계에서 이루어지는 측정 방법은 이미 도 1을 참조로 상세히 개시되었으므로, 이에 대한 추가적인 설명은 생략한다.
도 11은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치를 이용한 냉각수의 온도 측정 방법에 대한 흐름도이다. 이하, 도 11을 참조로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광섬유 센서 장치를 이용한 냉각수의 온도 및 수위 측정 방법을 서술한다. 이하의 서술에서는 앞서 도 7을 참조로 언급한 부분과 중복되는 사항은 설명의 이해를 돕기 위해 생략한다.
먼저, 수집부에 의해, 광신호를 생성하는 단계(S210)가 수행된다. 본 예시에서 S210 단계에서 생성된 광신호의 파장은 1,550 nm로 가정되지만 이에 제한되지 않는다.
그 후, 수집부에 의해, S210 단계에서 생성된 광신호를 광섬유를 통해 하나 이상의 감지부로 송신하는 단계(S220)와, 하나 이상의 감지부에 포함된 수용액과 광섬유의 접촉부에서 반사되어 되돌아오는 광신호를 수집하는 단계(S230)가 수행된다.
그 후, 측정부에 의해, 수집된 광신호의 세기를 근거로 냉각수의 온도를 측정하는 단계(S240)가 수행된다.
그 후, 측정부에 의해, 복수개의 감지부를 통해 반사된 광신호의 신호차를 이용하여 수위를 측정하는 단계(S250)가 수행된다. 구체적으로, S250 단계는 냉각수 내에 위치된 적어도 하나의 감지부를 통해 반사된 광신호와, 냉각수 외부에 위치된 적어도 다른 하나의 감지부를 통해 반사된 광신호의 신호차를 근거로, 냉각수의 수위를 측정하는 단계이다. 상술한 것처럼, 감지부가 복수개가 형성되는 경우, 냉각수의 온도 및 수위의 측정이 가능하다. 또한, 이를 위해 복수개의 감지부들 중 적어도 하나는 냉각수 내에, 그리고 적어도 다른 하나는 냉각수 외부에 위치된다. 이에 대한 자세한 설명은 앞서 도 7 내지 도 9를 참조로 상세히 개시하였으므로, 설명의 이해를 돕기 위해 추가적인 설명은 생략된다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 광섬유 센서 장치 110 : 감지부
120 : 수집부1 130 : 측정부

Claims (12)

  1. 사용후핵연료를 냉각시키기 위한 냉각수의 온도를 측정하기 위해 광섬유를 통해 수신된 광신호를 수집부로 반사시키는 감지부로서,
    상기 수집부와 연결되어 광신호를 수신하는 광섬유;
    광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스; 및
    상기 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하고,
    상기 광섬유는 상기 케이스 내에서 상기 수용액과 접촉하며,
    상기 광신호는 상기 광섬유와 상기 수용액의 접촉부에서 프레넬 반사되는 것을 특징으로 하는, 감지부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용액은,
    염화나트륨 수용액인 것을 특징으로 하는, 감지부.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 개방면을 커버하는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 감지부.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광섬유의 단부를 지지하는 페룰을 포함하고, 상기 케이스와 상기 광섬유를 연결하는 커넥터를 더 포함하고,
    상기 페룰은 상기 커버에 형성된 홀을 관통하는 것을 특징으로 하는, 감지부.
  5. 사용후핵연료를 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 광섬유 센서 장치로서,
    광섬유의 단부를 둘러싸고 있는 케이스와 상기 케이스 내부에 충진된 수용액을 포함하는 적어도 하나의 감지부;
    상기 광섬유를 통해 상기 감지부에 광신호를 송신하고, 수용액과 광섬유의 접촉부에서 프레넬 반사에 따라 되돌아오는 광신호를 수집하는 수집부; 및
    상기 수집된 광신호의 세기를 근거로 냉각수의 온도를 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    수집된 광신호의 세기는 수용액의 굴절률 변화에 따라 변하고,
    수용액의 굴절률은 냉각수의 온도 변화에 따라 변하는 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 측정부는,
    저장된 광신호의 세기별 온도 데이터와 상기 수집된 광신호의 세기를 비교함으로써, 냉각수의 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 수용액은,
    염화나트륨 수용액인 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 수집부에서 송신한 광신호를 복수개의 감지부에 전달하는 광 커플러를 더 포함하고,
    상기 광 커플러와 복수개의 감지부를 연결하는 복수개의 광섬유들은 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광 커플러는, 복수개의 감지부로부터 반사된 복수개의 광신호들을 하나의 광신호로 중첩하여 수집부로 전달하는 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    복수개의 감지부들은 냉각수를 수용하는 냉각조 내에서 서로 다른 깊이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 측정부는,
    냉각수 내에 위치된 하나 이상의 감지부를 통해 반사된 광신호와, 냉각수 외부에 위치된 다른 하나 이상의 감지부를 통해 반사된 광신호의 신호 차를 근거로, 냉각수의 수위를 측정하는 것을 특징으로 하는, 광섬유 센서 장치.
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