KR101672937B1 - 제어봉 위치 검출장치 - Google Patents

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rod drive
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장인배
이대희
장상균
이명구
박진석
장용태
정장규
맹철수
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한국전력기술 주식회사
강원대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 제어봉 위치 검출장치에 관한 것이다. 이러한 제어봉 위치 검출장치는, 외주면에 위치정보가 마킹된 제어봉; 상기 위치정보를 반사시키는 반사경; 및 상기 제어봉이 상승 또는 하강할 때, 상기 반사경으로부터 반사된 상기 위치정보로부터 상기 제어봉의 위치를 검출하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

제어봉 위치 검출장치{Appratus for detecting position of a Control Rod}
본 발명은 제어봉 위치 검출장치에 관한 것으로, 특히 상하 방향으로 이동하는 제어봉의 위치를 정밀하고 용이하게 검출할 수 있는 제어봉 위치 검출장치에 관한 것이다.
가압경수로형 원자로에 있어서, 제어봉 구동장치(CEDM; Control Element Drive Mechanism)는 노심 내에서 제어신호에 따라 제어봉을 수직 방향으로 이동하도록 제어하여 노심 반응도를 조절한다. 그러므로, 제어봉의 위치 정보는 노심 보호 계통 설계에 있어서 매우 중요하다. 특히 모든 장치들을 원자로 내에 장착하여 안전성과 신뢰성을 획득하고자 하는 일체형 원자로에 있어서, 제어봉 구동장치 또는 제어봉 위치 지시기는 매우 가혹한 원자로 내부 환경조건에서 작동해야 한다.
종래 원자로에 있어서는 제어봉의 위치를 파악하기 위해서, 리드스위치 방식의 위치지시기가 사용된다. 통상적으로 제어봉은 제어봉구동축 하단부에 체결되어 제어봉구동축의 상하방향 운동에 따라 그와 동시에 노심 내에서 상하방향으로 이동된다. 리드스위치는 제어봉구동축 상단에 장착된 영구자석에 의해 개폐 작동된다.
도1에 도시된 바와 같이, 종래 위치지시기에 사용되는 리드스위치(1)는 한 쌍의 유연한 자성체로 이루어지며, 불활성 가스로 채워진 유리관(2) 속에 밀폐되어 있다. 리드스위치는 평상시에는 접점이 떨어져 있다가 제어봉구동축 상단에 장착된 영구자석에 의해 형성된 자계에 의해 기계식 스위치 접점이 서로 붙어 동작한다. 리드스위치는 얇은 비자성체 판(3) 위에 다수가 배열되고, 각 리드스위치(1)와 저항을 연결하여 회로를 구성한다. 리드스위치의 구성 및 동작은 이미 공지되어 있으므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.
종래 리드스위치 방식의 위치지시기를 사용하는 경우, 리드스위치(1)가 일렬로 배치되기 때문에 리드스위치(1)의 길이 이하의 분해능을 얻을 수 없으므로, 부하추종 운전방식으로 작동하는 소형 원자로에서 요구되는 정밀한 위치 정보를 제공하지 못하는 단점이 있다.
또한, 일체형 원자로의 경우, 상부 압력용기의 내부는 고온의 일차수가 채워지게 되는데, 이러한 고온을 견딜 수 있는 영구자석 및 리드스위치를 확보하거나 개발하는데 많은 노력과 시도가 필요한 실정이다.
공개특허공보 제10-2009-0010739호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 정밀하고 용이하게 제어봉구동축의 위치정보를 검출함으로써 제어봉의 위치정보를 검출할 수 있는 제어봉 위치 검출장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
삭제
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치는, 외주면에 위치정보(11)가 마킹된 제어봉구동축(10); 상기 제어봉구동축(10)의 둘레방향을 따라 배치되며, 상기 위치정보(11)를 반사시키는 반사경(20); 및 상기 제어봉구동축(10)이 상승 또는 하강할 때, 상기 반사경(20)으로부터 반사된 상기 위치정보(11)로부터 상기 제어봉구동축(10)의 위치를 검출하는 검출부(30);를 포함하며, 상기 위치정보(11)는 상기 제어봉구동축(10)의 절대 위치를 판별할 수 있도록 숫자형태로 이루어지며, 상기 반사경(20)은 수정(Quartz)으로 이루어지며, 상기 검출부(30)는 상기 반사경(20)으로부터 반사된 상기 위치정보(11)의 이미지를 받아들이는 렌즈(311)를 포함하는 광학계(31)와 상기 광학계(31)에 연결되어 상기 이미지를 전송하는 광파이버(32)를 포함하여 이루어지며, 상기 광파이버(32)는 내부파이버(321)와 상기 내부파이버(321)를 감싸는 고온용 젤(322), 내측 스테인리스 튜브(323), 알루미늄 튜브(324), 외측 스테인리스 튜브(325)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 검출부는, 상기 광파이버(32)로부터 전송된 상기 이미지를 저장하는 저장부(33)(Charge Coupled device); 상기 저장부(33)에 저장된 이미지를 외부로 표시하는 표시부(34);를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사경은 상기 제어봉구동축의 둘레 방향을 따라 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사경은 상기 제어봉구동축이 관통하는 관통공을 포함하는 중공 형의 원뿔대 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제어봉구동축의 외주면에는 상기 제어봉의 수직 방향 이동을 위한 복수의 홈이 마련되고, 상기 위치정보는 상기 홈과 홈 사이에 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이미지를 원자로 외부로 전송하기 위한 광커넥터를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제어봉 위치 검출장치는, 상하 방향으로 이동하는 제어봉의 위치를 정밀하고 용이하게 검출할 수 있다. 본 발명에 따른 제어봉 위치 검출장치는, 광학 영상을 이용하여 위치를 검출하는 이미지 처리기법을 사용하기 때문에 매우 높은 분해능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제어봉 위치 검출장치는, 원자로 내부 제어봉 구동축의 영상을 실시간으로 관찰할 수 있기 때문에 제어봉 구동축의 외형 손상과 마모 상태를 지속적으로 추적 관찰할 수 있다.
도1은 종래 리드스위치를 보여주는 사진,
도2는 본 발명 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치의 사시도,
도3은 도2의 측면을 보여주는 도면,
도4는 종래 본 발명에 채용된 광파이버의 단면도,
도5는 본 발명 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치의 블럭도,
도6은 본 발명 다른 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치의 블럭도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는”은 언급된 부재 외의 하나 이상의 다른 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또한, 실시예에서 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 본 발명을 이루는 구조에 대한 설명에서, 방향에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
본 발명은 제어봉의 위치를 검출하는 장치에 관련된 것이다. 특히 본 발명의 제어봉 위치 검출장치는, 노형 특성상 정밀한 제어봉 위치 식별이 반드시 필요한 중소형 원자로에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도3은 도2의 측면을 보여주는 도면이고, 도4는 종래 본 발명에 채용된 광파이버의 단면도이다. 도5는 본 발명 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치의 블럭도이고, 도6은 본 발명 다른 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치의 블럭도이다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치는, 제어봉구동축(10), 반사경(20), 및 검출부(30)를 포함한다.
상기 제어봉구동축(10)은 원자로의 출력을 제어하기 위해서 제어봉을 노심에 삽입하거나 노심으로부터 인출시키는 구성으로서, 외주면에 위치정보(11)가 마킹된다. 상기 위치정보(11)는 제어봉구동축(10)의 절대위치를 판별할 수 있도록, 숫자 또는 바코드 형태로 마킹될 수 있다. 물론 상기 위치정보(11)의 표시 형태는 상기한 바로 한정되지 않는다. 제어봉구동축(10)의 하단에 제어봉이 결합되어 일체로 이동되기 때문에, 제어봉구동축(10)의 위치를 정확하게 판별하는 것은 곧 제어봉 위치를 정밀하게 파악하는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 실시예에 따르면, 상기 제어봉구동축(10)의 외주면에는 수직 방향으로 제어봉구동축(10)을 이동시키기 위해서 복수의 홈(12)이 형성된다. 상기 위치정보(11)는 상기 홈(12)과 홈(12) 사이에 마련된다.
본 실시예에 따른 제어봉 위치 검출장치는, 제어봉구동축(10)을 자석잭 방식으로 수직 방향으로 이동시키는 제어봉 구동장치에 채용될 수 있다. 자석잭 방식의 제어봉 구동장치는 4개의 코일이 구비된 4-코일 방식의 제어봉 구동장치일 수 있다. 상기 4-코일 방식의 제어봉 구동장치는, 구체적으로, UL 코일(Upper Lift Coil), UG 코일(Upper Gripper Coil), LL 코일(Lower Lift Coil), LG 코일(Lower Gripper Coil)을 포함한다.
4-코일 방식의 제어봉 구동장치는 상기 4 개의 코일로부터 발생되는 자기력을 제어하여 상기 제어봉구동축(10)의 승강 운동을 제어한다. 이때, 상기 제어봉구동축(10)의 외주면에는 홈(12)이 형성되며, 상기 홈(12)에 래치가 걸리거나 풀리도록 하여 상기 제어봉구동축(10)의 승강을 제어한다. 상기 래치의 동작은 상기 코일들로부터 발생되는 자기력을 제어하여 이루어진다. 자석잭 방식 자체는 공지된 것이며, 본 발명과 직접적인 관련성이 없으므로 구체적인 설명은 생략한다.
상기 위치정보(11)가 상기 제어봉구동축(10)의 홈(12)과 홈(12) 사이에 마련되므로, 자석 잭 방식 등으로 상기 제어봉구동축(10)을 이동시킬 때, 위치정보(11)가 손상되지 않는다. 설사 지속적인 사용 과정에서 상기 위치정보(11)가 다소 손상된다 하더라도, 이미지 분석기법을 사용하여 손상된 이미지 정보를 지속적으로 추적하면, 사용 중 마모 등에 의한 위치정보(11) 손실을 방지할 수 있다.
상기 반사경(20)은 상기 위치정보(11)를 반사시키기 위해서 마련된다. 본 실시예에 따르면, 상기 반사경(20)은 제어봉구동축(10)의 둘레 방향을 따라 배치된다. 좀 더 구체적으로, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 상기 반사경(20)은 상기 제어봉구동축(10)이 통과할 수 있도록 관통공(21)이 형성된 중공 형의 원뿔대 형상으로 이루어진다.
구체적으로, 본 발명에 채용된 상기 반사경(20)은 직각 삼각형 프리즘 단면을 갖도록 형성되고, 수정(Quartz)으로 이루어지고, 빗면은 은 도금되어 제작된다. 원자로의 고온 고압 조건에서 사용이 가능하도록 반사경(20)의 소재는 수정으로 함이 바람직하다. 상기 프리즘 형상의 단면에 있어서, 빗면은 상기 위치정보(11)를 검출부(30) 측으로 반사시킬 수 있도록 배치된다.
상기 반사경(20)이 제어봉구동축(10)을 둘러싸는 링 형상으로 이루어지므로, 마치 어안렌즈(Fish-eye lens)와 같이 시야각을 넓게 확보할 수 있다. 원자로 내의 좁은 공간에서도 제어봉구동축(10)의 외면을 넓고 용이하게 관찰할 수 있다. 물론, 상기 반사경(20)의 형태는 상술한 바로 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 위치정보(11)와 대향하는 위치에 제어봉구동축(10)을 둘러싸지 않는 프리즘 형태의 평면 반사경 형태로도 구현 가능하다.
상기 검출부(30)는 상기 제어봉구동축(10)이 상승 또는 하강할 때, 상기 반사경(20)으로부터 반사된 상기 위치정보(11)로부터 제어봉구동축(10)의 위치를 검출하기 위해서 마련된다. 구체적으로, 상기 검출부(30)는 광학계(31), 광파이버(32), 저장부(33), 및 표시부(34)를 포함한다.
상기 광학계(31)는 상기 반사경(20)으로터 반사된 상기 위치정보(11)의 이미지를 받아들이는 렌즈(311)를 포함한다. 상기 광학계(31)는 상기 반사경(20)에 결합된다. 상기 광학계(31)는 공지된 파이버스코프(Fiberscope)를 사용할 수 있다. 도2 및 도3에 따르면, 상기 광학계(31)는 1개가 구비되어 있으나, 그 개수는 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 상기 반사경(20)을 상기 제어봉구동축(10)에 대하여 대칭 위치에 두 개를 배치하는 경우, 상기 각 반사경(20)에 상기 광학계(31)를 개별적으로 설치할 수 있다. 이러한 경우, 하나의 광학계(31)는 제어봉구동축(10) 위치 검출을 위해 사용하고, 나머지 하나는 백업 시스템으로 활용할 수 있다. 상기 나머지 하나의 광학계(31)는 제어봉구동축(10) 외면의 손상 정도를 관찰하는 수단으로도 활용될 수 있다.
상기 광파이버(32)는 상기 광학계(31)에 연결되어 위치정보(11)의 이미지를 전송한다. 본 실시예에 채용된 광파이버(32)는 고온, 고압의 극한 조건에서 사용 가능한 광파이버(32)가 사용된다.
구체적으로, 도4에 도시된 바와 같이, 내부파이버(321)는 고온용 젤(322), 내측 스테인리스 튜브(323), 알루미늄 튜브(324), 및 외측 스테인리스 튜브(325)로 감싸져 보호된다. 이와 같은 구조를 갖는 광파이버(32)는 300℃ 이상의 온도, 20,000psi(1400기압) 이상의 압력에 사용 가능하므로, 일체형 원자로에서의 사용 조건을 충족한다.
상기 저장부(33)는 광파이버(32)로부터 전송된 이미지를 저장한다. 예컨대, 상기 저장부(33)는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라를 이용하여 구현될 수 있다.
상기 표시부(34)는 상기 저장부(33)에 저장된 이미지를 외부에 표시한다. 상기 표시부(34)는 원자로 외부에서 운전자가 관찰 가능한 위치에 마련될 수 있다.
한편, 본 발명 실시예에 채용된 검출부(30)는 광커넥터(35)를 더 포함할 수 있다. 상기 광커넥터(35)는 위치정보(11)에 대한 이미지를 원자로 외부로 전송하기 위해 마련된다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 광커넥터(35)는 상기 원자로 헤드(40)에 결합될 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 제어봉 위치 검출장치는, 제어봉구동축(10)의 외주면에 마킹된 위치정보(11)를 이미지로 획득하여 제어봉구동축(10)의 실제 위치를 검출하므로, 제어봉구동축(10)의 위치를 정밀하고 용이하게 획득할 수 있다.
즉, 종래 리드스위치 방식은 분해능의 한계로 정밀한 위치 파악이 어려우나, 본 발명은 광학 영상을 이용하여 제어봉구동축(10)의 위치를 검출하므로 매우 높은분해능을 구현할 수 있다. 따라서, 제어봉구동축(10)의 정밀한 위치 판별이 요구되는 중소형 원자로에 적용하기 적합하다.
또한, 원자로의 내부 영상을 실시간으로 관찰할 수 있으므로, 제어봉구동축(10)의 외면의 마모 상태를 추적 관찰할 수 있는 효과를 제공한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10... 제어봉 11... 위치정보
12... 홈 20... 반사경
21... 관통공 30... 검출부
31... 광학계 311... 렌즈
32... 광파이버 321... 내부파이버
322... 젤 323... 내측 스테인리스 튜브
324... 알루미늄 튜브 325... 외측 스테인리스 튜브
33... 저장부 34... 표시부
35... 광커넥터 40... 원자로 헤드

Claims (6)

  1. 외주면에 위치정보(11)가 마킹된 제어봉구동축(10);
    상기 제어봉구동축(10)의 둘레방향을 따라 배치되며, 상기 위치정보(11)를 반사시키는 반사경(20); 및
    상기 제어봉구동축(10)이 상승 또는 하강할 때, 상기 반사경(20)으로부터 반사된 상기 위치정보(11)로부터 상기 제어봉구동축(10)의 위치를 검출하는 검출부(30);를 포함하며,
    상기 위치정보(11)는 상기 제어봉구동축(10)의 절대 위치를 판별할 수 있도록 숫자형태로 이루어지며,
    상기 반사경(20)은 수정(Quartz)으로 이루어지며,
    상기 검출부(30)는 상기 반사경(20)으로부터 반사된 상기 위치정보(11)의 이미지를 받아들이는 렌즈(311)를 포함하는 광학계(31)와 상기 광학계(31)에 연결되어 상기 이미지를 전송하는 광파이버(32)를 포함하여 이루어지며,
    상기 광파이버(32)는 내부파이버(321)와 상기 내부파이버(321)를 감싸는 고온용 젤(322), 내측 스테인리스 튜브(323), 알루미늄 튜브(324), 외측 스테인리스 튜브(325)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제어봉 위치 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출부(30)는,
    상기 광파이버(32)로부터 전송된 상기 이미지를 저장하는 저장부(33)(Charge Coupled device);
    상기 저장부(33)에 저장된 이미지를 외부로 표시하는 표시부(34);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어봉 위치 검출장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사경(20)은 상기 제어봉구동축(10)을 둘러싸는 링 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제어봉 위치 검출장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사경(20)은 상기 제어봉구동축(10)이 관통하는 관통공(21)을 포함하는 중공 형의 원뿔대 형상인 것을 특징으로 하는 제어봉 위치 검출장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어봉구동축(10)의 외주면에는 상기 제어봉구동축(10)의 수직 방향 이동을 위한 복수의 홈(12)이 마련되고, 상기 위치정보(11)는 상기 홈(12)과 홈(12) 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 제어봉 위치 검출장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 이미지를 원자로 외부로 전송하기 위한 광커넥터(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어봉 위치 검출장치.
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