KR101766304B1 - Detecting method for SNB on surface of fuel cladding tubes and Detecting apparatus for SNB on surface of fuel cladding tubes - Google Patents

Detecting method for SNB on surface of fuel cladding tubes and Detecting apparatus for SNB on surface of fuel cladding tubes Download PDF

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acoustic emission
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심희상
백승헌
이덕현
허도행
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한국원자력연구원
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Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for detecting a sub-cooled nucleate boiling (SNB) phenomenon on a surface of a nuclear fuel cladding tube. The method for detecting an SNB on a surface of a nuclear fuel cladding tube according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: (step 1) collecting acoustic emission signals in a reactor including a boiling signal by a boiling phenomenon of cooling water being in contact with a cladding tube in the reactor; (step 2) separating the boiling signal of the cooling water from the signals collected in the step 1; (step 3) distinguishing a start point of an SNB phenomenon from the separated boiling signal to detect the SNB phenomenon on a surface of a cladding tube.

Description

핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법 및 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치{Detecting method for SNB on surface of fuel cladding tubes and Detecting apparatus for SNB on surface of fuel cladding tubes}Technical Field [0001] The present invention relates to a method of detecting boiling phenomenon in a nuclear fuel cladding surface and a method of detecting a boiling phenomenon on a surface of a nuclear fuel cladding tube,

본 발명은 핵연료 피복관 표면의 크러드 형성의 원인이 되는 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상을 탐지하는 방법 및 그 미포화비등 현상을 탐지하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a non-atomized boiling phenomenon on the surface of a nuclear fuel cladding tube that causes the formation of a crud on the surface of a nuclear fuel cladding tube, and an apparatus for detecting the non-atomized boiling phenomenon.

원전 핵연료 피복관 표면의 크러드 부착은, 핵연료에서 냉각수로의 열전달을 방해하기 때문에 피복관 표면의 온도상승을 야기하여 피복관의 부식속도를 증가시키고, 다공성 크러드의 경우 열중성자 감속재인 보론이 침적되어 열출력분포 왜곡의 원인이 된다. 특히, 상하부의 출력분포차가 예상 출력분포차와 3% 이상의 편차를 보일 때, 축방향출력불균일 (Axial offset anomaly: AOA)가 발생한 것으로 정의한다. 따라서 이러한 AOA 현상을 방지하기 위해서는 보론이 침적되는 다공성 크러드의 형성을 억제하는 것이 필수적이다. 다공성 크러드의 형성의 주원인은 냉각수에 포함된 부식생성물과 피복관 표면에서 발생하는 미포화비등(SNB: Sub-cooled nucleate boiling)인 것으로 보고되고 있으며, 일반적으로 미포화비등 현상이 일어날 때, 크러드 생성원(source)인 냉각수 중의 부식생성물이 충분히 피복관 표면에 공급되고 기포의 형성-성장-탈착-소멸 과정을 통해 농축되어 부착이 가속화 되는 것으로 알려져 있다. 이러한 피복관 표면 미포화비등 현상은 냉각수의 온도가 시스템 압력조건의 포화온도 보다 낮고, 피복관 표면의 온도가 포화온도 보다 높을 때 발생하며, AOA가 발생할 때 원자로 내의 비등에 의한 국부적인 기포율 증가가 동반되는 것으로 보고되고 있다. 그러나 이러한 미포화비등 현상을 탐지하는 방법은 초음파 계측, 마이크로 센서 내장 등의 방법으로 제한되며, 이들 방법 또한 탐지분해능, 센서 설치의 공간적 제약 등의 한계를 가지고 있다.In the case of porous crud, boron, which is a thermal neutron modifier, is deposited and the heat output is increased due to the increase of the temperature of the cladding surface due to the increase of the temperature of the cladding surface due to the obstruction of the heat transfer from the nuclear fuel to the cooling water. This leads to distribution distortion. In particular, it is defined that an axial offset anomaly (AOA) occurs when the upper and lower output distribution differences show a deviation of more than 3% from the expected output distribution difference. Therefore, in order to prevent such AOA phenomenon, it is necessary to inhibit the formation of boron-deposited porous crud. It is reported that the main cause of the formation of the porous crud is the corrosion product contained in the cooling water and the SNR (Sub-cooled nucleate boiling) occurring on the surface of the cladding tube. Generally, when the non- It is known that the corrosion product in the coolant, which is the source, is sufficiently supplied to the surface of the cladding tube and is concentrated through the formation-growth-desorption-decay process of the bubbles, thereby accelerating the adhesion. This boiling phenomenon occurs when the temperature of the cooling water is lower than the saturation temperature of the system pressure condition and the temperature of the cladding surface is higher than the saturation temperature and when the AOA occurs, . However, the method of detecting such non-boiling boiling phenomenon is limited by methods such as ultrasonic measurement and built-in microsensor, and these methods have limitations such as detection resolution and spatial restriction of sensor installation.

한국 공개공보 제10-2014-0118503호Korean Laid-Open Publication No. 10-2014-0118503 한국 공개공보 제10-1477962호Korean Patent Publication No. 10-1477962

본 발명은 원자로의 핵연료 피복관 표면에서 발생하는 미포화비등 현상을 감지할 수 있는 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상의 탐지 방법을 제공하는 것이다. The present invention provides a method of detecting a boiling phenomenon of a nuclear fuel cladding surface of a nuclear fuel cladding tube capable of detecting a boiling phenomenon of micropowls occurring on the surface of a nuclear fuel cladding tube of a nuclear reactor.

또한, 축방향 출력불균일을 방지하고, 원자로 운영을 안정적으로 수행하는 것이다. In addition, it can prevent uneven output in the axial direction and stably operate the reactor.

본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법은, 원자로 내부의 피복관 표면에서 발생하는 냉각수 비등현상에 의한 비등신호를 포함하는 원자로 내 음향방출(Acoustic emission) 신호를 수집하는 단계(단계1); 상기 단계1에서 수집된 신호 중에서 상기 냉각수의 비등신호를 분리하는 단계(단계2); 및 상기 단계2의 상기 분리된 비등신호로부터 미포화비등 현상의 개시시점을 구분하여, 피복관 표면의 미포화비등 현상을 탐지하는 단계(단계3); 를 포함한다.A method of detecting the boiling phenomenon of a muffled boiling of a cladding surface of a reactor according to an embodiment of the present invention is a method of collecting an in-reactor acoustic emission signal including a boiling signal due to a cooling water boiling phenomenon occurring on a cladding surface inside a reactor Step (step 1); Separating the boiling signal of the cooling water from the signals collected in the step 1 (step 2); And separating the start point of the non-boiling phenomenon from the separated boiling signal in the step (2) to detect a non-boiling phenomenon on the surface of the cladding tube (step 3); .

상기 단계2에서 상기 음향방출 신호에서 비등신호를 분리하는 방법은, 상기 단계1의 음향방출 신호를 신호 개수(count) 및 신호 진폭(amplitude)으로 변환하여 상기 냉각수의 비등현상에 의해 발생한 음향방출 신호를 분리할 수 있다.The method of separating the boiling signal from the acoustic emission signal in step 2 includes converting the acoustic emission signal of step 1 into a signal count and a signal amplitude to generate an acoustic emission signal Can be separated.

상기 단계2의 음향방출 신호를 신호 개수 및 신호 진폭으로 변환하여 상기 냉각수의 비등현상에 의해 발생한 음향방출 신호를 분리하는 방법은, 상기 단계1의 음향방출 신호 중 상기 냉각수의 비등현상이 발생하지 않은 온도 구간에서 감지된 신호의 진폭과 신호 개수 영역에 분포한 신호를 제외한 신호를 상기 냉각수의 비등현상에 의해 발생한 음향방출 신호로 분류할 수 있다. The method of separating the acoustic emission signal generated by the boiling phenomenon of the cooling water by converting the acoustic emission signal of the step 2 into the signal number and the signal amplitude is characterized in that the boiling phenomenon of the cooling water It is possible to classify the signal except for the amplitude of the signal detected in the temperature range and the signal distributed in the signal number region into the acoustic emission signal generated by the boiling phenomenon of the cooling water.

상기 단계3에서 피복관 표면의 미포화비등 현상을 탐지하는 방법은, 상기 피복관 표면에서 핵 비등에 의한 냉각수의 비등신호가 나타나기 시작하는 열수력 조건인 핵비등 시작점(ONB: onset of nucleate boiling)에서 냉각수의 온도가 포화 온도에 도달할 때까지의 열수력적 조건을 피복관 표면의 미포화비등 영역이라 할 수 있으며, 이로부터 핵 비등 현상에 의한 음향방출 신호를 통해 상기 냉각수 내의 피복관 표면에서 발생하는 미포화비등 현상을 탐지할 수 있다. The method for detecting the boiling phenomenon in the cladding tube in the step 3 is characterized in that in the onset of nucleate boiling (ONB), which is a thermal hydraulic condition in which a boiling signal of the cooling water due to nuclear boiling starts to appear on the surface of the cladding tube, The thermal hydrodynamic condition until the temperature of the cooling water reaches the saturation temperature can be regarded as the non-embrittled boiling region of the surface of the cladding tube. From this, Boiling phenomenon can be detected.

본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화 비등현상 탐지 장치는, 원자로의 피복관 외부 표면에 정밀하게 밀착하여 설치된 음향방출 신호를 감지하는 음향방출 센서; 상기 음향방출 센서에서 감지된 음향방출 신호를 포집하고 분석하여 상기 냉각수의 미포화비등 현상을 탐지하는 제어부; 를 포함한다. An apparatus for detecting boiling phenomenon of a muffle of a cladding of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention includes an acoustic emission sensor for detecting an acoustic emission signal installed in close contact with an outer surface of a cladding of a nuclear reactor; A control unit for collecting and analyzing the acoustic emission signal sensed by the acoustic emission sensor to detect the non-boiling phenomenon of the cooling water; .

상기 음향방출 센서는 상기 원자로의 운전조건 하에서 상기 냉각수의 비등신호가 포함된 음향방출 신호를 감지할 수 있다. The acoustic emission sensor may sense an acoustic emission signal including a boiling signal of the cooling water under an operating condition of the reactor.

상기 제어부는 포집된 음향방출 신호의 신호개수 및 신호진폭을 기초로 분류하여 상기 핵연료 피복관 표면의 비등신호를 분리할 수 있다. The control unit may separate the boiling signal of the surface of the fuel cladding tube by classifying it based on the signal number and the signal amplitude of the captured acoustic emission signal.

상기 제어부에서 상기 냉각수의 미포화비등 현상을 탐지하는 방법은, 상기 냉각수가 핵 비등에 의한 냉각수의 비등신호가 나타나기 시작하는 열수력 조건인 핵 비등 시작점과 열전대를 통해 측정된 냉각수의 온도가 포화온도에 도달할 때의 열수력 조건 사이의 영역을 피복관 표면의 미포화비등 영역이라 할 수 있으며, 이로부터 ONB와 핵비등 (NB: Nucleate boiling) 사이의 특성을 가진 음향방출 신호를 통해 상기 냉각수 내의 피복관 표면에서 발생하는 미포화비등 현상을 탐지할 수 있다.The method for detecting the boiling phenomenon of the cooling water in the control unit is characterized in that the temperature of the cooling water measured through the thermocouple and the starting point of the nuclear boiling which is a thermal hydraulic condition in which the cooling water boiling signal of the cooling water starts to appear, , The region between the thermal hydraulic conditions at the time of reaching the cooling pipe is referred to as the unfoamed boiling region on the surface of the cladding tube. From this, the cladding in the cooling water can be obtained through the acoustic emission signal having the characteristics between ONB and Nucleate boiling (NB) It is possible to detect an unoccupied boiling phenomenon occurring on the surface.

본 발명의 실시 예를 따르는 원자로 내의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법 및 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지장치는 원자로 내의 피복관의 표면에 발생하는 미포화비등 현상을 감지할 수 있다. The method of detecting the boiling phenomenon in the reactor core according to the embodiment of the present invention and the apparatus for detecting the boiling phenomenon on the surface of the reactor core can detect the non-boiling phenomenon occurring on the surface of the reactor core in the reactor.

또한, 이로 인해 핵연료 피복관 표면의 크러드 부착을 억제하여 이 크러드 내의 과도한 보론 침적에 의한 축방향 출력불균일을 방지할 수 있다. In addition, it is possible to prevent the crud adhesion on the surface of the nuclear fuel cladding and to prevent the axial output unevenness due to the excessive boron deposit in the crud.

또한, 핵연료 피복관의 건전성 저하를 방지하여 원자로 운영을 안정적으로 수행할 수 있다. In addition, it is possible to stably operate nuclear reactors by preventing the deterioration of the integrity of the nuclear fuel cladding tube.

도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법에 대한 순서도이다.
도 2는 1 bar 조건에서 미포화비등 현상 탐지를 위한 장치를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 장치의 히터 온도(TIH) 및 냉각수 온도(TW)에 따른 피복관 표면에서의 비등현상을 고속카메라로 촬영한 영상을 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 장치의 제어부에서 포집한 신호를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 8은 도 2의 장치의 제어부에서 포집한 음향방출 신호를 신호 개수와 진폭크기 도메인으로 변환한 것이다. 가로축은 신호 진폭(Amplitude)이고 세로축은 신호의 개수(Counts)이다.
도 9 및 도 10은 도 5 내지 도 8에서 분리된 신호를 이용하여 히터신호와 미포화비등 신호를 구분한 것이다.
도 11은 고온, 고압 조건에서 미포화비등 현상 탐지를 위한 장치를 도시한 것이다.
도 12는 도 11의 장치의 제어부에서 포집한 신호를 도시한 것이다.
도 13 내지 도 16은 도 11의 장치의 제어부에서 포집한 신호를 신호 개수와 진폭크기 도메인으로 변환한 것이다.
도 17 및 도 18은 도 13 내지 도 16에서 분리된 신호를 이용하여 히터신호와 미포화비등 신호를 구분한 것이다.
도 19는 1 bar 조건에서 히터의 온도(TIH)에 따른 냉각수의 무비등구간 및 비등구간을 도시한 것이다.
도 20은 고온, 고압 조건에서 히터의 온도에 따른 냉각수의 무비등구간 및 비등구간을 도시한 것이다.
도 21은 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치를 도시한 것이다.
도 22는 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치가 피복관에 연결된 것을 도시한 것이다.
도 23은 도 2 및 도 11 장치의 막대히터의 발열길이, 직경 및 피복관을 도시한 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart of a method for detecting boiling phenomenon of a nuclear reactor of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention; FIG.
Figure 2 shows an apparatus for detection of unfoamed boiling phenomenon at 1 bar condition.
FIG. 3 is a view showing an image of a boiling phenomenon on the surface of a cladding tube according to a heater temperature (T IH ) and a cooling water temperature (T W ) of the apparatus of FIG.
Fig. 4 shows signals captured by the control unit of the apparatus of Fig.
5 to 8 are obtained by converting the acoustic emission signals captured by the controller of the apparatus of FIG. 2 into a signal number and an amplitude magnitude domain. The horizontal axis is the signal amplitude (Amplitude) and the vertical axis is the number of signals (Counts).
FIGS. 9 and 10 are diagrams for distinguishing the heater signal and the non-boosted boiling signal using the signals separated in FIGS. 5 to 8. FIG.
11 shows an apparatus for detecting a non-boiling phenomenon at a high temperature and a high pressure condition.
FIG. 12 shows signals captured by the control unit of the apparatus of FIG.
13 to 16 are obtained by converting the signals captured by the control unit of the apparatus of FIG. 11 into the signal number and magnitude magnitude domain.
FIGS. 17 and 18 show a heater signal and an unoccupied boiling signal by using the signals separated in FIGS. 13 to 16. FIG.
FIG. 19 is a diagram showing a movie-like section and a boiling section of the cooling water according to the heater temperature (T IH ) under the 1 bar condition.
FIG. 20 shows a section such as a movie and a boiling section of the cooling water according to the temperature of the heater under high temperature and high pressure conditions.
FIG. 21 shows an apparatus for detecting the differential boiling phenomenon of a surface of a cladding tube of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 22 shows a device for detecting the differential boiling phenomenon on the surface of a cladding of a reactor according to an embodiment of the present invention, which is connected to a cladding tube.
Figure 23 shows the heating length, diameter and cladding of the bar heater of the apparatus of Figures 2 and 11;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.　 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.　 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In the drawings, like reference numerals are used throughout the drawings. In addition, "including" an element throughout the specification does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary.

원자로의 Nuclear 피복관Cladding tube 표면의  Surface 미포화비등Non-foaming boiling (( SNBSNB : sub-cooled nucleate boiling) 현상 탐지 방법: sub-cooled nucleate boiling) phenomenon detection method

이하, 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법을 설명한다. Hereinafter, a method for detecting the non-boiling boiling phenomenon on the surface of a cladding tube of a nuclear reactor will be described.

도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법에 대한 순서도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flow chart of a method for detecting boiling phenomenon of a nuclear reactor of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention; FIG.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법은, 원자로 내부의 피복관에 접하는 냉각수 비등현상에 의한 비등신호를 포함하는 원자로 내 음향방출 신호를 수집하는 단계 (단계1); 상기 단계1에서 수집된 신호 중에서 상기 냉각수의 비등신호를 분리하는 단계(단계2); 및 상기 단계2의 상기 분리된 비등신호로부터 미포화비등 현상의 개시시점을 구분하여, 피복관 표면의 미포화비등(SNB: sub-cooled nucleate boiling) 현상을 탐지하는 단계(단계3); 를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method for detecting boiling phenomenon of a muffle of a cladding tube of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention includes collecting an in-reactor sound emission signal including a boiling signal due to a cooling water boiling phenomenon in contact with a cladding tube inside a nuclear reactor Step (step 1); Separating the boiling signal of the cooling water from the signals collected in the step 1 (step 2); And a step (step 3) of detecting a phenomenon of sub-cooled nucleate boiling (SNB) on the surface of the cladding tube by distinguishing the start point of the non-boiling phenomenon from the separated boiling signal in step 2; .

원자로는 원자력 발전소에서 핵분열에 의해 발생하는 열에너지를 동력으로 사용하도록 하는 장치이다. 원자로에는 가압수형 원자로, 개량가스 냉각형 원자로, 경수형 원자로, 균질원자로 등이 있으며, 본 발명은 특별히 한정하지 않는다. Nuclear reactors are devices that make use of thermal energy generated by nuclear fission in nuclear power plants. Reactors include pressurized water reactors, reformer gas cooled reactors, light water reactors, and homogenous reactors, and the present invention is not particularly limited.

피복관은 원자로 내에 배치되고, 연료봉을 내부에 포함하는 것일 수 있다. 상기 피복관은 원자로 내 핵연료인 우라늄이 안전하게 핵분열반응을 일으키도록 보호하고 방사능 물질이 외부로 누출되는 것을 막아주는 역할을 할 수 있다. 다만, 본 발명은 특별히 한정하지 않는다. The cladding may be disposed within the reactor and include a fuel rod therein. The cladding can protect uranium, which is a nuclear fuel in the reactor, from causing a fission reaction safely and prevent the leakage of the radioactive material to the outside. However, the present invention is not particularly limited.

냉각수는 경수로 또는 중수로에서 1차 냉각재로 사용되는 경수 또는 중수 일 수 있다. 다만, 본 발명은 특별히 한정하지 않는다.Cooling water may be either hard water or heavy water used as a primary coolant in a light water reactor or heavy water reactor. However, the present invention is not particularly limited.

미포화비등은 냉각수가 과냉 상태이지만 국부적인 열원 표면 온도와 냉각수의 온도 차가 일정 크기 이상이 되면, 열원표면에서 기포가 발생해 냉각수로 이동하고, 열 전달을 통해 소멸되는 현상을 말한다. When the cooling water is in a supercooled state, the bubbles are generated on the surface of the heat source, and the cooling water is transferred to the cooling water and extinguished through the heat transfer when the temperature difference between the local heat source surface temperature and the cooling water becomes a certain value or more.

음향방출 신호는 음향 방출파의 수신에 따라 음향방출 센서에 의해 변환되는 전기신호 또는 하나 이상의 음향방출 사상수(event)의 검출로 얻은 전기적 신호 일 수 있다. The acoustic emission signal may be an electrical signal that is converted by the acoustic emission sensor in response to the reception of the acoustic emission wave or an electrical signal obtained by detection of one or more acoustic emission events.

상기 음향 방출 신호를 감지하기 위해 음향방출 센서를 사용할 수 있다. 상기 음향방출 센서는 음향방출파를 받아 음향방출 신호로 변환하는 장치일 수 있다. 본 발명에서 상기 음향방출 센서는 특별히 한정되지 않는다. An acoustic emission sensor may be used to sense the acoustic emission signal. The acoustic emission sensor may be an apparatus that receives acoustic emission waves and converts the acoustic emission waves into acoustic emission signals. In the present invention, the acoustic emission sensor is not particularly limited.

비등신호는 미포화 비등현상 동안에 발생하는 음향방출 신호로서, 기포의 생성, 성장, 탈착, 이동, 소멸과 관련된 신호일 수 있다. The boiling signal is an acoustic emission signal that occurs during the non-boiling boiling phenomenon, and may be a signal related to the generation, growth, desorption, migration, or extinction of bubbles.

단계1은 원자로 내부의 피복관에 접하는 냉각수 비등현상에 의한 비등신호를 포함하는 원자로 내 음향방출 신호를 수집하는 단계이다. 냉각수의 비등현상은 냉각수가 과냉 상태이지만 국부적인 히터의 표면온도와 냉각수의 온도 차가 일정크기 이상이 되면 히터표면에서 기포가 발생하여 냉각수로 이동하고, 열 전달을 통해 기포가 소멸하므로 발생한다. 비등현상이 일어나지 않는 온도부터 시작하여 실시간으로, 단계별로 비등현상에 따른 음향방출 신호를 수집 할 수 있다. Step 1 is a step of collecting the acoustic emission signal in the reactor including the boiling signal due to the cooling water boiling phenomenon in contact with the cladding tube inside the reactor. The cooling water boiling phenomenon occurs when the cooling water is in a subcooled state, but when the difference between the surface temperature of the local heater and the cooling water is greater than a certain level, bubbles are generated on the surface of the heater and are transferred to the cooling water. It is possible to collect acoustic emission signals according to boiling phenomenon in real time, starting from a temperature at which no boiling phenomenon occurs.

원자로 내부의 피복관은 점차 가열되며 상기 피복관을 둘러싸는 냉각수도 이에 따라 가열된다. 상기 냉각수는 점차 가열됨에 따라 피복관 표면에서 기포가 발생하기 시작하고 상기 냉각수의 온도가 임계온도에 다다르면 일정한 온도로 유지된다. 이 때, 피복관 표면에서 기포가 발생하기 시작하는 상태인 핵비등 시작점(ONB)과, 핵 비등에 의해 발생된 기포가 소멸되지 않고 냉각수 내를 이동하는 핵비등(NB) 사이에 존재하는 열 수력적 조건이 피복관 표면의 미포화비등 영역이라 할 수 있다. 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등현상 탐지 방법은 미포화비등 현상을 탐지함으로써 원자로 운전 중 미포화비등 현상의 발생 추이를 실시간으로 관찰 함으로써 축방향 출력불균일을 예측하고, 이와 함께 축방향 출력불균일을 방지하고 완화할 수 있는 운전전략을 세움으로써 운전의 안전운영과 경제적 손실을 방지 할 수 있다. The cladding inside the reactor is gradually heated and the cooling water surrounding the cladding is also heated accordingly. As the cooling water gradually heats, bubbles start to be generated on the surface of the cladding tube, and the temperature of the cooling water is maintained at a constant temperature when the temperature of the cooling water reaches the critical temperature. At this time, the thermal boiling point (ONB), which is the state in which bubbles start to form on the surface of the cladding tube, and the thermal hydraulic force existing between the nucleate boiling (NB) It can be said that the condition is the unfoamed boiling region of the cladding surface. The method of detecting the boiling phenomenon of the non-boiling phenomenon of the cladding surface of the reactor according to the embodiment of the present invention predicts the unevenness of the output in the axial direction by observing the occurrence of boiling phenomenon during operation of the reactor in real- Together, a driving strategy to prevent and mitigate axial output variations can be made to prevent safe operation and economic loss of operation.

원자로에서 피복관 및 냉각수가 가열되는 동안 피복관, 냉각계통 등이 작동함에 따른 음향신호가 발생할 수 있으며, 이를 음향방출 신호로써 수집할 수 있다. 또한, ONB 현상에 따라 기포가 발생한 이후에는 상기 기포의 발생 및 소멸에 따른 음향신호를 음향방출 신호로 수집할 수 있다. 기포 발생 및 소멸에 따른 신호는 냉각수의 온도가 임계 온도에 다다를 때가지 증가할 수 있으며, 이후에는 일정하게 유지될 수 있다. While the cladding tube and the cooling water are heated by the reactor, acoustic signals may be generated due to the operation of the cladding tube, the cooling system, and the like, which can be collected as an acoustic emission signal. Also, after the bubbles are generated according to the ONB phenomenon, the acoustic signals resulting from the generation and disappearance of the bubbles can be collected as acoustic emission signals. The signal due to bubble generation and extinction may increase until the temperature of the cooling water reaches the critical temperature, and then it may be kept constant.

음향방출 신호를 수집하기 위해 음향방출 센서를 사용할 수 있다. 또한, 상기 음향방출 신호를 피복관의 일단에 배치함으로써 냉각수의 비등 신호를 보다 정확하게 수집할 수 있다. 상기 음향방출 센서에는 공진형과 광대역형이 있으며 특별하게 한정되지 않는다. 상기 음향방출 센서는 피복관의 표면에 직접 부착될 수 있으며, 피복관과의 사이에 보호막(couplant) 또는 가이드를 더 포함한 상태로 부착될 수 있다. Acoustic emission sensors may be used to collect acoustic emission signals. Further, by arranging the acoustic emission signal at one end of the cladding tube, it is possible to more accurately collect the boiling signal of the cooling water. The acoustic emission sensor is of a resonance type and a broadband type and is not particularly limited. The acoustical emission sensor may be directly attached to the surface of the cladding tube, and may be attached with a couplant or guide between the cladding tube and the cladding tube.

단계2는 상기 단계1에서 수집된 신호 중에서 상기 냉각수의 비등신호를 분리하는 단계이다.Step 2 is a step of separating the boiling signal of the cooling water from the signals collected in step 1 above.

단계 1에서 설명한 바와 같이, 단계 1에서 수집된 음향방출 신호에는 냉각수의 비등 현상에 의한 신호뿐 아니라, 원자로의 작동에 따른 신호도 포함될 수 있다. 따라서, 냉각수의 비등 현상에 의한 신호만을 분리함으로써 핵비등 개시점(ONB) 및 핵비등(NB) 시점을 명확하게 검출할 수 있다. As described in step 1, the acoustic emission signals collected in step 1 may include not only signals due to the boiling phenomenon of the cooling water, but also signals depending on the operation of the reactor. Therefore, it is possible to clearly detect the nucleate boiling point (ONB) and the nucleate boiling point (NB) by separating only the signal due to the boiling phenomenon of the cooling water.

이를 위해, 단계1에서 얻어진 음향방출 신호를 신호개수 및 신호진폭으로 변환할 수 있다. 냉각수의 비등 현상이 발생하기 전 단계에서는 냉각수의 비등 현상에 따른 음향 신호가 수집되지 않기 때문에, 원자로 작동에 의한 음향 신호만이 수집될 수 있다. 이후, 냉각수가 가열됨에 따라 냉각수에서 비등 현상이 발생하면 냉각수의 비등 현상에 의한 음향 신호가 수집될 수 있다. 냉각수의 비등 현상이 발생하기 전에 수집된 음향방출 신호 및 냉각수의 비등 현상이 발생한 후에 수집된 음향방출 신호를 각각 신호개수 및 신호진폭으로 변환하여 보면, 냉각수의 비등 현상이 발생한 후에 수집된 음향방출 신호는, 냉각수의 비등 현상이 발생하기 전에 수집된 음향방출 신호와 유사한 진폭을 갖는 음향방출 신호 그룹(제1 그룹)과, 냉각수의 비등 현상이 발생하기 전에 수집된 음향방출 신호에서는 수집되지 않는 영역의 진폭을 갖는 음향방출 신호 그룹(제2 그룹)이 나타남을 알 수 있다. To this end, the acoustic emission signal obtained in step 1 can be converted into a signal number and a signal amplitude. Before the boiling phenomenon of the cooling water occurs, the acoustic signal due to the boiling phenomenon of the cooling water is not collected, so that only the acoustic signal due to the operation of the reactor can be collected. Thereafter, when the boiling phenomenon occurs in the cooling water as the cooling water is heated, an acoustic signal due to the boiling phenomenon of the cooling water can be collected. The acoustic emission signals collected before the boiling phenomenon of the cooling water and the acoustic emission signals collected after the boiling phenomenon of the cooling water are converted into the signal number and the signal amplitude, respectively, (First group) having an amplitude similar to that of the acoustic emission signal collected before the boiling phenomenon of the cooling water, and an acoustic emission signal group (first group) having an amplitude similar to that of the acoustic emission signal collected before the boiling phenomenon of the cooling water, It can be seen that the acoustic emission signal group (second group) having the amplitude appears.

상기 제1 그룹은 냉각수의 비등 현상에 의한 음향방출 신호가 아닌 원자로 작동에 의한 음향방출 신호이므로, 상기 제2 그룹이 냉각수의 비등 현상에 의한 음향방출 신호임을 알 수 있다. 따라서, 상기 제 1그룹의 음향방출 신호를 제거함으로써 냉각수의 비등 현상에 의한 음향방출 신호(제2 그룹)를 분리할 수 있다. It can be seen that the second group is an acoustic emission signal due to the boiling phenomenon of the cooling water because the first group is an acoustic emission signal by an operation of an atomic reactor rather than an acoustic emission signal due to the boiling phenomenon of cooling water. Accordingly, by removing the first group of acoustic emission signals, the acoustic emission signal (second group) due to the boiling phenomenon of the cooling water can be separated.

단계2에서 분리한 냉각수의 비등 신호에 의한 음향방출 신호 및 냉각수의 온도를 측정함으로써 피복관 표면의 미포화비등 현상을 탐지할 수 있다. 냉각수의 비등 신호에 의한 음향방출 신호는 원자로 작동과 관련한 음향방출 신호가 제거된 것이므로, 냉각수의 비등 신호에 의한 음향방출 신호가 나타나는 시점이 ONB 시점임을 알 수 있다. 또한, 원자로의 냉각수는 가압된 상태이므로, 상기 냉각수의 온도가 상기 압력하에서의 끊는 점인 냉각수의 포화온도에 이를 때까지 냉각수의 비등 현상이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 상기 ONB 개시 시점 및 상기 냉각수의 온도가 포화온도에 다다르는 시점까지의 구간을 피복관 표면의 미포화비등 현상이 발생하는 구간임을 알 수 있다. By measuring the acoustic emission signal by the boiling signal of the cooling water separated in step 2 and the temperature of the cooling water, it is possible to detect the non-boiling phenomenon of the surface of the cladding tube. Since the acoustic emission signal due to the cooling water boiling signal is the acoustic emission signal related to the operation of the reactor is removed, it can be seen that the time point when the acoustic emission signal due to the boiling signal of the cooling water appears is the ONB timing. In addition, since the cooling water of the reactor is in a pressurized state, the boiling phenomenon of the cooling water increases until the temperature of the cooling water reaches the saturation temperature of the cooling water, which is the breaking point under the above-mentioned pressure. Therefore, it can be seen that the section from the ONB start point and the time point at which the temperature of the cooling water reaches the saturation temperature is a section where the non-boiling phenomenon of the surface of the cladding tube occurs.

이와 같이 단계1 내지 단계3을 수행함으로써 핵연료 피복관을 둘러싸는 냉각수의 상태를 알 수 있으며, 피복관 표면에 미포화비등 현상이 발생하는지 여부를 관찰할 수 있다. 이로써 원자로의 작동 방법을 적절하게 제어할 수 있고, 축방향 출력 왜곡 및 이에 따른 축방향 출력불균일을 방지할 수 있다. 또한, 원자로 운영을 안정적으로 수행할 수 있다. By performing steps 1 to 3 as described above, the state of the cooling water surrounding the fuel cladding tube can be determined, and it is possible to observe whether or not the non-forming boiling phenomenon occurs on the cladding tube surface. This makes it possible to appropriately control the operation method of the reactor and to prevent the axial output distortion and hence the axial output unevenness. In addition, the reactor operation can be performed stably.

본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 방법을 보다 명확하게 설명하기 위해 도 2 및 도 11의 장치를 이용한다. The apparatus of FIGS. 2 and 11 is used to more clearly illustrate the method of detecting the non-boiling phenomenon of a nuclear fuel cladding surface according to an embodiment of the present invention.

도 2는 1 bar 조건에서 미포화비등 현상 탐지를 위한 장치를 도시한 것이다. 도 2를 통하여 포집된 음향방출 신호 및 실제 냉각수의 비등 거동과의 관계를 설명할 수 있다. Figure 2 shows an apparatus for detection of unfoamed boiling phenomenon at 1 bar condition. The relationship between the acoustic emission signal collected through FIG. 2 and the boiling behavior of the actual cooling water can be explained.

도 2를 참조하면 1 bar 조건에서 미포화비등 현상 탐지를 위한 장치는 카메라(1100), 냉각수 용기(1200), 상기 냉각수 용기에 담긴 냉각수, 상기 냉각수 내에 배치된 피복관(1300), 상기 피복관(1300)에 연결되어 피복관을 가열하는 막대히터(1500), 음향방출 신호를 감지하는 음향방출 센서(1400), 상기 막대히터(1500)의 온도를 조절하는 온도 조절기(1600), 상기 음향방출 센서(1400)에서 감지된 음향 방출 신호를 포집하고 분석하여 상기 냉각수의 미포화비등 현상을 탐지하는 제어부(1700)를 포함한다.Referring to FIG. 2, an apparatus for detecting boiling phenomenon in a 1 bar condition includes a camera 1100, a cooling water container 1200, cooling water contained in the cooling water container, a cladding pipe 1300 disposed in the cooling water, An acoustic emission sensor 1400 for sensing an acoustic emission signal, a temperature controller 1600 for controlling the temperature of the rod heater 1500, a temperature controller 1600 for controlling the temperature of the acoustic emission sensor 1400 And a control unit 1700 for detecting the non-boiling phenomenon of the cooling water by capturing and analyzing the sensed acoustic emission signal.

카메라(1100)는 Nickon 900D 를 사용하였다. Camera 1100 uses Nickon 900D.

냉각수 용기(1200)는 Stainless 316 용기를 사용하였다.The cooling water container 1200 used a Stainless 316 container.

피복관(1300)은 Westinghouse에서 제작된 ZirloTM 튜브이다. Cladding 1300 is a Zirlo TM tube manufactured by Westinghouse.

상기 막대히터(1500) 및 피복관(1300)에 대하여는 도 23을 참조할 수 있다. 상기 막대히터(1500)는 SS316 재질로 이루어진 외경(Outer diameter) 8.3 mm으로 내부의 Ni-Cr선에 의해 전기적 가열방식으로 발열되도록 하고, 내부는 절연과 열전달을 고려해 MgO로 정밀하게 패킹하여 제작하였다 (도 23 (d)). 막대히터의 발열길이는 250 mm이며(도 23(a)), 막대히터와 피복관 총 길이는 550mm이다(도 23(b)). 최대 100 W/cm2의 열출력을 낼 수 있으며, 막대히터 삽입 후 히터와 피복관 사이의 간극은 미세입자로 구성된 MgO 페이스트를 삽입하여, 열손실을 최소화 하도록 하였다 (도 23(c)). 상기 피복관(1300)의 온도는 피복관 내부에 설치된 온도센서의 피드백을 받아 히터 온도 제어기에 의해 피복관의 가열 온도를 제어하였다.The rod heater 1500 and the cladding tube 1300 can be referred to FIG. The rod heater 1500 was made of an SS316 material having an outer diameter of 8.3 mm and was made of an Ni-Cr wire to generate heat in an electric heating manner and the inside was precisely packed with MgO in consideration of insulation and heat transfer (Fig. 23 (d)). The heating length of the bar heater is 250 mm (Fig. 23 (a)), and the total length of the bar heater and the cladding tube is 550 mm (Fig. 23 (b)). A maximum output of 100 W / cm 2 can be obtained. After insertion of the bar heater, a gap between the heater and the cladding tube is inserted into the MgO paste composed of fine particles to minimize heat loss (FIG. 23 (c)). The temperature of the cladding tube 1300 was controlled by a heater temperature controller by receiving feedback from a temperature sensor installed inside the cladding tube.

상기 냉각수는 PWR원전 1차계통 수질조건의 범위에서 LiOH 3.5 ppm, H3BO3 1500 ppm을 18 MΩ-cm의 저항을 갖는 고순도 증류수에 녹여 제조하였고, 용액중 용존산소 제거를 위해 Ar으로 탈기하여 5 ppb이하로 조절하였다. The cooling water had a LiOH 3.5 ppm, H 3 BO 3 1500 ppm was dissolved in high-purity distilled water with a resistance of 18 MΩ-cm, and the solution was deaerated with Ar to remove dissolved oxygen in the solution and adjusted to 5 ppb or less.

상기 온도조절기(1600)는 100 내지 160 범위에서 20씩 증가시켜가며 조절하였고, 각각의 온도가 안정화 되었을 때, 냉각수의 비등 현상을 카메라(1100)와 음향방출 신호 포집기를 이용하여 관찰하였다.The temperature controller 1600 was controlled to increase by 20 in the range of 100 to 160. When each temperature was stabilized, boiling phenomenon of the cooling water was observed using the camera 1100 and an acoustic emission signal collector.

상기 음향방출 센서(1400)는 Physical Acoustic사(PAC)의 R3a type (30-75 kHz resonant frequency, MISTRAS of PAC, USA)로 피복관 외부에 양쪽으로 커플링 지그를 통해 커플런트(couplant)를 이용해 밀접하게 설치하였다. 신호수집을 위해 PAC사의 2/4/6 전치증폭기(preamplifier)를 이용하여 신호를 증폭하고, 대역필터(band pass filter)를 통해 100 kHz의 신호를 포집 하였으며, 이때 48 dB의 문턱값(threshold)과 40 dB의 이득값(gain)을 가지고 수집되었다. 수집된 음향방출 신호는 AE-Win 소프트웨어(PCI-2, PAC)를 이용하여 분석하였다. The acoustic emission sensor 1400 is connected to the outside of the cladding with a coupler through a coupling jig on both sides with a R3a type (30-75 kHz resonant frequency, MISTRAS of PAC, USA) of Physical Acoustic Corporation (PAC) Respectively. The signal was amplified using a 2/4/6 preamplifier from PAC to collect the signal, and a 100 kHz signal was collected through a band pass filter. At this time, a threshold of 48 dB was obtained, And a gain of 40 dB. The collected acoustic emission signals were analyzed using AE-Win software (PCI-2, PAC).

상기 제어부(1700)는 연산장치, 저장장치 등을 포함하는 컴퓨터일 수 있다.The controller 1700 may be a computer including a computing device, a storage device, and the like.

히터의 온도를 120℃ 내지 180℃ 범위에서 20℃씩 증가시켜 실시간으로 음향방출 신호를 수집하였다. 히터의 온도가 120℃일 때 기포는 관찰되지 않았으며, 이때 수집된 신호는 16 내지 28 kHz 주파수 영역에서 관찰된다. 이 영역을 히터의 전기적 신호로 인한 신호로 분류할 수 있다. 다음으로 히터의 온도를 140℃로 설정하면 피복관 표면에서 기포가 관찰되며 음향 방출 신호는 16 내지 28 kHz영역 이외의 영역에 산포된 신호가 수집된다. 히터온도가 160℃와 180℃인 경우에도 비슷한 경향을 보이며, 180℃로 유지하는 경우 냉각수의 온도가 물의 포화온도 (비등점)인 100℃에 도달하여 더 이상 기포가 소멸되지 않고 이동하게 된다. The temperature of the heater was increased by 20 DEG C in the range of 120 DEG C to 180 DEG C to collect acoustic emission signals in real time. No bubbles were observed when the heater temperature was 120 ° C, and the collected signals were observed in the 16-28 kHz frequency range. This area can be classified as a signal due to the electrical signal of the heater. Next, when the temperature of the heater is set to 140 ° C, bubbles are observed on the surface of the cladding tube, and the acoustic emission signal is collected in a region outside the 16 to 28 kHz region. When the heater temperature is 160 ° C and 180 ° C, a similar tendency is observed. When the temperature is maintained at 180 ° C, the temperature of the cooling water reaches 100 ° C, which is the saturation temperature (boiling point) of water, and the bubbles no longer disappear.

앞서 얻어진 음향방출 신호를 신호개수 및 신호진폭으로 변환하면 도5 내지 도8에 도시된 바와 같이 2개 그룹으로 분류된다. 히터의 온도가 120℃ 일 때 60 내지 67 dB 진폭의 신호만 측정이 되는데 고속카메라로 관찰한 기포가 관찰되지 않은 점을 고려할 때 히터의 전기적 신호에 의한 그룹을 분리 할 수 있다. 그러나 히터의 온도가 140℃ 이상으로 가열되면 60 내지 67 dB 진폭 보다 낮은 진폭을 갖는 그룹이 나타나는데, 이를 기포의 생성, 탈착, 이동, 소멸과 관련된 신호로 구분할 수 있다.When the acoustic emission signals obtained above are converted into signal numbers and signal amplitudes, they are classified into two groups as shown in FIGS. When the temperature of the heater is 120 ° C, only the signal with the amplitude of 60 to 67 dB is measured. Considering that the bubble observed by the high-speed camera is not observed, the group by the electric signal of the heater can be separated. However, when the temperature of the heater is heated to 140 ° C or higher, groups with amplitudes lower than the amplitude of 60 to 67 dB appear, which can be divided into signals related to bubble formation, desorption, migration, and extinction.

도 3을 참조하면 1 bar의 압력에서 히터를 통해 온도를 20℃씩 증가시켜 각 A, B, C, D 구간이 관찰되었고, A에서 기포는 관찰되지 않았고, B에서부터 기포 발생이 시작되었다. C에서는 기포발생 횟수나 크기가 더욱 증가하였으며, D에서 냉각수의 온도가 비등점에 도달하며 기포가 소멸되지 않고 계속하여 발생함을 관찰하였다. 상기 A는 냉각수의 비등 현상이 발생하지 않는 구간이며, 상기 B 및 C는 냉각수의 미포화비등 현상이 발생하는 구간이다. 상기 D는 냉각수가 포화온도에 이르러 비등 현상이 발생하는 구간임을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, the temperature of each of A, B, C, and D was observed at a pressure of 1 bar through a heater by 20 ° C., and bubbles were not observed in A and bubbles were started in B. In C, the number and size of bubbles increased. In D, the temperature of the cooling water reached the boiling point, and the bubbles continued without bubbling. A is a period during which the boiling phenomenon of the cooling water does not occur, and B and C are periods during which boiling phenomenon of the cooling water does not occur. It can be seen that D is a zone where boiling phenomenon occurs when the cooling water reaches the saturation temperature.

도 4를 참조하면, 히터의 온도에 따른 음향 방출 신호의 발생 주파수 영역이다. 가로축은 히터의 온도(Internal Heater Temperature)이고, 세로축은 평균 주파수(Average Frequency)를 의미한다. Referring to FIG. 4, it is a generation frequency region of the acoustic emission signal according to the temperature of the heater. The horizontal axis represents the temperature of the heater (Internal Heater Temperature), and the vertical axis represents the average frequency.

A에서 음향 방출 신호는 16 kHz 내지 28 kHz 영역에서 띠를 이루며 관찰되었고, B에서부터 16 kHz 내지 28 kHz 영역 이외의 주파수 분포가 관찰된다. C와 D에서는 신호발생 주파수 영역이나 발생횟수가 급격하게 증가함을 볼 수 있다. 상기 A에서 감지된 음향방출 신호는 냉각수의 미포화비등 또는 비등 현상에 의한 것은 아니며, 히터의 구동에 의한 음향방출 신호로 판단할 수 있다. 상기 B 내지 D에서 감지된 음향 방출 신호는 히터의 구동에 의한 음향방출 신호 및 냉각수의 미포화비등 또는 비등 현상에 의한 음향방출 신호가 혼합된 것으로 판단할 수 있다. In A, the acoustic emission signal was observed in the band from 16 kHz to 28 kHz and the frequency distribution was observed from B in the region from 16 kHz to 28 kHz. In C and D, we can see that the frequency range of signal generation and the number of occurrences increase sharply. The acoustic emission signal sensed by the A is not caused by boiling or boiling of the cooling water, and can be determined as an acoustic emission signal by the heater. The acoustic emission signals sensed in the above B to D can be judged to be the mixture of the acoustic emission signal driven by the heater and the acoustic emission signal due to the boiling phenomenon or the boiling phenomenon of the cooling water.

이를 바탕으로 판단하면, 도 5를 참조하여 히터온도가 120℃ 일 때의 히터 시그널(Heater signals)을 살펴보면, 냉각수의 비등신호 영역에 대한 신호는 나타나지 않고, 히터의 전기적 신호에 의한 주파수 영역(히터 시그널(Heater signals))만이 나타난다. 도 6을 참조하면, 히터온도가 140℃ 일 때 상대적으로 낮은 범위의 진폭에서도 음향방출 신호가 측정된다. 이는 냉각수의 끓음에 의한 신호(Boiling signals)로서 냉각수의 비등신호로 인한 것으로 볼 수 있다. 도 7을 참조하면, 히터온도가 160℃ 일 때 기포의 발생 횟수나 크기가 커지므로 신호개수와 신호진폭의 범위가 넓어진다. 도 8을 참조하면, 히터온도가 180℃ 일 때 기포의 발생 횟수나 크기가 더욱 커져 신호개수와 신호진폭의 범위가 확연히 넓게 나타난다. Referring to FIG. 5, when the heater signal is 120 ° C., the signal for the boiling signal region of the cooling water does not appear, but the frequency region (heater (Heater signals). Referring to FIG. 6, the acoustic emission signal is measured at a relatively low range of amplitude when the heater temperature is 140 ° C. This can be seen as the boiling signals of the cooling water due to the boiling signal of the cooling water. Referring to FIG. 7, when the heater temperature is 160 ° C, the number of bubbles and the size of the bubbles are increased, thereby increasing the number of signals and the range of signal amplitudes. Referring to FIG. 8, when the heater temperature is 180 ° C., the number of bubbles and the size of the bubbles are increased, so that the number of signals and the range of signal amplitudes are clearly widened.

도 9는 상기 단계2 에서 분리된 음향방출 신호 중에서 히터의 전기적 신호에 해당하는 주파수 만을 나타낸다. 도 9에 나타낸 바와 같이, A, B, C, D 구간에서 모두 비슷한 주파수 영역에서 전기적 신호가 나타난다.FIG. 9 shows only the frequency corresponding to the electric signal of the heater among the acoustic emission signals separated in the step 2. As shown in Fig. 9, electric signals appear in the similar frequency domain in the sections A, B, C, and D.

도 10은 상기 단계2 에서 분리된 음향방출 신호 중에서 냉각수의 비등신호에 해당하는 주파수 만을 나타낸다. 도 4의 신호에서 도 9의 신호를 제거한 것으로, A부분 에서는 냉각수의 비등이 일어나지 않은바 아무런 신호가 나타나지 않고, B, C, D 부분에서는 온도가 상승함에 따라 기포가 발생하는 횟수 및 크기가 증가하여 차츰 넓은 영역의 전기적 신호가 나타난다. 10 shows only the frequency corresponding to the boiling signal of the cooling water among the acoustic emission signals separated in the step 2. In the signal of FIG. 4, no signal is shown because the signal of FIG. 9 is removed in the portion A, and the number of times and the size of the bubbles are increased as the temperature rises in the portions B, C and D An electric signal of a wide area gradually appears.

도 11은 고압 조건에서 미포화비등 현상 탐지를 위한 장치를 도시한 것이다. 도 11을 통하여 실제 원자로와 유사한 가압된 상태에서 포집된 음향방출 신호 및 실제 냉각수의 거동과의 관계를 설명할 수 있다. 이를 위해 사용한 막대히터 및 피복관은 1 bar 조건에서 미포화비등 현상 탐지를 위한 장치에서 사용한 것을 사용할 수 있다.FIG. 11 shows an apparatus for detecting unfoamed boiling phenomenon under high pressure conditions. 11, the relationship between the acoustic emission signal collected in the pressurized state similar to the actual reactor and the behavior of the actual cooling water can be described. For this purpose, the bar heater and cladding used can be of the type used in equipment for the detection of unfoamed boiling phenomena at 1 bar conditions.

이때 냉각수는 상기 도 2에 기술된 바와 같이 PWR원전 1차계통 수질조건의 범위에서 LiOH 3.5 ppm, H3BO3 1500 ppm을 18 MΩ-cm의 저항을 갖는 증류수에 녹여 제조하였고, 용액중 용존산소 제거를 위해 Ar으로 탈기하여 5 ppb이하로 조절하였다. 또한 원자로 내의 환경을 모사하기 위해 냉각수는 피복관 표면의 유속이 5 m/s가 되도록 순환시켰으며, 이때 막대히터가 삽입된 피복관이 위치한 테스트 섹션의 입구온도는 원자로 냉각수 온도와 유사한 325℃가 되도록 유지하였으며, 이때 시스템의 압력은 냉각수가 329의 포화온도를 갖도록 130 bar로 조절하였다. 막대히터의 온도는 340 내지 400 범위에서 20씩 상승시켜가며 동시에 음향방출 신호를 포집하였다. 이때 음향방출 신호는 각각의 가열온도 조건이 안정되었을 때 각각 500초 동안 포집하였다.At this time, as shown in FIG. 2, the cooling water was changed to LiOH 3.5 ppm, H 3 BO 3 1500 ppm was dissolved in distilled water having a resistance of 18 MΩ-cm, and the solution was deaerated with Ar to remove dissolved oxygen in the solution and adjusted to 5 ppb or less. In order to simulate the environment in the reactor, the cooling water was circulated at a flow rate of 5 m / s at the surface of the cladding tube. At this time, the inlet temperature of the test section in which the cladding tube with the rod heater was located was maintained at 325 ° C. The pressure of the system was adjusted to 130 bar so that the cooling water had a saturation temperature of 329. The temperature of the bar heater was increased by 20 in the range of 340 to 400 while collecting the acoustic emission signal. At this time, the acoustic emission signal was collected for 500 seconds when each heating temperature condition was stabilized.

도 12를 참조하면, 고온고압 조건에서 히터 온도 증가에 따른 음향방출 신호의 주파수 분포를 4개 구간으로 나눈 것으로, 히터신호와 전기적 신호가 구분되기 전의 주파수 분포로, 340℃에서는 360℃, 380℃, 400℃에서 나타나는 분포가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, the frequency distribution of the acoustic emission signal according to the heater temperature increase under the high temperature and high pressure condition is divided into four sections. The frequency distribution before the heater signal and the electric signal are separated is 360 ° C. and 380 ° C. , It can be confirmed that no distribution appears at 400 ° C.

도 2의 장치에서 분석한 바와 유사하게, 도 13을 참조하면, 히터온도가 340℃ 일 때 냉각수의 비등신호 영역은 나타나지 않고, 히터의 전기적 신호에 의한 영역만이 나타난다. 도 14를 참조하면, 히터온도가 360℃ 일 때 상대적으로 낮은 범위의 진폭에서도 음향방출 신호가 측정된다. 이는 냉각수의 비등신호로 인한 것으로 볼 수 있다. 도 15를 참조하면, 히터온도가 380℃ 일 때 기포의 발생 횟수나 크기가 커지므로 신호개수와 신호진폭의 범위가 넓어진다. 도 16을 참조하면, 히터온도가 400℃ 일 때 신호개수와 신호진폭의 범위가 380oC와 비슷하게 나타나는 것을 볼 때 기포의 발생횟수와 크기가 비슷할 것으로 판단된다. Similar to the analysis of FIG. 2, referring to FIG. 13, when the heater temperature is 340 ° C., the boiling signal region of the cooling water does not appear, and only the region due to the electrical signal of the heater appears. Referring to Fig. 14, the acoustic emission signal is measured at a relatively low range of amplitude when the heater temperature is 360 deg. This can be attributed to the boiling signal of the cooling water. Referring to FIG. 15, when the heater temperature is 380 ° C, the number of bubbles and the size of the bubbles are increased, so that the number of signals and the range of signal amplitudes are widened. Referring to FIG. 16, when the heater temperature is 400 ° C., the number of signals and the amplitude of the signal are similar to 380 ° C. Therefore, it is considered that the number of bubbles is similar to the number of bubbles.

도 17을 참조하면, 상기 단계2 에서 분리된 음향 방출 신호 중에서 히터의 전기적 신호에 해당하는 주파수 만을 나타낸다. 340℃, 360℃, 380℃, 400℃ 부분에서는 모두 비슷한 주파수 영역에서 전기적 신호가 나타난다. 17, only the frequency corresponding to the electric signal of the heater among the acoustic emission signals separated in the step 2 is shown. 340 ° C, 360 ° C, 380 ° C, and 400 ° C, electrical signals appear in similar frequency ranges.

도 18을 참조하면, 상기 단계2 에서 분리된 음향방출 신호 중에서 냉각수의 비등신호에 해당하는 주파수 만을 나타낸다. 340℃ 부분 에서는 냉각수의 비등이 일어나지 않은바 아무런 신호가 나타나지 않고, 360℃, 380℃, 400℃ 부분에서는 온도가 상승함에 따라 기포가 발생하는 횟수가 증가하여 차츰 넓은 영역의 전기적 신호가 나타난다. 18, only the frequency corresponding to the boiling signal of the cooling water among the acoustic emission signals separated in the step 2 is shown. In the region of 340 ° C, there is no signal when no boiling of the cooling water occurs. In 360 °, 380 °, and 400 ° C portions, the number of bubbles is increased as the temperature rises, and electrical signals of a wide area gradually appear.

도 19를 참조하면, 1 bar 압력하에서 냉각수는 점차 가열됨에 따라 피복관 표면에서 기포가 발생하기 시작하고 상기 냉각수의 온도가 임계온도에 다다르면 일정한 온도로 유지된다. 이 때, 피복관 표면에서 기포가 발생하기 시작하는 상태인 핵비등 개시점의 온도와, 핵비등에 의해 발생된 기포가 소멸되지 않고 냉각수 내를 이동하는 포화온도 사이에 존재하는 열수력적 조건이 피복관 표면의 미포화비등 영역이라 할 수 있다. Referring to FIG. 19, bubbles are generated on the surface of the cladding tube as the cooling water gradually heats under a pressure of 1 bar, and is maintained at a constant temperature when the temperature of the cooling water reaches the critical temperature. At this time, the thermal hydrodynamic condition existing between the temperature of the nucleate boiling starting point where bubbles start to be generated on the surface of the cladding tube and the saturation temperature in which the bubbles generated by the nucleate boiling do not disappear but moves in the cooling water, It can be said that it is the boiling area of the surface of the surface.

히터온도가 140℃에 도달할 때까지는 냉각수의 비등현상이 개시되지 않으며, 140℃에 도달했을 때에 냉각수의 비등현상이 개시되는데 이때의 냉각수의 온도를 비등 개시온도라고 한다. 히터온도가 180℃ 에서는 냉각수의 온도가 포화온도에 까지 도달하여 핵비등으로 발생한 기포가 소멸되지 않고 이동하게 된다. The boiling phenomenon of the cooling water is not initiated until the heater temperature reaches 140 占 폚 and the boiling phenomenon of the cooling water starts when the temperature reaches 140 占 폚. The temperature of the cooling water at this time is referred to as the boiling start temperature. When the heater temperature is 180 ° C, the temperature of the cooling water reaches the saturation temperature, and the bubbles generated by the boiling of the nuclei do not disappear and move.

이때 기포 발생 개시 지점과 기포가 소멸되지 않고 이동하는 지점 사이의 영역을 미포화비등 영역으로 볼 수 있다.At this time, the region between the starting point of bubble generation and the point where the bubble does not disappear can be regarded as a non-spoiled boiling region.

도 20을 참조하면, 130 bar 압력하에서 냉각수는 점차 가열됨에 따라 피복관 표면에서 기포가 발생하기 시작하고 상기 냉각수의 온도가 임계온도에 다다르면 일정한 온도로 유지된다. 이 때, 피복관 표면에서 기포가 발생하기 시작하는 상태인 핵비등 개시 온도와, 핵 비등에 의해 발생된 기포가 소멸되지 않고 냉각수 내를 이동하는 핵비등 포화온도 사이에 존재하는 열수력적 조건이 피복관 표면의 미포화비등 영역이라 할 수 있다.Referring to FIG. 20, bubbles are generated at the surface of the cladding tube as the cooling water gradually heats under a pressure of 130 bar, and is maintained at a constant temperature when the temperature of the cooling water reaches a critical temperature. At this time, the thermal hydrodynamic condition existing between the nucleate boiling start temperature, in which bubbles start to form on the surface of the cladding tube, and the nucleate boiling saturation temperature, which does not disappear in the bubbles generated by the nucleate boiling, It can be said that it is the boiling area of the surface of the surface.

히터온도가 360℃에 도달할 때까지는 냉각수의 비등현상이 개시되지 않으며, 400℃에 도달했을 때에 냉각수의 비등현상이 개시되는데 이때의 냉각수의 온도를 비등 개시온도라고 한다. 히터온도가 400℃ 에서는 냉각수의 온도가 포화온도에 까지 도달하여 핵비등으로 발생한 기포가 소멸되지 않고 이동하게 된다. The boiling phenomenon of the cooling water is not initiated until the heater temperature reaches 360 DEG C and the boiling phenomenon of the cooling water starts when the temperature reaches 400 DEG C, and the temperature of the cooling water at this time is referred to as the boiling start temperature. When the heater temperature is 400 ° C, the temperature of the cooling water reaches the saturation temperature, and the bubbles generated by the boiling of the nuclei do not disappear and move.

이때 기포 발생 개시 지점과 기포가 소멸되지 않고 이동하는 지점 사이의 영역을 미포화비등 영역으로 볼 수 있다.At this time, the region between the starting point of bubble generation and the point where the bubble does not disappear can be regarded as a non-spoiled boiling region.

원자로의 Nuclear 피복관Cladding tube 표면의  Surface 미포화비등Non-foaming boiling (( SNBSNB : sub-cooled nucleate boiling) 현상 탐지 장치: sub-cooled nucleate boiling)

이하, 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치를 설명한다. Hereinafter, an apparatus for detecting the boiling phenomenon of a non-vaporized nuclear fuel cladding surface will be described.

도21은 본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치(100)를 도시한 것이고, 도 22는 본 발명의 실시 예를 따르는 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치(100)가 피복관(10)에 연결된 것을 도시한 것이다. FIG. 21 illustrates an apparatus 100 for detecting a non-atomized boiling phenomenon on a surface of a nuclear fuel cladding tube according to an embodiment of the present invention, and FIG. 22 illustrates an apparatus 100 for detecting a non- ) Are connected to the cladding tube (10).

도 21 및 도 22를 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치(100)는, 핵연료 피복관(10)에 접하도록 배치된 냉각수(30)의 음향방출 신호를 감지하는 음향방출 센서(110); 상기 음향방출 센서(110)에서 감지된 음향방출 신호를 포집하고 분석하여 상기 냉각수(30)의 미포화비등 현상을 탐지하는 제어부(120); 를 포함한다. 21 and 22, an apparatus 100 for detecting the boiling phenomenon of a muffled boiling phenomenon of a surface of a cladding tube of a nuclear reactor according to an embodiment of the present invention is provided with an acoustic emission signal of a cooling water 30 arranged in contact with a fuel cladding tube 10 An acoustic emission sensor 110 for sensing an acoustic signal; A controller 120 for collecting and analyzing an acoustic emission signal sensed by the acoustic emission sensor 110 to detect a non-boiling phenomenon of the cooling water 30; .

원자력 발전소는 핵분열에 의해 발생하는 열에너지를 전기에너지를 변환하는 장치이다. 원자력 발전소의 원자로 종류로는 가압수형 원자로, 개량가스 냉각형 원자로, 경수형 원자로, 균질원자로 등이 있으며, 본 발명은 특별히 한정하지 않는다. Nuclear power plants are devices that convert electrical energy generated by nuclear fission into thermal energy. Nuclear power plant types include pressurized water reactors, reformed gas cooled reactors, light water reactors, and homogenous reactors, and the present invention is not particularly limited.

피복관(10)은 원자로(20) 내에 배치되고, 연료봉을 내부에 포함하는 것일 수 있다. 상기 피복관(10)은 원자로(20) 내 핵연료인 우라늄이 안전하게 핵분열반응을 일으키도록 보호하고 방사능 물질이 외부로 누출되는 것을 막아주는 역할을 할 수 있다. 본 발명은 특별히 한정하지 않는다. The cladding tube 10 may be disposed in the reactor 20 and include a fuel rod therein. The cladding tube 10 protects the uranium fuel in the reactor 20 from causing a fission reaction safely and can prevent the radioactive material from leaking to the outside. The present invention is not particularly limited.

냉각수(30)는 경수로 또는 중수로에서 1차 냉각재로 사용되는 경수 또는 중수 이다. 본 발명은 특별히 한정하지 않는다.The cooling water 30 is hard water or heavy water used as a primary coolant in a light water reactor or a heavy water reactor. The present invention is not particularly limited.

음향방출 센서(110)는 상기 원자로의 운전조건 하에서 상기 냉각수(30)의 비등신호가 포함된 음향방출 신호를 탐지한다. 상기 음향방출 센서(110)에는 공진형 음향방출 센서, 광대역형 음향방출 센서 등이 있으며, 본 발명은 특별히 한정하지 않는다. The acoustic emission sensor 110 detects an acoustic emission signal including a boiling signal of the cooling water 30 under the operating condition of the reactor. The acoustic emission sensor 110 includes a resonance type acoustic emission sensor, a broadband type acoustic emission sensor, and the like, and the present invention is not particularly limited thereto.

제어부(120)는 포집된 음향방출 신호의 신호개수 및 신호진폭을 기초로 분류하여 상기 냉각수(30)의 비등신호를 분리할 수 있다. 상기 제어부(120)는 연산장치 및 저장장치 등이 포함된 컴퓨터일 수 있으며, 본 발명은 특별히 한정하지 않는다.The control unit 120 can separate the boiling signal of the cooling water 30 by classifying it on the basis of the signal number and the signal amplitude of the captured acoustic emission signal. The controller 120 may be a computer including a computing device and a storage device, and the present invention is not particularly limited.

상기 음향방출 센서(110)는 상기 원자로(20)의 운전조건 하에서 상기 냉각수(30)의 비등신호가 포함된 음향방출 신호를 탐지할 수 있다.The acoustic emission sensor 110 may detect an acoustic emission signal including a boiling signal of the cooling water 30 under the operating condition of the reactor 20. [

상기 제어부(120)는 상기 음향방출 센서(110)를 통하여 포집된 음향방출 신호의 신호개수 및 신호진폭을 기초로 분류하여 상기 냉각수(30)의 비등신호를 분리할 수 있다. The control unit 120 can separate the boiling signal of the cooling water 30 by classifying the signal based on the signal number and the signal amplitude of the acoustic emission signal collected through the acoustic emission sensor 110.

상기 제어부(120)에서 상기 냉각수(30)의 미포화비등 현상을 탐지하는 방법은, 상기 냉각수(30)의 온도가 핵 비등에 의해 음향방출 신호가 나타나는 온도인 핵비등 개시온도 및 냉각수 온도의 포화 온도 사이의 온도에 해당하는 경우를 피복관 표면의 미포화비등 현상이 발생한 것으로 할 수 있다. The method for detecting the boiling phenomenon of the cooling water (30) in the controller (120) is characterized in that the temperature of the cooling water (30) is saturated with the nucleation boiling start temperature and the cooling water temperature And the case where the temperature corresponds to the temperature between the temperature and the temperature can be regarded as the phenomenon of non-boiling phenomenon of the surface of the cladding tube.

각 구성의 기능 및 실시 예에 대해서는 앞서 설명한 바, 중복 설명을 피하기 위해 생략한다. As described above, the functions and the embodiments of the respective components are omitted in order to avoid redundant explanations.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. something to do.

100: 원자로 핵연료 피복관 표면의 미포화비등 현상 탐지 장치
110: 음향방출 센서
120: 제어부
10: 피복관
20: 원자로
30: 냉각수
1100: 카메라
1200: 냉각수 용기
1300: 피복관
1400: 음향방출 센서
1500: 막대히터
1600: 온도 조절기
1700: 제어부100: Empty boiling phenomenon detection device on reactor nuclear fuel cladding surface
110: acoustic emission sensor
120:
10: cladding tube
20: Reactor
30: Cooling water
1100: Camera
1200: cooling water container
1300: cladding tube
1400: Acoustic emission sensor
1500: Bar heater
1600: Temperature controller
1700:

Claims (8)

원자로 핵연료 피복관에 접하는 냉각수 비등현상에 의한 비등신호를 포함하는 원자로 내 음향방출 신호를 수집하는 단계 (단계1);
상기 단계1에서 수집된 신호 중에서 상기 냉각수의 비등신호를 분리하는 단계(단계2);
상기 단계2의 상기 분리된 비등신호로부터 미포화비등 현상의 개시시점을 구분하여, 피복관 표면의 미포화비등(SNB: sub-cooled nucleate boiling) 현상을 탐지하는 단계(단계3); 를 포함하고,
상기 단계2에서 상기 음향방출 신호에서 비등신호를 분리하는 방법은, 상기 단계1의 음향방출 신호 중 상기 냉각수의 비등현상이 발생하지 않은 온도 구간에서 감지된 신호의 진폭을 가진 신호를 제외한 신호를 상기 냉각수의 비등현상에 의해 발생한 음향방출 신호로 분류하여, 상기 단계1의 음향방출 신호를 신호 개수(Counts) 및 신호 진폭(Amplitude)으로 변환하여 상기 냉각수의 비등현상에 의해 발생한 음향방출 신호를 분리하는 것을 특징으로 하는 원자로의 피복관 표면의 미포화비등(SNB: sub-cooled nucleate boiling) 현상 탐지 방법.
Collecting an in-reactor acoustical emission signal including a boiling signal due to a cooling water boiling phenomenon in contact with the nuclear fuel cladding tube (step 1);
Separating the boiling signal of the cooling water from the signals collected in the step 1 (step 2);
(Step 3) of detecting the phenomenon of sub-cooled nucleate boiling (SNB) on the surface of the cladding tube by separating the start time point of the non-boiling phenomenon from the separated boiling signal of step 2; Lt; / RTI >
The method of separating the boiling signal from the sound emission signal in step 2 includes the step of extracting a signal excluding the signal having the amplitude of the signal sensed in a temperature interval during which the boiling phenomenon of the cooling water does not occur among the acoustic emission signals of step 1, And the acoustic emission signal generated in the boiling phenomenon of the cooling water is separated by converting the acoustic emission signal of the step 1 into a signal number (Counts) and a signal amplitude (Amplitude) (SNB) phenomenon of the surface of a cladding tube of a nuclear reactor.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단계3에서 피복관 표면의 미포화비등(SNB: sub-cooled nucleate boiling) 현상을 탐지하는 방법은, 상기 냉각수의 온도가 핵비등에 의한 냉각수의 비등신호가 나타나기 시작하는 온도인 핵비등 개시온도 및 냉각수 포화 온도 사이의 온도에 해당하는 경우를 피복관 표면의 미포화비등(SNB: sub-cooled nucleate boiling) 현상이 발생한 것으로 판단하는 핵연료 피복관 표면의 미포화비등(SNB: sub-cooled nucleate boiling) 현상 탐지 방법.
The method according to claim 1,
The method of detecting the SNB (sub-cooled nucleate boiling) phenomenon of the surface of the cladding tube in the step 3 is characterized in that the nucleation boiling start temperature is a temperature at which the temperature of the cooling water starts to show a boiling signal of cooling water due to nucleate boiling, (SNB: sub-cooled nucleate boiling) on the surface of a nuclear fuel cladding which is judged to be a sub-cooled nucleate boiling (SNB) on the surface of the cladding tube. Way.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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