KR101797092B1 - 중성자―물리적 특성에 관해 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법 - Google Patents

중성자―물리적 특성에 관해 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법이 제시되며, 원자로 노심을 조립한 후 원자로 노심 미임계도의 측정을 수행하고 획득된 특성을 설계 값과 비교하는 단계; 및 이후, 획득된 특성의 값과 설계 값 사이에 불일치가 있는 경우, 원자로에서 원자로 노심의 연료 부분의 레벨에 조절가능한 반응도 제어봉(reactivity rod)을 설치하는 단계를 포함하고, 조절가능한 반응도 제어봉의 붕소-B10 동위원소 농축의 레벨은 원자로 노심의 상쇄 제어봉(compensating rod)의 붕소-B10 동위원소 농축의 레벨보다 높도록 선택된다. 그 기술적인 결과로서, 상쇄 제어봉 그룹의 요소를 흡수하는 가동 조건을 개선하고, 이동을 늘릴 필요성을 없애며, 생성 중에 이용되는 모니터링 기술을 단순화하고, 안전 원자로 제어를 위한 알고리즘을 단순화하게 된다.

Description

중성자―물리적 특성에 관해 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법{METHOD FOR GUARANTEEING FAST REACTOR CORE SUBCRITICALITY UNDER CONDITIONS OF UNCERTAINTY REGARDING THE NEUTRON-PHYSICAL CHARACTERISTICS THEREOF}
본 발명은 원자력 발전에 있어서 조절가능한 반응도 제어봉을 이용하여 중성자-물리적 특성에 관해 불확실성 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법에 관한 것이고, 이는 고속 중성자 발전소에서 이용될 수 있다.
원자로 제어의 방법은 공지되어 있으며, 원자로 노심을 둘러싸는 반사체가 다수의 요소로 이루어져 있고 이러한 요소는 노심의 반응도 제어를 위해 반사체를 통한 무-중성자 경로의 기포(void) 또는 기포의 크기를 변화시키도록 서로에 대해 상대적인 회전을 허용하도록 장착된다(GB1148093, G21C7/28, 1969).
연료 집합체의 계획된 재배치와 제거, 제어 및 보호 시스템 제어봉의 계획된 이동, 그리고 부분적으로 연소된 연료 집합체에 의한 추가 흡수체의 대체의 과정 중에, 분산된 중성자 흡수체를 연료 집합체에 로딩하는 것에 의해 노심을 형성함으로써 원자로 튜브 연료 사이클을 구현하는 방법이 공지되어 있으며, 모든 추가 흡수체의 언로딩 이후 원자로 가동 중에, 완전히 침지된 제어 및 보호 시스템 제어봉 중 일부가 클러스터 제어봉으로 대체되고, 이러한 제어 및 보호 시스템 제어봉의 제거 이전에 로딩된 우라늄-에르븀 연료의 초기 농축의 0.2 내지 0.5%를 초과하는 초기 U235-농축을 갖는 우라늄-에르븀 연료가 연료로서 사용된다(RU 2218613, G21C7/04, G21D3/08, 2003).
임계 집합체 상에 구형 연료 요소를 갖는 고온 원자로의 노심의 물리적 특성을 검사하는 방법이 공지되어 있으며, 이러한 방법에서는 페블(pebble) 내에 특정 온도 분포 필드를 생성하는 가열기에 의해 노심이 가열된 후, 반사체 재료의 볼로 노심 주변부에 있는 연료 요소가 부분적으로 대체됨에 의해서(반대의 경우도 가능) 가열기에 의해 생성된 설정 온도 필드와 관련하여 노심과 반사체의 위치 및 치수가 변경된다(SU 1831170, G21C17/00, G21S1/00, 1995).
방법을 구현하는 원자로 및 노심에 인접하는 반사체의 부분에 의해 제어되는 미임계 핵 디바이스를 구성하기 위한 방법이 공지되어 있다(특허 RU 2167456, G21C 1/00, G21C5/00, G21C7/28, 5/20/2001). 관통 채널의 형상인 공동이 원자로의 노심 내에 만들어지며, 노심, 중성자 변조기, 핵분열 요소, 반사체, 반사체 중 일부가 이동가능하다. 디바이스 설계는 고속 원자로의 특징인 노심 내부의 중성자 스펙트럼을 유지할 수 있으면서도, 레이저 요소 공동 내에 열 중성자 스펙트럼을 획득하게 된다. 고성능 채널 타입 원자로에 관해 알려진 사실과 획득된 결과에 기초하여, 이는 측면 반사체 중 일부에 의해 적절히 제어될 수 있는 미임계 원자로 유닛으로 변형될 수 있음이 밝혀졌고, 이로써 국소적인 임계 질량의 형성의 가능성을 제거하고 양의 기포 계수를 음의 기포 계수로 변환하게 된다.
상기 유사 내용은 실제 특성이 설계 값으로부터 벗어나게 되는 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하고자 하는 것이 아니다.
현재, 일부 고속 중성자 원자로 발전소 설계에 있어서 연소도 및 제어 원자로 중성자 발전을 위한 반응도 마진을 보상하기 위해 안전 제어 및 보호 시스템 봉 제어의 알고리즘이 이용되고 있으며, 이에 따르면 노심에 침지되어 연소도를 보상하는 몇몇 제어봉이 제어 시스템으로부터 연결해제되어 있다. 다른 제어봉은 임계도 및 제어 동력을 유지한다. 따라서, 전체 심 제어봉(shim rod) 시스템은 두 개의 그룹으로 분할된다: 심 제어봉 그룹 설치의 자동 제어에 관여되지 않는, 캠페인에서의 반응도 편차를 보상하는 연결해제된 제어봉의 그룹과, 제어봉과 함께 설치 제어에 관여하는 작동 중인 심 제어봉의 그룹. 캠페인은 심 제어봉의 하나 이상의 그룹의 효율과 동일한 반응도의 생성에 대응하는 간격(연료재보급 간의 간격)으로 구현된다.
본 발명과 가장 유사한 발명은, 노심 경계 근방에서 반사체 모듈 내에 위치하는 "경량" 제어봉을 반응 시간에 대한 엄격한 요구사항 없이 이용하는 고속 원자로 노심 미임계도 보장 방법이고, 반응도의 작은 마진 및 효과에 특징이 있는 노심으로 BREST-OD-300 고속-중성자 원자로 설계에서 시운전되고 있으며, 이는 노심 경계 근방에서 반사체 모듈 내에 "경량" 제어봉을 배치함으로써 반응 시간에 대한 엄격한 요구사항 없이 "경량" 제어봉을 이용할 수 있게 해 준다(http://technics.rin.ru/index/?a=3&id=610).
이와 같이 가장 유사한 발명의 단점은 노심의 물리적 특성에 대한 실험 데이터의 부족, 또는 실제 성능이 설계 값에서 벗어나게 되는 불확실성을 보상하기에는 불충분한 원자로의 설정된 연료보급에 대하여 지발 중성자의 비율보다 작은 미임계도 마진으로 인하여 원자로 노심의 물리적 특성의 불확실성이 있는 경우 사용이 제한될 수 있다는 점이다.
본 발명에 의해 해결되는 과제는, 적어도 1%의 긴급 보호 장전(arming) 이후 RP 노심 미임계도에 대한 규정 문헌의 요구사항을 준수해야 하는 필요성에 기초하여, 노심의 핵심 물리적 특성의 정당화의 정확성 향상을 필요로 하고, 즉 노심 연료보급과 제어 및 보호 시스템 제어봉 가중치의 정확한 결정을 필요로 한다.
이러한 과제는, 노심의 중성자-물리적 및 열수력학적 특성의 발전 및 정당화에 있어서 실제 성능이 설계 값으로부터 벗어나게 되는 다음의 여러 불확실성이 고려되어야 한다는 점 때문에 해결될 필요가 있다:
- 노심 요소 및 RP 컴포넌트의 제조의 프로세스 불확실성;
- 기본 기능(유효 배율, 제어 및 보호 시스템 제어봉 "가중치", 파워 밀도 필드)의 계산에 있어서의 오차;
- 지속적 불확실성;
- 체계적 불확실성;
- 조직적 불확실성.
종래 기술은 단지 원자로에 대한 물리적 실험에 의해서만 노심 연료보급 및 보호 시스템 제어봉 가중치의 결정의 정확성이 보장될 수 있다고 개시하고 있다.
제안되는 방법은 실험 없이도 중성자-물리적 특성에 관해 불확실성의 조건 하에 고속 원자로 노심 미임계도를 보장할 수 있다. 이는 본 발명의 신규한 필수 특징으로 인해 가능해지는데, 즉 실제 특성이 설계 값에서 벗어나게 되는 불확실성을 보상하는데 충분한 미임계도 마진을 (지발 중성자의 비율보다 작지 않은 값만큼) 늘리기 위해 노심 측면 반사체 내에 조절가능한 반응도 제어봉을 배치하는 것에 의해 가능해지며, 여기서는 B10 붕소 동위원소를 갖는 노심 심 제어봉(shim rod)의 농축이 노심 측면 반사체에서의 조절가능한 반응도 제어봉의 농축보다 낮다.
본 발명의 구현의 기술적인 효과는 다음과 같다:
- 심 제어봉 군(SR)의 흡수체 요소(AE)의 가동 조건의 스트레스를 늘리게 되는 증가된 보수성의 제거;
- 심 제어봉의 스트로크를 늘려야 하는 필요성의 제거 및 제조 도중 제어 프로세스의 단순화;
- 노심의 전체 라이프 사이클 동안 필요한 조작가능성과 캠페인 전체에 걸쳐 필요한 미임계도 마진을 보장하기 위해 각각의 특정 원자로에 대한 AE를 개발해야 하는 필요성 제거;
안전 원자로 제어 알고리즘의 단순화.
이러한 기술적인 효과는, 노심 연료 부분 레벨에 설치되는 노심 반사체 슬롯 또는 노심 반사체 모듈 슬롯 내의 조절가능한 반응도 제어봉에 의해 달성되며, 여기서는 B10 붕소 동위원소를 갖는 노심 심 제어봉의 농축이 노심 측면 반사체 내의 조절가능한 반응도 제어봉의 농축보다 낮다.
필요한 경우, 불충분한 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉은, 일부 노심 반사체 모듈이 필요 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉을 갖는 대체 반사체 모듈로 대체됨에 의해서 설계 미임계도를 보장하기에 충분한 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉 또는 그 집합체로 대체된다.
조절가능한 반응도 제어봉의 이용가능성에 의해 심 제어봉 군(AE) 가동 조건가 개선되는데, 실제 노심 중성자-물리적 및 열수력학적 특성이 설계 값으로부터 벗어나는 것을 막기 위한 기능의 주요 부분을 노심 측면 반사체의 조절가능한 반응도 제어봉이 수행하기 때문이다. 이에 따라, 안전 노심 제어 알고리즘이 단순화된다. 연료 부분 레벨에서의 노심 측면 반사체의 조절가능한 반응도 제어봉의 농축이 노심의 심 제어봉의 농축보다 높기 때문에, 노심 측면 반사체에서의 조절가능한 반응도 제어봉에 의해 보다 "개략적인" 조절이 행해진다. 이와 동시에, 심 제어봉 군에서 제어봉 이동이 더 짧아짐으로써, 조립 중에 설계 값에 가까운 노심 특성, 노심의 커미셔닝 및 가동이 보장된다.
도면은 원자로 노심의 개략도를 나타낸다.
원자로는 노심(1)이 위치하는 용기(도면에서는 생략함)를 포함하고, 이러한 용기는 노심 반사체(2)에 의해 둘러싸인다. 노심(1)은 제어봉 타입 연료 요소(FE)로 만들어진 연료 집합체를 포함하고, 하나 또는 둘 이상의 연료 집합체가 심 제어봉 군을 형성하는 흡수체 요소(AE)를 구비하는 심 제어봉을 포함한다. 심 베어제어봉 군의 제어봉은 수직 시프트를 허용한다.
노심 반사체(2)는 별개의 대체가능한 모듈들(노심 반사체 대체 모듈들)로 구성될 수 있다. 슬롯은 노심 반사체(2)(도 1) 또는 조절가능한 반응도 제어봉을 위한 노심 반사체 대체 모듈 내에 노심 연료 부분 레벨에 만들어진다. 노심 반사체(2) 또는 그의 별개의 모듈들은 슬롯 내에 조절가능한 반응도 제어봉의 삽입/슬롯으로부터 조절가능한 반응도 제어봉의 제거를 허용하도록 설계될 수 있다.
B10 붕소 동위원소에 의한 노심 심 제어봉 군의 농축은 노심 반사체 모듈에 설치된 조절가능한 반응도 제어봉(3)의 농축보다 낮다.
본원의 방법에 따르면, 프로세스 불확실성, 주요 기능의 계산 값(유효 배율, 제어 및 보호 시스템 제어봉 "가중치", 파워 밀도 필드)의 오차(지속적 오차, 체계적 오차, 조직적 오차)가 노심(1) 조립 스테이지에서 다음과 같이 보상된다.
노심(1)의 조립 이후에, 알려진 방법에 따라 노심 미임계도의 물리적 측정이 수행되고 획득된 특성이 설계 값과 비교된다.
획득된 값과 설계 값 사이의 불일치가 있는 경우, 설계 미임계도를 보장하는 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉이 원자로에서 연료 부분(4) 레벨에 설치된다.
노심 연료 부분 레벨에 조절가능한 반응도 제어봉을 설치한 이후에, 노심 미임계도의 추가적인 물리적 측정이 수행되고, 획득된 값과 설계 값 사이의 불일치가 다시 발견되는 경우, 조절가능한 반응도 제어봉을 갖는 노심 반사체(2) 모듈 중 일부가 상이한 농축, 즉 요구되는 설계 미임계도 값을 획득하기 위해 필요하고 충분한 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉을 갖는 반사체 대체 모듈로 대체된다.
나아가, 프로세스 불확실성, 오차는 노심 반사체 모듈의 부분적인 대체 없이도 보상될 수 있다. 이러한 경우, 조절가능한 반응도 제어봉이 반사체(2) 또는 반사체 모듈(들)의 슬롯에 삽입되거나 반사체(2) 또는 반사체 모듈(들)의 슬롯으로부터 제거되고, 설정된 미임계도 값의 획득이 가능한 필요 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉으로 대체된다.
노심 특성은 노심에서 연료 집합체에 설치된 노심 심 제어봉의 AE에 의해 미세조정된다.
조절가능한 반응도 제어봉 및 모듈에 설치된 조절가능한 반응도 제어봉을 갖는 측면 반사체 모듈의 수는, 조립 중에 노심의 수용 특성을 체크하기 위해 중성자-물리적 측정이 수행된 후에 결정된다.
조절가능한 반응도 제어봉을 이용함으로써, 심 제어봉 군(AE)이 커미셔닝 중에 그리고 가동 도중에 설계 조건에 가까운 조건 하에서 가동하는 노심의 특성을 제어한다는 점으로 인하여 원자로의 가동 중에 보다 큰 마진을 제공하게 되며, 이는 심 제어봉의 이동이 더 짧아지기 때문에 가능하다.
예를 들면, 특정 노심 설계에 대하여, B10 붕소 동위원소에 의한 조절가능한 반응도 제어봉의 농축은 40-50%에 이를 수 있는 노심 심 제어봉의 농축보다 더 높을 수 있다(80-90%에 이를 수 있음). 다른 경우, B10 붕소 동위원소에 의한 노심 심 제어봉의 농축은 90%에 이를 수 있는데, 그러면 조절가능한 제어봉의 농축은 96%에 이를 수 있다. 그러나 그 효율은 노심 내의 93% 제어봉의 수에 따라 달라질 것이다. 이러한 것들이 적거나 평균 농축이 93% 미만인 경우, 조절가능한 제어봉의 농축이 높아질수록 효율도 높아지게 된다.

Claims (5)

  1. 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법으로서,
    원자로 노심을 조립한 후 원자로 노심 미임계도의 측정을 수행하고 획득된 특성을 설계 값과 비교하는 단계; 및
    이후, 상기 획득된 특성의 값과 설계 값 사이에 불일치가 있는 경우, 원자로에서 원자로 노심의 연료 부분의 레벨에 조절가능한 반응도 제어봉(reactivity rod)을 설치하는 단계를 포함하고,
    상기 조절가능한 반응도 제어봉의 붕소-B10 동위원소 농축의 레벨은 원자로 노심의 상쇄 제어봉(compensating rod)의 붕소-B10 동위원소 농축의 레벨보다 높도록 선택되며,
    상기 조절가능한 반응도 제어봉은 하나의 노심 반사체 모듈, 둘 이상의 노심 반사체 모듈, 또는 모든 노심 반사체 모듈 내에 위치하고, 상기 조절가능한 반응도 제어봉은, 모듈의 내부에 설치된 조절가능한 반응도 제어봉이 노심 연료 부분 레벨에 위치하는 상태로 노심 반사체 모듈의 설치에 의해 설치되는,
    불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    조절가능한 반응도 제어봉은 노심 반사체 슬롯에 삽입되는, 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노심 연료 부분 레벨에 조절가능한 반응도 제어봉을 설치한 이후에, 노심 미임계도의 추가적인 측정이 수행되고, 획득된 값과 설계 값 사이의 불일치가 있는 경우, 설계 미임계도 값을 보장하기에 불충분한 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉이 설계 미임계도 값을 보장하는 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉으로 대체되고, 조절가능한 반응도 제어봉은, 하나 또는 둘 이상의 노심 반사체 모듈이 제거되고 필요 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉을 구비하는 반사체 모듈로 대체되는 것에 의해 대체되는, 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 노심 연료 부분 레벨에 조절가능한 반응도 제어봉을 설치한 이후에, 노심 미임계도의 추가적인 측정이 수행되고, 획득된 값과 설계 값 사이의 불일치가 있는 경우, 설계 미임계도 값을 보장하기에 불충분한 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉이 설계 미임계도 값을 보장하는 농축을 갖는 조절가능한 반응도 제어봉으로 대체되고, 조절가능한 반응도 제어봉은, 상기 노심 반사체 슬롯으로부터 조절가능한 반응도 제어봉이 제거되고 필요 농축을 갖는 다른 제어봉으로 대체되는 것에 의해 대체되는, 불확실성의 조건 하에서 고속 원자로 노심 미임계도를 보장하기 위한 방법.
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