KR102066359B1 - 노심비정상출력편차의 평가 방법 및 이를 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 노심비정상출력편차를 모사 가능한 노심비정상출력편차의 평가 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 노심비정상출력편차의 평가 방법은, 핵연료봉이 위치하는 노심에서의 노심출력분포를 산출하는 단계; 상기 노심출력분포를 이용하여 열수력자료를 산출하는 단계; 상기 열수력자료를 이용하여 상기 핵연료봉에 침적되는 침적 크러드를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 침적 크러드를 기초로 상기 노심출력분포를 재산출하는 단계를 포함한다.

Description

노심비정상출력편차의 평가 방법 및 이를 위한 시스템{Method for evaluating Axial Offset Anomaly in reactor core and system therefor}
본 발명은 실제 노심비정상출력편차를 모사 가능한 노심비정상출력편차의 평가 방법 및 이를 위한 시스템에 관한 것이다.
원자력 발전소의 노심에는 핵연료봉이 위치한다. 핵연료봉 내의 핵연료에서 발생된 열은 핵연료봉을 둘러싸고 있는 붕산수에 전달된다.
원자로 운전이 진행되면 붕산수에 포함되어 있는 금속 산화물이 핵연료봉의 표면에 침적되며, 이로 인해 형성된 침적 크러드에는 붕산수에 포함되어 있는 붕소도 같이 침적된다.
핵연료봉에서 침적 크러드가 생성된 부분은 침적 크러드에 포함된 붕소의 영향 등에 의해 출력이 감소하고, 이에 의해 핵연료봉의 위치에 따라 출력이 달라지는 노심비정상출력편차(AOA)가 유발된다.
노심비정상출력편차를 예측 및 평가하는 것은 침적 크러드 제거 주기 결정 및 연료봉 손상 가능성 예측 등을 위해 매우 중요한데, 현재의 노심비정상출력편차 평가 방법은 실제의 노심비정상출력편차를 충분히 모사하지 못하고 있다.
한국특허등록 제10-1104891호(2012.1.12. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 실제 노심비정상출력편차를 모사 가능한 노심비정상출력편차의 평가 방법 및 이를 위한 시스템을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 노심비정상출력편차의 평가 방법에 있어서, 핵연료봉이 위치하는 노심에서의 노심출력분포를 산출하는 단계; 상기 노심출력분포를 이용하여 열수력자료를 산출하는 단계; 상기 열수력자료를 이용하여 상기 핵연료봉에 침적되는 침적 크러드를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 침적 크러드를 기초로 상기 노심출력분포를 재산출하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 재산출된 노심출력분포로부터 상기 핵연료봉의 상부와 하부의 출력편차를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 출력편차의 산출은, 상기 산출 크러드가 수렴되면 수행할 수 있다.
상기 열수력자료는 상기 핵연료봉의 표면온도 분포를 포함할 수 있다.
상기 침적 크러드 산출 단계에서는, 상기 타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 붕소량이 산출되며, 상기 산출된 타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 붕소량은 상기 노심출력분포의 산출 단계에 제공되며, 상기 노심출력분포의 산출 단계에서는, 제공된 상기 타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 붕소량을 기초로 타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 노심출력분포를 재산출할 수 있다.
상기 출력편차를 기초로 핵연료봉에 대한 초음파세정 시기를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열수력자료는 열수력해석코드를 이용하여 산출되며, 상기 침적 크러드는 수화학분석코드를 이용하여 산출되며, 상기 침적 크러드는 수화학조건을 추가로 고려하여 산출될 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 노심비정상출력편차의 평가 시스템에 있어서, 핵연료봉이 위치하는 노심에서의 노심출력분포를 산출하는 노심출력분포산출부; 상기 노심출력분포를 이용하여 열수력자료를 산출하는 열수력자료산출부; 및 상기 열수력자료를 이용하여 상기 핵연료봉에 침적되는 침적 크러드를 산출하는 침적산출부를 포함하며, 상기 노심출력분포산출부는 상기 산출된 침적 크러드를 기초로 상기 노심출력분포를 재산출하는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면 실제 노심비정상출력편차를 모사 가능한 노심비정상출력편차의 평가 방법 및 이를 위한 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 노심비정상출력편차의 평가 시스템을 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 노심비정상출력편차의 평가 방법을 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 노심비정상출력편차의 평가 결과를 나타낸 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 노심비정상출력편차의 평가 시스템을 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 평가 시스템(1)은 노심출력분포산출부(10), 열수력자료산출부(20), 침적산출부(30) 및 편차산출부(40)를 포함한다.
노심출력분포산출부(10)는 노심설계코드일 수 있다. 노심출력분포산출부(10)는 노심 평균 축방향 출력분포 및 1/4 집합체 수준 반경방향 출력분포를 산출할 수 있다. 축/반경방향 출력분포는 연소가 주기초부터 주기말까지 진행될 동안 연속적으로 변하나 적절한 간격의 연소도 스텝마다 산출한다. 이후에 연계될 모든 열수력자료와 크러드 및 붕소침적 자료 또한 노심설계에서의 연소도 스텝과 같은 타임스텝으로 산출된다.
열수력자료산출부(20)는 열수력코드일 수 있으며, 산출된 노심출력분포와 열수력코드에 입력되는 노심 열수력 설계 데이터를 이용하여 침적산출부(30)에서 침적 크러드 및 비등을 계산하기 위한 노심 열수력 데이터(축방향 및 반경방향 계산노드별 열속, 압력, 온도, 질량속, 밀도)를 산출한다.
침적산출부(30)는 수화학분석코드일 수 있으며, 산출된 노심 열수력 데이터와 수화학분석코드에 입력되는 계통환경, 운전조건 및 이력, 수화학조건(부식률, 임계붕소농도, 리튬농도 등)을 이용하여 계산노드별 핵연료 표면의 비등, 침적 크러드(침적 크러드의 양, 성분 및 두께 등) 및 침적 크러드 내의 붕소량을 산출한다.
침적산출부(30)에서 산출된 결과물 중 연소도스텝별, 계산노드별 침적 크러드 내의 붕소량은 다시 노심출력분포산출부(10)로 제공된다. 여기서 계산노드라 함은 열수력코드에서 정의된 축방향 노드와 1/4 집합체 수준 반경방향 노드로 이루어진 노드를 의미한다. 노심출력분포산출부(10)는 침적 크러드 내의 붕소량을 적용하여 노심출력분포를 재 산출한다. 이 일련의 과정은 붕소량이 수렴되어 노심출력분포가 수렴될 때까지 반복된다.
편차산출부(40)는 수렴된 노심출력분포를 기초로 노심 상부와 하부 사이의 노심출력편차를 산출한다. 편차산출부(40)로 산출된 노심출력편차와 노심설계시 제공받은 노심출력편차 설계값과의 차이가 일정수준(예를 들어, 3% 이상) 발생시 노심비정상출력편차(AOA) 발생 가능성이 있다고 예측할 수 있다. 또한 편차산출부(40)는 이 노심출력편차의 차이에 기초하여 재장전될 핵연료집합체의 초음파 세정 수행여부를 결정할 수 있다.
이하 도 2를 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 노심비정상출력편차의 평가 방법을 설명한다.
먼저 노심출력분포를 산출한다(S100). 이 단계는 노심설계코드를 이용해 수행될 수 있다. 처음 계산에서는 침적 크러드 내에 붕소량을 알 수 없으므로 붕소량이 입력되지 않으나 첫 번째 반복계산부터 핵연료 물질 조성에 수화학분석코드로부터 산출된 타임스텝별, 계산노드별 붕소량이 입력된다.
이후 노심출력분포로부터 침적 크러드 및 비등을 계산하기 위한 노심 열수력 데이터를 산출한다(S200).
다음으로 열수력 데이터를 기초로 침적 크러드를 산출한다(S300). 침적 크러드의 산출에서는 노심 열수력 데이터와 수화학분석코드에 입력되는 계통환경, 운전조건 및 이력, 수화학조건(부식률, 임계붕소농도, 리튬농도 등)을 이용하여 계산노드별 핵연료 표면의 비등, 침적 크러드(침적 크러드의 양, 성분 및 두께 등) 및 침적 크러드 내의 붕소량을 산출한다.
산출된 침적 크러드 내의 붕소량은 다시 노심출력분포산출 단계(S100)로 제공되며, 이 붕소량이 적용된 노심출력분포를 재 산출한다.
이 일련의 과정의 반복을 통해 붕소량이 수렴되어 노심출력분포가 수렴되는 조건에서 노심 상부와 하부 사이의 노심출력편차를 산출한다(S400). 노심출력편차 산출값과 설계값과의 차이가 3% 이상 발생시 노심비정상출력편차(AOA) 발생 가능성이 있다고 예측할 수 있으며, 이 차이에 기초하여 재장전될 핵연료집합체의 초음파 세정 수행여부를 결정할 수 있다(S500).
본 발명에 따르면 정확도가 높게 노심비정상출력편차를 모사 및 예측할 수 있다.
중성자 흡수 능력이 큰 붕소가 핵연료에 침적되면 노심출력분포는 유의미하게 변하게 된다. 노심출력분포가 변하기 시작하면 연소도가 변하여 연소 주기 전반에 걸쳐 영향을 미치며, 크러드침적 및 붕소침적량도 변할 수 있다. 붕소가 침적되는 위치에 따라 축방향 출력분포가 변할 수 있으며, 또한 붕소가 침적된 집합체의 출력은 낮아지고 상대적으로 붕소가 침적되지 않은 집합체의 출력은 증가하므로 반경방향 출력분포가 변할 수 있다. 결국 노심출력분포와 붕소침적량의 변화는 상호 영향을 미친다.
본 발명에서는 크러드 내 붕소침적량에 의한 축방향 출력분포 및 반경방향 출력분포 변화를 노심출력분포 계산에 재반영하고 일련의 과정의 반복을 통해 노심출력분포와 붕소침적량을 수렴시킴으로써 연소주기 전체에 걸쳐 평가 정확도를 높였다.
즉 본 발명에서는 수화학분석 코드로부터 얻은 계산노드별 붕소침적량을 노심설계코드에 입력하여 출력분포를 재생산하고 이상의 절차의 반복을 통하여 붕소침적량이 수렴되면 노심설계코드의 출력분포로부터 출력편차를 계산하는 것이다. 이와 같이 노심에 침적된 붕소에 의한 축방향 및 반경방향 출력분포 변화 효과를 피드백 할 수 있으므로 편차 예측의 정확도가 향상된다.
정확한 노심비정상출력편차 예측은 정확한 연소도 분포를 제공하여 후속주기 노심설계에 있어 안전성 평가의 정확도를 향상시킨다. 또한 출력분포 설계치와 측정치의 차이가 크면 출력감발로 인한 전력생산비용 손해, 후속주기 비상노심설계로 인한 공정지연 및 비용발생 가능성이 있는데, 본 발명에 따르면 노심비정상출력편차 위험도를 사전에 정확히 예측하여 원전운영효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 침적 크러드 제거를 위한 연료초음파세정 수행을 위해서는 많은 비용이 소요된다. 부정확한 노심비정상출력편차 예측은 불필요한 세정 비용을 야기할 수 있으며 불필요한 세정 공정기간이 추가로 필요하다. 본 발명에 따르면 정확한 AOA 위험도 예측을 통해 침적 크러드 제거가 반드시 필요한 시기에만 연료초음파세정을 수행할 수 있고 수화학처리 공정 계획 수립에 유용한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 연료봉에 침적되는 침적 크러드의 두께(수화학분석코드결과)를 정확히 예측할 수 있다. 침적 크러드는 연료봉의 열전달 성능을 저하시킴으로써 연료손상 가능성을 높인다. 차주기 연료에 침적되는 크러드 두께가 두껍다고 예측될 경우 연료세정을 통한 침적 크러드 제거로 차주기 연료손상을 방지할 수 있다. 또한 필요시 크러드 두께 정보를 연료봉 성능분석코드와 연계하여 연료봉 손상 가능성 등의 연료봉 성능을 정확히 예측할 수 있다.
이하 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 한국표준형원전 특정호기 특정주기에서의 연소도에 따른 ASI를 나타낸다. 세로축 ASI는 (하부-상부출력)/(하부+상부출력)을 의미한다. ASI 정의에 따라 ASI가 0을 초과하면 하부출력이 크고 0 미만이면 상부출력이 크다는 의미이다. 가로축은 연소도를 의미하며 보통 한 주기의 연소도는 약 18 MWd/kg 이다.
설계값은 국내 경수로 전 발전소 노심을 설계하는 한전원자력연료(주)에서 제공한 값이며 ANC 핵설계 코드를 사용하였다.
Measurement(측정값)는 원자력발전소 노내계측기신호를 통해 측정된 값이다. 노심비정상출력편차는 이 측정값과 설계값과의 차이가 3% 이상 발생 시를 의미한다.
기존방법론은 반복계산을 통한 붕소침적량과 노심출력분포의 수렴 없이 노심설계코드(ANC)/열수력코드(VIPRE-01)/수화학분석코드(BOA) 체계를 통한 붕소침적량 만으로 예측한 결과이다.
신규방법론은 본 발명에서 따른 방법으로, RAST-K 핵설계코드를 통해 붕소침적량이 반영된 노심출력분포 재생산, 수정된 노심출력분포가 반영된 열수력 데이터 재생산, 수정된 열수력 데이터가 반영된 붕소침적량 재생산, 다시 RAST-K 핵설계코드를 통해 붕소침적량이 반영된 노심출력분포 재생산 과정의 반복으로 값의 수렴을 통해 최종적으로 산출된 결과이다.
실제 측정 데이터를 보면 주기 초부터 측정값과 설계값과의 차이가 3%(0.03)이상 발생하면서 AOA가 발생하였다. 주기 초부터 출력분포가 설계값에 비해 하부로 편중되었다. 즉 주기 초부터 노심 하부의 연소가 설계로 예상한 것보다 빠르게 진행 된다는 의미이며 주기 중반 이후에는 상대적으로 연소가 진행되지 않은 상부의 연소가 진행되면서 상부출력이 증가하는 방향으로 편중된다. 또한 연소도 약 12 MWd/kg 이후에는 출력을 5%씩 감소시킴으로써 노심 상부의 연소도를 강제로 증가시켰다. 참고로 출력을 낮추면 노심 입구(하부) 온도는 일정한 상태에서 노심 출구(상부) 온도가 낮아지게 되는데, 온도가 낮아지면 온도궤환효과로 인해 반응도가 증가하는 현상이 나타나면서 상부의 출력이 상대적으로 증가한다.
기존 방법론은 붕소침적량을 반영한 노심출력분포 재산출이 없는 경우이며, 주기 중반 이후에 출력분포가 상부쪽으로 편중되는 현상을 예측하지 못한다. 반면 본 발명에 따른 신규방법론은 실제 측정 데이터를 비교적 정확히 모사하고 있다.
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 노심비정상출력편차의 평가 방법에 있어서,
    핵연료봉이 위치하는 노심에서의 노심출력분포를 산출하는 단계;
    상기 노심출력분포를 이용하여 열수력자료를 산출하는 단계;
    상기 열수력자료를 이용하여 상기 핵연료봉에 침적되는 침적 크러드를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 침적 크러드를 기초로 상기 노심출력분포를 재산출하는 단계를 포함하며,
    상기 재산출된 노심출력분포로부터 상기 핵연료봉의 상부와 하부의 출력편차를 산출하는 단계를 더 포함하며,
    상기 열수력자료는 상기 핵연료봉의 표면온도 분포를 포함하며,
    상기 침적 크러드 산출 단계에서는,
    타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 붕소량이 산출되며,
    상기 산출된 타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 붕소량은 상기 노심출력분포의 산출 단계에 제공되며,
    상기 노심출력분포의 산출 단계에서는,
    제공된 상기 타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 붕소량을 기초로 타임스텝별, 1/4집합체별 및 축방향노드별 노심출력분포를 재산출하는 평가 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 출력편차의 산출은,
    상기 산출 크러드가 수렴되면 수행하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 출력편차를 기초로 핵연료봉에 대한 초음파세정 시기를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열수력자료는 열수력해석코드를 이용하여 산출되며,
    상기 침적 크러드는 수화학분석코드를 이용하여 산출되며,
    상기 침적 크러드는 수화학조건을 추가로 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 평가 방법.
  8. 삭제
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