KR102593685B1 - 원자로 냉각재 누설 감지 장치 및 이를 이용한 감지 방법 - Google Patents

원자로 냉각재 누설 감지 장치 및 이를 이용한 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로의 1차 냉각계통에서 냉각재 누설 시 방사선 검출의 신뢰성 및 원자로 내부의 고선량 배경 방사선으로부터 방사선 검출기의 건전성을 유지할 수 있는 원자로 냉각재 누설 감지 장치에 관한 것으로, 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설되는 냉각재가 포함된 샘플 공기가 유입되는 내부공간이 형성되고, 노출된 상기 내부공간을 폐쇄하거나 착탈 결합을 통해 상기 내부공간의 확장이 가능한 차폐부; 상기 내부공간에 배치되어 상기 샘플 공기로부터 방사선 측정신호를 획득하는 제1 감지부; 및 상기 방사선 측정신호로 냉각재의 누설 여부를 판별하는 판별부;를 포함한다.

Description

원자로 냉각재 누설 감지 장치 및 이를 이용한 감지 방법{REACTOR COOLANT LEAK DETECTION APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 원자로 냉각재 누설 감지 장치 및 이를 이용한 감지 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로의 1차 냉각계통에서 냉각재 누설 시 방사선 검출의 신뢰성 및 원자로 내부의 고선량 배경 방사선으로부터 방사선 검출기의 건전성을 유지할 수 있는 원자로 냉각재 누설 감지 장치 및 이를 이용한 감지 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자로 냉각계통(RCS: Reactor Coolant System)은 1차 냉각재로부터 2차 냉각재로의 열전달 수단이다. 이러한 냉각계통은 노심으로부터 열을 제거함으로써, 원전 사고 발생시의 핵연료 건전성을 보장한다. 냉각계통에서의 냉각재 상실 사고(LOCA: Loss of Coolant Accident)는 핵연료 용융 및 방사능 물질 누설 등과 같은 심각한 안전 사고를 발생시킴에 따라, 냉각재 누설을 조기에 감지함이 매우 중요하다.
원자력발전소와 같은 원자로에 적용하고 있는 누설 감지 방법은 격납건물 내부의 습도 변화, 격납건물 내부의 공기 중 방사능 계측과 격납건물 바닥에 설치된 수조(Sump)의 수위변화에 따른 질량 편차를 이용하여, 1 gpm/hr의 감지 성능으로 냉각재 누설을 감시한다. 한편, 현재의 가동 원자로는 노후화에 따른 원자로 냉각재의 소량 누설이 점차 증가되고 있는 추세이다. 특히, 냉각계통과 연결되는 배관에서 발생된 균열은 성장속도가 빠름으로써, 냉각재 누설의 조기 감지가 매우 중요하다.
원자로 냉각재계통을 구성하는 1차 냉각계통과 2차 냉각계통은 독립되어 있으나, 증기발생기의 U-tube 파단으로 발생하는 1차-2차 냉각계통 간 원자로 냉각재가 누설될 수 있는데, 이때 냉각재 누설을 감지하기 위해 BGO 섬광체 검출기가 사용된다. 주증기관(MSL: Main Stream Line) 부근에 설치된 BGO 섬광체 검출기는 원자로 용기에서 중성자 방사화로 생기는 방사성 핵종 중 상당량을 차지하는 16N에서 방출되는 감마선을 검출함으로써 1차-2차 냉각계통 간 누설 여부를 판단할 수 있다.
현재의 원전 1차 냉각계통 누설 감지 기술은 격납건물 단위로 냉각재 누설을 감시함에 따라 소량 누설 시 증기의 상변화와 응축 등 다양한 원인에 의해 누설 감지 시간의 지연이 크게 발생하며, 대량 누설에 적합한 기술을 소량 누설에 적용하면 격납건물 집수조 면적이 커서 소량 누설 시 집수조의 수위 변화량이 매우 작으므로 누설 감지시간 지연이 발생한다. 또한, 격납건물 대기 방사능 준위 변화가 일어나지 않는 소량 누설 시 감지가 불가능하며, 격납건물 내부의 대기 습도 계측기 도달 전에 증기 응축 등이 발생할 수 있다는 문제가 있다. 또한, 16N 감마선을 검출하는 기술은 1차-2차 냉각계통 간 누설 감시라는 특정 상황에만 적용할 수 있어 사용범위가 제한적이고, 16N의 반감기가 약 7.1초로 짧아 증기발생기까지 도달하면 핵종 농도가 크게 감소하여 상당한 검출 성능이 요구되므로 원전 내부에서 발생하는 미확인 소량 누설 감지에는 적용할 수 없는 어려움이 있다.
한국 등록특허 제10-1648395호 한국 등록특허 제10-1864716호
본 발명의 과제는 원자로 1차 냉각계통의 냉각재 누설 시 샘플 공기를 수집하여 차폐 구조물 내에서 냉각재에 포함된 방사선 측정신호를 감지함으로써 냉각재 누설 여부 판단의 신뢰성을 확보하고, 방사선 측정 장치를 수시로 모니터링하여 건전성을 유지하며, 추가정보를 이용하여 냉각재 누설 여부 판단의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치는, 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설되는 냉각재가 포함된 샘플 공기가 유입되는 내부공간이 형성되고, 노출된 상기 내부공간을 폐쇄하거나 착탈 결합을 통해 상기 내부공간의 확장이 가능한 차폐부; 상기 내부공간에 배치되어 상기 샘플 공기로부터 방사선 측정신호를 획득하는 제1 감지부; 및 상기 방사선 측정신호로 냉각재의 누설 여부를 판별하는 판별부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내부공간은 상기 샘플 공기가 유입되는 공간과 상기 제1 감지부가 배치되는 공간이 물리적으로 분리되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차페부는, 일측에 개구부가 형성된 몸체부; 및 상기 개구부를 폐쇄하는 몸체폐쇄부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 몸체부는 복수로 구성되고, 상기 몸체부의 일측단에는 단차부가 형성되어 상기 몸체부 간 단차 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 몸체부의 일측단에는 단차부가 형성되어 상기 몸체폐쇄부와 단차 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차페부는, 상기 샘플 공기가 상기 내부공간으로 유입되는 유입관; 및 상기 내부공간에 위치한 상기 샘플 공기가 외부로 배출되는 배출관;을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 감지부는, 방사선을 검출하는 검출부; 및 상기 검출부의 방사선 검출 성능을 모니터링하는 검사부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 검출부는 내방사선 시험 조건을 만족한 반도체 검출기인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 검사부는, 로드; 상기 로드를 구동시키는 구동부; 및 상기 로드에 형성되어 방사선을 조사하는 체크소스;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구동부는 솔레노이드 액츄에이터로서, 전원 on/off 따라 상기 체크소스가 상기 검출부의 모니터링 위치와 모니터링 해제 위치를 오갈 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 판별부가 냉각재의 누설 여부를 판별하도록 상기 샘플 공기에 대한 추가정보를 감지하는 제2 감지부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 감지부는, 상기 샘플 공기의 온도 또는 습도 정보를 센싱하는 센싱부; 및 상기 내부공간에 위치하여 상기 센싱부의 정보를 전기 신호로 변환하는 트랜스미터;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내부공간은 물리적으로 분리된 제1 내지 제3 공간을 포함하고, 상기 제1 공간에는 상기 제1 감지부가 배치되고, 상기 제2 공간은 상기 샘플 공기의 유입 공간이며, 상기 제3 공간에는 상기 트랜스미터가 배치되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치는, 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설되는 냉각재가 포함된 샘플 공기가 유입되는 내부공간이 형성된 차폐부; 상기 내부공간에 배치되어 상기 샘플 공기로부터 방사선 측정신호를 획득하고, 방사선 검출 성능을 모니터링하는 수단을 구비한 제1 감지부; 및 상기 방사선 측정신호로 냉각재의 누설 여부를 판별하는 판별부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 감지부는, 방사선을 검출하는 검출부; 및 상기 검출부의 방사선 검출 성능을 모니터링하는 검사부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 검사부는, 로드; 상기 로드를 구동시키는 구동부; 및 상기 로드에 형성되어 방사선을 조사하는 체크소스;를 포함한다.
한편, 상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 방법은, 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설된 냉각재를 샘플 공기로 흡입하는 흡입단계; 상기 흡입단계에서 흡입된 상기 샘플 공기를 차폐된 공간으로 수집하는 수집단계; 상기 수집단계에서 수집된 상기 샘플 공기로부터 방사선 측정신호를 감지하는 제1 감지단계; 상기 흡입단계에서 흡입된 상기 샘플 공기에서 냉각재의 누설 여부를 판별하는데 필요한 추가정보를 감지하는 제2 감지단계; 및 상기 방사선 측정신호 및 상기 추가정보로 상기 냉각재의 누설 여부를 판별하는 판별단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 감지단계에서 수행된 방사선 측정 장치의 방사선 검출 성능을 모니터링하는 모니터링단계;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 추가정보는 상기 샘플 공기의 온도 또는 습도 정보인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 발생한다.
첫째, 누설된 냉각재(C)의 샘플 공기(A)를 수집하므로 방사선 측정의 정확도가 향상되며, 원자로 냉각재 누설을 실시간으로 감지할 수 있다.
둘째, 원자력발전소 가동 중 발생하는 고선량의 배경 방사선으로부터 받는 영향을 제거하기 위해 방사선 검출을 위한 차폐 구조물을 형성하고, 내방사선 성능을 갖는 방사선 검출기로 구성되므로, 방사선 검출의 건전성이 유지될 수 있다.
셋째, 샘플 공기(A)의 수집 공간과 검출부가 배치된 공간이 물리적으로 분리되어 냉각수에 접촉에 의해 검출부가 물리적 또는 화학적 손상을 받는 것이 방지된다.
넷째, 차폐부가 착탈식 구조로 형성되므로, 필요 및 용도에 따라 내부공간의 확장이 가능하므로 차페 구조물의 유연성이 향상된다.
다섯째, 냉각재 누설 판별을 위해 방사선 측정신호 뿐만 아니라 온도 또는 습도 정보를 더 고려하므로 냉각재 누설 판별의 신뢰성이 보장된다.
여섯째, 냉각재의 소량 누설 시에도 샘플 공기(A)를 수집하여 차폐 구조물 내에서 냉각재 누설 여부가 판별될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부의 내방사선 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 감지부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부의 전원 on/off 에 따라 체크소스에 의한 방사선 에너지 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차폐부의 구성을 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치 및 이를 이용한 감지 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 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.
<원자로 냉각재 누설 감지 장치>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치의 단면을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치(1)는, 흡입부(10), 차폐부(20), 제1 감지부(30) 및 판별부(40)를 포함한다.
참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치(1)는 원자력발전소와 같은 핵반응(nuclear reaction)을 발생시키는 원자로(미도시)의 1차 냉각계통의 누설을 감지한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치(1)는 집수조나 격납건물과 같은 격납시설의 내부에 위치하는 원자로의 1차 냉각계통과 함께, 격납시설의 내부에서 냉각재(C) 누설을 감지한다. 즉, 본 발명은 격납시설 외부가 아닌 내부에서 냉각재(C)의 누설 여부를 판별하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치(1)는 1차 냉각계통으로부터 누설 시 발생되는 방사성 핵종(Radionuclide) 중에서 상당량을 차지하는 16N의 베타선을 측정하여, 격납건물과 같은 격리시설에 위치하는 1차 냉각계통의 누설 여부를 평가한다. 그러나, 본 발명에서 설명하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치(1)가 방사성 핵종 중에서 16N만을 검출하는 것으로만 한정되지 않으며, 방사성 핵종의 종류는 본 발명의 한정사항이 아니다.
흡입부(10)는 원자로(미도시)의 1차 냉각계통 배관(P)과 같은 공간의 인근에 배치된다. 흡입부(10)는 1차 냉각계통 배관(P)으로부터 누설되는 냉각재(C)를 샘플 공기(A)로 흡입한다. 이를 위해, 흡입부(10)는 포집관(11) 및 공기 주입부(12)를 포함하여, 냉각수와 같은 냉각재(C)가 기화된 습도가 높은 샘플 공기(A)를 흡입한다.
참고로, 흡입부(10)는 원자로의 1차 냉각계통 배관(P)이 위치하는 격납건물과 같은 격리시설의 외부에 별도로 마련되지 않고, 격리시설 내부에 함께 위치한다.
포집관(11)은 1차 냉각계통 배관(P)과 같은 공간에 위치하도록 마련된다. 이러한 포집관(11)은 1차 냉각계통 배관(P)에 대해 나란하게 마련되며, 다공성(Porous) 또는 밸브(Valve) 타입으로 마련될 수 있다.
본 실시예에서는 포집관(11)에 그 길이 방향을 따라 외주면에 복수의 포집홀(11a)이 형성된다. 이때, 복수의 포집홀(11a)의 위치에 따라 샘플 공기(A)가 차폐부(20)에 도달하는 시간 차이가 발생됨으로써, 16N 방사선의 베타선(B) 검출시의 계수율(Count rate)이 달라진다. 이러한 포집홀(11a)의 위치에 따른 계수율 변화를 이용하여, 1차 냉각계통 배관(P)의 냉각재(C)의 누설 발생 위치를 확인할 수 있다.
참고로, 포집관(11)은 1차 냉각계통 배관(P)과 단열재(미도시) 사이에 위치할 수 있다.
공기 주입부(12)는 포집관(11)으로 샘플 공기(A)를 주입한다. 여기서, 공기 주입부(12)는 공기를 발생시켜 포집관(11)으로 주입시키는 공기 샘플러이다.
차폐부(20)는 내부공간을 가진 격납 구조물이다. 차폐부(20)는 방사선을 차폐시킬 수 있는 금속 격벽으로 구성된다. 예를 들어, 차폐부(20)는 방사선을 차폐할 수 있는 납(Pb)과 같은 차폐 재질로 마련될 수 있다. 다른 실시예에 따르면 차폐부(20)의 내벽을 따라 방사선을 차폐할 수 있는 차폐부재(미도시)가 더 형성될 수 있다. 따라서, 원자로 내 배경 방사선은 차폐부(20)의 내부공간으로 침투하기 어렵고, 차폐부(20)의 내부공간에 유입된 방사선은 외부로 침투하기 어렵다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차폐부(20)는 중공을 가진 원통형상이다. 다만, 다른 실시예에서 차폐부(20)는 내부 공간을 가진 다각 기둥 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
차폐부(20)에는 흡입부(10)에 의해 흡입된 샘플 공기(A)가 차폐부(20)의 내부공간으로 유입되는 유입관(21)이 형성된다. 유입관(21)은 포집관(11)과 연결되어 있다. 차폐부(20)에는 그 내부공간에 위치한 샘플 공기(A)가 외부로 배출되는 배출관(27)이 형성된다. 배출관(27)에는 차폐부(20)의 내외부로 샘플 공기(A)를 순환시키기 위한 에어 펌프(미도시)가 더 형성될 수 있다. 따라서, 유입관(21)을 통해 차폐부(20)의 내부공간으로 유입된 샘플 공기(A)는 배출관(27)을 따라 외부로 배출될 수 있다. 배출관(27)은 내부공간에 유입된 샘플 공기(A)에 의해 형성될 수 있는 응결수의 배출을 용이하게 하기 위하여 하부에 위치한다.
차폐부(20)는 제1 몸체부(22)와 제2 몸체부(24)를 포함한다. 제1 몸체부(22)의 내부공간(S1)과 제2 몸체부(24)의 내부공간(S2)은 물리적으로 분리되어 있다. 제1 몸체부(22)의 내부공간(S1)은 후술할 제1 감지부(30)가 배치되는 공간이고, 제2 몸체부(24)의 내부공간(S2)은 샘플 공기(A)가 유입되는 공간이다. 이렇게 제1 감지부(30)와 샘플 공기(A)가 물리적으로 분리되면 방사성 핵종이 포함된 누설 냉각수에 의해 제1 감지부(30)가 물리적 또는 화학적 손상을 받는 것이 방지되며, 후술할 검출부(32)와 냉각수 증기가 접촉함이 없이 방사성 핵종이 포함된 누설 냉각수의 방사선 신호가 효율적으로 검출될 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 몸체부(22)의 일측(도 3에 도시된 제1 몸체부의 좌측)과 제2 몸체부(24)의 타측(도 3에 도시된 제2 몸체부의 우측)에는 개구부가 형성된다. 제1 몸체부(22)의 일측 개구부에 의해 내부공간(S1)이 노출될 수 있고, 제2 몸체부(24)의 타측 개구부에 의해 내부공간(S2)이 노출될 수 있다.
제1 몸체부(22)의 일측 개구부는 제1 몸체폐쇄부(23)에 의해 폐쇄되고, 제2 몸체부(24)의 타측 개구부는 제2 몸체폐쇄부(25)에 의해 폐쇄된다. 제1 몸체부(22) 및 제2 몸체부(24)가 각각 제1 몸체폐쇄부(23) 및 제2 몸체폐쇄부(25)와 맞닿는 이음 부위는 나사형태의 이음, 돌기 형태의 이음 등 다양한 이음 방식이 사용될 수 있다. 이후, 이음 부위는 밀봉재에 의해 밀봉될 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 몸체부(22)의 일측단 및 제2 몸체부(24)의 타측단에는 각각 단차부(22a, 24a)가 형성된다. 이때, 제1 몸체폐쇄부(23) 및 제2 몸체폐쇄부(25)는 각 단차부(22a, 24a)와 결합 가능한 형상을 갖고 제1 몸체부(22) 및 제2 몸체부(24)와 단차 결합된다. 도 1 및 도 3에는 각 몸체부(22, 24)에 1개의 단차부(22a, 24a)가 형성되나, 후술하는 바와 같이 단차부의 개수에는 제한이 없다. 이렇게 단차부(22a, 24a)가 형성되면 원자로 내 배경 방사선이 차폐부(20) 내부로 침투하거나 차폐부(20) 내부의 방사선이 외부로 침투하는 것이 더욱 어렵다.
제1 감지부(30)는 차폐부(20) 내부공간에 유입된 샘플 공기(A)의 방사선을 정확하게 감지하기 위한 것으로, 검출부(32)와 검사부(34)를 포함한다.
제1 감지부(30)는 제1 몸체부(22)의 일측에 형성된 개구부를 통해 반입된 후 제1 몸체폐쇄부(23)에 의해 폐쇄된다. 따라서, 제1 감지부(30)는 원자로 내 배경 방사선의 영향을 받지 않고 제2 공간(S2)에 유입된 샘플 공기(A)로부터 방사선을 정확하게 검출할 수 있다.
검출부(32)는 차폐부(20) 내부공간 중 제2 공간(S2)에 유입된 샘플 공기(A)로부터 16N 방사선의 베타선(B)을 검출한다. 다만, 검출부(32)가 검출하는 방사성 핵종 및 방사선 종류에는 제한이 없다.
검출부(32)는 내방사선 성능을 갖추며, 방사성 핵종의 알파선 및 베타선 등 하전입자 검출 성능이 우수한 것으로 구성되는 것이 좋다. 특히, 검출부(32)는 내방사선 시험 등 고선량의 방사선 환경에서 성능에 대한 건전성을 유지할 수 있도록 일정한 성능 시험 조건을 만족한 검출기로 구성되는 것이 바람직하나, 검출부(32)의 종류에는 제한이 없다.
본 발명의 일 실시예에서 검출부(32)는 실리콘 반도체 검출기로 구성된다. 반도체 검출기는 반도체 내의 공핍층(depletion region)에서 방사선에 의한 전리작용으로 발생하는 전기신호를 증폭하는 베타선 전치증폭기(pre-amp) 및 주증폭기(amp)를 포함하며, 독립적인 구동을 위한 전원공급장치(power supply)를 구비할 수 있다. 또한, 검출부(32)는 베타선 주증폭기의 출력신호를 처리하는 다중채널분석기(MCA: Multichannel Analyzer)와 같은 신호처리장치를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부의 내방사선 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4의 그래프에서 가로축은 하한선별기 채널 위치, 세로축은 계수율(신호생성률, cps)을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부(32)는 고선량의 방사선 환경에서도 그 건전성이 유지되도록 일정한 내방사선 시험 조건을 만족해야 한다.
도 4에서 수행된 시험을 살펴보면 다음과 같다. 5 cm의 납 차폐 구조물 내에 실리콘 반도체 검출기 및 전치증폭기를 위치시키고 방사성 핵종 Co-60에서 방출되는 감마선을 조사(irradiation)하였다. 감지시스템이 설치되는 차폐구조물 내 설계 선량률인 10mSv/hr를 60년(원자력발전소 로형 APR1400의 설계 수명)동안 누적될 것으로 예상되는 총 흡수선량(1 ~ 1.34 kGy)을 조사하였다. 감지시스템 내 설치되 체크소스와 동일한 종류인 알파선 측정을 통해 누적선량 조사 전, 중, 후의 감지시스템의 기능 건전성을 검증하였다. 조사시험 전후 신호 생성률의 변화가 생기지 않는 하한선별기(LLD)의 위치를 설정하여 검출 신호의 신뢰성을 보장할 수 있다. 왜냐하면 하한선별기보다 낮은 채널은 선량이 누적될 수록 신호 생성률이 변하기 때문이다.
도 4의 그래프에는 16N 방사선에 의한 신호(N-16), 방사선에 노출된 실리콘 반도체 자체에 의한 잡음신호(Noise by irradiated Si), 방사선에 노출된 전치증폭기에 의한 잡음신호(Noise by irradiated preamp) 및 잡음신호의 합(Noise(Si+preamp)이 도시되어 있다. 16N 방사선에 의한 신호는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치(1)에서 0.5 gpm의 냉각재 누설이 발생하였을 때 예상되는 시뮬레이션 신호이다. 도 4의 그래프에서 각 신호는 하한선별기(LLD: Lower Level Discriminator) 설정에 따라 변화하는 초당 카운트가 도시된다. 하한선별기에 대해서는 후술하기로 한다.
도 4에서 수행된 시험 결과에 따르면 16N 방사선에 의한 신호(N-16)와 잡음신호의 합(Noise(Si+preamp)이 최대가 되는 지점을 하한선별기(LLD: Lower Level Discriminator) 설정하는 경우 검출 신호의 신뢰성을 최대로 보장할 수 있다. 즉, 이를 검출부(32)의 내방사선 시험 조건이라 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 감지부의 구성을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부의 전원 on/off에 따라 체크소스에 의한 방사선 검출 에너지 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
한편, 검출부(32)의 성능이 떨어진 상태에서 검출된 신호는 신뢰성이 없다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 검사부(34)는 검출부(32)의 건전성을 모니터링한다. 검사부(34)는 구동부(341) 및 체크소스(345)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 구동부(341)는 체크소스(345)를 이동시키기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에서 구동부(341)는 솔레노이드 액추에이터이다. 구동부(341)는 방사선 영향을 최소로 받는 것이 좋다. 구동부(341)에는 로드(343)가 연결된다. 구동부(341)에 전원이 인가되지 않은 상태에서 로드(343)는 구동부(341) 내에 위치하고(도 5의 (a) 참조), 구동부(341)에 전원이 인가되면 로드(343)가 상승한다(도 5의 (b) 참조). 이러한 구동부(341)는 주제어실 등에서 운전원이 원격으로 작동할 수 있도록 구성된다. 이를 통해 원자력 발전소의 가동 중에도 수시로 검출부(32)의 정상 작동 여부가 확인될 수 있다.
로드(343)에는 체크소스(345)가 형성된다. 체크소스(345)는 오랜 시간동안 방사선 방출률의 변화가 없어야 하므로, 장반감기 핵종이 사용되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서 체크소스(345)로는, 반감기가 약 432년인 Am-241이 사용된다. 또한, 체크소스는 배경방사선으로 인해 생성되는 신호와 확실히 구별되기 위하여 상대적으로 높은 채널에 신호가 형성되는 고에너지 방사선이 사용되는 것이 바람직하며, 이에 적합한 방사선 종류는 알파선이다.
구동부(341)에 전원이 인가되지 않으면 체크소스(345)에서 방출된 방사선은 검출부(32)에서 검출되지 않는데, 이를 모니터링 해제 위치라 한다. 구동부(341)에 전원이 인가되면 체크소스(345)에서 방출된 방사선은 검출부(32)에서 검출되는데, 이를 모니터링 해제 위치라 한다. 즉, 체크소스(345)는 구동부(341)의 전원 on/off에 따라 모니터링 위치와 모니터링 해제 위치를 오갈 수 있다.
도 6의 (a)는 구동부(341)에 전원이 인가되지 않은 상태에서 체크소스(345)에 의해 검출부(32)에서 검출된 방사선 에너지 스펙트럼을 나타내고, 도 6의 (b)는 구동부(341)에 전원이 인가된 상태에서 체크소스(345)에 의해 검출부(32)에서 검출된 방사선 에너지 스펙트럼을 나타낸다. 도 6의 그래프에서 가로축은 에너지에 해당하는 채널이고, 세로축은 계수값(카운트)를 나타낸다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 구동부(341)에 전원이 인가된 경우 특정 채널수에서 방사선이 카운트됨을 알 수 있다. 즉, 구동부(341)를 작동시킴으로써 검출부(32)의 검출 성능, 정상 작동 여부 등을 알 수 있다.
판별부(40)는 방사선 측정신호로 냉각재(C)의 누설 여부를 판별한다. 이를 위해, 판별부(40)는 검출부(32)와 연결되어 방사선 측정신호를 전달받는다. 이러한 판별부(40)는 방사선 측정신호로부터 방사선 에너지 스펙트럼을 획득하고, 방사선 에너지 스펙트럼을 획득하여 냉각재(C)의 누설 여부를 판별한다.
보다 구체적으로, 판별부(40)는 기 설정된 에너지보다 낮은 에너지에서 발생된 방사선 측정신호를 제거하는 하한선별기(LLD: Lower Level Discriminator)를 포함한다. 하한선별기는 방사선 중에서 16N의 베타선 에너지보다 낮은 채널에서 발생하는 신호를 제거한다. 그로 인해, 판별부(40)는 특정 채널 이상의 베타선 측정신호가 감지되면, 원자로로부터 냉각재(C) 누설이 발생한 것으로 판별할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치는 검출부(32)에 의한 방사선 측정신호 뿐만 아니라 냉각재(C)의 누설을 판별하기 위해 추가정보를 감지하는 제2 감지부가 더 포함한다. 여기서, 추가정보는 냉각재(C) 누설을 판별할 수 있는 다양한 정보로서, 온도 또는 습도를 포함한다.
제2 감지부는 샘플 공기(A)에 대한 추가정보를 감지하는 것으로, 센싱부(52) 및 트랜스미터(transmitter)(54)를 포함한다.
센싱부(52)는 샘플 공기(A)의 온도 또는 습도 정보를 센싱한다. 이때, 샘플 공기(A)의 온도 또는 습도 정보를 감지하기 위해 센싱부(52)는 증기에 직접적으로 닿는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에서 센싱부(52)는 유입관(21)에 설치된다. 다만, 센싱부(52)의 설치 위치에는 제한이 없다.
트랜스미터(54)는 센싱부(52)의 정보를 전기 신호로 변환한다. 본 발명의 다른 실시예에서 트랜스미터(54)는 차폐부(20)의 내부공간에 배치된다. 다만, 트랜스미터(54)는 차폐부(20)의 내부공간에서 내외부 환경 변화에 따라 영향을 받지 않도록 독립된 공간에 배치될 필요가 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 장치는 일 실시예에서와 달리 차폐부(20) 내부공간이 더 형성된다. 즉, 차폐부(20)의 내부공간 중 제1 공간(S1)은 제1 감지부(30)가 배치되는 공간이고, 제2 공간(S2)은 샘플 공기(A)가 유입되는 공간이며, 제3 공간(S3)은 트랜스미터(54)가 배치되는 공간이다.
이를 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차폐부(20)는 착탈식 구조로 형성되어 차폐부(20) 내부공간의 확장이 가능하다. 즉, 본 발명에 따르면 차폐부(20)의 구조 변경에 대한 유연성을 갖출 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 차폐부(20)는 제1 몸체부(22), 제2 몸체부(24) 및 제3 몸체부(28)를 포함한다. 제1 몸체부(22) 및 제2 몸체부(24)는 상술한 바와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
제3 몸체부(28)는 중공을 가진 원통형상이므로 내부공간(S3)이 형성된다. 제3 몸체부(28)의 일측(도 7에 도시된 제3 몸체부의 좌측)은 제2 몸체부(24)와 결합되고, 제3 몸체부(28)의 타측에는 개구부가 형성된다. 이때, 제3 몸체부(28)의 일측에 형성된 개구부는 막히도록 제조된다. 한편, 다른 변형예에 따라 제2 공간(S2)을 넓히기 위해 제3 몸체부(28)의 일측 개구부가 막히지 않도록 제조될 수도 있다.
제3 몸체부(28)의 일측은 제2 몸체부(24)의 타측에 결합된다. 제3 몸체부(28)의 타측 개구부는 제3 몸체폐쇄부(29)에 의해 폐쇄된다. 제3 몸체부(28)의 일측과 제2 몸체부(24)가 맞닿는 이음 부위 및 제3 몸체부(28)의 타측과 제3 몸체폐쇄부(29)가 맞닿는 이음 부위는 나사형태의 이음, 돌기 형태의 이음 등 다양한 이음 방식이 사용될 수 있다. 이후, 이음 부위는 밀봉재에 의해 밀봉될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 3개의 몸체부(22, 24, 28)만이 도시되어 있으나, 용도에 따라 4개 이상의 몸체부 구성도 가능하며, 필요에 따라 복수의 몸체부를 제거하는 것도 가능하다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제3 몸체부(28)의 양측단에는 각각 단차부(28a)가 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2 몸체부(24)의 타측단에 단차부(24a)가 형성되면 제2 몸체부(24)와 제3 몸체부(28)는 단차 결합된다. 또한, 제3 몸체폐쇄부(29)는 제3 몸체부(28)의 타측단에 형성된 단차부(28a)와 결합 가능한 형상을 갖고 제3 몸체부(28)와 단차 결합된다. 도 7에는 제3 몸체부(28)의 양측단에 1개의 단차부(28a)가 형성되나, 후술하는 바와 같이 단차부(28a)의 개수에는 제한이 없다. 이렇게 단차부(28a)가 형성되면 원자로 내 배경 방사선이 차폐부(20) 내부로 침투하거나 차폐부(20) 내부의 방사선이 외부로 침투하는 것이 더욱 어렵다.
판별부(40)는 트랜스미터(54)와 연결된다. 따라서, 판별부(40)는 검출부(32)에서 검출된 방사선 측정신호 뿐만 아니라 센싱부(52)에서 감지된 추가정보를 이용할 수 있으므로, 냉각재(C) 누설 여부 판별에 대한 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차폐부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8에는 착탈식 구조를 가진 차폐부(20)의 분리된 상태가 도시되어 있다. 제1 몸체부(22)의 일측단에는 제1 몸체폐쇄부(23)와 단차 결합 가능하도록 2개의 단차부(221, 222)이 형성되어 있다. 제2 몸체부(24)의 타측단과 제3 몸체부(28)와 단차 결합 가능하도록 2개의 단차부(241, 242)가 형성되어 있다. 제3 몸체부(28)의 타측단에는 제3 몸체폐쇄부(29)와 단차 결합 가능하도록 2개의 단차부(281, 282)가 형성되어 있다. 다만, 상술한 바와 같이, 각 몸체부(22, 24, 28)에 형성된 단차부의 개수에는 제한이 없다.
또한, 또 다른 실시예에 따르면 각 몸체부(22, 24, 28)의 일측단 또는 양측단에는 단차부 대신 경사부, 곡선부 등 다양한 형태가 형성될 수 있다.
<원자로 냉각재 누설 감지 방법>
상술한 구성을 갖는 본 발명에 의한 원자로 냉각재 누설 감지 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 원자로 냉각재 누설 감지 방법은, 흡입단계, 수집단계, 제1 감지단계, 모니터링 단계, 제2 감지단계 및 판별단계를 포함한다.
흡입단계는 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설된 냉각재(C)를 샘플 공기(A)로 흡입하는 단계이다. 흡입단계에서 포집관(11)을 통해 냉각재(C)가 기화된 습도가 높은 샘플 공기(A)가 포집되며, 포집관(11)으로 포집된 샘플 공기(A)는 차폐부(20)를 향해 이송된다.
수집단계는 흡입단계에서 흡입된 샘플 공기(A)를 차폐된 공간으로 수집하는 단계이다. 샘플 공기(A)는 방사선 측정을 위해 유입관(21)을 통해 차폐부(20) 내부공간으로 유입된다. 방사선 측정이 완료되면 배출관(27)을 통해 차폐부(20) 외부로 배출될 수 있다.
제1 감지단계는 수집단계에서 수집된 샘플 공기(A)로부터 방사선 측정신호를 감지하는 단계이다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서 냉각재(C)에 포함된 16N의 베타선이 검출부(32)에 의해 검출된다.
모니터링단계는 상기 검출부(32)의 방사선 검출 성능을 수시로 모니터링하는 단계이다. 이는 검출부(32)의 건전성을 확인하기 위한 것이다. 모니터링 단계는 운전자의 원격 조정에 의해 수행될 수 있다.
제2 감지단계는 흡입단계에서 흡입된 샘플 공기(A)에서 냉각재(C)의 누설 여부를 판별하는데 필요한 추가정보를 감지하는 단계이다. 여기서 추가정보는 샘플 공기(A)의 온도 또는 습도 정보를 포함한다. 추가정보를 감지하기 위해 센싱부(52)와 트랜스미터(54)가 형성된다. 각 구성의 기능은 상술한 바와 같다.
한편, 흡입단계에서 흡입된 샘플 공기(A), 제1 감지단계에서 수행되는 검출부(32) 및 제2 감지단계에서 수행되는 트랜스미터(54)는 차폐부(20) 내부의 별도의 독립된 공간에 형성된다.
판별단계는 방사선 측정신호 및 추가정보를 종합하여 냉각재(C)의 누설 여부를 판별하는 단계이다. 판별단계에서 판별부(40)는 하한선별기를 이용하여 기 설정된 에너지보다 낮은 에너지에서 발생된 측정신호를 제거함으로써, 기 설정된 에너지 이상의 측정 신호가 감지되면 냉각재(C)가 누설된 것으로 판별한다. 즉, 판별부(40)는 냉각재(C)의 방사선 핵종의 감쇠 정도를 분석하여 원자로의 냉각재(C) 누설을 판별한다. 또한, 판별부(40)가 추가정보를 더 고려하므로 냉각재(C) 누설 판별의 신뢰성이 향상된다. 또한, 판별부(40)는 냉각재(C) 누설의 발생 위치도 판별할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10 : 흡입부 11 : 포집관
11a : 포집홀 12 : 공기 주입부
20 : 차폐부 21 : 유입관
22 : 제1 몸체부 22a : 단차부
23 : 제1 몸체폐쇄부 24 : 제2 몸체부
24a : 단차부 25 : 제2 몸체폐쇄부
27 : 배출관 28 : 제3 몸체부
28a : 단차부 29 : 제3 몸체폐쇄부
30 : 제1 감지부 32 : 검출부
34 : 검사부 52 : 센싱부
54 : 트랜스미터 221, 222, 281, 282 : 단차부
341 : 구동부 343 : 로드
345 : 체크소스

Claims (19)

  1. 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설되는 냉각재가 포함된 샘플 공기가 유입되는 내부공간이 형성되고, 노출된 상기 내부공간을 폐쇄하거나 착탈 결합을 통해 상기 내부공간의 확장이 가능한 차폐부;
    상기 내부공간에 배치되어 상기 샘플 공기로부터 방사선 측정신호를 획득하는 제1 감지부; 및
    상기 방사선 측정신호로 냉각재의 누설 여부를 판별하는 판별부;를 포함하고,
    상기 차폐부는,
    일측에 개구부가 형성된 몸체부; 및
    상기 개구부를 폐쇄하는 몸체폐쇄부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부공간은 상기 샘플 공기가 유입되는 공간과 상기 제1 감지부가 배치되는 공간이 물리적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체부는 복수로 구성되고,
    상기 몸체부의 일측단에는 단차부가 형성되어 상기 몸체부 간 단차 결합되는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체부의 일측단에는 단차부가 형성되어 상기 몸체폐쇄부와 단차 결합되는 것을 특징으로 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 차폐부는,
    상기 샘플 공기가 상기 내부공간으로 유입되는 유입관; 및
    상기 내부공간에 위치한 상기 샘플 공기가 외부로 배출되는 배출관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 감지부는,
    방사선을 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부의 방사선 검출 성능을 모니터링하는 검사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 검출부는 내방사선 시험 조건을 만족한 반도체 검출기인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 검사부는,
    로드;
    상기 로드를 구동시키는 구동부; 및
    상기 로드에 형성되어 방사선을 조사하는 체크소스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구동부는 솔레노이드 액츄에이터로서, 전원 on/off 따라 상기 체크소스가 상기 검출부의 모니터링 위치와 모니터링 해제 위치를 오갈 수 있는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 판별부가 냉각재의 누설 여부를 판별하도록 상기 샘플 공기에 대한 추가정보를 감지하는 제2 감지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2 감지부는,
    상기 샘플 공기의 온도 또는 습도 정보를 센싱하는 센싱부; 및
    상기 내부공간에 위치하여 상기 센싱부의 정보를 전기 신호로 변환하는 트랜스미터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 내부공간은 물리적으로 분리된 제1 내지 제3 공간을 포함하고,
    상기 제1 공간에는 상기 제1 감지부가 배치되고,
    상기 제2 공간은 상기 샘플 공기의 유입 공간이며,
    상기 제3 공간에는 상기 트랜스미터가 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  14. 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설되는 냉각재가 포함된 샘플 공기가 유입되는 내부공간이 형성된 차폐부;
    상기 내부공간에 배치되어 상기 샘플 공기로부터 방사선 측정신호를 획득하고, 방사선 검출 성능을 모니터링하는 수단을 구비한 제1 감지부; 및
    상기 방사선 측정신호로 냉각재의 누설 여부를 판별하는 판별부;를 포함하고,
    상기 차폐부는,
    일측에 개구부가 형성된 몸체부; 및
    상기 개구부를 폐쇄하는 몸체폐쇄부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 감지부는,
    방사선을 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부의 방사선 검출 성능을 모니터링하는 검사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 검사부는,
    로드;
    상기 로드를 구동시키는 구동부; 및
    상기 로드에 형성되어 방사선을 조사하는 체크소스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 장치.
  17. 원자로의 1차 냉각계통 배관으로부터 누설된 냉각재를 샘플 공기로 흡입하는 흡입단계;
    상기 흡입단계에서 흡입된 상기 샘플 공기를 차폐부로 수집하는 수집단계;
    상기 수집단계에서 수집된 상기 샘플 공기로부터 방사선 측정신호를 감지하는 제1 감지단계;
    상기 흡입단계에서 흡입된 상기 샘플 공기에서 냉각재의 누설 여부를 판별하는데 필요한 추가정보를 감지하는 제2 감지단계; 및
    상기 방사선 측정신호 및 상기 추가정보로 상기 냉각재의 누설 여부를 판별하는 판별단계;를 포함하고,
    상기 차폐부는,
    일측에 개구부가 형성된 몸체부; 및
    상기 개구부를 폐쇄하는 몸체폐쇄부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    원자로 냉각재 누설 감지 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 감지단계에서 수행된 방사선 측정 장치의 방사선 검출 성능을 모니터링하는 모니터링단계;를 더 포함하는,
    원자로 냉각재 누설 감지 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 추가정보는 상기 샘플 공기의 온도 또는 습도 정보인 것을 특징으로 하는 원자로 냉각재 누설 감지 방법.
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