KR20040099884A - Integrated Thermal On-line Protection System for a Nuclear Power Plant - Google Patents

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KR20040099884A KR1020030032014A KR20030032014A KR20040099884A KR 20040099884 A KR20040099884 A KR 20040099884A KR 1020030032014 A KR1020030032014 A KR 1020030032014A KR 20030032014 A KR20030032014 A KR 20030032014A KR 20040099884 A KR20040099884 A KR 20040099884A
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PURPOSE: An integrated thermal on-line protector system is provided to integrate functions of a control element assembly calculator and a core protection calculator. CONSTITUTION: An integrated thermal on-line protector system includes a plurality of integrated thermal on-line protectors(10,11,12,13)(ITOP), a maintenance and test panel(27)(MTP) and an operator module(28)(OM), and a control element assembly position display(29)(CEAPD). The integrated thermal on-line protectors includes a CPU(Central Processing Unit) calculating a departure from nucleate boiling ratio(DNBR) and a local power density(LPD) by integrating operations of a core protection calculator(CPC) and a control element assembly calculator(CEAC), an auxiliary calculator module, and a common and input/output module. The maintenance and test panel receives core driving information through an intra channel network. The operator module enables operators to monitor the core driving information in real time. The control element assembly position display displays the control electrode position information from the maintenance and test panel in graphics.

Description

통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템{Integrated Thermal On-line Protection System for a Nuclear Power Plant}Integrated Thermal On-line Protection System for a Nuclear Power Plant

본 발명은 원자력발전소의 안전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로에 장전된 핵연료의 건전성을 유지시키기 위한 개량형 원자로보호시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a safety system of a nuclear power plant, and more particularly to an improved nuclear reactor protection system for maintaining the integrity of the nuclear fuel loaded in the reactor.

일반적으로 원자로는 우라늄 핵분열을 이용하여 열을 발생시키는 장치로서, 농축 우라늄 소결체를 연료봉에 넣은 핵연료봉 다발이 내부에 장전된다. 핵연료봉 사이로 냉각수 유로가 형성되어 연료봉에서 발생된 열이 냉각수로 전달된다. 원자로에 의해 가열된 냉각수는 관류형 증기발생기를 통과하여 냉각수 펌프에 의해 원자로로 다시 순환된다. 이 때, 원자로 압력은 가압기에 의해 일정한 수준으로 유지되며, 증기발생기는 원자로 냉각수와의 열전달을 통해 증기를 발생시키고 증기터빈을 회전시켜 전기를 생산한다.In general, a nuclear reactor is a device that generates heat by using uranium nuclear fission, and a bundle of nuclear fuel rods containing a concentrated uranium sintered body in a fuel rod is loaded therein. A coolant flow path is formed between the nuclear fuel rods so that heat generated from the fuel rods is transferred to the coolant. The coolant heated by the reactor passes through a once-through steam generator and is circulated back to the reactor by a coolant pump. At this time, the reactor pressure is maintained at a constant level by the pressurizer, and the steam generator generates steam through heat transfer with the reactor cooling water and generates electricity by rotating the steam turbine.

원자로는 냉각수의 종류에 따라 경수로(Light Water Reactor)와 중수로(Heavy Water Reactor)로 구분된다. 가압경수로는 냉각수 펌프와 가압기 및 증기발생기 등이 원자로 압력용기 외부에 있는 루프(Loop)형과 내부에 존재하는 일체(Integral)형으로 나누어진다. 전기생산을 위한 상용화된 대용량 원자력발전소의 상당수가 루프형 가압경수로이며 일체형 원자로는 전기와 열에너지 생산을 목적으로 하는 소용량의 원자로이다.Reactors are divided into light water reactors and heavy water reactors, depending on the type of cooling water. Pressurized water reactors are divided into a cooling type pump, a pressurizer and a steam generator, such as a loop type outside the reactor pressure vessel and an integral type present inside. Many commercialized large-scale nuclear power plants for the production of electricity are loop-type pressurized water reactors, and integrated reactors are small-capacity reactors for the purpose of producing electricity and thermal energy.

이들 가운데 경수로는 냉각수가 핵연료봉 및 증기발생기에서의 열전달을 극대화시키고 원자로 냉각수의 비등을 방지하기 위해 고온-고압상태를 유지하게 되는데, 핵연료봉과 냉각수 사이의 열전달은 대류열전달(Convective Heat Transfer) 또는 핵비등열전달(Nucleate Boiling Heat Transfer) 현상으로 나타난다. 가열면과 유체 사이의 열전달 특성에 의하면 핵비등열전달 영역을 벗어나는 경우 열전달 효율이 급격히 나빠져서 가열면의 국부온도가 크게 증가하게 된다. 즉, 핵연료봉과 냉각수사이의 열전달이 잘 이루어지지 않는 경우 핵연료용융이나 연료봉이 국부적으로 손상되는 사고가 발생할 우려가 있다.Among these, the LWR maintains high temperature and high pressure to maximize the heat transfer from the fuel rods and steam generators and to prevent boiling of the reactor coolant.The heat transfer between the fuel rods and the coolant is convective heat transfer or nuclear It appears as a Nucleate Boiling Heat Transfer phenomenon. According to the heat transfer characteristics between the heating surface and the fluid, the heat transfer efficiency is drastically deteriorated when it is out of the nuclear boiling heat transfer region, so that the local temperature of the heating surface is greatly increased. In other words, if the heat transfer between the fuel rod and the coolant is not good, there may be an accident in which the fuel melting or the fuel rod is locally damaged.

따라서 핵연료 설계시 핵연료용융이나 연료봉 손상에 의한 피해를 허용한도 이내로 유지하기 위해 핵연료봉 선출력밀도(LPD;Local Power Density)와 핵비등이탈(DNB;Departure from Nucleate Boiling)에 대한 제한치를 설정하여 감시한다. LPD 제한치는 핵연료용융을 발생시키는 연료봉의 선출력밀도로 정의되며 DNB 제한치는 핵비등이탈 현상이 발생하는 연료봉의 DNB 열유속 또는 임계열유속(Critical Heat Flux)으로 정의된다. 임계열유속은 주어진 국부 노심조건을 이용하여 실험식에 의해 계산되며 실제 측정 열유속에 대한 비율을 핵비등이탈률(DNB Ratio,DNBR)로 정의한다. 원자로 열적보호시스템은 원자로 운전조건에 대한 측정신호를 이용하여 LPD와 DNBR에 대한 각각의 설계제한치를 감시하고 제한치를 위반하는 경우 원자로를 정지시키는 원자로 안전시스템이다.Therefore, in the design of fuels, in order to keep the damage caused by fuel melting or fuel rod damage within the allowable limit, monitoring by setting the limits on the fuel rod local power density (LPD) and the Departure from Nucleate Boiling (DNB) do. The LPD limit is defined as the linear power density of the fuel rod that generates nuclear fuel melting, and the DNB limit is defined as the DNB heat flux or critical heat flux of the fuel rod in which nuclear boiling off occurs. The critical heat flux is calculated by empirical formula using the given local core condition and defines the ratio to actual measured heat flux as the DNB Ratio (DNBR). The reactor thermal protection system is a reactor safety system that monitors the respective design limits for LPD and DNBR using measurement signals for reactor operating conditions and shuts down the reactor in case of violation of the limits.

가압경수로의 원자로 열적보호시스템은 유형에 따라 아날로그 보호시스템과 디지털 보호시스템으로 구분된다. 국내 원전의 경우 고리 1-4호기와 영광 1-2호기 등이 아날로그 보호시스템을 채택하고 있으며 영광 3-6호기, 울진 3-6호기 및 신고리 1-2호기 등은 디지털 보호시스템을 사용하고 있다. 현재까지 상용화가 이루어진 아날로그 원자로보호시스템은 과출력(Overpower)/과온도(Overtemperature) ??T(OP??T/OT??T) 보호시스템이 있으며 디지털 원자로보호시스템은 컴퓨터를 이용한 실시간 노심보호연산기시스템(Core Protection Calculator System,CPCS)이 사용되고 있다. OP??T/OT??T와 CPCS는 모두 핵연료 용융과 핵비등이탈 현상으로부터 원자로를 안전하게 유지하기 위해 필수적인 원자로보호시스템이다. 아날로그 원자로 열적보호시스템인 OP??T/OT??T는 측정된 노심압력, 노심 평균온도와 온도차이(??T) 및 노심 상하부 출력편차로부터 각각 과출력 ??T와 과온도 ??T의 트립 설정치를 아날로그 회로를 이용하여 계산하여 원자로정지 여부를 판정한다. CPCS는 디지털 컴퓨터인 4 대의 노심보호연산기(Core Protection Calculator,CPC)와 2 대의 제어봉연산기(Control Element Assembly Calculator,CEAC)를 이용한 독립적인 4 개의 보호시스템 채널로 구성되어 있다. 각 CPCS 채널은 노심 운전조건에 대한 계측신호를 이용하여 최소 DNBR과 최대 LPD를 실시간으로 계산하여 각각의 설계제한치를 위반한 때 원자로 정지신호를 발생시킨다.Reactor thermal protection systems for pressurized water reactors are classified into analog protection systems and digital protection systems. In Korea, Kori Units 1-4 and Yeonggwang 1-2 employ analog protection systems, while Glory 3-6, Uljin 3-6, and Shingori 1-2 use digital protection systems. . Analog reactor protection systems that have been commercialized to date include overpower / overtemperature ?? T (OP ?? T / OT ?? T) protection systems, and digital reactor protection systems provide real-time core protection using computers. Core Protection Calculator System (CPCS) is used. Both OP ?? T / OT ?? T and CPCS are essential reactor protection systems to keep nuclear reactors safe from fuel melting and nuclear boiling off. OP ?? T / OT ?? T, an analog reactor thermal protection system, shows overpower ?? T and overtemperature ?? T from the measured core pressure, core mean temperature and temperature difference (?? T), and upper and lower output deviations of the core, respectively. The trip setting of is calculated using an analog circuit to determine whether the reactor is stopped. The CPCS consists of four independent protection system channels using four core protection calculators (CPCs) and two control element assembly calculators (CEACs). Each CPCS channel calculates the minimum DNBR and maximum LPD in real time using measurement signals for core operating conditions and generates a reactor stop signal when each design limit is violated.

미국특허 4080251호, 4318778호 및 4330367호는 디지털 컴퓨터를 이용하여 주요 핵연료설계 제한인자 LPD와 DNBR을 실시간으로 감시하고 각각의 제한치를 위반한 경우 원자로 정지신호를 발생시키는 노심보호 및 노심감시 장치와 방법의 발명을 기술하고 있다. 여기에서, 노심보호장치인 노심보호연산기(110 내지 113;Core Protection Calculator,CPC)의 입력신호 중 개별 제어봉의 노내 삽입위치 신호에 대한 정보는 도 1에 도시된 바와 같이 별도의 제어봉연산기(115,116;CEAC)로부터 제공받는다. 각 제어봉(121,122;CEA,Control Element Assembly) 그룹의 목표제어봉(117 내지 120;Target CEA)의 위치신호 4개 세트는 지정된 각각의 CPC(110 내지 113) 채널에 직접 입력된다. 여기에서, 일반적으로 제어봉은 4개가 한 개의 제어봉그룹을 이루며 4개의 CPC 채널에 전송되는 각각의 제어봉을 목표제어봉(117 내지 120)으로 정의한다. 노심보호장치는 필요시 원자로를 정지시켜야 하는 안전시스템이므로 독립적인 4 개의 보호시스템 채널로 구성되며 2 개 채널 이상에서 원자로 정지신호가 발생한 경우 원자로를 정지시킨다. 도 1에서 W는 냉각수 펌프 회전속도, PR은 노심압력, TC는 저온관온도, TH는 고온관온도, D는 핵계측기 신호를 각각 나타낸다.US Patent Nos. 4080251, 4318778, and 4330367 use a digital computer to monitor key fuel design limiting factors LPD and DNBR in real time, and core protection and core monitoring devices and methods for generating reactor stop signals in case of violation of each limit. Describes the invention. Here, the information on the in-position insertion position signal of the individual control rods among the input signals of the core protection calculators (110 to 113; Core Protection Calculator, CPC) that is the core protection device, as shown in Fig. 1, separate control rod calculators 115 and 116; CEAC). Four sets of position signals of the target control rods 117 to 120 of the control element assembly (CEA) groups 121 and 122 are directly input to each of the designated CPC channels 110 to 113. Here, in general, the control rods are defined as the target control rods 117 to 120, each of which is four control rods constitute one group of control rods and transmitted to four CPC channels. Since the core protection device is a safety system to stop the reactor when necessary, it consists of four independent protection system channels. When the reactor stop signal occurs over two channels, the reactor is stopped. In Figure 1, W represents the cooling water pump rotation speed, PR represents the core pressure, TC represents the cold tube temperature, TH represents the hot tube temperature, D represents the nuclear instrument signal.

따라서 기존의 노심보호연산기(110 내지 113)는 독립적인 4개의 채널로 구성되어 있지만 각 제어봉에 제어봉위치 검출기의 설치가 2개로 제한되므로 제어봉연산기(115,116)는 2개의 채널로 구성되어 있다. 즉, 2개 채널의 제어봉연산기(115,116)에서 각각의 개별 제어봉위치 신호를 처리하여 제어봉위치 편차에 따른 정보를 노심보호연산기(110 내지 113) 4개 채널에 모두 전달한다. 만일 제어봉연산기(115,116) 1 개 채널의 정보가 신호 연결시스템의 불량으로 인한 거짓 신호이거나 또는 사용 불능일 경우에는 노심보호연산기(110 내지 113) 4개 채널이 모두 영향을 받아 불필요한 원자로 정지신호가 발생할 가능성이 높다.Therefore, the existing core protection operators (110 to 113) is composed of four independent channels, but the control rod operator (115, 116) is composed of two channels because the installation of the control rod position detector is limited to two control rods. That is, the control rod operators 115 and 116 of the two channels process each individual control rod position signal to transfer the information according to the control rod position deviation to all four channels of the core protection calculators 110 to 113. If the information of one channel of the control rod operator 115, 116 is a false signal due to a failure of the signal connection system or is unavailable, all four channels of the core protection operators 110 to 113 are affected to generate an unnecessary reactor stop signal. Most likely.

이와 같이 기존의 디지털 원자로 열적보호시스템인 CPCS는 4개 채널의 노심보호연산기(CPC)와 2개 채널의 제어봉연산기(CEAC)가 하드웨어적으로 연결되어 있어서 제어봉연산기 1개 채널의 고장은 4개 채널의 모든 노심보호연산기에 영향을 주어 불필요한 원자로 정지를 발생시키게 되는 단점의 있었다.Thus, CPCS, a conventional digital reactor thermal protection system, has four channels of core protection operator (CPC) and two channels of control rod operator (CEAC) in hardware. All of the core protection operators in the system had the disadvantage of causing unnecessary reactor shutdowns.

또한, 이러한 기존 디지털 노심보호장치의 단점으로 인해 다수의 원자로가 불시에 정지하는 사례가 국내 원전에서 보고된 바 있다. 또한 제어봉연산기(115,116)에 대한 주기 점검시험이 필요하며 점검 중에는 1개 채널만이 운전가능 상태이므로 제어봉연산기(115,116) 시스템의 단일 고장(Single Failure)이 원자로 정지를 유발할 가능성이 높아진다.In addition, a number of nuclear reactors have been unexpectedly stopped due to the shortcomings of the existing digital core protection device. In addition, a periodic inspection test for the control rod operators 115 and 116 is required, and since only one channel is in operation during the inspection, a single failure of the control rod operator system 115 or 116 system may cause a reactor shutdown.

또한 기존의 디지털 노심보호장치는 실시간 DNBR 계산을 위해 매우 단순화된 계산모델을 채택하고 있어 지나치게 보수적이며 계산오차도 크다. 이는 디지털 컴퓨터의 계산성능이 낮은 1970년대 초기에 개발되었기 때문이다. DNBR 계산오차의 증가와 보수적인 계산방법은 원자로의 열적여유도(Thermal Margin)를 감소시켜 예상되는 과도상태(Anticipated Operational Occurrences) 또는 가상사고(Postulated Accident) 발생시 원자로정지를 방지할 수 있는 여유가 줄어들어 결과적으로는 발전소 이용률을 저하시킨다. 따라서 발전소 이용률 향상뿐만이 아니라 핵연료설계 여유도의 확보와 원자로 출력증대를 위해서도 원자로의 열적여유도를 증가시키기 위한 노력이 중요하다. 현재는 컴퓨터의 계산성능이 매우 우수하므로 보다 정확한 DNBR 계산방법론의 적용을 통한 노심 열적여유도를 증가시키는 방안이 가능하다.In addition, the existing digital core protection device adopts a very simplified calculation model for real-time DNBR calculation, which is too conservative and has a large calculation error. This is due to the fact that digital computers were developed in the early 1970s when the computational performance was low. Increasing DNBR calculation errors and conservative calculation methods reduce the thermal margin of the reactor, reducing the margin to prevent reactor shutdowns in the event of anticipated transient operations or postulated accidents. As a result, power plant utilization is reduced. Therefore, in order to not only improve power plant utilization, but also to secure nuclear fuel design margin and increase reactor output, efforts to increase the thermal margin of the reactor are important. At present, the computational performance of the computer is very good, so it is possible to increase the core thermal margin by applying the more accurate DNBR calculation methodology.

기존의 디지털 노심보호장치는 노외 핵계측기 신호를 이용하여 노심 축방향 출력분포를 합성한다. 기존의 합성법은 계측기 신호의 크기에 따라 출력분포 형태를 예측하여 각각의 경우 미리 결정된 합성계수를 이용한다. 이러한 방법은 계측기 신호와 출력분포의 관계가 단순하지 않으므로 경우에 따라서는 매우 부정확한 노심 축방향 출력분포의 합성이 이루어진다. 즉, 기존 노심보호시스템은 매우 단순한 DNBR 계산방법과 원자로 축방향 출력분포 합성법의 사용으로 인해 원자로 열적여유도의 감소가 초래되는 문제점이 있었다.Conventional digital core protection device synthesizes core axial output distribution using off-grid nuclear instrument signal. The existing synthesis method predicts the output distribution shape according to the size of the instrument signal and uses a predetermined synthesis coefficient in each case. In this method, the relationship between the instrument signal and the output distribution is not simple, and in some cases, very incorrect core axial output distribution is synthesized. In other words, the existing core protection system has a problem that the reactor thermal margin is reduced due to the use of a very simple DNBR calculation method and the axial power distribution synthesis method.

한편, 디지털 노심보호장치는 핵연료 주요 안전인자인 DNBR과 LPD에 대한 원자로 정지신호 발생기능과 더불어 보조 정지신호 발생기능도 있다. 즉, 원자로 출력의 급격한 증가를 방지하기 위한 가변 과출력 정지기능, 비대칭 증기발생기 과도상태 방지기능 및 허용 운전범위 위반 방지기능 등 노심온도, 노심압력, 축방향 출력분포 등의 계측된 노심운전조건이 허용범위를 벗어났을 때 원자로 정지신호를 발생시키는 기능 등이 포함되어 있다. 기존의 노심보호장치는 DNBR과 LPD에 대한 예비정지 경보기능이 있으나 보조 정지신호에 대한 예비정지 경보기능이 없어서 운전원으로 하여금 원자로정지를 막기 위한 조치를 취할 수 없는 단점이 있었다.On the other hand, the digital core protection device has the function of generating the reactor stop signal for DNBR and LPD, which are the main fuel safety factors, as well as the auxiliary stop signal generation function. In other words, the measured core operating conditions such as core temperature, core pressure, axial output distribution, etc., such as the variable overpower stop function, the asymmetric steam generator transient state prevention function, and the permissible operating range violation function to prevent the sudden increase of the reactor output, It includes a function to generate a reactor stop signal when it is outside the allowable range. The existing core protection device has a preliminary stop alarm function for DNBR and LPD, but it does not have a preliminary stop alarm function for auxiliary stop signals, which prevents the operator from taking measures to prevent reactor shutdown.

본 발명은 국내외 루프형 가압경수로 원자력발전소에 적용 가능한 통합형 디지털 원자로 열적보호시스템을 개발하기 위해 제안된 것으로, 4개 채널의 노심보호연산기와 2개 채널의 제어봉연산기가 하드웨어적으로 연결되어 있어서 제어봉연산기 1개 채널의 고장이 4개 채널의 모든 노심보호연산기에 영향을 주어 불필요한 원자로 정지를 발생시키게 되는 기존의 디지털 원자로 열적보호시스템인 CPCS와는 달리, 제어봉연산기와 신호 연결기기의 고장으로 인한 불필요한 원자로 정지를 줄이고자 하는 데 첫 번째 목적이 있다.The present invention has been proposed to develop an integrated digital reactor thermal protection system applicable to domestic and international loop-type pressurized water reactor nuclear power plant, the four-core core protection operator and the two-channel control rod operator is hardware-connected control rod operator Unlike the conventional digital reactor thermal protection system CPCS, where a failure of one channel affects all core protection operators of four channels, causing unnecessary reactor shutdown, unnecessary reactor shutdown due to a failure of the control rod operator and signal connection equipment. The first purpose is to reduce the

본 발명의 두 번째 목적은 핵연료설계 여유도의 확보와 원자로 출력증대를 위해서 원자로의 열적여유도를 증가시키기는 최적 DNBR 계산방법과 원자로 축방향 출력분포 합성법을 제안하는 데 있다.The second object of the present invention is to propose an optimal DNBR calculation method and a reactor axial power distribution synthesis method for increasing the thermal margin of the reactor for securing fuel design margin and increasing reactor power.

본 발명의 세 번째 목적은 원자로 열적보호시스템의 기능을 개선하여 불필요한 원자로 정지를 최소한으로 줄이고 운전원의 실수와 부담을 줄임으로써 발전소성능을 향상시키는 데 있다.The third object of the present invention is to improve power plant performance by improving the function of the reactor thermal protection system to minimize unnecessary reactor shutdowns and reduce operator error and burden.

도 1은 종래의 디지털 노심보호연산기시스템(CPCS)을 개략적으로 도시한 블록도.1 is a block diagram schematically illustrating a conventional digital core protection operator system (CPCS).

도 2는 본 발명에 따른 통합형 원자로 열적보호시스템을 개략적으로 도시한 블록도.Figure 2 is a block diagram schematically showing an integrated reactor thermal protection system according to the present invention.

도 3은 도 2에 도시된 통합형 실시간 열적보호기(ITOP)의 상세도.3 is a detailed view of the integrated real time thermal protector (ITOP) shown in FIG.

도 4는 본 발명에 따른 통합형 원자로 열적보호시스템의 제어모듈부를 개략적으로 도시한 블록도.Figure 4 is a block diagram schematically showing a control module unit of the integrated reactor thermal protection system according to the present invention.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 최적 DNBR 계산모듈(Static DNBR, SDNBR)의 상세 4-그룹수로 모델을 도시한 도면.5A is a diagram illustrating a detailed 4-group model of an optimal DNBR calculation module (Static DNBR, SDNBR) according to an embodiment of the present invention.

도 5b는 도 5a에 도시된 고온 핵연료 다발의 1/4 상세도.FIG. 5B is a quarter detail view of the hot fuel bundle shown in FIG. 5A;

도 6a는 상세 4-그룹수로의 속도전달 모델을 도시한 그래프.Fig. 6A is a graph showing a speed transfer model in detail 4-group channels.

도 6b는 상세 4-그룹수로의 압력전달 모델을 도시한 그래프.6B is a graph depicting the pressure transfer model in detail 4-group waterways.

도 6c는 상세 4-그룹수로의 에너지전달 모델을 도시한 그래프.6C is a graph depicting an energy transfer model with detailed 4-group channels.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 내지 13 : 통합형 실시간 열적보호기10 to 13: integrated real time thermal protector

15 : CPU 21 : 원자로 냉각수유량 계산모듈15: CPU 21: reactor coolant flow rate calculation module

22 : 제어봉 연산기능 모듈 23 : 원자로 출력분포 합성모듈22: control rod calculation function module 23: reactor output distribution synthesis module

24 : DNBR 계산모듈 25 : 복합 기능모듈24: DNBR calculation module 25: complex function module

26 : 원자로 정지신호 처리모듈26: reactor stop signal processing module

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 개별 제어봉 위치신호를 처리한 제어봉위치 편차에 대한 정보에 따라, 노심 운전조건에 대한 계측신호를 이용하여 최소 핵비등이탈률(DNBR)과 최대 핵연료봉 선출력밀도(LPD)를 실시간으로 계산하여 각각의 설계제한치를 위반한 때 원자로 정지신호를 발생시키도록 되어 있는 디지털 컴퓨터를 이용한 루프형 가압경수로용 실시간 원자로보호시스템에 있어서, 노심보호연산기(CPC)와 제어봉연산기(CEAC)의 기능을 하나로 통합하여 DNBR과 LPD 등의 주요 노심운전 인자들을 실시간으로 계산하는 CPU, 노심유량과 노심출력 보정 및 노심 DNBR 운전제한치 감시 등 운전원 연계 기능을 위한 계산을 수행하는 보조연산장치모듈, 계측기 입력신호를 처리하고 주요 실시간 계산결과를 유지보수시험대(MTP)와 운전원모듈(OM) 및 발전소 경보시스템으로 전송하는 공통및 입출력모듈(31)로 이루어진 복수의 통합형 실시간 열적보호기(ITOP)와; 통합형 실시간 열적보호기의 각 채널에서 실시간으로 계산된 노심운전 정보를 인트라 채널네트워크를 통해 전달 받아 운전원으로 하여금 노심운전 정보를 실시간으로 관측할 수 있도록 하는 유지보수시험대(MTP) 및 운전원모듈(OM)과; 유지보수시험대로부터 전달 받은 제어봉위치 정보를 제어봉의 노내 삽입 상태를 나타내는 그림 정보로 운전원에게 표시하는 제어봉위치 표시장치(CEAPD)로 구성되어 있는 통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템을 제공한다.In order to achieve this object, the present invention uses the measurement signal for the core operating conditions according to the information on the control rod position deviation processing the individual control rod position signal, the minimum nuclear boiling rate (DNBR) and the maximum fuel rod linear power density In a real-time reactor protection system for a loop pressurized water reactor using a digital computer that calculates (LPD) in real time and generates a reactor stop signal when each design limit is violated, the core protection operator (CPC) and the control rod operator (CEAC), a CPU that calculates the core core operating factors such as DNBR and LPD in real time and a sub-computation unit that performs calculations for operator linkage functions such as core flow and core output correction and core DNBR operation limit monitoring. Modules and instrument input signals are processed and major real-time calculations are performed on the maintenance test bench (MTP), operator module (OM), A plurality of integrated real-time thermal protectors (ITOP) comprising a common and input / output module (31) for transmitting to the burnout alarm system; Maintenance test bench (MTP) and operator module (OM) that receive the core operation information calculated in real time in each channel of the integrated real-time thermal protector through the intra channel network so that the operator can observe the core operation information in real time. ; It provides integrated real-time reactor thermal protection system that consists of control rod position indicator (CEAPD) that displays the control rod position information received from the maintenance test bench to the operator as pictorial information indicating the state of the rod insertion.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템을 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, an integrated real-time reactor thermal protection system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 가압경수로용 통합형 디지털 실시간 원자로 열적보호시스템으로서, 기존 디지털 원자로 열적보호시스템인 CPCS를 개량한 것으로, 디지털 컴퓨터를 이용한 하드웨어와 이를 운영하는 소프트웨어를 담고 있는 운영모듈로 구성되며, 본 발명의 하드웨어는 다시 도 2에 도시된 바와 같이, 제어봉위치 신호 처리를 위한 별도의 제어봉연산기를 제거하고 그 기능을 통합형 실시간 열적보호기(10,11,12,13;Integrated Thermal On-line Protector,ITOP)에 포함시킨 통합형 원자로 열적보호시스템으로 이루어진다.The present invention is an integrated digital real-time reactor thermal protection system for pressurized water reactors, which is an improvement of the existing digital reactor thermal protection system CPCS, and consists of an operating module containing hardware using a digital computer and software for operating the same. As shown in FIG. 2, the hardware removes a separate control rod operator for controlling the control rod position signal and transfers the function to the integrated thermal on-line protector (ITOP). It consists of an integrated nuclear reactor thermal protection system.

즉, 본 발명의 열적보호시스템은 두 세트의 제어봉 위치신호(RSPT1 & RSPT2)를 CEA 입출력모듈(32)을 이용하여 각각의 ITOP(10,11,12,13)에 직접적으로 연결하고 ITOP(10,11,12,13)의 소프트웨어를 이용하여 각각의 ITOP(10,11,12,13)가 제어봉연산기의 기능을 수행하도록 한다. ITOP(10,11,12,13)의 각 채널에서 실시간으로계산된 노심운전 주요정보는 광섬유 인트라 채널네트워크를 통해 각각 유지보수시험대(27;Maintenance and Test Panel,MTP)와 운전원모듈(28;Operator Module,OM)로 전달되어 운전원으로 하여금 노심운전 정보의 실시간 관측이 가능하도록 하였다. 또한 MTP(27)로부터 제어봉위치 정보는 제어봉위치 표시장치(29;CEA Position Display,CEAPD)로 전송되어 운전원에게 제어봉의 노내 삽입정보를 그림으로 보여준다. 여기에서 제어봉 위치신호와 각 ITOP(10,11,12,13) 채널의 연결 시 채널 사이의 독립성을 유지하기 위해 신호 격리장치를 이용하는데, 독립적인 2개 채널의 개별 제어봉 위치신호를 동시에 신속 처리하기 위해 ITOP(10,11,12,13)는 도 3에 도시된 바와 같이 고성능의 중앙연산처리장치(15;CPU)를 이용한다.That is, the thermal protection system of the present invention directly connects two sets of control rod position signals RSPT1 & RSPT2 to the respective ITOPs 10, 11, 12, and 13 using the CEA input / output module 32 and the ITOP (10). Each ITOP 10, 11, 12, 13 performs the function of the control rod operator using the software 11, 12, 13). The core information calculated in real time on each channel of ITOP (10, 11, 12, 13) is maintained in the maintenance and test panel (MTP) and the operator module (28; operator) through the optical fiber intra channel network, respectively. Module, OM) enables the operator to observe the core operation information in real time. In addition, the control rod position information from the MTP 27 is transmitted to the control rod position display device 29 (CEA Position Display, CEAPD) to show the operator in the furnace insert information of the control rod as a picture. Here, the signal isolation device is used to maintain the independence between the control rod position signal and each ITOP (10, 11, 12, 13) channel. In order to achieve this, the ITOPs 10, 11, 12, and 13 use a high-performance central processing unit 15 (CPU) as shown in FIG.

따라서, CPU(15)를 이용하여 주요 노심운전 인자(DNBR과 LPD 등)들을 실시간으로 계산하게 되고 보조연산장치모듈(30)은 운전원 연계기능(즉 노심유량과 노심출력 보정, 노심 DNBR 운전제한치 감시)을 편리하게 하기 위해 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21)의 노심유량과 복합기능 모듈(25)의 노심출력의 보정상수를 자동으로 계산하는 등 소정의 계산을 수행한다. 이 때, 보정상수는 노심유량보정을 위한 기준유량과 도 4의 냉각수 유량계산 모듈(21)에서 계산된 유량을 비교하여 계산한다. 보조연산장치모듈(30)은 또한 복합기능모듈(25)에서 실시간으로 계산된 최소 DNBR과 미리 설정된 DNBR 운전제한치의 비교를 자동으로 수행하여 DNBR 운전제한치를 감시하도록 되어 있는 감시장치를 구비하고 있다.Therefore, the main core operation factors (DNBR and LPD, etc.) are calculated in real time using the CPU 15, and the auxiliary operation unit module 30 monitors the operator linkage function (ie core flow rate and core output correction, and core DNBR operation limit monitoring). In order to facilitate the operation), a predetermined calculation is performed, such as automatically calculating the correction rate constant of the core flow rate of the reactor coolant flow rate calculation module 21 and the core output of the combined function module 25. At this time, the correction constant is calculated by comparing the flow rate calculated in the cooling water flow rate calculation module 21 with the reference flow rate for the core flow rate correction. The auxiliary operation module 30 also includes a monitoring device configured to automatically perform a comparison of the minimum DNBR calculated in real time in the composite function module 25 and the preset DNBR operating limit value to monitor the DNBR operating limit value.

한편, 공통모듈(Common Module,COM.) 및 입출력모듈(Input/Output Module,I/O)은 도면번호 31로 표시된 것처럼, 계측기 입력신호를 처리하고 주요 실시간 계산결과를 MTP(27)와 OM(28) 및 발전소 경보시스템으로 전송한다.Meanwhile, the common module (COM.) And the input / output module (I / O) process the input signal of the instrument as shown by reference numeral 31, and the main real-time calculation results are obtained by MTP 27 and OM ( 28) and transmit to the plant alarm system.

도 3은 ITOP 채널 A(10)의 상세도이며 입력신호와 출력신호를 보여준다. 도 1의 기존 노심보호연산기(110 내지 113) 채널 A(110)의 입력신호와 비교하면 ITOP 마다 4개 씩 묶여 있는 개별 제어봉에 대하여 제어봉 그룹 위치신호 대신에 개별 제어봉위치 신호(Reed Switch Position Transmitter,RSPT1 & RSPT2)가 사용되고 냉각수 펌프 회전속도 대신에 공급전원 주파수(??)와 전류신호(I)가 사용되고 있음을 알 수 있다.3 is a detailed view of ITOP channel A 10 and shows an input signal and an output signal. Compared to the input signal of the existing core protection operators (110 to 113) of the channel A (110) of FIG. 1, the individual control rod position signal (Reed Switch Position Transmitter, instead of the control rod group position signal) It can be seen that RSPT1 & RSPT2) are used and supply power frequency (??) and current signal (I) are used instead of the cooling water pump rotation speed.

통합형 원자로 열적보호시스템의 기능모듈부는 도 4에 도시된 바와 같이 5개의 계산기능 모듈과 1개의 원자로 정지신호 처리모듈로 구성된다. 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21;Core Flow,CFLOW)은 계측된 냉각수 펌프 공급전원 주파수와 입력전류 신호를 이용해 노심유량을 계산하여 원자로 출력분포합성 모듈(23)과 DNBR 계산 모듈(24)로 전송한다. 또한 복합기능 모듈(25)로부터 최소 DNBR과 최대 LPD 값을 입력받아 노심유량 변화에 따른 보정계산을 수행하여 원자로정지신호처리 모듈(26)로 수정된 최소 DNBR과 최대 LPD 값을 전송한다. 제어봉 연산기능 모듈(22;CEA Deviation,CRDEV)은 개별 제어봉위치 신호를 처리하여 위치편차에 따른 DNBR과 LPD 페널티 인자를 계산한다. 제어봉위치 편차에 의한 DNBR과 LPD 페널티 인자를 복합기능 모듈(25;Update Variable,UPDVAR)로 전달하고 각각의 목표 제어봉위치 정보를 원자로 출력분포 합성모듈(23)로 보낸다. 복합기능 모듈(25)은 다양한 계측기 입력신호와 노심 출력분포 관련 정보를 이용하여 노심출력을 계산하고 수시로 변하는 원자로 운전조건을 반영하여 DNBR과 LPD를 짧은 시간간격으로 계산한다. UPDVAR에서 수정 계산된 DNBR과 LPD는 원자로정지신호처리 모듈(26)로 전송된다. 원자로 출력분포 합성모듈(23;Core Power Distribution,CPWRD)은 CFLOW(21)에서 계산된 노심유량과 UPDVAR(25)에서 전달된 노외핵계측기 신호를 이용하여 노심 축방향 및 반경방향 출력분포를 합성한다. 실시간으로 합성한 노심 축방향 및 반경방향 출력분포는 DNBR 계산 모듈(24)과 복합기능 모듈(25)로 보내어진다. DNBR 계산 모듈(24;Static DNBR, SDNBR)은 CFLOW(21)에서 계산된 노심유량과 CPWRD(23)에서 합성된 노심 출력분포를 이용해 상세 DNBR 계산을 수행하여 UPDVAR(25)로 보낸다. 마지막으로 원자로 정지신호처리 모듈(26;Trip Generation, TRPGEN)은 DNBR과 LPD의 원자로 정지신호 및 보조 정지신호의 발생여부를 결정한다. 또한 DNBR과 LPD의 예비 정지신호를 처리하여 필요시 경보를 발생시킨다.The functional module portion of the integrated reactor thermal protection system is composed of five calculation function modules and one reactor stop signal processing module as shown in FIG. The reactor coolant flow calculation module 21 calculates the core flow rate using the measured coolant pump supply power frequency and the input current signal, and transmits the core flow rate to the reactor output distribution synthesis module 23 and the DNBR calculation module 24. . In addition, the minimum DNBR and the maximum LPD value are input from the combined function module 25 to perform correction calculation according to the core flow rate change, and transmit the modified minimum DNBR and the maximum LPD value to the reactor stop signal processing module 26. The control rod calculation function module 22 (CEA Deviation, CRDEV) processes the individual control rod position signals to calculate the DNBR and LPD penalty factors according to the position deviation. DNBR and LPD penalty factors due to the control rod position deviation are transmitted to the composite function module 25 (Update Variable, UPDVAR), and the target control rod position information is transmitted to the reactor output distribution synthesis module 23. The composite function module 25 calculates core output using various instrument input signals and core output distribution related information, and calculates DNBR and LPD at short time intervals to reflect the reactor operating conditions that change frequently. DNBR and LPD modified by UPDVAR are transmitted to the reactor stop signal processing module 26. The reactor power distribution synthesis module (23; Core Power Distribution, CPWRD) synthesizes the core axial and radial output distributions using the core flow rate calculated from CFLOW (21) and off-core nuclear instrument signals transmitted from UPDVAR (25). . The core axial and radial output distributions synthesized in real time are sent to the DNBR calculation module 24 and the composite function module 25. Static DNBR and SDNBR perform a detailed DNBR calculation using the core flow rate calculated in CFLOW 21 and the core output distribution synthesized in CPWRD 23, and send them to UPDVAR 25. Finally, the reactor stop signal processing module 26 (Trip Generation, TRPGEN) determines whether to generate the reactor stop signal and the auxiliary stop signal of DNBR and LPD. It also processes preliminary stop signals from DNBR and LPD to generate an alarm if necessary.

여기에서 먼저 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21)은 기존의 냉각수 펌프의 회전속도 신호 대신에 공급전원의 주파수(Frequency)와 3상(3-phase) 전류 신호를 이용하여 노심유량을 계산한다. 즉, 노심유량은 펌프 공급전원의 출력에 비례하는 원리를 이용한다. 이러한 입력신호의 변경은 냉각수 펌프 축고착 사고와 축파단 사고를 보다 빨리 인지할 수 있게 해주므로 사고 발생을 대비해 요구되는 열적여유도를 줄일 수 있으며 3상 전류신호의 사용은 입력신호를 다중화하는 장점도 있다.Here, the reactor coolant flow rate calculation module 21 calculates the core flow rate using the frequency and three-phase current signals of the supply power instead of the rotational speed signal of the conventional coolant pump. That is, the core flow rate uses a principle that is proportional to the output of the pump supply power. The change of the input signal makes it possible to recognize the coolant pump shaft fixation accident and the shaft break accident more quickly. Therefore, it is possible to reduce the thermal margin required in case of an accident and the use of the three-phase current signal multiplexes the input signal. There is also.

제어봉연산기능 모듈(22;CEA Deviation,CRDEV)은 기존의 제어봉연산기의 기능을 수행하기 위해 본 발명에서 통합형 열적보호기(ITOP)의 기능모듈로 개량한 것이다. 개별 제어봉위치 신호를 처리하여 위치편차에 따른 DNBR과 LPD 페널티 인자를 계산하고 그룹제어봉 위치신호도 결정하여 출력분포 합성모듈에 제공한다. 두세트의 제어봉위치 입력신호 중 한 세트가 사용불능이면 일정 시간동안 사용가능한 신호만을 사용한다. 제어봉 위치신호가 모두 사용불능이면 CRDEV(22) 모듈의 기능은 자동으로 우회되고 DNBR과 LPD 페널티 인자는 이전의 값을 사용한다.The control rod operation function module 22 (CEA Deviation, CRDEV) is an improvement of the function module of the integrated thermal protector (ITOP) in the present invention to perform the function of the existing control rod operation. The individual control rod position signals are processed to calculate DNBR and LPD penalty factors according to position deviations, and the group control rod position signals are also determined and provided to the output distribution synthesis module. If one of the two sets of control rod position input signals is unavailable, only the signals that are available for a certain period of time are used. If the control rod position signals are all disabled, the function of the CRDEV (22) module is automatically bypassed and the DNBR and LPD penalty factors use the previous values.

원자로 출력분포합성 모듈(23)은 노심 축방향 및 반경방향 출력분포를 합성한다. 축방향 출력분포는 기존의 3차 스플라인(Spline) 합성법을 개선하여 출력분포 특성을 세분화하고 최적의 합성계수를 사용한다. 반경방향 출력분포는 CRDEV 모듈(22)에서 제공한 그룹제어봉 위치를 이용하여 결정되며 보수적인 LPD와 DNBR 계산을 위해 가상의 고온봉(Hot-pin) 출력분포를 합성한다.The reactor output distribution synthesis module 23 synthesizes the core axial and radial output distributions. The axial output distribution refines the existing third-order spline synthesis method to refine the output distribution characteristics and use the optimal synthesis coefficient. The radial output distribution is determined using the group control rod positions provided by the CRDEV module 22 and synthesizes a hypothetical hot-pin output distribution for conservative LPD and DNBR calculations.

DNBR 계산 모듈(24)은 도 5a에 나타낸 바와 같이 상세 4-수로해석모델을 이용하여 원자로 열유동 지배방정식의 수치해를 얻고 노심 최소 DNBR을 계산한다. 즉, 냉각수가 흐르는 원자로내 핵연료봉다발 사이의 유로를 노심평균 수로(41)와 고온핵연료다발 수로(42)로 구분하고 수로(42)의 내부는 최소 DNBR 발생을 가정한 고온수로(44)와 고온수로 주변의 수로(43)로 구분한다. 상세 4-수로는 그룹수로(43)와 수로(42) 사이의 운동량과 에너지 전달을 보다 상세하고 정확하게 계산하기 위해 경계수로(42')와 경계수로(42")를 추가로 모델링한 것인데, 여기에서 수로(42)는 도 5b 중 44, 43, 42' 또는 42"으로 표시된 부분을 제외한 아무 표시도 되어 있지 않은 수로 들을 평균적으로 나타내는 수로이며, 상세 4-수로라 함은 경계수로(42')와 경계수로(42")의 추가를 통해 모델링을 더욱 세분화함으로써 수로 전체의 운동량과 에너지 전달을 더욱 상세하고 정확하게 계산할 수 있게 되는 것을 의미한다.DNBR calculation module 24 obtains the numerical solution of the reactor thermal flow governing equation and calculates the core minimum DNBR using a detailed four-channel analysis model as shown in FIG. 5A. That is, the flow path between the nuclear fuel rod bundles in the reactor where the coolant flows is divided into a core average channel 41 and a high temperature fuel bundle channel 42, and the inside of the channel 42 is a high temperature channel 44 assuming that a minimum DNBR is generated. And the high temperature waterway and the surrounding waterway 43. The detailed four-channel channel was further modeled by the boundary channel 42 'and the boundary channel 42 "to more accurately and accurately calculate the momentum and energy transfer between the group channel 43 and the channel 42. In this case, the channel 42 is an average channel representing channels without any marking except for the part indicated by 44, 43, 42 'or 42 "in FIG. 5B, and the detailed 4-channel is a boundary channel. The addition of 42 'and the boundary channel 42 "means that the modeling can be further refined to allow more detailed and accurate calculation of the momentum and energy transfer throughout the channel.

그룹수로 사이의 운동량 및 에너지 전달은 그룹수로 사이의 경계수로를 추가로 정의하여 원자로 운전조건에 따라 실시간으로 계산된다. 기존의 단순화된 4-수로 해석방법은 경계수로를 정의하지 않고 보다 상세한 DNBR 해석방법과의 조정과정을 통해 결정된 일정한 값을 갖는 전달계수를 사용한다.The momentum and energy transfer between the group channels is further defined in real time according to the reactor operating conditions by further defining the boundary channels between the group channels. The existing simplified 4-channel analysis method does not define the boundary channel but uses a transfer coefficient with a constant value determined through coordination with the more detailed DNBR analysis method.

도 6a 내지 도 6c는 각각 축방향 및 횡방향 운동량과 에너지 방정식을 풀기 위한 인접수로 사이의 유량(속도), 압력 및 엔탈피 교환을 도식적으로 나타낸 것으로 인접한 수로 사이의 압력, 속도 및 엔탈피 전달계수(NP, NU, NH)를 다음 수학식 1과 같이 정의한다.6A-6C schematically show the flow rate (velocity), pressure and enthalpy exchange between adjacent channels for solving axial and transverse momentum and energy equations, respectively, and the pressure, velocity and enthalpy transfer coefficients between adjacent channels. N P , N U , N H ) is defined as in Equation 1 below.

여기에서 P, U, H는 인접한 임의의 통합수로 I, J의 평균 압력, 속도와 엔탈피이며 p, u, h는 통합수로 I, J 사이의 경계수로의 압력, 속도와 엔탈피를 나타낸다. 본 발명에서 이용하는 상세 4-수로해석모델의 경우 상기와 같이 정의된 각각의 전달계수는 주로 고온핵연료다발 수로(42)와 고온수로의 주변수로(43) 사이의 압력, 속도, 엔탈피의 교환을 나타내기 위한 것으로 정의된다. 압력과 속도에 대한 전달계수 NP와 NU는 미리 계산된 최적 상수값을 사용하며 엔탈피 전달계수(NH)만 경계수로(42'와 42")의 엔탈피를 이용하여 다음 수학식 2와 같이 계산한다.Where P, U, and H represent the mean pressures, velocities, and enthalpies of I and J in any adjacent integral water, and p, u, and h represent the pressure, velocity, and enthalpy of the boundary water between I and J as integrated water. In the detailed four-channel analysis model used in the present invention, each of the transfer coefficients defined above is mainly used to exchange pressure, velocity, and enthalpy between the hot fuel bundle channel 42 and the peripheral channel 43 of the high temperature channel. It is defined to represent. The transfer coefficients N P and N U for pressure and velocity use pre-calculated optimal constant values, and only the enthalpy transfer coefficient (N H ) is obtained using the enthalpy of the boundary channel (42 'and 42 "). Calculate it together.

복합기능 모듈인 UPDVAR(25;Update Variable)은 원자로출력과 수시로 변하는 원자로 운전조건을 반영하여 수정 DNBR을 계산한다. UPDVAR(25)은 가변 과출력정지, 비대칭 증기발생기 과도상태 방지 및 허용 운전범위 위반 방지 등을 위한 관련 보조정지 인자들을 계산하여 각각의 원자로정지 제한치와 비교한다. 기존의 노심보호장치는 보조 정지신호에 대한 예비 정지 경보기능이 없어서 운전원으로 하여금 원자로정지를 막기 위한 조치를 취하도록 할 수 없는 단점이 있기 때문에, 본 발명에서는 모든 보조정지 인자들에 따른 예비정지 경보모듈을 UPDVAR에 추가로 설치하여 보조정지 인자와 원자로정지 제한치의 비교 결과를 원자로 정지신호 처리모듈(26)로 전달되도록 한다.UPDVAR (25; Update Variable), a multi-functional module, calculates modified DNBR by reflecting reactor output and operating conditions that change frequently. The UPDVAR 25 calculates and compares the respective auxiliary stop factors for variable overpower stop, asymmetric steam generator transient protection and allowable operating range violation, and compares them with the respective reactor stop limits. Existing core protection device has a disadvantage that the operator can not take action to prevent the reactor stop because there is no pre-stop alarm function for the auxiliary stop signal, in the present invention, the pre-stop alarm according to all the auxiliary stop factors The module is additionally installed in the UPDVAR to transmit the result of comparing the auxiliary stop factor and the reactor stop limit to the reactor stop signal processing module 26.

원자로 정지신호처리 모듈(26)은 DNBR과 LPD의 원자로 정지신호 및 보조 정지신호의 발생여부를 결정하며 나아가서 본 발명에서는 모든 원자로정지 변수의 예비 정지신호를 처리하여 필요시 경보를 발생시킴으로써 운전원으로 하여금 필요한 원자로정지 예방조치를 취하도록 한다.The reactor stop signal processing module 26 determines whether to generate the reactor stop signal and the auxiliary stop signal of the DNBR and LPD. Furthermore, in the present invention, the operator can process the preliminary stop signal of all reactor stop variables to generate an alarm if necessary. Take necessary reactor shutdown precautions.

이와 같이 구성된 통합형 원자로 열적보호시스템은 운전원과의 연계성을 개선하기 위해 원자로출력과 냉각수 유량에 대한 보정을 자동화하기 위해 실시간으로 계산되는 원자로출력과 냉각수 유량을 운전원에게 제공한다. 또한 노심감시시스템이 운전불능인 경우 DNBR 정상운전제한치에 대한 감시기능도 자동화할 수 있게 된다.The integrated reactor thermal protection system configured in this way provides the operator with the reactor power and coolant flow rate calculated in real time to automate the calibration of reactor power and coolant flow to improve operator connectivity. In addition, monitoring of DNBR normal operating limits can be automated if the core monitoring system is inoperable.

따라서, 본 발명에 따른 디지털 원자로 열적보호시스템에 의하면, 기존의 제어봉연산기(CEAC)와 노심보호연산기(CPC)를 이용해 결합함으로써 시스템의 단순화를 꾀할 수 있으며 연결시스템의 단일고장으로 인한 원자로정지 가능성을 대폭 줄일 수 있게 된다.Therefore, according to the digital reactor thermal protection system according to the present invention, by combining the existing control rod operator (CEAC) and the core protection operator (CPC) can simplify the system and the possibility of reactor shutdown due to a single failure of the connection system It can be greatly reduced.

또한, 원자로 주요 운전변수인 DNBR 계산방법을 최적화함으로써 원자로의 열적여유도를 증가시켜 원자로 운전여유도와 핵연료설계 여유도를 증가시키고 나아가서 원자로출력을 증대시킬 수 있는 기반을 확보할 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 모든 보조정지 인자들의 예비정지 경보기능을 추가하여 원자로 운전원이 불필요한 원자로정지를 막기 위한 조치를 취할 수 있게 되며, 원자로 운전원과의 연계기능을 자동화하여 운전원의 실수와 부담을 줄임으로써 발전소성능을 향상 시킬 수 있게 된다.In addition, by optimizing the DNBR calculation method, which is a major operating variable of the reactor, it is possible to increase the thermal margin of the reactor, thereby increasing the reactor margin and nuclear fuel design margin, and securing a foundation for increasing the reactor output. In addition, by adding a preliminary stop alarm function of all auxiliary stop factors, the reactor operator can take measures to prevent unnecessary reactor shutdowns.Automated linkage with the reactor operator reduces the operator's mistakes and burdens. Will be able to improve.

본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만 특허청구 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.Although the present invention has been shown and described with respect to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims. It will be easy to see.

Claims (6)

개별 제어봉 위치신호를 처리한 제어봉위치 편차에 대한 정보에 따라, 노심 운전조건에 대한 계측신호를 이용하여 최소 핵비등이탈률(DNBR)과 최대 핵연료봉 선출력밀도(LPD)를 실시간으로 계산하여 각각의 설계제한치를 위반한 때 원자로 정지신호를 발생시키도록 되어 있는 디지털 컴퓨터를 이용한 루프형 가압경수로용 실시간 원자로보호시스템에 있어서,According to the information on the control rod position deviation processing individual control rod position signals, the minimum nuclear breakaway rate (DNBR) and the maximum fuel rod linear power density (LPD) are calculated in real time using the measurement signals for the core operating conditions. In a real-time reactor protection system for a loop-type pressurized water reactor using a digital computer that generates a reactor stop signal when a design limit is violated, 노심보호연산기(CPC)와 제어봉연산기(CEAC)의 기능을 하나로 통합하여 상기 DNBR과 LPD 등의 주요 노심운전 인자들을 실시간으로 계산하는 CPU(15), 노심유량과 노심출력 보정 및 노심 DNBR 운전제한치 감시 등 운전원 연계 기능을 위한 계산을 수행하는 보조연산장치모듈(30), 계측기 입력신호를 처리하고 주요 실시간 계산결과를 유지보수시험대(27;MTP)와 운전원모듈(28;OM) 및 발전소 경보시스템으로 전송하는 공통 및 입출력모듈(31) 로 이루어진 복수의 통합형 실시간 열적보호기(10,11,12,13;ITOP)와;CPU 15, which calculates the core operating parameters such as DNBR and LPD in real time by integrating the functions of core protection operator (CPC) and control rod operator (CEAC) into one, core flow and core output correction, and core DNBR operation limit monitoring Auxiliary operation unit module 30, which performs calculations for operator linkage functions, processes instrument input signals, and sends the main real-time calculation results to maintenance test benches (27; MTP), operator modules (28; OM), and power plant alarm systems. A plurality of integrated real-time thermal protectors (10, 11, 12, 13; ITOP) comprising a common and input / output module (31) for transmitting; 상기 통합형 실시간 열적보호기(10,11,12,13)의 각 채널에서 실시간으로 계산된 노심운전 정보를 인트라 채널네트워크를 통해 전달 받아 운전원으로 하여금 노심운전 정보를 실시간으로 관측할 수 있도록 하는 유지보수시험대(27;MTP) 및 운전원모듈(28;OM)과;Maintenance test bench that allows the operator to observe the core operation information in real time by receiving the core operation information calculated in real time in each channel of the integrated real-time thermal protector (10, 11, 12, 13) through the intra channel network An MTP 27 and an operator module 28 OM; 상기 유지보수시험대(27)로부터 전달 받은 제어봉위치 정보를 제어봉의 노내 삽입 상태를 나타내는 그림 정보로 운전원에게 표시하는 제어봉위치표시장치(29;CEAPD)와; 로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템.A control rod position display device (CEAPD) 29 for displaying the control rod position information received from the maintenance test bench 27 to the operator as picture information indicating an insertion state of the control rod; Integrated real-time reactor thermal protection system, characterized in that consisting of. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 각각의 통합형 실시간 열적보호기(10,11,12,13)는 계측된 냉각수 펌프 공급전원 주파수와 입력전류 신호를 이용해 노심유량을 계산하여 원자로출력분포합성 모듈(23)과 DNBR 계산 모듈(24)로 전송하고, 복합기능 모듈(25)로부터 최소 DNBR과 최대 LPD 값을 입력받아 노심유량 변화에 따른 보정계산을 수행하여 원자로정지신호처리 모듈(26)로 수정된 최소 DNBR과 최대 LPD 값을 전송하는 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21;Core Flow,CFLOW);Each of the integrated real-time thermal protector (10, 11, 12, 13) calculates the core flow rate using the measured cooling water pump supply power frequency and input current signal to the reactor output distribution synthesis module (23) and DNBR calculation module (24) Transmits the modified minimum DNBR and the maximum LPD value to the reactor stop signal processing module 26 by performing the correction calculation according to the core flow rate change by receiving the minimum DNBR and the maximum LPD value from the composite function module 25. A reactor coolant flow calculation module 21 (Core Flow, CFLOW); 개별 제어봉위치 신호를 처리하여 위치편차에 따른 DNBR과 LPD 페널티 인자를 계산하고, 제어봉위치 편차에 의한 DNBR과 LPD 페널티 인자를 복합기능 모듈(25)로 전달하고 각각의 목표 제어봉위치 정보를 원자로 출력분포 합성모듈(23)로 전달하는 제어봉 연산기능 모듈(22;CEA Deviation,CRDEV);Calculate DNBR and LPD penalty factors according to position deviations by processing individual control rod position signals, transfer DNBR and LPD penalty factors due to control rod position deviations to the composite function module 25, and distribute the target control rod position information to the reactor output distribution. A control rod arithmetic function module 22 (CEA Deviation, CRDEV) which is transmitted to the synthesis module 23; 상기 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21)에서 계산된 노심유량과 복합기능 모듈(25)에서 전달된 노외핵계측기 신호를 이용하여 노심 축방향 및 반경방향 출력분포를 합성하여 합성한 노심 축방향 및 반경방향 출력분포를 실시간으로 DNBR 계산 모듈(24)과 복합기능 모듈(25)로 전달하는 원자로 출력분포 합성모듈(23;Core Power Distribution,CPWRD);Core axial and radial directions synthesized by synthesizing the core axial and radial output distributions using the core flow rate calculated by the reactor coolant flow rate calculation module 21 and the core nuclear instrument signal transmitted from the composite function module 25. Reactor output distribution synthesis module 23 for delivering the output distribution to the DNBR calculation module 24 and the composite function module 25 in real time (Core Power Distribution, CPWRD); 상기 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21)에서 계산된 노심유량과 상기 원자로출력분포 합성모듈(23)에서 합성된 노심 출력분포를 이용해 상세 DNBR 계산을 수행하여 복합기능모듈(25)로 전달하는 DNBR 계산 모듈(24;Static DNBR, SDNBR);DNBR calculation module for performing detailed DNBR calculation using the core flow rate calculated in the reactor coolant flow rate calculation module 21 and the core output distribution synthesized in the reactor output distribution synthesis module 23 to transfer to the composite function module 25. (24; Static DNBR, SDNBR); 다양한 계측기 입력신호와 노심 출력분포 관련 정보를 이용하여 노심출력을 계산하고 수시로 변하는 원자로 운전조건을 반영하여 DNBR과 LPD를 짧은 시간간격으로 계산하는 복합기능 모듈(25;Update Variable,UPDVAR); 및A complex function module (25; Update Variable, UPDVAR) that calculates core output using various instrument input signals and core output distribution related information and calculates DNBR and LPD at short time intervals to reflect the reactor operating conditions that change frequently; And 상기 DNBR과 LPD의 원자로 정지신호 및 보조 정지신호의 발생여부를 결정하고 상기 DNBR과 LPD의 예비 정지신호를 처리하여 필요시 경보를 발생시키는 원자로 정지신호처리 모듈(26;Trip Generation, TRPGEN)로 구성된 제어모듈부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템.A reactor stop signal processing module 26 (Trip Generation, TRPGEN) is configured to determine whether to generate the reactor stop signal and the auxiliary stop signal of the DNBR and LPD and to generate an alarm when necessary by processing the preliminary stop signal of the DNBR and LPD. Integrated real-time reactor thermal protection system comprising a control module. 제2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 DNBR 계산 모듈(24,SDNBR)은 그룹수로(43)와 수로(42) 사이에 경계수로(2',2")를 설정한 상세 4-수로 해석모델을 이용하여 최적 DNBR 계산을 실시간으로 수행할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 통합형 실시간 원자로 열적 보호시스템.The DNBR calculation module 24 and SDNBR perform real-time optimal DNBR calculation using a detailed 4-channel analysis model in which boundary channels 2 'and 2 "are set between the group channel 43 and the channel 42. Integrated real-time reactor thermal protection system, characterized in that it can be performed by. 제2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 복합기능 모듈(25)은 가변 과출력정지, 비대칭 증기발생기 과도상태 방지 및 허용 운전범위 위반 방지 등을 위한 관련 보조정지 인자들을 계산하여 각각의 원자로정지 제한치와 비교함으로써 예비정지 경보를 발하도록 되어 있는 경보모듈을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 디지털 실시간 원자로 열적보호시스템.The composite function module 25 is configured to issue a preliminary stop alarm by calculating the relevant auxiliary stop factors for variable overpower stop, asymmetric steam generator transient protection and permissible operating range violation, and comparing them with the respective reactor stop limits. Digital real-time reactor thermal protection system, characterized in that it comprises an alarm module. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 보조연산장치모듈(30)은 상기 원자로 냉각수 유량계산 모듈(21)의 노심유량과 복합기능 모듈(25)의 노심출력의 보정상수를 자동으로 계산하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 디지털 실시간 원자로 열적보호시스템.The auxiliary operation module 30 is configured to automatically calculate the correction constant of the core flow rate of the reactor coolant flow rate calculation module 21 and the core output of the composite function module 25, the digital real-time reactor thermal protection system. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 보조연산장치모듈(30)은 DNBR 운전제한치를 감시하기 위해 복합기능모듈(25)에서 실시간으로 계산된 최소 DNBR과 미리 설정된 DNBR 운전제한치의 비교를 자동으로 수행할 수 있는 감시장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 디지털 실시간 원자로 열적보호시스템.The auxiliary operation module 30 is provided with a monitoring device that can automatically perform comparison of the minimum DNBR calculated in real time in the composite function module 25 and the preset DNBR operating limit value in order to monitor the DNBR operating limit value. Digital real-time reactor thermal protection system, characterized in that.
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