KR20090119163A - 원자로의 고정형 계측기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로 내에 고정적으로 장착되어 원자로 출력분포와 비례적으로 변하는 중성자 혹은 감마선을 측정하는 원자로의 고정형 계측기에 관한 것으로서, 원자로 내에 설치되는 로듐 계측기, 백금 계측기 및 바나듐 계측기를 다중 중첩구조로 구현하되, 전장 계측기와 서로 다른 길이의 부분장 계측기를 일정하게 중첩되도록 구현하며, 그 위치 및 길이를 고장에 대응 가능한 전류값 측정 로직으로 구성하여 단일 계측기 고장시 동일 채널의 중첩 계측기 신호를 이용하여 고장난 계측기가 위치한 영역의 출력분포를 생성함으로써, 원자로의 고정형 계측기 출력신호의 신호대 잡음비를 증가시키고, 계측기의 고장 유무를 자가 진단 가능하며, 노심 보호/감시 계통의 신뢰성과 정확성을 향상시킬 수 있는 원자로의 고정형 계측기에 관한 것이다.

원자로, 계측기, 로듐, 바나듐, 백금, 에미터, 전장 계측기, 부분장 계측기, 중첩구조

Description

원자로의 고정형 계측기{Fixed In-core Detectors in PWRs}

본 발명은 원자로의 고정형 계측기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자로의 안전성을 감시/보장하는 시스템인 노심보호 및 감시계통에 사용되는 계측기의 정확도 및 신뢰도를 제고하여 노심 안전성을 증진시켜, 일부 계측기의 고장에도 불구하고 정확한 중성자속을 측정할 수 있는 원자로의 고정형 계측기에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력 발전소의 설계자는 핵연료가 견딜 수 있는 최대 허용출력을 미리 계산하여 최대 허용출력에 관한 정보를 운전원에게 제공하고, 상기한 정보를 제공받은 운전원은 최대 허용출력을 넘지 않도록 운전함으로써 핵연료의 건전성이 유지되도록 한다.

상기한 최대 허용출력을 계산하기 위해서는 원자로 노심 내의 중성자 출력분포를 정확히 측정해야 하며, 이와 같이 원자로 노심 내의 중성자 출력분포를 정확히 측정하는 것은 원자로의 안정성 확보에 있어서 매우 중요하다.

이와 같이, 원자로의 안정성 확보를 위하여 원자로 노심 내의 중성자 출력분 포를 측정하는 원자로의 고정형 계측기는 도 2에 도시된 바와 같이, 계측기집합체(1)와 기타 지지 구조물(2), 케이블(3), 컨넥터(4), 신호 측정 및 처리 장비들(5)로 구성되어 있다.

일반적으로 발전용 원자로의 노심 내 중성자속을 측정하기 위한 원자로의 고정형 계측기에는 로듐(Rh-103), 바나듐(V-51), 백금(Pt-195) 등이 에미터 재료로서 이용되고 있다.

첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 한국표준형 원전의 경우 전체 177개의 핵연료 집합체 중 반경 방향으로 45개의 핵연료 집합체에 계측기집합체가 설치되며, 각각의 계측기집합체는 핵연료 집합체의 중심부에 위치하고 있다.

첨부한 도 4에 도시된 바와 같이, 축방향으로 동일한 길이의 로듐 계측기가 5개씩 설치되어 있다.

상기 로듐 계측기는 핵분열성 물질에서 발생하여 계측기 내로 입사하는 중성자가 그 로듐 계측기 내에 에미터로 존재하는 로듐 동위원소와 반응하여 베타입자를 방출하고 중성자속에 비례한 전류가 발생한다.

로듐은 열중성자에 대하여 높은 흡수단면적을 가져 계측 신호의 특성이 양호한 반면, 중성자와 반응하여 지속적으로 로듐이 연소되므로 로듐 계측기 에미터로 부터 나오는 중성자속당 신호출력을 감소시키게 되는 바, 로듐 계측기 신호가 계속 감소함에 따라 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio)가 감소되어 정확한 출력분포 측정이 불가능하게 된다.

따라서, 출력 분포 측정이 불가능한 시점까지 도달하게 되면 로듐 계측기가 교체되어야 한다.

현재 사용되고 있는 로듐 원자로의 계측기의 수명은 2~3주기(3~5년)에 불과하다. 따라서 매 주기 15~20개를 교체해야 하기 때문에 막대한 교체비용을 유발하고 있다.

또한, 교체주기 전에 계측기의 성능이 현저하게 나빠져서 오작동 신호를 발생하더라도 핵설계 프로그램이 예측한 값과 비교하여 실제 측정값과 예측값이 15%이상의 차이를 보일 때까지 측정신호를 노심 감시의 출력분포 분석에 사용되는 문제점이 발생하게 된다.

이는 로듐 계측기의 오작동으로 인하여 정상 출력보다 높게 측정된 중성자속 오신호의 경우 해당 계측기 위치 인근의 국부 출력분포를 높게 평가하게 하여 발전소 운전 여유도를 감소시키게 된다.

따라서, 핵설계 프로그램의 실제 측정값이 예측한 값과 비교하여 15% 이상의 차이를 보이게 될 경우, 계측기를 고장 처리하여 출력분포 평가에서 제외하게 되지만 발전소 예방 정지까지 교체가 불가능하게 되어 고장난 계측기 위치의 출력분포 정보를 제공할 수 없게 되는 문제점이 있다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 로듐 계측기의 수명을 연장하고자 에미터 물질을 백금 및 바나듐을 포함한 원자로의 계측기를 대상으로 개시하여 계측기의 수량, 길이 및 배치를 최적화함으로써, 로듐 계측기가 가지는 문제점을 해결하고자 한 바, 미국 웨스팅하우스사는 도 5에 도시된 바와 같이, 로듐 계측기의 신호 지연성을 해결하고자 백금 에미터를 이용한 5개의 백금 계측기와 바 나듐 에미터를 이용한 1개의 바나듐 계측기로 구성하였으며, 백금 에미터의 길이를 순차적으로 증가시켜 백금 계측기의 신호 길이를 증가시키는 파셀(PARSSEL) 계측기를 발명하였다.

즉, 로듐에 비하여 낮은 중성자 흡수 단면적을 가지는 백금(24barns)과 바나듐(5barns)을 사용하여, 중성자 반응에 의한 계측기 에미터 물질의 연소를 줄여 수명을 연장한 것이다.

이때, 길이가 가장 긴 백금과 바나듐 계측기의 길이는 약 345cm이며, 가장 짧은 백금 계측기의 길이는 약 90cm이다.

그러나, 상기의 백금과 바나듐의 낮은 중성자 흡수단면적으로 인하여 중성자 계측기의 신호 길이가 작은 문제점을 발견한 바, 또한 미국 웨스팅하우스사는 도 6에 도시된 바와 같이, 바나듐 계측기의 낮은 출력신호 문제점을 해결하기 위하여 동일 채널에 장입되는 5개의 바나듐 계측기의 축방향 길이를 노심 전장부터 단계적으로 축소되도록 설계하며, 인접하여 중첩된 계측기 신호를 단계적으로 차감하여 축방향 출력분포를 구하는 오파셀(OPARSSEL) 계측기를 발명하였다.

상기의 미국 웨스팅하우스사가 개시한 PARSSEL과 OPARSSEL 계측기에서, 그 중첩되는 구조는 4~5개의 바나듐 혹은 백금 계측기 중, 하나의 계측기 고장이 발생하게 될 경우, 동일 채널의 축방향에 위치한 다른 계측기의 신호를 사용할 수 없게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 1개의 계측기에서 고장이 발생하더라도 정확한 출력분포를 재구성할 수 있도록 원자로의 고정형 계측기의 중첩구조를 개선하되, 그 원통형 원자로 내에 설치하는 계측기집합체 내 다수개의 계측기 길이방향의 중첩위치를 적절히 결정하고, 고장에 대응 가능한 전류값 측정 로직으로 구성된 원자로의 고정형 계측기를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원자로의 고정형 계측기에 있어서,

150인치의 길이로 이루어진 단일개의 전장 계측기(10)와, 4개의 60인치의 길이로 이루어진 것과, 1개의 90인치로 이루어진 것으로 구성된 부분장 계측기(20,30)를 포함하되, 상기 부분장 계측기(20)는 상측을 기준으로 30인치씩 중첩되게 하방으로 설치되고, 그 측부에 90인치의 부분장 계측기(30)가 상측을 기준으로 30인치 이격된 위치에 설치되며, 상기 90인치의 부분장 계측기(30)와 대응되는 위치에 설치되는 동시에 상기 60인치의 부분장 계측기(20)의 측부에 1개의 전장 계측기(10)가 설치되어 서로 중첩구조를 이루는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 계측기(10~30)는 그 설치 위치와 길이에 따라 축 방향으로 일정 간격으로 설치된 5개의 길이방향 출력(p1, p2, p3, p4, p5)(40)을 측정하도록 구성된 것이 바람직하다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 원자로의 고정형 계측기에 의하면, 원자로의 고정형 계측기에 대한 출력신호의 신호대 잡음비를 증가시키고, 계측기의 고장 유무를 자가 진단하는 기능을 가지며, 단일 계측기 고장시 동일 채널의 중첩 계측기 신호를 이용하여 고장난 계측기가 위치한 영역의 출력분포를 생성하여 노심 보호/감시 계통의 신뢰성과 정확성을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 원자로의 고정형 계측기를 나타내는 구성도이다.

본 발명에 따른 기술적 구성은, 원통형 원자로 내에 설치하는 계측기집합체 내에 위치한 다수의 계측기 길이방향의 중첩위치를 적절히 결정하고, 고장에 대응 가능한 전류값 측정 로직으로 구성하는데 그 주안점이 있다.

본 발명은 계측기의 신호 크기를 증가시킬 목적으로 계측기의 길이를 기존 로듐 계측기 보다 최소 2배~최대 5배로 구성된다.

즉, 상기 계측기의 길이가 최소 2배 미만이면 계측기의 신호 크기를 증가시킬 수 없으며, 상기 계측기의 길이가 최대 5배를 초과하게 되면 계측기집합체의 용량이 한정되어 있어 바람직하지 않게 된다.

본 발명은 계측기의 자가 고장진단을 위한 로직을 구현하는 동시에, 동일 채널 내의 단일 계측기 고장 발생시에도 출력분포 측정이 가능하도록 다중 중첩구조를 갖도록 구성된다.

첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 원자로 노심 내 계측기의 길이방향 중첩위치의 구성은, 전장 계측기(a)(10)와 각 부분장 계측기(b,c,d,e,f)(20,30)와, 5개로 이루어진 길이방향 출력(p1, p2, p3, p4, p5)(40)으로 구성된다.

이때, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서의 전장 계측기(10)는 150인치의 길이를 갖는 단일개로 이루어지고, 부분장 계측기(20,30)는 4개의 60인치의 길이로 이루어진 것과, 1개의 90인치로 이루어진 것으로 구성된다.

즉, 단일개의 계측기집합체 내에 60인치의 부분장 계측기(20)는 상측을 기준으로 30인치씩 중첩되게 하방으로 설치되고, 그 측부에 90인치의 부분장 계측기(30)는 상측을 기준으로 30인치 이격된 위치에 설치되며, 상기 90인치의 부분장 계측기(30)와 대응되는 위치에 설치되는 동시에 상기 60인치의 부분장 계측기(20)의 측부에 1개의 전장 계측기(10)가 설치된다.

상기 계측기집합체 내에 위치한 상기한 각각의 계측기(10~30)는 그 설치 위치와 길이에 따라 상측에서 하방으로, 즉 축방향으로 일정 간격으로 설치된 5개의 길이방향 출력(p1, p2, p3, p4, p5)(40)을 측정하게 된다.

이하, 수식 상의 각 계측기 a,b,c,d,e,f(10~30)는 각각의 계측기 엘리먼트의 전류값 측정치를 의미하며, 출력(40) p1, p2, p3, p4, p5는 전류값 측정치를 이용하여 계산된 출력을 의미한다.

수학식 1은 각 계측기에 대한 엘리먼트의 전류값과 출력 계산치가 구성하고 있는 관계식이다.

a = p1 + p2 + p3 + p4 + p5

b = p1 + p2

c = p2 + p3

d = p3 + p4

e = p4 + p5

f = p2 + p3 + p4

상기 계측기집합체 내의 축방향 출력분포(p1, p2, p3, p4, p5)는 전장 계측기(a)(10)와 각 부분장 계측기(b,c,d,e,f)(20,30) 신호의 사칙연산으로 구하여진다.

수학식 2는 정상 측정 상태(즉, a가 건전하며 f는 출력 측정에 사용하지 않는다.)로서, 이 경우 f를 사용하지 않고 p1~p5의 출력분포 계산이 가능하다.

p1 = a - c - e

p2 = f - d

p3 = a - b - e

p4 = f - c

p5 = a - b - d

상기 계측기집합체 내의 적어도 1개의 계측기가 고장 상태인 상태(수학식 3a~수학식 3d)에 대하여 고장 상태인 계측기를 사용하지 않고도 계측기집합체 내의 축방향 출력분포(p1, p2, p3, p4, p5)를 계산할 수 있다.

계측기 b가 고장인 경우

p1 = a - c - e

p2 = f - d

p3 = d - f + c

p4 = f - c

p5 = c + e - f

계측기 c가 고장인 경우

p1 = b + d - f

p2 = f - d

p3 = a - b - e

p4 = e - a + b + d

p5 = a - b - d

계측기 d가 고장인 경우

p1 = a - c - e

p2 = c - a + b + e

p3 = a - b - e

p4 = f - c

p5 = c + e - f

계측기 e가 고장인 경우

p1 = b + d - f

p2 = f - d

p3 = d + c - f

p4 = f - c

p5 = a - b - d

상기 계측기집합체 내에는 60인치의 부분장 계측기(i=b,c,d,e)(20)중 단일 계측기 i의 고장 여부를 판정할 수 있다.

즉, 계측기 i의 고장을 가정한 상기 수학식 3a, 수학식 3b, 수학식 3c, 수학식 3d의 계산 결과로 구한 (p1+p2+p3+p4+p5)값 중, 전장 계측기 a(10)의 전류값과 같은 경우가 있다면 계측기 i를 사용하지 않은 경우이므로 해당 계측기가 고장이라 판정할 수 있다.

또한, 수학식 3a, 수학식 3b, 수학식 3c, 수학식 3d의 계산결과로 구한 (p1+p2+p3+p4+p5)값 중, 전장 계측기 a(10)의 전류값과 같은 경우가 없다면 1개 이상의 계측기가 고장인 경우이므로 전체 계측기집합체를 고장으로 판정할 수 있다.

다시 말해서, 계측기 d가 고장인 경우인 수학식 3c를 제외한 수학식 3a, 수학식 3b, 수학식 3d는 전장 계측기 a(10)와 동일하지 않아 계측기가 고장인 것으로 판정하고, 수학식 3c만이 상기 전장 계측기 a(10)과 동일하게 되는 것을 의미하게 된다.

이는 계측기 d를 사용하지 않은 경우이므로 해당 계측기인 d가 고장이라는 것을 의미하게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 원자로 내의 전장 계측기(10)와 서로 다른 길이를 가지는 동시에, 서로 다른 위치에 설치된 부분장 계측기(20,30)를 일정하게 중첩되도록 구현하되, 그 위치 및 길이를 상대적으로 도출할 수 있도록 구성하여 단일 계측기 고장시 동일 채널의 중첩 계측기 신호를 이용하여 고장난 계측기가 위치한 영역의 출력분포를 생성함으로써, 원자로의 고정형 계측기 출력신호의 신호대 잡음비를 증가시키고, 계측기의 고장 유무를 자가 진단 가능하며, 노심 보호/감시 계통의 신뢰성과 정확성을 향상시킬 수 있는 새로운 원자로의 고정형 계측기이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 원자로의 고정형 계측기를 나타내는 구성도,

도 2는 종래의 원자로의 고정형 계측 시스템을 나타내는 구성도,

도 3은 종래의 원자로의 고정형 계측기에 대한 반경방향 위치를 나타내는 도면,

도 4는 종래의 원자로의 고정형 계측기에 대한 축방향 위치를 나타내는 도면,

도 5는 종래의 PARSSEL 계측기를 나타내는 도면,

도 6은 종래의 OPARSSEL 계측기를 나타내는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 전장 계측기(150인치) 20 : 부분장 계측기(60인치)

30 : 부분장 계측기(90인치) 40 : 출력

Claims (4)

1. 원자로의 고정형 계측기에 있어서,

   150인치의 길이로 이루어진 단일개의 전장 계측기(10)와, 4개의 60인치의 길이로 이루어진 것과, 1개의 90인치로 이루어진 것으로 구성된 부분장 계측기(20,30)를 포함하되, 상기 부분장 계측기(20)는 상측을 기준으로 30인치씩 중첩되게 하방으로 설치되고, 그 측부에 90인치의 부분장 계측기(30)가 상측을 기준으로 30인치 이격된 위치에 설치되며, 상기 90인치의 부분장 계측기(30)와 대응되는 위치에 설치되는 동시에 상기 60인치의 부분장 계측기(20)의 측부에 1개의 전장 계측기(10)가 설치되어 서로 중첩구조를 이루는 것을 특징으로 하는 원자로의 고정형 계측기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 계측기(10~30)는 그 설치 위치와 길이에 따라 축방향으로 일정 간격으로 설치된 5개의 길이방향 출력(p1, p2, p3, p4, p5)(40)을 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 원자로의 고정형 계측기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 계측기(10~30)는 그 에미터가 로듐, 바나듐, 백금 중, 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자로의 고정형 계측기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 계측기(10~30)의 엘리먼트의 전류값과 출력(40) 계산치는 아래의 수학식 1로 결정됨을 특징으로 하는 원자로의 고정형 계측기.

   수학식 1

   a = p1 + p2 + p3 + p4 + p5

   b = p1 + p2

   c = p2 + p3

   d = p3 + p4

   e = p4 + p5

   f = p2 + p3 + p4

   여기서, a,b,c,d,e,f는 계측기 엘리먼트의 전류값 측정치p1, p2, p3, p4, p5는 전류값 측정치에서 도출된 출력값

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