KR20100004572U - 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체 - Google Patents

장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체 Download PDF

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Abstract

본 고안은 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체에 관한 것으로, 그 구성은 핵연료의 상태를 감지하게 하는 백금(Pt-solid) 계측기, 바나듐(Vanadium) 계측기 및 백그라운드(Background) 중성자 계측기;를 포함하며, 상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 중성자 계측기는 하우징 내에 일체로 구비되어 각각의 동축케이블이 하나의 커넥터에 의해 외부와 연결되게 한다.
Figure P2020080014201
가압중수로, 백금 계측기, 바나듐 계측기, 인코넬 690, 산화알루미늄

Description

장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체{EXTENDED LIFE AND REAL-TIME IN CORE NEUTRON DETECTOR ASSEMBLY}
본 고안은 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일체형 백금, 바나듐 및 백그라운드 계측기의 적용을 통하여 노심 내 중성자속 감시의 성능과 신뢰도를 향상시키고, 계측기의 절연체와 피복관의 재질변경으로 계측기 조립체의 신뢰도 및 성능향상과 수명의 연장이 가능한 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체를 제공한다.
일반적으로 원자로에는 원자로 노심의 특정 지점에서 중성자 선속(neutron flux)을 주기적으로 및 원격 방식으로 측정하는 장치가 구비되어 있다. 다양한 유형의 방사선(주로, 중성자와 감마선) 측정을 위해서 계측 계기와 센서가 원자력 발전소에 설치된다. 이외에도, 예를 들면 온도, 압력, 유량, 등과 같은 공정 파라미터(process parameter)를 측정하기 위해서 비핵(non-nuclear) 계측 장치가 설치된다. 각각의 계측기는 타 단부에 센서, 신호 전송라인, 증폭기, 또는 다른 전자장치, 및 계량기, 지시기, 및 기록기를 포함하는 채널의 일부분이다. 측정된 파라미터는 그 유형과 중요도에 따라 다양한 방법으로 전달될 수 있다.
노심 내 계측장치는 노심 내부 출력 레벨의 보다 상세한 화상(picture)을 제공하기 위해 사용된다. 원자로의 국부적인 출력 밀도는 다수의 이와 같은 노심 내 탐지기의 사용에 의해서 종종 측정되는데, 이들 탐지기 각각은 계측기를 핵연료 집합체로 통과하도록 안내하는 가이드 튜브에 삽입된다. 함께, 계측기와 가이드 튜브는 전형적으로 노심 내 계측기 또는 계측기 조립체라 지칭된다. 노심 내 계측기(ICI; in-core instrument)는 매우 높은 수준의 방사선에 노출된다. 이러한 방사능은 소모된 계측기를 처리해야할 때, 보통 원자로의 연료 공급을 위한 작동 정지 중에 ICI 튜브와 계측기를 취급하는 것을 매우 위험하게 만든다. 노심 내 계측기는 연료의 부적절한 장전(misloading)을 탐지하기 위해서 뿐만 아니라, 노심의 출력 최대값(peak)과 노심의 출력 틸트(tilt)를 제어하고 이를 감시하는 기능을 위해서 사용된다. 특히, ICI는 이와 같이 계산된 각종 수치(quantity)의 불확정 값이 미국 원자력 규제 위원회(USNRC; United States Nuclear Regulatory Commission)에 의해 발전소에 인가된 한계치 내에 있도록 각 작동 주기 동안에 노심 출력 최대값과 노심 출력 틸트를 결정할 수 있어야 한다. 또한, ICI는 각 작동 주기의 시작 시점에 노심 내의 임의의 핵연료 집합체의 부적절한 장전을 탐지할 수 있어야 한다.
가압중수로의 원자로(Calandria)에는 완만한 제어상실 사고 또는 노심내 국부 과출력(ROP) 발생 시 핵연료의 손상을 보호하기 위하여 자기출력형 백금-피복 (Pt-clad) 인코넬(Inconel) 계측기가 설치되어 있다.
백금-피복 인코넬 계측기는 즉발응답의 특성으로 인하여 원자로 제어 및 보 호계통에 주로 사용되는데, 도 1을 참조하여 종래의 백금-피복 인코넬 계측기를 자세히 살펴본다.
종래의 백금-피복 인코넬 계측기(100)는 집전자 전극을 구성하는 외부의 피복관(110)과 절연체(120)내부의 방사체전극(130)과 백금피복재(140) 신호전달을 위한 동축케이블(150)로 구성된다. 상기의 집전자 전극을 구성하고 있는 계측기 케이블의 외부 피복관(110)은 원자로급 인코넬 600(니켈(Ni) 79%, 크롬(Cr) 15.5%, 철(Fe) 8% 합금)으로 제작되었으며, 그 외경은 3.0㎜이다. 또한, 절연체(120)는 94.4% 순도의 산화마그네슘(MgO)으로 채우는데, 강한 방사선장하에서 훌륭한 절연 특성과 낮은 잡음 특성 때문이다. 백금-피복 인코넬 계측기의 방사체(130) 부분은 백금의 얇은 피복재(0.05㎜ 두께)(140)로 싸여진 인코넬 선으로 구성되어 있다. 방사체(130)의 길이는 3 lattice pitch(857㎜)이다. 이것은 일정영역의 국부적 중성자속 천이(local flux perturbation)를 완만하게 하고, 연료장전 효과에 대한 계측기의 민감성을 낮추게 한다. 방사체부분은 직경 1.12mm 금속보호관(mineral insulated) cable 내에 있는 0.25mm 직경의 인코넬 600 동축케이블(coaxial cable)(150)과 연결된다.
인코넬(Inconel)이란 니켈을 주체로 하여 15%의 크롬, 6～7%의 철, 2.5%의 티탄, 1% 이하의 알루미늄망간규소를 첨가한 내열합금으로 내열성이 좋고, 900℃ 이상의 산화기류(酸化氣流) 속에서도 산화하지 않고, 황을 함유한 대기에도 침지되지 않는다. 신장(伸長)인장강도항복점(降伏點) 등 여러 성질도 600℃ 정도까지 대부분 변화하지 않는 등 기계적 성질에 우수하며, 유기물염류용액에 대해서도 부식 하지 않는다. 또한, 고온 내열 설비에 우수한 강재특성을 지내고 있으며 주 사용용도를 보면 열처리로, 초고온 전기로, 세라믹 소성로, 연구소 시험로, 진공로, 공업로, 보일러 등 내열을 요구하는 설비 등에 사용되고 있다.
백금 계측기는 노심내 중성자속 및 방사선속에 반응한다. 정상상태의 주어진 노심구조에 대하여 중성자속과 감마선속은 서로 비례하며 둘 다 핵분열율 또는 원자로 출력과 관계가 있다. 방사선속에 대한 백금계측기의 반응은 거의 모두 즉발로 반응하지만 원자로내의 감마 신호는 핵분열 생성물에 의한 β-반응으로 부분적으로 지연되며(약 30%) 출력변동에 따라 계측기는 약 90%가 즉발로 반응한다.
피복관과 방사체 역할을 하는 인코넬도 중성자 민감도에 중요한 요소로 작용한다. 인코넬의 중성자 흡수단면적이 5barn으로 비교적 작아 연소가 느리다는 측면에서는 좋은 점이 있지만, 백금의 흡수단면적은 27barn으로 계측기의 연소를 지배하고 있다는 점에서는 그다지 좋다고 할 수 없다. 즉, 중성자 신호의 약 50%가 백금의 경우는 4년 안에 연소되는 반면, 인코넬의 경우는 22년이 소요된다. 또한 연소에 따른 민감도는 15% 감소에 약 5년이 소요되며 30% 감소에 약 15년이 소요되는 것으로 예상하고 있으며, 80%의 즉발분율로 초기 민감도의 약 60% 정도 되면 계측기의 수명이 다 한 것으로 고려하고 있다.
앞서 설명 바와 같이 백금-피복 인코넬 계측기는 백금과 인코넬의 연소속도 차이로 인한 제한적인 계측기 수명(약 8～10년)과 보정절차 없이 사용되는 백금신호로 인한 계측기 신뢰도에 문제가 있다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 일체형 백금, 바나듐 및 백그라운드 계측기의 적용을 통하여 노심 내 중성자속 감시의 성능과 신뢰도를 향상시키고, 계측기의 절연체와 피복관의 재질변경으로 계측기 조립체의 신뢰도 및 성능향상과 수명의 연장이 가능한 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체를 제공함에 있다.
본 고안은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 수단을 가진다.
본 고안의 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체는, 핵연료의 상태를 감지하게 하는 백금(Pt-solid) 계측기, 바나듐(Vanadium) 계측기 및 백그라운드(Background) 중성자 계측기;를 포함하며, 상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 중성자 계측기는 하우징 내에 일체로 구비되어 각각의 동축케이블이 하나의 커넥터에 의해 외부와 연결되게 한다.
또한 상기 하우징 내에는 고압 상태에서 계측기 형태 유지를 위한 필러 와이어(Filler Wire);를 더 포함하여 일체로 형성된다.
그리고 상기 커넥터에 여유분의 커넥터 핀이 추가로 형성된다.
또한 상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 백그라운드 계측기 각각의 절연체는 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진다.
그리고 상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 백그라운드 계측기의 피복관은 인코넬 690로 형성된다.
또한 상기 백금 계측기 및 바나듐 계측기는 각각 1.0mm～1.5mm 사이의 직경을 갖고 형성되게 한다.
그리고 상기 백그라운드 중성자 계측기 및 필러 와이어는 각각 0.6mm～0.9mm 사이의 직경을 갖고 형성되게 한다.
본 고안에 따르면, 일체형 백금, 바나듐 및 백그라운드 계측기의 적용을 통하여 노심 내 중성자속 감시의 성능과 신뢰도를 향상시키고, 계측기의 절연체와 피복관의 재질을 변경하여 계측기 조립체의 신뢰도 및 성능향상과 수명의 연장이 가능한 효과가 있다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 고안의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 고안의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 고안을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 종래의 백금 계측기의 구조도이며, 도 2는 본 고안의 노내 계측기 조립체를 나타내는 조립도이고, 도 3은 도 2에 도시된 백금 계측기의 단면을 나타내 는 단면도이며, 도 4는 도 2에 도시된 바나듐 계측기의 단면을 나타내는 단면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 중성자 계측기의 단면을 나타내는 단면도이며, 도 6은 도 2에 도시된 A-A 부분의 단면을 나타내는 단면도이고, 도 7은 도 2에 도시된 B-B 부분의 단면을 나타내는 단면도이다.
본 고안에 따른 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체의 전체적인 구성을 도 2 내지 도 7을 참고하여 살펴보면, 핵연료의 상태를 감지하게 하는 백금(Pt-solid) 계측기(10), 바나듐(Vanadium) 계측기(20) 및 백그라운드(Background) 중성자 계측기(30)가 하우징(2) 내에 일체로 구비되게 하고 있다.
상기 백금 계측기(10)는 집전자 전극을 구성하는 피복관(12) 내부 중앙에 방사체전극(14)이 구비되고, 상기 방사체전극 일측에서 상기 피복관 외부로 연장되어 신호를 전달하게 하는 동축케이블(15)이 구비되며, 상기 피복관(12) 내부에는 절연체(13)가 채워지게 형성된다.
상기 바나듐 계측기(20)는 집전자 전극을 구성하는 피복관(22) 내부 중앙에 방사체전극(24)이 구비되고, 상기 방사체전극 일측에서 상기 피복관 외부로 연장되어 신호를 전달하게 하는 동축케이블(25)이 구비되며, 상기 피복관(22) 내부에는 절연체(23)가 채워지게 형성된다.
상기 백그라운드 중성자 계측기(30)는 집전자 전극을 구성하는 피복관(32) 내부 일측에는 피복관 외부로 연장되어 신호를 전달하게 하는 동축케이블(34)이 구비되며, 상기 피복관(12) 내부에는 절연체(13)가 채워지게 형성된다.
그리고 노내 계측 환경이 상당히 고압 상태이기 때문에 계측기 조립체의 형태유지를 위해 도 6에 도시된 바와 같이 필러 와이어(Filler Wire)(40);를 더 구비하게 하는 것이 바람직하다. 이는 하우징 내에 일체로 구비되는 각각의 계측기(10,20,30)가 하우징 내에서 밀착되게 함으로써 변형 방지하기 위함이다.
또한 각각의 계측기(10,20,30)를 단부에서 연장된 커넥터 핀(11, 21, 31)이 외부로 일체화된 상태로 연결될 수 있게 커넥터(50)를 형성하고 있다. 예컨대 상기 커넥터(50)를 통해 하나의 연결선을 형성시킴으로써 계측기 조립체를 외부와의 연결을 쉽게 할 수 있을 뿐만 아니라 계측기 조립체의 손상시 커넥터 연결을 해지하는 것만으로도 교체할 수 있어 유지관리가 쉽게 이루어질 수 있게 된다.
그리고, 상기 커넥터(50)에 여유분의 커넥터 핀(41)이 추가로 구비되는 것이 바람직하다. 이는 커넥터(50) 내에 커넥터 핀 들 중 어느 하나가 손상되었을 때 여분의 커넥터 핀을 이용해 각각의 계측기 중 하나를 연결할 수 있게 할 수 있어 계측기 조립체 손상시 응급조치 역할을 할 수 있기 때문이다.
또한 상기 백금 계측기(10), 바나듐 계측기(20) 및 백그라운드 계측기(30)의 절연체(13, 23, 33)는 산화알루미늄(Al2O3)을 이용하는 것이 바람직하다. 이는 종래에는 상기 백금 계측기(10)와 바나듐계측기(20)의 절연체를 산화마그네슘(MgO)을 사용함으로써 계속된 중성자 조사에 의해 성능이 저하되는 이른바 절연감쇄(Insulation degradation) 현상이 발생하여 계측기의 성능뿐만 아니라 수명이 단축되는 것을 산화알루미늄(Al2O3) 통해 Insulation degradation 현상을 미연에 방지 하여 계측기의 성능향상 및 수명연장을 꾀할 수 있기 때문이다.
그리고 상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 백그라운드 계측기의 피복관은 인코넬 690로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 종래에 사용하던 인코넬 600은 부식저항성이 좋지만 계속되는 중성자 조사로 인한 수명이 약 10년 이내여서 크롬 함량을 두 배로 하여 응력부식균열성능(stress corrosion cracking capability)을 개선한 인코넬 690으로 대체함으로써 수명을 종래보다 50% 증가시킬 수 있기 때문이다.
또한 상기 백금 계측기 및 바나듐 계측기는 1.0mm～1.5mm 사이의 직경을 갖게 하고, 상기 백그라운드 중성자 계측기 및 필러 와이어는 0.6mm～0.9mm 사이의 직경을 갖게 하는데, 이는 상기 백금 및 바나듐계측기 직경을 1.0mm ~ 1.5mm 갖게 하였을 때 최적성능을 나타내며, 상기 백그라운드계측기 직경을 0.6mm～0.9mm 갖게 하였을 때 최적성능을 발휘할 수 있기 때문이다. 또한 필러의 경우 상기 각각의 계측기(10,20,30)를 고정시킬 수 있는 직경이어야 하기 때문이다.
본 고안을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1은 종래의 백금 계측기의 구조도.
도 2는 본 고안의 노내 계측기 조립체를 나타내는 조립도.
도 3은 도 2에 도시된 백금 계측기의 단면을 나타내는 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 바나듐 계측기의 단면을 나타내는 단면도.
도 5는 도 2에 도시된 중성자 계측기의 단면을 나타내는 단면도.
도 6은 도 2에 도시된 A-A 부분의 단면을 나타내는 단면도.
도 7은 도 2에 도시된 B-B 부분의 단면을 나타내는 단면도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 노내 계측기 조립체
10 : 백금계측기 11 : 커넥터 핀
12 : 피복관 14 : 방사체전극
15 : 동축케이블 20 : 바나듐계측기
21 : 커넥터 핀 22 : 피복관
24 : 방사체전극 25 : 동축케이블
30 : 백그라운드 중성자 계측기 31 : 커넥터 핀
32 : 피복관 34 : 방사체전극
40 : 필러 와이어 50 : 커넥터

Claims (7)

  1. 핵연료의 상태를 감지하게 하는 백금(Pt-solid) 계측기, 바나듐(Vanadium) 계측기 및 백그라운드(Background) 중성자 계측기;를 포함하며,
    상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 중성자 계측기는 하우징 내에 일체로 구비되어 각각의 동축케이블이 하나의 커넥터에 의해 외와 연결되게 하는 것을 특징으로 하는 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체.
  2. 제 1 항 에 있어서,
    상기 하우징 내에는 고압 상태에서 계측기 형태 유지를 위한 필러 와이어(Filler Wire);를 더 포함하여 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체.
  3. 제 1 항 에 있어서,
    상기 커넥터에 여유분의 커넥터 핀이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 백그라운드 계측기 각각의 절연체는 산 화알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 백금 계측기, 바나듐 계측기 및 백그라운드 계측기의 피복관은 인코넬 690인 것을 특징으로 하는 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체.
  6. 제 1항 에 있어서,
    상기 백금 계측기 및 바나듐 계측기는 각각 1.0mm～1.5mm 사이의 직경을 갖고 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체.
  7. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 백그라운드 중성자 계측기 및 필러 와이어는 각각 0.6mm～0.9mm 사이의 직경을 갖고 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 장수명 실시간 국부과출력보호용 노내 계측기 조립체.
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