KR20100047537A - 실시간 원자로 미임계 증배감시 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자력발전소에서 원자로의 미임계 상태를 감시하기 위하여 노외계측기 중성자 펄스신호 측정과 역계수율비 계산에 관한 것으로, 특히 원자력발전소에서 연료장전 중 주제어실에서 수동으로 측정되는 중성자계수율과 역계수율비를 자동으로 측정하고 연료장전 계속여부를 실시간으로 판단하는 장비에 관한 것이다. 본 발명은 주제어실에서 수행한 역계수율비 계산결과와 다음 연료의 장전 여부를 직통통신을 통하여 격납건물의 연료장전 담당자에게 알려주던 기존 방법과 달리, 주제어실에서 측정된 역계수율비를 통신을 이용하여 격납건물에 설치된 전광판을 통하여 연속적으로 전체 연료장전 종사자에게 전달하고 이를 근거로 현장에서 직접적으로 다음 연료의 장전 여부를 결정할 수 있어 연료장전 시간을 단축하여 발전소 이용률을 높이는 효과가 있다.
노외 계측기, 중성자계수율, 역계수율비, 중성자 증배인자

Description

실시간 원자로 미임계 증배감시 방법{On-line monitoring of sub-critical multiplication calculation in nuclear reactor}
본 발명은 원자력 발전 분야에 관한 것으로서, 특히 가압경수형 원전의 연료 장전중 원자로가 예기치 못하게 임계에 접근하는 것을 방지하도록 기동(선원)영역 노외계측기가 측정한 중성자계수율과 역계수율을 이용하여 미임계 증배를 감시하는 실시간 원자로 미임계 증배감시 방법에 관한 것이다.
모든 가압경수형 원자력발전소는 경제적 전력발전을 위하여 18개월을 주기로 전체 노심내 연료집합체의 1/3을 새로운 연료집합체로 교체한다. 이를 원자로의 연료장전이라 하며 연료의 장전위치는 핵설계사가 노심설계 및 안전해석을 통하여 결정한다. 연료집합체는 사전에 수립되어 승인된 순서에 따라, 삽입된 구성품과 함께 한다발씩 원자로 내에 장전된다. 이 순서는 노심의 기계적 손상 가능성을 가장 낮게 하고, 신뢰성 있는 노심감시를 제공하기 위해 결정된다.
도 1은 연료장전 중 직통통신 연결을 나타난 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 격납건물(주통제실) 및 연료건물(부통제실)에는 핵연료물질취급 감독자 면허소지자 및 핵연료물질취급 교육을 받은 자를 배치하고 노심변경 전담 원자로조종감 독자의 지시 및 감독 하에 연료장전 업무를 수행하도록 한다. 연료이동 기간 중 주제어실과 원자로건물, 연료건물 내의 정비원 간에 항상 직접 연락이 가능하도록 도 1과 같이 주제어실, 연료이송설비(원자로 건물, 연료건물), 사용후연료 취급기중기, 재장전기중기, 감독자에게 전화기 또는 헤드폰과 같은 통신설비를 설치하고 연료집합체 이동순서도를 설치한다.
주제어실에서는 연료 장전중 발생할 수 있는 임계접근을 방지하기 위하여 모든 발전소는 연료 장전 전에 노외계측기(excore detector) 선원영역 채널 두개로부터 중성자계수율 및 역계수율을 측정할 수 있어야 한다. 원전연료 장전 작업 중 원전연료 취급설비 및 공구 고장시에 고장 내용(전기, 기계, 계측분야 등)에 따라 해당 정비부서의 감독 및 지시 하에 신속히 복구할 수 있도록 조치한다. 연료장전 중 안전성 확보를 위하여 별도의 규제지침을 가지고 있다. 또한 원전연료 인출 및 장전 작업의 세부절차와 작업지침을 수립하여 안전하고 체계적인 재장전 작업이 수행되도록 하고 있다.
현행 절차는 연료 한 다발이 노심에 장전되어 정반응도가 삽입될 때마다 노심이 임계상태로 도달되는 것을 사전에 방지하기 위하여 크게 두가지 방법을 사용하여 미임계 증배 감시를 수행한다.
1) 단기적 임계접근 감시
장전 기중기가 연료 집합체를 노심 바닥에 내려놓았을 때 계수를 실시한다. 연료의 안전한 장전에 대한 기준은 만일 다음과 같은 일이 일어날 경우 즉시 핵연료장전 작업의 중지를 요구한다.
가) 이전 연료장전 후 측정한 중성자 계수율과 비교하여 지금 단계의 연료장전으로 인해 두개의 임시 핵계측기 채널에서 중성자계수율이 예기치 않게 두 배로 증가하거나,
나) 이전 연료장전 후 측정한 중성자 계수율과 비교하여 지금 단계의 연료장전으로 인해 어느 한 핵계측기 채널에서 중성자계수율이 다섯 배 이상으로 증가할 때.
핵연료집합체는 안정적인 계수율이 얻어질 때까지 재장전기중기로부터 분리하지 않는다.
2) 장기적 임계접근 감시
가) 최초로 연료가 노심에 장전되었을 때 초기 기준계수율 측정(Co)을 100초 간격으로 6회 측정하여 기준계수율(Co)로 설정한다.
나) 연료 장전을 위하여 장전 기중기가 연료 집합체를 노심 바닥에 내려놓았을 때마다 중성자 계수율(Ci)을 100초 간격으로 3회 측정하여 역계수율비(1/M = Co/Ci)를 계산하고 "역계수율비 그래프"에 표기한다.
다) 1/M 계산 결과가 다음 연료를 삽입해도 임계에 접근하지 않음을 확인한 후 원자로조종감독자의 승인에 따라 다음 연료를 이동시킨다.
라) 만약 1/M 계산 결과가 예상된 추이대로 나타나지 않거나 다음 연료를 장전하였을 때 미임계 상태가 확인되지 않을 경우 연료장전을 즉시 중단하고 문제점에 대한 원인규명 및 해결 후에 장전을 재개한다.
원자로로부터 누설되는 중성자에 비하여 노외계측기에 의해 계측되는 중성자 의 수가 절대적으로 작아서 중성자 계수율은 극심한 확률적 섭동을 보인다. 따라서 원자로의 미임계 특성 파악을 위하여 100초간 3회씩 두개 채널의 중성자계수율을 측정하여 이를 산술 평균한다. 따라서 매회 측정을 위하여 수동으로 카운터/타이머의 시작과 종료 버튼을 선택하여 측정값을 기록하는 업무를 전체 연료장전 공정 동안 177 x 3회를 반복하여야 한다.
또한 현행 미임계 증배감시가 주제어실에서 수행되고 1/M계산 결과로 다음 연료장전 여부만을 알려줌으로써 연료인출 및 장전 기간동안 노심변경에 대한 감독책임을 지고 있는 노심변경 전담 원자로조종감독자나 연료 인출 및 장전 작업을 수행하는 주통제실 요원은 미임계 증배의 변화를 직관적으로 인지할 수 없다.
본 발명은 원전 연료장전 중 주제어실에서 노외계측기 중성자 펄스신호를 계측하고 역계수율비와 중성자 증배인자를 계산하는 과정을 자동화하여 (1) 실시간으로 원자로의 미임계 상태를 감시함으로써 원자력발전소의 안전성을 보장하고, (2) 연료의 계속 장전조건 만족여부를 즉각 판단토록 하여 연료장전 시간을 단축하여 발전소 이용률을 높이고, (3) 주제어실에서 측정된 역계수율비와 중성자 증배인자를 이를테면 ADSL통신을 이용하여 원자력발전소 격납건물 전광판에 디스플레이하므로써 연료장전 종사자가 원자로가 예기치 못하게 임계에 접근하는 것을 신속하게 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적에 따라, 원자로의 실시간 미임계 증배감시 방법은, 하나의 연료가 장전되기 전에 원자로에 배치된 노외계측기로부터 중성자 펄스신호를 디지털화하여, 연료 장전전 중성자 계수값을 얻는 단계: 상기 계수값에, 제 1의 소정 기간의 필터링 윈도우를 사용한 가중 이동평균에 의해 연료 장전전 중성자계수율를 도출하고 이에 소정 배율을 곱하여 제한값으로 설정하는 단계; 하나의 연료가 장전된 후에 상기 원자로에 배치된 상기 노외계측기로부터 중성자 펄스신호를 디지털화하여, 연료 장전후 중성자 계수값을 얻는 단계; 상기 계수값에, 제 2의 소정 기간의 필터링 윈도우를 사용한 가중 이동평균에 의해 연료 장전 후 중성자계수율을 도출하는 단계; 및 상기 연료 장전 후 중성자계수율이 상기 제한값 미만인지를 판정 하는 단계를 포함한다.
발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 제 1의 소정 기간은 300초이며, 상기 제 2의 소정 기간은 10초이고, 상기 배율은 2배 또는 5배일 수 있다.
발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 판정단계에서, 상기 제한값 이하임을 실시간으로 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수 있다.
발명예 따라, 원자력발전소 주제어실에서 측정된 역계수율비와 중성자 증배인자를 ADSL 통신을 이용하여 원자력발전소 격납건물 전광판에 디스플레이할 수 있다.
본 발명은 원전 연료장전 중 주제어실에서 노외계측기 중성자 펄스신호를 계측하고 역계수율비 계산하는 과정을 자동화하여 (1) 실시간으로 원자로의 미임계 상태를 감시함으로써 원자력발전소의 안전성을 보장하고, (2) 연료의 계속 장전조건 만족여부를 즉각 판단토록 하여 연료장전 시간을 단축하여 발전소 이용률을 높이고, (3) 주제어실에서 측정된 역계수율비와 중성자 증배인자를 ADSL통신을 이용하여 원자력발전소 격납건물 전광판에 디스플레이하므로써 연료장전 종사자가 원자로가 예기치 못하게 임계에 접근하는 것을 신속하게 방지하는 효과가 있다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
도 2는 원자로 노외계측기 입면도이다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 이 발명에서는, 원자로(20) 근처에 배치된 노외계측기(22)로부터 발생한 중성자 펄스신호를 고속 디지타이저(도시되지 않음)를 이용하여 매초 간격으로 중성자계수율을 디지털화하고, 이하 상세히 설명하는 바와 같이, 컨트롤러를 이용하여 신호를 필터링하고 역계수율비를 계산하고, 예를 들면 ADSL 통신을 이용하여 주제어실에서 측정한 중성자계수율과 역계수율비를 격납건물 내에 설치된, 이를테면 전광판에 디스플레이 하도록 구성된다.
도 3은 실시간 원자로 미임계 증배감시 장비의 하드웨어 모듈 구성도이다. 본 발명의 하드웨어는 도 3과 같이 컨트롤러(1), 디지타이저(도시되지 않음), 경보등(2), 및 통신 모듈(3)로 구성되어있다. PXI 타입 새시(PXI Type Chassis)(33)는 센서(31, 32)를 통해 노외계측기의 신호를 입력받는 카운트 모듈(Count Module)(4)과 컨트롤러(1), 신호 분석기능을 수행하는 스코프(Scope)(5) 및 전원을 공급하는 파워 서플라이(6)로 구성되어 있다. 경보등(2)은 노심의 출력이 상승할 경우 위험을 알리는 경보 역할을 한다.
카운트 모듈은 디지타이저로서 구현될 수 있고, 이 디지타이저는 원자로의 기동채널 노외계측기 신호를 입력받아서 실시간으로 중성자 계수를 하고 디지털화하는 장비이다.
측정된 중성자계수율은 감마신호와 전원노이즈를 적절히 제거하더라도 원자 로로부터 누설되는 중성자에 비하여 노외계측기에 의해 계측되는 중성자의 수가 절대적으로 작음으로 인하여 중성자계수율은 극심한 확률적 섭동을 보인다. 따라서 기존의 방법으로는 원자로의 미임계 특성 파악을 위하여 3-5분 동안 중성자계수율을 측정하여 이를 산술 평균하여야 한다. 본 발명에서는 중성자계수율의 필터링을 위하여 최근의 측정된 중성자계수율에 보다 높은 비중을 두어 평균하는 방법으로서 가중 이동 평균법(weighted moving average)을 이용한다.
본 발명의 목적이 연료장전 기중기가 연료 집합체를 노심 바닥에 내려놓았을 때, 이전 연료장전 후 측정한 중성자 계수율과 비교하여 지금 단계의 연료장전으로 인해 두개의 핵계측기 채널의 평균 중성자계수율이 예기치 않게 두 배로 증가하는지, 단일 핵계측기 채널의 중성자계수율이 다섯 배 이상으로 증가하는지를 실시간으로 판단하고자 함이다. 따라서 본 발명은 하나의 연료가 장전되기 전 300초의 필터링 윈도우를 가지고 가중 이동 평균을 하여 얻어진 중성자계수율에 2배를 곱하여 제한값으로 설정하고, 하나의 연료가 장전된 후 10초의 필터링 윈도우를 가지고 가중 이동 평균을 하여 얻어진 중성자계수율이 제한값 이하임을 도 4와 같이 실시간 확인함으로써 연료의 계속 장전조건 만족여부를 즉각 판단할 수 있다. 즉, 도 4는 실시간 중성자계수율 여유도 출력화면으로서 도 4에서 a는 제한선을 나타내며, b는 실시간 측정 중성자 계수율을 나타내며, 이 경우엔 일예로서 제한값 이하임을 예시하고 있다.
본 발명은 현재 측정된 역계수율비와 중성 증배인자가 사전에 설정된 값 이상에 도달하면 경보등을 작동하여 연료장전 중 원하지 않는 임계접근에 대하여 연 료장전 종사자가 충분한 시간을 가지고 조치할 수 있도록 한다.
본 발명은 바람직하게는 ADSL 통신을 이용하여 주제어실에서 측정된 역계수율비와 중성자 증배인자를 격납건물의 주통제실에 설치되는, 예를 들면 도 5와 같은 전광판에 디스플레이하여 전체 연료장전 종사자에게 전달하고, 연료장전 현장에서 직접적으로 다음 연료의 장전 여부를 결정하여 연료장전 시간을 단축할 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 연료장전 중 직통통신 연결도이다.
도 2는 원자로 노외계측기 입면도이다.
도 3은 실시간 원자로 미임계 증배감시 장비의 하드웨어 모듈 구성도이다.
도 4는 실시간 중성자계수율 여유도 출력화면이다.
도 5는 격납건물 설치 미임계 증배감시 전광판을 나타낸 것이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-
1; 컨트롤러
2; 경보등
3; 통신모듈
4; 카운트 모듈
5; 스코프
6; 파워 서플라이
33; PXI 타입 새시
31, 32; 센서

Claims (3)

  1. 원자로의 실시간 미임계 증배감시 방법에 있어서,
    하나의 연료가 장전되기 전에 원자로에 배치된 노외계측기로부터 중성자 펄스신호를 디지털화하여, 연료 장전전 중성자 계수값을 얻는 단계:
    상기 계수값에, 제 1의 소정 기간의 필터링 윈도우를 사용한 가중 이동평균에 의해 연료 장전전 중성자계수율을 도출하고 이에 소정 배율을 곱하여 제한값으로 설정하는 단계;
    하나의 연료가 장전된 후에 상기 원자로에 배치된 상기 노외계측기로부터 중성자 펄스신호를 디지털화하여, 연료 장전후 중성자 계수값을 얻는 단계:
    상기 계수값에, 제 2의 소정 기간의 필터링 윈도우를 사용한 가중 이동평균에 의해 연료 장전 후 중성자계수율을 도출하는 단계; 및
    상기 연료 장전 후 중성자계수율이 상기 제한값 미만인지를 판정하는 단계를 포함하는, 원자로의 실시간 미임계 증배감시 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제 1의 소정 기간은 300초이며, 상기 제 2의 소정 기간은 10초이고, 상기 배율은 2배 또는 5배인, 원자로의 실시간 미임계 증배감시 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 판정단계에서, 상기 제한값 이하임을 실시간으로 디스 플레이하는 단계를 더 포함하는, 원자로의 실시간 미임계 증배감시 방법.
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