KR20100048563A - 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

가압 중수형 원자로의 노심에서 발생할 수 있는 국부지역의 출력과다(국부과출력)로 핵연료가 손상되는 것을 방지하기 위하여 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, 2초마다 원자로 노심상태에 대응하는 국부과출력보호를 위한 정지설정치를 계산하여 ROP 시스템에 제공하거나 계측기 교정값을 제공할 수 있다. 이를 위해 노심상태를 핵설계에 준하여 계산하되 노심상태를 반영하기위한 각종 측정자료를 경계조건으로 하는 핵설계 및 열수력 설계가 가능하며, 실측 정보를 사용하기 위한 국부과출력보호의 정지설정치 평가 방법을 제공한다. 아울러 디지털형식으로 계산된 값을 ROP 시스템이나 계측기 교정시스템에 제공하기 위한 디지털-아날로그 변환기도 개별 계측기마다 구성될 수 있다.

이에, 본 발명은 정상운전 중인 가압 중수로에 적용하는 경우 국부과출력보호 정지설정치를 최소 5%이상 향상 시킬 수 있고 경년열화 가압중수로의 경우 전출력운전 불가 시기를 늦춰 발전소 이용율 증대와 경제성을 향상시킬 수 있으며, 경년열화가 진행되지 않은 중수로의 경우도 핵연료교체시 불필요한 출력 감발을 회피할 수 있어 경제성 이익을 도모할 수 있다.

가압중수로, 국부과출력 보호, 온라인 감시, 실시간 감시, 계측기, 계측기 교정,

Description

온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM, FOR PROVIDING REGIONAL OVERPOWER PROTECTION OF CALANDRIA USING ON-LINE}

본 발명은 가압 중수형 원자로의 노심에서 발생할 수 있는 국부지역의 출력과다(국부과출력)로 핵연료가 손상되는 것을 방지하기 위하여 온라인을 이용하여 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 가압 중수형 원자로는 핵연료를 교체 하거나, 경수가 필요 이상으로 빠지거나 채워지는 경우, 조절봉이 인출되는 경우 등과 같이, 다양한 이유로 인해 노심에 소량의 정(+)반응도가 주입되어 천천히 노심 출력이 증가하는 경우에는 운전자가 인식하지 못하는 동안 핵연료 피복재가 손상될 정도로 국부적인 출력이 증가할 수 있다.

핵연료 피복재가 손상되는 것은 출력상승으로 핵연료 피복재 표면에 기포막이 형성되고 열전달율이 감소하며 이에 따라 피복재 표면온도가 급격히 상승하여 피복재가 용융(Dryout)되기 때문이다.

한편, 가압 중수형 원자로는 380개의 핵연료채널이 존재하며, 각 채널에 12개의 핵연료 다발이 장전되는데, 어떤 핵연료채널의 특정 위치의 핵연료 집합체에서 dryout이 발생하면 그때의 채널출력을 임계채널출력(critical channel power)라고 정의하고 있다.

따라서, 가압 중수형 원자로는 임계채널출력에 도달하기 전에 원자로를 안전하게 정지시켜야 하는데, 핵연료 손상을 직접적으로 통제할 수 있는 방법이 없어 간접적인 방법으로 노심내 계측기 신호의 크기를 제한하는 국부과출력보호(ROP : Regional Overpower Protection. 이하 ROP) 계통이 만련되어 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 ROP 시스템의 국부과출력보호 계통을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 ROP 시스템은 기존 2개의 독립적인 원자로정지계통, 예컨대 중성자 흡수봉 낙하를 이용하여 원자로를 정지시키는 제 1원자로정지계통(100, Shutdown System No.1. 이하, 'SDS1'라 칭함)과 중성자 흡수물질을 감속재에 분사하여 원자로를 정지시키는 제 2원자로정지계통(150, Shut Down System No.2. 이하, 'SDS2'라 칭함)을 각각 독립적으로 구동시키고 있다.

이러한 ROP 시스템에 의한 국부과출력보호 계통은 원자로 곳곳에 산발적으로 설치된 총 58개의 자기출력형 백금피복 계측기가 구성될 수 있는데, 58개의 계측기 중에서 SDS1을 구동하는 계측기는 수직으로 설치된 총 34개(115)로 이것들을 다시 3개의 안전채널(safety channel)로 나누고 있다.

SDS1의 안전채널은 각각 D, E, F 채널이라 부르며, 순서대로 12개, 11개 및 11개의 백금피복 계측기를 소유한다. 백금피복 계측기는 중성자 및 감마선과 반응하여 스스로 전류를 생산하여 증폭기(120)에서 신호를 증폭하고, 능동 보상기(dynamic compensator, 130)에서 계측기 특성에 따른 신호보상을 수행한 뒤, 최종적으로 비교기(140)에서 기설정된 정지설정치와 계측기 신호를 비교하여 계측기 신호가 정지설정치를 초과하면 정지신호를 발생시키는 역할을 한다.

각 안전채널은 소속 계측기 중 하나라도 정지설정치를 초과하면 원자로 정지신호를 발생하도록 AND gate로 구성되며, SDS1은 3개 안전채널중 2개 안전채널에서 정지신호가 생성되면 구동할 수 있게 된다. SDS1은 여러 신호를 받아들이는데 하나라도 정지신호가 들어오면 정지제어봉을 낙하시켜 원자로(혹은 칼란드리아)내 중성자 연쇄반응을 일으켜 정지시킨다.

SDS2를 구동하는 백금피복 계측기는 수평으로 설치된 24개(120)로 3개의 안전채널에 각 8개씩 할당되어 있으며 구동 원리는 SDS1과 유사하다. 다만, SDS2는 제어봉을 조정하지 않고 중성자 흡수물질인 가돌리늄을 감속재에 급속히 살포함으로써 칼란드리아 내 중성자 연쇄반응을 중지시킨다.

위에서 설명한 것과 같이, 핵연료 손상, 즉 dryout 발생여부를 직접적으로 측정하거나 확인할 수 있는 방법은 없으므로 간접적인 방법을 사용하여 방지해야 하는데, 이때 유효한 방법은 노심 내에 중성자 계측기를 설치하고, 각 계측기 신호의 상대적 변화율을 이용하여 임의의 위치에서 발생할 수 있는 dryout을 방지하도록 하는 것이다.

노심내 적절한 위치에 백금피복 계측기를 설치하고 SDS1 및 SDS2의 3개 안전 채널에 적절히 분배하였다고 가정할 경우, 기존에는 실측된 계측기를 직접적으로 활용할 수 없기 때문에 예상가능한 노심 변화를 미리 가정하여 어떤 경우에도 원자로를 보호할 수 있음을 보이는 것이 가장 최선의 방법이며, 이 때문에 보수적인 방향으로 정지설정치를 계산할 수 밖에 없다. 즉, 반응도 삽입으로 국부출력 상승이 예상되는 600여개 노심상태를 추출하고 각각의 경우에 있어 380개 핵연료 채널출력과 임계채널출력 및 58개 계측기 위치에서의 중성자속 등을 미리 계산하는 것이다.

이를 통해, Dryout 발생 확률분포, 계측기의 비정지확률분포 등을 계산하여 600여개의 각 노심상태에 대한 원자로정지(TRIP) 확률을 계산할 수 있다. 이와 같이 계산된 TRIP 확률이 98%이하이면, 가정한 정지설정치가 너무 높다는 것이므로 정지설정치를 하향 조정하여 반복 계산하고 0.98보다 크면 정지설정치가 낮아 정지확률이 높게 나온 것이므로 설정치를 상향 조정하여 재계산한다. 몇 번의 시행착오를 거쳐, 600여개 노심상태의 정지확률을 계산한 결과 가장 낮은 정지확률이 98%이상이 되면 계산을 종료하고, 이때에 생산된 정지설정치를 현장에 설치한다. 이렇게 설치된 정지설정치는 완만한 반응도 삽입 사고로 진행될 수 있는 600여 노심상태에 대해 98%이상의 확률로 원자로를 보호할 수 있게 된다.

그러나, 현장에 설치되는 원자로 정지설정치는 600여 노심상태 중 가장 제한적인 경우를 대상으로 결정하였기 때문에 (실제 운전 중 그러한 제한적인 경우의 노심이 나타난 사례가 없음) 정상 운전을 대상한 정지설정치와 비교하면 약 9% 가량 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 결국, 종래의 국부과출력보호 계통은 국부과 출력보호를 위한 정지설정치 계산방법의 한계로 인하여 경년열화가 진행되면 전출력 운전이 불가능한 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원자로 안전성 및 보수성을 해치지 않고 기존의 정지설정치 계산 방법을 개선하여 원자로 운전 여유도를 대폭 향상시킬 수 있는 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 핵설계 및 열수력 설계코드의 구조를 개선하고, 운전 중 취득되는 각종 측정자료를 이용하여 현 노심에 가장 근접한 출력분포 및 임계출력분포를 계산하고, 이에 근거하여 현 노심상태를 98%의 확률로 정지시킬 수 있는 정지설정치를 시스템에 적용하여 노심 경년 열화에 따른 정지설정치 하락과 전출력운전 불가 방지, 핵연료 교체시 불필요한 출력감발을 예방하여 중수로 원전경제성을 획기적으로 향상시키는 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.

본 발명의 일 태양(카테고리, 목록, 형태)에 따르면, 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법으로서, (a) 노심관련 계측기의 실측 정보를 내부경계조건으로 하여 현재의 노심에 가장 근접한 채널출력분포 및 임계채널출력을 계산하는 단계, (b) 상기 계산된 채널출력분포 및 임계채널출력 과 개별 개측기의 비정지확률분포, 현 계측기의 신호 세기 중 적어도 하나 이상을 이용하여 현재 노심 상태에 대응하여 정지설정치를 계산하는 단계, (c) 상기 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기를 통해 증폭기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티를 제공하는 단계, 및 (d) 상기 계산된 정지설정치를 비교기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티(Penalty)를 제공하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

상기 (a) 단계는, (a-1) 반응도 기기의 위치, 삽입 정도, 경수 준위, 노심 입구 냉각재 온도, 핵연료 번들별 연소도 정보 중 적어도 하나 이상을 입력으로 하고, 바나듐 계측기 신호를 내부경계조건으로 하여 중성자확산방정식으로 채널별 출력 및 축방향출력분포를 계산하는 단계, 및 (a-2) 노심입구 온도, 압력강하, 노심출구 온도, 전체 냉각재 유량에 대한 계측정보 및 상기 채널별 축방향출력분포 중 적어도 하나 이상을 입력으로 하여 임계채널출력을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (a-1) 단계는, OND(On-line Nuclear Design) 코드에 의해 상기 채널별 출력 및 축방향출력분포가 획득될 수 있다.

상기 (a-2) 단계는, 상기 임계채널출력을 병렬로 계산하며, OTH(On-line Thermal-Hydraulic) 코드에 의해 임계채널 출력이 획득될 수 있다.

상기 (c) 단계는, ODC(On-line Digital Convertor) 코드에 의해 정지설정치가 계산될 수 있다.

상기 (b) 단계는, (b-1) 정상운전 중 개별 ROP 계측기 신호를 일정기간 측정 하여 그 절대적 신호세기의 평균값을 개별 계측기 정지설정치의 평가 참고값으로 결정하는 단계, 및 (b-2) 실측된 개별 ROP 계측기를 직접 계측기 비정지확률계산에 적용하여 현재 노심상태에 대응하는 계측기, 안전 채널 및 원자로정지시스템의 비정지확률을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 비교기에 2초마다 제공하는 단계, 및 (c-2) 소수의 정상 노심 상태를 기준으로 계산한 정지설정치를 비교기에 입력하고, 상기 계산된 정지설정치와 상기 기입력된 정지설정치와의 차이를 패널티로 하여 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 증폭기에 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 시스템으로서, 노심관련 계측기의 실측 정보를 내부경계조건으로 하여 현재의 노심에 가장 근접한 채널출력분포 및 임계채널출력을 계산하는 채널출력 계산부, 상기 계산된 채널출력분포 및 임계채널출력과 개별 계측기의 비정지확률분포, 현 계측기의 신호 세기 중 적어도 하나 이상을 이용하여 현재 노심 상태에 대응하여 정지설정치를 계산하는 정지설정치 계산부, 상기 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기를 통해 증폭기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티를 제공하는 증폭기 제공부, 및 상기 계산된 정지설정치를 비교기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티(Penalty)를 제공하는 비교기 제공부를 포함하는 시스템이 제공된다.

본 발명에 따르면, 온라인을 통해 핵설계 및 열수력 설계코드의 구조를 개선하고, 운전 중 취득되는 각종 측정자료를 이용하여 현 노심에 가장 근접한 출력분포 및 임계출력분포를 계산하고, 이를 근거로 하여 현 노심상태를 98%의 확률로 정지시킬 수 있도록 정지설정치의 상향조정치를 획득함으로써, 원자로의 전출력 불가의 수명을 몇 십년 연장시켜 막대한 경제적 이익을 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

보다 구체적으로는, 정상운전 중인 가압 중수로에 적용하는 경우 국부과출력보호 정지설정치를 최소 5%이상 향상 시킬 수 있고 경년열화 가압중수로의 경우 전출력운전 불가 시기를 늦춰 발전소 이용율 증대와 경제성을 향상시킬 수 있으며, 경년열화가 진행되지 않은 중수로의 경우도 핵연료교체시 불필요한 출력 감발을 회피할 수 있어 경제성 이익을 도모하는 효과를 얻을 수 있다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명 은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

[본 발명의 바람직한 실시예]

온라인 ROP 시스템의 구성

도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 국부과출력보호를 제공하기 위한 시스템(300)을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(300, 이하에서는 온라인 ROP 시스템'라고 칭함)은 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 시스템으로서, 채널출력 계산부(310), 정지설정치 계산부(320), 증폭기 제공부(330) 및 비교기 제공부(340), 제어부(350) 및 통신부(360) 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 채널출력 계산부(310)는 노심관련 계측기의 실측 정보를 내부경계조건으로 하여 현재의 노심에 가장 근접한 채널출력분포 및 임계채널출력을 계산하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 채널출력분포을 알기 위해서는 채널별 출력 및 축방향출력분포를 계산해야 되는데, 채널별 출력 및 축방향출력분포는 반응 도 기기의 위치, 삽입 정도, 경수 준위, 노심 입구 냉각재 온도, 핵연료 번들별 연소도 정보 중 적어도 하나 이상을 입력받아, 노심관련 바나듐 계측기 신호에 의한 실측 정보를 내부경계조건으로 하여 중성자확산방정식으로 구함으로써 해결할 수 있다. 중성자확산방정식 및 내부경계조건에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다. 반면, 임계채널출력은 노심입구 온도, 압력강하, 노심출구 온도, 전체 냉각재 유량에 대한 계측정보 및 전술한 채널별 축방향출력분포 중 적어도 하나 이상을 입력받아서 계산할 수 있다. 이 또한, 보다 구체적인 방법에 대해서는 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.

본 발명에 따른 정지설정치 계산부(320)는 계산된 채널출력분포 및 임계채널출력과 개별 계측기의 비정지확률분포, 현 계측기의 신호 세기 중 적어도 하나 이상을 이용하여 현재 노심 상태에 대응하여 정지설정치를 계산하는 기능을 수행한다. 정지설정치의 계산은 정상운전 중 개별 ROP 계측기 신호를 일정기간 측정하여 그 절대적 신호세기의 평균값을 개별 계측기 정지설정치의 평가 참고값으로 결정하여 노심 상태에 대응하여 계산할 수 있게 된다. 또한, 정지설정치의 계산은 실측된 개별 ROP 계측기를 직접 계측기 비정지확률계산에 적용하여 현재 노심상태에 대응하는 계측기, 안전 채널 및 원자로정지시스템의 비정지확률을 획득함으로써 계산될 수 있다. 이와 같은 정지설정치의 계산 방법에 대하여 도 6을 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

본 발명에 따른 증폭기 제공부(330)는 온라인을 이용하여 정지설정치 계산부(320)에 의해 계산된 정지설정치를 도 1 및 도 2에 도시한 ROP 시스템(또는 국부 과출력보호 시스템 및 정지 시스템라 칭하기도 함)으로 제공하는 기능을 수행하는데, 그 시스템 내에 있는 디지털-아날로그 변환기를 통해 증폭기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티를 실시간적으로 제공하는 기능을 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 비교기 제공부(340)는 온라인을 이용하여 정지설정치 계산부(320)에 의해 계산된 정지설정치를 ROP 시스템 내에 있는 비교기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티(Penalty)를 실시간적으로 제공하는 기능을 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 통신부(350)는 본 발명의 온라인 ROP 시스템(300)이 기존의 ROP 시스템으로 각종 데이터를 송,수신하는 기능을 수행한다. 본 발명에 따른 제어부(340)는 채널출력 계산부(310), 정지설정치 계산부(320), 증폭기 제공부(330), 비교기 제공부(340) 및 통신부(360) 간의 데이터 흐름을 제어하는 기능을 수행한다. 즉, 본 발명의 제어부(340)는 통신부(350)를 통하여 각 구성 요소 간에 송,수신되는 신호를 제어함으로써, 채널출력 계산부(310), 정지설정치 계산부(320), 증폭기 제공부(330), 비교기 제공부(340)에서 각각 고유의 기능을 수행할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 3에 도시하지는 않았지만 데이터 베이스를 더 구성할 수 있으며, 상기 데이터 베이스는 위에서 설명한 각 구성요소에서 발생되는 데이터를 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 이와 같은, 데이터베이스는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 포함하는 개념으로서, 협의의 데이터베이스뿐만 아니라, 파일 시스템에 기반한 데이터 기록 등을 포함하는 넓은 의미의 데이터베이스도 포함하여 지칭하며, 단순한 로그의 집합이라도 이를 검색하여 데이터를 추출할 수 있다면 본 발명에서 말 하는 데이터베이스에 포함될 수 있다.

이하에서는, 각 구성요소에 의해 실제적으로 채널출력분포, 임계채널출력 및 정지설정치 등을 계산하는 방법에 대한 자세한 과정과 계산된 정보를 온라인을 이용하여 ROP 시스템에 실제 적용하는 방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

바나듐 계측기 신호의 교정 방법 및 내부경계조건의 방법 예

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 출력을 계산하여 바나듐 계측기 신호로 교정하는 방법을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 출력을 계산하여 바나듐 계측기 신호를 내부경계조건으로 사용하는 방법을 예시적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 출력은 온라인 핵설계 전산코드(OND; On-line Nuclear Design, 200) 코드에 의해 채널별 출력 및 축방향출력분포가 획득될 수 있는데, 핵설계 전산코드(200)는 노심입출구 온도, 압력 등 열수력 자료, Liqid Zone Level, Adjuster, MCR, SOR 삽입 높이, 변들별 연소도 정보 독물질 수밀도 및 연료위치 변경정보 등을 입력받아 계산한 380개 채널출력에 102개 바나듐 측정신호를 중첩시켜 최소승자법으로 교정된 출력분포를 획득할 수 있는 코드이다.

그러나, 획득된 출력분포는 중성자확산방정식을 풀어 얻은 핵적성질을 가진 출력분포와는 일치하지 않아 연소도 계산에서 교정 출력분포를 사용하는 경우에 다음 시간 간격에서 계산한 중성자확산방정식의 해가 지속적으로 최소자승법에 의해 왜곡될 수 있어, 바나듐 계측기 신호를 내부경계조건으로 활용해야 할 필요성이 있 다. 내부경계조건을 활용한 방법은 도 5를 통해 살펴본다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 온라인 핵설계 전산코드(OND, 200)은 바나듐 계측기 신호에 의한 내부경계조건 방식과 중성자확산방정식을 이용하는데, 내부경계조건 방식은 중성자확산방정식을 풀 때 모든 노심 위치에서 중성자속을 “계산”하지 않고 일부 계측기가 존재하는 위치의 “계측기 신호”를 중성자속으로 변환하여 고정된 경계조건으로 취급함으로써, 주변 핵적계산 위치의 중성자속에 의한 측정 정보가 직접적으로 영향을 주도록 하여 중성자속 분포를 구하는 방법을 지칭하는 것으로, 102개의 바나듐 계측기 신호는 중성자속으로 변환될 수 있기 때문에 이를 내부 경계조건으로 하여 중성자확산방정식을 풀 수 있게 되는 것이다.

상기 수식 1은 일반적인 중성자확산방정식을 나타내고, 수식 2는 특정 위치에서 출력을 이미 알고 있을 경우에 상기 수식 1의 중성자확산방정식이 어떻게 변 경될 수 있는지를 나타내고 있다. 여기서, 상첨자 m은 노심을 수천 개의 일정한 규격의 육면체로 나누었을 때(이를 핵적노드라고 함) m번째 핵적 노드를 의미하는 것이며, 노드에 계측기가 포함되어 있으면 상첨자 d로 표시할 수 있다. 하첨자 g는 에너지 그룹(1군 혹은 2군)을 의미하고, Srg는 g 에너지 그룹에서 중성자가 소멸될 핵단면적을 나타내며, Sfg는 g 에너지 그룹에서 핵분열을 일으킬 수 있는 핵단면적을 나타낼 수 있다. 또한, kg는 g 에너지 그룹에서 단위 핵분열로 인해 생성되는 에너지를 의미하고, Jg는 중성 자류를 나타내며, fg는 중성자속을, 계수 C 및 a는 중성자확산방정식을 노달방법으로 풀때 필요한 계수(하첨자에 따라 다른값을 갖는다)를 나타내며, P 및 V는 각각 m 노드의 출력과 체적을 의미한다.

상기 수식 1 및 2에 준하여 중성자확산방정식을 풀게 되면, 바나듐 계측기가 존재하지 않는 모든 노심 부분에 대해 중성 자속을 얻을 수 있게 되므로, 앞서 언급한 경우와는 달리 노심의 각 부분에서 중성자확산방정식을 만족하는 출력분포를 얻을 수 있게 되는 것이다.

위와 같은 방법으로 출력분포를 계산하게 되면, OND 코드(200)는 그 결과를 온라인 열수력 설계코드(OTH, 210) 및 온라인 정지설정치 평가 코드(ODC, 220)에 제공할 수 있게 된다. 아울러, OND 코드(200)는 임계채널출력 계산을 위해 각 핵연료 채널별 축방향출력분포도를 열수력 설계코드(210)에 제공한다. 즉, 채널출력이 계산된 결과를 제공받은 온라인 열수력 설계코드(210)는 임계채널출력을 계산할 수 있게 되는데, 임계채널출력은 주어진 노심 입구 및 출구의 열수력특성의 계측기 정보와 OND 코드(200)에서 주어지는 축방향출력분포를 바탕으로 하여 30초마다 갱 신할 수 있게 된다. 380개 임계채널출력은 열수력 특성, 노심채널출력 및 축방향 출력분포에 의해 매 순간마다 평가되는데, 일반적으로 핵설계나 정지설정치 평가 도구의 계산 시간보다 길기 때문에 병렬계산 시스템에 의한 병렬 계산의 방법을 적용하는 것이 바람직하다. 따라서, OTH 코드(210)는 임계채널출력을 제공하는것 외에 특별한 작업을 수행할 필요가 없는 장점을 가질 수 있다.

정치설정치 평가코드의 예

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 국부과출력보호를 위한 정지설정치 평가 코드를 예시적으로 나타낸 체계도이다. 도 6은 본 발명에 따른 실시간 국부과출력보호를 위한 정지설정치 평가 코드 체계를 예시적으로 나타낸 것으로, OTH 코드(210)가 어떤 역할을 담당하는를 나타낸 것이다.

위에서 설명한 바와 같이, 노심출력 및 임계채널출력이 알려지면, 온라인 국부정지설정치 평가를 위한 정보가 갖춰질 수 있으나, 정지설정치를 어떻게 평가하는냐가 큰 이슈가 될 수 있는데, 먼저 핵연료손상(dryout) 발생확률이 노심상태에만 의존하기 때문에 온라인 정지설정치 평가 방법은 현재 노심의 출력분포만을 고려한다. 한편, 개별 ROP 계측기의 비정지확률분포도 계산되어야 하나 그 방법은 기존과 다르다. 본 발명은 개별 ROP 계측기의 비정지확률분포를 현장 측정자료를 기초로 계산하므로 기존의 수식 3을 사용하지 않고 수식 4를 개발하여 적용한다.

여기서, 상기 수식 3에서 표현되는 첨자에 대해 살펴보면, Φ₀(k,j)= 노심상태 k에서 j 번째 계측기의 계산된 계측기 신호세기이고, Φ₀(j)= j 번째 계측기의 계산된 통상적인 계측기 신호세기(참고값)이며, CPPF(q)= q 리플의 첨두채널출력인자이다. 또한, rCPRL(k,q)= q 리플을 노심상태 k에 적용한 뒤 구한 임계채널출력비의 최소값으로 OID 확률분포와 연관짓기 위해 도입되는 정규화 인자이고, TSPj= j 번째 계측기의 트립 설정치이며, A= 설정치 조정인자를, εsys= systematic bias를, sd= detector random uncertainty, 리플자료= 운전 중 바나듐 계측기를 이용하여 구한 380 채널의 출력. 년간 약 100여개의 리플자료가 생산되며, 리플자료는 원자로가 안정화된 상태에서 생단됨을 나타낸다.

반면, 상기 수식 4에서 표현되는 첨자를 살펴보면, 수식 4는 Φ(j) = j 번째 계측기 측정 신호세기를 나타내고, Φ₀(j) = 100% 정상상태시 j 번째 계측기 실측 측정세기의 평균값을 나타내며, CPRL= 최소임계채널출력비를, TSP= j 번째 계측 기의 트립 설정치를, A= 설정치 조정인자를, ε_sys= systematic bias를, s_d= detector random uncertainty를 각각 나타낼 수 있다.

본 발명에 적용되는 수식 4는 기존의 수식 3에서 사용된 첨두채널 출력인자(CPPF)가 사용되지 않음을 알 수 있는데, 이는 실측 정보가 노심상태를 대변하므로 이론적으로 CPPF를 적용할 이유가 없기 때문이다. 이로 인하여, 계측기 교정시 CPPF는 사용될 필요가 없는 장점을 갖는다. 기존 방법은 핵연료 손상 확률에 리플자료를 반영한 만큼 계측기 비정지확률 계산에도 그에 상응하는 현장 운전이력을 반영하기 위해 의도적으로 실전 운전에 CPPF를 만들어 적용하였지만, ROP 계측기 실측치를 직접 정지설정치에 사용하면 인위적인 CPPF를 사용할 필요가 없어지고 현장은 불필요한 자료를 제공할 이유가 없어져 그 만큼 운전효율성이 높아진다.

본 발명의 수식 4에 의해, 계측기의 비정지확률분포가 계산되면, 채널 및 ROP 시스템에 적용될 비정지확률은 다음의 수식 5 및 6을 적용하여 계산되며, 종국적으로 핵연료 손상시 ROP 시스템이 작동되지 않을 확률은 수식 7로 표현될 수 있다.

여기서, 수식 5에 대하여 살펴보면, 상기 수식 5는 임의의 원자로 상태가 주어질 때 수식 3을 각 검출기별로 모두 계산한 후, 소속 검출기의 비정지확률(PNj)을 곱하여 비정지확률을 계산함을 보여준다. 수식 5는 노심상태가 k일때 x라는 노심조건에서 D 안전채널에 속한 모든 검출기가 정지신호를 내지 않아 D 안전채널이 원자로 정지신호를 생산하지 않을 확률을 의미한다. 수식 5가 D 안전채널에 대한 것이라면, E 및 F에 대해서도 유사한 비정지확률분포가 생성되며, 이들을 w2/2 논리에 적용시키면 SDS1의 국부과출력보호관련 비정지확률분포는 수식 6에 의해 결정될 수 있다. 상기 수식 6이 주어졌으므로 원자로에서 어느 한곳이라도 OID가 발생하였을 때 원자로가 정지되지 않을 확률(혹은 정지확률)을 수식 7을 사용하여 각각 구할 수 있게 되는 것이다.

이와 같은, 온라인 정지설정치 방법은 계측기 참고값(f_o. 수식 4 참조)를 중요한 요소로 이용하고 있다. 정지설정치는 기본적으로 각 계측기의 상대적인 변화량이 특정값 이상으로 증가되지 않도록 설정되기 때문에 변화량을 알기 위해선 참고값이 필요한데, 중성자속 준위가 다르므로 계측기 위치별로 서로 다른 값을 가져야 하는 원칙이 일반적이다.

기존의 수식 3에 표시된 참고값은 정상상태 노심에서 계산을 통해 얻은 58개 계측기 신호인데 모두 동일한 값(1.0)을 갖고 있다. 이론적으로는 정상상태 계측기의 신호세기로 모든 600여 노심상태에서 계산된 계측기 신호세기를 정규화하기 때문에 정상상태 노심에서 모든 계측기 신호세기는 1.0으로 고정될 수 있는 것이다. 참고값이 1.0이라는 것은 실측치가 무엇이든 주기적인 계측기 교정시 모든 계측기가 특정한 신호세기를 갖도록 강제 지정한다는 것을 의미한다. 이 경우 정지설정치 평가와 현장 실측이 일치하지 않기 때문에 CPPF를 계측기 신호에 반영하여 보수적으로 평가해 주어야 한다.

따라서, 발전소 현장의 모든 ROP 계측기 신호가 동일한 원자로 출력을 나타내도록 교정한다. 즉, 위치에 따라 ROP 계측기는 서로 다른 신호세기를 보여야 하지만, 정지설정치 평가방법적으로 계측기를 교정할 때는 모든 ROP 계측기의 신호세기가 동일한 값, 예컨대, 3.75V 등의 특정한 값을 갖도록 조정할 수 있다. 이렇게 하면 평가방법과 실제 운영방식이 일치되는 효과를 가져오지만 계측기 고유의 특성이 반영되었다고는 할 수 없다.

그러나, 온라인 정지설정치 평가방법(300)을 사용하는 경우는 교정되지 않은 측정값을 직접 수식 4에 반영할 수 있기 때문에 계측기 위치별로 서로 다른 신호를 자연스럽게 이용할수 있게 된다. 이때, 각 계측기의 참고값은 정상운전중 계측기 위치에서 일정기간 실측한 신호세기의 평균값을 사용할 수 있다. 이는 출력이 높은 채널 근처에 있는 검출기 신호는 100% 정상운전 중이라도 높게 나타나야 하므로 일정 시간동안의 평균적 거동을 조사하여 참고값을 결정하고, 참고값과 측정 신호세기와의 비율변경이 특정한 값 이하로 유지되도록 한다.

현 노심상태에 대응하는 계산된 온라인 정지설정치는 앞서 설명한 수식 7로 얻어 질수 있는데, 이를 현장에 어떻게 반영하느냐에 따라 온라인 ROP 시스템은 2가지로 구분될 수 있는데, 이를 도 7 및 도 8에서 설명하기로 한다.

증폭기 및 비교기와 연동되는 온라인 ROP 시스템의 예

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 증폭기와 연동되는 온라인 ROP 시스템(300)을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭기와 연동되는 온라인 ROP 시스템(300)은 수식 7에 의해 계산된 정지설정치를 비교기(Comparator, 140)에 직접 제공하는 방식이다. 이 방식은 정지설정치 자체를 계속 변경하는 것이므로 비교기(140)와 온라인 ROP 시스템(300)이 직접 연결될 수 있다.

따라서, 온라인 ROP 시스템(300)은 수식 7에 의해 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기(digital-analog converter, 400)를 거쳐 비교기(140)에 지속적으로 제공함으로써, 현재의 노심상태를 직접 반영할 수 있기 때문에 추가적인 설정치 패널티가 필요하지 않고 계측기 교정 장치의 필요성이 없어져 기존의 ROP 시스템을 단순화시키는 장점을 가질 수 있다.

또한, 온라인 ROP 시스템(300)은 비교기(140)에 부과된 정지설정치를 변경하지 않되, 수식 7에 의해 획득된 정지설정치와 비교기(140)에 설치된 정지설정치와의 차이를 패널티로 환산하여 제공할 수도 있는데, 기존의 ROP 시스템에 있는 계측기 교정 장치만을 변경을 통해 제공될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기와 연동되는 온라인 ROP 시스템(300)을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기와 연동되는 온라인 ROP 시스템(300)은 수식 7에 의해 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기(digital-analog converter, 400)를 거쳐 증폭기(120)에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티를 제공할 수 있는데, 계측기 신호의 증폭기(120)는 일반적으로 계측기 교정과 관련하여 특정한 신호세기를 사용자가 입력할 수 있도록 되어 있으므로 계산된 정지설정치와 설치된 정지설정치간의 차이를 패널티로 하여 증폭기(120)를 증폭하면 결과적으로 계산된 정지설정치가 비교기(140)에 적용되는 것과 같은 효과를 가질 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에서는 기존의 ROP 시스템을 거의 변경할 필요없이 단지 증폭기(120) 입력단자 부분에 디지털-아날로그 변화기(400) 붙여 2초 단위로 제공되는 패널티값을 증폭기(120)에서 활용할 수 있도록 변경하기만 하면 되는 장점을 가질 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기존에 평가된 정지설정치와 비교한 결과로 정지설정치의 향상 정도를 나타낸 그래프이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 정지설정치는 노심의 정상상태에서 기존의 정지설정치보다 평균 9％, 최소 5％의 정지설정치 향상 효과가 있음을 알 수 있다. 이를 통해, 원자로의 전출력 불가의 수명을 몇 십년 연장시킬 수 있게 되는 장점을 가질 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 ROP 시스템의 국부과출력보호 계통을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 국부과출력보호를 제공하기 위한 시스템(300)을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 출력을 계산하여 바나듐 계측기 신호로 교정하는 방법을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 출력을 계산하여 바나듐 계측기 신호를 내부경계조건으로 사용하는 방법을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 국부과출력보호를 위한 정지설정치 평가 코드를 예시적으로 나타낸 체계도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 증폭기와 연동되는 온라인 ROP 시스템(300)을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비교기와 연동되는 온라인 ROP 시스템(300)을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기존에 평가된 정지설정치와 비교한 결과로 정지설정치의 향상 정도를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

120 : 증폭기 130 : 능동 보상기

140 : 비교기 200 : 온라인 핵설계 전산코드(OND)

210 : 온라인 열수력 설계코드(OTH) 220:온라인 정지설정치 계산코드(ODC) 300 : 온라인 ROP 시스템 310 : 채널출력 계산부

320 : 정지설정치 계산부 330 : 증폭기 제공부

340 : 비교기 제공부 350 : 제어부

360 : 통신부 400 : 디지털-아날로그 변환기

Claims (18)

1. 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 방법으로서,

   (a) 노심관련 계측기의 실측 정보를 내부경계조건으로 하여 현재의 노심에 가장 근접한 채널출력분포 및 임계채널출력을 계산하는 단계,

   (b) 상기 계산된 채널출력분포 및 임계채널출력과 개별 개측기의 비정지확률분포, 현 계측기의 신호 세기 중 적어도 하나 이상을 이용하여 현재 노심 상태에 대응하여 정지설정치를 계산하는 단계,

   (c) 상기 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기를 통해 증폭기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티를 제공하는 단계, 및

   (d) 상기 계산된 정지설정치를 비교기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티(Penalty)를 제공하는 단계

   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 (a) 단계는,

   (a-1) 반응도 기기의 위치, 삽입 정도, 경수 준위, 노심 입구 냉각재 온도, 핵연료 번들별 연소도 정보 중 적어도 하나 이상을 입력으로 하고, 바나듐 계측기 신호를 내부경계조건으로 하여 중성자확산방정식으로 채널별 출력 및 축방향출력분 포를 계산하는 단계, 및

   (a-2) 노심입구 온도, 압력강하, 노심출구 온도, 전체 냉각재 유량에 대한 계측정보 및 상기 채널별 축방향출력분포 중 적어도 하나 이상을 입력으로 하여 임계채널출력을 계산하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 (a-1) 단계는,

   OND(On-line Nuclear Design) 코드에 의해 상기 채널별 출력 및 축방향출력분포가 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서,

   상기 (a-2) 단계는, 상기 임계채널출력을 병렬로 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제2항에 있어서,

   상기 (a-2) 단계는,

   OTH(On-line Thermal-Hydraulic) 코드에 의해 임계채널 출력이 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제2항에 있어서,

   상기 (c) 단계는,

   ODC(On-line Digital Convertor) 코드에 의해 정지설정치가 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 (b) 단계는,

   (b-1) 정상운전 중 개별 ROP 계측기 신호를 일정기간 측정하여 그 절대적 신호세기의 평균값을 개별 계측기 정지설정치의 평가 참고값으로 결정하는 단계, 및

   (b-2) 실측된 개별 ROP 계측기를 직접 계측기 비정지확률계산에 적용하여 현재 노심상태에 대응하는 계측기, 안전 채널 및 원자로정지시스템의 비정지확률을 계산하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 (c) 단계는,

   (c-1) 상기 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 비교기에 2초마다 제공하는 단계, 및

   (c-2) 소수의 정상 노심 상태를 기준으로 계산한 정지설정치를 비교기에 입력하고, 상기 계산된 정지설정치와 상기 기입력된 정지설정치와의 차이를 패널티로 하여 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 증폭기에 공급하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 온라인을 이용한 가압 중수형 원자로의 국부과출력보호를 제공하기 위한 시스템으로서,

   노심 바나듐 계측기의 실측 정보를 내부경계조건으로 하여 현재의 노심에 가장 근접한 채널출력분포 및 임계채널출력을 계산하는 채널출력 계산부,

   상기 계산된 채널출력분포 및 임계채널출력과 개별 계측기의 비정지확률분포, 현 계측기의 신호 세기 중 적어도 하나 이상을 이용하여 현재 노심 상태에 대응하여 정지설정치를 계산하는 정지설정치 계산부,

   상기 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기를 통해 증폭기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티를 제공하는 증폭기 제공부, 및

   상기 계산된 정지설정치를 비교기에 아날로그 형식의 정지설정치 혹은 패널티(Penalty)를 제공하는 비교기 제공부

   를 포함하는 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 채널출력 계산부는,

    반응도 기기의 위치, 삽입 정도, 경수 준위, 노심 입구 냉각재 온도, 핵연료 번들별 연소도 정보 중 적어도 하나 이상을 입력으로 하고, 바나듐 계측기 신호를 내부경계조건으로 하여 중성자확산방정식으로 채널별 출력 및 축방향출력분포를 계산하는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제10항에 있어서,

    상기 채널출력 계산부는,

    OND(On-line Nuclear Design) 코드를 이용하여 상기 채널별 출력 및 축방향출력분포를 획득하는 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제9항에 있어서,

    상기 채널출력 계산부는,

    노심입구 온도, 압력강하, 노심출구 온도, 전체 냉각재 유량에 대한 계측정보 및 상기 채널별 축방향출력분포 중 적어도 하나 이상을 입력으로 하여 임계채널출력을 병렬로 계산하는 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제12항에 있어서,

    상기 채널출력 계산부는,

    OTH(On-line Thermal-Hydraulic) 코드를 이용하여 임계채널 출력을 획득하는 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제9항에 있어서,

    상기 증폭기 및 비교기 제공부는,

    ODC(On-line Digital Convertor) 코드를 이용하여 정지설정치를 계산하는 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 제9항에 있어서,

    상기 정지설정치 계산부는,

    정상운전 중 개별 ROP 계측기 신호를 일정기간 측정하여 그 절대적 신호세기의 평균값을 개별 계측기 정지설정치의 평가 참고값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
16. 제9항에 있어서,

    상기 정지설정치 계산부는,

    실측된 개별 ROP 계측기를 직접 계측기 비정지확률계산에 적용하여 현재 노심상태에 대응하는 계측기, 안전 채널 및 원자로정지시스템의 비정지확률을 계산하는 것을 특징으로 하는 시스템.
17. 제9항에 있어서,

    상기 증폭기 및 비교기 제공부는,

    상기 계산된 정지설정치를 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 비교기에 2초마다 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
18. 제9항에 있어서,

    상기 증폭기 및 비교기 제공부는,

    소수의 정상 노심 상태를 기준으로 계산한 정지설정치를 비교에 기 입력하고, 상기 계산된 정지설정치와 상기 기입력된 정지설정치와의 차이를 패널티로 하여 디지털-아날로그 변환기를 거쳐 증폭기에 공급하는 것을 특징으로 하는 시스템.

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