KR20110052340A - 노심상태에 대응하는 국부과출력 정지설정치를 평가하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

노심상태 중에서 가장 제한적인 노심상태에서도 핵연료를 보호하도록 정지설정치를 설정하여 경년열화시 출력감발을 방지하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, 노심상태의 정지설정치를 평가하기 위한 방법으로서, 600여 노심상태 각각에 대해 미리 계산된 중성자속 분포 정보, 국부과출력보호용 계측기 정보와 열수력 정보를 이용하여 정지설정치를 계산한 뒤 국부과출력보호용 계측기의 신호 분포 정보와 정지설정치 간의 최적상관식을 도출함으로써 각 원자로 상태에 대응하는 정지설정치를 계측기 신호분포만으로 결정할 수 있게 하는 방법이 제공된다.

이로써, 본 발명은 원자로 운전시 원자로상태를 가장 정확히 나타내는 계측기 신호분포 정보로부터 원자로 상태에 대응하는 정지설정치를 미리 계산된 최적상관식으로부터 추정하기 때문에 현재 노심이 정상이면 정상노심에 대응하는 정지설정치를, 제한노심상태이면 제한노심에 대응하는 정지설정치를 산출하게 되며, 따라서 기존의 정지설정치가 제한노심상태의 것으로 고정되어 운전되는 것과 비교하면 정상운전시 정지설정치가 높게 유지됨에 따라 경년열화로 인한 원자로 출력 감발이 불필요하게 되어 매년 수백억원에 가까운 손실을 방지하는 효과가 달성된다.

정지설정치, 최적 상관식, 노심, 경년열화

Description

노심상태에 대응하는 국부과출력 정지설정치를 평가하기 위한 방법{METHOD FOR ESTIMATING REIGIONAL OVERPOWER PROTECTION TRIP SETPOINT TO CORE STATE}

본 발명은 노심상태의 정지설정치를 평가하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 노심상태 중에서 가장 제한적인 노심상태에서도 핵연료를 보호하도록 정지설정치를 설정하여 경년열화시 출력감발을 방지하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

가압중수로형 원전(이하 중수로)의 국부과출력보호 정지계통은 원자로 내부에 설치된 58개의 백금 계측기 측정값을 읽어 미리 설정된 정지설정치를 초과하면 원자로를 정지시킴으로서 원자로를 안전하게 운전하는 역할을 담당하고 있다. 문제는 정지설정치가 원자로의 재료적, 열수력적 특징 때문에 매년 일정한 비율로 감소하고 그에 따라 원자로를 100%출력으로 운전하지 못하고 매년 수%씩 출력을 낮추어가며 운전함으로써 막대한 경제적 손실을 입고 있다는 것이다.

특히, 중수로는 중수로 원자로 출구모관이 주철로 만들어졌기 때문에 유량진동 부식으로 인하여 철 성분이 냉각수에 녹았다가 증기발생기에 침착되어 증기발생기 성능을 저하시키는 문제, 수십년간의 중성자 조사로 인하여 원자로 압력관이 반 경방향 및 축방향으로 늘어나는 문제 등이 상기한 정지설정치 하락을 가져온다.

일반적으로 중수로의 국부과출력보호 정지설정치는 매 순간마다 변하는 노심상태를 실시간으로 계산할 수 없기 때문에 설계단계에서 미리 결정한다. 이때 고려되는 노심상태는 약 600여가지 이다. 각 노심상태를 전산모사하면 노심상태에 대응하는 노심손상확률을 계산할 수 있는데, 600개 노심손상확률중 최소값이 98%가 되도록 정지설정치를 결정한다. 이렇게 정지설정치를 결정하면 노심운전상태가 어느 경우든 98%의 확률로 원자로를 정지시킬 수 있다. 그러나 노심손상확률이 가장 낮은 노심상태는 100여년의 중수로 운전이력에서 한번도 나타난 바가 없다. 반면 정상운전 노심상태에 대응하는 정지설정치는 원자로에 설치된 정지설정치(가장 제한적인 노심상태)에 비해 약 9% 정도 높다. 이런 까닭으로, 원자로 운전 및 운영의 측면에서, 운전중에 발생하는 사고 사례가 없는 원자로 상태를 기준으로 결정된 정지설정치 때문에 100%전출력 운전을 시행할 수 없는 점을 개선하여야 한다는 요구가 지속적으로 제기되어 왔다.

온라인 실시간 핵설계/열수력설계가 가능하면 실제 원자로 상태를 반영한 정지설정치를 얻을 수 있어 상기 문제를 해결할 수 있지만 이는 현 중수로의 국부과출력보호계통 설계를 상당부분 변경하여야 하기 때문에 투자대비 효율이 고려되어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원자로에 대해 설계 변경이나 실시간 핵 및 열수력 계산없이 노내에 설치된 국부과출력보호 계측기의 신호 분포 등을 활용하여 노심상태에 대응하는 정지설정치를 평가하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

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

본 발명의 일 태양에 따르면, 임의의 노심상태에 대응하는 국부과출력보호시스템의 정지설정치를 실시간으로 평가하기 위한 방법으로서, 미리 계산된 국부과출력보호 계측기 신호 분포와 정지설정치간의 최적 상관식을 이용하여 실시간으로 입력되는 계측기 신호 분포로부터 현재의 노심상태에 대응하는 정지설정치를 결정하는 방법이 제공된다.

여기서, 상기 국부과출력보호 계측기 신호 분포와 정지설정치간의 최적 상관관계를 도출함에 있어, 단일 계측기 별로 정지설정치와의 최적상관식을 도출하는 경우, 현장 적용시 측정된 58개 계측기별로 최적상관식에 따른 정지설정치를 하는 평가한뒤 최저값을 현재 노심상태의 정지설정치로 취하는 제 1방법, 안전채널별로 3~4개의 계측기를 선택하고 선택된 계측기 신호간의 상대적 분포와 정지설정치 사이에 최적 상관식을 도출하여 사용하는 경우 6개 안전채널의 정지설정치 중 최저값 을 현 운전상태의 정지설정치로 취하는 제2 방법, 및 원자로정지 시스템 별로 9~12개의 계측기를 선택하고 선택된 계측기 신호 분포 특성과 정지설정치와의 다중 최적 상관식을 도출하여 사용하는 경우 2개의 원자로정지 시스템의 정지설정치 중 최저값을 현 운전상태의 정지설정치로 취하는 제 3방법 중에서 하나의 방법을 이용하여 정지 설정치를 결정할 수 있다.

또한, 상기 최적 상관식으로 결정되는 정지설정치 평가 방법은, 어떤 노심상태이든 이에 대응하되 98％의 정지확률을 갖는 정지설정치를 결정할 수 있다.

또한, 상기 정지설정치 평가 방법은, 대안조건부기대방법 혹은 군별자료처리(Group Method of Data Handling) 방법을 활용하여 최적 상관식을 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 상기와 같이 결정된 최적상관식을 이용하여 실측 계측기 분포 정보로부터 실시간으로 정지설정치를 평가하고 이를 설치된 정지설정치와 비교하여 차이를 패널티로하여 현장에 적용하는 것을 특징으로하는 정지설정치 평가 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 현재 노심이 정상이면 그에 해당하는 정지설정치를 최적 상관식을 이용하여 도출하고, 이가 현재 제한노심에 가까우면 정지설정치도 그에 대응하는 정도로 감소됨으로 제한노심에 대응하는 정지설정치를 설치할 필요가 없으므로 경년열화에 따라 원자로 출력을 감소시킬 필요가 없어 매년 수백원에 가까운 손실을 방지 및 경년열화시 출력감발을 방지하는 효과을 얻을 수 있게 된다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 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 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지설정치 평가 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정지설정치 평가 시스템(100)은 정보 취합부(110), 정지설정치 계산부(120), 최적 상관식 도출부(130) 및 자료저장부(140)로 구성된다.

먼저, 본 발명의 정보 취합부(110)는 중성자속분포, 열수력 계산결과 정보, 계측기 신호 정보, 원자로 운전 이력 및 불확실도 정보 등 국부과출력보호 정지설정치를 평가할 수 있는 정보를 600여 노심상태별로 각각 취합하고 정리하여 파일형태로 저장하는 역할을 수행한다.

다음으로, 본 발명의 정지설정치 계산부(120)는 정보 취합부(110)에서 제공한 각종 자료를 활용하여 각각의 노심상태별로 98%의 확률로 원자로를 정지시킬 수 있는 정지설정치를 계산하고, 600여 노심상태별 정지설정치를 계측기 신호 분포 정보와 함께 최적상관식 도출부(130)으로 전달한다.

다음으로, 본 발명의 최적 상관식 도출부(130)는 계측기 신호 분포 정보와 정지설정치를 연관짓는 최적 상관식을 도출한다. 이때 기존 통계적 방법은 사용자의 판단이나 초기 조건, 혹은 복잡한 계산단계로 인해 최적 조건을 찾기 어렵기 때문에 대안조건부기대방법(Alternative Conditional Expectation) 혹은 군별자료처리(Group Method of Data Handling)와 같은 다중 최적 회귀방법을 활용한다. 본 발명은 대안조건부기대방법을 적용하였으나 최적 조건을 찾아낼 수 있는 다중 최적 회귀방법이면 그 사용에 제한을 두지 아니한다. 단, 다중 최적 회귀방법최적 상관관계는 본질적으로 불연속점의 집합체로 얻어지고 운전이력의 포함되어 잡음이 섞여 있기 때문에 실제 평가에 활용하려면 불연속점을 일련의 함수로 근사하여야 한다. 본 발명은 빠른 계산을 위해 최대 9차의 다항식으로 불연속점을 근사한다. 따라서 도입되는 계측기 신호분포 종류에 따라 각각의 최적상관관계는 최대 9차의 고 차 다항식으로 근사하고 그 계수를 구하여 계수 저장부(140)에 전달한다. 일례로 대안조건부기대방법으로 최적상관식을 구하는 방법은 다음과 같다.

대안조건부 기대방법은 각 독립변수(가령 계측기 신호(x))는 그와 최적상관관계를 갖는 임의의 함수(f(x))로 변형이 가능하고, 변형된 함수는 종속변수(여기서는 정지설정치(Y))에 대응하는 최적변형함수(q)와 최적상관관계를 갖는다는 이론이다. 이 관계를 수식으로 표현하면 다음과 같이 기술된다.

상기 식 (1), (2)에서 Y_j는 j번째 케이스의 정지설정치를 의미하며, a_k는 정지설정치의 최적변형함수(q)를 근사한 9차 고차다항식의 k번째항의 계수를, h_k(x)는 k 번째 고차다항식을 의미한다. E는 대괄호내의 변수에 대해 j번째 지점을 중심으로 일정 구간의 평균값(혹은 기대값)을 구한다는 의미이다. b_j,k는 j번째 계측기(계측기 신호값)의 최적변형함수(f_j)를 고차다항식으로 근사하였을 때 k번째항의 계수를 나타낸 것이며, N은 고려된 독립변수의 총 수를 뜻한다. 만일 58개 계측기를 모두 활용하면 N=58이되며, 안전채널별로 3~4개의 계측기를 사용하는 경우는 각 안전채널별로 N = 3 ~ 4가 된다.

식(1)을 보면 정지설정치(총 600여 불연속값)에 대응하는 최적변형함수(q)의 j번째값은 독립변수의 최적변형함수의 값의 합으로 표현됨을 알 수 있다. 또 식 (2)를 보면 특정 독립변수의 최적변형함수는 정지설정치의 최적변형함수와 여타 독립변수의 최적변형함수의 합과의 차이로 표현됨을 볼 수 있다. 식 (1), (2)과정을 반복적으로 풀되 식 (1)의 좌변과 우변의 차이가 더 이상 감소하지 않을 때까지 계산한다. 수식으로는 다음과 같이 표현된다.

여기서 e²는 오차의 제곱의 합을, C₆₀₀은 총 ROP 케이스 개수(약 600개)를 의미한다. 상기 식 (3)이 최소값을 가지면 독립변수 및 종속변수 각각에 대한 최적변형함수가 완성된다. 최적변형함수들은 일련의 불연속점으로 표시된다. 그러나 대안조건부기대방법은 최적변형함수가 통상적으로 잘 알려진 함수로 쉽게 표현될 수 있을 만큼 단순화된다는 장점이 있으므로 생성된 최적변형함수를 최대 9차의 고차다항식으로 근사할 수 있다. 도 2은 어떤 안전채널에서 4개의 검출기를 선택하였을 때 상기 대안조건부기대방법으로 구한, 정지설정치에 대응하는 최적변형함수의 전형적인 형태를 나타낸 것이다.

본 발명의 대안조건부기대방법은 독립변수 및 종속변수를 몇 개를 취하든 상 기 방법으로 결정한 최종 최적변형함수가 쉽게 근사하 가능한 형태로 표현되기 때문에 근사식을 평가하는 매우 유용하다.

전산모사된 600여 자료를 활용하여 식 (1)과 (2)로부터 계측기 신호 분포정보와 정지설정치간의 최적상관관계를 구함에 있어 계측기 신호 분포는 다양한 방식으로 정의될 수 있다. 예를 들면, 단일 계측기 별로 각각 최적 상관식을 도출하고 실측한 58개 계측기 신호를 각각의 최적 상관식에 대입하여 정지설정치를 계산 한 뒤 58개 정지설정치중 최저값을 현 운전상태의 정지설정치로 확정하는 제 1방법, 안전채널별로 3~4개의 계측기를 선택하고 3~4개의 계측기와 정지설정치간의 다중 최적상관식을 도출하되 6개 안전채널의 정지설정치 중 최저값을 현 운전상태의 정지설정치로 취하는 제2 방법, 및 2개의 원자로정지시스템(각각 34, 28개의 계측기 보유) 각각에서 9~12개의 계측기를 선택하고 이들 계측기 신호 분포와 정지설정치 간의 다중 최적 상관식을 도출하되, 2개의 원자로정지시스템 정지설정치 중 최저값을 현 운전상태의 정지설정치로 취하는 제3 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용할 수 있다. 결정된 정지 설정치(TSP)는 하기의 식 (4)와 같이 표현할 수 있다.

ＴＳＰ〓Ｍｉｎ(ｒ_j) .... 식 (4)

여기서 r_j는 정지설정치를 의미하며 방법론별로 최소 2개에서 최대 58개까지 가능하다. 단, 임의의 노심상태에 대해 최적상관식으로 구한 정지설정치와 전산모사로 구한 정지설정치와는 차이가 있으므로 평균 혹은 95%신뢰도를 갖도록 보정인자를 도입할 수 있다. 보정인자를 도입하면 최적상관식으로 도출한 정지설정치가 여하한 경우라도 98%의 정지확률을 보장하기 때문에 현장에서 안심하고 사용할 수 있다. 다만, 보정인자의 도입으로 도출된 정지설정치가 보정인자만큼 감소할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 자료저장부(140)는 상기 최적 상관식 도출부(130)의 결과로 생산된, 3가지 방법 중 하나에 대해, 각각의 선택된 계측기 신호 분포 특성에 대응하는 최적상관관계(f)를 근사한 고차다항식의 차수 및 계수, 정지설정치에 대응하는 최적상관관계(q)의 근사 고차다항식 차수 및 계수를 특정 전자파일로 저장하는 역할을 담당한다. 저장된 전자파일은 온라인 정지설정치 평가시스템의 입력자료로 활용된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도출된 최적 상관식을 이용하여 정지설정치를 평가하는 방법(S200)을 예시적으로 나타낸 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예(100)에 따라 결정된 최적상관식으로부터 정지설정치를 평가하는 방법(S200)은 실측 계측기 신호 정보를 활용하여 도 1에서 도입한 계측기 신호 분포를 구성하는 단계(S210), 최적 상관식과 계측기 신호 분포 정보(계측기별, 안전채널별 혹은 안전시스템별)를 이용하여 정지설정치를 결정하는 단계(S220), 기존의 정지설정치와의 차이로 패널티하는 단계(S230) 및 온라인 계측기 교정장치에 패널티를 제공하는 단계(S240)를 포함한다.

본 발명의 S210 단계는 측정 계측기 신호를 받아 본 발명의 100 단계에서 미리 정지설정치 평가용으로 확정한 방법론(3개 방법중 임의의 한 방법)에 부합하는 특정 계측기 신호를 추출하여 추출된 신호간의 분포를 계산한다. 그 분포는 최적상 관식 도출단계(100)에서 사용한 방법과 동일하게 한다.

다음으로 본 발명의 S220단계는 계측기 신호 분포 특성이 얻어졌으면 본 발명의 100 단계에서 전자파일에 저장한, 방법론에 따른 고차다항식 차수 및 계수를 읽고 S210 단계에서 제공되는 계측기 신호 분포 특성을 고차다항식에 대입하여 정지설정치를 계산, 결정한다.

다음으로 본 발명의 S230 단계는 결정된 정지 설정치(TSP_MEASRED)를 현장에 설치된 기존의 정지설정치(TSP_INSTALED)와의 차이를 비교하여 하기의 식 (5)과 같이 패널티를 생성한다.

Ｐ_{ｅｎａｌｔｙ}＝ＴＳＰ_{ＩＮＳＴＡＬＥＤ}－ＴＳＰ_{ＭＥＡＳＲＥＤ} ... 식 (5)

이어서, 본 발명의 S240 단계에서는 상기 식 (5)에 의해 패널티로 생성된 결과를 국부과출력 보호 계측기의 교정값(Detector Calibration)으로 하기의 식 (6)와 같은 방식으로 추가하여 온라인 계측기 교정장치로 제공함으로써, 사용자로 하여금 확인할 수 있게 할 수 있다.

Ｄ_Cnew ＝Ｄ_Cold ＊ Ｐ_{ｅｎａｌｔｙ} ... 식 (6)

상기 D_Cnew는 새로이 계산된 정지설정치를 현장에 반영하기 위해 계측기 교정값을 재 평가한 값이고, D_Cold는 본 발명에 의해 정지설정치를 평가하기 전 계측기 신호를 제외한 다른 인자들로 구성된 계측기 교정값을 나타낸다.

이와 같이, 본 실시예에서는 이상의 식 (1), 식 (2), 식 (3), 식 (4)를 이용 하여 노심상태에 대응하는 정지설정치를 계산하는 최적상관식들을 미리 계산한 뒤, 이를 정지설정치 평가 시스템(S200)에 탑재하고, 몇몇 특정 계측기의 실측 신호 분포특성과 식 (4), 식 (5), 및 식 (6)을 노심상태에 대응하는 정지설정치를 산출함으로써 제한노심을 대상으로 얻은 정지설정치(현장에 설치)와 비교하여 패널티가 (-)이면 설정된 정지설정치보다 계산된 정지설정치가 높다는 것이므로 그 만큼을 교정값에 제외할 수 있어 운전 여유도를 높일 수 있으며, 이 때문에 정상운전중이면 기존의 정지설정치보다 9％ 가까이 높은 정지설정치를 유지하면서 원자로를 운전할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정지설정치 평가 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도출된 최적 상관식을 이용하여 정지설정치를 평가하는 방법(S200)을 예시적으로 나타낸 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 정지설정치 평가 시스템 110 : 정보 취합부

120 : 최적 상관식 도출부 130 : 제어부

Claims (6)

1. 임의의 노심상태에 대응하는 국부과출력보호시스템의 정지설정치를 실시간으로 평가하기 위한 방법으로서,

   미리 계산된 국부과출력보호 계측기 신호 분포와 정지설정치간의 최적 상관식을 이용하여 실시간으로 입력되는 계측기 신호 분포로부터 현재의 노심상태에 대응하는 정지설정치를 결정하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 국부과출력보호 계측기 신호 분포와 정지설정치간의 최적 상관관계를 도출함에 있어,

   단일 계측기 별로 정지설정치와의 최적상관식을 도출하는 경우, 현장 적용시 측정된 58개 계측기별로 최적상관식에 따른 정지설정치를 하는 평가한뒤 최저값을 현재 노심상태의 정지설정치로 취하는 제 1방법,

   안전채널별로 3~4개의 계측기를 선택하고 선택된 계측기 신호간의 상대적 분포와 정지설정치 사이에 최적 상관식을 도출하여 사용하는 경우 6개 안전채널의 정지설정치 중 최저값을 현 운전상태의 정지설정치로 취하는 제2 방법, 및

   원자로정지 시스템 별로 9~12개의 계측기를 선택하고 선택된 계측기 신호 분포 특성과 정지설정치와의 다중 최적 상관식을 도출하여 사용하는 경우 2개의 원자로정지 시스템의 정지설정치 중 최저값을 현 운전상태의 정지설정치로 취하는 제 3 방법 중에서 하나의 방법을 이용하여 정지 설정치를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 최적 상관식으로 결정되는 정지설정치 평가 방법은,

   어떤 노심상태이든 이에 대응하되 98％의 정지확률을 갖는 정지설정치를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 정지설정치 평가 방법은,

   대안조건부기대방법 혹은 군별자료처리(Group Method of Data Handling) 방법을 활용하여 최적 상관식을 결정하는 것인 방법.
5. 상기 제1항 내지 4항 중 어느 한 항의 상기 결정된 최적상관식을 이용하여 실측 계측기 분포 정보로부터 실시간으로 정지설정치를 평가하고 이를 설치된 정지설정치와 비교하여 차이를 패널티로하여 현장에 적용하는 것을 특징으로 하는 정지설정치 평가 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 패널티를 현장에 적용함에 있어 디지털 계측기 교정장치에 패널티를 실 시간으로 입력하기 위하여 디지털계측기 교정장치와 연동하는 것을 특징으로 하는 정지설정치 평가시스템.

Images