KR20130123940A - 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 - Google Patents
노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체에 관한 것으로서, 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수 있도록 된 융합형 노내계측기 집합체로서, 노심감시기능을 수행하기 위하여, 5개의 바나듐 계측기와 1개의 백그라운드 계측기를 구비하고, 노심보호기능을 수행하기 위하여, 상중하 3개의 노외계측기 입력 알고리즘을 각각 이용할 수 있도록 중첩 배치된 3개의 백금 계측기를 구비하고, 1개로 통합된 노심출구열전대를 구비한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 바나듐 계측기와 백금 계측기를 사용함으로써 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수가 있다.
Description
본 발명은 노내계측기 집합체에 관한 것으로서, 특히 노심감시기능 및 노심보호기능을 동시에 수행할 수 있도록 된 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체에 관한 것이다.
원자로의 안전운전에 가장 중요한 지표는 출력첨두계수이며 이 값을 감시하기 위해서는 노심의 정확한 3차원 출력분포를 연속적으로 측정할 수 있어야 한다. 원전의 노심감시용으로 사용되는 노내계측기는 이동형(WH형 원전에서 사용)과 고정형(OPR1000 원전에서 사용)이 있다.
이동형 노내계측기는 정확한 3차원 노심 출력분포를 측정할 수 있는 장점이 있으나 주기적으로만 출력분포 측정이 이루어지므로 On-line 측정이 불가능한 문제점이 있다. 그 반면에, 고정형 노내계측기는 On-line 측정이 가능하나 노심의 축방향 계측기 수가 제한적이고, 반응시간이 느리며, 노심 내에서 연소하므로 주기적으로 교체해야 하는 문제점이 있다.
한편, 고정형으로 OPR1000에서 사용중인 로듐 노내계측기 집합체는 정상운전기간 동안 핵연료 집합체의 중앙에 있는 안내관에 고정 삽입되어 있으면서 정격출력 20% 이상에서 실시간으로 원자로 노심의 중성자속 분포를 감시한다. 원자로 노심에는 노심내의 출력분포 감시가 적절하다고 판단되는 곳에 45개의 고정형 노내계측기 집합체가 설치된다.
도1,2에 도시한 바와 같이, 종래의 노내계측기 집합체(10)는 5개의 로듐 계측기(11), 1개의 백그라운드 계측기(12), 노심의 냉각재 출구온도를 측정할 수 있는 2개의 노심출구열전대(13; Core Exit T/C), Central Member Assembly 그리고 계측기간의 공간을 메우는 역할을 하는 Filler 와이어(14), 안쪽에 있는 Extension 튜브(15) 및 바깥에 있는 Sheath 튜브(16)로 구성된다.
그리고, 각 노내계측기 집합체(10) 내에 5개씩 들어있는 로듐 계측기(11)는 약 16인치(40cm)의 길이를 가지고 핵연료집합체 높이의 10,30,50,70,90% 높이에서 노심의 출력분포를 감시하는 기능을 수행한다.
한편, 종래의 노심보호계통에서는 노심의 주요 안전변수인 핵비등이탈률 및 국부출력밀도를 계산을 위하여 노외계측기를 사용하고 있으므로 보수적인 계산이 요구된다. 노외계측기를 사용하는 경우, 원자로의 안전운전에 가장 중요한 지표인 노심의 3차원 출력분포를 정확하게 측정할 수 없으므로 가상의 보수적인 출력분포를 이용하여 핵비등이탈률과 국부출력밀도를 계산한다.
따라서, 안전등급의 노내계측기를 이용하여 노심의 3차원 출력분포를 직접 계산하고 이를 노심보호계통에 이용한다면 매우 큰 정지여유도 또는 안전여유도를 얻을 수 있으므로 안전등급 노내계측기의 중요성이 강조되어 왔다. 그러나, 종래 로듐 노내계측기는 연소형(Depleting)으로 계측기의 수명이 2~3주기(3~4년) 정도일 뿐만 아니라 측정신호의 시간지연에 따른 불확실도를 내포하고 있으므로 안전계통에 사용할 수 없는 문제점이 있다.
종래의 노내계측기는 노심감시기능을 담당하는 한편, 노외계측기는 노심보호기능을 담당하였다. 더구나, 종래 사용중인 로듐 노내계측기의 수명은 2~3주기 정도로 계측기 교체비용 증가 및 고준위폐기물 저장공간 확보 문제 등으로 인해 원전운영에 부담이 되고 있는 실정이다.
한편, 종래 특허기술로서 원자로의 노내 계측기 조립체에 있어서, 집전자 전극을 구성하는 피복관의 내부 중앙에 방사체전극이 형성되고, 상기 방사체전극 일단에 연결되어 신호전달을 위한 동축케이블이 형성되며, 상기 피복관과 동축케이블이 연결된 방사체전극의 사이 공간은 절연체로 채워 형성된 백금(Pt-solid) 계측기; 집전자 전극을 구성하는 피복관의 내부 중앙에 방사체전극이 형성되고, 상기 방사체전극 일단에 연결되어 신호전달을 위한 동축케이블이 형성되며, 상기 피복관과 동축케이블이 연결된 방사체전극의 사이 공간은 절연체로 채워 형성된 바나듐(Vanadium) 계측기; 집전자 전극을 구성하는 피복관의 내부에 신호전달을 위한 동축케이블이 형성되며, 상기 피복관과 동축케이블 사이 공간은 절연체로 채워 형성된 백그라운드(Background) 중성자 계측기가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 노내 계측기 조립체가 제안되어 있다(특허문헌1 참조).
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수 있을 뿐만 아니라 중성자와 반응하는 계측기 에미터 재료를 비연소형(non-depleting) 또는 저연소형(low-depleting) 재료로 변경하여 계측기 수명을 연장시킨 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체는, 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수 있도록 된 융합형 노내계측기 집합체로서, 노심감시기능을 수행하기 위하여 5개의 바나듐 계측기와 1개의 백그라운드 계측기를 구비하고, 노심보호기능을 수행하기 위하여 상중하 3개의 노외계측기 입력 알고리즘을 각각 이용할 수 있도록 중첩 배치된 3개의 백금 계측기를 구비하고, 1개로 통합된 노심출구열전대를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 3개의 백금 계측기는 각각 50, 100, 150인치의 길이를 가질 수 있다.
또한, 노내계측기 집합체의 기계적 구성을 결정하기 위해 민감도 함수를 이용하여 신호대 잡음비를 만족하는 바나듐 계측기 및 백금 계측기의 최소 전류수준을 평가하고, 노내계측기 집합체의 제작성을 고려하여 바나듐 계측기 및 백금 계측기의 에미터 직경을 결정할 수 있다.
또한, 상기 바나듐 계측기는 노심의 출력분포를 감시하고 국부적인 중성자 분포에 대한 정보를 제공하는데 사용될 수 있다.
또한, 상기 바나듐 계측기에서 발생되는 신호는 노심감시계통으로 입력되어 3차원 노심 출력분포를 산출하는데 사용되고, 상기 백금 계측기에서 발생되는 신호는 노심보호계통으로 입력되어 노심보호기능을 수행하는데 사용될 수 있다.
또한, 상기 바나듐 계측기는 노심 내에 각각 30인치의 길이를 가지고 각각 핵연료집합체 높이의 10, 30, 50, 70, 90%에 위치할 수 있다.
본 발명에 따르면, 바나듐 계측기와 백금 계측기를 사용함으로써 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수가 있다.
또한, 즉발응답이 가능한 백금을 에미터 재료로 사용함으로써 종래의 기술이 해결할 수 없었던 노내계측기 기반 노심보호계통을 적용하면 노심의 상태를 직접 측정할 수가 있으므로 3차원 출력분포 계산의 정확성을 높일 수가 있다. 따라서, 노외계측기를 사용할 때의 보수성을 제거하여 핵비등이탈률 및 국부출력밀도의 여유도(Margin)를 증가시켜 원전의 출력증강에 기여할 수가 있다.
또한, 중성자와 반응하는 계측기 에미터 재료로서 바나듐 또는 백금과 같은 비연소형 또는 저연소형 재료를 적용함으로써 계측기 수명을 연장시킬 수가 있다. 이로 인해, 고준위 방사성물질인 사용후 노내계측기 폐기물량을 종래보다 3배 이상으로 줄일 수가 있으며. 이는 고준위 폐기물 사용공간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 원전 종사자의 피복 저감에도 기여할 수가 있게 된다.
도1은 종래의 로듐 노내계측기 집합체 구조를 단면도.
도2는 종래의 로듐 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 개념도.
도3은 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 개념도.
도4는 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 단면도.
도2는 종래의 로듐 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 개념도.
도3은 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 개념도.
도4는 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도3은 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 개념도, 도4는 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체 구조를 보여주는 단면도이다.
본 발명에 따른 융합형 노내계측기 집합체는, 비연소형이며 즉발응답이 가능하고, 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수 있을 뿐만 아니라 중성자와 반응하는 계측기 에미터 재료를 비연소형(non-depleting) 또는 저연소형(low-depleting) 재료로 변경하여 계측기 수명을 연장시킬 수 있도록 된 것을 그 기술적 요지로 한다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 융합형 노내계측기 집합체(100)는 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수 있도록 된 융합형 노내계측기 집합체로서, 크게 노심감시기능을 수행하기 위하여, 5개의 바나듐 계측기(110)와 1개의 백그라운드 계측기(120)를 구비하고, 노심보호기능을 수행하기 위하여, 상중하 3개의 노외계측기 입력 알고리즘을 각각 이용할 수 있도록 중첩 배치된 3개의 백금 계측기(130)를 구비하고, 1개로 통합된 노심출구열전대(140)를 구비한다. 도면부호 "150"은 바깥에 있는 Sheath 튜브를 의미한다.
즉, 본 발명에 따른 융합형 노내계측기 집합체(100)는, 노심감시기능을 수행하기 위하여, 종래 노심운전제한치 감시계통(COLSS)이 사용하는 로듐 계측기와 동일하게 5개의 바나듐 계측기(110)와 1개의 백그라운드 계측기(120)를 구비한다. 이때, 상기 바나듐 계측기(110)는 노심의 출력분포를 상세히 감시하고 국부적인 중성자 분포에 대한 정보를 제공하는데 사용될 수 있다.
상기 바나듐 계측기(110)에서 발생되는 신호는 노심감시계통으로 입력되어 3차원 노심 출력분포를 산출하는데 사용될 수 있다. 상기 바나듐 계측기(110)는 노심 내에 각각 30인치(76cm)의 길이를 가지고 각각 핵연료집합체 높이의 10, 30, 50, 70, 90%에 위치할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 융합형 노내계측기 집합체(100)는, 노심보호기능을 수행하기 위하여, 상중하 3개의 노외계측기 입력 알고리즘을 각각 이용할 수 있도록 3개의 백금 계측기(130)를 중첩 배치한다. 이때, 3개의 백금 계측기(130)는 각각 50, 100, 150인치의 길이를 가질 수 있다. 상기 백금 계측기(130)는 Signal Lead Wire가 노심 외부에 존재하고 각 계측기의 상대값이 출력분포 계산에 사용되므로 백그라운드 계측기(120)의 신호를 필요로 하지 않는다. 또한, 백금 계측기(130)로부터 제공되는 신호는 노심보호계통의 입력으로 사용되어 노심보호기능을 수행할 수 있다.
그리고, 종래 로듐 노내계측기는 2개로 분리된 노심출구열전대를 포함하고 있으나, 본 발명에 따른 융합형 노내계측기 집합체(100)는, 1개로 통합된 노심출구열전대(140)를 구비한다. 이때, 상기 노심출구열전대(140)는 종래 노내계측기의 Central Member Assembly 공간에 배치될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체(100)는 노내계측기 집합체의 기계적 구성(직경, 길이 등)을 결정하기 위해 계측기의 민감도 함수를 이용하여 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio)를 만족하는 바나듐 계측기(110) 및 백금 계측기(130)의 최소 전류수준을 평가할 수 있다. 그리고, 노내계측기 집합체의 제작성을 고려하여 바나듐 계측기(110) 및 백금 계측기(130)의 에미터 직경을 결정할 수 있다.
바나듐 및 백금은 중성자 흡수 단면적이 로듐에 비해 상대적으로 작으므로 동일한 규격의 바나듐 및 백금은 로듐보다 계측기 신호가 적게 나타난다. 따라서, 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체(100)의 외경은 로듐 계측기 집합체의 외경과 동일하게 유지하고, 바나듐 계측기(110) 및 백금 계측기(130) 에미터의 직경을 종래 로듐 계측기의 약 2.5배로 하여 종래 로듐 계측기의 신호수준을 유지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체(100)는 바나듐 계측기(110)와 백금 계측기(130)를 사용한 융합형 형태로서 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수가 있다.
또한, 즉발응답이 가능한 백금을 에미터 재료로 사용함으로써 종래의 기술이 해결할 수 없었던 노내계측기 기반 노심보호계통을 적용하면 노심의 상태를 직접 측정할 수가 있으므로 3차원 출력분포 계산의 정확성을 높일 수가 있다. 따라서, 노외계측기를 사용할 때의 보수성을 제거하여 핵비등이탈률 및 국부출력밀도의 여유도(Margin)를 증가시켜 원전의 출력증강에 기여할 수가 있다.
또한, 중성자와 반응하는 계측기 에미터 재료로서 바나듐 또는 백금과 같은 비연소형 또는 저연소형 재료를 적용함으로써 계측기 수명을 연장시킬 수가 있다. 이로 인해, 고준위 방사성 물질인 사용후 노내계측기 폐기물량을 종래보다 3배 이상으로 줄일 수가 있으며. 이는 고준위 폐기물 사용공간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 원전 종사자의 피복 저감에도 기여할 수가 있게 된다.
아래의 표 1은 종래 로듐 계측기와 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체(100)의 사양 및 효과를 비교한 것이다.
| 구분 |
로듐 계측기 |
융합형 노내계측기 | 효과 |
|
| 바나듐 | 백금 | |||
| 에미터 재료 | Rh-45 | V-51 | Pt-105 | |
| 에미터 직경 | 0.0457cm | 0.113cm | 0.113cm | 대등한 신호 |
| 응답시간/필터사용 | 175sec/27sec | ~500sec/수초 | prompt | 신속한 응답시간 |
| 계측기 수명 | 〈3년 | 〉10년 | 〉10년 | 수명연장 |
한편, 본 발명에 따른 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체를 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 노내계측기 집합체
110 : 바나듐 계측기
120 : 백그라운드 계측기
130 : 백금 계측기
140 : 노심출구열전대
150 : Sheath 튜브
110 : 바나듐 계측기
120 : 백그라운드 계측기
130 : 백금 계측기
140 : 노심출구열전대
150 : Sheath 튜브
Claims (6)
- 노심감시기능과 노심보호기능을 동시에 수행할 수 있도록 된 융합형 노내계측기 집합체(100)로서,
노심감시기능을 수행하기 위하여, 5개의 바나듐 계측기(110)와 1개의 백그라운드 계측기(120)를 구비하고,
노심보호기능을 수행하기 위하여, 상중하 3개의 노외계측기 입력 알고리즘을 각각 이용할 수 있도록 중첩 배치된 3개의 백금 계측기(130)를 구비하고,
1개로 통합된 노심출구열전대(140)를 구비한 것을 특징으로 하는 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 3개의 백금 계측기(130)는 각각 50, 100, 150인치의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체. - 청구항 1에 있어서,
노내계측기 집합체의 기계적 구성을 결정하기 위해 민감도 함수를 이용하여 신호대 잡음비를 만족하는 바나듐 계측기(110) 및 백금 계측기(130)의 최소 전류수준을 평가하고, 노내계측기 집합체의 제작성을 고려하여 바나듐 계측기(110) 및 백금 계측기(130)의 에미터 직경을 결정하는 것을 특징으로 하는 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 바나듐 계측기(110)는 노심의 출력분포를 감시하고 국부적인 중성자 분포에 대한 정보를 제공하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 바나듐 계측기(110)에서 발생되는 신호는 노심감시계통으로 입력되어 3차원 노심 출력분포를 산출하는데 사용되고, 상기 백금 계측기(130)에서 발생되는 신호는 노심보호계통으로 입력되어 노심보호기능을 수행하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체. - 청구항 1에 있어서,
상기 바나듐 계측기(110)는 노심 내에 각각 30인치의 길이를 가지고 각각 핵연료집합체 높이의 10, 30, 50, 70, 90%에 위치하는 것을 특징으로 하는 노심감시 및 노심보호 융합형 노내계측기 집합체.
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