KR20160051988A - 장수명 노내계측기 - Google Patents

Abstract

에미터의 연소 수명을 향상시켜 노내계측기의 수명이 연장되도록 한 본 발명에 따른 장수명 노내계측기는 중심관, 상기 중심관의 외주면으로부터 이격되는 외부보호관, 상기 중심관과 상기 외부보호관의 사이에 배치되며 로듐에 비해 상대적으로 중성자와의 반응단면적이 적은 재료로 이루어지는 에미터를 포함하는 자발중성자계측기, 백그라운드 잡음 신호를 보상하는 백그라운드계측기, 노심 출구 온도를 검출하는 노심출구열전대 및 상기 자발중성자계측기, 상기 백그라운드계측기, 상기 노심출구열전대의 사이를 메우는 필러와이어를 포함하므로, 고준위 방사성 물질인 사용후 노내계측기 폐기물량을 현저하게 줄일 수 있으며, 이는 고준위 폐끼물 사용공간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 원전 종사자의 피폭 저감에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

Description

장수명 노내계측기{Long-Lived In-Core Instrumentation Assembly}

본 발명은 장수명 노내계측기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력발전소의 안전운전에 있어서 중요한 노심의 출력분포를 측정하는 장수명 노내계측기에 관한 것이다.

원자로의 안전운전에 가장 중요한 지표는 출력첨두계수이며, 이 값을 감시하기 위해서는 노심의 정확한 3차원 출력분포를 연속적으로 측정할 수 있어야 한다. 노심의 출력분포는 노내계측기를 이용하여 측정하는데, 원전의 노내계측기는 이동형과 고정형이 있다.

주로 핵분열함(fission chamber)이 사용되는 이동형 노내계측기는 원전 수명기간 동안 사용이 가능하며, 정확한 3차원 노심 출력분포를 측정할 수 있는 장점이 있으나, 주기적으로만 출력분포 측정이 이루어져 온라인(on-line) 측정이 불가능한 단점이 있다.

반면, 고정형 노내계측기는 온라인 측정이 가능한 장점이 있으나, 노심 출력신호를 발생하는 계측기 에미터 물질이 노심 내에서 중성자와 반응하면서 연소하기 때문에 주기적으로 계측기를 교체해야 하는 단점이 있다.

고정형 노내계측기는 내부 전도체의 원자핵과 종성자가 반응하여 전자를 발생시켜 출력에 비례하는 전류를 발생하는 이른바, 외부전원이 필요 없는 자발중성자계측기(Self-Powered Neutron Detector;SPND)의 형태를 가진다.

도 1은 자발중성자계측기의 구성을 간략하게 나타낸 개념도이다.

도 1를 참조하면, 자발중성자계측기(10)는 전자를 방출하는 내부 전도체인 에미터(11), 방사선을 잘 견뎌 내/외부 전도체를 격리하는 절연체(insulator)(12) 및 전자를 집전하여 전류를 생성하는 외부 전도체(collector, or sheath)(13) 와 신호선(lead wire)(14)로 구성된다.

대한민국 원전의 고정형으로 사용 중인 자발중성자계측기는 로듐(rhodium) 으로 이루어지며, 집합체 형태로 제작되어 정상 운전기간 동안 핵연료집합체의 중앙에 있는 안내관에 고정 삽입되어 실시간으로 노심의 출력을 측정하고 있다.

도 2는 종래의 로듐 자발중성자계측기 집합체를 나타낸 단면도이다.

도 2를 참조하면, 노내계측기 집합체는 5개의 로듐 자발중성자계측기(21), 1개의 백그라운드(Background) 계측기(22), 2개의 노심출구열전대(Core Exit T/C)(23) 및 중심관(Central member Assembly)(24) 및 계측기간의 공간을 메우는 역활을 하는 필러(Filler)(25) 및 바깥에 있는 보호관(Sheath Tube)(26)으로 구성되어 있다.

이와 같이 구성되는 노내계측기의 수명은 자발중성자계측기의 수명에 좌우되며, 자발중성자계측기의 수명은 에미터의 연소 수명에 좌우된다. 즉, 고정형 노내계측기의 수명은 에미터 물질의 수명에 좌우된다고 할 수 있다.

현재 노내계측기의 에미터 물질로 주로 사용되는 로듐은 연소가 빨라 노내계측기 수명이 2~3주기(최대 6년) 정도여서 노내계측기 교체비용 증가 및 고준위폐기물 저장공간 확보문제 등으로 인해 원전의 운영에 부담이 되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제1443363호 (2014. 09. 29. 공고)

본 발명의 목적은 에미터의 연소 수명을 향상시켜 노내계측기의 수명이 연장되도록 한 노내계측기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 장수명 노내계측기는 중심관, 상기 중심관의 외주면으로부터 이격되는 외부보호관, 상기 중심관과 상기 외부보호관의 사이에 배치되며 로듐에 비해 상대적으로 중성자와의 반응단면적이 적은 재료로 이루어지는 에미터를 포함하는 자발중성자계측기, 백그라운드 잡음 신호를 보상하는 백그라운드계측기, 노심 출구 온도를 검출하는 노심출구열전대 및 상기 자발중성자계측기, 상기 백그라운드계측기, 상기 노심출구열전대의 사이를 메우는 필러와이어를 포함할 수 있다.

상기 에미터는 바나듐, 코발트, 백금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 에미터는 로듐으로 이루어진 에미터의 신호수준을 확보하기 위하여 상기 로듐으로 이루어진 에미터의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다.

상기 에미터의 직경은 0.5mm ~ 1.12mm 일 수 있다.

본 발명에 따른 장수명 노내계측기는 중성자와 반응하는 계측기 에미터 재료를 바나듐, 코발트 및 백금과 같은 저연소형 재료로 변경하여 노내계측기 수명이 증가되므로, 고준위 방사성 물질인 사용후 노내계측기 폐기물량을 현저하게 줄일 수 있으며, 이는 고준위 폐기물 사용공간을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 원전 종사자의 피폭 저감에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 자발중성자계측기의 구성을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 2는 종래의 로듐 노내계측기 집합체를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 노내계측기 집합체를 나타낸 단면도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명에 따른 장수명 노내계측기에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 실시예에 따른 노내계측기 집합체를 나타낸 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 장수명 노내계측기(100)는 중심관(110), 외부보호관(120), 자발중성자계측기(130), 백그라운드계측기(140), 노심출구열전대(150) 및 필러와이어(160)를 포함할 수 있다.

중심관(110)과 외부보호관(120)은 동심을 가지며, 중심관(110)은 외부보호관(120)의 내부를 관통한다. 그리고 외부보호관(120)은 중심관(110)의 외주면으로부터 이격되어 그 내측에 자발중성자계측기(130), 백그라운드계측기(140) 및 노심출구열전대(140)가 설치될 수 있는 공간을 형성한다.

자발중성자계측기(130)는 중심관(110)과 외부보호관(120)의 사이에 5개 배치될 수 있다.

여기서, 자발중성자계측기(130)는 로듐에 비해 상대적으로 중성자 흡수단면적이 작은 재료로 이루어질 수 있다. 로듐에 비해 상대적으로 중성자 흡수단면적이 작은 재료로는 바나듐, 코발트 및 백등 등을 들수 있다.

바나듐의 중성자 반응특성은 로듐과 유사하여 종래의 로듐 분석방법을 이용하기가 용이하며, 노심의 출력분포를 안정적으로 측정할 수 있다. 코발트는 중성자 반응 및 감마반응을 하며, 백금은 감마반응이 주를 이룬다. 따라서 코발트 및 백금을 이용한 노내계측기는 로듐 및 바나듐과는 다른 분석방법을 사용할 수 있다.

한편, 바나륨, 코발트 및 백금은 중성자 흡수단면적이 로듐에 비해 상대적으로 작으므로, 동일한 규격의 바나듐, 코발트 및 백금은 로듐보다 신호가 적게 나타날 수 있다.

자발중성자계측기(130)의 민감도는 에미터 물질의 체적에 비례한다. 따라서 자발중성자계측기(130)의 신호를 증가시키기 위해서는 에미터의 직경, 또는 길이를 증가시키면 가능하다. 하지만 자발중성자계측기(130)의 길이를 증가시키는 것은 신호분석도구의 변경이 수반되어야 한다.

따라서 본 실시예에 따른 장수명 노내계측기(100)는 에미터의 직경을 종래의 로듐 자발중성자계측기의 에미터의 직경(대략 0.5mm)의 약 두배(대략 1.0mm)로 하여 종래의 로듐 자발중성자계측기의 신호수준을 유지하도록 할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 장수명 노내계측기(100)는 로듐에 비해 상대적으로 중성자 흡수단면적이 작은 재료로 이루어지는 에미터를 사용하고, 자발중성자계측기(130)의 에미터 직경을 확대하여 신호수준을 유지하여 에미터의 수명을 연장시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 장수명 노내계측기(100)의 에미터 직경이 확대됨에 따라 노내계측기의 외경이 확대되는 것을 방지하기 위하여, 중심관의 외경을 축소시키며, 필러와이이어(160)의 직경을 축소시키고 필러와이어(160)의 위치를 조절할 수 있다.

따라서 본 실시예에 따른 장수명 노내계측기(100)는 에미터의 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 로듐 자발중성자계측기의 외경과 동일하게 유지되기때문에 기존 원전의 설계변경 없이 사용이 가능하다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호 범위에 속하게 될 것이다.

100 : 장수명 노내계측기 110 : 중심관
120 : 외부보호관 130 : 자발중성자계측기
140 : 백그라운드계측기 150 : 노심출구열전대
160 : 필러와이어

Claims (4)

1. 중심관;
   상기 중심관의 외주면으로부터 이격되는 외부보호관;
   상기 중심관과 상기 외부보호관의 사이에 배치되며 로듐에 비해 상대적으로 중성자와의 반응단면적이 적은 재료로 이루어지는 에미터를 포함하는 자발중성자계측기;
   백그라운드 잡음 신호를 보상하는 백그라운드계측기;
   노심 출구 온도를 검출하는 노심출구열전대;및
   상기 자발중성자계측기, 상기 백그라운드계측기, 상기 노심출구열전대의 사이를 메우는 필러와이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장수명 노내계측기.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 에미터는 바나듐, 코발트, 백금 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장수명 노내계측기.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 에미터는 로듐으로 이루어진 에미터의 신호수준을 확보하기 위하여 상기 로듐으로 이루어진 에미터의 직경보다 큰 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 장수명 노내계측기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 에미터의 직경은 0.6mm ~ 1.12mm 인 것을 특징으로 하는 장수명 노내계측기.

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