KR20170015923A - 원자력 발전소 및 핵원자력 발전소에서 산소 농도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

원자력 발전소 및 핵원자력 발전소에서 산소 농도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스 Download PDF

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Abstract

원자로, 원자로 내의 냉각제, 가스 시스템, 질량 교환 장치, 분산기 및 냉각제 내의 산소 센서를 포함하는 원자력 발전소의 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 방법 및 시스템이 개시되어 있다. 상기 방법은, 시스템에 의해 실시되는 다음의 단계, 즉 산소 농도의 추정; 산소 농도와 허용 가능한 값과의 비교; 산소 농도가 감소된 경우에, 감소값 및/또는 감소율과 대응하는 문턱값과의 비교; 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율이 문턱값 미만인 경우에, 질량 교환 장치의 활성화; 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율이 대응하는 문턱값을 초과하는 경우에, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급, 및/또는 분산기의 활성화를 포함한다. 기술적인 결과는, 냉각제에서의 산소 농도의 제어 가능성의 개선, 원자력 발전소의 안전성의 향상 및 작동 수명 연장이다.

Description

원자력 발전소 및 핵원자력 발전소에서 산소 농도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR REGULATING THE CONCENTRATION OF OXYGEN IN A REACTOR FACILITY, AND NUCLEAR REACTOR FACILITY}
본 발명은 핵 발전 산업(nuclear power industry) 및 핵원자력 발전소(nuclear reactor plant)에 관한 것이며, 보다 구체적으로 액체 금속 냉각제(liquid-metal coolant)를 이용하는 핵원자력 발전소에 관한 것이다. 동시에, 본 발명은 또한 다양한 비핵원자력 발전소(non-nuclear reactor plant)에 적용될 수 있다.
액체 금속 냉각제를 이용하는 핵원자력 발전소의 주요한 문제들 중 하나는 원자로의 구조적 재료의 부식이다. 이러한 부식을 방지하기 위해서, 보호용 산화물 코팅을 형성하기 위한 기법이 사용된다. 원자로의 구조적 재료, 예컨대 강의 내부식성은 이러한 코팅의 무결성(integrity)에 따라 좌우된다.
언급된 문제는 비액체 금속 냉각제를 이용하는 핵원자력 발전소 및 비핵원자력 발전소 양자 모두에서 발생할 수 있다는 것에 주의해야 한다. 비록, 본 발명은 액체 금속 냉각제를 이용하는 핵원자력 발전소와 관련하여 설명되고 있지만, 본 발명은 비액체 금속 냉각제를 이용하는 핵원자력 발전소 및 비핵원자력 발전소 양자 모두에서 또한 사용될 수 있다.
산소는 전통적으로 산화물 코팅의 형성을 위해 사용된다. 원자력 발전소가 작동 중일 때, 구조적 재료, 예컨대 철, 크롬 및 다른 재료의 성분이 냉각제 내로 확산된다. 구조적 재료의 전술한 성분이 산화제, 예컨대 산소에 대해 보다 높은 화학 친화력을 갖는다는 사실로 인해, 냉각제 내에서 철, 크롬 및 구조적 재료의 다른 성분의 농도 상승은 산화제, 예컨대 산소의 농도 감소를 초래한다. 이는 보호용 산화물 코팅의 용해를 초래할 수 있으며, 이는 부식율을 현저하게 증가시킬 것이다. 결과적으로, 안전 모드에서 원자력 발전소의 장기간의 작동을 보장하는 최소 수준으로 부식율을 감소시키기 위해, 냉각제에 산화제를 공급하여 보호용 산화물 코팅이 냉각제 내에 용해되지 않을 때의 레벨로 그 농도를 상승시키는 것이 요구된다. 이와 관련하여, 산소는 상당히 적절한 산화제인데, 왜냐하면 산소는 예컨대 가스, 또는 냉각제의 산화물이 형성되는 다양한 재료의 산화물의 형태로 냉각제에 공급될 수 있기 때문이다.
전술한 바와 같은 관점에 있어서, 냉각제에서의 산화제의 요구 농도, 특히 산소의 농도를 제어 및 유지하는 것이 중요하며, 이에 따라 냉각제와 접촉하는 원자로의 내측 표면 상에서의 보호용 산화물 코팅이 냉각제 내로 용해되지 않게 되어 원자로 재료의 부식을 방지한다. 산소는, 철, 크롬 및 냉각제 내로 확산되는 구조적 재료의 다른 성분의 산화를 위해 꾸준하게 소모되며, 원자로 재료의 최소 부식율을 보장하는 특정 범위 내에서 산소의 농도를 유지하기 위해서는, 예컨대 상기 특정 범위의 하한에 도달할 때 또는 산소 농도가 허용 가능한 레벨 미만으로 감소될 때 산소가 냉각제에 공급되어야 한다.
특허 RU2100480(1997년 12월 27일자로 허여됨)은, 냉각제 표면 위에 있는 보호용 가스에 또는 냉각제에 대해 직접적으로 불활성 가스와 혼합된 산소를 주입하는 것뿐만 아니라 냉각제 내에서 냉각제 성분 산화물을 용해시키는 것으로서, 냉각제에서의 산소 농도를 상승시키기 위한 전술한 방법을 개시하고 있다.
그러나, 언급된 특허에서 설명된 방법은, 냉각제 내로의 산소 주입(냉각제에서의 산소 농도의 상승), 다시 말해서 산소 공급의 시작/종료 및 냉각제 산화물의 용해, 냉각제 내에서의 산소 농도의 측정 속도, 즉 공급되는 산소의 체적 및 용해되는 냉각제 산화물의 체적을 제어할 수 없다는 단점을 갖는다. 게다가, 냉각제 표면 위에 있는 보호용 가스의 체적에 대해 불활성 가스와 혼합된 산소를 공급할 때, 냉각제 내로 확산되는 산소의 비율은 비교적 낮고, 불활성 가스와 혼합된 산소 분율의 상승과 함께 냉각제 표면 상에 산화물 박막[산화물 크러스트(oxide crust)]가 형성될 우려가 증가하게 된다.
특허 RU2246561(2005년 2월 20일자로 허여됨)는 냉각제 내에서 냉각제 산화물의 용해를 제어하기 위한 방법 및 디바이스를 개시하고 있지만, 가스 형태로 냉각제 내에 산소를 주입하는 것을 제어하기 위한 가능성에 대해 어떠한 데이터도 포함하고 있지 있다.
본 발명의 목적은 원자력 발전소에서 산소 농도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스를 제공하는 것이며, 보다 구체적으로, 핵원자력 발전소의 냉각제에서 가스 형태로 공급되는 산소의 농도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은, 다양한 모드들에서, 예컨대 원자로의 구조적 재료의 패시베이션 모드(passivation mode), 통상 작동 모드, 보호용 산화물 코팅의 파손 중의 비정상 모드, 및 다른 모드들에서 핵원자력 발전소의 효율적이고 안전한 준비 및 작동을 보장하는 것이다. 전술한 바와 같은 관점에 있어서, 본 발명의 다른 목적은, 냉각제에서의 산소 농도의 제어(상승)를 위한 방법들 사이에서 전환하는 것, 산소 농도 제어를 위해 사용되는 장비의 안정성을 개선하는 것, 그리고 모든 모드에서 핵원자력 발전소의 안전한 준비 및 작동을 보장하는 장비 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 원자로, 원자로 내에 위치하게 되는 냉각제, 원자로의 냉각제 부근의 공간에 대해 유출구를 갖는 가스 시스템, 고상의 냉각제 산화물을 유지하는 질량 교환 장치로서, 질량 교환 장치를 통한 냉각제의 유동을 허용하도록 되어 있으며 냉각제 내에 설치되는 것인 질량 교환 장치, 부분적으로 냉각제 내에 설치되며 부분적으로 냉각제 부근의 공간에 설치되고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 공급하도록 되어 있는 분산기, 및 냉각제 내의 산소 센서를 포함하는 원자력 발전소의 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 방법을 이용하는 것에 의해 달성된다.
상기 방법을 이용하면, 다음과 같이 진행된다. 즉, 냉각제 내의 산소 센서로부터 수신되는 데이터에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도를 추정하고, 산소 농도의 추정값을 허용 가능한 값과 비교하며, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 변경값이 농도의 감소를 나타낸다면 감소값 및/또는 감소율을 대응하는 문턱값과 비교하고, 냉각제에서의 산소 농도의 추정값이 허용 가능한 값 미만이면서 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율이 대응하는 문턱값 미만이라면 질량 교환 장치를 활성화시키며, 냉각제에서의 산소 농도의 추정값이 허용 가능한 값 미만이면서 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율이 대응하는 문턱값을 초과하면 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 함유 가스를 공급하고, 및/또는 분산기(disperser)를 활성화시킨다.
질량 교환 장치의 활성화 또는 산소 함유 가스의 공급 이후에 그리고 분산기의 활성화 이후에 냉각제에서의 산소의 추정된 농도가 허용 가능한 값에 도달하거나 또는 허용 가능한 값을 초과한다면, 상기 방법의 바람직한 옵션(option)은, 질량 교환 장치 또는 분산기의 비활성화 및/또는 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급 중단을 제안한다. 게다가, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급을 중단시키는 것에 추가하여 산소 비함유 가스(oxygen-free gas)가 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 공급될 수 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 원자로, 원자로 내에 위치하게 되는 냉각제, 원자로의 냉각제 부근의 공간에 대해 유출구를 갖는 가스 시스템, 고상의 냉각제 산화물을 유지하는 질량 교환 장치로서, 질량 교환 장치를 통한 냉각제의 유동을 허용하도록 되어 있으며 냉각제 내에 설치되는 것인 질량 교환 장치, 부분적으로 냉각제 내에 설치되며 부분적으로 냉각제 부근의 공간에 설치되고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 공급하도록 되어 있는 분산기, 및 냉각제 내의 산소 센서를 포함하는 원자력 발전소의 냉각제에서의 산소 농도를 제어하는 제어 시스템를 이용하는 것에 의해 달성된다.
상기 제어 시스템은, 냉각제 내의 산소 센서로부터 데이터를 수신하도록, 냉각제에서의 산소 농도에 관해 수신된 데이터에 기초하여 산소 농도를 추정하도록 그리고 냉각제에서의 산소 농도의 추정값을 허용 가능한 값과 비교하기 위한 모듈에 상기 추정값을 전송하도록 구성되는, 냉각제에서의 산소 농도를 추정하기 위한 모듈; 냉각제에서의 산소 농도의 추정값을 허용 가능한 값과 비교하기 위한 모듈로서, 산소 농도 추정 모듈로부터 냉각제에서의 산소 농도의 추정값을 획득하고 이 추정값을 허용 가능한 값과 비교하도록 되어 있는 것인 모듈; 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈로서, 냉각제에서의 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율을 추정하도록 되어 있을 뿐만 아니라 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율을, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈에 전달하도록 되어 있는 모듈; 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈로서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율 그리고 대응하는 문턱값과 상기 추정값의 비교를 수신하도록 되어 있는 모듈; 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만이고 산소 농도의 추정된 변화값 및/또는 변화율이 대응하는 문턱값 미만인 경우에 질량 교환 장치를 활성화하도록 구성되는, 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈; 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만이며 산소 농도의 추정된 변화값 및/또는 변화율이 대응하는 문턱값을 초과하는 경우에 분산기를 활성화시키고 및/또는 냉각제 부근의 공간에 대한 산소 함유 가스의 공급부를 갖춘 가스 시스템을 활성화시키도록 구성되는, 가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈을 포함한다.
그 용례 중 하나에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈은, 냉각제에서의 산소 농도를 추정하기 위한 모듈로부터 수신된, 냉각제에서의 추정된 산소 농도에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율을 추정하도록 구성될 수 있다. 게다가, 냉각제에서의 산소 농도의 감소에 대한 추정값을 비교하기 위한 모듈의 일부 양태는, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 결정하도록 되어 있을 수 있으며, 냉각제에서의 산소 농도의 감소의 추정값을 비교하기 위한 모듈에 및/또는 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈과 가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈에 정보를 전달하도록 되어 있을 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈은, 냉각제에서의 산소 농도의 추정값이 허용 가능한 값에 근접하거나 또는 상기 허용 가능한 값을 초과하면, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급을 중단시키기 위한 모듈 및/또는 가스 시스템 및 분산기의 제어를 위한 모듈 그리고 질량 교환 장치를 비활성화시키도록 되어 있다. 게다가, 가스 시스템 및 분산기의 제어를 위한 모듈은, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 비함유 가스를 공급하도록 되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 원자로, 원자로 내에 위치하게 되는 냉각제, 원자로의 냉각제 부근의 공간에 대해 유출구를 갖는 가스 시스템, 고상의 냉각제 산화물을 유지하는 질량 교환 장치로서, 질량 교환 장치를 통한 냉각제의 유동을 허용하도록 되어 있으며 냉각제 내에 설치되는 것인 질량 교환 장치, 부분적으로 냉각제 내에 설치되며 부분적으로 냉각제 부근의 공간에 설치되고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 공급하도록 되어 있는 것인 분산기, 및 냉각제 내의 산소 센서를 포함하는 핵원자력 발전소를 이용하는 것에 의해 달성된다. 언급된 원자력 발전소는 임의의 앞서 설명한 옵션에 따른 방법 또는 시스템에 따라서 냉각제에서의 수소 농도를 제어하도록 되어 있다.
본 발명은, 원자력 발전소에서 산소 농도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스를 제공하는 것, 구체적으로, 핵원자력 발전소의 냉각제에서 가스 형태로 공급되는 산소의 농도를 제어하기 위한 방법 및 디바이스를 제공하는 것과 같은 기술적 결과를 달성하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 본 발명은, 다양한 모드들에서, 예컨대 원자로의 구조적 재료의 패시베이션 모드(passivation mode), 통상 작동 모드, 보호용 산화물 코팅의 파손 중의 비정상 모드, 및 다른 모드들에서 핵원자력 발전소의 효율적이고 안전한 준비 및 작동을 제공하는 것과 같은 기술적 결과를 달성하는 것을 가능하게 한다. 앞서 언급된 바와 별개로, 후술하는 기술적 결과, 즉 냉각제에서의 산소 농도의 제어(상승)를 위한 방법들 사이의 전환, 안전성, 신뢰성, 산소 농도의 제어를 위해 사용되는 장비의 작동 수명의 연장, 그리고 모든 모드에서의 핵원자력 발전소의 안전한 준비 및 작동을 보장하는 장비 제어 시스템의 제공이 달성된다.
도 1은 본 발명에 따른 원자력 발전소의 개략적인 도면을 도시한 것이다.
도 2는 질량 교환 장치의 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 분산기(disperser)의 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 냉각제에서의 산소 농도 센서의 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 방법의 블록도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따라 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 디바이스의 실시예들 중 하나의 실시예의 구조적 개략도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따라 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 디바이스의 다른 실시예들의 구조적 개략도를 도시한 것이다.
본 발명은, 도 1에 제시된 바와 같이 원자로(101), 냉각제(104), 가스 시스템(108), 질량 교환 장치(114), 분산기(112), 및 냉각제(104) 내의 산소 농도 센서(110)를 포함하는 원자력 발전소(예컨대, 핵원자력 발전소)에 적용된다.
원자로(101)는 탱크이며, 이 탱크의 벽(102)은 원자력 발전소의 안전한 작동을 위해 필요한 적절한 기계적 내구성, 열적 내구성, 방사선 내구성 및 다른 유형의 내구성을 갖춘 재료, 예컨대 강으로 제조된다. 원자력 발전소의 안전한 작동은, 원자로 코어(103)가 방사성 핵분열의 과정에서 에너지를 방출하는 방사성 재료를 포함한다는 사실 때문에 특히 중요하다. 열의 형태인 특정 양자(quantum)의 이러한 에너지는, 원자로 내에 위치하게 되고 코어(즉, 냉각제 내에 위치하게 되는 방사성 재료)와 접촉하는 냉각제(104)에 전달되며, 추가로 열 교환기(107)에 전달되는데, 여기서 열 에너지는 방사성 소스(radioactive source)로부터 소정 거리에서 다른 재료(예컨대, 물, 증기, 및 다른 흡열성 재료)에 전달된다. 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 열 교환기는, 터빈의 활성화 또는 다른 매체의 가열을 위해 사용될 수 있는 증기를 발생시키도록 설계되는 증기 발생장치일 수 있다. 열 교환기(107) 이후에, 열 에너지는 방사선 오염의 위험 없이 원자로 너머로 유틸리티 시스템(utility system)을 통해 전달되며, 이에 따라 방사선 오염은 원자로 내에 집중된다. 이와 함께, 주위 영역에 대한 방사선 오염의 극단적이고 바람직하지 않으며 장기적인 영향으로 인해, 원자로의 강도 및 안전한 작동에 대해 특별한 주의가 이루어지게 된다. 코어(103)로부터 원자로의 열 교환기(107)로의 열의 장기적이고 효율적인 전달을 위해서, 원자로(101) 내에서, 코어 및 열 교환기를 커버(cover)하는 회로 내에서 냉각제를 순환시키는 것이 바람직하다. 순환을 위해 펌프가 사용될 수 있다(도 1에는 도시되어 있지 않음).
오랜 기간 원자로의 강도를 유지함에 있어서 중요한 인자들 중 하나는, 원자로 벽(102)의 구조적 재료, 원자로 벽의 보강부, 설비, 강도 및 다른 요소의 부식을 방지하거나 허용 가능한 수준으로 완화시키는 것이다. 또한, 액체 금속, 예컨대 나트륨, 리튬, 납, 비스무스 등으로부터의 냉각제가 냉각제(104)로서 사용될 때, 언급된 인자가 고려되어야 한다. 중금속(납, 비스무스)은, 중금속의 높은 안정성, 특히 낮은 화재 위험의 관점에서의 안정성 때문에 경량 금속에 비해 장점을 갖는다.
게다가, 중금속으로 제조되는 냉각제는 물 유입의 경우에 있어서 그 특성의 안정성으로 인해 장점을 갖는다. 물론, 이러한 냉각제의 물리적 특성 및 화학적 특성은 물 유입의 경우에 변하게 되지만, 이러한 변화는 미미하며 추가적인 작동을 가능하게 한다. 이는, 물이 존재하거나 액체의 형태로 혹은 증기의 형태로 유동하는 장비, 예컨대 열 교환기 또는 증기 발생장치의 가능한 사고 또는 누출의 관점에서 원자력 발전소의 안정성을 개선하는 데 있어서 유용할 수 있다. 비록 열 교환기 또는 증기 발생장치에 결함(누출을 나타냄)이 있을지라도, 원자력 발전소는 결함이 있는(누출이 나타나는) 장비의 수리 또는 교체 이전에 작동될 수 있는데, 왜냐하면 중금속으로 제조되는 냉각제는 액상의 물 또는 증기상의 물의 분사 시에 그 물리적 특성 및 화학적 특성의 미미한(중대하지 않은) 의존도로 인해 전술한 작동 모드를 가능하게 하기 때문이다.
원자로의 구조적 재료에 대한 부식 효과를 감소시키기 위해, 예컨대 냉각제에 대해 산소 또는 산소 함유 재료를 공급함으로써, 냉각제와 구조적 재료 사이의 경계 상에 산화물 코팅을 형성하는 것이 유리한 것으로 판단되며, 이때 전술한 재료는, 산소가 구조적 재료(예컨대, 강)와 반응할 수 있고 산화물 박막 형태의 산화물을 형성하는 원자로 벽을 향해 냉각제에 의해 전달될 수 있다. 이러한 부식방지식 보호의 추가적인 장점은, 산화물의 낮은 열 전도도로 인한, 냉각제와 원자로 벽 사이에서의 열 교환율의 감소이다.
산소는 여러 가지 방식으로 냉각제 내로 주입될 수 있다. 이러한 방식들 중 하나의 방식을 실시하기 위해, 원자력 발전소는 냉각제(104) 부근의 공간(106)(도 1에 도시된 바람직한 실시예에서는 냉각제 위에 있는 공간)에 대해 원자로(101)로 향하는 유출구를 갖는 가스 시스템(108)을 포함해야 한다. 냉각제(104)는 단지 원자로 탱크의 일부만을 점유하여, 가열 중에 냉각제의 열 팽창으로 인한 원자로 감압(reactor depressurization)의 위험을 감소시킨다. 냉각제(104)의 표면(105)("레벨") 위에 위치하게 되는 원자로 탱크의 상부 부분(106)은 부식 및 원하지 않는 화학 반응을 방지하기 위해 불활성 가스(He, Ne, Ar) 또는 불활성 가스들의 혼합물로 충전되어야만 한다. 가스 시스템(108)은 냉각제 위의 공간 또는 냉각제 부근의 공간에 가스를 공급하도록 마련되며, 다른 실시예에서 상기 공간은 냉각제 저장소로부터 떨어져 있는 공간일 수 있다.
가스 시스템(108)은 파이프라인(파이프), 절연 밸브(109), 필터, 펌프, 및 가스 시스템에서 일반적으로 사용되고 본 발명의 배경기술로부터 알려져 있는 다른 장비를 포함한다. 가스 시스템은 불활성 가스 및 산소의 소스(source)에 연결되며, 불활성 가스와 산소를 혼합시키도록 구성된다. 따라서, 가스 시스템은 불활성 가스뿐만 아니라 불활성 가스들의 혼합물을 공급할 수 있다. 부식에 견디기 위해, 산소 함유 가스, 예컨대 불활성 가스와 산소의 혼합물(순수한 산소는 원자로의 구조적 재료 및 액체 금속 냉각제에 심각한 위험이 됨)이 원자로의 냉각제 부근의 공간에 공급될 수 있다. 가스상 혼합물은 1/5 이하의 산소를 함유할 수 있으며, 이러한 비율은 구조적 재료 및 냉각제에 대한 원치 않는 위험 없이 가스 내에 함유되는 산소의 충분한 활성도(activity)를 보여준다.
특히, 불활성 가스 및 산소는, 절연 밸브(예컨대, 전기식 액추이에터 또는 유압식 액추에이터를 갖춘 밸브)를 조정함으로써 또는 추진 펌프를 활성화함으로써 압축 가스를 갖춘 탱크로부터 가스 시스템의 혼합 탱크 또는 파이프라인으로 공급될 수 있으며, 상기 추진 펌프는 상호 연결된 파이프/파이프들 상의 절연 밸브의 관련 상태 하에서 저장 탱크로부터, 요구되는 혼합 탱크 또는 파이프라인으로 전술한 가스를 펌핑(pumping)한다. 전술한 가스 또는 전술한 가스의 혼합물은 절연 밸브 및/또는 펌프의 적절한 제어에 의해 보관 탱크 또는 혼합 탱크로부터 파이프라인을 통해 원자로의 냉각제 부근의 공간으로 공급될 수 있다(만약 펌프가 활성화될 수 없다면, 가스는 높은 압력에 의해 공급될 수 있으며, 가스는 이러한 높은 압력 하에서 대응하는 탱크 내에 유지됨).
산소 함유 가스가 원자로의 냉각제 부근의 공간으로 공급된다면, 산소는 냉각제 내로 확산될 수 있거나, 또는 냉각제의 성분, 예컨대 비스무스 및 납을 산화시키며, 냉각제 산화물은 대류 혹은 순환에 의해 원자로의 내측을 향해 전달될 수 있고, 여기서 냉각제 산화물은 Fe, Cr, Zn과 같은 구조적 재료 및 다른 재료의 성분과 접촉 시에 언급된 성분을 산화시킬 수 있다. 이는, 전술한 성분이 비스무스 및 납보다 산소에 대해 더 높은 화학 친화성을 나타낸다는 사실로 인해 발생하게 된다(예컨대, 이에 따라 전술한 냉각제 성분을 재생시킴). 부식을 방지하기 위해 구조적 재료의 표면 상에 산화물 박막을 유지하기 위한 이러한 방법은, 예컨대 구조적 재료의 성분의 산화를 위한 산소의 소비가 냉각제의 표면을 통해 냉각제 부근의 공간으로부터 전달되는 산소의 유량에 따를 때인 정상 상태 모드(steady-state mode)에서 사용될 수 있다(그리고 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 이러한 방법의 실시는 원자력 발전소의 제어 시스템에 의해 행해질 수 있음). 그러나, 부식방지식 보호를 위해 냉각제에서의 필요한 산소 농도를 유지하기 위한 이러한 방법은, 가스로부터 액체 냉각제 내로의 산소의 수동적 침투의 낮은 효율로부터 귀결되는 프로세스의 작용의 지연 및 낮은 제어 가능성과 같은 단점을 가질 뿐만 아니라, 원자로의 냉각제 부근의 공간에 있는 구조적 재료에 대한 산소의 큰 악영향 및 냉각제 표면 상의 산화물 박막의 형성의 위험 증가에 따른, 가스 내의 산소 분율의 상승으로 인해 냉각제 내에서의 산소 농도의 축적 불능과 같은 단점을 갖는다.
따라서, 냉각제 표면을 통한 확산에 의해 냉각제 내로 산소를 주입하는 것은, 거의 무제한적인 산소의 소스를 제공한다. 그러나, 냉각제에서의 산소 농도의 증가를 위한 이러한 방법은, 매우 정확하지 않으며, 느리고 제어가 불가능하다. 구조적 재료의 내부식성은, 냉각제에서의 산소 농도의 상승을 위한 제어되고 정확하며 보다 신속한 방법을 요구한다. 이러한 방법은, 냉각제(104) 내에 설치되는 질량 교환 장치(114)의 사용을 통해 마련될 수 있다.
질량 교환 장치는, 고상의 냉각제 산화물이 유지되도록 하기 위한 컨테이너(container)일 수 있다. 예를 들어, 냉각제가 납 및/또는 비스무스로 이루어진다면, 질량 교환 장치는 작은 알갱이 형태로 납 및/또는 비스무스의 고상 산화물을 수용할 수 있다. 이러한 고상 산화물은 냉각제 내에서 용해될 수 있으며, 이들이 냉각제 성분의 산화물이라는 사실로부터 그 효과가 어느 정도는 앞서 언급된 성분의 산화 및 가스 매체로부터의 산소의 침투와 유사하지만, 이 경우에 있어서는 프로세스의 강도의 제어가 가능하다. 냉각제는 질량 교환 장치를 통해 유동하여 냉각제 내에서 냉각제 성분의 고상 산화물을 용해시킨다. 이를 위해, 예컨대 과립 형태인 냉각제 성분의 산화물을 수용하는 질량 교환 장치의 하우징은 구멍을 갖추고 있어야 하며, 이 구멍을 통해 냉각제가 유동하게 된다.
냉각제 내에서의 냉각제 성분의 고상 산화물의 용해 효율(용해 속도)은 특히 질량 교환 장치를 통한 냉각제 유동의 속도에 따라 좌우된다. 질량 교환 장치를 통한 냉각제 유동의 속도를 제어하기 위해, 질량 교환 장치에 또는 질량 교환 장치가 위치하게 되는 원자로 탱크의 부분에 펌프가 마련될 수 있다. 이러한 펌프는 다양한 속도로 냉각제를 펌핑하게 되며, 이러한 펌프의 작동은 외부에서(원격으로) 제어될 수 있다. 질량 교환 장치를 통과하는 냉각제 유동의 속도는, 냉각제를 가열하여 냉각제의 순환을 발생시키는 히터에 의해 제어될 수 있다. 히터 작동은 외부에서(원격으로) 제어될 수 있다. 이러한 히터의 사용은, 히터가 가동 요소를 구비하지 않는다는 점으로 인해 펌프에 비해 장점을 가지며, 이는 질량 교환 장치의 작동 수명의 연장 및 원자로 안정성의 대체적인 개선에 있어서 매우 중요한데, 왜냐하면 질량 교환 장치(및 이에 따른 히터 또는 펌프)는 방사선 활성이 높은 상태에서 고온의 냉각제에서 작동하기 때문이다.
냉각제에서의 냉각제 성분의 고상 산화물의 용해 효율(용해 속도)은 또한 냉각제가 접촉하고 있는 성분의 고상 산화물의 체적 및 표면적에 따라 좌우된다. 산화물(예컨대, 작은 알갱이의 형태임)이 수용되어 있는 탱크의 체적으로서, 이를 통한 냉각제 흐름이 다시 밸브의 사용을 통해 제어될 수 있는 것인 탱크의 체적은, 원격으로, 예컨대 전기식 액추에이터의 사용을 통해 제어될 수 있다.
게다가, 냉각제에서의 고상 성분의 용해 효율(용해 속도)은 또한 상호작용하는 냉각제 및/또는 냉각제의 고상 성분의 온도에 따라 좌우된다. 전술한 온도는 또한, 그 작동이 외부에서(원격으로) 제어될 수 있는 히터에 의해 제어될 수 있다.
따라서, 냉각제에서 고상의 냉각제 성분의 용해 효율(용해 속도)을 제어하기 위한 다수의 다양한 방법이 존재하며, 이들 방법 중 일부는 앞서 설명된 바 있다. 본 발명에 있어서, 이러한 모든 방법은 총합적으로 질량 교환 장치의 "활성화"("활성화 활동")으로 불리는데, 왜냐하면 이들 방법이 냉각제의 고상 성분의 과도한 용해와 관련되기 때문이다. "활성화되지 않은"("비활성화된") 상태에 있어서, 즉 예컨대 질량 교환 장치를 통한 냉각제의 유동을 증가시키는 펌프 또는 히터가 스위치 오프(switch off)되어 있을 때, 또는 냉각제가 고상의 냉각제 성분 주위로 최소량으로 유동하거나 혹은 고상의 냉각제 성분 주위로 전혀 유동하지 않는 위치로 밸브가 설정되어 있을 때, 또는 상호작용 효율을 높이기 위해 냉각제 및/또는 냉각제의 고상 성분의 온도를 상승시키는 데 사용되는 히터가 스위치 오프되어 있을 때[냉각제에서의 고상 성분의 용해 효율(용해 속도)의 증가를 위한 전술한 방법에 따른 예가 제시되어 있음. 다른 방법을 사용할 때 활성화되지 않은 상태 또는 비활성 상태는 냉각제에서의 고상의 냉각제 성분의 용해의 대응하는 최소 효율(최저 속도)에 따라 결정됨], 냉각제에서의 고상의 냉각제 성분의 용해 효율(용해 속도)은 최소이거나 또는 0이 된다[일반적인 경우에 있어서, 냉각제가 원자로 내에서의 통상적인 순환으로 인해 질량 교환 장치를 통과할 수 있기 때문에 용해 효율(용해 속도)은 어느 정도의 값을 가질 수 있으며(다만, 앞서 설명된 추가적인 방법을 이용함에 따른 유동의 유발에 의한 것이 아님), 상호작용의 현재 온도는 그 자체로 용해를 유발할 수 있음(추가적인 가열에 따른 것이 아님)].
결과적으로, 문구 "질량 교환 장치를 활성화"가 사용될 때, 이는 냉각제에서의 고상의 냉각제 성분의 용해 효율(용해 속도)을 높이는 디바이스가 스위치 온(switch on)되어 있음을 의미한다. 반대로, 문구 "질량 교환 장치를 비활성화"는, 냉각제에서 고상의 냉각제 성분의 용해 효율(용해 속도)을 증가시키는 디바이스가 스위치 오프되어 있거나 또는 용해 효율(용해 속도)이 가능한 최소값을 갖는 위치로 전환되는 것을 의미한다.
활성화/비활성화는, 장비 작동의 2가지 이상의 상태를 보장할 수 있다. 2가지 상태의 경우에 있어서, 질량 교환 장치가 최소 작동(또는 비작동) 및 최대 작동을 나타낼 수 있을 때, 냉각제로 전달되는 산소는 질량 교환 장치가 최대 작동 상태에 있는 동안의 시간만큼 제어될 수 있다. 더 많은 작동 상태가 질량 교환 장치에 대해 정립된다면, 냉각제 내로의 산소 주입의 속도는 또한 제어될 수 있다(즉, 고상 성분의 체적이 시간 단위에 따라 냉각제 내에서 용해됨). 제한적인 경우에 있어서, 질량 교환 장치 작동에 대한 그 값의 제어에서 이산적이지만 아날로그는 아닌 연속성이 마련될 수 있으며, 이는 심지어 냉각제에서의 고상의 냉각제 성분의 용해 효율(용해 속도)을 제어할 가능성을 더욱 향상시키고, 이는 다시 제어의 정확도를 개선시킨다.
도 2는 질량 교환 장치의 가능한 실시예들 중 하나를 도시한 것이다. 질량 교환 장치는, 바닥(202) 및 커버(203)에 의해 한정되는, 질량 교환 장치의 하우징(201)에 의해 형성되는 탱크를 포함한다. 상기 탱크는, 냉각제 레벨 미만으로 탱크 내부에 위치하게 되고 상부에서 천공된 그릴(204)에 의해 한정되는 유동 반응 구성요소(210)를 포함한다. 제한용 그릴(204)은, 고상의 과립상 산화체(206)가 부력 하에서 올라오는 것을 방지한다. 산소 농후 냉각제는, 제한용 그릴(204), 및 제한용 그릴(204) 위에서 하우징 벽(201)의 상부 부분에 위치하게 되는, 하우징 벽(201)에 있는 구멍(207)을 통해 질량 교환 장치로부터 나오게 되고, 원자력 발전소의 1차 회로의 냉각제와 혼합된다.
그릴(204) 아래에 배치되어 있는 고상 산화체(206)(특히, 냉각제 성분의 고상 산화물)는 냉각제와 상호작용할 때 용해되며, 냉각제에서 산소가 농후해지도록 한다. 반응 챔버(210) 내에 위치하게 되며 천공된 그릴(204)을 통과하는 히터(205)는 반응 챔버(210) 내의 냉각제를 가열하도록 설계된다. 유입구 구멍(208)은, 질량 교환 장치의 작동 중에 하우징(201)과 전기 히터(205) 사이의 틈새에서 반응 챔머(210) 내에 배치되는 고상 산화체의 층을 통해 냉각제가 이동하게 되도록 하기 위해 전기 히터(205)의 하단 플레이트의 레벨에서 하우징(201)의 벽에 위치하게 된다. 유출구 구멍(207), 유입구 구멍(208), 및 그릴(204) 내의 구멍은, 바람직하게는 고상 산화체의 알갱이보다 크기 면에서 더 작은 좁은 슬롯의 형태로 제조된다.
작동될 때, 질량 교환 장치는, 유출구 구멍(207)이 냉각제 내에 있도록 냉각제 내에 침지될 것이다. 질량 교환 장치는, 냉각제가 설치 위치를 통해 유동하게 되도록 원자로 내에 위치하게 될 것이다. 냉각제 층의 높이가 질량 교환 장치를 침지시키기에 불충분하다면, 설치 위치에는 포켓이 마련될 것이며, 이 포켓 내에 질량 교환 장치의 하우징이 잠겨 있게 된다. 냉각제는 전기 히터(205)의 작동 중에 반응 챔버를 통한 액체 금속 냉각제의 대류 흐름으로 인해 포켓을 통해 유동할 수 있다.
도 2에 도시된 질량 교환 장치는 다음과 같이 작동한다. 전기 히터(205)가 스위치 온되어 있을 때, 냉각제는 자연 대류에 의해 하우징(201)과 전기 히터(205) 사이의 틈새에 있어서 유동 반응 챔버(210) 내에 배치되는 과립형 고상 산화체(206)를 통해 유동한다. 냉각제(104)(바람직하게는 액체 금속 냉각제)는 주위 공간으로부터 질량 교환 장치로 유입구 구멍(208)을 통해 나오게 되며, 반응 챔버(210) 내에 배치되는 과립형 고상 산화체(206)를 통해 바닥으로부터 상방으로(화살표로 도시된 바와 같음) 이동한다. 고상 산화체의 작은 알갱이는, 냉각제와 상호작용할 때 냉각제 내에서 용해되며, 냉각제에서 산소가 농후해지도록 한다. 산소 농후 냉각제는 유출구 구멍(207)을 통해 질량 교환 장치로부터 나오게 되며, 원자로 1차 회로의 냉각제와 혼합된다. 용량 값(capacity value), 즉 단위 시간 당 질량 교환 장치로부터 공급되는 산소의 양은, 전기 히터의 파워를 변경시킴으로써 제어된다. 고상 산화체의 용해 속도는 높은 온도에서 상승하게 된다. 고상 산화체(예컨대, 납 산화물)의 밀도가 냉각제(납 또는 납-비스무스)의 밀도보다 낮기 때문에, 냉각제 성분의 고상 산화물은 상방을 향해 이동하게 되고, 냉각제가 통과하여 유동하게 허용하는 그릴(204)에 의해 냉각제 본체 내에서 유지된다.
가열 요소(205)의 상부 부분에는 와이어(115)가 존재하며, 이 와이어는 가열 요소(205)에 전압을 공급하기 위해 사용된다. 질량 교환 장치를 활성화시키기 위해서는 단지 히터(205)로 냉각제를 가열하는 것만이 필요하다는 사실로 인해, 질량 교환 장치(114)의 통상 작동은 원자로 용기(102)를 통한 배선[케이블(115)]을 필요로 한다. 상기 와이어는 질량 교환 장치의 가열 요소(205)를 가열하기 위해 전류를 공급하고, 이에 따라 질량 교환 장치를 활성화시킨다. 이는 질량 교환 장치의 작동의 안전한 원격 제어(및 이에 따른 냉각제에서의 산소 농도의 제어)를 제공하는데, 왜냐하면 이러한 구성은 원자로 용기에서의 구멍의 개수 및 크기를 최소화하고 원자로 용기 내로의 침투 필요성 또는 냉각제에서 산소 농도를 제어하기 위한 원자로의 감압의 필요성을 없애며, 이는 원자로 용기의 고도의 누출 기밀 및 강도를 보장하고, 원자력 발전소의 작동 수명 및 안전한 작동에 긍정적인 효과를 나타낸다.
질량 교환 장치는 냉각제에서의 산소 농도를 적절하게 제어하지만, 이는 산소 농도 증가의 불충분한 속도/효율을 특징으로 할 수 있다. 게다가, 냉각제 성분의 소모성 고상 산화물의 비축은 제한된다. 용량이 증가된 여러 가지 질량 교환 장치가 원자로 내에 설치될 수 있지만, 원자로 체적 및 원자력 발전소의 다른 장비를 위해 필요한 공간에 대해 한정이 있을 수 있다. 결과적으로, 이는, 냉각제 내로 주입될 산소의 큰(무제한의) 체적 및 농도 상승의 큰 속도/효율을 갖는 것인 산소 농도 증가를 위한 방법을 요구한다.
냉각제에서의 산소 농도 증가를 위해 이러한 방법을 제공하기 위해서, 원자로(101)는 분산기(112)를 포함하며, 이 분산기는 또한 가스를 분사함으로써 냉각제(104) 내의 산소 농도를 증가시키기 위한 제어 가능한 방법을 제공하고, 분산기는 냉각제(104)의 표면(105) 위에 있는 공간(106)으로부터 냉각제(104) 내로 산소를 포함시킬 수 있다. 이를 위해, 분산기(112)는 부분적으로 냉각제(104) 내에 설치되며, 부분적으로 냉각제 부근의 공간(104) 내에 설치된다. 산소 함유 가스는 가스 시스템 파이프라인으로부터 직접 냉각제 내로 주입될 수 있지만, 이러한 경우에 있어서, 파이프라인은 냉각제 내에 잠겨 있게 될 것이며, 이는 파이프라인의 플러깅(plugging) 및 클로깅(clogging)을 초래할 수 있으며, 이에 따라 원자력 발전소의 안정성에 영향을 주고 작동 수명을 단축시킨다.
도 1에 도시된 바람직한 옵션에 있어서, 분산기(112)는 수직으로 설치되는데, 이러한 경우에 있어서 냉각제(104) 위의 공간(106)은 냉각제 부근의 공간으로서 사용될 수 있으며(이에 따라, 가스를 위해 별도의 공간을 배치하기 위한 추가적인 조치가 전혀 필요하지 않음), 냉각제 및 고상 산화물이 분산기 내로 침투하지 못하거나 또는 클로깅을 유발하기 때문에 분산기(112)는 그 작동 수명을 연장시키는 위치로 설정되고, 이는 분산기의 작동 수명을 연장시킨다. 분산기가 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 공급할 수 있을 때, 구체적인 경우에 있어서 냉각제 위의 공간에 위치하게 되는 분산기의 상부 부분에 있는 구멍을 통해 혼입되는 가스는 분산기(예컨대, 샤프트) 내의 채널을 통해 하방을 향해 진행하며, 냉각제 내에 위치하게 되는 그 하부 부분으로부터 나오게 된다(방향의 명명은 분산기의 다른 레이아웃에서는 이에 따라 변경됨).
냉각제 내로 가스를 분사하기 위해, 냉각제 부근의 공간에서 압력 상승이 나타날 수 있으며, 이러한 압력은, 분산기보다 낮은 내부 압력을 갖는 냉각제 내로의 가스의 강제 침투를 유발하게 된다. 압력값은 이러한 공간 또는 가스 시스템 파이프라인과 함께 압력 센서에 이웃한 공간에 있는 압력 센서에 의해 결정될 수 있거나, 또는 이 공간으로 펌핑된 가스의 양에 따라 유량 계량기의 사용을 통해 결정될 수 있다. 분산기 유출구 구멍들이 클로깅되지 않도록 하기 위해, 이들 구멍은 예컨대 회전하는 분산기의 하단 상에서 냉각제에 설치된 분산기의 가동 요소 상에 주로 형성된다.
냉각제 부근의 공간에서의 가스 압력 상승의 발생 외에도, 가스는 냉각제 내에, 예컨대 분산기 부근에 저압의 국지적인 영역을 형성함으로써 냉각제 내로 분사될 수 있다(가스가 냉각제와 혼입됨). 이는, 블레이드를 구비할 수 있는 분산기의 하부 부분에서 디스크를 사용함으로써 달성될 수 있다. 상기 디스크는, 회전할 때, 원심력의 작용 하에서 냉각제에서의 저압 영역을 형성한다. 냉각제 위의 공간으로부터 디스크 부근의 하위 구멍으로 길이방향 채널을 통해 진행하는 가스는 언급된 저압 영역으로 향한다. 분산기, 특히 디스크 부근에서의 냉각제 속도의 구배로 인해, 즉 분산기 부근의 냉각제가 이로부터 멀리 있는 영역에서보다 더 빠르게 이동할 때, 기포의 형태로 냉각제에 유입되는 가스는 보다 작은 기포로 파편화되고, 이에 따라 가스-냉각제의 정밀하게 분할된 2-성분 현탁액을 형성한다. 가스가 산소를 함유한다면, 냉각제에서의 산소 농도를 효과적으로 상승시키기 위한 조건이 마련된다. 분산기가 가동 요소(회전 요소)를 구비한다는 사실로 인해, 냉각제는 분산기 표면 부근에서 이동하며(분산기 표면 부근 위로 유동함), 이는 분산기로부터 고상 입자 및 박막을 씻어내고, 이에 따라 분산기의 자동적인 자체 정화를 보장한다. 이러한 성질은 분산기의 작동 수명을 연장시킬 뿐만 아니라 일반적으로 원자력 발전소의 작동 안정성 및 작동 수명을 향상시킨다.
도 3에 도시된 바람직한 옵션에 있어서, 분산기는 2개의 디스크를 구비할 수 있는데, 이러한 디스크 중 하나는 회전하고 다른 하나는 회전하지 않는다. 이러한 조합은 디스크들 사이에 냉각제의 저압 영역을 형성하며, 가스는 하나의 디스크 또는 2개의 디스크에 있는 또는 샤프트에 있는 구멍으로부터 이 영역에 도달할 수 있다. 디스크들 사이에 충분히 작은 거리를 제공하는 것이 가능하기 때문에, 그리고 디스크들 중 하나는 다른 하나에 대해 회전하기 때문에, 압력은 양 디스크가 회전할 때의 경우에서보다 더욱 빠르게 떨어진다. 그 결과로서, 냉각제 내로의 가스 분사의 효율은 개선되며, 가스 기포는 훨씬 더 작아지게 되고, 즉 가스, 특히 산소의 냉각제 내에서의 용해 효율이 개선되며, 이에 따라 산소 농도가 상승하게 된다.
냉각제 내로의 산소 함유 가스의 분사 및 냉각제에서의 산소 농도는, 냉각제 부근의 공간에서 높은 압력을 생성할 수 있는 가스 시스템 작동의 제어 능력으로 인해 조절되고, 수동 상태(디스크가 회전하지 않음)에서 냉각제 위의 공간으로부터 냉각제 내로 가스를 분사하지 않으며 능동 상태(디스크가 회전함)에서 냉각제 위의 공간으로부터 냉각제 내로 산소 함유 가스를 분사하는 분산기 작동의 제어 능력으로 인해 조절되고, 냉각제 내로의 가스 분사의 속도(비율)는 디스크 회전 속도에 따라 좌우될 수 있다. 회전하는 디스크를 갖춘 분산기의 적용은 더욱 합리적인데, 왜냐하면 이는 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 분사하기 위해 높은 압력의 생성을 요구하지 않지만, 분산기를 작동(활성화)시키기에 충분하기 때문이며, 이는 제어 시스템 작동을 단순화하고 이에 따라 제어 시스템 작동의 신뢰도를 향상시킨다.
분산기를 작동("활성화")시키기 위해, 샤프트들 및 디스크들(또는 샤프트들 중 하나와 디스크들 중 하나)을 회전시키는 것이 요구된다. 이는, 예컨대 전기 모터의 사용을 통해 행해질 수 있다. 전기 모터에 대한 냉각제의 증기 및 높은 온도의 악영향을 감소시키기 위해, 그리고 결과적으로 전기 모터의 작동 수명을 연장시키기 위해, 전기 모터는 원자로 외부에 위치하게 될 것이다(그럼에도 불구하고, 일부 실시예에서는 전기 모터가 원자로 내부에 위치하게 될 수 있음). 분산기 부품들을 회전시키기 위해, 샤프트는 전기 모터로부터 원자로 벽을 통과할 수 있다. 이를 위해, 상기 원자로 벽은 개구를 가질 것이다. 그러나, 원자로의 구조적 강도 및 이에 따른 원자로의 작동 안정성을 개선하기 위해, 바람직한 실시예에서는, 원자로 벽의 다양한 측면에서 부품들이 서로 대향되게 설치되는 자기적 커플링(magnetic coupling)을 이용하여 전기 모터로부터 분산기 요소로 회전이 전달될 수 있도록 허용한다. 자기적 절반 커플링(magnetic half-coupling)에 의해 형성되는 자기장은, 원자로 벽의 다른 측에 위치하게 되는 다른 자기적 절반 커플링에 회전력을 전달할 수 있으며, 이에 따라 분산기를 작동시킨다. 분산기 모터가 원자로 외부에 위치하게 되면, 분산기 모터는, 동력 전압을 공급함으로써 또는 공급하지 않음으로써 혹은 동력 전압의 파라메타를 변경함으로써 전기 모터에 전력을 공급하도록 설계되는, 도 1에 도시된 와이어(케이블)(113)를 통해 제어될 수 있다.
본 발명에 있어서, 전기 모터에 의한 분산기의 작동은, 분산기의 "활성화"로서 지칭되며, 분산기가 작동을 중지할 때 전기 모터의 셧다운(shutdown)은 분산기의 "비활성화"로 지칭된다. 전기 모터의 회전 속도는 다양한 방식으로, 즉 바이너리 방식(binary way)[컷오프(cut-off)/컷인(cut-in)]으로, 다양한 회전 속도에서, 또는 특정 범위 내에 속하는 임의의 회전 속도를 설정할 가능성을 유지하면서 제어될 수 있다. 결과적으로, 회전 속도가 더 빠를수록, 냉각제에서 더 많은 가스(산소 포함)가 용해되며, 더 작은 가스 기포가 형성된다.
도 3에 도시된 고체 전해질 산소 센서는 다음의 주요 요소, 즉 고정식 상위 디스크를 갖춘 분산기 하우징(301); 하위 회전 디스크(303)에 연결되는 중공 샤프트(302); 원자로 용기에 대해 분산기를 고정시키는 플랜지(304); 피동형 자기적 절반 커플링(305)의 사용을 통해 중공 샤프트(302)에 회전을 전달하는 구동형 자기적 절반 커플링(306)을 갖춘 전기 모터로 이루어진다. 절반 커플링(306)을 갖춘 전기 모터(307)는 원자로 벽(102)의 외부 상에 설치되며, 절반 커플링(305)은 원자로 벽(102)의 내부 상에 설치된다.
도 3에 도시된 바람직한 옵션에서, 분산기의 상위 디스크(스테이터)는 분산기 하우징(301)에 강건하게 연결된다. 하위 회전 디스크(303)는 회전 샤프트(302)에 연결된다. 하위 디스크 및 샤프트는 중공형이며, 하위 디스크의 공동과 샤프트의 공동은 서로 연결된다. 상위 부분에 있어서, 샤프트 공동은 구멍을 통해 가스 회로에 연결된다. 틈새를 형성하는 하위 디스크의 표면 상에서 소직경의 구멍(적어도 12개의 구멍)이 펀칭(punching)되며, 이들 구멍은 둘레 방향으로 위치하게 된다. 상위 디스크는 또한 디스크들 사이에서 공동 내로 액체 금속을 주입하기 위한 작은 구멍을 갖추고 있을 수 있다. 상위 부분에서, 회전 샤프트는, 자기적 절반 커플링(305 및 306)에 의해 주파수 변환기로부터 동력을 전달받는 밀봉형 전기 모터(307)의 샤프트에 연결된다.
분산기는 냉각제 내에 침지되며, 이에 따라 샤프트의 상위 부분에 있는 구멍은 액체 레벨 위에 있게 되며, 상위 디스크 및 하위 디스크는 액체 레벨 아래에 있게 된다. 밀봉형 전기 모터가 작동할 때, 하위 디스크는 정해진 각속도로 회전한다. 하위 디스크에 대한 냉각제 이동의 결과로서, 저압 영역이 틈새에 형성되며, 이는 하위 디스크의 공동으로부터 상위 부분에 있는 구멍을 통해 틈새 내로 가스를 분사하는 것을 촉진한다. 냉각제의 속도 구배로 인해, 틈새 내에 있는 기포는 파편화되며, 냉각제와 함께 정밀하게 분할된 가스상은 틈새로부터 냉각제의 주요 유동으로 나오게 된다.
분산기의 다른 실시예에 있어서, 하위 디스크는 고정식일 수 있으며, 상위 디스크는 회전식 디스크일 수 있다. 게다가, 냉각제 부근의 공간과 디스크에 있는 구멍을 연결하는 공동은 샤프트 및 하우징 양자 모두에 배치될 수 있다. 상기 구멍은 회전식 디스크에 형성될 수 있고 고정식 디스크에 형성될 수 있다(또는 양자 모두에 형성됨).
앞서 언급된 바와 같이, 가스 분산기의 작동 원리는, 큰 속도 구배를 갖는 유동 내로의 분사 시에 액체에서의 가스 기포의 파편화에 기초하고 있다. 표면 요소에 인가되는 Q 힘의 불균일성으로 인해, 이러한 유동에서의 대형 기포는 소형 기포로 깨지게 된다. 분산기의 바람직한 옵션에 있어서, 가스 분산기에서의 액체의 고구배 유동(high-gradient flow)이 회전식 디스크와 고정식 디스크 사이의 틈새에 형성된다. 모든 다른 조건이 동일할 때 가스상 분산의 정도는 유동에서의 속도 구배에 따라 좌우된다. 디스크들 사이의 틈새를 감소시킴으로써 또는 디스크들의 상대 운동의 선형 속도를 증가시킴으로써 상기 속도 구배가 커지게 된다.
원자로(101)에는 또한 냉각제(104) 내에 산소 센서(110)가 구비된다. 바람직한 옵션에 있어서, 이는 산소 열역학적 활동도 센서(oxygen thermodynamic activity sensor)의 형태로 형성되며, 이러한 옵션들 중 하나가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 고체 전해질 산소 센서는, 원자로 용기(405) 내에 밀봉된 세라믹 감지 요소(401), 기준 전극(402), 및 2 부분으로 이루어지는 중앙 전극을 수용하며, 상기 2 부분 중 하위 부분(406) 및 상위 부분(111)은 센서 공동 내에 위치하게 된다.
세라믹 감지 요소(401)는 구의 일부와 상호 연동되는 관형 요소의 형태로 된 고체 전해질로 이루어진다. 부분적으로 안정화된 지르코늄 이산화물, 완전하게 안정화된 지르코늄 이산화물, 또는 하프늄 산화물이 세라믹 감지 요소(401)의 제작을 위해 이용될 수 있다. 관형 요소의 측면은, 글라스 세라믹(glass ceramic) 또는 압축된 흑연화 탄소 섬유일 수 있는 연결 재료(404)에 의해 원자로 용기(405)의 내부 측면에 연결된다.
센서에는, 금속 산화물, 예컨대 알루미늄으로 제조되는 플러그(403)가 구비된다. 상기 플러그는 구멍을 가지며, 세라믹 감지 요소(401)의 공동의 단면을 덮는다. 플러그는 세라믹 감지 요소(401)의 내부 공동 내에 기준 전극(402)을 고정시키도록 설계된다. 기준 전극(402)은 플러그(403)의 표면과 세라믹 감지 요소(401)의 내부 표면 사이로 공동 내에 위치하게 되며, 공동의 적어도 일부를 점유한다. 기준 전극(402)은 비스무스, 납, 인듐, 또는 갈륨으로 제조될 수 있다.
구형 요소의 부분에 대면하여, 중앙 전극의 하위 부분(406)의 자유단은 플러그(403)에 있는 구멍을 통해 기준 전극(402)을 향하게 된다. 이는, 중앙 전극의 하위 부분(406)과 기준 전극(402) 사이의 전기적 접촉을 가능하게 한다. 구형 세라믹 감지 요소(401)의 적어도 일부는, 예컨대 강으로 제조된 원자로 용기 너머로 돌출된다. 센서의 작동 중에, 이러한 돌출 부분은, 산소의 활동도가 결정되는 용융 금속 내에 침지된다.
원자로 용기(405), 세라믹 감지 요소(401), 및 연결 재료(404)의 재료는 동일한 열 팽창 계수를 가지며, 작동 환경, 예컨대 섭씨 650 도를 초과하지 않는 온도에서의 납 용융물에 대해 화학적 내성을 갖는다. 이에 따라, 섭씨 300 도 내지 섭씨 650 도의 온도 범위 내에서 최대로 초당 섭씨 100 도인 액체 금속의 온도 변화율(열 충격)에서 센서가 작동 가능하도록 유지되게 허용한다.
부싱(408)은 원자로 용기(405)의 자유로운 부분에 용접된다. 케이블 또는 와이어로서 도 1에 도시된 중앙 전극의 상위 부분(111)은 부싱(408)의 공동으로부터 나오게 되며, 원자로 용기의 벽(102)을 통과한다. 중앙 전극의 상위 부분(111)과 부싱(408) 사이에 있는 링 형상의 공동은, 유전체 재료(410), 바람직하게는 글라스 세라믹으로 충전된다. 이러한 재료(410)는 센서 내부 공동의 누출 기밀성을 보장한다. 공기로부터 센서의 내부 공동으로의 산소의 유입, 그리고 기준 전극 특성의 변화를 방지하는 것이 필요하다. 원자로 용기(405)의 내부 공동 내에 위치하게 되는 중앙 전극의 하위 부분(406)은 절연체(407), 바람직하게는 알루미늄 산화물로 제조되는 절연체 내에 삽입된다.
산소 열역학적 활성도 센서의 작동 원리는, 선택적 산소 및 이온 전도도를 갖는 고체 전해질(예컨대, ZrO2 및 Y2O3)에 의해 분리되는 2개의 전극 사이의 전기적 전위차의 측정에 기초한다. 2개의 전극 사이의 전기적 전위차의 값은, 사전에 알려진 산소 전위(기준 전극)를 갖는 매질과 제어된 매질 사이의 산소 전위의 차이에 의해 형성된다. 기준 전극으로서, {Bi}-<Bi2O3>와 같은 이러한 "액체 금속-고체 산화물" 시스템이 이용될 수 있다. 센서로부터 수신되는 전위차의 값은 산소 열역학적 활동도의 값, 그 농도값, 또는 다른 편리한 값으로 변환될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 산소 농도를 증가시키는 수단은, 센서로부터 수신되는 전위차 값에 따라 제어될 수 있다[예컨대, 컴플라이언스 테이블(compliance table)에 따름 또는 경험적 방법 혹은 이론적 방법에 의해 정립된 대응 공식에 의함].
산소 센서의 직접적인 판독 또는 변환 판독(예컨대, 산소 열역학적 활성도)은 문턱값과 비교될 수 있으며, 비교 결과에 따라 질량 교환 장치 또는 분산기의 활성화에 대한 결정을 취할 수 있다. 예를 들어, 산소 농도가 문턱값 미만이라는 것을 특정할 수 있으며, 이때 앞서 언급한 디바이스들 중 하나의 디바이스의 활성화에 관한 결정을 취하여 산소 농도(예컨대, 산소 열역학적 활성도)를 증가시키게 된다.
본 발명에 따르면, 앞서 언급한 기술적 결과를 달성하도록 허용하는 산소 농도의 제어를 위한 방법은, 도 5에 도시된 다음의 단계들을 포함한다.
첫째로, 산소 센서 판독을 획득하는 것(단계 501), 냉각제 내의 산소 센서로부터 수신된 데이터에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도를 추정하는 것(단계 502), 그리고 냉각제에서의 추정된 산소 농도를 허용 가능한 값과 비교하는 것(단계 503)이 필요하다. 산소 농도가 허용 가능한 값 미만이면(허용 가능한 최소값 미만이면, 즉 허용 가능한 값의 범위 미만이면), 냉각제에서의 산소 농도의 변화가 추정되며(단계 504), 그 결과로서, 농도 변화의 유형(이전 레벨의 상승, 감소 또는 유지), 변화율, 변화값 등이 결정될 수 있다.
농도의 변화 및 이러한 변화의 특징은, 상이한 시간에 센서(110)로부터 수신된, 냉각제에서의 추정된 산소 농도를 비교함으로써 판단될 수 있으며, 또는 이러한 판단은 다양한 디바이스의 사용(예컨대, 용량성 요소, 유도성 요소 등의 이용을 통해 하드웨어 미분이 수행될 수 있음)을 이용한 변화율의 형태로 수신될 수 있거나, 혹은 본 발명의 배경기술로부터 알려진 임의의 다른 방법을 이용함으로써 수신될 수 있다. 이러한 방법은, 산소 농도의 결정을 위해 사용되는 동일한 센서의 판독에 기초하여 농도의 변화가 추정되는 것을 허용하며, 이는 원자로 내에 위치하게 되는 장비의 개수를 감소시킨다. 이는, 냉각제 내의 산소 센서의 구성, 제작 및 설치를 단순하고 저렴하게 하며, 전체적으로 원자력 발전소의 구성, 제작 및 설치를 단순하고 저렴하게 한다. 게다가, 단일 유형의 센서의 활용은 원자력 발전소의 안전성을 보장하기 위해 그리고 원자력 발전소의 작동 수명을 연장시키기 위해 리던던시(redundancy)를 가능하게 하는데, 왜냐하면 다른 유형의 센서가 원자로 내의 공간을 점유하지 않기 때문이며, 이에 따라 단일 유형의 추가적인 센서를 위한 여유를 유지하기 때문이다. 이러한 장비는 단일 유형의 센서의 리던던시 동안 단일화된다는 것에 주의해야 한다. 이는, 원자력 발전소의 설계, 제작 및 조립을 단순하게 하고 저렴하게 하도록 유도한다.
다른 실시예에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 변화 특징에 대응하는 값을 제공하는 산소 농도 센서를 이용하는 것이 가능하다. 이러한 센서는 차동식(differential)이라고 부를 수 있다. 결과적으로, 2가지 이상의 유형의 센서가 사용될 수 있다(센서의 판독값에 의해 냉각제에서의 산소 농도를 추정하는 것이 허용되는 센서를 고려함). 언급한 센서는 동일한 값(산소 농도)의 다양한 특징을 결정하도록 설계되기 때문에, 이는 다양한 유형의 센서 판독의 공통 적용에 의해 이러한 특징 및 값의 보다 정밀한 추정을 수신하도록 허용할 뿐만 아니라, 임의의 센서의 파손의 경우에 일 유형의 센서의 판독을 다른 센서의 적절하게 처리된 판독으로 대체하는 것을 허용하며, 이는 결과적으로 원자력 발전소의 안전성을 개선하도록 허용하며 원자력 발전소의 작동 수명을 연장시키도록 허용한다.
바람직한 실시예에서 질량 교환 장치 또는 분산기의 활성화에 대한 결정을 행하기 위해, 산소 농도 및 산소 농도의 변화에 대한 판단이 필요한데, 왜냐하면 산소 농도가 허용 가능한 값(문턱값)[또는 허용 가능한 값(문턱값)의 범위] 미만의 레벨로 저하된 이후에 언급한 디바이스를 활성화하는 것이 바람직하기 때문이며, 산소 농도는 산소 농도를 반영하는 판독에 따라 추정될 수 있다. 질량 교환 장치 또는 분산기를 활성화하는지에 대한 결정은, 산소 농도의 변화에 대한 판단에 기초할 것이다.
다음으로, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 변화가 농도의 감소를 나타내는지를 결정하는 것(단계 505), 그리고 냉각제의 산소 농도의 추정된 변화가 농도의 감소를 나타낸다면, 감소값 및/또는 감소율을 대응하는 문턱값과 비교하는 것(단계 506)이 필요하다.
이러한 농도의 감소는 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 산소 농도 추정에 대한 하나 이상의 후속값이 하나 이상의 이전 값 미만이면, 산소 농도가 감소된 것으로 가정할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 차분 산소 센서가 사용된다면, 이러한 센서의 판독이 농도 감소에 대응하는 값을 나타내는 경우, 산소 농도의 감소가 결정될 수 있다. 게다가, 산소 농도의 감소는 산소 농도의 변화값 및/또는 변화율의 판단에 따라 결정될 수 있다. 이러한 추정값이 음수 값을 나타낸다면, 냉각제에서의 산소 농도의 감소가 인식될 수 있다. 산소 농도 변화의 유사한 추정에 대해 부호 면에서 반대인, 산소 농도의 변화값 및/또는 변화율에 대한 추정이 사용된다면, 이러한 추정값이 양수 값을 나타내는 경우, 냉각제에서의 산소 농도의 감소가 인식될 것이다. 냉각제에서의 산소 농도의 변화값(감소값) 및/또는 변화율(감소율)은 냉각제 내의 산소 센서(예컨대, 냉각제 내의 산소 열역학적 활성도 센서)의 판독에 기초하여 또는 산소 농도의 변화를 반영하는 차분 센서에 기초하여 결정될 수 있다.
냉각제에서의 산소 농도의 추정값이 허용 가능한 값 미만이고 산소 농도의 감소가 인지되며 산소 농도의 추정된 값소값 및/또는 감소율이 대응하는 문턱값 미만이면, 질량 교환 장치가 활성화될 것이다(단계 507). 이와 달리, 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만이고 산소 농도의 감소가 인지되며 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율이 대응하는 문턱값을 초과하면, 산소 함유 가스(가스상 혼합물)가 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 공급될 것이며 및/또는 분산기가 활성화될 것이다.
후자의 경우에 있어서, 단계 508에서 5개의 대안이 가능하다. 이러한 대안은, 필요한 결과의 획득을 유도하는데, 필요한 결과란 냉각제에서의 산소 농도의 증가이다. 이러한 대안들 중 하나의 대안은, 예컨대 압력 상승을 유발하지 않는 양으로, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간에 산소 함유 가스를 공급하는 것을 제안하는 반면 (예컨대, 가스 시스템의 제2 파이프라인을 통해) 산소 비함유 가스를 제거하는 것을 제안한다. 냉각제 내로 산소를 주입하기 위해, 분산기는 활성 상태에 있게 될 것이다. 결과적으로, 이러한 대안은, 산소 함유 가스의 공급 이전에 분산기가 활성 상태에 있었을 경우에 사용되며, 예컨대 냉각제 내로의 산소 비함유 가스(예컨대 수소 가스 혼합물)의 주입을 위해 사용된다. 제2의 대안은, 분산기의 활성화 이전에 냉각제 부근의 공간이 이미 산소 함유 가스를 포함하고 있으며, 소정의 결과, 즉 냉각제 내로의 산소 함유 가스의 유입을 달성하기 위해, 그리고 이에 따라 산소 농도를 상승시키기 위해 분산기를 활성화시키는 것으로 충분한 것을 제시한다. 제3의 대안은, 필요한 결과를 달성하기 전에, 냉각제 부근의 공간의 가스가 산소를 함유하지 않고 분산기가 스위치 오프되어 있으며, 이에 따라 산소 농도를 증가시키기 위해서, 냉각제 부근의 공간으로 산소 함유 가스(한정적인 경우에 있어서, 이는 언급한 체적에서 가스와 혼합되도록 의도되는 순수한 산소일 수 있음)를 공급하는 것뿐만 아니라 분산기를 활성화하는 것이 요구되는 것을 제시한다. 제4의 대안에 있어서, 분산기는 활성화되지 않으며, 냉각제 부근의 공간에서 소정 압력의 형성을 위해 충분한 양(체적)으로 또는 소정 압력 하에서 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 함유 가스가 공급되고, 이는 심지어 비활성 상태의 분산기를 통해서도 냉각제 내로 가스가 침투하도록 유도한다. 제5의 대안에 있어서, 냉각제 부근의 공간에서 소정 압력의 형성을 위해 충분한 양(체적)으로 또는 소정 압력 하에서 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 함유 가스가 공급되고, 이는, 분산기를 통한 냉각제 내로의 가스의 침투를 유도하며 분산기는 활성화된다. 이는 분산기의 작동 수명을 연장하는 것을 가능하게 한다.
이러한 모든 대안이 공통적으로 제시하는 것은, 단지 분산기의 유출구 구멍(유출구 구멍들)이 위치하게 되는 영역에 있어서 냉각제에서의 내부 압력을 초과하는 압력 하에서 냉각제 부근의 공간에 산소 함유 가스가 존재하도록 함으로써 소정의 결과, 즉 산소 농도의 증가가 달성된다는 것이다. 이들 대안은, 단지 요구되는 압력차 및 초기 조건을 형성하기 위한 각각의 방법만이 상이하며, 즉, 분산기가 활성화되는지 또는 비활성화되는지의 여부, 및 냉각제 부근의 공간에서의 산소 함유 가스의 존재와 산소 함유 가스의 압력만이 상이하다. 이러한 관점으로부터, 본 발명은, 언급한 작업들 중 임의의 작업이 수행되고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 분산기를 통해(또는 분산기에 의해) 산소 함유 가스의 공급이 유발되는 경우에 사용되는 것으로 간주된다.
앞서 언급한 바와 같이, 가스(산소 함유 가스를 포함)는, 심지어 냉각제 부근의 공간에서 가스 압력의 상승이 발생되고 분산기가 활성화되지 않는 경우에도 냉각제로 분사될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에 있어서, 분산기의 유출구 구멍(유출구 구멍들)은 클로깅될 수 있다. 따라서, 본 발명의 결과, 즉 원자로 설비의 신뢰도 개선 및 작동 수명의 연장(이는 안전성 개선 및 원자력 발전소의 작동 수명 연장을 유도함)을 달성하기 위해서는, 냉각제 내로 가스를 공급하는 이러한 방법을 적용할 때(냉각제 부근의 공간에서의 가스 압력의 증가로 인함), 분산기가 임의의 경우에 있어서 활성화될 것이며, 이에 따라 냉각제 내에 침지된 하부 단부에서의 유출구 구멍(유출구 구멍들)은 냉각제가 주위로 흐르게 되어 여기에/이 위에 산화물, 증착물, 박막 등이 축적되는 것을 방지한다. 이는, 단계 508에서, 심지어 냉각제 부근의 공간에서 가스 압력의 상승을 유발하는 양으로 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 함유 가스가 공급되더라도, 바람직하게는 분산기가 활성화되는 것을 의미하며, 이는 분산기의 활성화 없이도 냉각제 내로 가스(산소 포함)의 유입을 유발한다(분산기의 활성화를 배제한 경우가 본 발명에 포함됨).
게다가, 심지어 분산기의 활성화 없이, 자체로 분산기를 통해 냉각제 내로 가스가 침투하도록 하는 방식으로 냉각제 부근의 공간에서 가스 압력을 바로 제어하는 것은, 크기가 큰 기포의 형성으로 인해 바람직하지 않을 수 있으며, 분산기 회전 속도의 제어보다 가스 시스템에서의 압력 제어가 덜 정밀한 것으로 인해, 그리고 결과적으로 분산기의 회전 단부(디스크) 부근에 있어서 냉각제에서의 압력의 국지적인 감소로 인해 덜 정확하며, 이에 따라 활성화된 분산기를 사용하여 냉각제에서의 산소 농도를 제어하는 것이 바람직하다.
냉각제에서의 산소 농도가 활성화된 분산기를 수반하는 방법을 이용하여 제어된다면, 단지 설명한 단계 508에 대해 본 발명의 대안들 중 처음 3개의 대안만이 이용될 것이다. 이들 대안이 공통적으로 제시하는 것은, 단지 냉각제 부근의 공간에 산소 함유 가스가 존재하고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 분사하는 분산기가 활성화되어 있는 경우에만 소정의 결과, 증 산소 농도의 증가가 달성된다는 것이다. 이들 대안은, 단지 초기 조건, 즉, 분산기가 활성화되는지 또는 비활성화되는지의 여부, 및 냉각제 부근의 공간에서의 산소 함유 가스의 존재만이 상이하다. 이러한 관점으로부터, 본 발명은, 언급한 작업들 중 임의의 작업이 수행되고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 분산기를 통해 산소 함유 가스의 공급이 유발되는 경우에 사용되는 것으로 간주된다. 그러나, 냉각제 부근의 공간에서의(국지적으로 분산기 부근뿐만 아니라 전체 공간에서의) 냉각제의 내부 압력을 초과하는 압력을 형성하는 경우 그리고 이러한 압력을 형성하지 않는 경우 양자 모두에서 냉각제 부근의 공간에 대한 산소 함유 가스의 공급은 임의의 경우에 냉각제 부근의 공간에 산소 함유 가스를 공급하는 결과로 간주되며, 이에 따라 본 발명의 실시예들 중 하나의 실시예가 될 것이고, 본 특허 및 보호하고자 하는 특허 청구범위의 범위에 속하게 될 것이라는 점을 고려할 필요가 있다.
질량 교환 장치의 활성화(단계 507) 이후에 또는 산소 함유 가스의 공급 및/또는 분산기의 활성화(단계 508) 이후에, 예컨대 이전에 설명한 바와 동일한 방법을 사용함으로써, 즉 특정한 농도를 추정함으로써 산소 농도가 점검될 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이는 단계 501로 복귀함으로써 행해질 수 있다. 단계 502에서 추정되고 단계 503에서 비교된, 냉각제에서의 산소 농도가 허용 가능한 값인 것으로 가정되거나 또는 허용 가능한 값을 초과하면(다른 실시예에서는 허용 가능한 범위의 상한에 근접하거나/허용 가능한 범위의 상한을 초과함), 질량 교환 장치는 비활성화될 것이며(단계 509) 또는 분산기는 비활성화될 것이고, 및/또는 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간에 대한 산소 함유 가스의 공급은 중단될 것이다(예컨대 확산 프로세스로 인해 냉각제 부근의 공간에서 산소의 자연적인 소모가 충분히 신속하게 종료되지 않거나, 또는 이 공간으로부터 산소를 완전하게 제거하는 것이 요구된다면, 산소 비함유 가스가 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 공급될 수 있으며, 게다가 산소 비함유 가스가 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 즉시 공급될 수 있고, 이는 산소 함유 가스의 공급이 종료되는 것을 의미하는데, 왜냐하면 공급되는 가스가 산소를 함유하고 있지 않기 때문임). 이는 허용 가능한 범위 내에서 냉각제에서의 산소 농도를 유지하는 것을 허용하며, 즉 냉각제에서의 산소 농도는 허용 가능한 범위의 상한을 초과하지 않는다. "냉각제에서의 산소 농도가 허용 가능한 값과 동등하거나 또는 허용 가능한 값을 초과하는" 상태를 모니터링하는 것은, 본 발명이 산소 농도의 감소를 방지하는 것을 목표로 한다는 사실, 그리고 질량 교환 장치 및 분산기만이 오직 냉각제에서의 산소 농도를 상승시킬 수 있다는 사실과 관련된다. 따라서, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 질량 교환 장치 또는 분산기를 이용하여 허용 가능한 값과 동등하거나 허용 가능한 값을 초과하는, 냉각제에서의 산소 농도를 제공하는 것으로 충분하며, 이때 산소 농도는 구조적 재료 성분의 산화를 위한 냉각제에서의 산소의 자연 소모로 인해 감소되기 시작하고, 질량 교환 장치 또는 분산기는 산소 농도가 허용 가능한 값 미만일 때 재활성화된다.
냉각제 내로의 산소의 유입이 중단된 이후에, 냉각제에서의 산소 농도는 허용 가능한 값 범위의 하한으로 감소하게 되며, 냉각제에서의 산소 농도(추정된 값)가 허용 가능한 값(바람직하게는 허용 가능한 값 범위의 하한임) 미만일 때, 상기 방법이 재적용될 수 있으며, 즉 질량 교환 장치가 활성화되고 산소 함유 가스가 공급되며 및/또는 분산기가 활성화된다. 본 발명에 따른 방법의 주기적인 재이용을 위해, 단계 507, 단계 508 및 단계 509가 실시된 이후에 단계 501로 진행한다. 제시된 실시예에서는, 비록 단계 505에서, 농도가 감소되지 않고 오히려 증가된 것으로 결정되었더라도 이 단계로 진행한다. 이러한 경우에 있어서, 단계 507 또는 단계 508이 필요 없다는 것을 고려할 수 있는데, 왜냐하면 산소 농도가 독립적으로 증가하기 때문이다(예컨대, 냉각제 부근의 공간에 산소 함유 가스가 존재하고 냉각제에서 산소 농도를 증가시키기에 충분한 양으로 가스로부터 냉각제로 산소가 침투하는 경우임).
상기 방법의 반복 가능성으로 인해, 방법의 반복 및 냉각제에서의 산소 농도의 자동적인 제어를 보장할 수 있으며, 이는 자격을 갖춘 사람의 개입에 관한 필요성을 줄이는 것을 가능하게 하고 어느 정도의 수준으로는 원자력 발전소 작동 제어에 있어서 이러한 사람의 참여를 배제하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 본 발명에 따라 상기 방법이 주기적으로 행해지지 않는 옵션도 존재한다. 에를 들면, 단계 509는 허용 가능한 산소 농도의 회복 조건 이후에는 실시되지 않지만, 특정 시간의 질량 교환 장치 작동 또는 분산기 작동 이후에 타이머가 활성화된다. 다음으로, 제어 시스템은 준비 모드로 진입하여 상기 방법을 단계 501로부터 실시할 수 있으며, 또는 상기 방법을 단계 501로부터 자동적으로 실시할 수 있고, 이에 따라 작업의 반복성 및 자동적인 작동을 보장한다. 이는, 산소 농도의 추정에 있어서 다양한 인자의 영향을 없애고 질량 교환 장치 또는 분산기가 비활성화되도록 요구하며, 결과적으로 판독 순간에 센서 판독에 대한 영향이 없을 때 유용할 수 있다.
냉각제에서의 산소 농도의 변화 특징, 예컨대 속도, 값 및 다른 특징의 문턱값뿐만 아니라 냉각제에서의 산소 농도의 허용 가능한 값의 가변적인 범위는 예비적인 이론값 또는 산출값에 기초하여 결정될 수도 있거나, 또는 시작 과정 및 조정 과정 동안 또는 작업을 점검하는 동안(혹은 이들의 조합 중에) 실험에 의해 획득될 수 있다. 구체적인 문턱값 및 허용 가능한 값은 원자력 발전소의 설계 및 그 제조상 특징에 따라 좌우되며, 심지어 한 가지 원자로 유형에서도 원자력 발전소마다 그리고 작동 모드 또는 작업을 위한 원자력 발전소의 준비에 기초하여 변할 수 있다. 원자로의 구조적 재료의 부식 안정성, 그 안전성, 산소의 충분한 농도, 혹은 원자로의 부식 안정성, 안전도 및 장기 작동에 대한 향상에 관한 특징의 개선을 보장하는 것은, 특정 문턱값 또는 허용 가능한 값의 결정에 있어서 기준이 될 수 있다.
예를 들면, 가능한 실시예들 중 하나에 있어서, 냉각제에 용해된 산소의 농도에 대한 문턱값(허용 가능한 값)은, 계산 방법 및 실험적인 방법을 이용함으로써 결정될 수 있고, 다음의 공식, 즉
lgC = -0.33-2790/T+lgCs+lgjCPb
에 의해 계산된 값을 가질 수 있다.
위 공식에서,
C는 냉각제에 용해된 산소의 농도(단위 : 중량%)이며,
T는 회로에서의 냉각제의 최대 온도(단위 : K)이고,
Cs는 온도 T에서의 포화 중에 냉각제에서 용해되는 산소의 농도(단위 : 중량%)이며,
J는 냉각제에서의 납 열역학적 활성도(lead thermodynamic activity)의 인자(단위 : 중량%의 역수)이고,
CPb는 냉각제에서의 납의 농도(단위 : 중량%)이며,
lg는 상용 로그(즉, 밑을 10으로 하는 로그)의 수학적 운산부호(mathematical operator)이다.
예를 들면, 원자로 용기가 KH18N10T 스테인레스 강으로 제조되고 비스무스를 포함한 납의 공융 합금이 냉각제로서 사용된다면, 산소의 가능한 최저 농도는 623 K인 원자로의 (예컨대, 코어에서의 또는 원자로 벽 부근에서의) 최대 온도에서 2.6×10-10 중량%(이 값은 특정 원자력 발전소 설계에 대해 경험적인 방법 또는 계산 방법을 이용함으로써 획득되는 데이터 및 특정 데이터에 기초하여 결정됨)일 수 있다. 산소의 가능한 최저 농도가 원자력 발전소의 작동에 대해 허용되며 문턱값(허용 가능한 값)으로서 사용될 수 있다는 사실에도 불구하고, 예를 들면, 측정된 산소 농도가 산소의 가능한 최저 농도의 값 미만으로 감소된 이후에 또는 산소의 가능한 최저 농도의 값에 근사된 이후에 시간 지연 없이 산소 농도가 신속하게 증가한다면, 이러한 상황은 원자로 작동의 안전성을 개선함에 있어서 바람직하지 않다.
이와 관련하여, 산소의 가능한 최저 농도를 초과하는 문턱값 또는 허용 가능한 값을 가정할 수 있다. 예를 들면, 6×10-8 내지 6×10-7 중량%의 범위 내에서 산소 농도를 유지하려는 목적이 설정될 수 있다. 용해된 산소의 농도가 6×10-8 중량%의 레벨로 감소되면, 더 낮은 문턱값이 달성되어 있다는 것이 결정될 수 있으며, 본 발명에서 설명한 방법들 중 하나의 방법을 이용함으로써 냉각제에서의 산소 농도의 증가에 대한 결정을 취할 수 있다. 이러한 결정을 취한 이후에, 냉각제에 용해된 산소의 농도는 증가하며, 6×10-7 중량%의 값이 달성될 때, 상위 문턱값이 달성되어 있다는 것을 결정할 수 있으며, 결과적으로 냉각제에서의 산소 농도의 증가를 중단시키는 결정을 취할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 상위 문턱값은 사용되지 않을 수도 있으며, 산소 농도의 충분한 증가는 산소 농도 증가 프로세스의 시간적 특징 또는 다른 특징에 기초하여 결정될 수 있다(예컨대, 산소 농도의 증가는 그 시작으로부터 이러한 프로세스의 유지시간 동안 목표값을 달성한 이후에 중단될 수 있음).
냉각제에서의 산소 농도 증가의 속도, 정량 및/또는 다른 특징에 대한 문턱값은, 앞서 설명한 바와 동일한 방법들 및/또는 본 발명의 배경기술로부터 알려져 있는 다른 방법들을 이용함으로써 결정될 수 있다.
전술한 방법의 단계들은 바람직하게는 도시하고 설명한 순서대로 실시될 것이지만, 일부 실시예에 있어서, 가능하다면 언제든지, 다른 순서로 또는 동시에 이러한 단계들이 수행될 수 있다.
냉각제에서의 산소 농도의 제어를 위한 이러한 방법의 장점은 다음에 기초한다. 질량 교환 장치 및 분산기는 상이한 효율(생산성)을 나타내는데, 이러한 효율(생산성)은 산소 농도의 증가 속도, 즉 단위 시간 당 체적 면에서의 산소의 증분에 따라 결정될 수 있다. 질량 교환 장치는 (분산기에 비해) 산소 농도 증가의 낮은 속도 또는 효율을 가지며, 예컨대 보상되어야 할 산소 농도의 문턱값 및 감소 속도로부터의 편차가 작을 때 통상의 작동 조건 하에서 사용될 수 있다. 그러나, 분산기는 (질량 교환 장치에 비해) 산소 농도 증가의 빠른 속도를 나타내며, 예컨대 비정상 모드에서(예컨대, 지진 등과 같은 기계적인 효과의 결과로서 산화막이 손상되는 경우에서) 또는 원자로 벽의 패시베이션(원자로 표면 상에서의 산화물 박막의 형성) 중에 작동 개시 시에 보상되어야 할 산소 농도의 감소 속도에 대응하는 산소 소모율이 높을 때 사용될 수 있다.
이러한 구분은, 한편으로는 질량 교환 장치를 사용하는 경우에 통상의 조건 하에서 냉각제에서의 산소 농도의 정밀한 제어를 허용하며, 다른 한편으로는 분산기에 의해 비정상 작동 모드 또는 다른 작동 모드에서 산소 농도를 증가시킬 기회(또는 산소 농도의 급격한 저하에 대한 보상)를 제공한다. 이러한 기회, 즉 산소 농도의 정밀한 제어 및 산소 농도의 급격한 상승(급격한 저하에 대한 보상) 양자 모두는 원자로의 안전성을 위해 필수적이다.
게다가, 산소 농도 증가의 요구되는 속도(냉각제 내로의 산소 주입의 효율)에 따른, 산소 농도 증가를 위한 디바이스의 이러한 구분은, 냉각제 성분의 산화물의 보충 없이도 질량 교환 장치의 작동 수명을 연장시키는 것을 가능하게 한다. 이는 상당히 중요한 지표인데, 왜냐하면 질량 교환 장치에서의 냉각제 성분 산화물의 비축량은 질량 교환 장치의 한정된 크기로 인해 제한되기 때문이며, 또한 원자로 용기가 밀봉되어야만 하기 때문에 원자력 발전소의 안전한 작동을 보장하기 위해서는 질량 교환 장치에 대한 액세스(access) 또는 질량 교환 장치의 회복 능력이 한정되어야만 한다는 사실에 따른 것이다. 따라서, 또한 냉각제에서의 산소 체적(산소 농도)의 증가를 위한 2가지 상이한 디바이스의 적용은, 소모성 재료(냉각제 성분의 고상 산화물)의 소진으로 인한 질량 교환 장치의 고장을 방지함으로써 원자로의 안전성을 개선시키며, (원자로의 감압 없이) 원자력 발전소의 안전한 작동 시간을 연장시키는데, 왜냐하면 질량 교환 장치에서의 소모성 재료의 비축량은 단지 보상되어야 할 산소 농도의 감소 속도가 낮을 때인 통상의 조건 하에서만 소모되기 때문이다.
원자로 설비 제어의 전술한 방법을 실시하기 위해, 본 발명에 따라 제어 시스템이 사용될 수 있다. 도 6 및 도 7에 2가지 실시예가 도시되어 있는 이러한 제어 시스템은, 냉각제에서의 산소 농도를 추정하기 위한 모듈(601), 냉각제에서의 산소 농도를 허용 가능한 값과 비교하기 위한 모듈(602), 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603), 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604), 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈(605), 및 가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈(606)을 포함한다.
냉각제에서의 산소 농도의 추정을 위한 모듈(601)은 냉각제 내의 산소 센서(110)로부터 데이터를 수신하도록 되어 있으며, 수신된 데이터에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도를 추정하고 냉각제에서의 산소 농도의 추정값을, 냉각제에서의 추정된 산소 농도와 허용 가능한 값을 비교하기 위한 모듈(602)에 전달하도록 되어 있다.
냉각제에서의 추정된 산소 농도를 허용 가능한 값과 비교하기 위한 모듈(602)은, 냉각제에서의 산소 농도를 추정하기 위한 모듈(601)로부터 냉각제에서의 추정된 산소 농도를 수신하고 이를 허용 가능한 값과 비교하도록 되어 있다.
냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603)은, 냉각제에서의 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율을 추정하도록 되어 있을 뿐만 아니라, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율을, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)에 전달하도록 되어 있다.
실시예들 중 하나의 실시예에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603)은 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 결정하도록 되어 있을 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율은, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603)에 의해 냉각제에서의 산소 농도가 감소되는 중이라는 것이 결정되면, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)에 전달될 수 있다. 이때, 냉각제에서의 산소 농도의 감소에 관한 데이터를, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)에 전달하는 것이 필요한 것은 아니며, 모듈(603)로부터 냉각제에서의 산소 농도의 감소에 관한 특정 데이터를 수신하면 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)이 사용될 수 있고, 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈(605) 및 가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈(606)의 작동을 제어할 수 있다(또는 데이터 처리의 결과를 전달함).
다른 실시예에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율은, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)에 항상 전달될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)은, 대응하는 범위에 속하는, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율의 값에 기초하여 산소 농도의 감소를 결정할 수 있다(예컨대, 만약 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 특징짓는 값이 전달되면, 이러한 특징에 관한 양수 값은 농도의 감소에 대응하며, 음수 값은 농도의 증가에 대응할 것이고, 만약 산소 농도의 변화를 특징짓는 값이 전달되면, 이러한 특징에 관한 양수 값은 농도의 증가에 대응할 것이고, 음수 값은 농도의 감소에 대응할 것이며, 전술한 특징의 선택이 전달되며, 대응하는 범위는 해당 시스템의 주요한 목적, 즉 냉각제에서의 산소 농도가 감소될 때 이러한 상황을 개선하는 것에 순응할 것임). 획득된 값이 산소 농도의 감소에 대응하는 범위에 속하는 것으로 결정되면 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)은 사용 가능하게 되고 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈 및 가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈의 작동을 제어할 것이다(또는 데이터 처리의 결과를 전달함).
다른 실시예에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율은, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)에 항상 전달될 수 있는 반면, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603)은 추가적으로 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 결정하도록 되어 있으며, 냉각제에서의 산소 농도의 감소의 결정에 관한 신호를, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)에 전달하도록 되어 있다. 이때, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈(604)은, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603)로부터의 신호를 수신하면 활성화될 수 있다(그 기능을 실행할 수 있게 됨).
냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603)은, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 결정하는 것을 가능하게 하며, 도면에 도시되어 있고 상세한 데이터의 형태로 판독을 행하는 차분형 센서의 판독에 기초하여 전술한 감소의 특징을 결정하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈(603)은, 냉각제에서의 산소 농도를 추정하기 위한 모듈(601)로부터 수신된, 냉각제에서의 산소 농도의 추정값에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율을 추정하도록 되어 있다(그리고 가능하다면 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 결정하도록 되어 있음). 그 결과로서, 원자로 내에 설치되는 센서의 개수는 감소된다. 마지막 실시예에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정값이 도 7에 도시된 바와 같이 모듈(601)로부터 직접 모듈(603)에 전달될 수도 있고, 또는 도 6에 도시된 바와 같이 냉각제에서의 추정된 산소 농도를 허용 가능한 값과 비교하기 위한 모듈(602)을 통해 모듈(603)에 전달될 수도 있다. 도 6에 도시된 모듈(602)과 모듈(603) 사이의 연결은 주로 산소 농도 평가와 허용 가능한 값의 비교 결과를 모듈(603)에 전달하도록 구성되며, 냉각제에서의 산소 농도의 추정값은 전달되지 않을 수도 있다는 것에 주의해야 한다[예를 들어, 모듈(603)은 별도의 센서로부터 냉각제에서의 산소 농도의 변화에 관한 데이터를 수신하거나 또는 센서(110)의 판독에 기초하여 추정을 행할 수 있을 때임].
냉각제에서의 산소 농도의 감소의 추정값들을 비교하기 위한 모듈(604)은 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율을 대응하는 문턱값과 비교하고, 비교 결과를, 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈(605) 및 가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈(606)에 전달한다. 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율은 대응하는 문턱값과 비교되며, 즉 냉각제에서의 산소 농도의 감소값은 냉각제에서의 산소 농도의 감소값의 문턱값과 비교되고, 냉각제에서의 산소 농도의 감소율은 냉각제에서의 산소 농도의 감소율의 문턱값과 비교된다.
질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈(605)은, 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만일 때 그리고 산소 농도의 추정된 변화값 및/또는 변화율이 대응하는 문턱값 미만일 때 질량 교환 장치(114)를 활성화시킬 수 있다.
가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈(606)은, 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만일 때 그리고 산소 농도의 추정된 변화값 및/또는 변화율이 대응하는 문턱값을 초과할 때, 냉각제 부근의 공간에 대한 산소 함유 가스의 공급부를 갖춘 가스 시스템을 활성화시킬 수 있고, 및/또는 분산기를 활성화시킬 수 있다(산소 함유 가스를 냉각제 내로 주입 개시할 필요가 있는지에 따라 좌우됨). 가스 시스템을 활성화시키기 위해, 모듈(606)은 가스 시스템 내에 포함된 절연 밸브 및 펌프를 제어할 수 있다.
게다가, 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값에 근접하거나 허용 가능한 값을 초과하는 경우, 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈(605)은 질량 교환 장치를 비활성화시킬 수 있으며, 가스 시스템 및 분산기의 제어를 위한 모듈(606)은 분산기를 비활성화시킬 수 있고, 및/또는 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급을 중단시킬 수 있다(또는 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 비함유 가스를 공급할 수 있음).
도 6은 원자력 발전소 설비의 제어를 위한 디바이스의 선형적 구조를 도시한 것이며, 여기서 신호 및 데이터는 하나의 모듈로부터 다음 모듈로, 다음 모듈로부터 후속하는 모듈로, 기타 등등으로 전달된다[질량 교환 장치(114)와 가스 시스템 및/또는 분산기(112)에 직접 연결되는 모듈(605) 및 모듈(606) 그리고 이들 모듈의 작동은 제외함]. 이러한 경우에 있어서, 데이터를 처리하는 모듈(601 내지 604)은 선행 모듈 또는 센서로부터 수신한 데이터에 기초하여 단지 그 자체 처리의 결과만을 전달할 수도 있고, 그 자체 처리의 결과와 함께 선행 모듈 또는 센서로부터 수신한 모든 데이터를 다음 모듈로 전달할 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 모듈(605) 및 모듈(606)은 대응하는 디바이스의 활성화/비활성화에 관한 신호를 모듈(604)로부터 수신할 수 있는데, 대응하는 디바이스의 활성화/비활성화를 가능하게 하고 불능하게 하는 신호(예컨대, 바이너리 형태임) 또는 대응하는 디바이스의 요구되는 활성화의 정도 혹은 범위를 나타내는 신호는 0 내지 최대값의 값을 가질 수도 있다.
도 7은, 모듈(601 및 603)이 그 자체의 처리 결과를, 주어진 문턱값과의 비교를 위한 모듈(602 및 604)에 전달할 때 제어 디바이스의 병렬 구조를 도시한 것이며[도 7에 도시된 바와 같이, 모듈(601)은 또한 그 자체의 처리 결과를 모듈(603)에 전달할 수 있으나, 반드시 그러할 필요는 없음], 모듈(602 및 604)의 처리 결과는 모듈(605 및 606)로 전달되어, 추가로 비교되고 대응하는 디바이스의 활성화/비활성화를 가능하게 한다. 대응하는 디바이스를 활성화/비활성화하기 위해, 허용 가능한 값 미만인, 냉각제에서의 산소 농도의 감소에 관한 데이터[이 데이터는 모듈(602)로부터 전달됨]가 요구될 뿐만 아니라, 냉각제에서의 산소 농도의 감소값/감소율에 관한 데이터[이 데이터는 모듈(604)로부터 전달됨]가 요구된다.
게다가, 본 발명에 따른 제어 디바이스(제어 시스템)의 적절한 작동은, 냉각제에서의 산소 농도의 감소에 관한 데이터를 필요로 하고, 모듈(604)로부터 수신한 냉각제에서의 산소 농도의 감소값/감소율에 관한 데이터로부터 전술한 데이터를 철회하기 위해, 모듈(604)로부터의 전술한 감소의 특징과 함께 냉각제에서의 산소 농도의 감소에 관한 정보를 수신하기 위해, 또는 모듈(603)로부터 냉각제에서의 산소 농도의 감소에 관한 데이터를 수신하기 위해 모듈(605 및 605)의 능력을 필요로 한다(후자의 실시예가 도 7에 도시되어 있음). 도 7에 도시된 제어 디바이스의 실시예에 있어서, 모듈(605 및 606)은 작동 디바이스[질량 교환 장치, 가스 시스템(구체적으로, 가스 시스템의 밸브 및 펌프), 분산기]를 제어할 뿐만 아니라 유입되는 데이터를 분석하고 이러한 데이터에 기초하여 결정을 내린다.
본 발명에 따른 제어 디바이스(제어 시스템)의 구조는 다른 구성을 취할 수도 있으며, 이러한 다른 구성은 앞서 언급한 잠정적 옵션 또는 배제 혹은 교체에 의해 받아들이는 옵션을 조합할 수 있다. 도 6 및 도 7에 도시된 구조도뿐만 아니라 도 5에 도시된 제어 방법의 블록도, 그리고 도 1 내지 도 4에 도시된 원자력 발전소 및 디바이스의 실시예는 단지 예시로서 주어진 것이며, 본 발명의 특허 권리 행사의 범위를 형성할 수 있다. 단수 형태로 지시된 임의의 작용, 대상, 모듈, 요소, 장비 또는 다른 속성은, 또한 이들이 발전소 또는 방법에서 여러 개 존재하여 사용되는 것으로 간주될 수 있고, 반대로 복수로 언급되는 경우, 그러한 속성의 사용을 위해 하나의 대상 또는 작용만으로도 충분할 수 있다.
제어 시스템은 자동식일 수 있으며, 즉 제어 시스템은 제어 시스템에 의해 수신 및 처리된 데이터에 기초하여 독립적으로 모든 결정을 취할 수 있고 실시할 수 있다. 이러한 자동식 작업은, 산소 함유 냉각제, 산소 센서, 처리 및 의사 결정을 위한 모듈, 냉각제에 영향을 미치는 작동 디바이스의 제어를 위한 모듈을 포함하는 폐쇄 사이클을 형성하며, 이러한 영향의 결과는 산소 센서를 이용하여 다시 추정되며, 냉각제에서의 산소 농도의 제어에 관한 결정이 다시 이루어진다.
냉각제에서의 산소 농도의 이러한 자동식 제어의 장점은, 원자력 발전소 제어에 참여하는, 자격을 갖춘 사람에 대한 필요성을 없앨 수 있다는 것이다. 그러나, 이는, 무제한적인 긍정적 피드백의 경우에 있어서 제어 사이클의 폐쇄성으로 인해 허용 가능한 한계를 넘는 원자력 발전소 기능 조건의 위험을 유발할 수 있으며, 여기서 파라메타의 원치 않는 이탈을 제어하려는 시도는 원치 않는 방향으로 파라메타가 더 크게 이탈하는 결과를 초래할 수 있다(이는 처리 알고리즘의 불완전성 및 장비 고장으로 인해 발생할 수 있음).
다른 실시예에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 제어 시스템은, 데이터 처리 및/또는 의사 결정에 관련된 사람을 통해 실행될 수 있다. 이러한 옵션은 고도의 자격을 갖춘 전문가의 합류를 필요로 한다. 이는, 모든 가능한 파라메타의 고려를 보장할 것이며, 자동 디바이스와는 대조적으로 위험하거나 중요한 작업 모드로의 원자력 발전소의 전환이 사람에 의해 배제될 것이고, 보안 및 장기 작업 문제를 고려하여 적합하게 현재 상황 및 변경 작업 계획을 추정할 수 있도록 한다.
사람이 데이터를 수령하고 제어 시스템과 상호작용하는 것을 가능하게 하기 위해, 원자력 발전소는 지시 수단, 예컨대 광 지시자(광 패널, 디스플레이, 정보판 등), 음성 지시자(고음량 스피커, 부저, 경보 시스템 등), 그리고 촉각 디스플레이와 같은 다른 지시자가 구비된 제어판을 구비할 수 있다. 또한, 상기 제어판에는, 필요한 정보를 요구하고 시험하고 제어 명령을 입력하기 위한 입력 디바이스가 구비될 수 있다. 상기 입력 디바이스는 버튼, 토글 스위치(toggle switch), 레버, 키보드, 센서, 터치 패드, 트랙볼, 마우스, 센서 패널, 및 본 발명의 배경기술로부터 알려져 있는 다른 입력 디바이스일 수 있다. 정보 장비의 다양성을 감안하면, 상기 제어판은 사람이 제어판을 보다 편리하게 이용할 수 있도록 확장될 수 있다. 전술한 장비는 롤링 체어(rolling chair)를 포함할 수 있으며, 상기 롤링 체어는 작업상 편의 외에도 제어판의 먼 부분에 대한 신속하고 용이한 액세스를 보장하며, 작업자는 체어 롤(chair roll)의 진행 운동으로 인해 용이하게 현재 위치를 떠나 신속하게 원하는 위치에 도달할 수 있다.
그러나, 제어 시스템의 양 실시예, 즉 자동식 제어 시스템 및 사람을 동반한 제어 시스템은 특정한 단점을 갖는다는 것에 주의해야 한다. 수동식 제어는, 원자력 발전소에 관한 요건에 비해 사람에 의한 느린 데이터 처리 속도 및 의사 결정이라는 단점을 가질 수 있다. 다른 한편으로, 완전하게 자동화된 제어 시스템은 데이터 처리에 관한 실패 또는 불완전한 알고리즘의 경우에 안전하지 않을 수 있다. 그 결과로서, 제어 시스템의 조합형 실시예가 실시될 수 있으며, 즉 데이터 처리 및 제어는 자동 모드에서 실행되지만, 만약 임의의 파라메타가 허용 가능한 값을 초과하거나(또는 허용 가능한 한계에 근접하거나) 또는 자격을 갖춘 사람이 자동식 제어 시스템의 작업을 조정할 수 있어야 할 어떤 필요가 있거나 상기 작업을 수동으로 제어해야 할 어떤 필요가 있을 때, 데이터는 지시 수단을 이용하여 디스플레이된다.
제어 시스템의 모듈은 이산적 전자식 구성요소, 집적 마이크로회로, 프로세서, 조립체, 랙(racks) 등에 기초하여 하드웨어적으로 구현될 수 있다. 제어 시스템은 아날로그식일 수도 있고, 디지털식일 수도 있으며, 조합된 방식일 수도 있다. 원자로에 또는 제어판에 위치하게 되는 장비에 전기적으로 연결되고 그 작업을 제어하거나 데이터를 처리하는 모듈은, 전압 변환기, 전류 변환기, 주파수 변환기, 아날로그 신호의 디지털 신호로의 변환기, 그리고 대조적으로 드라이버, 전류원 또는 전압원 및 제어 요소를 포함할 수 있다. 이러한 모든 요소 및 모듈은 하나 또는 여러 개의 장착 플레이트 상에 위치하게 될 수도 있으며, 하나의 보드 또는 구성요소를 공유할 수도 있고, 이에 따라 구분될 수도 있으며, 장착 플레이트를 사용하지 않으면서 구현 및 설치될 수 있다.
제어 시스템 모듈은 또한 소프트웨어에서 실행될 수 있다. 이를 위해, 프로그래밍 가능한 로직을 갖춘 집적 마이크로회로, 콘트롤러, 프로세서 및 컴퓨터가 하드웨어로서 사용될 수 있는 반면, 소프트웨어는 원자로 디바이스 및 장비에 연결된 집적 마이크로회로, 콘트롤러, 프로세서, 컴퓨터 등을 이용하여 실행되는 명령 및 코드를 갖춘 프로그램을 포함할 것이다. 상기 프로그램은 메모리 유닛에 저장될 것이며, 상기 프로그램은 본 발명의 배경기술로부터 알려져 있는 다양한 형태로 실행될 수 있고, 컴퓨터에 의해 판독되는 데이터 캐리어(data carrier), 즉 롬(read-only memory), 하드 드라이브, 플로피 디스크, 광학 디스크, 플래시 드라이브, 프레임 메모리(frame memory) 등일 수 있다. 상기 프로그램은 전체적으로 또는 부분적으로 본 발명에 따른 방법 및 알고리즘의 실시를 위한 코드들 또는 명령들의 체인(chain)을 포함할 수 있다. 마이크로회로, 콘트롤러, 프로세서, 및 컴퓨터는 입력/출력 디바이스에 연결될 수 있는데, 입력/출력 디바이스는 별도로 위치하게 될 수도 있고 제어판에 포함될 수도 있다. 제어 시스템의 별도의 모듈들은 소프트웨어 모듈일 수도 있고, 하나 또는 여러 개의 프로그램으로 조합될 수 있을 뿐만 아니라 하나 또는 여러 개의 소프트웨어 패키지 또는 요소에 조합될 수도 있다.
제어 시스템 및 그 모듈은, 하드웨어로서 그리고 소프트웨어로서 양자 모두로 실행될 수 있으며, 즉 모듈의 일부 또는 모든 모듈이 하드웨어로 실행될 수 있고, 모듈 또는 제어 디바이스의 일부가 소프트웨어로서 마련될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 원자로 장비(질량 교환 장치, 가스 시스템, 분산기)의 제어 모듈 및 센서의 변환을 위한 모듈은 하드웨어로 마련될 수 있으며, 데이터 및 명령의 처리, 정보 디스플레이, 처리 파라메타(예컨대, 문턱값 및 허용 가능한 값)의 제어를 위한 모듈은 컴퓨터, 프로세서 또는 콘트롤러에 기초하여 소프트웨어로서 형성될 수 있다. 추가적으로, 특수한 집적 회로가 형성될 수 있다. 이러한 집적 회로는 필요한 모든 하드웨어 요소를 포함할 것이며, 여기서 데이터 처리에 관한 프로그램 또는 파라메타는 이러한 회로에 다운로드된다.
바람직한 실시예에 있어서, 모든 전자 요소 및 전자 구성요소 그리고 다른 전자 요소 및 전자 구성요소는 방사선에 대한 내성을 갖도록 제조되어, 이온화 방사선의 근원일 수 있는 핵원자력 발전소의 전체 또는 일부에서 구성요소의 작업 및 시스템의 작동능력을 허용하며, 심지어 사고 상황에서도 원자로 작업 제어의 능력을 유지하고 가능한 악영향을 방지하며, 이에 따라 안전성의 향상 및 긴 작동 수명을 보장한다.

Claims (9)

  1. 원자로, 원자로 내에 위치하게 되는 냉각제, 원자로의 냉각제 부근의 공간에 대해 유출구를 갖는 가스 시스템, 고상의 냉각제 산화물을 수용하는 질량 교환 장치로서, 질량 교환 장치를 통한 냉각제의 유동을 허용하도록 되어 있으며 냉각제 내에 설치되는 것인 질량 교환 장치, 부분적으로 냉각제 내에 설치되며 부분적으로 냉각제 부근의 공간에 설치되고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 공급하도록 되어 있는 분산기(disperser), 및 냉각제 내의 산소 센서를 포함하는 원자력 발전소의 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 다음의 단계들, 즉
    - 냉각제 내의 산소 센서로부터 수신한 데이터에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도를 추정하는 단계;
    - 냉각제에서의 추정된 산소 농도를 허용 가능한 값과 비교하는 단계;
    - 냉각제에서의 산소 농도의 변화를 추정하는 단계;
    - 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 변화가 농도의 감소를 나타낸다면, 감소값 및/또는 감소율을 대응하는 문턱값과 비교하는 단계;
    - 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만이고 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율이 대응하는 문턱값 미만일 때 질량 교환 장치를 활성화시키는 단계;
    - 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만이고 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율이 대응하는 문턱값을 초과하면, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 함유 가스를 공급하고 및/또는 분산기를 활성화시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 질량 교환 장치의 활성화 또는 산소 함유 가스의 공급 이후에 그리고 분산기의 활성화 이후에 냉각제에서의 산소의 추정 농도가 허용 가능한 값에 근접하거나 허용 가능한 값을 초과하면, 질량 교환 장치 또는 분산기가 비활성화되고 및/또는 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급이 중단되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급을 중단시키는 것에 추가하여 산소 비함유 가스(oxygen-free gas)가 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 원자로, 원자로 내의 냉각제, 원자로의 냉각제 부근의 공간에 대해 유출구를 갖는 가스 시스템, 고상의 냉각제 산화물을 수용하는 질량 교환 장치로서, 질량 교환 장치를 통한 냉각제의 유동을 허용하도록 되어 있으며 냉각제 내에 설치되는 것인 질량 교환 장치, 부분적으로 냉각제 내에 설치되며 부분적으로 냉각제 부근의 공간에 설치되고 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 공급하도록 되어 있는 분산기, 및 냉각제 내의 산소 센서를 포함하는 원자력 발전소의 냉각제에서의 산소 농도를 제어하기 위한 제어 시스템으로서,
    추가적으로, 상기 제어 시스템은,
    냉각제에서의 산소 농도의 추정을 위한 모듈로서, 냉각제 내의 산소 센서로부터 데이터를 수신하도록 되어 있으며, 수신된 데이터에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도를 추정하도록 되어 있고, 냉각제에서의 산소 농도의 추정값을, 냉각제에서의 추정된 산소 농도와 허용 가능한 값을 비교하기 위한 모듈에 전달하도록 되어 있는 것인 모듈;
    냉각제에서의 추정된 산소 농도를 허용 가능한 값과 비교하기 위한 모듈로서, 냉각제에서의 산소 농도를 추정하기 위한 모듈로부터 냉각제에서의 추정된 산소 농도를 수신하도록 되어 있고 상기 추정된 산소 농도를 허용 가능한 값과 비교하도록 되어 있는 것인 모듈;
    냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈로서, 냉각제에서의 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율을 추정하도록 되어 있을 뿐만 아니라, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율을, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈에 전달하도록 되어 있는 것인 모듈;
    냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈로서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소값 및/또는 감소율을 수신하도록 되어 있으며, 이 감소값 및/또는 감소율을 대응하는 문턱값과 비교하도록 되어 있는 것인 모듈;
    질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈로서, 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만일 때, 그리고 산소 농도의 추정된 변화값 및/또는 변화율이 대응하는 문턱값 미만일 때 질량 교환 장치를 활성화시킬 수 있는 것인 모듈;
    가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈로서, 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값 미만일 때, 그리고 산소 농도의 추정된 변화값 및/또는 변화율이 대응하는 문턱값을 초과할 때, 냉각제 부근의 공간에 대한 산소 함유 가스의 공급부를 갖춘 가스 시스템을 활성화시킬 수 있도록 되어 있고, 및/또는 분산기를 활성화시킬 수 있도록 되어 있는 것인 모듈
    을 포함하는 것인 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 추정하기 위한 모듈은, 냉각제에서의 산소 농도를 추정하기 위한 모듈로부터 수신된, 냉각제에서의 추정된 산소 농도에 기초하여 냉각제에서의 산소 농도의 감소값 및/또는 감소율을 추정하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈은, 냉각제에서의 산소 농도의 감소를 결정하도록 되어 있으며, 냉각제에서의 산소 농도의 추정된 감소를 비교하기 위한 모듈에 및/또는 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈과 가스 시스템 및/또는 분산기의 제어를 위한 모듈에 정보를 전송하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 질량 교환 장치의 제어를 위한 모듈은, 냉각제에서의 추정된 산소 농도가 허용 가능한 값에 근접하거나 또는 상기 허용 가능한 값을 초과하면, 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로의 산소 함유 가스의 공급을 중단시키기 위한 모듈 및/또는 가스 시스템 및 분산기의 제어를 위한 모듈 그리고 질량 교환 장치를 비활성화시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 가스 시스템 및 분산기의 제어를 위한 모듈은 가스 시스템으로부터 냉각제 부근의 공간으로 산소 비함유 가스(oxygen-free gas)를 공급하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  9. 핵원자력 발전소로서,
    원자로;
    원자로 내의 냉각제;
    원자로의 냉각제 부근의 공간에 대한 유출구를 갖는 가스 시스템;
    고상의 냉각제 산화물을 수용하는 질량 교환 장치로서, 질량 교환 장치를 통해 냉각제가 유동하도록 되어 있으며 냉각제 내에 설치되는 것인 질량 교환 장치;
    부분적으로 냉각제 내에 설치되고 부분적으로 냉각제 부근의 공간에 설치되는 분산기로서, 냉각제 부근의 공간으로부터 냉각제로 가스를 공급하도록 되어 있는 것인 분산기;
    냉각제 내의 산소 센서
    를 포함하며,
    상기 핵원자력 발전소는 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 이용함으로써 및/또는 제4항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 제어 시스템을 이용함으로써 냉각제에서의 수소 농도를 제어하도록 되어 있는 것인 핵원자력 발전소.
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