KR20180041093A - 원자로를 위한 가스 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

원자로를 위한 가스 모니터링 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20180041093A
KR20180041093A KR1020177036296A KR20177036296A KR20180041093A KR 20180041093 A KR20180041093 A KR 20180041093A KR 1020177036296 A KR1020177036296 A KR 1020177036296A KR 20177036296 A KR20177036296 A KR 20177036296A KR 20180041093 A KR20180041093 A KR 20180041093A
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oxide
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temperature
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KR1020177036296A
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로라 비. 스런
앤드류 피. 스미스
더글라스 에이. 미첼
스티븐 알. 커밍스
차드 티. 셀러스
윌리엄 제이. 도슨
스콧 엘. 슈와츠
Original Assignee
넥세리스, 엘엘씨
로라 비. 스런
앤드류 피. 스미스
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Abstract

가스 모니터링 시스템 및 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 가스 모니터링 시스템은 원자로 격납고 환경 내에 있는 가스 모니터링 유닛, 원자로 비격납고 환경에 있는 원자로 격납고 환경, 및 가스 모니터링 유닛을 가스 모니터링 유닛 컨트롤러에 상호 연결하는 고온 또는 산업 규격 케이블을 포함한다. 가스 모니터링 유닛 상의 다양한 센서는 수소 가스 농도를 포함하는 원자로 격납고 환경의 환경을 검출한다.

Description

원자로를 위한 가스 모니터링 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 5월 18일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/163,326호에 대해 우선권을 주장하며, 이 기초 출원은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
수소 가스는 다양한 작동 조건하에서 원자로에서 발생된다. 완화 조치가 취해지지 않으면, 수소 농도는 인화 레벨에 도달할 수 있다.
가스 분석기는 현재 원자로 격납고(reactor containment) 환경에서의 수소 농도를 측정하도록 사용된다. 분석기는 원자로 격납고 외부에 있으며, 샘플 가스는 격납고 벽을 침투하는 튜브를 통해 분석기로 보내진다. 이러한 침투는 수소 및 다른 위험한 종들이 노심의 안전 격납고 밖으로 탈출하는 잠재적인 누출 경로를 만든다. 현재의 가스 분석기의 응답 시간은 길다. 현재의 가스 분석기는 전력 집약적이며, 그러므로 핵 사고가 일어날 때, 백업 전력으로 오랫동안 구동할 수 없다.
본 출원은 원자로로부터 수소 가스 농도를 측정하기 위한 신규의 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일 실시예에서, 원자로를 위한 가스 모니터링 시스템이 제공되되, 상기 가스 모니터링 시스템은, 원자로 격납고 내에 있는 가스 모니터링 유닛; 상기 원자로 격납고 외부에 있는 가스 모니터링 유닛 컨트롤러; 상기 가스 모니터링 유닛을 상기 가스 모니터링 유닛 컨트롤러에 연결하는 고온 또는 산업 규격 케이블(industry compliant cable)을 포함한다.
일 실시예에서, 원자로 내의 가스를 모니터링하기 위한 방법이 제공되되, 상기 방법은, 적어도 하나의 수소 센서, 압력 센서, 산소 센서, 온도 센서, 및 상대 습도 또는 증기 센서 중 적어도 하나로부터의 입력 신호를 판독하는 단계; 원자로 격납고 환경에 관한 정보를 얻도록 소프트웨어에서의 교정 알고리즘을 통해 상기 입력 신호를 처리하는 단계; 원자로를 위한 다른 장비로의 피드백; 디스플레이 패널 또는 전자 디스플레이 상에서의 정보 출력 디스플레이; 및 데이터 수집 시스템에 기록될 데이터 중 적어도 하나로서 원자로 격납고 환경의 정보를 통신하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 수소 가스를 검출하기 위한 방법이 제공되되, 상기 방법은, 산화세륨을 포함하는 수소-선택성 다공질 복합체(hydrogen-selective porous composite)를 포함하는 수소 센서를 제공하는 단계; 수소 함유 가스(hydrogen-comprising gas)를 제공하는 단계; 상기 수소 함유 가스를 상기 수소-선택성 다공질 복합체와 접촉시키는 단계; 상기 수소 함유 가스를 검출하도록 사용될 수 있는, 상기 수소-선택성 다공질 복합체의 전기 저항에서의 감소, 감도에서의 변화, 또는 베이스라인 작동으로부터의 편차에 따라서 상기 수소 함유 가스에서의 수소를 검출하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 수소 가스를 검출하는 방법이 제공되되, 상기 방법은, 지르코늄-도핑 산화세륨(zirconium-doped ceria), 가돌리늄-도핑 산화세륨(gadolinium-doped ceria), 사마륨-도핑 산화세륨(samarium-doped ceria), 란타늄-도핑 산화세륨(lanthanum-doped ceria), 이트륨-도핑 산화세륨(yttrium-doped ceria), 칼슘-도핑 산화세륨(calcium-doped ceria), 스트론튬-도핑 산화세륨(strontium-doped ceria), 및 이들의 혼합물로부터 선택된 군으로부터 선택된 도핑 산화세륨(doped cerium oxide); 산화주석, 산화인듐, 산화티탄, 산화구리, 산화텅스텐, 산화몰리브덴, 산화니켈, 산화니오브, 또는 산화바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 개질제(modifier); 및 팔라듐, 루테늄, 백금, 금, 로듐, 및 이리듐 중 1종 이상을 포함하는 귀금속 촉진제(noble metal promoter)를 포함하는 수소-선택성 다공질 복합체를 포함하는 수소 센서를 제공하는 단계; 수소 함유 가스를 제공하는 단계; 상기 수소 함유 가스를 상기 수소-선택성 다공질 복합체와 접촉시키는 단계; 상기 수소-선택성 다공질 복합체의 전기 저항에서의 감소, 감도에서의 변화, 또는 베이스라인 작동으로부터의 편차에 따라서 상기 수소 함유 가스에서의 수소를 검출하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 통합되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 다양한 예시적인 시스템, 방법, 및 결과를 도시하며, 단지 다양한 예시적인 실시예를 설명하기 위해 사용된다.
도 1은 예시적인 가스 모니터링 시스템을 도시한 도면.
도 2는 예시적인 가스 모니터링 컨트롤러를 도시한 도면.
도 3은 예시적인 가스 모니터링 유닛을 도시한 도면.
도 4는 센서 및 출력에 대한 예시적인 신호 알고리즘의 흐름도.
도 5는 예시적인 센서 응답을 도시한 도면.
도 6은 예시적인 센서 응답을 도시한 도면.
도 7은 예시적인 센서 감도를 도시한 도면.
도 8은 예시적인 센서 감도를 도시한 도면.
도 9는 온도의 함수로서 예시적인 센서 감도를 도시한 도면.
도 10은 예시적인 센서 응답을 도시한 도면.
도 11은 예시적인 가스 모니터링 유닛을 도시한 도면.
도 12A는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 12B는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 13A는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 13B는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 14A는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 14B는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 15A는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 15B는 예시적인 센서 결과를 도시한 도면.
도 16은 예시적인 센서 감도를 도시한 도면.
본 명세서에 개시되고 청구된 실시예는 원자로를 위한 가스 모니터링 시스템을 도시하고 설명한다.
도 1을 참조하면, 예시적인 가스 모니터링 시스템(100)이 도시되어 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 원자로의 전체에 걸쳐 수소 가스 농도를 측정할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 원자력 발전소의 전체에 걸쳐 수소 가스 농도를 측정할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 일정 범위의 조건에 걸쳐서 원자로 격납고의 내부 및 외부 모두에서 수소 가스를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 원자로 작동 조건은 정상이다. 다른 실시예에서, 원자로 작동 조건은 심각한 사고이다. 가스 모니터링 시스템(100)은 온도, 압력, 증기, 및 산소를 포함하지만 이에 한정되지 않는 광범위한 환경 변수를 측정하고 고려할 수 있으며, 가스 모니터링 시스템(100)은 모든 목표 조건하에서 안정한 수소 농도 신호를 제공할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 또한 일산화탄소, 요오드화 세슘, 요오드화 메틸, 연료 오염물, 및 핵 사고 또는 원자로 누출을 나타내는 다른 가스를 또한 검출하는데 적합할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 또한 일산화탄소, 요오드화 세슘, 요오드화 메틸, 연료 오염물, 및 핵 사고 또는 원자로 누설을 나타내는 다른 가스들 중 적어도 하나를 검출하는데 또한 적합할 수 있다.
일 실시예에서, 가스 모니터링 시스템(100)은 원자로 격납고 내부에서 작동하며, 각각 주위 온도 및 압력으로부터 700℃ 및 1.3㎫까지 작동할 수 있으며, 이러한 것은 정상적인 원자로 작동으로부터 원자로 과열 및 붕괴와 같은 심각한 사고 조건에 이르기까지의 작동 상태를 커버한다. 1.3㎫는 수소의 임계 압력일 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 약 1분 미만의 빠른 응답 시간을 제공하도록 실시간으로 가스를 측정할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 원자로 격납고 내에서 작동할 수 있으며, 주위 온도로부터 700℃까지 작동할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 원자로 격납고 내부에서 작동할 수 있으며, 주위 압력으로부터 1.3㎫까지 작동할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 원자로 격납고 내부에서 작동할 수 있으며, 주위 온도로부터 약 700℃까지 작동할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 원자로 격납고 내부에서 작동할 수 있으며, 대기압으로부터 약 1.3㎫까지 작동할 수 있다.
가스 모니터링 시스템(100)은 예를 들어 원자력 발전소에서와 같이 광범위한 원자로 조건에 걸쳐서 수소를 측정할 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 가스 모니터링 유닛(gas monitoring unit, GMU)(101)을 포함할 수 있다. GMU(101)은 원자로 격납고 내부에 위치될 수 있다. 가스 모니터링 시스템(100)은 가스 모니터링 유닛 컨트롤러(gas monitoring unit controller, GMUC)(102)를 포함할 수 있다. GMUC(102)는 원자로 격납고의 외부에 위치될 수 있다. 고온 또는 산업 규격 케이블(103)은 원자로 격납고 벽을 침투하여 GMU(101)를 GMUC(102)와 연결할 수 있다. GMU(101)는 원자로 격납고 내부의 수소 농도, 산소 농도, 압력, 및 증기 농도 또는 상대 습도를 측정할 수 있다. GMU(101)는 원자로 격납고 내부의 수소 농도, 산소 농도, 압력 및 증기 농도 또는 상대 습도 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. GMU(101)로부터의 신호는 고온 또는 산업 규격 케이블(103)을 통해 GMUC(102)에 통신된다. GMUC(102)는 상이한 미가공 센서 신호(raw sensor signals)를 수신할 수 있고, 최종 수소 농도, 온도, 산소 농도, 압력, 및 상대 습도 또는 수분 농도를 보고하도록 교정 및 디콘볼루션 알고리즘(calibration and deconvolution algorithm)을 통해 미가공 센서 신호를 처리한다. GMUC(102)는 상이한 미가공 센서 신호를 수신할 수 있으며, 최종 수소 농도, 온도, 산소 농도, 압력, 및 상대 습도 또는 수분 농도 중 적어도 하나를 보고하도록 교정 및 디콘볼루션 알고리즘을 통해 미가공 센서 신호를 처리할 수 있다. 처리된 미가공 센서 신호는 예를 들어 원자력 발전소 내의 다른 장비 및 시스템에 공급되거나, 디스플레이 패널 또는 전자 디스플레이 상에 디스플레이되거나, 또는 데이터 수집 시스템에 기록될 수 있다.
도 2를 참조하면, 예시적인 가스 모니터링 유닛(GMU)(201)이 도시된다. GMU(201)은 예를 들어 스테인리스강 인클로저(enclosure)(204)를 포함하는 임의의 다양한 인클로저를 포함할 수 있다. 고온 수소 센서(205), 저온 수소 센서(206), 압력 센서(208), 산소 센서(209), 온도 센서(210), 및 상대 습도 또는 증기 센서(211)가 스테인리스강 인클로저(204) 내에 위치된다. 회로 기판(207)은 저온 수소 센서(206)로부터의 아날로그 출력을 디지털 출력으로 변환하도록 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 회로 기판(207)은 GMUC(102)(도 1)에 통합된다. 다른 실시예에서, 회로 기판(207)은 제거된다. 고온 와이어(212)는 센서(205, 206, 208, 209, 210 및 211)를 위한 전력 입력 리드, 신호 리드, 및 접지 리드들 중 적어도 2개를 하나 이상의 세라믹 단자 블록(213)에 연결할 수 있다. 고온 와이어(212)는 인클로저(204)의 벽에 장착된 커넥터(214)에 또한 연결될 수 있거나, 또는 고온 와이어(212)는 GMUC(102)(도 1)로 진행하는 고온 또는 산업 규격 케이블(103)에 직접 연결하도록 미단자 상태(unterminated)로 남을 수 있다. 고온 와이어(212)의 연결은 직접 접속(direct splicing), 링 단자 사용, 또는 임의의 다른 고온 연결 기구를 사용하여 만들어질 수 있다. 금속 스크린 또는 메쉬와 같은 화염 억제기(도시되지 않음)는 잠재적인 점화를 방지하거나 또는 화염 전파를 지연시키도록 센서(205, 206, 208, 209, 210 및 211) 중 적어도 하나를 둘러싸도록 사용될 수 있다. GMU(201)는 고 방사선, 압력, 온도, 증기 및 저산소 농도 중 적어도 하나를 포함하는 핵 사고 조건에 강한 재료를 사용하여 설계될 수 있다.
GMU(201)의 고온 수소 센서(205)는 수소 함유 가스를 검출하도록 수소-선택성 다공질 복합체를 사용할 수 있다. 수소-선택성 다공질 복합체는 산화세륨을 포함할 수 있어서, 수소-선택성 다공질 복합체를 수소 함유 가스와 접촉시키는 것이 수소-선택성 다공질 복합체에서 전기 저항에서의 감소, 감도에서의 변화, 또는 베이스라인 작동으로부터의 편차를 유발할 수 있다. 다른 실시예에서, GMU(201)의 고온 수소 센서(205)는, 지르코늄-도핑 산화세륨, 가돌리늄-도핑 산화세륨, 사마륨-도핑 산화세륨, 란타늄-도핑 산화세륨, 이트륨-도핑 산화세륨, 칼슘-도핑 산화세륨, 스트론튬-도핑 산화세륨 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 군으로부터 선택된 도핑 산화세륨; 산화주석, 산화인듐, 산화티탄, 산화구리, 산화텅스텐, 산화몰리브덴, 산화니켈, 산화니오브, 또는 산화바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 개질제; 및 팔라듐, 루테늄, 백금, 금, 로듐 및 이리듐 중 1종 이상을 포함하는 귀금속 촉진제를 포함하는 다공질 수소 선택성 복합재(porous hydrogen selective composite material)를 이용한다. 수소-선택성 다공질 복합체의 전기 저항에서의 감소, 감도에서의 변화, 또는 베이스라인 작동으로부터의 편차는 수소 함유 가스를 검출하도록 사용될 수 있다.
GMU(201)의 고온 수소 센서(205)는 핵 사고 동안 발생하는 주위 온도, 즉 150℃ 내지 700℃, 및 진공에서부터 1.3㎫까지 압력 범위에서 작동할 수 있다. GMU(201)의 고온 수소 센서(205)는 핵 사고 동안 발생하는 주위 온도, 즉 약 150℃ 내지 약 700℃(또는 150℃ 내지 700℃), 및 진공으로부터 약 1.3㎫까지의 압력에서 작동할 수 있다. 고온 수소 센서(205)는 전기 화학 수소 센서, 화학 저항성 수소 센서, 촉매 수소 센서, 금속 산화물 반도전성 수소 센서 등을 포함할 수 있다.
GMU(201)의 저온 수소 센서(206)는 지르코늄-도핑 산화세륨, 가돌리늄-도핑 산화세륨, 사마륨-도핑 산화세륨, 란타늄-도핑 산화세륨, 이트륨-도핑 산화세륨, 칼슘-도핑 산화세륨, 스트론튬-도핑 산화세륨 및 이들의 혼합물로부터 선택된 군으로부터 선택된 도핑 산화세륨; 산화주석, 산화인듐, 산화티탄, 산화구리, 산화텅스텐, 산화몰리브덴, 산화니켈, 산화니오브 및 산화바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 개질제; 및 팔라듐, 루테늄, 백금, 금, 로듐 및 이리듐 중 1종 이상을 포함하는 귀금속 촉진제를 포함하는 다공질 수소 선택성 복합재를 이용할 수 있다.
GMU(201)의 저온 수소 센서(206)는 원자력 발전소에서 통상적인 원자로 조건(미사고)하에서 일어날 수 있는 주위 온도, 예를 들어 약 25℃ 내지 약 150℃의 온도에서 작동할 수 있다. 저온 수소 센서(206)는 전기 화학 수소 센서, 화학 저항성 수소 센서, 촉매 수소 센서, 금속 산화물 반도 전성 수소 센서 등일 수 있다.
산소 센서(209)는 정상적인 원자로 작동 조건으로부터 심각한 사고 작동 조건까지의 온도, 압력, 환원 가스, 및 산소 범위들에 대해 산소를 측정할 수 있다. 이러한 범위들은 25℃ 내지 700℃의 온도, 진공으로부터 1.3㎫에 이르는 압력, 0% 내지 적어도 25%의 산소 농도, 및 0% 내지 30%의 수소 농도를 포함할 수 있다. 이러한 범위들은 약 25℃ 내지 약 700℃의 온도, 진공으로부터 약 1.3㎫까지에 이르는 압력, 약 0% 내지 적어도 약 25%의 산소 농도, 및 약 0% 내지 약 30%의 수소 농도를 포함할 수 있다. 산소 센서(209)는 이트륨 안정화 산화지르코늄, 가돌리늄 또는 사마륨 도핑 산화세륨 산소 센서, 산화티탄 기반 산소 센서 등을 포함할 수 있다.
GMU(201)의 압력 센서(208)는 심각한 사고 조건까지의 정상적인 원자로 작동 조건에 대해 예상되는 온도 및 압력 범위에 걸쳐서 정압을 측정할 수 있다. 압력 센서(208)는 25℃ 내지 700℃의 온도 조건, 및 0.0㎫ 내지 적어도 1.3㎫의 압력 범위에서 작동할 수 있다. 압력 센서(208)는 약 25℃ 내지 약 700℃의 온도 조건, 및 약 0.0㎫ 내지 적어도 약 1.3㎫의 압력 범위에서 작동할 수 있다.
습도 센서(211)는 0% 내지 100% 상대 습도의 원자로 격납고 환경에서 상대 습도를 측정할 수 있는 임의의 상대 습도 센서(211)일 수 있다. 습도 센서(211)는 약 0% 내지 약 100% 상대 습도의 원자로 격납고 환경에서 상대 습도를 측정할 수 있는 임의의 상대 습도 센서(211)일 수 있다. 습도 센서(211)는 또한 심각한 사고 조건까지의 정상적인 원자로 작동 조건에 대해 온도 및 압력 범위에 걸쳐서 원자로 격납고 환경에서 수증기의 체적% 또는 분압으로서 증기 함유량을 측정할 수 있는 임의의 센서일 수 있다. 이러한 범위는 25℃ 내지 700℃의 온도 및 진공에서부터 1.3㎫까지의 압력 범위를 포함할 수 있다. 이러한 범위는 약 25℃ 내지 약 700℃의 온도 및 진공으로부터 약 1.3㎫의 압력 범위를 포함할 수 있다.
GMU(201)의 온도 센서(210)는 심각한 사고 조건까지의 정상적인 원자로 작동 조건의 범위에 걸쳐서 온도, 즉 약 25℃ 내지 약 700℃ 범위의 온도 또는 25℃ 내지 700℃ 범위의 온도를 측정할 수 있는 임의의 온도 센서(210)일 수 있다. 온도 센서(210)는 저항 온도 디바이스, 써미스터, 열전대 등을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 예시적인 가스 모니터링 유닛(GMU)(301)이 도시된다. GMU(301)는 단지 하나의 수소 센서(305)를 이용할 수 있다. 수소 센서(305)는 최고 요구 온도, 전형적으로 700℃에서, 위에서 언급된 모든 다른 압력 및 산소, 수분, 및 수소 농도에 걸쳐서 연속적으로 작동하도록 구성될 수 있다. 수소 센서(305)는 수소 함유 가스를 검출하도록 수소-선택성 다공질 복합체를 사용할 수 있다. 수소-선택성 다공질 복합체는 산화세륨을 포함할 수 있어서, 수소-선택성 다공질 복합체를 수소 함유 가스와 접촉시키는 것은 수소-선택성 다공질 복합체에서의 전기 저항을 감소시키거나, 감도를 변화시키거나, 또는 베이스라인 작동으로부터 벗어날 수 있다. 작동 온도 또는 히터 전력 사용, 및 대응하는 교정은 온도 센서 또는 센서 내장형 온도 센서(210)에 의해 측정된 주위 온도에 따라 GMUC(102)에서 조정될 수 있어서, 수소 센서(305)는 항상 주위 온도보다 높은 온도로 제어된다. 작동 온도 또는 전원 제어 루프 및 대응하는 교정은 온도 센서 또는 센서 내장 온도 센서에 의해 측정된 주위 온도에 따라 GMUC(102)에서 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 전자 제어 회로(미도시)를 구비한 GMUC(102)는, GMU 센서(205, 206, 208, 209, 210, 211)로부터 신호를 판독하고, 펌웨어 내로 프로그램밍된 교정, 에러 정정, 및 디콘볼루션 알고리즘을 통해 판독 신호를 처리하고, 수소 농도, 온도, 산소 농도, 증기 농도 및 압력에 관한 정보를 포함하는 원자로 격납 환경에 관한 정보를 통신하는 하드웨어 및 펌웨어를 포함한다.
도 4를 참조하면, 센서 신호(401) 및 시스템 출력(403)을 위한 예시적인 신호 알고리즘(402)이 도시되어 있다. 교정 알고리즘(402)은 센서(205, 206, 208, 209, 210, 211)(고온 및 저온 수소 센서들, 압력, 산소, 온도 및 습도 또는 증기 센서) 중 적어도 하나로부터 입력 신호(401)를 취하고, 이것을 수소 농도, 압력, 산소 농도, 온도, 및 증기 농도를 위한 시스템 출력값(403)으로 변환할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 가스 모니터링 시스템(100)은 수소 대신에 일산화탄소를 측정하도록 교정될 수 있다. 고온 수소 센서(205) 및 저온 수소 센서(206)는 일산화탄소에 대해 교차 민감성(cross-sensitive)일 수 있으며, 고온 수소 센서(205) 및 저온 수소 센서(206)는 일산화탄소를 위해 교정될 수 있다. 일산화탄소 교정은 GMUC(102) 교정 알고리즘(402)에 포함될 수 있다.
일 실시예에서, 가스 모니터링 시스템(100)은 또한 수소를 측정하는 대신 요오드화 세슘, 요오드화 메틸, 요오드, 및 다른 핵연료 오염물 중 적어도 하나를 측정하도록 교정될 수 있다. 고온 수소 센서(205) 및 저온 수소 센서(206)는 요오드화 세슘, 요오드화 메틸, 요오드, 및 다른 핵연료 오염물 중 적어도 하나에 교차 민감성일 수 있으며, 고온 수소 센서(205) 및 저 수소 온도 센서(206)는 요오드화 세슘, 요오드화 메틸, 요오드, 및 다른 핵연료 오염물 중 적어도 하나의 측정을 위해 교정될 수 있다. 요오드화 세슘, 요오드화 메틸, 요오드, 및 다른 핵연료 오염물 중 적어도 하나를 위한 교정은 GMUC(102) 신호 알고리즘(402) 교정에 포함될 수 있다. 이러한 연료 오염물들 중 적어도 하나를 검출하도록 교정된 가스 모니터링 시스템(100)은 이러한 가스가 존재할 확률이 높은 원자로 격납고 내의 위치, 예를 들어 연료봉 근처에 설치될 수 있다.
임의의 GMU(101, 201, 301)는 비격납고 영역에서의 수소 농도를 측정하도록 격납고의 외부에 설치될 수 있다. GMU(101, 201, 301)의 인클로저는 벽 장착, 도어 밀봉 장착, 또는 수소 가스가 존재할 수 있는 다른 가능한 위치를 위해 변경될 수 있다. GMU(101, 201, 301)는 예를 들어 압력 센서(208)와 같은 압력 센서를 제거하는 것과 같은 비격납고 환경을 위해 더욱 단순화될 수 있다.
도 5를 참조하면, 예시적인 센서 응답이 도시되어 있다. 일산화탄소에 대한 센서 응답은 가스 모니터링 시스템(100)이 일산화탄소를 측정하도록 사용될 수 있다는 것을 보여준다.
도 6을 참조하면, 예시적인 센서 응답이 도시되어 있다. 요오드화 세슘에 대한 센서 응답은 가스 모니터링 시스템(100)이 요오드화 세슘을 측정하도록 사용될 수 있다는 것을 보여준다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 600℃ 및 700℃의 작동 온도에서의 수소 감도에 대한 예시적인 센서 감도가 각각 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 온도의 함수로서 3.5% H2에 대한 예시적인 센서 감도가 도시되어 있다. 안전상의 이유 때문에, 실험실 테스트는 공기 중에서 4% 아래의 수소 농도를 테스트하는 것으로 제한될 수 있다. 그러나, 수소 센서(205)는 더욱 넓은 범위에 걸쳐서 수소를 측정할 수 있다.
도 10을 참조하면, 예시적인 센서 응답이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 수소 센서(205)는 가습된 질소(인화성 조건을 피하도록 0%로 산소를 유지)의 배경에서 0% 내지 30%의 수소 농도에서 테스트된다. 감도는 신호 포화의 증거없이 이러한 전체 농도 범위에 걸쳐서 관찰된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 650℃에서 측정된 30% H2의 응답이 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 예시적인 가스 측정 유닛(GMU)(1100)이 도시되어 있다. 센서(1120)는 고온 및 방사선 저항성 단자 블록 및 센서 와이어에 연결하기 위한 전기 커넥터들을 구비한 스테인리스강 또는 등가의 박스(1102) 내에 장착될 수 있다. 센서(1120)는 도 2의 설명에서 상기에서 참조된 센서(205, 206, 208, 209, 210 및 211) 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예시적인 GMU(1100)는 지진 테이블(seismic table)에 장착되었으며, 리히터 규모 12의 지진 시뮬레이션 조건에서 테스트되었다. 이 실시예에서, 지진 조건은 주위 조건하에서 수행된다. 0%, 1% 및 2%의 수소에 대한 응답은 지진 테스트 전후에 수집되었으며, 센서 출력들은 주위 조건하에서 테스트 내내 연속적으로 측정되었다.
도 12A 내지 도 14B를 참조하여, 예시적인 센서 결과들이 도시되어 있다. 또한, 도 12A 내지 도 14B는 지진 노출 후의 상이한 센서 출력을 도시한다. 모든 센서는 신호 손실이나 손상없이 모든 테스트를 통해 안정하게 유지된다. 각각의 센서에 대해, 성능 결과는 미가공 출력(즉, 센서 저항 출력) 및 보고된 수소 또는 산소 농도에 관하여 보여진다. 도 12A 내지 도 14B가 데이터에서의 일부 노이즈를 도시하지만, 지진 노출은 테스트 결과에 영향을 미치지 않았다. 도 12A 및 도 12B는 고온 수소 센서(205)로부터의 수소 농도(도 12B) 및 대응하는 센서 저항(도 12A)을 도시한다. 도 13A 및 도 13B는 저온 수소 센서(206)로부터의 수소 농도(도 13B) 및 대응하는 센서 저항(도 13A)을 도시한다. 도 14A 및 도 14B는 산소 센서(209)로부터의 산소 농도(도14B) 및 대응하는 센서 신호(도 14A)를 도시한다.
도 15A 및 도 15B를 참조하면, 예시적인 센서 결과들이 도시된다. 일 실시예에서, 센서(205, 206, 208, 209, 210 및 211)는 가스 모니터링 시스템(100)의 견고성을 확인하도록 높은 수준의 방사선에 노출된다. 고온 수소 센서(205)에 대한 투여율 테스트 결과들은 0 kGy/hr 내지 10 kGy/hr의 단계적 방사선 노출에 걸쳐서 안정한 센서 성능을 보인다.
알고리즘(402)의 개발에 추가하여, 방사선, 지진, 및 독성 테스트 조건하에서의 센서 테스트는 가스 모니터링 시스템(100)에 통합될 수 있는 새로운 개념을 발생시켰다. 일산화탄소는 연료가 원자로로부터 누출하여 콘크리트 구조물의 콘크리트 바닥과 벽과 접촉할 때 사고 조건하에서 핵 격납고 내에서 방사될 수 있다. 상기된 바와 같이, 일산화탄소 센서들로서 사용하는데 적합한 수소 센서(205, 206)는 일산화탄소에 대해 강한 감도를 보여, 수소 검출에 대한 응답과 유사하게 전기 저항에서의 큰 강하를 보일 수 있다. H2와 CO 응답의 분리가 단일의 GMU 내에서 가능하지 않을 수 있지만, 격납고 내에서 다수의 GMU의 전략적 배치는 H2와 CO를 구별하도록 사용될 수 있었다. 대안적으로, GMU는 전체 연소 가능한 가스 농도(즉, H2와 CO의 농도)를 나타내는 전체 가스 센서로 사용할 수 있으며, 이는 수소와 일산화탄소가 가연성이고 사고 조건을 나타낼 수 있기 때문이다. 이러한 GMU는 사고 완화를 위해 사용될 수 있다.
도 16을 참조하여, 예시적인 센서 감도가 도시되어 있다. 도 16은 요오드화 세슘에 대한 센서(205)의 감도를 도시한다. 센서(205) 응답은, 요오드화 세슘이 전기 전도성일 수 있고, 도시된 바와 같은 응답이 센서 표면상으로의 CsI 증착 및 내부 디지털 전극(IDE)의 전체에 걸쳐서 도전성 경로를 생성하는 것에 의해 유발되었을 수 있다는 것을 나타낸다. 빈 IDE(수소 응답성 코팅이 없는)가 테스트되었으며, 유사한 응답을 제공하였다. 따라서, 센서(205)는 CsI 센서로서 이용될 수 있다.
반대로 특별히 언급하지 않으면, 첨부된 청구항들을 포함하는 명세서에 제시된 수치 파라미터는 예시적인 실시예에 따라서 얻고자 하는 필요한 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적어도 청구항들의 범위에 대한 등가물의 원칙의 적용을 제한하는 시도는 아니며, 각각 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수의 수의 관점에서, 그리고 일반적인 반올림 기술을 적용하여 해석되어야 한다.
본 발명의 넓은 범위를 제시하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 특정 실시예에서 제시된 수치는 가능한 정밀하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치값은 본질적으로 각각의 테스트 측정에서 발견된 표준 편차로부터 필연적으로 기인하는 특정 오류를 포함한다.
또한, 시스템, 방법, 및 장치가 예시적인 실시예를 설명하는 것에 의해 예시되었으며, 예시적인 실시예들이 상당히 상세하게 설명되고 도시되었지만, 본 출원인의 의도는 첨부된 청구항들의 범위를 이러한 상세로 한정하거나, 임의의 방식으로 제한하는 것이 아니다. 물론 시스템, 방법, 및 장치를 설명할 목적을 위해 구성 요소 또는 방법론의 모든 고려 가능한 조합을 설명하는 것은 가능하지 않다. 본 출원의 이점과 함께, 부가적인 이점 및 수정이 당업자에게 용이하게 보일 것이다. 그러므로, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 세부 사항 및 예시된 실시예 및 예시적인 실시예로 더욱 넓은 측면에서 제한되지 않는다. 따라서, 변경은 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 이러한 세부 사항으로부터 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 출원은 첨부된 청구항들의 범위 내에 놓이는 변경, 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다. 전술한 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것을 의미하지 않는다. 오히려, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들 및 그 균등물에 의해 결정된다.
명세서 및 청구항들에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 복수를 포함한다. 용어 "구비한다" 또는 "구비하는"이 상세한 설명 또는 청구항에서 이용될 정도까지, 청구항에서 전이어(transitional word)로서 이용될 때 상기 용어가 해석되는 것으로서, 용어 "포함하는"과 같은 방식으로 포괄적이도록 의도된다. 또한, 용어 "또는"은 청구항들(예를 들어, A 또는 B)에 사용될 정도까지, "A 또는 B 또는 둘다"를 의미하는 것으로 의도된다. 출원인이 "오직 A 또는 B, 그러나 양쪽이 아닌"을 나타내도록 의도할 때, 용어 "A 또는 B, 그러나 양쪽이 아닌"이 사용된다. 마찬가지로, 출원인이 A, B 또는 C 중 "오직 하나만"을 나타내고자 할 때, 출원인은 구문 "오직 하나만"을 사용할 것이다. 또한, 명세서 또는 청구항에서 용어 "안에" 또는 "안으로"가 사용될 정도까지, "상에" 또는 "상으로"를 부가적으로 의미하도록 의도된다. 용어 "선택적으로"가 명세서 또는 청구항에서 사용될 정도까지, 장치의 사용자가 필요에 따라 또는 장치의 사용시에 필요한 구성 요소의 특징 또는 기능을 활성화 또는 비활성화할 수 있는 구성 요소의 조건을 지칭하도록 의도된다. 용어 "작동 가능하게 연결된"이 명세서 또는 청구항에서 사용될 정도까지, 구별된 구성 요소들이 지정된 기능을 수행하는 방식으로 연결되는 것을 의미하도록 의도된다. 마지막으로, 용어 "약"이 숫자와 함께 사용될 때, 숫자의 ± 10%를 포함하도록 의도된다. 즉, "약 10"은 9 내지 11을 의미할 수 있다.

Claims (20)

  1. 원자로를 위한 가스 모니터링 시스템으로서,
    원자로 격납고 내에 있는 가스 모니터링 유닛;
    상기 원자로 격납고 외부에 있는 가스 모니터링 유닛 컨트롤러; 및
    상기 가스 모니터링 유닛을 상기 가스 모니터링 유닛 컨트롤러에 연결하는 케이블을 포함하는, 가스 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 모니터링 유닛은,
    스테인리스강 인클로저;
    적어도 하나의 수소 센서;
    압력 센서;
    산소 센서;
    온도 센서;
    상대 습도 센서 및 증기 센서 중 적어도 하나;
    회로 기판;
    고온 와이어;
    단자 블록들; 및
    화염 억제기를 추가로 포함하며,
    상기 가스 모니터링 유닛은 핵방사선, 압력, 온도, 증기, 및 저산소 농도 중 적어도 하나에 강한 재료로 만들어지는, 가스 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수소 센서는 수소-선택성 다공질 복합체를 포함하는 고온 수소 센서이고, 상기 수소-선택성 다공질 복합체는 산화세륨을 추가로 포함하며, 상기 수소-선택성 다공질 복합체를 접촉하는 수소 함유 가스는 수소-선택성 다공질 복합체의 전기 저항에서의 감소, 감도에서의 변화, 또는 베이스라인 작동으로부터의 편차 중 적어도 하나를 유발하는, 가스 모니터링 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수소 센서는 700℃까지의 주위 온도 및 1.3㎫까지의 주위 압력에서 작동 가능하고, 상기 적어도 하나의 수소 센서는 전기 화학 수소 센서, 화학 저항성 수소 센서, 촉매 수소 센서, 및 금속 산화물 반도전성 수소 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 가스 모니터링 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수소 센서는, 지르코늄-도핑 산화세륨, 가돌리늄-도핑 산화세륨, 사마륨-도핑 산화세륨, 란타늄-도핑 산화세륨, 이트륨-도핑 산화세륨, 칼슘-도핑 산화세륨, 스트론튬-도핑 산화세륨 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 군으로부터 선택된 도핑 산화세륨; 산화주석, 산화인듐, 산화티탄, 산화구리, 산화텅스텐, 산화몰리브덴, 산화니켈, 산화니오브, 또는 산화바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 개질제; 및 팔라듐, 루테늄, 백금, 금, 로듐 및 이리듐 중 1종 이상을 포함하는 귀금속 촉진제를 포함하는 다공질 수소 선택성 복합재를 포함하는, 가스 모니터링 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수소 센서는 25℃ 내지 150℃의 범위에 있는 주위 온도에서 작동 가능하고, 상기 저온 수소 센서는 전기 화학 수소 센서, 화학 저항성 수소 센서, 촉매 수소 센서, 및 금속 산화물 반도전성 수소 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 가스 모니터링 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 산소 센서는 25℃ 내지 700℃의 범위에 있는 주위 온도 및 진공에서부터 1.3㎫까지의 압력 범위에서 작동 가능하고, 상기 산소 센서는 0% 내지 25%의 범위에 있는 산소 농도를 검출하도록 작동 가능하고, 상기 산소 센서는 이트륨 안정화 산화지르코늄, 가돌리늄 또는 사마륨 도핑 산화세륨 산소 센서, 산화티탄 기반 산소 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 가스 모니터링 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 압력 센서는 25℃ 내지 700℃의 범위에 있는 주위 온도에서 작동 가능하고, 상기 압력 센서는 0㎫ 내지 적어도 1.3㎫의 압력을 검출하도록 작동 가능한, 가스 모니터링 시스템.
  9. 제2항에 있어서, 상기 습도 센서는 0% 내지 100% 상대 습도의 원자로 격납고 환경에서의 상대 습도를 측정하도록 작동 가능한, 가스 모니터링 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 습도 센서 및 증기 센서 중 적어도 하나는 25℃ 내지 700℃의 온도 범위 및 진공으로부터 1.3㎫의 압력 범위에 있는 원자로 격납고 환경에서의 증기 함유량을 측정하도록 작동 가능한, 가스 모니터링 시스템.
  11. 제2항에 있어서, 상기 온도 센서는 25℃ 내지 700℃의 범위에 있는 온도를 측정하도록 작동 가능하며, 상기 온도 센서는 저항 온도 디바이스, 써미스터, 및 열전대 중 적어도 하나인, 가스 모니터링 시스템.
  12. 제2항에 있어서, 상기 가스 모니터링 유닛은 단지 하나의 수소 센서를 포함하며, 상기 가스 모니터링 시스템은 700℃의 온도 및 1.3㎫의 압력에서 연속적으로 작동 가능한, 가스 모니터링 시스템.
  13. 제2항에 있어서, 작동 온도 또는 전원 제어 루프 및 대응하는 교정은 온도 센서 또는 센서 내장 온도 센서에 의해 측정된 주위 온도에 따라 상기 가스 모니터링 유닛 컨트롤러에서 조정되는, 가스 모니터링 시스템.
  14. 제2항에 있어서, 상기 가스 모니터링 유닛 컨트롤러는 전자 제어 회로, 적어도 하나의 하드웨어, 및 소프트웨어를 추가로 포함하는, 가스 모니터링 시스템.
  15. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수소 센서는 일산화탄소를 측정하도록 작동 가능한, 가스 모니터링 시스템.
  16. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수소 센서는 요오드화 세슘, 요오드화 메틸, 요오드, 및 다른 핵연료 오염물 중 적어도 하나를 측정하도록 작동 가능한, 가스 모니터링 시스템.
  17. 제1항에 있어서 상기 가스 모니터링 유닛은 상기 원자로 격납고의 외부에 배향되는, 가스 모니터링 시스템.
  18. 원자로 내의 가스를 모니터링하기 위한 방법으로서,
    적어도 하나의 수소 센서, 압력 센서, 산소 센서, 온도 센서, 및 상대 습도 또는 증기 센서 중 적어도 하나로부터의 입력 신호를 판독하는 단계;
    원자로 격납고 환경에 관한 정보를 얻도록 소프트웨어에서의 교정 및 디콘볼루션 알고리즘을 통해 상기 입력 신호를 처리하는 단계; 및
    상기 원자로를 위한 다른 장비로의 피드백;
    디스플레이 패널 또는 전자 디스플레이 상에서의 정보 출력 디스플레이; 및
    데이터 수집 시스템에 기록될 데이터
    중 적어도 하나로서 상기 원자로 격납고 환경의 정보를 통신하는 단계를 포함하는, 원자로 내의 가스를 모니터링하기 위한 방법.
  19. 수소 가스를 검출하기 위한 방법으로서,
    산화세륨을 포함하는 수소-선택성 다공질 복합체를 포함하는 수소 센서를 제공하는 단계;
    수소 함유 가스를 제공하는 단계;
    상기 수소 함유 가스를 상기 수소-선택성 다공질 복합체와 접촉시키는 단계; 및
    상기 수소-선택성 다공질 복합체의 전기 저항에서의 감소, 감도에서의 변화, 또는 베이스라인 작동으로부터의 편차 중 적어도 하나에 따라서 상기 수소 함유 가스에서의 수소를 검출하는 단계를 포함하는, 수소 가스를 검출하기 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 수소-선택성 다공질 복합체는 지르코늄-도핑 산화세륨, 가돌리늄-도핑 산화세륨, 사마륨-도핑 산화세륨, 란타늄-도핑 산화세륨, 이트륨-도핑 산화세륨, 칼슘-도핑 산화세륨, 스트론튬-도핑 산화세륨, 및 이들의 혼합물로부터 선택된 군으로부터 선택된 도핑 산화세륨; 산화주석, 산화인듐, 산화티탄, 산화구리, 산화텅스텐, 산화몰리브덴, 산화니켈, 산화니오브, 또는 산화바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 개질제; 및 팔라듐, 루테늄, 백금, 금, 로듐 및 이리듐 중 1종 이상을 포함하는 귀금속 촉진제를 포함하는, 수소 가스를 검출하기 위한 방법.
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