KR20200098538A - 원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위한 방법, 및 연관 컴퓨터 프로그램 및 전자 시스템 - Google Patents

원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위한 방법, 및 연관 컴퓨터 프로그램 및 전자 시스템 Download PDF

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Abstract

원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위한 방법(90)이 전자 결정 시스템에 의해 구현되며, 본 방법은:
- 제1 전력에서의 원자로의 동작에 대한 각각의 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정하는 단계(100);
- 제2 전력에서의 원자로의 동작에 대한 상기 파라미터의 제2 임계값을 결정하는 단계를 포함하고;
제1 전력 및 제2 전력의 저전력에서의 동작은 24시간 슬라이딩 윈도우에 걸쳐 적어도 8시간의 지속 시간 동안 지속되는 동작이다.
또한, 본 방법은:
- 제1 전력과 제2 전력 사이의 제3 전력에서의, 원자로의 동작에 대한 상기 파라미터의 제3 임계값을 결정하는 단계(120)를 포함한다.

Description

원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위한 방법, 및 연관 컴퓨터 프로그램 및 전자 시스템
본 발명은 원자로(nuclear reactor)의 적어도 하나의 동작 파라미터(operating parameter)의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
원자로는 연료 조립체들이 로딩(load)되는 코어(core)를 포함하고, 연료 조립체들은 각각 핵 연료 펠릿들(pellets) 및 펠릿들을 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함하는 연료봉들을 포함한다.
본 발명은 또한 연관 전자 결정 시스템 및, 컴퓨터에 의해 실행될 때, 이러한 방법을 구현하는 소프트웨어 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
본 발명은 예를 들어, 가압수(pressurized water)를 사용하든 끓는 물을 사용하든, 경수 원자로에 적용된다.
현재 전 세계적으로 다수의 이러한 원자로가 사용되고 있다.
특히 원자로를 사용하여 전기의 50% 초과가 생산되는 프랑스와 같은 국가에서, 이들 원자로에 의해 공급되는 전체 전력이 이들이 공급하는 전기 그리드(grid)의 요구에 적응하도록 변하는 것이 유용할 수 있다.
특히, 정격 전력(rated power)으로 복귀하기 전에, 그리드의 수요가 낮은, 통상적으로 며칠에서 적어도 2개월까지의 장기간 동안 원자로를 중간 전력으로 동작시킬 수 있는 것이 바람직하다. 동작 전력은 정격 전력의 92% 미만일 때 중간 전력으로 간주된다.
2016년 6월 말에 발행된 L. Daniel 등의 "PWR 강화 플랜트 기동성을 위한 AREVA NP의 PCI 방법론" 논문은 원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 임계값을 결정하기 위한 방법을 설명하며, 이 임계값은 보호 임계값과 연관된다. 이 방법은, 정격 전력과 같은 원자로의 제1 전력에서의 동작에 대해, 각각의 동작 파라미터의 제1 임계값에 대응하는 제1 보호 임계값을 결정하는 단계를 포함한다.
원자로의 중간 전력에서의 지속 동작(SOIP: sustained operation at intermediate power)을 고려하여, 본 방법은 또한 SOIP와 연관된 중간 전력, 즉 정격 전력 미만의 전력으로서, 일반적으로 정격 전력의 백분율 형태로 표현되고 통상적으로 정격 전력의 10% 내지 92%인 전력과 같은 원자로의 제2 전력에서의 동작에 대해, 각각의 동작 파라미터의 제2 임계값에 대응하는 제2 보호 임계값을 결정하는 단계를 포함한다.
각각의 동작 파라미터와 연관된 각각의 보호 임계값 또는 한계 임계값, 그리고 특히 상기 동작 파라미터의 제2 임계값 - 이 예에서 SOIP와 연관됨 - 은 PCI(펠릿-클래딩 상호 작용(Pellet-Cladding Interaction)) 마진의 계산을 통해 결정되어, 원자로의 전력에 대한 이러한 변화에도 불구하고 PCI 마진은 여전히 양(positive)으로 유지된다.
일부 경우에, 예를 들어 장비의 다운타임(downtime) 또는 원자로의 2차 회로에 대한 누출 후, 그리고 일반적으로 열을 덜 우수하게 방출시켜 원자로의 전력을 낮추어야 하게 되는 일이 발생한 후에, 더 낮은 전력에서 추가의 긴 기간에 걸쳐 원자로를 동작시킬 필요가 있을 수 있다(추가의 긴 SOIP).
본 발명의 목적은 가능한 가장 높은 전력에서 원자로를 계속 동작시키면서 그 용량의 최대한으로 원자로를 사용하는 것이다.
이를 위해, 원자로의 이러한 동작은 안전 문제를 야기하지 않아야 하고, 특히 예를 들어 SOIP 동안 또는 지속 동작 및 중간 전력에 따른 전력으로의 복귀 직후에 발생할 수 있는 돌발적인 동작 천이(transient)의 경우에 그러하다.
본 발명의 하나의 목적은 원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하고, 안전한 동작을 유지하면서 원자로의 용량을 더욱 잘 사용할 수 있게 하는 방법을 제공함으로써 이 문제를 해결하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료 조립체들이 로딩되는 코어를 포함하는 원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 연료 조립체들은 각각 핵 연료 펠릿들 및 펠릿들을 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함하는 연료봉들을 포함하고,
본 방법은, 전자 결정 시스템에 의해 구현되고:
- 제1 전력에서의 원자로의 동작에 대한 각각의 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정하는 단계;
- 제2 전력에서의 상기 원자로의 동작에 대한 각각의 동작 파라미터의 제2 임계값을 결정하는 단계를 포함하고;
제1 전력 및 제2 전력의 저전력에서의 동작은 24시간 슬라이딩 윈도우(sliding window)에 걸쳐 적어도 8시간의 지속 시간 동안 지속되는 동작이고;
본 방법은:
- 제3 전력에서의 상기 원자로의 동작에 대한 상기 각각의 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하는 단계를 더 포함하며, 제3 전력은 전력 레벨에 대응하고 제1 전력과 제2 전력 사이에 있다.
본 발명에 따른 결정 방법은 제1 전력과 제2 전력 사이의 적어도 하나의 전력 레벨에 대한 동작 파라미터의 임계값을 결정할 수 있게 한다. 동작 파라미터의 각각의 결정된 임계값은 보호 임계값과 연관되며, 각각의 임계값은 실제로 원자로의 보호, 즉, 동작 안전을 보장하기 위해 초과되지 않아야 하는 임계값에 대응한다.
동작 파라미터의 연관 임계값 및 연관 보호 임계값의 결정으로 적어도 하나의 이러한 전력 레벨을 계산하는 것은 원자로의 용량을 보다 잘 이용할 수 있게 한다.
실제로, 이러한 전력 레벨은, 정격 전력에서 SOIP와 연관된 최저 전력으로의 전력 감소 동안, 즉, 연료봉의 열역학적 디컨디셔닝 모드(deconditioning mode)에서든지, 또는 SOIP와 연관된 최저 전력에서 정격 전력으로의 전력 상승 동안, 즉, 연료봉의 열역학적 리컨디셔닝 모드(reconditioning mode)에서든지, 더 큰 안전 마진 및/또는 SOIP에서의 가능한 더 큰 동작 지속 시간으로 전력 변동의 관리를 개선할 수 있게 한다.
보호 임계값과 연관된 각 동작 파라미터의 각각의 한계값은 예를 들어, PCI 마진의 계산을 통해 결정되므로, PCI 마진은 원자로의 전력의 변화에도 불구하고 양(positive)으로 유지된다.
본 발명의 다른 유리한 양태에 따르면, 결정 방법은 단독으로 또는 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라 다음 특징 중 하나 이상을 포함한다:
- 원자로는 연료봉들의 열역학적 디컨디셔닝(deconditioning) 모드에 있고, 제1 전력은 제2 전력보다 크고,
제1 전력은 바람직하게는 원자로의 정격 전력과 실질적으로 동일하고, 제2 전력은 바람직하게는 원자로의 중간 전력에서의 지속 동작을 위한 타겟 전력과 실질적으로 동일하고;
- 원자로는 연료봉들의 열역학적 리컨디셔닝(reconditioning) 모드에 있고, 제1 전력은 제2 전력보다 작고,
제1 전력은 바람직하게는 원자로의 중간 전력에서 지속 동작을 위한 타겟 전력과 실질적으로 동일하고, 제2 전력은 바람직하게는 원자로의 정격 전력과 실질적으로 동일하고;
- 동작 파라미터는, 다음의 그룹: 코어에서의 온도 편차, 연료봉들에서의 선형 전력 및 코어에서의 중성자 플럭스 변동으로부터 선택되고;
- 각 동작 파라미터의 각각의 임계값은 PCI 마진의 계산을 통해 결정되고;
- PCI 마진의 계산은:
ⅱ) 원자로의 적어도 하나의 동작 천이(transition)를 시뮬레이팅하는 하위 단계,
ⅲ) 연료봉의 클래딩의 적어도 일부에서의 동작 천이(transition) 동안 적어도 하나의 물리적 특성에 의해 도달된 값을 계산하는 하위 단계, 및
ⅳ) 천이(transition) 동안 하위 단계 ⅱ)에서 계산된 상기 값에 의해 도달된 최대값과 연료봉의 기술적 한계 사이의 편차를 PCI 마진으로서 결정하는 하위 단계를 포함하고;
- 하위 단계 ⅱ)에서 시뮬레이팅된 천이(transition)는: 과도한 부하 증가, 적어도 하나의 제어 클러스터 그룹의 제어되지 않은 철회(withdrawal), 제어 클러스터들 중 하나의 하락, 및 제어되지 않은 붕산 희석으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 천이(transition)이고;
- 물리적 특성은: 클래딩에서의 제약 또는 제약 함수; 및 클래딩에서의 변형 에너지 밀도로 이루어진 그룹 중에서 선택되고;
- 본 방법은, 동작 파라미터의 값이, 제1 전력, 제2 전력 및 제3 전력 중 대응하는 전력에서의 원자로의 동작에 대한 제1 임계값, 제2 임계값 및 제3 임계값 중에서, 동작 파라미터의 각각의 임계값 미만인지를 검증하면서, 원자로를 동작시키는 단계를 더 포함하고;
- 원자로의 동작 중에, 연료봉들의 로컬 연소율로 이어지는 열역학적 리컨디셔닝에 선행하는 열역학적 디컨디셔닝 후에, 연료봉들의 새로운 열역학적 디컨디셔닝 이전의 그 정격 전력에서의 원자로의 최소 동작 지속 시간은 타겟 PCI 마진 도달에 대응하는 지속 시간이고, 타겟 PCI 마진은 연료봉들의 열역학적 디컨디셔닝 이전에 존재하는 PCI 마진으로부터 시작하여 동일한 로컬 연소율을 획득할 때까지 원자로의 정격 전력에서의 동작으로 인한 PCI 마진에 대응하고;
- 각 동작 파라미터의 각각의 임계값은 원자로의 긴급 정지 및/또는 경보(alarm)의 트리거링(triggering)으로 이어지는 보호 임계값과 연관된 임계값이다.
본 발명은 또한, 컴퓨터에 의해 실행될 때, 위에 규정된 결정 방법을 구현하는 소프트웨어 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
본 발명은 또한 연료 조립체들이 로딩되는 코어를 포함하는 원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위한 전자 시스템에 관한 것으로, 연료 조립체들은 각각 핵 연료 펠릿들 및 펠릿들을 둘러싸는 클래딩을 포함하는 연료봉들을 포함하고, 본 시스템은:
- 제1 전력에서의 원자로의 동작에 대한 각각의 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정하도록 구성된 제1 결정 모듈;
- 제2 전력에서의 상기 원자로의 동작에 대한 각각의 동작 파라미터의 제2 임계값을 결정하도록 구성된 제2 결정 모듈을 포함하고;
제1 전력 및 제2 전력의 저전력에서의 동작은 24시간 슬라이딩 윈도우에 걸쳐 적어도 8시간의 지속 시간 동안 지속되는 동작이고;
- 제3 전력에서의 상기 원자로의 동작에 대한 상기 각각의 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하도록 구성된 제3 결정 모듈로서, 제3 전력은 전력 레벨에 대응하고, 제1 전력과 제2 전력 사이에 있는, 제3 결정 모듈을 포함한다.
본 발명의 이러한 특징 및 이점은, 단지 비한정적인 예로서 제공되고 첨부 도면을 참조하여 이루어진 후술하는 설명을 읽을 때 보다 명확하게 나타날 것이다.
- 도 1은 가압수 원자로의 개략도이다.
- 도 2는 도 1의 원자로의 코어의 연료 조립체의 측면 개략도이다.
- 도 3은 도 2의 조립체의 연료봉의 종방향 단면 개략도이다.
- 도 4는 도 1의 원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값에 대한 전자 결정 시스템의 블록도이다.
- 도 5는 도 4의 전자 시스템에 의해 구현되는, 원자로의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값에 대한 결정 방법의 흐름도이다.
- 도 6은 하나의 예시적인 실시예에 따라 PCI 마진을 계산하기 위해 브레이크(break)에서 전력을 결정하기 위한 전력 램프(ramp)의 시뮬레이션을 나타내는 곡선이다.
- 도 7 내지 도 9 각각은, 중간 전력에서의 지속 동작으로의 천이(transition)로부터 경과된 시간의 함수로서, 연료봉의 열역학적 디컨디셔닝 및/또는 리컨디셔닝의 상이한 예시들에 대한 전력, PCI 마진 및 보호 임계값의 개략적인 진화 곡선들의 세트를 나타낸다.
본 설명의 나머지 부분에서, "실질적으로 동일한"이라는 표현은 10% 플러스 또는 마이너스 내, 바람직하게는 5% 플러스 마이너스 내의 등가의 관계를 정의한다.
본 설명의 나머지 부분에서, "지속 시간"이라는 용어는 일반적으로 두 순간 사이의 기간(period of time) 또는 시간 기간(time period)을 정의하며, 그 값은 이들 두 순간 사이의 차이에 대응한다.
따라서, 초기 순간(Ti)으로부터 카운트 다운된 순간(최종)(Tf)에 대응하는 지속 시간은 이들 두 순간(Ti, Tf) 사이의 차이, 즉, Tf - Ti에 대응할 것이며, 또한 이러한 방식으로 표기될 것이다.
도 1에서, 가압수 원자로와 같은 원자로(1)는 그 자체로 알려진 바와 같이, 코어(2), 증기 발생기(3), 전기 에너지 발생기(5)에 커플링된 터빈(4) 및 응축기(6)를 포함한다.
원자로(1)는 펌프(9)가 장착되고 도 1의 화살표로 구현된 경로를 따라 가압수가 순환하는 1차 회로(8)를 포함한다. 이 물은 특히 코어(2)를 통해 상승하여 내부에서 가열되면서 코어(2)의 냉각을 제공한다.
1차 회로(8)는 1차 회로(8)에서 순환하는 물을 가압할 수 있게 하는 가압기(10)를 추가로 포함한다.
1차 회로(8)의 물은 또한 증기 발생기(3)에 공급되고, 여기서 2차 회로(12)에서 순환하는 물의 기화를 제공하면서 냉각된다.
증기 발생기(3)에 의해 생성된 증기는 2차 회로(12)에 의해 터빈(4)을 향해 채널링(channeled)되고, 그 후 응축기(6)를 향해 채널링되며, 이 증기는 응축기(6)에서 순환하는 냉각수와의 간접적인 열 교환에 의해 응축된다.
2차 회로(12)는 응축기(6)의 하류에서 펌프(13) 및 히터(14)를 포함한다.
통상적으로, 코어(2)는 로딩 패턴에 따라 용기(18)에 로딩되는 연료 조립체(16)를 포함한다. 단일 연료 조립체(16)가 도 1에 나타나 있지만, 코어(2)는 예를 들어, 157개의 연료 조립체(16)를 포함한다.
원자로(1)는 특정 연료 조립체(16) 위의 용기(18)에 위치된 제어 클러스터(20)를 포함한다. 단일 제어 클러스터(20)가 도 1에 나타나 있지만, 코어(2)는 예를 들어, 약 60개의 제어 클러스터(20)를 포함한다.
제어 클러스터(20)는 돌출되는 연료 조립체(16)에 삽입되도록 메커니즘(22)에 의해 이동할 수 있다.
통상적으로, 각각의 제어 클러스터(20)는 봉들(rods)을 포함하고, 이들 중 적어도 일부는 중성자를 흡수하는 재료를 포함한다.
따라서, 각각의 제어 클러스터(20)의 수직 이동은 원자로(1)의 핵 반응성을 조정하는 것을 가능하게 하고, 제어 클러스터(20)를 연료 조립체(16)로 푸싱하는 함수로서, 무전력으로부터 정격 전력(PN)으로 코어(2)에 의해 공급되는, 전체 전력(P)의 변동을 허용한다.
상기 제어 클러스터(20) 중 일부는, 예를 들어 전력 또는 온도의 관점에서, 코어(2)의 동작을 조절하도록 의도되며, 조절 클러스터로 칭해진다. 다른 것들은 원자로(1)를 정지시키도록 의도되며 정지 클러스터로 칭해진다.
제어 클러스터(20)는 그 성질 및 의도된 용도에 기초하여 그룹으로 결합된다. 예를 들어, 900 Mwe CPY 유형의 원자로의 경우, 이러한 그룹은 G1, G2, N1, N2, R, SA, SB, SC, SD로 칭해진다. 전력 그룹으로 칭해지는 그룹 G1, G2, N1 및 N2는 전력 조절을 위해 중첩 사용되고, 그룹 R은 온도 조절을 위해 사용된다. 그룹 SA, SB, SC 및 SD는 원자로(1)의 비상 정지를 위해 사용된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 각각의 연료 조립체(16)는 통상적으로 핵 연료봉들(24)의 어레이(array) 및 연료봉(24)에 대한 지지 골격(26)을 포함한다.
골격(26)은 통상적으로 하단-피스(28), 상단-피스(30), 2개의 엔드-피스(28, 30)를 연결하는 안내 튜브들(31)의 어레이로서 제어 클러스터들(20)의 봉들을 수용하고, 스페이서-형성 그리드들(spacer-forming grids, 32)를 위치시켜 연료봉들(24) 및 안내 튜브들(31)의 어레이를 위치시키도록 설계된 안내 튜브들(31)의 어레이를 포함한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 연료봉(24)은 하위 스토퍼(stopper, 34)에 의해 그 하단에서 폐쇄되고 상위 스토퍼(35)에 의해 그 상단에서 폐쇄된 튜브 형태의 클래딩(33)을 통상적으로 포함한다. 연료봉(24)은 클래딩(33)에 적층되고 하위 스토퍼(34)에 대해 지지하는 일련의 펠릿들(36)을 포함한다. 유지 스프링(38)이 클래딩(33)의 상위 세그먼트에 위치되어 상위 스토퍼(35) 및 상위 펠릿(36)에 대해 지지한다.
통상적으로, 펠릿들(36)은 핵분열성 재료, 예를 들어, 우라늄 산화물의 베이스를 가지며, 클래딩(33)은 지르코늄 합금으로 이루어진다.
제조로부터 도출된 연료봉(24)에 대응하는 도 3에서, 즉, 조사(irradiation) 전에, 펠릿들(36)과 클래딩(33) 사이에 반경 방향 유격(J)이 존재한다. 이는 도 3의 원형 확대 부분에 의해 더욱 구체적으로 나타난다.
원자로(1)가, 예를 들어 그 정격 전력(PN)에서, 동작하려고 할 때, 연료봉(24)은, 본 기술 분야에서 사용되는 용어에 의하면, 컨디셔닝(conditioning)될 것이다.
컨디셔닝은, 클래딩(33)의 크리프(creep) 및 펠릿(36)의 팽창으로 인한 펠릿들(36)과 클래딩(33) 사이의 유격(J)의 폐쇄를 본질적인 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 이하의 단계는 예를 들어, 조사 동안 각각의 연료봉(24)에 대해 구별된다:
1) 연료봉(24)의 외부(1차 회로(8)로부터의 물)와 내부 사이의 압력차의 영향 하에서, 클래딩(33)은 연료봉(24)의 내부를 향한 반경 방향으로의 크리핑(creeping)에 의해 점차 변형된다. 다른 모든 것이 동일하다면, 클래딩(33)의 크리프 속도는 그 구성 요소 재료의 하나의 특징이다. 또한, 핵분열 생성물들 - 그 대부분이 펠릿(36)에 보유됨 - 이 펠릿(36)의 팽창을 야기한다. 이 단계 동안, 제약의 관점에서 클래딩(33)에 가해지는 응력은 오로지 연료봉(24)의 외부와 내부 사이에 존재하는 압력차에 기인한다. 클래딩(33)에서의 응력은 압축 응력(통상적으로 음(negative))이다.
2) 펠릿(36)과 클래딩(33) 사이의 접촉은, 로컬 조사 조건들(전력, 중성자 플럭스, 온도 등) 및 클래딩(33)의 재료에 본질적으로 의존하는 기간 후에 시작된다. 실제로, 접촉은 온건한 접촉으로 시작한 후 확고한 접촉이 확립되는 기간에 걸쳐 점진적으로 확립된다. 클래딩(33)의 내면에 대한 펠릿(36)의 접촉 압력이 증가하면, 클래딩(33)에서의 응력의 반전으로 이어지고, 이는 양(positive)이 되고 클래딩(33)에 인장 응력을 가하는 경향이 있다.
3) 펠릿(36)의 팽창이 계속되고, 펠릿(36)은 연료봉(24)의 외부를 향해 클래딩(33)에 변형을 가한다. 확립된 정상 상태에서, 이러한 팽창은 클래딩(33)의 재료의 이완을 위해 충분히 느려서 클래딩(33)에서의 힘의 평형을 허용한다. 분석에 따르면, 이러한 조건 하에서, 인장 응력의 레벨은 중간(수십 MPa)이며, 클래딩(33)의 무결성과 관련하여 어떠한 위험도 나타내지 않는다.
상당히 낮은 응력 레벨에서 클래딩(33)에서의 열역학적 평형으로 인해, 클래딩(33)이 정상 상태에서 파손될 위험이 없지만, 연료봉(24)에 의해 공급되는 전력이 일단 크게 변하면 위험이 나타난다.
실제로, 전력 증가는 연료봉(24)에 포함된 펠릿(36)의 온도 증가 및 열전도에 의한 연료봉(24)의 클래딩(33)의 온도 증가를 발생시킨다. 기계적 특성(열팽창 계수, 영률(Young's modulus))의 차이 및 핵분열성 재료의 펠릿(36)과 지르코늄 합금으로 이루어진 클래딩(33) 사이의 온도차를 고려할 때, 펠릿(36)은 클래딩(33)보다 더 팽창하여 클래딩에 변형을 가할 것이다.
또한, 며칠 동안 지속되는 중간 전력에서의 동작은 연료봉(24)의 디컨디셔닝으로 귀결된다. 클래딩(33)과 펠릿(36) 사이의 접촉이 확립되지 않은 연료봉(24)의 부분에 대해, 반경 방향 유격(J)이 더 커진다. 유격(J)이 폐쇄된 연료봉(24)의 부분에 관해, 유격(J)은 다시 개방될 수 있다. 개방 유격(J)의 경우, 압력 효과에 의한 클래딩(33)의 압축 크리프가 재개된다. 이는 돌발적인 로컬 전력 증가 천이(transient)가 발생할 때 클래딩(33)에서의 증가된 응력 레벨로 귀결된다.
또한, 클래딩(33)과 펠릿(36) 사이의 공간에 요오드와 같은 부식성 핵분열 생성물의 존재는 응력 하의 부식에 유리한 조건을 생성한다. 따라서, 돌발적인 로컬 전력 증가 천이(transient) 동안 클래딩(33)에 대해 펠릿(36)에 의해 부과된 변형은, 펠릿-클래딩 상호 작용(PCI: pellet-cladding interaction) 상황에서 요오드에 의한 응력 하의 부식에 의해 클래딩(33)의 파열을 야기할 수 있다.
그러나, 이러한 클래딩(33)의 파열은 안전상의 이유로 허용될 수 없으며, 이는 핵분열 생성물의 1차 회로(8)로의 방출로 귀결될 수 있기 때문이다.
전력 천이(transition)는 원자로(1)의 정상 동작 중에, 즉, 소위 카테고리 1 상황에서 발생할 수 있다. 실제로, 특히 발생기(5)가 공급하는 전력 그리드의 전기 에너지 요구에 적응하기 위해 전력 변동이 필요할 수 있다. 과도 전하 증가, 전력 제어 클러스터 그룹(들)(20)의 제어되지 않은 철회, 붕산 희석 또는 제어 클러스터(20)의 검출되지 않는 하락과 같은 소위 카테고리 2 돌발 상황에서, 전력 천이(transient)가 또한 발생할 수 있다.
정상 동작에서 얻어진 마진의 균형 상태에서 시작하여, 허용되는 동작 지속 시간 및 중간 전력은, 클래스 2 전력 천이(transition)라고도 불리는 카테고리 2 전력 천이(transition)의 경우에 코어(2)에 존재하는 클래딩(33)의 펠릿-클래딩 상호 작용에 의한 비-파열(non-rapture)을 보장하도록 결정된다.
펠릿-클래딩 상호 작용에 대한 연료봉(24)의 무결성을 보장하기 위해, 본 발명은 원자로의 제1 전력(P1)에서의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제1 임계값, 원자로의 제2 전력(P2)에서의 동작에 대한 상기 각 동작 파라미터의 제2 임계값, 및 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의, 원자로의 제3 전력(P3)에서의 동작에 대한 상기 각 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하는 것을 제안한다.
각 동작 파라미터의 각각의 임계값은 바람직하게는 펠릿-클래딩 상호 작용(PCI)에 의해 클래딩(33)의 파열 위험에 대한 마진을 계산함으로써 결정되며, 이 마진은 PCI 마진이라 칭해진다.
각각의 PCI 마진은 원자로(1)의 특징적인 특성에 대한 편차, 즉, 원자로(1)의 상기 특징적인 특성의 델타이며, 이 편차는 펠릿-클래딩 상호 작용에 의한 클래딩(33)의 파열 위험을 고려하여 나온다.
각각의 PCI 마진은 예를 들어, 전력 마진 및 클래딩(33)과 연관된 열역학적 특성의 마진으로 구성되는 그룹 중에서 선택된다. 원자로(1)의 특징적인 특성 - 그 편차 또는 델타가 PCI 마진을 계산하기 위해 결정됨 - 은 클래딩(33)과 연관된 로컬 전력 또는 열역학적 특성이다. 선택적인 추가로서, PCI 마진은 다음으로 다른 특성, 예를 들어, 중간 전력에서 원자로(1)의 동작 지속 시간으로 변환된다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 음의 PCI 마진에 대해, PCI 마진의 절대값이 낮을수록 클래딩(33)의 파열 가능성이 낮아지고, PCI 마진이 0이거나 양이 될 때, 클래딩(33)의 파열 가능성이 0이라는 것을 이해할 것이다.
각각의 동작 파라미터의 제1, 제2 및 제3 임계값을 결정하기 위해, 도 4에 나타낸 바와 같이, 원자로(1)의 적어도 하나의 동작 파라미터의 적어도 하나의 임계값을 결정하기 위해, 예컨대 전자 시스템(40)이, 예를 들어 컴퓨터 시스템이 사용된다.
결정 시스템(40)은 제1 전력(P1)에서의 원자로의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정하도록 구성된 제1 결정 모듈(42)을 포함한다.
결정 시스템(40)은 제2 전력(P2)에서의 원자로의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제2 임계값을 결정하도록 구성된 제2 결정 모듈(44)을 포함한다.
제1 전력(P1) 및 제2 전력(P2)의 저전력에서의 동작은, 예를 들어, 중간 전력에서의 지속 동작을 위한 SOIP로도 칭해지는, 24시간 슬라이딩 윈도우에 걸쳐 적어도 8시간의 지속 시간 동안 지속되는 동작이다. 중간 전력에서 지속 동작의 지속 시간은 며칠 또는 심지어 몇 주 또는 몇 달에 이를 수 있다.
결정 시스템(40)은 제3 전력(P3)에서의 원자로의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하도록 구성된 제3 결정 모듈(46)을 포함하고, 제3 전력(P3)은 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이에 있다.
도 4의 예에서, 결정 시스템(40)은, 예를 들어 메모리(52) 및 메모리(52)와 연관된 프로세서(54)로 구성된, 정보 프로세싱 유닛(50)을 포함한다. 이 예에서, 이는 입력/출력 수단(56) 및 선택적으로 디스플레이 스크린(58)을 더 포함한다.
도 4의 예에서, 제1 결정 모듈(42), 제2 결정 모듈(44) 및 제3 결정 모듈(46)은 각각 프로세서(54)에 의해 실행 가능한 소프트웨어 형태로 만들어진다. 정보 프로세싱 유닛(50)의 메모리(52)는, 제1 전력(P1)에서 원자로(1)의 동작에 대한 각각의 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정하도록 구성된 제1 결정 소프트웨어, 제2 전력(P2)에서의 원자로(1)의 동작에 대한 상기 동작 파라미터의 제2 임계값을 결정하도록 구성된 제2 결정 소프트웨어, 제3 전력(P3)에서의 원자로(1)의 동작에 대한 상기 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하도록 구성된 제3 결정 소프트웨어를 저장할 수 있다. 정보 프로세싱 유닛(50)의 프로세서(54)는 그 후 제1 결정 소프트웨어, 제2 결정 소프트웨어 및 제3 결정 소프트웨어를 실행할 수 있다.
나타내지 않은 변형 예에서, 제1 결정 모듈(42), 제2 결정 모듈(44) 및 제3 결정 모듈(46)은 각각 FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array))와 같은 프로그래머블 논리 구성 요소의 형태로, 또는 ASIC(어플리케이션-특정 집적 회로(Application-Specific Integrated Circuit))와 같은 전용 집적 회로의 형태로 만들어진다.
각각의 결정 모듈(42, 44, 46)은 PCI 마진의 계산을 통해 동작 파라미터의 각 임계값을 결정하도록 구성되며, 특히 PCI 마진은, 특히 원자로의 전력의 변형 후에 항상 양으로 유지된다. 각각의 결정 모듈(42, 44, 46)은 예를 들어, 원자로의 대응하는 전력에 대해, PCI 마진의 사전 규정된 값에 대응하는 상기 파라미터의 값을 계산함으로써, 보호 임계값과 연관된 동작 파라미터의 각각의 개별 임계값을 결정하도록 구성된다. PCI 마진의 이러한 사전 규정된 값은 양의 값이며, 원자로의 상기 대응하는 전력에서 지속 동작을 허용하기 위해 상대적으로 0에 가깝거나 심지어 0이다. PCI 마진의 이러한 사전 규정된 값은 예를 들어, PCI 마진이 변형 에너지 밀도의 형태로 표현되고, 적용 가능한 경우, 후술하는 PCI 마진을 계산하기 위한 제1 방법론에 대응하는 RPM이라 칭하는 방법론으로부터 획득될 때, 실질적으로 0.05 MPa와 동일하다. 변형 예에서, PCI 마진의 이러한 사전 규정된 값은, PCI 마진이 브레이크(break)에서 전력의 형태로 표현되고, 적용 가능한 경우, 후술하는 PCI 마진을 계산하기 위한 제2 방법론에 대응하는 브레이크에서의 전력이라 칭하는 방법론으로부터 획득될 때, 5 W/cm와 실질적으로 동일하다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 PCI 마진의 사전 규정된 각각의 값이 예를 들어, 상술한 예의 경우에 실질적으로 5일(5 days)과 동일한, 허가된 SOIP 지속 시간의 마진으로 변환될 수 있음을 추가로 이해할 것이다.
동작 파라미터는 예를 들어, 코어(2)에서의 온도 편차(△T), 연료봉들(24)에서의 선형 전력(Plin) 및 코어(2)에서의 시간에 대한 중성자 플럭스 변동(dΦ/dt)의 그룹으로부터 선택된다.
고려되는 동작 파라미터는 예를 들어 원자로의 보호 시스템의 유형(예를 들어, 아날로그/디지털) 및 문제의 돌발적인 천이(transient)에 의존한다. 예를 들어, 냉각 사고는 파라미터 △T에 대응하고, 제어 클러스터 중 하나의 하락은 파라미터 dΦ/dt에 대응하는 등이다.
각각의 결정 모듈(42, 44, 46)은, 예를 들어 문헌 EP 1,556,870 B1호에 설명된 RPM(개조된 PCI 방법론(Renovated PCI Methodology))과 같은 제1 방법론에 따라 상기 PCI 마진을 계산하도록 구성된다.
각각의 결정 모듈(42, 44, 46)은, 이 예에 따르면, 원자로(1)의 적어도 하나의 동작 천이(transition)를 시뮬레이팅하고, 연료봉(24)의 클래딩(33)의 적어도 일부에서의 동작 천이(transition) 동안 물리적 특성(G)에 의해 도달된 값을 계산하고, 천이(transition) 동안 상기 계산된 값에 의해 도달된 최대값과 연료봉(24)의 기술적 한계 사이의 편차를 PCI 마진으로서 결정하도록 구성된다. 이 방법론에서, 중성자(전력 천이(transition)의 시뮬레이션) 및 열역학적(클래딩(33)에서의 물리적 특성(G)의 계산) 계산이 커플링된다.
물리적 특성(G)은 예를 들어, 클래딩(33)에서의 원주 응력 σθ 또는 반경 방향 응력 σr이다. 대안적으로, 물리적 특성(G)은, 예를 들어 원주 응력 σθ과 반경 방향 응력 σr 사이의, 예컨대 그 차이의 응력(들)의 함수이다. 또한, 대안적으로, 물리적 특성(G)은 클래딩(33)에서의 변형 에너지 밀도(DED: deformation energy density)이다.
결정 모듈(42, 44, 46)에 의해 시뮬레이팅된 천이(transient)는 바람직하게는 이하로 구성된 그룹으로부터 천이(transient)이다:
- 과도한 부하 증가,
- 적어도 하나의 제어 클러스터(20) 그룹의 제어되지 않은 철회,
- 제어 클러스터(20) 중 하나의 하락, 및
- 제어되지 않은 붕산 희석.
과도 부하 증가는 증기 발생기(3)에서의 증기 유속의 급격한 증가에 대응한다. 이러한 증가는 코어(2)의 화력과 증기 발생기(3)의 부하 사이의 불균형을 야기한다. 이러한 불균형은 1차 회로(8)의 냉각으로 이어진다. 제어 클러스터(20)에 의한 코어(2)에서의 평균(mean) 온도의 조정 및/또는 조절 효과로 인해, 반응성 및 그에 따른 중성자 플럭스가 코어(2)에서 증가한다. 따라서, 코어(2)에 의해 공급되는 전체 전력(2)은 신속하게 증가한다.
원자로가 동작하는 동안 제어 클러스터(20)의 그룹의 제어되지 않은 철회는 반응성의 제어되지 않은 증가를 야기한다. 이는 전체 원자력(P) 및 코어(2)에서의 열 플럭스의 급격한 증가로 귀결된다. 2차 회로(12)의 배출 밸브(valve) 또는 압력 해제 밸브가 개방될 때까지, 증기 발생기(3)에서의 열 추출이 1차 회로(8)에서 방출되는 전력보다 덜 빠르게 증가한다. 이는 1차 회로(8)에서 물의 온도 및 압력의 증가로 귀결된다. 이러한 천이(transient)를 시뮬레이팅하기 위해, 전력 그룹의 철회는, 문제의 제어 클러스터(20)의 완전한 제거까지, 최대 속도에서, 예를 들어 가압수 원자로의 특정 유형에 대해 72 피치/분(pitches/min)에서 가정된다.
하나 또는 몇몇 제어 클러스터(20)가 코어(2)로 하락하면, 코어(2)에서의 반응성 및 전체 전력(P)이 즉각적으로 감소한다. 보호 작용 없이, 1차 회로(8) 및 2차 회로(12)에서 이렇게 야기된 불균형은, 코어(2)로의 물의 진입 온도의 강하뿐만 아니라, 1차 회로(8)와 2차 회로(12) 사이의 새로운 브레이크이븐 포인트(breakeven point)에 도달할 때까지, 예를 들어 도플러(Doppler) 효과에 의한, 반작용 및 온도 조절에 의한 원자력의 증가를 야기한다. 원자로(1)의 코어(2) 안의 하락된 제어 클러스터(들)(20)의 존재는, 반경 방향 전력 분포의 변형을 야기하는 한편, 조절 그룹의 제거는 전력의 축 방향 변형으로 이어진다.
제어되지 않은 붕산 희석은 원자로(1)의 시스템의 고장으로 인해 원자로(1)의 1차 회로(8)에서 물의 붕소 농도를 감소시킨다. 이는 반응성의 삽입을 야기하고, 이는 코어(2)에서 선형 전력의 로컬 증가로 이어진다.
연료봉(24)의 기술적 한계는, 실험 전력 램프 동안, 연료봉(24)을 나타내는 연료봉 세그먼트에 대해 시험 원자로에서 수행되고, 이전에 원자력 원자로에서 조사되고 상이한 연소율을 갖는, 클래딩에서의 물리적 특성(G)에 의해 도달된 값으로부터 확립된다. 물리적 특성(G)의 기술적 한계는 실험 시험 동안 도달된 값 중에서 물리적 특성(G)의 최소값에 대응한다. 이 한계 아래에서, 펠릿-클래딩 상호 작용에 의한 연료봉(24) 파열은 고려되지 않는다. 그 위에서, 펠릿-클래딩 상호 작용에 의한 클래딩(33) 파열의 가능성은 0이 아니다.
변형 예에서, 각각의 결정 모듈(42, 44, 46)은, 제1 방법론과 다른 방법론으로서, 브레이크에서의 전력 방법론(power at break methodoloty)으로 칭해지고 방법론(Prupt)으로도 표기되는, 제2 방법론을 사용하여 상기 PCI 마진을 계산하도록 구성된다.
이 변형 예에 따르면, 각각의 결정 모듈(42, 44, 46)은, 각각의 연료 조립체(16)에 대해, 코어(2)에 존재하는 각각의 연료봉(24)의 각각의 클래딩(33)에 로컬로 물리적 특성(G)에 의해 도달된 값을 계산하고, 적용 가능한 경우, 이러한 값이 기술적 한계에 도달할 때 물리적 특성(G)의 로컬 전력과 연관된 전력과 동등한 브레이크에서의 로컬 전력을 결정하기 위하여, 각각의 연료봉(24)에 무전력으로부터의 원자력 램프를 적용함으로써, 원자로(1)의 동작의 진전을 시뮬레이팅하도록 구성된다. 기술적 한계에 도달되지 않으면, 고려된 지점에서의 브레이크에서 로컬 전력은 무한대이다. 이러한 제2 방법론에서, 시뮬레이팅된 전력 램프는, 중성자 연구와 독립적인, 이론적인 램프이며, 열역학적 계산은 중성자 계산과 분리된다.
이 변형 예에 따르면, 도 6의 예에서, 실질적으로 일정한 전력에서의 레벨(A) 후에, 무전력으로부터의 전력 램프(B)가 각 연료봉(24)의 각 축 메시(axial mesh)에 적용된다. 도 6의 예에서, 전력 램프(B)는 선형 전력 램프이고, 물리적 특성(G)은 클래딩(33)에서의 변형 에너지 밀도(DED: deformation energy density)이고, 브레이크에서의 전력(Plin_rupt)은 최대 변형 에너지 밀도(DEDMAX), 즉, 클래딩(33)이 파열될 때 도달되는 변형 에너지의 밀도의 값에 대응한다.
추정된 최대 전력은, 예를 들어 코어(2)의 임의의 지점에서의 전력 포락선(power envelope)이며, 모든 제한 천이(transition)들을 고려한다. 이러한 추정된 최대 전력은 특히 소위 카테고리 2 돌발 상황에서 발생할 수 있는 전력 천이(transition)들을 고려한다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 상술한 예에서, 각각의 결정 모듈(42, 44, 46)은 개조된 PCI 방법론이라 칭하는 제1 방법론, 또는 브레이크에서의 전력 방법론이라 칭하는 제2 방법론에 따라 무관하게 PCI 마진을 계산하도록 구성되는 것을 이해한다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는, 각 동작 파라미터에 대한 제1, 제2 및 제3 연속 임계값의 결정을 위해, 제1, 제2 및 제3 결정 모듈(42, 44, 46)은 바람직하게는 제1 방법론 및 제2 방법론 중 동일한 방법론에 따라 대응하는 PCI 마진을 계산하도록 구성된다는 것을 추가로 이해할 것이다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 제1, 제2 및 제3 결정 모듈(42, 44, 46)이 바람직하게는 각 동작 파라미터에 대한 제1, 제2 및 제3 연속 임계값 각각을 계산하도록 구성된 단일 결정 모듈의 형태로 만들어진다는 것을 추가로 이해할 것이다. 이러한 바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 이러한 고유한 결정 모듈은 프로세서(54)에 의해 실행 가능한 소프트웨어의 형태로, 또는 FPGA와 같은 프로그래머블 논리 구성 요소의 형태로, 또는 ASIC와 같은 전용 집적 회로의 형태로 만들어진다.
또한, 본 발명에 따른 결정 시스템(40)은, M1 < M0인 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 연료봉(24)의 열역학적 디컨디셔닝 전에 고려된 PCI 마진(M0) 아래의, 연료봉(24)의 열역학적 리컨디셔닝에 선행하는 열역학적 디컨디셔닝 후에, 타겟 PCI 마진(M1)을 고려하도록 구성된다. 이것은 다른 모든 것들이 같으면, 조사 사이클 동안 연소율에 따라 PCI 마진이 약간 감소한다는 사실을 설명할 수 있다.
연료봉의 로컬 연소율로 이어지는, 연료봉(24)의 열역학적 리컨디셔닝에 선행하는 열역학적 디컨디셔닝 후 고려된 타겟 PCI 마진(M1)은, 연료봉(24)의 열역학적 디컨디셔닝 이전에 존재하는 PCI 마진(M0)으로부터 시작하여, 동일한 로컬 연소율을 얻을 때까지 정격 전력 PN에서 원자로(1)의 동작으로 인한 PCI 마진에 대응한다.
본 발명에 따른 결정 시스템(40)의 동작은, 본 발명에 따른 결정 방법(90)의 흐름도를 나타내는 도 5뿐만 아니라, PCI 마진 및 연료봉(24)의 디컨디셔닝 및/또는 리컨디셔닝의 다른 예에 대한 보호 임계값의 시간에 따른 전력의 진전 곡선의 세트를 각각 나타내는 도 7 내지 도 9를 고려하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
제1 단계(100) 동안, 결정 시스템(40)은, 제1 결정 모듈(42)을 통해, 제1 전력(P1)에서 원자로(1)의 동작에 대해, 제1 보호 임계값과 연관된 각각의 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정한다.
도 7의 디컨디셔닝 예에서, 제1 전력(P1)은 원자로(1)의 정격 전력(PN)이며, 전력(P)은 초기에 100% PN과 실질적으로 동일하다. 결정된 제1 보호 임계값은 100% PN에서의 이 동작에 대응하는 임계값(S100)이다.
도 8 및 도 9는 본질적으로 리컨디셔닝의 예를 나타내며, 고려되는 제1 전력(P1)은, 50% PN과 동일한 중간 전력과 같은, 원자로(1)의 중간 전력이다. 결정된 제1 보호 임계값은 이후 50% PN에서의 이러한 동작에 대응하는 임계값(S50)이다.
다음으로, 결정 시스템(40)은 다음 단계(110) 동안 그리고 제2 결정 모듈(44)을 통해, 제2 전력(P2)에서의 원자로(1)의 동작에 대해 제2 보호 임계값과 연관된 각각의 동작 파라미터의 제2 임계값을 결정한다.
도 7의 디컨디셔닝 예에서, 제2 전력(P2)은, 30% PN과 동일한 중간 전력과 같은, 원자로(1)의 중간 전력이다. 결정된 제2 보호 임계값은 30% PN에서의 이러한 동작에 대응하는 임계값(S30)이다.
도 8 및 도 9의 리컨디셔닝 예에서, 제2 전력(P2)은, 100% PN과 동일한 최종 전력(P)으로 나타난 바와 같은, 원자로(1)의 정격 전력(PN)이다. 결정된 제2 보호 임계값은 100% PN에서의 이러한 동작에 대응하는 임계값(S100)이다.
마지막으로, 다음으로 결정 시스템(40)은 다음 단계(120) 동안 그리고 제3 결정 모듈(46)을 통해, 원자로의 제3 전력(P3)에서의 원자로(1)의 동작에 대해 제3 보호 임계값과 연관된 각각의 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하며, 제3 전력(P3)은 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이에 있다.
즉, 제3 보호 임계값과 연관된 동작 파라미터의 제3 임계값은 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의 전력 레벨에 대응한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은, 도 5에 나타나지 않은 추가 단계로서, 동작 파라미터(△T, Plin, Φ)의 값이 제1, 제2 및 제3 전력(P1, P2, P3) 중 대응하는 전력에서 원자로(1)의 동작에 대해 이전 단계들(100, 110, 120) 동안 결정된 제1, 제2 및 제3 임계값 중 동작 파라미터의 각각의 임계값보다 작은지를 검증함으로써 원자로(1)를 동작시키는 것으로 구성되는 단계를 더 포함한다.
실제로, 원자로(1)의 전력을 감소시키는 경우에, 원자로(1)의 전력은, 본 발명에 따른 결정 시스템(40)에 의해 계산된 동작 파라미터의 각각의 임계값으로부터, 보호 임계값을 이러한 전력 변화에 두 번째로 적응시키기 전에, 우선 수정될 것이다.
반대로, 원자로(1)의 전력을 감소시키는 경우, 보호 임계값은 원자로(1)의 이러한 전력 변화에 비해 미리 적응된다.
도면을 단순화하기 위해, 이러한 작은 시간 시프트(time shifts)는 도 7 내지 도 9에 나타내지 않았다.
도 7의 디컨디셔닝 예에서, 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의 전력 레벨은 50% PN과 동일한 중간 전력이다. 결정된 제3 보호 임계값은 50% PN과 동일한 전력 레벨에서 이 동작에 대응하는 임계값(S50)이다.
도 8의 리컨디셔닝 예에서, 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의 전력 레벨은 85% PN과 동일한 중간 전력이다. 결정된 제3 보호 임계값은 85% PN과 동일한 전력 레벨에서 이러한 동작에 대응하는 임계값(S85)이다.
도 9의 리컨디셔닝 예는 2개의 연속적인 중간 전력 레벨의 경우에 대응하고, 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의 제1 전력 레벨은 85% PN과 동일한 중간 전력이고, 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의 제2 전력 레벨은 90%와 동일한 중간 전력이다. 동작 파라미터의 2개의 제3 임계값과 연관된 2개의 제3 보호 임계값이 결정되고, 제3 보호 임계값은 85% PN과 동일한 제1 중간 전력 레벨에서의 이러한 동작에 대응하는 임계값(S85)이고, 다른 제3 보호 임계값은 90% PN과 동일한 제2 중간 전력 레벨에서의 이러한 동작에 대응하는 임계값(S90)이다.
도 8 및 도 9에서, 다른 모든 것이 동일하다면, 연소율에 따른 PCI 마진의 감소의 관점에서, 연료봉(24)의 열역학적 리컨디셔닝에 선행하는 열역학적 디컨디셔닝 후에 결정 시스템(40)에 의해 고려되는 타겟 PCI 마진(M1)은, 연료봉(24)의 열역학적 디컨디셔닝 전에 존재하는 PCI 마진(M0)보다 약간 작다는 점에 추가로 유의해야 한다.
도 7 내지 도 9의 각각의 예에서 원자로(1)의 동작이 이하에 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 7에서, 조사 사이클의 순간(T0)에서, 원자로(1)의 전력은, 그 정격 전력(PN)으로부터, 도시된 예시에서, 50% PN과 동일한 전력의 중간 임계값으로 감소한다. 사이클의 이 순간(T0)에 존재하는 PCI 마진은 M0으로 표기되고 우선 기울기(trS100)에 따라 소비된다. 편의상, 기울기(tr 및 tr')는 도 7, 도 8 및 도 9에 선형으로 나타난다. 실제로, 기울기(tr 및 tr')는 보다 복잡한 분석적 공식을 가지며, 예를 들어 tr에 대해서는 e-t 그리고 tr'에 대해서는 1-e-t의 역 지수 형의 곡선을 따르며, 여기서 t는 시간을 나타낸다. 변형 예에서, 이는 일련의 선형 세그먼트에 의해 근사된다.
이러한 조건 하에서 T0으로부터 카운트 다운된 순간(DA0)에 대응하는 최대 동작 지속 시간, 즉 DA0 - T0는, 모든 순간에 양의 잔류 PCI 마진(Mres100)을 유지할 수 있도록 한다. SOIP 지속 시간이 지속 기간 DA0 - T0보다 클 필요가 있는 경우, 연속적인 보호 임계값(S50, S30)의 계산은 PCI 마진을 복원할 수 있게 한다. 실제로, 원자로(1)의 보호 임계값은 원자로(1)의 전력(P)의 단조 함수를 증가시키고 있다.
S100으로부터 S50까지 보호 임계값의 변화 동안 도 7에서 볼 수 있는 새로운 마진(M')은, 그 결과 새로운 기울기(trS50)에 따라 소비된다. 50% PN에서의 이러한 중간 전력 레벨에서, 중간 순간(DI)에 대응하는 최대 동작 지속 시간은 항상 양의 잔류 PCI 마진(Mres50)을 유지할 수 있게 하며, 다음 보호 임계값(S30)의 사용은 새로운 마진(M")으로 PCI 마진을 복원할 수 있게 한다.
S50으로부터 S30으로 보호 임계값을 변경하는 동안 도 7에서 볼 수 있는 이러한 새로운 마진(M")은 그 결과, 이 예에서 SOIP의 끝에 대응하는 다른 중간 순간(DI')까지 새로운 기울기(trS50)에 따라 소비되며, 이에 대해 잔류 PCI 마진(Mres30)은 0보다 크게 유지된다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는, 여기에서 50% PN과 동일한 중간 전력 레벨에 대한 보호 임계값(S50)에 대응하는, 상기 각각의 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하는 것이 궁극적으로 더 큰 잔류 PCI 마진을 가질 수 있게 하고, 최종 중간 전력(여기에서 30% PN과 동일한 제2 전력(P2))보다 큰, 제3 전력(P3)(여기에서 50% PN과 동일함)에서 수행되는 SOIP의 일부를 추가로 갖는다는 것을 관찰할 것이다.
도 8은 우선 도 7과 유사한 디컨디셔닝을 나타내지만 이러한 디컨디셔닝 동안 중간 전력 레벨이 없으며, SOIP는 50% PN에서만 수행된다. 이러한 디컨디셔닝은, SOIP의 끝에서, 리컨디셔닝에 선행하며, SOIP의 끝은 중간 순간(DI)에 대응한다.
이러한 도 8은 이러한 중간 순간(DI)으로부터 연료봉(24)의 열역학적 리컨디셔닝 동안의 본 발명의 구현을 나타낸다. 이러한 리컨디셔닝 동안, 여기서 50% PN과 동일한 제1 전력(P1)과 여기서 100% PN과 동일한 제2 전력(P2) 사이의, 85% PN과 동일한 제3 전력(P3)에서의 중간 레벨의 사용은, 훨씬 더 나은 안전 조건에서 이러한 리컨디셔닝을 수행할 수 있게 한다. 실제로, 순간(DI)에 대응하는 SOIP 지속 기간, 즉 DI - T0 이후에 100% PN 레벨로의 직접 복귀는, 도 8에서 곡선(trS100)의 하단에 대응하는 지점(C100)에 도달할 때까지 가상 클래스 2 상황에서 일시적으로 음이 될 PCI 마진을 생성할 것이며, 이러한 조건 하의 PCI 마진은 순간(R1)에서 가장 빨리 양이 되고, 이는 정격 전력(PN)으로의 가능한 복귀 전의 첫 번째 리컨디셔닝 레벨을 규정한다. 도 8의 예에서 85% PN과 같은 중간 전력 레벨의 최대 전력 등급은 리컨디셔닝의 시작(중간 순간(DI))에서 잔류 PCI 마진(Mres85)에 대응하는 양의 PCI 마진을 갖도록 결정된다. 이러한 최소 등급(Mres85)으로부터, 다음으로 PCI 마진은 기울기(tr'S85)에 따라 복원된다. 원자로의 보호 임계값은, 도 8의 예에서 S85와 같은, 중간 전력 레벨과 연관된 등급으로 상승된다. 순간(R1)에서, 원자로(1)는 그 정격 전력(PN)에서 다시 사용되며, 전력(P)은 대응하는 보호 임계값(S100)과 함께 도 8에서 100% PN에 대응한다.
중간 순간(DI)으로부터 연료봉(24)의 열역학적 리컨디셔닝 동안 정격 전력(PN)을 향한 상승을 추가로 최적화하기 위해, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명에 따른 결정 시스템(40)이 몇몇 중간 전력 레벨, 즉, 도 9에 나타낸 바와 같이 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의 개별적이고 증가하는 연속적인 값을 갖는, 몇몇 제3 전력(P3)을 또한 결정할 수 있게 한다는 것을 관찰할 것이며, 85% PN에서의 제1 중간 레벨 및 연관 보호 임계값(S85) 후에 순간(R1)으로부터 90% PN에서의 제2 중간 레벨 및 연관 보호 임계값(S90)이 후속한다. 도 9에서, 순간 (R2)에서, 원자로(1)는 대응하는 보호 임계값(S100)과 함께 그 정격 전력(PN)에서 재사용된다.
유사하게, 본 기술 분야의 통상의 기술자는, 순간(T0)으로부터 연료봉(24)의 열역학적 디컨디셔닝 동안 최소 중간 전력을 향한 감소를 추가로 최적화하기 위해, 본 발명에 따른 결정 시스템(40)이, 몇몇 중간 전력 레벨, 즉, 정격 전력(PN)에 대응하는 제1 전력(P1)과 SOIP의 끝에서 최소 중간 전력에 대응하는 제2 전력(P2) 사이에서 개별의 감소하는 연속적인 값을 갖는, 몇몇 제3 전력(P3)을 또한 결정할 수 있게 한다는 것을 이해할 것이다.
또한, 원자로(1)가 다시 한번 그 정격 전력(PN)에 있을 때, 연료봉(24)의 열역학적 리컨디셔닝의 끝에서, 동일한 조사 사이클 동안 새로운 SOIP가 수행되어야 하는 경우, SOIP가 없는 동작에 기인하는 PCI 마진과 등가의 PCI 마진을 보장하기 위해, 100% PN에서의 유지 보수 기간이 바람직하게 필요하다. 100% PN에서의 이러한 유지 보수 기간의 지속 시간은 예를 들어, 보수적으로, SOIP의 지속 시간보다 크거나 같고, 또는 정격 전력(PN)으로의 복귀의 순간으로부터 마진(M1)이 도달되는 순간(DM)에 대응하는 지속 시간, 즉, 도 8의 예에서 DM - R1 또는 도 9의 예에서 DM - R2와 최적으로 동일하다.
따라서, 본 발명에 따른 결정 방법(90) 및 결정 시스템(40)은, 동작 파라미터의 제1 및 제2 임계값의 결정에 추가하여, 특히 동작 안전을 획득하기 위해, 제1 전력(P1)과 제2 전력(P2) 사이의 제3 전력(P3)에서의 원자로(1)의 동작에 대한, 이러한 각의 동작 파라미터의 제3 임계값, 즉, 중간 보호 임계값을 결정할 수 있게 하며, 잔류 PCI 마진은, 원자로(1)가 제2 전력(P2)에서 직접 동작했던 경우보다 큰, 이러한 중간 전력 레벨 및 연관 보호 임계값에 대응한다.
도 7 내지 도 9에 비추어 상술한 바와 같이, 이러한 증가된 동작 안전성은, 제2 전력(P2)이 최소 중간 전력에 대응하는, 연료봉(24)의 디컨디셔닝 동안, 그리고 제2 전력(P2)이 정격 전력(PN)에 대응하는, 연료봉(24)의 리컨디셔닝 동안 검증된다.
따라서, 본 발명에 따른 결정 방법(90) 및 결정 시스템(40)은 조작자를 위해 연료 관리와 원자로(1)의 기동성 사이의 더 나은 매치: 증가된 PCI 마진, SOIP 지속 시간의 연장 가능성을 허용한다.
따라서, 본 발명에 따른 결정 방법(90) 및 결정 시스템(40)은 안전한 동작을 유지하면서 원자로(1)의 용량을 더 잘 사용할 수 있게 한다는 것을 알 수 있다.
상술한 설명을 읽었을 때, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 전력 레벨이 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2 전력 중 적어도 하나에서 원자로의 동작 지속 시간에 대해 무시할 수 없는 지속 시간 동안 상기 전력, 특히 제3 전력에서의 원자로의 동작을 지칭한다는 것을 이해할 것이다.
즉, 전력 레벨은 1 시간 초과의 지속 시간과 같은, 상기 전력에서의 원자로의 최소 동작 지속 시간에 대응한다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 특히 전력 레벨이 그에 따라 상기 전력에서의 천이(transient) 동작, 즉, 짧은 지속 시간과 다르다는 것을 이해할 것이다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 마찬가지로 전력 레벨이 제1 전력과 제2 전력 사이의 전력 변동 동안 상기 전력에서의 주기적 동작과 다르다는 것을 이해할 것이다.

Claims (12)

  1. 연료 조립체들(16)이 로딩되는 코어(2)를 포함하는 원자로(1)의 적어도 하나의 동작 파라미터(△T, Plin, dΦ/dt)의 적어도 하나의 임계값(△Tmax, Plinmax, (dΦ/dt)max)을 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 연료 조립체들(16)은 각각 핵 연료 펠릿들(36) 및 상기 펠릿들(36)을 둘러싸는 클래딩(cladding)(33)을 포함하는 연료봉들(24)을 포함하고,
    상기 방법은, 전자 결정 시스템(40)에 의해 구현되고:
    - 제1 전력(P1)에서의 상기 원자로(1)의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정하는 단계(100);
    - 제2 전력(P2)에서의 상기 원자로(1)의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제2 임계값을 결정하는 단계(110)를 포함하고;
    상기 제1 전력(P1) 및 상기 제2 전력(P2)의 저전력에서의 동작은 24시간 슬라이딩 윈도우에 걸쳐 적어도 8시간의 지속 시간 동안 지속되는 동작이고;
    상기 방법은:
    - 제3 전력(P3)에서의 상기 원자로(1)의 동작에 대한 상기 각각의 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하는 단계(120)를 더 포함하며, 상기 제3 전력(P3)은 전력 레벨에 대응하고 상기 제1 전력(P1)과 상기 제2 전력(P2) 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원자로(1)는 상기 연료봉들(24)의 열역학적 디컨디셔닝(deconditioning) 모드에 있고, 상기 제1 전력(P1)은 상기 제2 전력(P2)보다 크고,
    상기 제1 전력(P1)은 바람직하게는 상기 원자로(1)의 정격 전력(PN)과 실질적으로 동일하고, 상기 제2 전력(P2)은 바람직하게는 상기 원자로(1)의 중간 전력에서의 지속 동작을 위한 타겟 전력과 실질적으로 동일한, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원자로(1)는 상기 연료봉들(24)의 열역학적 리컨디셔닝(reconditioning) 모드에 있고, 상기 제1 전력(P1)은 상기 제2 전력(P2)보다 작고,
    상기 제1 전력(P1)은 바람직하게는 상기 원자로(1)의 중간 전력에서 지속 동작을 위한 타겟 전력과 실질적으로 동일하고, 상기 제2 전력(P2)은 바람직하게는 상기 원자로(1)의 정격 전력(PN)과 실질적으로 동일한, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동작 파라미터는: 상기 코어(2)에서의 온도 편차(△T), 상기 연료봉들(24)에서의 선형 전력(Plin) 및 상기 코어(2)에서의 중성자 플럭스 변동(dΦ/dt)의 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 동작 파라미터의 각각의 임계값은 PCI 마진의 계산을 통해 결정되는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 PCI 마진의 계산은 다음의 하위 단계들을 포함하는, 방법:
    ⅱ) 상기 원자로(1)의 적어도 하나의 동작 천이(transition)를 시뮬레이팅하는 단계,
    ⅲ) 연료봉(24)의 클래딩(33)의 적어도 일부에서의 상기 동작 천이 동안 적어도 하나의 물리적 특성(G)에 의해 도달된 값을 계산하는 단계, 및
    ⅳ) 상기 천이 동안 상기 하위 단계 ⅱ)에서 계산된 상기 값에 의해 도달된 최대값과 상기 연료봉(24)의 기술적 한계 사이의 편차를 PCI 마진으로서 결정하는 단계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하위 단계 ⅱ)에서 시뮬레이팅된 천이는:
    - 과도한 부하 증가,
    - 적어도 하나의 제어 클러스터(20)의 그룹의 제어되지 않은 철회,
    - 상기 제어 클러스터들(20) 중 하나의 하락, 및
    - 제어되지 않은 붕산 희석
    으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 천이인, 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 물리적 특성(G)은:
    - 상기 클래딩(33)에서의 제약 또는 제약 함수; 및
    - 상기 클래딩(33)에서의 변형 에너지 밀도
    로 이루어진 그룹 중에서 선택되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은:
    - 상기 동작 파라미터(△T, Plin, Φ)의 값이, 상기 제1 전력, 상기 제2 전력 및 상기 제3 전력(P1, P2, P3) 중 대응하는 전력에서의 상기 원자로(1)의 동작에 대한 상기 제1 임계값, 상기 제2 임계값 및 상기 제3 임계값 중에서, 상기 동작 파라미터의 상기 각각의 임계값 미만인지를 검증하면서, 상기 원자로(1)를 동작시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 원자로(1)의 동작 중에, 상기 연료봉들(24)의 로컬 연소율로 이어지는, 상기 원자로(1)의 열역학적 리컨디셔닝에 선행하는 열역학적 디컨디셔닝 후에, 상기 연료봉들(24)의 새로운 열역학적 디컨디셔닝 이전의 그 정격 전력(PN)에서의 상기 원자로(1)의 최소 동작 지속 시간(DM-R1; DM-R2)은 타겟 PCI 마진(M1) 도달에 대응하는 지속 시간이고,
    상기 타겟 PCI 마진(M1)은 상기 연료봉들(24)의 상기 열역학적 디컨디셔닝 이전에 존재하는 PCI 마진(M0)으로부터 시작하여 동일한 로컬 연소율을 획득할 때까지 상기 원자로(1)의 정격 전력에서의 동작으로 인한 PCI 마진에 대응하는, 방법.
  11. 컴퓨터 프로그램으로서,
    컴퓨터에 의해 실행될 때, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 소프트웨어 명령들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램.
  12. 연료 조립체들(16)이 로딩되는 코어(2)를 포함하는 원자로(1)의 적어도 하나의 동작 파라미터(△T, Plin, dΦ/dt)의 적어도 하나의 임계값(△TMAX, PlinMAX, (dΦ/dt)MAX)을 결정하기 위한 전자 시스템으로서,
    상기 연료 조립체들(16)은 각각 핵 연료 펠릿들(36) 및 상기 펠릿들(36)을 둘러싸는 클래딩(33)을 포함하는 연료봉들(24)을 포함하고,
    상기 시스템(40)은:
    - 제1 전력(P1)에서의 상기 원자로(1)의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제1 임계값을 결정하도록 구성된, 제1 결정 모듈(42);
    - 제2 전력(P2)에서의 상기 원자로(1)의 동작에 대한 각 동작 파라미터의 제2 임계값을 결정하도록 구성된, 제2 결정 모듈(44)을 포함하고;
    상기 제1 전력(P1) 및 상기 제2 전력(P2)의 저전력에서의 동작은 24-시간 슬라이딩 윈도우에 걸쳐 적어도 8시간의 지속 시간 동안 지속되는 동작이고;
    - 제3 전력(P3)에서의 상기 원자로(1)의 동작에 대한 상기 각각의 동작 파라미터의 제3 임계값을 결정하도록 구성된, 제3 결정 모듈(46)로서, 상기 제3 전력(P3)은 전력 레벨에 대응하고, 상기 제1 전력(P1)과 상기 제2 전력(P2) 사이에 있는, 제3 결정 모듈(46)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자 시스템.
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