KR20200106218A - 핵 연료 고장 방지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 방법은 노심 내의 최고온 연료 요소 중 하나 이상에서 연료 펠릿의 연료 온도를 직접적으로 그리고 연속적으로 측정함으로써 원자력 분포로부터 종래의 방식으로 추정되는 것보다 피크 연료봉 중심선 온도 및 피크 연료봉 클래드 온도의 더욱 직접적인 표시를 제공한다. 이후, 피크 연료봉 클래드 온도는 최대 냉각수 노심 출구 온도 및 최소 냉각수 유량과 조합하여 최대 측정 피크 연료봉 중심선 온도로부터 얻어진다.

Description

핵 연료 고장 방지 방법
관련 출원에 대한 교차-참조
본 출원은 발명의 명칭을 "핵 연료 고장 방지 방법(NUCLEAR FUEL FAILURE PROTECTION METHOD)"으로 하여 2018년 2월 2일자로 출원된 미국 가출원 제62/625,393 호의 우선권을 주장하고 그 이익을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 노심 작동 파라미터를 결정하는 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 피크 연료봉 중심선 온도를 더욱 정확하게 모니터링하고 연료봉 피크 클래드 온도 및 노심 작동 파라미터에 대한 임계 작동 한계 접근도(closeness to critical operating limit)를 결정하는 방법에 관한 것이다.
많은 최신의 원자로 시스템에서, 노심내(in-core) 센서가 다수의 축방향 높이(elevation)에서 노심 내의 방사능을 직접적으로 측정하기 위해 채용된다. 또한, 열전쌍 센서가 다양한 반경방향 위치에서 냉각수 유출구 온도를 직접 측정하기 위해 냉각수(coolant)가 노심을 빠져나가는 높이에 있는 노심 주위의 다양한 지점에 위치된다. 이 센서는 노심 내측에서의 원자력(power)의 반경방향 및 축방향 분포를 직접적으로 측정하기 위해서 사용된다. 이 원자력 분포 측정 정보는 원자로가 원자력 분포 제한(nuclear power distribution limit) 내에서 작동하고 있는지 여부를 결정하는데 사용된다. 이 기능을 수행하는데 사용되는 전형적인 노심내 센서는 그 주위에서 발생하는 핵분열의 양에 비례하는 전류를 생성하는 자체-동력형(self-powered) 검출기이다. 이 유형의 센서는 일반적으로 노심 주위의 다양한 연료 조립체 내 계기 팀블(instrument thimble) 내에 배치되고, 전류를 생성하기 위해 외부 전력원을 필요로 하지 않고, 통상적으로 자체-동력형 검출기로서 지칭되는데, 그 전체가 본원에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 번호 5,745,538에 상세하게 기술되어 있다.
노심의 다양한 파라미터를 측정할 수 있으며 노심 주위의 다양한 연료 조립체 내의 계기 팀블(instrument thimble) 내에 전형적으로 배치되는 다른 유형의 센서가 그 전체가 본원에서 참조로 포함된 미국 특허 출원 공개 번호 2018/0218797호에 개시되어 있다. 이러한 유형의 센서는 중성자 플럭스를 검출하도록 구성된 자체-동력형 중성자 검출기, 중성자 검출기와 전기적으로 병렬 연결된 커패시터, 입력 단부 및 출력 단부를 가지는 가스 방전 튜브(gas discharge tube), 및 공진 회로와 출력 단부에 전기적으로 직렬 연결된 안테나를 포함하는 송신기 장치를 채용한다. 가스 방전 튜브의 입력 단부는 커패시터에 전기적으로 연결된다. 안테나는 자체-동력형 검출기에 의해 모니터링되는 중성자 플럭스의 세기를 나타내는 일련의 펄스를 포함하는 신호를 방출하도록 구성된다. 또한, 다른 노심 파라미터는 공진 회로의 인덕턴스 및 커패시턴스의 값 변경에 대한 미치는 영향에 의해 모니터링될 수 있다.
원자로 외부로의 출력을 통신하기 위한 신호 리드(signal lead)를 필요로 하지 않는 또 다른 노심내 센서가 그 전체가 참조로서 포함된 미국 특허 번호 4,943,683에 개시되어 있고, 이는 원자로 노심의 연료 조립체 내로 통합된 비정상 검출 유닛 및 원자로 용기 외측에 제공되는 송신기-수신기를 구비한 원자로 노심용 비정상 진단 시스템을 기술한다. 송신기-수신기는 비정상 검출 유닛으로 신호를 무선으로 송신하고, 비정상 검출 유닛에 의해 발생된 에코 신호를 무선으로 수신한다. 비정상 검출 유닛이 연료 조립체 내의 이례적 온도 상승과 같은 원자로 노심의 비정상을 검출할 때, 에코 신호의 모드는 기준 신호로부터 이탈한다. 이후, 송신기-수신기는 기준 신호로부터의 에코 신호의 편차를 검출하고, 플랜트 보호 시스템에 비정상 검출 신호를 제공한다. 센서는 센서가 장착되는 연료 조립체 주위의 냉각수 온도를 실제로 모니터링한다.
전술한 센서의 각각은 원자력 원자로의 노심 내의 상태를 직접 모니터링하지만, 원자로 작동 중 노심 내의 연료 핵 연료봉 내부 상태를 직접 모니터링하는 센서는 없다. 차세대 연료 클래딩 재료(advanced fuel cladding material)가 상업적 용도로 사용될 수 있기 전에, 이들 재료는 규제 승인을 받기 위해 엄격하게 테스트 되어야 한다. 차세대 연료 클래딩 재료를 테스트하기 위한 기존의 방안에서는, 연료봉이 여러 연료 사이클에 걸쳐 테스트되고 조사 테스트(irradiation test)의 말미에 검사되어야 한다. 이러한 방안은 여러 해가 걸리는 긴 프로세스이며, 이 프로세스 기간 중 연료 클래딩 데이터는 사용될 수 없다. 기존의 방법에서, 임계 데이터(critical data)는 조사후 검사 활동(post irradiation examination activity) 중에만 획득된다. 연료봉 내에 배치될 수 있고 여러 연료 사이클에 걸쳐 위험한 상태를 견딜 수 있으며 연료봉 관통(fuel rod penetration)을 요구하지 않는 파일내(in-pile) 센서가 바람직하다.
또한, 안전한 원자로 작동을 보장하기 위해, 적용 가능한 핵 연료봉 고장 한계(nuclear fuel rod failure limit)에 도달하지 않는 것을 보장하기 위해 모니터링되어야 하는 임계 노심 작동 파라미터(critical reactor core operating parameter)는 최대 측정 내부 연료봉 온도(TM) 및 피크 클래드 온도(Tc)이다. 현재의 원자로 보호 시스템 설계에서는, 이러한 값들이 전술한 중성자 검출기와 원자로 용기 냉각수 온도 및 냉각수 유량의 벌크 표시(bulk indication)로부터 도출된 연료 핵분열 레이트 분포 추정(fuel fission rate distribution inference)으로부터 추정된다. 상세한 연료봉 내부 온도 정보가 부족으로 인해, 핵 방사선 분포(nuclear radiation distribution), 원자로 용기 온도 분포, 및 원자로 내의 대응하는 피크 TM 및 Tc 값 사이의 관계에 대한 보수적인 가정이 필요하다. 가정된 보수적 요소(assumed conservatism)로 인해, 원자로에 의해 생산되는 전기 비용이 증가된다. 연료봉 내에 배치될 수 있는 파일내 센서가 이러한 보수적 요소에 대한 필요성도 최소화할 것이다.
개시된 구상은, 작동하는 핵 노심(nuclear core) 내의 하나 이상의 연료봉의 최대 측정 내부 연료봉 온도 및 피크 클래드 온도를 결정하는 방법을 제공함으로써 전술한 목적을 달성하는데, 상기 방법은 상기 하나 이상의 연료봉 내의 하나 이상의 위치에서 온도를 직접 측정하는 단계; 최대 측정 내부 연료봉 온도로서 상기 하나 이상의 연료봉 내 최고 온도 및 최고 온도가 측정된 노심 위치를 식별하는 단계; 최고 온도가 측정된 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도 및 냉각수의 최소 유량을 측정하는 단계; 및 최대 측정 내부 연료봉 온도로부터 피크 클래드 온도, 최고 온도가 측정된 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도 및 냉각수의 최소 유량을 결정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 직접 측정 단계는 하나 이상의 연료봉 내의 복수의 축방향 위치를 따라 온도를 측정한다. 복수의 축방향 위치는 연료봉의 상부 및 저부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 피크 클래드 온도를 결정하는 단계는 하나 이상의 연료봉의 클래딩 및 하나 이상의 연료봉 내의 연료 펠릿의 열전달 및 기하학적 특성에 대한 이해(knowledge)에 기초한다. 연료 상의 하나 이상의 위치에서 온도를 직접 측정하는 단계는 사실상 연속적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 추가 이해는 첨부 도면과 함께 판독될 때 바람직한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 얻어질 수 있다.
도 1은 개시된 구상의 예시적인 실시예에 따른 센서 시스템의 개략적인 시스템도이다.
도 2는 개시된 구상의 예시적인 실시예에 따른 센서 시스템의 회로도이다.
도 3은 개시된 구상의 예시적인 실시예에 따른 액체 금속 온도계를 사용하는 센서의 개략도이다.
도 4는 개시된 구상의 예시적 실시예에 따라 작동하는 핵 노심 내의 하나 이상의 연료봉의 최대 측정 내부 연료봉 온도 및 피크 클래드 온도를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 1은 개시된 구상의 예시적인 실시예에 따른 센서 시스템의 개략도이다. 시스템은 핵 원자로의 연료봉(10) 내에 배치된 센서(20)를 포함한다. 센서(20)는 송신 및/또는 수신 요소(22)와 감지 요소(24)를 포함한다. 그러나, 송신 및/또는 수신 요소(22)는 도 2에 대해 도시 및 기술된 바와 같이 단일 회로로 조합될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 감지 요소(24)는 비제한적으로 펠릿 온도(12), 펠릿 신장(14), 및 연료봉 압력(rod pressure)(16)과 같은, 연료봉 내의 하나 이상의 특성을 감지하도록 구성된다. 예를 들어, 감지 요소(24)의 전기적 특성은 연료봉(10) 내의 하나 이상의 특성의 변화에 기초하여 영향을 받는다. 송신 및/또는 수신 요소(22)는 감지된 정보를 송신하도록 구성된다. 일부 예시적인 실시예에서, 송신 및/또는 수신 요소(22)는 감지된 특성에 기초하여 상이한 주파수로 진동하도록 구성된다.
또한, 센서 시스템은 대응하는 송신 및/또는 수신 요소(32)를 포함하는 계기 팀블(30)을 포함한다. 개시된 구상의 일부 예시적인 실시예에서, 계기 팀블(30) 내의 송신 및/또는 수신 요소(32)는 센서(20) 내의 송신 및/또는 수신 요소(22)를 조사(interrogating)하도록 구성된다. 예를 들어, 계기 팀블(30) 내의 송신 및/또는 수신 요소(32)는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템의 작동과 유사하게, 라디오 주파수 신호를 출력하고 센서(20) 내의 송신 및/또는 수신 요소(22)의 출력을 감지함으로써 센서(20) 내 송신 및/또는 수신 요소(32)를 조사할 수 있다. 센서(20)의 출력, 예를 들어 진동 주파수(oscillation frequency)는 펠릿 온도(12)와 같은 연료봉(10) 내의 특성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 중심선 연료 온도는 연료봉(10) 내의 온도 변화에 기인하는 센서(20)의 공진 회로 내 인덕턴스 변화와 상관될 수 있고, 따라서 인덕턴스의 변화로부터 기인하는 공진 주파수 변화가 계기 팀블(30)에서 검출될 수 있다.
또한, 센서 시스템은 원자로 노심 외부와 같은 온화 환경(mild environment)(40)에 위치된 다른 송신 및/또는 수신 요소(42)와 신호 처리 요소(44)를 포함할 수 있다. 온화 환경 내에 위치된 장비는 계기 팀블(30)의 출력을 수신하도록 구성될 수 있고, 계기 팀블(30)의 출력을 처리하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 신호 처리 요소(44)는, 계기 팀블(30)의 출력에 기초하여, 최대 측정 내부 연료봉 온도(TM)와 같은 온도 특성을 결정하도록 구성된 프로세서 및/또는 메모리를 포함할 수 있다. 신호 처리 요소(44)는 제한 피크 클래드 온도(Tc)를 계산하기 위해 TM을 사용할 수 있다. 이후, 원자로 보호 시스템(RPS)은, 일반 대중의 요구되는 건강 및 안전이 모든 작동 상태 하에서 유지되는 것을 보장하기 위해 원자로 트립(reactor trip)이 발생되어야 하는지 여부를 결정하기 위해, TM 및 Tc의 값을 사용할 수 있다.
임의의 적합한 유형의 센서가 센서(20)로서 채용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 센서의 일부 예시적인 실시예가 도 2 및 도 3과 관련하여 본원에 기술된다. 그러나, 개시된 구상의 범주 내에서 다른 유형의 센서가 채용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 개시된 구상의 일부 예시적인 실시예에서, 센서(20)는 수동형이다. 그러나, 개시된 구상의 범주 내에서 능동형 센서(즉, 전원을 필요로 하는 센서)도 채용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 2는 개시된 구상의 예시적인 실시예에 따른 센서 시스템의 회로도이다. 도 2의 예시적 실시예에서, 센서(20)는 공진 회로에 의해 형성된다. 센서(20)는, 공진 회로 변화의 특성이 온도와 같은 연료봉(10) 내의 특성의 변화에 기초하도록 구성된다. 따라서, 센서(20)의 출력 주파수는 연료봉(10) 내의 온도 변화에 기초하여 변화할 것이다. 일부 예시적인 실시예에서, 공진 회로는 온도에 기초하여 전기적 특성이 변화하는 감온식(temperature sensitive electrical component) 전기적 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 인덕터(L2) 또는 커패시터(C2)는 감온식 전기적 구성요소일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 감온식 저항기가 RLC 공진 회로를 형성하도록 추가된다. 다른 예시적인 실시예에서, 액체 온도계가 사용되고, 액체 온도계로 인해 인덕터(L2)가 인덕턴스를 변화시키는데, 이는 도 3과 관련하여 기술될 것이다. 공진 회로의 구성요소의 이러한 값은 복귀 펄스(return pulse)가 고유한 주파수를 갖도록 선택될 수 있는데, 이러한 고유한 주파수로부터 복귀 펄스의 소스, 즉 복귀 펄스가 발산된 연료봉이 식별될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 예시적 실시예는 커패시터(C1) 및 인덕터(L1)에 의해 형성되는 다른 공진 회로인 보정기(calibrator)를 포함한다. 보정기는 어떠한 감온식 전기 구성요소도 포함하지 않아서, 그 출력은 온도의 변화에 관계없이 일정하게 유지될 것이다. 이로 인해, 센서 시스템은 구성요소 열화 및 드리프트(drift)를 보정 및 교정할 수 있다. 센서 회로를 조사하는 것에 추가하여, 계기 팀블(30)은 또한 보정기 공진 회로를 조사할 것이며, 이는 정적이다. 보정기 회로 응답은 구성요소 열화 또는 온도 드리프트와 관련된 임의의 센서 신호 변화를 교정하기 위해 사용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 계기 팀블(30)은 인덕터(L3 및 L4)에 의해서 형성된, 송신 및 수신 구성요소를 포함한다. 송신 구성요소는 센서(20)를 조사하는데 사용될 수 있고, 수신 구성요소는 응답을 감지할 수 있다.
도 3은 개시된 구상의 예시적인 실시예에 따른 액체 금속 온도계를 채용한 센서의 개략도이다. 센서는 인덕터 코일(50), 페라이트 코어(ferritic core)(52) 및 액체 금속 온도계(54)를 포함한다. 액체 금속 온도계(54)는 도 1의 연료봉(10)과 같은 연료봉 내의 연료 펠릿(56) 부근에 배치된다. 인덕터 코일(50)의 인덕턴스는 코일 내에서의 페라이트 코어(52)의 자기 투과성에 따라 결정된다. 이 페라이트 코어(52)가 코일(50)에서 제거되거나 코일(50)에 삽입되면, 인덕턴스는 그 위치에 대해 변화할 것이다. 이러한 방안을 사용하여, 연료봉 내의 중심선 온도는 액체 금속 온도계(54)를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, 액체 금속 온도계(54) 내의 액체 금속은 연료봉 내의 온도 변화에 따라 팽창 및 수축한다. 페라이트 코어(52)는 액체 금속의 상부에 부유하기 때문에, 페라이트 코어(52)는 연료봉 내의 온도 변화에 기초하여 인덕터 코일(50) 내로 또는 외부로 추가로 이동할 것이다(인덕턴스의 변화를 야기함).
도 3에 도시된 센서는 도 1 또는 도 2에 도시된 센서(20)로서 채용될 수 있다. 예를 들어, 인덕터 코일(50) 및 페라이트 코어(52)는 도 2에 도시된 인덕터(L2)를 형성할 수 있다.
전술한 실시예로부터의 취득된 온도 데이터는 연속적으로 측정될 수 있다. 원칙적으로, 전술한 장치에 의해서 사용되는 온도 센서는 노심 내에 위치된 연료 조립체 내의 연료봉 내의 다수의 축방향 위치에 배치될 수 있다. 이는 연료봉의 상부 및 저부를 포함하고, 연료봉 내에 추가적인 축방향 위치를 포함할 수 있다. 원자로 내에서 최고 원자력 수준(power level)을 가질 것으로 예상되는 연료봉 내에 분포된 다수의 이들 센서가 가장 제한된 연료 온도를 결정하는데 사용될 수 있다. 최고 원자력 수준을 갖는 연료봉은 일상적으로 운전되는 노심 원자력 분포(core power distribution)의 측정치로부터 결정될 수 있다. 중심선 연료 온도 측정이 측정된 대응 최대 냉각수 유체 온도 및 기존의 센서로부터 획득된 최소 냉각수 유량과 함께 사용될 때, TM의 값은 Tc의 값을 계산하는데 사용될 수 있다. 임의의 적절한 기존의 센서가 최대 냉각수 유체 온도 및 최소 냉각수 유량을 측정하는 데 채용될 수 있다. 이후, RPS는, 일반 대중의 요구되는 건강 및 안전이 모든 작동 상태 하에서 유지되는 것을 보장하기 위해 원자로 트립이 발생되어야 하는지 여부를 결정하기 위해, TM 및 Tc의 값을 사용할 수 있다.
그 전체가 본원에 참조로 포함되어 있는 M. M. El-Wakil ["Nuclear Heat Transport", American Nuclear Society, copyright 1971, Third Printing, Section 5-6]는 주변 벌크 냉각수 온도(bulk coolant temperature)(TF) 및 연료 펠릿 및 연료봉 구조 재료의 열전달 특성에 대한 이해와 결합 된 TM의 지식을 기초로 Tc의 값을 생성할 수 있는 방법에 대한 설명을 제공한다. TF는 최대 냉각수 유체 온도 및 최소 냉각수 유량으로부터 결정된다. 연료 펠릿 및 연료봉 덮개의 공지된 열전달 특성과 결합되어 대응하는 측정된 TM 및 TF로부터 유도된, 시간의 함수인 Tc를 위한 식은 다음과 같다:
Figure pct00001
식 1
여기서:
Figure pct00002
식 2
및:
Figure pct00003
식 3
여기서:
r = 연료 펠릿 직경
c = 클래딩 두께
L = 연료봉 길이
kf = 연료 펠릿 열 전도도
kc = 클래딩 열 전도도
Ar = 연료 펠릿의 단면적
Ar+ c = 연료 펠릿 및 클래딩의 단면적
h = 대류에 의한 클래딩 열전달 계수
연료 펠릿과 클래딩 사이의 간극의 열 저항(thermal resistivity)을 고려하기 위한
Figure pct00004
의 형태에 대한 추가의 조정이 연료 특성의 예상된 변화를 고려하기 위해 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 추가될 수 있다.
Tc의 값은 상수의 값, TF 및 TM의 측정 값, 및 TM의 측정 값의 위치에서 결정된 Tc의 값과 Tc의 제한 값 사이의 예상된 차이와 연계된 불확실성을 고려하기 위해 증가될 필요가 있을 것이다. 이 접근법의 바람직한 실시예에서, 제한 Tc를 획득하기 위해 측정된 TM의 위치에서의 Tc 값에 대한 조정은 계기 위치(instrumented location)에 대해 연속적으로 측정되거나 예측된 축방향 원자력 분포(axial power distribution)(AO)로부터 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 결정될 수 있다. 시간의 함수로서 피크 TM의 값을 계산하기 위해 측정된 TM 값의 값을 조정하는데 유사한 접근법이 사용된다. 이는 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 달성될 수 있으며, 다음 형태의 조정된 피크 클래드 온도를 위한 식을 초래한다:
Figure pct00005
식 4
최고의 상대적 원자력(highest relative power)을 갖는 것으로 예상되는 연료 조립체 내에 위치된 최고 상대적 원자력을 갖는 것으로 예상되는 연료봉 내의 측정 또는 예상되는 원자로 원자력 분포 정보(reactor power distribution information)로부터 소정의 시간의 TM A(t) 및 TC A(t) 값의 분포가 결정되면, TM A(t) 및 TC A(t) 의 제한 값이 결정될 수 있다. 터빈 런백(runback) 및/또는 원자로 트립이 각 파라미터를 위한 적절하게 보수적인 설정점에 설정될 수 있다.
전술된 방안으로 인해, 연료봉이 핵 비등 이탈(DNB) 또는 연료 펠릿 용융을 경험할 것인지의 여부를 결정하는데 중요한 핵심 파라미터와 더욱 직접적으로 정렬된 데이터를 사용하여, 원자로 보호 시스템이 원자로를 긴급정지(trip)시킬 것인지 여부를 결정할 수 있다. 이 방안으로 복잡한 원자력 분포 측정 코드 및 DNB 예측 및 분석 방법이 필요하지 않게 된다. 또한, 전술한 방안은 기존의 그리고 미래의 가압수형 원자로, 비등수형 원자로 및 경수로 유형 모두에서 사용될 수 있다. 또한, 이러한 기술에 필요한 센서는 연료 조립체에 통합될 수 있다.
도 4는 개시된 구상의 예시적인 실시예에 따라, 작동하는 핵심 노심에서 TM 및 Tc를 결정하는 방법의 흐름도이다. 본 방법은 단계(100)에서 시작하는데, 이 단계에서는 원자로의 하나 이상의 연료봉 내의 연료의 하나 이상의 위치에서의 온도를 직접 측정한다. 도 1 내지 도 3과 관련하여 기술된 것과 같은, 임의의 적합한 감지 시스템 및 센서가 온도를 직접 측정하기 위해 채용될 수 있다. 이후, 본 방법은 단계(102)로 진행하여, 연료의 최고 온도와 최고 온도가 측정된 노심 위치를 식별한다. 최고 온도는 연료봉 내의 다양한 축방향 위치에 위치된 센서, 예를 들어 센서(20)의 출력에 기초하여 식별될 수 있다. 최고 온도를 측정한 센서는 예를 들어 센서에 의해 출력된 식별 정보에 의해 식별될 수 있고, 노심 내의 센서의 위치는 예를 들어 센서의 설치 위치에 대한 정보를 참조함으로써 식별될 수 있다. 다음으로, 단계(104)에서, 최고 온도 및 냉각수의 최소 유량에 대응하는 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도가 측정된다. 이 값들은 원자로에 이미 존재하는 적합한 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 본 방법은 단계(106)로 진행하여, 연료의 최고 측정 온도, 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도 및 냉각수의 최소 유량으로부터 Tc를 결정한다. 예를 들어, 식 1 내지 3 은 Tc를 결정하기 위해 채용될 수 있다. 연료 펠릿 및 연료봉 구조 재료의 열전달 특성의 이해가 채용될 수 있다.
도 4의 방법은 도 1의 센서 시스템과 같은 센서 시스템에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 단계(100)는 하나 이상의 센서(20)로 구현될 수 있다. 단계(102) 내지 단계(106)는 신호 처리 요소(44)와 같은 프로세서에서 구현될 수 있다. 또한, 도 4의 방법은 TM 및/또는 Tc가 문턱값 수준(threshold level)을 초과하는지 여부를 결정하는 것과 같은 추가 단계를 포함할 수 있고, 그러한 추가 단계를 포함한다면, RPS에서 구현될 수 있는 터빈 런백 및/또는 원자로 트립과 같은 보호 수단을 구현할 수 있다.
본원에서 기술된 시스템 및 방법은 TM 및 Tc의 개선된 측정 및 계산을 제공하는 반면에, 선행 시스템 및 방법은 원자로 설계에서 허용되는 작동 원자력 수준(operating power level) 및 원자력 분포를 제한하는 좀더 보수적인 가정을 만든다. 개시된 구상에 따른 시스템 및 방법으로 인해, 연료봉은 연료 펠릿 및 클래딩 작동을 위한 실제 안전 제한에 훨씬 더 근접하게 작동할 수 있으며, 이는 동일한 양의 연료에 비해 에너지 발생을 28% 만큼 개선할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 대해 상세하게 기술하였으나, 본 기술 분야의 통상의 기술자라면, 본 개시내용의 전체 교시를 고려하면 이러한 세부사항에 대한 다양한 변형과 대안이 개발될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정한 실시예는 단지 예시적인 것이며 첨부된 청구항의 전체 범위 및 그의 임의의 그리고 모든 등가물이 제공되는 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니다.

Claims (14)

  1. 작동하는 핵 노심 내의 하나 이상의 연료봉(10)의 최대 측정 내부 연료봉 온도 및 피크 클래드 온도를 결정하는 방법이며,
    상기 하나 이상의 연료봉 내의 하나 이상의 위치에서 온도를 직접 측정하는 단계(100),
    최대 측정 내부 연료봉 온도로서 상기 하나 이상의 연료봉 내 최고 온도 및 최고 온도가 측정된 노심 위치를 식별하는 단계(102),
    최고 온도가 측정된 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도 및 냉각수의 최소 유량을 측정하는 단계(104), 및
    최대 측정 내부 연료봉 온도로부터 피크 클래드 온도, 최고 온도가 측정된 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도, 및 냉각수의 최소 유량을 결정하는 단계(106)를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 직접 측정 단계는 상기 하나 이상의 연료봉 내의 복수의 축방향 위치를 따라 온도를 측정하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 복수의 축방향 위치는 상기 하나 이상의 연료봉의 상부 및 저부를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    최고 온도가 측정된 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도 및 냉각수의 최소 유량으로부터 벌크 냉각수 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 피크 클래드 온도를 결정하는 단계는 상기 하나 이상의 연료봉의 클래딩 및 상기 하나 이상의 연료봉 내의 연료 펠릿의 열전달 및 기하학적 특성에 대한 이해에 기초하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 피크 클래드 온도를 결정하는 단계는 이하의 식을 사용하여 피크 클래드 온도를 결정하는 단계를 포함하며,
    Figure pct00006

    여기서:
    Figure pct00007

    및:
    Figure pct00008

    여기서:
    r = 연료 펠릿 직경
    c = 클래딩 두께
    L = 연료봉 길이
    kf = 연료 펠릿 열 전도도
    kc = 클래딩 열 전도도
    Ar = 연료 펠릿의 단면적
    Ar+ c = 연료 펠릿 및 클래딩의 단면적
    h = 대류에 의한 클래딩 열전달 계수인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 연료 상의 하나 이상의 위치에서 온도를 직접 측정하는 단계는 사실상 연속적으로 수행되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    피크 클래드 온도 및/또는 최대 측정 내부 연료봉 온도를 하나 이상의 문턱 값과 비교하는 단계; 및
    하나 이상의 문턱 값으로 피크 클래드 온도 및/또는 최대 측정 내부 연료봉 온도를 결정한 것에 응답하여 보호 수단을 구현하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 보호 수단은 터빈 런백 또는 원자로 트립을 포함하는, 방법.
  10. 작동하는 핵 노심 내의 하나 이상의 연료봉(10)의 최대 측정 내부 연료봉 온도 및 피크 클래드 온도를 결정하기 위한 시스템이며,
    하나 이상의 연료봉 내에 배치되고 상기 하나 이상의 연료봉 내의 하나 이상의 위치에서 온도를 직접 측정하도록 구성되는 센서(20),
    상기 하나 이상의 연료봉 외부에 배치되고 상기 센서로부터 측정된 온도를 수신하도록 구성되는 계기 팀블(30),
    상기 센서로부터 측정된 온도를 수신하도록 구성된 신호 처리 요소(44)로서,
    상기 하나 이상의 연료봉 내의 최고 온도를 최대 측정 내부 연료봉 온도 및 최고 온도가 측정된 노심 위치로서 식별하고(102),
    최고 온도가 측정된 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 측정 최대 온도 및 냉각수의 최소 유량을 수신하고(104),
    최대 측정 내부 연료봉 온도로부터 피크 클래드 온도, 최고 온도가 측정된 노심 위치에서 노심을 빠져나가는 냉각수의 최대 온도, 및 냉각수의 최소 유량을 결정(106)하도록 구성된, 신호 처리 요소(44)를 포함하는, 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 센서는 수동형인, 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 계기 팀블은 상기 센서를 조사(interrogating)하도록 구성되는, 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 센서 중 적어도 하나는 직접 측정된 온도에 기초하여 그 공진 주파수를 변화시키도록 구성된 공진 회로를 포함하는, 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 센서 중 적어도 하나는 액체 금속 온도계(54), 페라이트 코어(52), 및 인덕터 코일(50)을 포함하고, 액체 금속 온도계는 온도 변화에 기초하여 페라이트 코어가 인덕터 코일 내부로 또는 외부로 이동하게 하도록 구성되는, 시스템.
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