KR20220058945A - 유도성 결합을 갖는 연료봉 센서 시스템 - Google Patents

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KR20220058945A
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제프리 엘 아른트
죠지 브이 카바잘
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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

연료봉을 위한 센서 시스템은 연료 펠릿(150) 스택을 포함하고, 센서 시스템은 연료봉(2) 외부에 배치된 무선 인터로게이터(50), 및 연료봉 내에 배치된 수동 센서 컴포넌트(60)를 포함한다. 수동 센서 컴포넌트는, 인터로게이션 신호를 수신하고, 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 출력하도록 구성된 수신기(62), 여기 신호에 응답하여 기준 신호를 기준 수신기(54)로 출력하도록 구성된 기준 송신기(64), 여기 신호에 응답하여 감지 신호를 감지 수신기(56)로 출력하도록 구성된 감지 송신기(66), 및 감지 송신기 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하거나, 연료봉 내의 압력에서의 변화들에 기초하여 이동하거나, 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합된 노심(130)을 포함한다.

Description

유도성 결합을 갖는 연료봉 센서 시스템
관련된 출원에 대한 상호-참조들
이 출원은 "FUEL ROD SENSOR SYSTEM WITH INDUCTIVE COUPLING"라는 명칭으로 2019년 9월 9일자로 출원된 제16/564,150호의 이익을 주장하고, 그 내용들은 본 명세서에 참조로 편입된다.
개시된 개념은 일반적으로, 원자력 발전 장비, 더 상세하게는, 핵 반응로(nuclear reactor)의 연료 조립체의 연료봉(fuel rod)과 함께 이용가능한 센서 시스템에 속한다.
핵 반응로 시스템들은 시스템의 다양한 특성들을 모니터링하기 위한 다양한 유형들의 센서들을 포함한다. 하나의 유형의 센서는 중심선 연료 온도(centerline fuel temperature), 연료 펠릿 스택 신장(fuel pellet stack elongation), 및 내부 연료봉 압력(internal fuel rod pressure)을 모니터링하도록 설계된다.
도 1은 중심선 연료 온도, 연료 펠릿 스택 신장, 및 내부 연료봉 온도를 모니터링하도록 설계된 센서의 개략도이다. 센서는 핵 반응로의 연료봉(2) 내에 위치된 수동 센서 컴포넌트(10), 및 핵 반응로의 계장 딤블(instrument thimble)(4) 내에 위치된 무선 인터로게이터(wireless interrogator)(20)를 포함한다. 수동 컴포넌트(10)는 공진 회로를 함께 형성하는 인덕터(12) 및 커패시터(14)를 포함한다. 무선 인터로게이터(20)는 송신기(22) 및 수신기(24)를 포함하고, 핵 반응로 노심(nuclear reactor core) 외부의 전자 장치(30)에 전기적으로 접속된다.
센서는 송신기(22)를 통해 전류를 통과시킴으로써 동작하고, 이것은 송신기(22)로 하여금, 수동 컴포넌트(10)에 의해 수신되고 수동 컴포넌트(10)를 여기시키는 인터로게이션 신호(interrogation signal)를 생성하게 한다. 이에 응답하여, 수동 컴포넌트(10)는 수신기(24)에 의해 수신되는 응답 신호를 생성한다. 응답 신호는 중심선 연료 온도, 연료 펠릿 스택 신장, 및 내부 연료봉 온도를 표시하는 특성들을 포함한다. 이 특성들은 인덕터(12)의 인덕턴스(inductance)를 변화시키고, 예를 들어, 응답 신호의 주파수에서의 변화들에 의해 응답 신호에서 반영된다.
일부 방법론들에서, 연료 펠릿들의 스택에 결합된 페라이트 노심(ferrite core)은 인덕터(12)를 통과하게 되고, 이것은 연료 펠릿들의 스택이 신장될 때, 인덕터(12)의 인덕턴스에서의 변화들로 귀착된다.
도 1의 센서의 감도는 제한된다. 따라서, 연료봉들 내의 센서들에서의 개선에 대한 여지가 있다.
개시된 개념의 실시예들은 중심선 연료 온도, 연료 펠릿 스택 신장, 및/또는 내부 연료봉 압력을 모니터링하기 위한 개선된 센서를 제공한다.
개시된 개념의 하나의 양태로서, 연료 펠릿 스택(fuel pellet stack)을 포함하는 연료봉을 위한 센서 시스템은: 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터(wireless interrogator) - 무선 인터로게이터는: 인터로게이션 신호를 무선으로 출력하도록 구성된 송신기; 기준 수신기; 및 감지 수신기를 포함함 -; 연료봉 내에 배치된 수동 센서 컴포넌트 - 수동 센서 컴포넌트는: 인터로게이션 신호(interrogation signal)를 수신하고, 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 출력하도록 구성된 수신기; 여기 신호에 응답하여 기준 신호를 기준 수신기로 출력하도록 구성된 기준 송신기; 여기 신호에 응답하여 감지 신호를 감지 수신기로 출력하도록 구성된 감지 송신기 - 수신기, 기준 송신기, 및 감지 송신기는 전기적으로 직렬로 접속됨 -; 및 감지 송신기 내에서 적어도 부분적으로 배치되고, 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하거나, 연료봉 내의 압력에서의 변화들에 기초하여 이동하거나, 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합된 노심(core)을 포함함 - 를 포함한다.
개시된 개념의 하나의 양태로서, 연료 펠릿 스택을 포함하는 연료봉을 위한 센서 시스템은: 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터 - 무선 인터로게이터는: 인터로게이션 신호를 무선으로 출력하도록 구성된 1차 송신기; 및 2차 수신기를 포함함 -; 연료봉 내에 배치된 수동 센서 컴포넌트 - 수동 센서는: 인터로게이션 신호를 수신하고, 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 출력하도록 구성된 1차 수신기; 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하거나, 연료봉 내의 압력에서의 변화들에 기초하여 이동하거나, 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합된 노심을 포함하는 선형 가변 차동 변압기(linear differential variable transformer)(LVDT) - LVDT는 여기 신호를 수신하고 노심의 포지션 또는 온도를 표시하는 출력 신호를 출력하도록 구성됨 -; 및 LVDT로부터 출력 신호를 수신하고, 출력 신호에 비례적인 응답 신호를 2차 수신기로 출력하도록 구성된 2차 송신기를 포함함 - 를 포함한다.
개시된 개념의 또 다른 양태로서, 시스템은: 연료 펠릿 스택을 포함하는 적어도 하나의 연료봉; 및 적어도 하나의 센서 시스템을 포함하고, 적어도 하나의 센서 시스템은: 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터 - 무선 인터로게이터는: 인터로게이션 신호를 무선으로 출력하도록 구성된 1차 송신기; 및 2차 수신기를 포함함 -; 연료봉 내에 배치된 수동 센서 컴포넌트 - 수동 센서는: 인터로게이션 신호를 수신하고, 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 출력하도록 구성된 1차 수신기; 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하거나, 연료봉 내의 압력에서의 변화들에 기초하여 이동하거나, 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합된 노심을 포함하는 선형 가변 차동 변압기(LVDT) - LVDT는 여기 신호를 수신하고 노심의 포지션 또는 온도를 표시하는 출력 신호를 출력하도록 구성됨 -; 및 LVDT로부터 출력 신호를 수신하고, 출력 신호에 비례적인 응답 신호를 2차 수신기로 출력하도록 구성된 2차 송신기를 포함함 - 를 포함한다.
개시된 개념의 또 다른 양태로서, 연료 펠릿 스택을 포함하는 연료봉에서의 연료봉 특성들을 감지하는 방법은: 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터를 제공하는 단계; 연료봉 내에 배치된 수동 센서 컴포넌트를 제공하는 단계 - 수동 센서는 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하거나, 연료봉 내의 압력에서의 변화들에 기초하여 이동하거나, 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합된 노심을 포함하는 선형 가변 차동 변압기(LVDT)를 포함하고, LVDT는 여기 신호를 수신하고 노심의 포지션 또는 온도를 표시하는 출력 신호를 출력하도록 구성됨 -; 인터로게이션 신호를 무선 인터로게이터로부터 수동 센서 컴포넌트로 무선으로 출력하는 단계; 무선 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 LVDT에 제공하는 단계; LVDT로부터 노심의 포지션 또는 온도를 표시하는 출력 신호를 출력하는 단계; 및 출력 신호에 비례적인 응답 신호를 수동 센서 컴포넌트로부터 무선 인터로게이터로 무선으로 출력하는 단계를 포함한다.
발명의 추가의 이해는 동반 도면들과 함께 판독될 때에 바람직한 실시예들의 다음의 설명으로부터 얻어질 수 있고, 여기서:
도 1은 중심선 연료 온도, 연료 펠릿 스택 신장, 및 내부 연료봉 압력을 제한된 감도로 모니터링하도록 설계된 센서의 개략도이고;
도 2는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 증가된 측정 감도를 전달하는 센서 시스템의 개략도이고;
도 3은 개시된 개념의 또 다른 예시적인 실시예에 따른, 증가된 측정 감도를 전달하는 센서 시스템의 개략도이고;
도 4는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 센서 시스템의 개략도이고;
도 5a는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 선형 가변 차동 변압기의 상면도이고;
도 5b는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 도 4a의 LVDT의 측단면도이고;
도 6은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, LVDT를 포함하는 연료봉의 단순화된 단면도이고;
도 7은 개시된 개념의 또 다른 예시적인 실시예에 따른, LVDT를 포함하는 연료봉의 단순화된 단면도이고;
도 8은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 다수의 센서들을 포함하는 시스템의 개략도이고;
도 9는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 연료봉 특성들을 감지하는 방법의 플로우차트이고; 그리고
도 10은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 연료봉 특성들을 감지하는 방법의 플로우차트이다.
도 2는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른 센서 시스템의 개략도이다. 센서 시스템은 핵 반응로 시스템에서 중심선 연료 온도, 연료 펠릿 스택 신장, 및/또는 내부 연료봉 압력을 모니터링하기 위하여 적당한다.
센서 시스템은 수동 컴포넌트(60) 및 무선 인터로게이터(50)를 포함한다. 수동 컴포넌트(60)는 핵 반응로의 연료봉(2) 내에 배치되고, 무선 인터로게이터(50)는 핵 반응로의 계장 딤블 내에 배치된다. 무선 인터로게이터(50)는 핵 반응로 노심 외부에 위치된 전자 프로세싱 장치(200)에 결합된다. 연료봉(2)은 완전히 동봉되는 반면, 계장 딤블(4)은 무선 인터로게이터(50)와 전자 프로세싱 장치(200) 사이의 전기적 전도체들과 같은 전기적 전도체들이 통과할 수 있는 관통부를 포함한다. 무선 인터로게이터(50)는 연료봉(2)에 인접한 영역에서 배치될 수 있다는 것이 또한 인식될 것이다. 예를 들어, 무선 인터로게이터(50)는 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 계장 딤블(4)과는 상이한 동봉부(enclosure)에서 배치될 수 있다.
무선 인터로게이터(50)는 송신기(52), 기준 수신기(54), 및 감지 수신기(56)를 포함한다. 송신기(52), 기준 수신기(54), 및 감지 수신기(56)는 인덕터들(또한, 코일들로서 지칭됨)일 수 있다. 수동 컴포넌트(60)는 직렬로 전기적으로 접속된 수신기(62), 기준 송신기(64), 및 감지 송신기(66)를 포함한다. 수신기(62), 기준 송신기(64), 및 감지 송신기(66)는 인덕터들(또한, 코일들로서 지칭됨)일 수 있다. 수동 컴포넌트(60)는 또한, 노심(130)을 포함한다. 노심(130)은 감지 송신기(66) 내에 적어도 부분적으로 배치된다.
송신기(52)는 인터로게이션 신호를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 전자 프로세싱 장치(200)는, 송신기(52)를 급전시키고, 송신기(52)로 하여금, 인터로게이션 신호를 생성하게 하는 신호를 생성할 수 있고, 이 신호를 송신기(52)에 제공할 수 있다. 인터로게이션 신호는 수신기(62)에 의해 수신되고 수신기(62)를 여기시키는 연속적인 정현파 또는 펄스파일 수 있다. 예를 들어, 인터로게이션 신호는, 수신기(62) 상에서 기전력(electromotive force)을 생성하여, 전류가 수신기(62)를 통해 그리고 궁극적으로 기준 송신기(64) 및 감지 송신기(66)를 통해 흐르게 하는, 송신기(52)에 의해 생성된 시간 변동 자기장일 수 있다. 기준 송신기(64) 및 감지 송신기(66)를 통한 전류는 기준 송신기(64) 및 감지 송신기(66)로 하여금, 기준 수신기(54) 및 감지 수신기에 의해 각각 수신되는 기준 신호 및 감지 신호를 각각 생성하게 한다. 예를 들어, 기준 신호 및 감지 신호는, 기준 수신기(54) 및 감지 수신기(56)에서 전자기력들을 궁극적으로 생성하는 전류가 기준 송신기(64) 및 감지 송신기(66)를 통해 흐르는 것에 응답하여 기준 송신기(64) 및 감지 송신기(66)에 의해 생성된 시간 변동 자기장들일 수 있다.
노심(130)은 연료봉(2) 내의 연료 펠릿 스택에 물리적으로 결합된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 노심(130)은 노심(130)이 연료 펠릿 스택과 직선적으로 이동하도록 결합된다. 예를 들어, 연료 펠릿 스택이 부풀거나 팽창할 때, 노심(130)은 연료 펠릿 스택이 신장되었던 것과 동일한 거리로 감지 송신기(66)를 통해 위로 이동할 것이다. 이러한 방식으로, 감지 송신기(66) 내에서의 노심(130)의 물리적 변위는 감지 송신기(66)를 가로지르는 전압을 변화시킬 것이고, 따라서, 감지 수신기(56)에 의해 궁극적으로 수신되고 연료 펠릿 스택 신장을 결정하기 위하여 이용될 수 있는 감지 신호를 변화시킬 것이다. 일부 예시적인 실시예들에서, 노심(130)은 연료 펠릿 스택의 온도에서의 변화들이 노심(130)의 온도를 변화시키도록 결합된다. 노심(130)의 온도에서의 변화는 자기 투자율(magnetic permeability)을 변화시켜서, 감지 송신기(66)를 가로지르는 전압에서의 변화로 귀착된다. 이것은 감지 수신기(56)에 의해 수신되고 중심선 연료 온도를 결정하기 위하여 이용될 수 있는 감지 신호에서의 변화로 귀착된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 노심(130)은 연료봉 내의 압력에서의 변화들이 노심(130)으로 하여금, 온도에서의 변화들과 함께 이동하게 하도록 결합된다. 예를 들어, 노심(130)은 압력에서의 증가들이 벨로우즈(bellows)로 하여금, 감지 송신기(66) 내에서 추가로 노심(130)을 팽창하게 하고 이동하게 하도록, 연료봉(2) 내의 벨로우즈에 결합될 수 있다. 감지 송신기(66) 내에서의 노심(130)의 물리적 변위는 감지 송신기(66)를 가로지르는 전압을 변화시킬 것이고, 따라서, 감지 수신기(56)에 의해 궁극적으로 수신되고 연료봉(2) 내의 압력을 결정하기 위하여 이용될 수 있는 감지 신호를 변화시킬 것이다. 이 예시적인 실시예에서, 중심선 연료 온도, 연료 펠릿 스택 신장, 및 연료 압력은 감지된 파라미터들로 고려되고, 그 값들은 감지 신호에 영향을 준다. 그러나, 그 값들은 기준 송신기(64)에 의해 출력된 기준 신호에 대해 거의 효과가 없다.
감지 신호 및 기준 신호는 감지 수신기(56) 및 기준 수신기(54)에 의해 각각 수신된다. 감지 신호와 기준 신호 사이의 차이는 기준 송신기(64), 감지 송신기(66), 및 다른 컴포넌트들에 공통적인 온도 또는 다른 효과들로 인한 임의의 드리프트(drift)를 상쇄하므로, 이 2 개의 신호들 사이의 차이는 감지된 파라미터를 결정하기 위하여 이용될 수 있다.
도 3은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 센서의 개략도이다. 센서는 핵 반응로 시스템에서 중심선 연료 온도, 연료 펠릿 스택 신장, 및 내부 연료봉 압력을 모니터링하기 위하여 적당한다.
센서는 수동 컴포넌트(110) 및 무선 인터로게이터(140)를 포함한다. 수동 컴포넌트(110)는 핵 반응로의 연료봉(2) 내에 배치되고, 무선 인터로게이터(140)는 핵 반응로의 계장 딤블(4) 내에 배치된다. 무선 인터로게이터(140)는 핵 반응로 노심 외부에 위치된 전자 프로세싱 장치(200)에 결합된다.
무선 인터로게이터(140)는 1차 송신기(142) 및 2차 수신기(144)를 포함한다. 수동 컴포넌트(110)는 무선 인터로게이터(140)의 1차 송신기(142)에 대응하는 1차 수신기(112), 및 무선 인터로게이터(140)의 2차 수신기(144)에 대응하는 2차 송신기(114)를 포함한다. 예를 들어, 1차 송신기(142)는 인터로게이션 신호를 출력하도록 구성되고, 1차 수신기(112)는 인터로게이션 신호를 수신하도록 구성된다. 또한, 2차 송신기(114)는 응답 신호를 출력하도록 구성되고, 2차 수신기(144)는 응답 신호를 수신하도록 구성된다. 수동 컴포넌트(110)는 연료봉(2) 내에서 완전히 동봉되고, 연료봉(2) 외부의 임의의 컴포넌트들에 대한 유선 접속을 가지지 않으므로, 무선 인터로게이터(140)와 수동 컴포넌트(110) 사이에서 교환된 인터로게이션 신호, 응답 신호, 또는 임의의 다른 신호들은 무선 신호들이라는 것이 이해되어야 한다.
수동 컴포넌트(110)는 또한, 선형 가변 차동 변압기(LVDT)(120)를 포함한다. LVDT(120)는 연료봉 내의 LVDT(120)와 함께 포함된 노심(130)의 직선 운동(rectilinear motion)을 감지하도록 구성된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 노심(130)은 연료 펠릿 스택 신장을 감지하기 위하여, 노심(130)이 연료 펠릿 스택과 직선적으로 이동하도록 결합된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 노심(130)은 예를 들어, 연료 압력을 감지하기 위하여, 이전에 설명된 바와 같은 벨로우즈를 이용함으로써, 연료봉(2) 내의 압력에 기초하여 노심(130)이 직선적으로 이동하도록 결합된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 노심(130)은 노심(130)이 정적이고 그 온도가 중심선 연료 온도와 함께 변화되도록 결합된다. 예를 들어, 중심선 연료 온도를 측정하기 위하여, 노심(130)은 노심(130)이 그 길이를 따라 이동하지 않고 변동되는 투자율을 가지지 않는다는 점에서 정적일 수 있다. 열은 노심(130)의 하부가 노심(130)의 상부보다 더 뜨겁도록, 연료 펠릿 스택으로부터 노심(130) 위로 통행할 것이다. 상이한 온도들은 상이한 전압들이 LVDT(120)의 코일들에 의해 출력되는 것으로 귀착될 것이어서, 노심(130)이 LVDT(120)에서 이동하였을 경우와 유사한 LVDT(120)의 출력으로 귀착될 것이다. 연료의 중심선 온도는 이 출력으로부터 결정될 수 있다.
개시된 개념의 일부 예시적인 실시예들에서, 노심(130)은 페라이트 재료(ferrite material)로 구성된다. 그러나, 노심(130)은 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 다른 적당한 재료들로 구성될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
LVDT(120)는 1차 수신기(112) 및 2차 송신기(114)에 전기적으로 접속된다. LVDT(120)는 1차 수신기(112)로부터 여기 신호를 수신하도록 구성된다. 여기 신호를 생성하기 위하여, 전자 프로세싱 장치(200)는 신호를 1차 송신기(142)에 제공하여, 1차 송신기(142)로 하여금, 인터로게이션 신호를 출력하게 한다. 1차 수신기(112)는, 1차 수신기(112)를 여기시키고, 1차 수신기(112)로 하여금, 여기 신호를 LVDT(120)로 출력하게 하는 인터로게이션 신호를 수신한다.
여기 신호는 LVDT(120)로 하여금, 노심(130)의 포지션을 표시하는 출력 신호를 생성하게 한다. 예를 들어, 노심(130)이 LVDT(120) 내에서 중심을 두는 널 포지션(null position)에서, LVDT(120)의 출력 신호는 약 0 V일 것이다. 노심(130)이 널 포지션으로부터 이동할 때, 출력 신호의 전압은 선형적으로 증가할 것이다. 출력 신호의 위상 각도는 노심(130)이 널 포지션에 대하여 어느 방향으로 이동하였는지를 표시한다. LVDT(120)는 출력 신호를 2차 송신기(114)에 제공하도록 구성된다.
LVDT(120)로부터 출력 신호를 수신하는 것은 2차 송신기(114)로 하여금, 2차 수신기(144)에 의해 궁극적으로 수신되고 전자 프로세싱 장치(200)에 제공되는 응답 신호를 출력하게 한다. 응답 신호는 LVDT(120)의 출력 신호에 비례적이다. 따라서, LVDT(120)의 출력 신호의 전압에서의 임의의 증가들 또는 감소들은 응답 신호에서 반영된다. 유사하게, LVDT(120)의 출력 신호의 위상 각도는 응답 신호에서 반영된다. 응답 신호로부터, 전자 프로세싱 장치(200)는 LVDT(120) 내에서의 노심(130)의 포지션을 결정할 수 있다.
LVDT(120)는 노심(130)의 직선 운동 및 포지션을 더 정확하게 감지할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, LVDT(120)는 ±2 μm 내에서 노심(130)의 포지션을 모니터링할 수 있다.
도 3의 예시적인 실시예는 무선 인터로게이터(140)가 계장 딤블(4) 내에 있는 것으로서 예시하지만, 무선 인터로게이터(140)는 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 연료봉(2) 외부의 다른 위치에서 배치될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 4는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 센서의 개략도이다. 도 4의 센서는 도 3의 센서와 유사하게 동작한다. 그러나, 도 4는 LVDT(120)의 예시적인 실시예를 더 상세하게 예시한다.
예를 들어, 도 4의 예시적인 실시예에서, LVDT(120)는 1차 코일(122), 제1 2차 코일(124), 제2 2차 코일(126)을 포함한다. 1차 코일(122)은 제1 2차 코일(124)과 제2 2차 코일(126) 사이에 배치된다. 1차 코일(122), 제1 2차 코일(124), 및 제2 2차 코일(126)은 노심(130)이 이들 전부를 통과할 수 있도록 정렬된다. 도 3에서, 노심(130)은 노심(130)이 LVDT(120)에서 중심을 두는 널 포지션에서 배치된다. 즉, 노심(130)의 중심은 1차 코일(122)의 중심과 정렬되고, 노심(130)의 동일한 길이들은 제1 2차 코일(124) 및 제2 2차 코일(126)로 연장된다.
제1 2차 코일(124) 및 제2 2차 코일(126)은 1차 코일(122)로부터 동일하게 이격된다. 예를 들어, 제1 2차 코일(124)의 단부는 제2 2차 코일(126)의 단부로서의 1차 코일(122)의 중심으로부터 동일하게 이격된다. 1차 코일(122)은 1차 수신기(112)의 출력에 전기적으로 접속되어, 1차 코일(122)은 1차 수신기(112)로부터 여기 신호를 수신하도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126)은 각각 1차 코일(122)에 가장 근접한 제1 단부, 및 1차 코일(122)로부터 가장 먼 제2 단부를 가진다. 제1 2차 코일(124)의 제1 단부는 LVDT(120)의 출력에 전기적으로 접속되어, 제1 2차 코일(124)의 제2 단부는 제2 2차 코일(126)의 제1 단부에 전기적으로 접속된다. 제2 2차 코일(126)의 제2 단부는 LVDT(120)의 출력에 전기적으로 접속된다. 그러나, 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126)의 포지션들은 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서 교체될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
1차 코일(122)이 여기 신호를 수신할 때, 1차 코일(122)은 노심(130)에서 전류를 유도하고, 이 전류는 그 다음으로, 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126)에 의해 감지된다. 노심(130)이 도 3에서 도시된 바와 같이 널 포지션에 있을 때, 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126)의 출력들은 서로 상쇄하여, LVDT(120)의 출력 신호가 0 V인 것으로 귀착된다. 노심(130)이 널 포지션으로부터 이동할 때, 노심(130)이 제1 또는 제2 2차 코일들(124, 126) 중의 하나 내에 다른 것 내에보다 더 많이 배치될 것이다. 이것은 제1 또는 제2 2차 코일들(124, 126) 중의 하나의 출력이 다른 것의 출력보다 더 큰 것으로 귀착되는데, 그 이유는 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126) 중의 하나에서의 노심(130)의 더 큰 길이가 다른 것과 비교하여 그 코일에서 더 큰 출력으로 귀착될 것이기 때문이다. 그 결과, 노심(130)이 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126) 중의 하나로 추가로 이동함에 따라, LVDT(120)의 출력은 선형적으로 증가할 것이다. 또한, 노심(130)이 널 포지션으로부터 하나의 방향으로 이동될 때, LVDT(120)의 출력은 제1 위상 각도를 가질 것이고, 노심(130)이 널 포지션으로부터 다른 방향으로 이동할 때, LVDT(120)의 출력은 제2 위상 각도를 가질 것이다. 따라서, LVDT(120)의 출력 신호의 크기는 노심(130)이 널 포지션으로부터 이동한 거리의 표시를 제공하고, LVDT(120)의 출력 신호의 위상 각도는 노심(130)이 이동한 방향의 표시를 제공한다. 이들을 함께 취하면, LVDT(120)의 출력 신호는 노심(130)의 포지션의 정확한 표시를 제공한다.
도 3에서 도시된 실시예에서와 같이, LVDT(120)의 출력 신호는 2차 송신기(114)에 제공된다. LVDT(120)의 출력 신호를 수신하는 것은 2차 송신기(114)로 하여금, LVDT(120)의 출력 신호에 비례적인 응답 신호를 출력하게 한다. 응답 신호는 2차 수신기(144)에 의해 수신되고, 전자 프로세싱 장치(200)에 제공된다. 전자 프로세싱 장치(200)는 노심(130)의 포지션을 결정하기 위하여 응답 신호를 해독하도록 구성된다.
개시된 개념의 일부 예시적인 실시예들에서, 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126)은 실질적으로 유사하다. 즉, 이들은 실질적으로 유사한 길이 및 수의 권선(winding)들을 가지고, 실질적으로 유사한 재료들로 구성된다. 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126)이 실질적으로 유사할 때, 그 출력들은 노심(130)이 널 포지션에 있을 때에 서로 상쇄할 것이고, 노심(130)이 널 포지션으로부터 이동함에 따라, LVDT(120)의 출력은 선형적으로 증가할 것이다. 1차 코일(122)은 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126)과 실질적으로 유사할 수 있거나 유지하지 않을 수 있다.
개시된 개념의 일부 예시적인 실시예들에서, 1차 송신기(142), 1차 수신기(112), 2차 송신기(114), 및 2차 수신기(144)는 코일들이다. 그러나, 신호들을 무선으로 송신하거나 수신할 수 있는 다른 컴포넌트들은 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서 채용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 5a는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, LVDT(120)의 상면도이고, 도 5b는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, LVDT(120)의 측단면도이다. 개시된 개념의 일부 예시적인 실시예들에서, LVDT(120)는 원통형 형상을 가질 수 있다. 그러나, LVDT(120)는 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서 상이한 형상들을 가질 수 있다는 것이 인식될 것이다.
LVDT(120)는 도 5a 및 도 5b에서 도시된 바와 같은 하우징(128)을 포함할 수 있다. 하우징(127)은 노심(130)이 통과할 수 있는 중공 중심(hollow center)을 가진다. 하우징(128)은 1차 코일(122), 제1 2차 코일(124), 및 제2 2차 코일(126)을 각각 포함하는 내부 격실들을 포함할 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 1차 코일(122)은 제1 및 제2 2차 코일들(124, 126) 사이에 배치된다.
도 6은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, LVDT(120)를 포함하는 연료봉(2)의 단순화된 단면도이다. 도 6에서 도시된 바와 같이, 노심(130)은 LVDT(120)를 통과한다. 연료 펠릿 스택에서의 연료 펠릿들(150)은 플런저(plunger)와 같은 신장된 부재(152)를 통해 노심(130)에 물리적으로 결합된다. 이러한 방식으로, 노심(130)은 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 LVDT(120) 내에서 이동한다.
도 7은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, LVDT(120)를 포함하는 연료봉(2)의 단순화된 단면도이다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 노심(130)은 LVDT(120)를 통과한다. 노심(130)은 직접적으로 또는 중간 부재(156)를 통해 벨로우즈(154)에 결합된다. 벨로우즈(154)는 연료봉(2) 내의 증가하는 압력에 응답하여 팽창하고, 연료봉(2) 내의 감소하는 압력에 응답하여 수축하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 노심(130)은 연료봉(2) 내의 압력에서의 변화들과 함께 LVDT(120) 내에서 이동한다.
도 6 및 도 7에서 도시된 배열들은 또한, 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 도 2에 대하여 설명된 센서 시스템과 함께 채용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 8은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 다수의 센서들을 포함하는 시스템의 개략도이다. 도 8의 예시적인 실시예에서, 다수의 센서들은 근접한 인접성으로 배치된다. 예를 들어, 다수의 무선 인터로게이터들(140)은 다수의 수동 컴포넌트들(110)에 근접한 인접성으로 배치된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 무선 인터로게이터들(140)은 고유 주파수들을 가지는 인터로게이션 신호들을 출력할 수 있다. 즉, 하나의 무선 인터로게이터(140)는 제1 주파수를 가지는 인터로게이션 신호를 출력할 수 있고, 또 다른 무선 인터로게이터(140)는 제2 주파수를 가지는 인터로게이션 신호를 출력할 수 있다. 무선 인터로게이터들(140)은 개개의 수동 컴포넌트(110)에 각각 대응할 수 있다. 근접한 인접성으로 인해, 무선 인터로게이터(140)는 자신이 대응하지 않는 수동 컴포넌트(110)로부터 응답 신호를 수신할 수 있다. 고유 주파수들을 갖는 신호들을 인터로게이팅함으로써, 무선 인터로게이터(140)에 대응하는 수동 컴포넌트(110)로부터의 응답 신호는 인터로게이션 신호와 동일한 고유 주파수를 가질 것이다. 전자 프로세싱 장치(200)는 자신이 인터로게이션 신호의 고유 주파수에 대하여 필터링할 수 있도록, 주파수 필터링 기능을 가질 수 있다. 따라서, 무선 인터로게이터(140)가 자신이 대응하지 않는 수동 컴포넌트(110)로부터 응답 신호들을 수신하더라도, 그 응답 신호들은 그 상이한 주파수들로 인해 필터링될 수 있다.
도 9는 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 연료봉 특성들을 감지하는 방법의 플로우차트이다. 도 9의 방법은 본 명세서에서 설명된 개시된 개념의 실시예들과 함께, 또는 다른 유사한 응용들에서 채용될 수 있다.
방법은 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터를 제공함으로써 300에서 시작된다. 무선 인터로게이터는 개시된 개념의 실시예들과 함께 설명된 무선 인터로게이터(140)일 수 있다. 방법은 연료봉 내에서 배치된 수동 센서 컴포넌트를 제공함으로써 302에서 계속된다. 수동 센서 컴포넌트는 노심이 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하도록 연료 펠릿 스택에 결합된 노심을 포함하는 LVDT를 포함한다. 수동 센서 컴포넌트는 개시된 개념의 실시예들과 함께 설명된 수동 센서 컴포넌트(110)일 수 있다.
방법은 인터로게이션 신호를 무선 인터로게이터로부터 수동 센서 컴포넌트로 무선으로 출력함으로써 304에서 계속된다. 인터로게이션 신호는 예를 들어, 무선 인터로게이터의 1차 송신기에 의해 출력될 수 있고, 예를 들어, 수동 센서 컴포넌트의 1차 수신기에 의해 수신될 수 있다. 방법은 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 LVDT에 제공함으로써 306에서 계속된다. 여기 신호는 예를 들어, 수동 센서 컴포넌트의 1차 수신기에 의해 제공될 수 있다.
방법은 LVDT로부터 노심의 포지션을 표시하는 출력 신호를 출력함으로써 308에서 계속된다. 최종적으로, 310에서, 방법은 출력 신호에 비례적인 응답 신호를 수동 센서 컴포넌트로부터 무선 인터로게이터로 무선으로 출력함으로써 계속된다. 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 방법은 추가적인 단계들을 포함할 수 있거나, 방법의 단계들은 수정될 수 있거나, 방법의 단계들은 재배열될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 10은 개시된 개념의 예시적인 실시예에 따른, 연료봉 특성들을 감지하는 방법의 플로우차트이다. 도 10의 방법은 본 명세서에서 설명된 개시된 개념의 실시예들과 함께, 또는 다른 유사한 응용들에서 채용될 수 있다.
방법은 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터를 제공함으로써 400에서 시작된다. 무선 인터로게이터는 개시된 개념의 실시예들과 함께 설명된 무선 인터로게이터(50)일 수 있다. 방법은 연료봉 내에서 배치된 수동 센서 컴포넌트를 제공함으로써 402에서 계속된다. 수동 센서 컴포넌트는 개시된 개념의 실시예들과 함께 설명된 수동 센서 컴포넌트(40)일 수 있고, 감지된 파라미터에 의해 그 출력이 영향받는 감지 송신기, 및 감지된 파라미터에 의해 그 출력이 영향받지 않는 기준 송신기를 포함할 수 있다.
방법은 인터로게이션 신호를 무선 인터로게이터로부터 수동 센서 컴포넌트로 무선으로 출력함으로써 404에서 계속된다. 방법은 수동 센서 컴포넌트로부터 기준 신호를 수신함으로써 406에서 계속되고, 수동 센서 컴포넌트로부터 감지 신호를 수신함으로써 408에서 계속된다. 감지 신호는 감지된 파라미터에 의해 영향받는 반면, 기준 신호는 그렇지 않다. 방법은 그 다음으로, 감지 신호로부터 기준 신호를 감산함으로써 410에서 계속된다. 감산은 시스템 내의 모든 컴포넌트들에 영향을 주는 온도 드리프트 및 다른 인자들을 상쇄한다. 개시된 개념의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 방법은 추가적인 단계들을 포함할 수 있거나, 방법의 단계들은 수정될 수 있거나, 방법의 단계들은 재배열될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
발명의 특정 실시예들이 상세하게 설명되었지만, 개시된 개념들의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 그 세부사항들에 대한 다양한 수정들 및 대안들은 개시내용의 전체적인 교시사항들을 감안하여 개발될 수 있다는 것과, 예시적인 실시예들 중의 하나 이상의 실시예들의 선택된 엘리먼트들은 다른 실시예들로부터의 하나 이상의 엘리먼트들과 조합될 수 있다는 것이 본 기술분야에서의 통상의 기술자들에 의해 인식될 것이다. 따라서, 개시된 특정한 실시예들은 첨부된 청구항들의 전체 외연 및 그 임의의 그리고 모든 등가물들에 부여되어야 하는 발명의 범위에 대하여 제한적인 것이 아니라 오직 예시적인 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 연료 펠릿 스택(fuel pellet stack)을 포함하는 연료봉을 위한 센서 시스템으로서,
    상기 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터(wireless interrogator) - 상기 무선 인터로게이터는:
    인터로게이션 신호(interrogation signal)를 무선으로 출력하도록 구성된 송신기;
    기준 수신기; 및
    감지 수신기를 포함함 -;
    상기 연료봉 내에 배치된 수동 센서 컴포넌트 - 상기 수동 센서 컴포넌트는:
    상기 인터로게이션 신호를 수신하고, 상기 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 출력하도록 구성된 수신기;
    상기 여기 신호에 응답하여 기준 신호를 상기 기준 수신기로 출력하도록 구성된 기준 송신기;
    상기 여기 신호에 응답하여 감지 신호를 상기 감지 수신기로 출력하도록 구성된 감지 송신기 - 상기 수신기, 상기 기준 송신기, 및 상기 감지 송신기는 전기적으로 직렬로 접속됨 -; 및
    상기 감지 송신기 내에서 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하거나, 상기 연료봉 내의 압력에서의 변화들에 기초하여 이동하거나, 상기 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합된 노심(core)을 포함함 -
    를 포함하는, 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 송신기, 상기 기준 수신기, 상기 감지 수신기, 상기 수신기, 상기 기준 송신기, 및 상기 감지 송신기 중의 적어도 하나는 인덕터인, 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노심이 상기 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하도록 상기 노심과 상기 연료 펠릿 스택 사이에 배치된 신장된 부재를 더 포함하고,
    상기 노심의 이동은 감기 감지 신호를 변화시키는, 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노심이 상기 연료봉 내의 압력에서의 변화들과 함께 이동하도록 상기 노심에 결합된 벨로우즈(bellows)를 더 포함하고,
    상기 노심의 이동은 감기 감지 신호를 변화시키는, 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 노심은 상기 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합되고, 상기 노심의 온도에서의 변화들은 상기 노심의 자기 투자율을 변화시키고 상기 감지 신호를 변화시키는, 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무선 인터로게이터에 전기적으로 접속되고, 상기 감지 수신기 및 기준 수신기에 의해 수신된 상기 감지 신호 및 상기 기준 신호를 수신하도록 구성된 전자 프로세싱 장치 - 상기 전자 프로세싱 장치는 상기 감지 신호와 상기 기준 신호 사이의 차이를 결정하도록 구성됨 - 를 더 포함하는, 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 노심은 페라이트 재료(ferrite material)로 구성되는, 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 무선 인터로게이터는 계장 딤블(instrument thimble) 내에 배치되는, 센서 시스템.
  9. 연료 펠릿 스택을 포함하는 연료봉을 위한 센서 시스템으로서,
    상기 연료봉 외부에 배치된 무선 인터로게이터 - 상기 무선 인터로게이터는:
    인터로게이션 신호를 무선으로 출력하도록 구성된 1차 송신기; 및
    2차 수신기를 포함함 -;
    상기 연료봉 내에 배치된 수동 센서 컴포넌트 - 상기 수동 센서 컴포넌트는:
    상기 인터로게이션 신호를 수신하고, 상기 인터로게이션 신호를 수신하는 것에 응답하여 여기 신호를 출력하도록 구성된 1차 수신기;
    상기 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하거나, 상기 연료봉 내의 압력에서의 변화들에 기초하여 이동하거나, 상기 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합된 노심을 포함하는 선형 가변 차동 변압기(linear differential variable transformer)(LVDT) - 상기 LVDT는 상기 여기 신호를 수신하고 상기 노심의 포지션 또는 온도를 표시하는 출력 신호를 출력하도록 구성됨 -; 및
    상기 LVDT로부터 상기 출력 신호를 수신하고, 상기 출력 신호에 비례적인 응답 신호를 상기 2차 수신기로 출력하도록 구성된 2차 송신기를 포함함 -
    를 포함하는, 센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 노심이 상기 연료 펠릿 스택의 팽창 또는 수축과 함께 이동하도록 상기 노심과 상기 연료 펠릿 스택 사이에 배치된 신장된 부재를 더 포함하고,
    상기 LVDT의 상기 출력 신호는 상기 노심의 상기 포지션을 표시하는, 센서 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 노심이 상기 연료봉 내의 압력에서의 변화들과 함께 이동하도록 상기 노심에 결합된 벨로우즈를 더 포함하고,
    상기 LVDT의 상기 출력 신호는 상기 노심의 상기 온도를 표시하는, 센서 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 노심은 상기 연료봉 내의 온도 변화들에 기초하여 온도를 변화시키도록 결합되고, 상기 노심의 상기 온도에서의 변화들은 상기 노심의 자기 투자율을 변화시키고, 상기 LVDT의 상기 출력 신호는 상기 노심의 상기 온도를 표시하는, 센서 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 LVDT는 1차 코일, 제1 2차 코일, 및 제2 2차 코일을 포함하고, 상기 1차 코일은 상기 1차 수신기에 전기적으로 접속되고, 상기 제1 및 제2 2차 코일들 사이에 배치되는, 센서 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 2차 코일 및 상기 제2 2차 코일은 실질적으로 유사한, 센서 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 2차 코일들은 각각 상기 1차 코일에 가장 근접한 제1 단부, 및 상기 1차 코일로부터 가장 먼 제2 단부를 가지고,
    상기 제1 2차 코일의 상기 제1 단부는 상기 LVDT의 출력에 전기적으로 접속되고, 상기 제1 2차 코일의 상기 제2 단부는 상기 제2 2차 코일의 상기 제1 단부에 전기적으로 접속되고, 그리고
    상기 제2 2차 코일의 상기 제2 단부는 상기 LVDT의 상기 출력에 전기적으로 접속되는, 센서 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 1차 송신기, 상기 1차 수신기, 상기 2차 송신기, 및 상기 2차 수신기 중의 적어도 하나는 인덕터들인, 센서 시스템.
  17. 제9항에 있어서, 상기 노심은 페라이트 재료로 구성되는, 센서 시스템.
  18. 제9항에 있어서, 상기 무선 인터로게이터는 계장 딤블 내에 배치되는, 센서 시스템.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 무선 인터로게이터에 전기적으로 접속되고, 상기 1차 송신기로 하여금, 상기 인터로게이션 신호를 출력하게 하도록 구성된 상기 1차 송신기에 입력 신호를 제공하도록 구성된 전자 프로세싱 장치를 더 포함하고,
    상기 전자 프로세싱 장치는 상기 무선 인터로게이터로부터 상기 응답 신호를 수신하고, 상기 응답 신호에 기초하여 상기 노심의 포지션 또는 온도를 결정하도록 구성되는, 센서 시스템.
  20. 제9항에 있어서, 상기 LVDT는 중공 노심을 갖는 실질적으로 원통형 형상을 가지고, 그리고
    상기 노심은 상기 중공 노심을 통과시킬 수 있도록 구성되는, 센서 시스템.
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