WO2023234640A1 - 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법 - Google Patents

소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법 Download PDF

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김태순
최선미
남현석
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한국수력원자력 주식회사
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C1/00—Reactor types
    • G21C1/32—Integral reactors, i.e. reactors wherein parts functionally associated with the reactor but not essential to the reaction, e.g. heat exchangers, are disposed inside the enclosure with the core
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21D—NUCLEAR POWER PLANT
    • G21D3/00—Control of nuclear power plant

Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a nuclear power plant taking into account the fatigue state of a small modular nuclear reactor.
  • reactors In most small modular reactors, multiple reactors (Reactors, Rx), ranging from several to as many as 10 units, are installed simultaneously in a module format.
  • This arrangement has the advantage of being able to more flexibly respond to power supply and demand situations.
  • the current SMR has a problem in that it cannot properly monitor the fatigue occurring in each unit reactor or reflect the fatigue state of each unit reactor in flexible operation.
  • the purpose of the present invention is to provide a method of operating a nuclear power plant taking into account the fatigue state of a small modular nuclear reactor.
  • the object of the present invention is to provide a method of operating a nuclear power plant considering the fatigue state of a small modular reactor, wherein a plurality of small modular reactors are provided, and a monitoring step of monitoring the fatigue state of each small modular reactor;
  • a problem small modular reactor whose fatigue state is determined to be above a certain level occurs, an analysis step of analyzing whether the problem small modular reactor is operable by considering the operating state of the problem small modular reactor;
  • the fatigue state is monitored by measuring at least one of the stress and frequency of the small modular nuclear reactor.
  • the operating state includes at least one of the number of temperature settings, number of pressure settings, temperature history, pressure history, operation history, output state, and required output state of the problem-producing small modular nuclear reactor.
  • the diagnosis of the cumulative fatigue state is performed based on at least one of the number of temperature settings and the number of pressure settings for each of the remaining small modular reactors.
  • the output value of the small modular reactor with the lower cumulative fatigue coefficient is increased so that the cumulative fatigue state is uniformly loaded on the remaining small modular reactors.
  • a method of operating a nuclear power plant taking into account the fatigue state of a small modular nuclear reactor is provided.
  • FIG. 1 is a flowchart showing the operation method of a nuclear power plant considering the fatigue state of a small modular nuclear reactor according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows flexible operation of a small modular nuclear reactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 a method of operating a nuclear power plant considering the fatigue state of a small modular nuclear reactor will be described.
  • the “nuclear power plant” consists of a plurality of small modular nuclear reactors. Each small modular reactor may also be called a “unit reactor.”
  • Figure 1 is a flowchart showing a method of operating a nuclear power plant considering the fatigue state of a small modular nuclear reactor according to an embodiment of the present invention.
  • the operation method according to this embodiment includes a monitoring step (S10), an analysis step (S20), a diagnosis step (S30), and a flexible operation step (S40).
  • the fatigue state of the small modular reactor is monitored.
  • Fatigue monitoring is performed by a fatigue monitoring system (FMS) connected to each small modular reactor.
  • FMS fatigue monitoring system
  • the fatigue monitoring system performs fatigue monitoring by measuring stress and/or frequency for each unit reactor. Fatigue monitoring can be performed at certain time intervals or continuously.
  • the stress may be the number of stress changes, and the set value of the number of stress changes or the set value for the frequency may be set differently depending on the operating conditions or device characteristics of each small modular nuclear reactor.
  • the fatigue state may be determined to be above a certain level only when both the stress and the frequency exceed a predetermined set value.
  • the operation status of the problem-prone small modular nuclear reactor whose fatigue state is determined to be above a certain level is analyzed.
  • the operating state may include, but is not limited to, at least one of the number of temperature settings, number of pressure settings, temperature history, pressure history, operation history, output status, and required output status of the small modular reactor in which the problem occurs.
  • Operating experience refers to the degree of fatigue when fatigue cracks occur obtained from previous nuclear power plants.
  • the degree of fatigue can be measured by frequency or stress, and can also be judged by the number of changes in temperature and pressure (number of cycles).
  • driving experience is not limited to this and may include additional environmental factors that affect fatigue.
  • the weight reflected varies depending on their impact on fatigue.
  • Driving capability refers to the state of being able to maintain and control the output required during driving.
  • the standard for determining whether output can be maintained and adjusted is the level at which the output requirements assigned to each unit reactor do not harm the structure and fatigue soundness of each unit reactor, which can be determined by constantly comparing and monitoring the acceptance criteria for the cumulative fatigue coefficient given at the time of design. You can.
  • Figure 2 shows flexible operation of a small modular nuclear reactor according to an embodiment of the present invention.
  • the diagnosis step (S30) when a problem occurs in a small modular reactor that is determined to be inoperable, the cumulative fatigue state of the remaining small modular reactors is diagnosed.
  • the cumulative fatigue state of the remaining small modular reactors can be determined based on the number of temperature settings and/or pressure settings for each small modular reactor.
  • the cumulative fatigue state can be determined by the cumulative fatigue usage factor (CUF) value.
  • the cumulative fatigue coefficient is a coefficient that represents the current accumulated fatigue life compared to the fatigue life allowed during the design of the structure and must be maintained lower than 1.
  • the elastic operation step (S40) adjusts the output of each small modular reactor according to the cumulative fatigue state derived in the diagnosis step (S30).
  • the cumulative fatigue state may be the cumulative fatigue coefficient.
  • Unit reactors with a high cumulative fatigue coefficient lower or stop the output value, and unit reactors with a low cumulative fatigue coefficient increase or maintain the output value so that each small modular reactor has a uniform cumulative fatigue state, thereby maintaining a uniform fatigue life.
  • a small modular nuclear power plant consisting of four unit reactors calculates the fatigue life of each unit reactor for the total required power generation and adjusts it so that unit reactors with relatively low cumulative fatigue coefficients produce high output.
  • the present invention predicts failure in advance by adding a driving experience history analysis function to the fatigue monitoring system.
  • each unit reactor In order to maximize the advantages of small modular reactors that are easy to operate flexibly, the fatigue life of each unit reactor is maintained uniformly by maintaining an even cumulative fatigue coefficient in the multiple fatigue vulnerable parts scattered in each unit reactor.

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Abstract

본 발명은 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법에 있어서, 상기 소형모듈형 원자로는 복수 개로 마련되어 있으며, 상기 각 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감시하는 감시단계; 상기 피로상태가 일정 수준 이상으로 판단된 문제발생 소형모듈형 원자로가 발생하면, 상기 문제발생 소형모듈형 원자로의 운전상태를 고려하여 상기 문제발생 소형모듈형 원자로가 운전 가능한지를 분석하는 분석단계; 상기 문제발생 소형모듈형 원자로가 운전 불가한 것으로 판단되면, 나머지 소형모듈형 원자로의 누적피로상태를 진단하는 진단단계; 및 상기 진단단계에서 도출된 상기 누적피로상태에 기초하여 상기 나머지 소형모듈형 원자로의 출력을 조절하는 탄력운전단계;를 포함한다.

Description

소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법
본 발명은 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법에 관한 것이다.
최근 국내 및 해외를 막론하고 소형모듈형 원자로(SMR) 기술개발이 매우 활발하게 이루어지고 있으며, 이미 일부 원전 선진국에서는 건설단계에 접어든 경우도 있다.
소형모듈형 원자로는 대부분 수 개의 호기에서 많게는 10개 호기가 넘는 다수의 원자로(Reactor, Rx)가 동시에 모듈형태로 설치된다.
이러한 배치는 전력의 수급상황에 보다 탄력적으로 유연하게 대처할 수 있는 장점을 갖고 있다.
그러나 현재의 SMR은 각 단위 원자로에서 발생하는 피로를 적절히 감시하거나 각 단위 원자로의 피로상태를 탄력운전에 반영하지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법에 있어서, 상기 소형모듈형 원자로는 복수 개로 마련되어 있으며, 상기 각 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감시하는 감시단계; 상기 피로상태가 일정 수준 이상으로 판단된 문제발생 소형모듈형 원자로가 발생하면, 상기 문제발생 소형모듈형 원자로의 운전상태를 고려하여 상기 문제발생 소형모듈형 원자로가 운전 가능한지를 분석하는 분석단계; 상기 문제발생 소형모듈형 원자로가 운전 불가한 것으로 판단되면, 나머지 소형모듈형 원자로의 누적피로상태를 진단하는 진단단계; 및 상기 진단단계에서 도출된 상기 누적피로상태에 기초하여 상기 나머지 소형모듈형 원자로의 출력을 조절하는 탄력운전단계;를 포함하는 원자력 발전소의 운전방법에 의해 달성된다.
상기 감시단계에서는, 상기 소형모듈형 원자로의 응력 및 주파수 중 적어도 하나를 측정하여 피로상태를 감시한다.
상기 운전상태는, 상기 문제발생 소형모듈형 원자로의 온도설정 횟수, 압력설정 횟수, 온도이력, 압력이력, 운전이력, 출력상태 및 필요출력상태 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 누적피로상태의 진단은, 상기 나머지 소형모듈형 원자로의 각각의 온도설정 횟수 및 압력설정 횟수 중 적어도 하나를 기초로 수행된다.
상기 탄력운전단계에서는, 누적피로계수가 더 낮은 소형모듈형 원자로의 출력값을 높여 상기 나머지 소형모듈형 원자로에 상기 누적피로상태가 균일하게 부하되도록 한다.
본 발명에 따르면, 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법을 나타낸 순서도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형 원자로의 탄력운전을 도시한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하여 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법을 설명한다.
본 발명에서 “원자력 발전소”는 복수의 소형모듈형 원자로로 이루어져 있다. 각 소형모듈형 원자로는 “단위 원자로”라고 부를 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법을 나타낸 순서도이다.
본 실시예에 따른 운전방법은 감시단계(S10), 분석단계(S20), 진단단계(S30) 및 탄력운전단계(S40)를 포함한다.
감시단계(S10)에서는 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감시한다.
피로상태 감시는 각 소형모듈형 원자로와 연결된 피로감시시스템(fatigue monitoring system, FMS)에 의해 수행된다.
피로감시시스템은 각 단위 원자로에 대해 응력 및/또는 주파수를 측정하여 피로감시를 수행한다. 피로감시는 일정 시간 간격을 두고 수행되거나 상시로 수행될 수 있다.
측정된 응력 혹은 주파수 값이 소정의 설정값을 벗어날 경우, 피로상태가 일정수준 이상이라 판단한다.
여기서 응력은 응력변화의 횟수일 수 있으며, 응력변화 횟수의 설정값 또는 주파수에 대한 설정값은 각 소형모듈형 원자로의 운전조건이나 기기 특성에 따라 다르게 설정될 수 있다.
다른 실시예에서는 응력과 주파수가 모두 소정의 설정값을 벗어날 경우에만 피로상태가 일정 수준 이상이라고 판단할 수 있다.
분석단계(S20)에서는 피로상태가 일정 수준 이상으로 판단된 문제발생 소형모듈형 원자로의 운전상태를 분석한다.
운전상태는 문제발생 소형모듈형 원자로의 온도설정 횟수, 압력설정 횟수, 온도이력, 압력이력, 운전이력, 출력상태 및 필요출력상태 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 한정된 것은 아니다.
분석단계(S20)에서는 원자력 발전소의 운전 경험이 반영된 인공지능을 사용할 수 있으며, 문제발생 소형모듈형 원자로의 운전 가능 여부를 판단한다.
운전 경험이란 이전의 원자력 발전소에서 취득된 피로균열 발생시의 피로정도를 의미한다.
피로정도는 주파수 혹은 응력으로 측정할 수 있으며, 온도와 압력의 변화 횟수(cycle 수)로 판단할 수도 있다.
소형모듈형 원자로의 온도와 압력의 변화 횟수(cycle 수)가 일정기간 동안 초기 설계조건에서 제시된 운전에 따른 변화 횟수보다 더 과도할 경우 피로정도가 높다고 판단할 수 있다.
그러나 운전 경험이 이에 한정된 것은 아니며, 피로에 영향을 주는 주변 환경인자를 더 포함할 수도 있다. 주변 환경인자의 경우 피로도에 미치는 영향에 따라 반영되는 가중치가 달라진다.
운전 가능 여부는 운전 시 요구되는 출력을 유지 및 조절할 수 있는 상태를 의미한다.
출력 유지 및 조절 가능 여부를 판단하는 기준은 각 단위 원자로에 할당된 출력 요구치가 각 단위 원자로의 구조 및 피로 건전성을 해하지 않는 수준으로, 설계 시 주어진 누적피로계수의 허용기준과 상시 비교 감시함으로써 판단할 수 있다.
이하에서는 진단단계(S30) 및 탄력운전단계(S40)에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 소형모듈형 원자로의 탄력운전을 도시한 것이다.
진단단계(S30)에서는 운전 불가로 판단된 문제발생 소형모듈형 원자로가 발생하면, 나머지 소형모듈형 원자로의 누적피로상태를 진단한다.
나머지 소형모듈형 원자로의 누적피로상태는 각 소형모듈형 원자로의 온도설정 횟수 및/또는 압력설정 횟수를 기초로 판단할 수 있다.
또는 누적피로상태는 누적피로계수(cumulative fatigue usage factor, CUF) 값으로 판단할 수 있다. 누적피로계수란 구조물의 설계시 허용된 피로수명 대비 현재 누적된 피로수명을 나타내는 계수로 1보다 낮은 상태로 유지되어야 한다.
탄력운전단계(S40)는 진단단계(S30)에서 도출된 상기 누적피로상태에 따라 각 소형모듈형 원자로의 출력을 조절한다.
여기서 누적피로상태는 누적피로계수일 수 있다.
누적피로계수가 높은 단위 원자로는 출력값을 낮추거나 정지시키며, 누적피로계수가 낮은 단위 원자로는 출력값을 높이거나 유지시켜 각 소형모듈형 원자로가 균일하게 누적피로상태를 갖도록 하여 피로수명 또한 균일하게 유지한다.
예를 들어, 4개의 단위 원자로로 구성되는 소형모듈형 원자력 발전소는 전체 요구 발전량에 대해 각 단위 원자로의 피로수명을 계산하여 누적피로계수가 상대적으로 낮은 단위 원자로에 높은 출력을 내도록 조정한다.
따라서 소형모듈형 원자로의 피로 특성에 최적화된 운전전략을 수립하여 전체 소형모듈형 원자로의 피로수명을 향상시킨다.
본 발명은 피로감시시스템의 운전경험 이력 분석 기능을 추가하여 미리 고장을 예측한다.
탄력운전에 용이한 소형모듈형 원자로의 장점을 극대화할 수 있도록 각 단위 원자로에 산재해 있는 다수의 피로 취약부가 고른 누적피로계수를 유지하도록 하여 각 단위 원자로의 피로수명을 균일하게 유지한다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감안한 원자력 발전소의 운전방법에 있어서,
    상기 소형모듈형 원자로는 복수 개로 마련되어 있으며,
    상기 각 소형모듈형 원자로의 피로상태를 감시하는 감시단계;
    상기 피로상태가 일정 수준 이상으로 판단된 문제발생 소형모듈형 원자로가 발생하면, 상기 문제발생 소형모듈형 원자로의 운전상태를 고려하여 상기 문제발생 소형모듈형 원자로가 운전 가능한지를 분석하는 분석단계;
    상기 문제발생 소형모듈형 원자로가 운전 불가한 것으로 판단되면, 나머지 소형모듈형 원자로의 누적피로상태를 진단하는 진단단계; 및
    상기 진단단계에서 도출된 상기 누적피로상태에 기초하여 상기 나머지 소형모듈형 원자로의 출력을 조절하는 탄력운전단계;를 포함하는 원자력 발전소의 운전방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감시단계에서는,
    상기 소형모듈형 원자로의 응력 및 주파수 중 적어도 하나를 측정하여 피로상태를 감시하는 원자력 발전소의 운전방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 운전상태는,
    상기 문제발생 소형모듈형 원자로의 온도설정 횟수, 압력설정 횟수, 온도이력, 압력이력, 운전이력, 출력상태 및 필요출력상태 중 적어도 하나를 포함하는 원자력 발전소의 운전방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 누적피로상태의 진단은,
    상기 나머지 소형모듈형 원자로의 각각의 온도설정 횟수 및 압력설정 횟수 중 적어도 하나를 기초로 수행되는 원자력 발전소의 운전방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄력운전단계에서는,
    누적피로계수가 더 낮은 소형모듈형 원자로의 출력값을 높여 상기 나머지 소형모듈형 원자로에 상기 누적피로상태가 균일하게 부하되도록 하는 원자력 발전소의 운전방법.
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