[연재강좌] 원자력 발전의 센서기술

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[연재강좌] 원자력 발전의 센서기술

2005년 1월 25일 (화) 18:20:00 | 지면 발행 ( 2004년 12월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.

원자력 발전의 센서기술일본 원자력발전주식회사_카타기리 시게하루(片桐重治)

서두

원자력발전소에서 사용되는 센서에는 철동이나 화학 공장에서도 이용되는 압력, 액위, 유량, 온도 등의 프로세스 계장센서와 방사선 센서나 중성자속 레벨을 계측하는 핵계장 센서와 같은 원자력발전소 특유의 센서가 있다. <그림 1>에 원자력발전소의 센서 전체상을 나타낸다.

프로세스 계장의 센서라도 원자로를 정지하는 신호를 발생시키기 위한 안전보호장치에 이용하는 센서 등, 안전기능을 갖고 있는 센서는 ‘발전용 원자력 설비에 관한 기술기준’, ‘발전용 경수형 원자로 시설에 관한 안전설계 심사지침’이나 ‘발전용 원자로 시설에 관한 내진설계 심사지침’ 등에 적합한 것이 요구된다.

또한 가압수형 원자력발전소의 원자로 격납용기 내에 설치된 안전보호용 센서는 원자로 냉각계통의 배관파단 사고 시의 고온·고압·고방사선 환경에서 정상으로 기능을 발휘하는 내환경성능이 요구되는 등 일반산업의 프로세스 계장 센서에 없는 성능이 요구되는 경우가 있다.

이번에는 원자력 발전소의 센서 중에서 특징적인 것에 대해 개설하기로 한다.

원자력발전소의 센서

1. 핵계장 센서

원자력 특유의 센서로 원자로의 출력을 측정하기 위해서 중성자속 레벨을 계측하는 핵계장 센서가 있다.

(1) 비등수형 원자력발전소의 핵계장

비등수형 원자로(BWR)의 중성자속 계측장치 센서는 원자로의 노심 내에 설치되어 있다. 핵계장은 원자로의 정지상태에서 운전까지, 즉 매우 미약한 중성자원 레벨에서 125% 로출력까지의 계측범위를 중성자원영역, 중간영역, 출력영역의 3개 계측영역으로 분할하고 여기에 적합한 2종류 혹은 3종류의 센서를 이용한다.

각각의 측정계 계측범위는 일부 오버랩하는 설계다. <그림 2>에 핵계장의 게측범위와 계측기의 종류를 나타낸다.

또 <그림 3>에 BWR의 로내 핵계장 설치상태를 나타낸다.

토카이 제2발전소를 시작으로 최근의 BWR은 하나의 검출기로 중성자원영역에서 중간영역까지 커버하는 기동영역중성자속 모니터(SRNM)를 채용하고 있다. 이 SRNM은 츠루가발전소 1호기로 상업용 발전소는 세계 2번째, 일본에서는 최초로 도입된 것이다. 이번에는 SRNM에 대해서 설명하기로 한다.

(ⅰ) 기동영역계장(SRNM)

기동영역계장(SRNM)은 전술한 바와 같이 모든 제어봉이 노심에 삽입되어 있는 미임계 상태에서 중간영역까지의 중성자속 레벨을 계측한다. 센서는 전극에 우라늄을 코팅한 핵분열 전리함으로 우라늄은 핵분열성의 235U와 중성자를 흡수해서 핵분열성이 되는 234U를 혼합한 것을 이용함으로써 노심에서의 센서 수명을 연장시킨다.

과거에는 중성자원영역 및 중간영역에서 센서를 각각 따로 두고 있었지만 SRNM이 중성자원영역과 중간영역의 두 영역을 계측할 수 있기 때문에 센서의 수를 삭감할 수 있었다. 또 종래의 센서는 원자로 출력운전중, 노심에서 끌어당겨 둘 필요가 있었기 때문에 구동장치가 필요했지만 SRNM은 노심에 고정되기 때문에 구동장치가 불필요해지고 신뢰성 향상과 보수시의 피박 저감을 도모할 수 있었다.

SRNM은 임계 근방까지 펄스신호로 대수계측하고 약 10% 로출력까지의 영역은 출력신호 흔들림의 제곱 평균치가 중성자속에 비례한다는 사실을 이용한 캠벨법으로 계측한다. <그림 4>에 SRNM 센서의 구조를 나타낸다.

(ⅱ) 국부출력 모니터(LPRM) / 평균출력 모니터(APRM)

운전중인 원자로의 출력을 계측하기 위해 노심 내의 연료집합체 사이에 국부출력 모니터 센서의 집합체를 둔다. 1체의 센서 집합체에는 노심 높이 방향으로 4개의 LPRM 센서가 설치되어 있고 토카이 제2발전소의 경우 센서집합체가 43체 있기 때문에 합계 172개의 센서 노심 각부의 중성자속을 측정한다.

이들 LPRM 센서는 적절하게 21~22개씩 6개의 그룹으로 나뉘어 그룹마다 LPRM 센서신호를 연산해서 노심 전체의 평균출력을 계산하고 있다. <그림 5>에 LPRM 센서 집합체의 구조를 나타낸다.

이 평균출력 연산회로를 평균출력 모니터(APRM)라 한다. APRM 신호는 원자로 안전보호장치나 경보·감시장치의 입력이 된다.

<그림 6>에 BWR 핵계장 센서의 원자로 내 배치를 나타낸다.

(ⅲ) 이동식 노심 내 계장(TIP)

BWR은 원자로 내의 중성자속 분포를 정기적으로 파악하고, 또 LPRM 센서와의 클로스체크(교정)를 시행하기 때문에 원자로 압력용기 저부에서 가동형 소형핵분열 전리함을 구동장치로 LPRM 센서 집합체 내부의 안내관에 삽입해 중성자속을 측정한다.

이 TIP 센서가 5체 있는데 TIP 센서가 이동하는 안내관이 노심에 들어가기 전에 분기되어 토카이 제2발전소는 43개소 측정점의 임의의 장소에 삽입할 수 있다. TIP 센서는 각 측정점에서 노심을 상하하면서 중성자속을 계측한다.

<그림 7>에 TIP 센서의 구조를 나타낸다.

(2) 가압수형 원자력발전소의 핵계장

가압수형 원자로(PWR)의 중성자속 센서는 노심 내부가 아니라 원자로 용기의 주위에 설치되는데 노외 핵계장이라 부른다. <그림 8> 및 <그림 9>에 노외 핵계장의 설치상황을 나타낸다.

노외 핵계장은 원자로의 정지상태에서 운전까지 중성자원 레벨에서 120% 노출력까지의 노심 중성자속을 측정한다.

노외 핵계장은 중성자속원영역, 중간영역, 출력영역의 3개 계측영역에 적합한 3종류의 센서가 채용되어 각각의 측정계 계측범위는 일부 오버랩하는 설계다(<그림 2>).

(ⅰ) 중성자원영역 / 중간영역 센서

중성자원영역 및 중간영역은 각각 독립된 2채널로 구성되어 있고 중성자원 영역은 BF₃비례계수관을, 또 중간영역은 γ선 보상형 전리함을 사용한다.

중간영역의 전리함은 전극에 붕소 피막을 갖는 전극과 피막이 없는 전극을 갖는데, 이들 전극에서 나오는 전류신호를 비교해서 γ선의 영향을 차단하는 것이다.

중성자원영역 및 중간영역의 중성자속 센서는 하나의 보호관 내에 수납되어 일체화된다. 이들 센서는 <그림 8>과 같이 원자로 용기의 0도와 180도 위치에 배치되어 있다.

중성자원영역 / 중간영역 센서는 냉각재 상실사고 시의 원자로 격납용기 내의 환경에 견디고 원자로의 미임계상태를 감시할 수 있는 성능을 갖고 있다.

(ⅱ) 출력영역 센서

출력영역의 계측계는 독립된 2채널로 구성되어 있다. 중성자속의 검출원리는 중간영역의 γ선 보상형 전리함과 마찬가지로 10B(n, a)7Li 반응을 이용한다.

이들 센서는 <그림 8>과 같이 원자로 용기의 주위를 둘러싼 형태로 배치되어 있다. 각 채널은 노심 상하 반 정도를 덮는 2개의 γ선 비보상형 전리함으로 이루어져 이 상하 2개의 센서로부터의 전류신호는 평균증폭기로 평균화되고 원자로 보호설비나 지시계 기록계로 송출된다.

(ⅲ) 노심 핵계장

PWR은 노심의 중성자속 분포를 정기적으로 파악하고 또 노외 핵계장과의 클로스테크를 시행하기 때문에 원자로 용기 아랫부분에서 가동형 소형핵분열 전리함을 구동장치를 이용해 로내에 삽입해 중성자속을 측정한다(<그림 9>).

센서는 6체인데 센서가 이동하는 안내관은 도중 분기가 있어 츠루가발전소 2호기는 58개소의 측정점을 커버하고 있다. 센서는 각 측정점에서 노심을 상하로 움직이면서 중성자속을 계측한다.

2. 방사선 센서

원자력발전소의 방사선 감시설비는 다음과 같은 모니터링 설비로 구성된다.

·프로세스 모니터

프로세스 계통 내의 방사성 물질농도를 감시한다.

·에어리어 모니터

발전소 내 환경의 공간선량율을 감시한다.

·에어리어 더스트 / 가스 모니터

발전소 내 공기중의 입자상태 혹은 가스상태의 방사성 물질을 감시한다.

·환경 모니터링

발전소 주변의 방사선 레벨을 감시한다.

(1) 프로세스 모니터

프로세스 모니터는 중앙제어실에서 연속기록·지시하고 방사능 레벨이 설정치를 넘을 때에는 경보를 울리거나 밸브를 자동 폐지하는 등으로 방사성 물질에 의한 오염확대를 방지하는 인터록을 작동시킨다. 그리고 원자로 안전보호장치에 신호를 보내 원자로를 자동정지시키는 프로세스 모니터도 있다.

(ⅰ) 비등수형 원자력발전소(BWR)의 예

·액체 프로세스 방사선 모니터

·원자로 건물 환기계 모니터

·오프가스 방사선 모니터 등

센서로는 신틸레이션 검출기, GM관, 전리함이 이용되고 있다.

토카이 제2발전소에는 26대의 프로세스 모니터가 설치되어 있다.

(ⅱ) 가압수형 원자력발전소(PWR)의 예

·증기발생기 블로우다운수 모니터

·원자로 보상기 냉각수 모니터

·복수기 배기가스 모니터 등

플랜트의 세대에 따르면 츠루가발전소 2호기는 일반적으로 물에 대해서 NaI 신틸레이션 검출기, 가스에 대해서는 플라스틱 신틸레이션 검출기가 채용되고 있다.

츠루가발전소 2호기는 30대의 프로세스 모니터가 설치되어 있다.

(2) 에어리어 모니터

에어리어 모니터에는 고정감시반에 따른 연속감시와 가반식 에어리어 모니터 장치에 따른 필요시에만 시행하는 감시가 있다. 주요 에어리어 모니터의 감시포인트는 다음과 같다.

·중앙제어실

·폐기물 처리제어실

·원자로 건물 통로

·방사선 관리구역 내(hot)

계기수리실

·원자로 격납용기 내

(사고대비용) 등

센서는 당초, GM관, 전리함이었지만 반도체 센서로 교체가 이루어지고 있다. 토카이 제2발전소에는 110대, 츠루가발전소 2호기에는 52대의 에어리어 모니터가 설치되어 있다.

(3) 에어리어 더스트 / 가스 모니터

에어리어 더스트 모니터는 공기 중에 있는 입자상태의 물질을 펌프로 흡인해 여과지에 흡착시켜 방사능을 측정한다. 센서는 GM관이나 신틸레이션 센서가 채용된다.

샘플링 포인트는 원자로 건물 내 각실, 통로, 제어실 등이다.

에어리어 가스 모니터는 방사성 기체폐기물 처리계 등과 같이 더스트보다 가스로 검지하는 편이 효과적인 에어리어로 채용한다. 센서는 GM관이나 신틸레이션 센서가 채용된다.

(4) 환경 모니터링

발전소 주변 감시구역 경계 부근의 외부방사선량율을 측정하기 위해서 모니터링 포스트를 설치한다. 모니터링 포스트에는 고선량율용에 전리함이 저선량율용에 NaI 신틸레이션 센서가 채용된다.

또 기상데이터 수집을 위해서 풍향, 풍속과 같은 측정장치가 설치되어 있다.

이들 데이터는 중앙제어실에서 상시, 기록감시되고 있다.

3. 프로세스 계장

원자력발전소에는 많은 프로세스 센서가 설치되어 있다. 110만kW급의 발전소에서의 주요 센서 기수를 <표 1>에 나타낸다. 또 <표 1>의 센서는 신호를 제어실 등에 전송하고 있는 것으로 압력 게이지 등의 현장지시계나 수위 스위치 등 스위치류가 포함되어 있지 않다.

원자력발전소의 프로세스 계장 센서 중 안전기능을 갖고 있는 것에 대해서는 전술한 바와 같이 기술기준이나 지침류의 요구에 적합하기 때문에 복수의 센서를 조합시키거나 전원을 다중화하는 등으로 해서 계장시스템으로 다음과 같은 성능을 확보하고 있다.

·다중성

·독립성

·내진성

·필세이프

·가시험성

또 PWR은 원자로 압력과 같은 안전보호장치의 센서가 원자로 격납용기 내에 설치되기 때문에 사고시의 원자로 격납용기 내의 환경조건에 견뎌 정상적으로 동작하도록 요구된다.

이 때문에 고내열성(내열 190℃)과 고내방사선성(총 γ선량 7×105Gy)을 견딘 압력(차압) 센서(정전용량형 전송기)가 개발되어 일본의 PWR에 채용되고 있다. 이 내환경성능은 방사선 차폐를 실시한 내환경형 하이브리드 IC와 내열 코일 등을 조합시킨 앰프 회로로 실현되고 있다.

4. 기타 센서

(1) 토카이 제2발전소 광파이버 온도감시시스템

토카이 제2발전소의 독자적인 센서로 광파이버 온도감시시스템이 있다. 토카이 제2발전소와 같은 BWR은 운전 중, 원자로 격납용기 안에 들어갈 수가 없어 격납용기 내에서의 원자로 냉각재 누설을 감지하기 위해서 각종 방책이 나오고 있다.

이 광파이버 온도감시시스템은 이 중 하나로 고온의 원자로 냉각재가 보온재에서 흘러나온 것을 격납용기 내부의 온도분포 변화로 보충해 이상을 검지한다.

이 광파이버 온도감시시스템의 측정원리는 원자로 격납용기 내벽을 돌고 있는 광파이버에 레이저 펄스광을 입사해서 후방산란광으로 입사단에 되돌아올 때까지의 시간을 계측함으로써 거리(위치)를 측정하고 이와 함께 라만 산란광의 강도가 온도에 의존하는 것을 이용해 이 위치에서의 온도를 측정하는 것이다. <그림 10>에 광파이버 온도감시시스템의 측정원리를 나타낸다. 또 <그림 11>에 광파이버 온도감시시스템의 장치사양을 나타낸다.

(2) 츠루가발전소 2호기 1차계 냉각재용 붕소농도계

PWR은 원자로의 반응도를 제어하기 위해 원자로에서 열을 추출한 1차 냉각재 속에 붕소(붕산)을 첨가한다.

이 붕소 농도를 수분판이 아니라 자동으로 측정하기 위해 츠루가발전소 2호기는 중성자 흡수방식의 붕소 농도계를 설치한다.

이것은 중성자원에서 방출된 중성자가 1차 냉각재 샘플 속의 10B로 흡수되어 감소하는 것을 이용한 것으로 원자로 반응도 제어에 직접 관계하는 10B만을 연속적으로 계측할 수 있다. <그림 12>는 붕소 농도계의 설치개소를 나타낸다. 또 <그림 13>에 붕소 농도계의 구조를 나타낸다.

(3) 전동밸브 진단용 토크 센서

폐사 발전소는 운전상 중요한 전동밸브에 밸브 동작시의 구동력(토크)을 왜곡 게이지로 측정해 상태진단을 시행하는 전동밸브 진단시스템(MOVDAS)을 도입하고 있다.

이 심장부가 전동밸브 구동장치의 토크 스프링 어셈블리에 내장된 토크센서다. <그림 14>에 MOVDAS 시스템의 개요를 나타낸다.

이로써 전동밸브 동작시의 토크 파형을 보면서 적확한 상태진단이 가능하기 때문에 전동밸브에 대해 시간계획 보전에서 상태감시 보전으로의 이행이 가능해졌다.

결말

이번에는 주로 원자력발전소의 안전·안정운전이나 발전소에서 일하는 사람들의 안전확보에 필요한 센서에 대해서 설명했다.

이 외에 중요한 센서로써 일상 플랜트기기 보전을 위해 필요한 센서가 있다. 특히 상태감시 보전을 효율적이고 적확하게 시행하기 위한 센서기술의 발전이 강하게 요구된다.