[논문]총채널 불확실도를 적용한 원전 노심출구온도의 운전가능 판정기준

성제중; 윤덕주; 하상준

doi:10.14346/jkosos.2014.29.6.166

총채널 불확실도를 적용한 원전 노심출구온도의 운전가능 판정기준
Operating Criteria of Core Exit Temperature in Nuclear Power Plant with using Channel Statistical Allowance 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.29 no.6, 2014년, pp.166 - 171

성제중 (한수원(주) 중앙연구원) , 윤덕주 (한수원(주) 중앙연구원) , 하상준 (한수원(주) 중앙연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Nuclear power plants are equipped with the reactor trip system (RTS) and the engineered safety features actuation system (ESFAS) to improve safety on the normal operation. In the event of the design basis accident (DBA), a various of post accident monitor(PAM)systems support to provide important details (e.g. Containment pressure, temperature and pressure of reactor cooling system and core exit temperature) to determine action of main control room (MCR). Operator should be immediately activated for the accident mitigation with the information. Especially, core exit temperature is a critical parameter because the operating mode converts from normal mode to emergency mode when the temperature of core exit reaches $649^{\circ}C$. In this study, uncertainty which was caused by exterior environment, characteristic of thermocouple/connector and accuracy of calibrator/indicator was evaluated in accordance with ANSI-ISA 67.04. The square root of the sum of square (SRSS) methodology for combining uncertainty terms that are random and independent was used in the synthesis. Every uncertainty that may exist in the hardware which is used to measure the core exit temperature was conservatively applied and the associative relation between the elements of uncertainty was considered simultaneously. As a result of uncertainty evaluation, the channel statistical allowance (CSA) of single channel of core exit temperature was +1.042%Span. The range of uncertainty, -0.35%Span ($-4.05^{\circ}C$) ~ +2.08%Span($24.25^{\circ}C$), was obtained as the operating criteria of core exit temperature.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 노심출구온도 측정시 영향을 주는 총 채널 불확실도를 평가하고 노심출구온도 지시 판정기준을 제시하였다.
본 논문에서는 사고후 감시계측에 필수적인 노심출구온도에 대하여 불확실도 요소별 연관관계에 따라 총 채널 불확실도를 평가하고 노심출구온도 지시계의 운전가능 판정기준을 제시하였다. 제시된 판정기준에 따라 노심출구온도 주기별 교정이 수행된다면 안전계측지시계통의 정밀도 유지 및 신뢰성 확보로 원자력발전소 운전안전성이 향상될 것으로 기대된다.
본 논문에서는 원전 노심출구온도 측정시 영향을 주는 외부환경, 열전대 특성, 연결선, 교정기 및 지시계 등의 정확도 및 개별적 불확실도 영향요소간의 연관관계를 고려한 총채널 불확실도 (CSA : Channel Statistical Allowance)를 평가하여 노심출구온도 지시 판정기준의 기술적 근거를 제시하였다.
15%이다. 본 연구에서는 저온기준함이 격납건물 내부에 있는 경우를 기준으로 불활실도를 평가하였다.

제안 방법

기록계 불확실도는 원자력발전소 노내 핵계측 열전대 온도지시계통 정비절차서의 지시계 교정정확도, 지시계 시험장비 정확도 및 지시계의 최소 눈금간격을 이용한 판독오차를 전체 온도측정범위 93.3~1,260℃에 대하여 보수적으로 적용하였다. Fig.
2와 같으며 주제어실에서 감시가능하다. 다채널의 노심출구온도 평균온도와 표준편차를 계산후 평균온도 교정 및 유효성검사를 통해 선정된 대표적 노심출구온도를 설계기준사고시 비상운전모드 전환시의 기준온도로 사용한다.
본 연구에서 노심출구온도 실측을 위해 구성된 열전대, 케이블 및 지시계 등 같은 하드웨어에 존재할 수 있는 모든 불확실도 생성요소를 보수적으로 다음과 같이 적용하였다.
67℃의 오차범위를 필수적으로 포함함을 의미한다. 사고후 감시계측설비로서 지시계는 각각 채널수 10개를 포함하고 있으므로 격납건물 노심출구온도 지시계 운전가능성 판정기준은 노심출구온도 판정시 관련되는 불확실도 영향을 채널수에 따라 고려하였으며 증가 및 감소방향으로 평가하였다. 증가방향의 총채널 불확실도로서 10채널 불확실도는 단일채널 불확실도와 열전대의 니켈-크롬 합금배열 영향, 열전대의 감마가열 및 열방사선 조사 영향, 바이어스 모두의 합으로 계산되어 +2.
그러나 원자력발전소에서 계측기가 사용되는 가혹한 외부환경에서 열전대 성능 및 지시계 불확실도는 반드시 연관되어야 한다. 실제 노심출구온도 불확실도는 비독립적인 불확실도 요소를 산술적으로 합성하여 보수적으로 취급하였으며 독립적인 항들과 제곱합에 대한 SRSS기법으로 합성하였다. 센서 교정정밀도 및 센서 드리프트와 센서 측정 및 시험장비 정밀도, 지시계 교정정밀도 및 지시계 드리프트와 지시계 측정 및 시험장비 정밀도 등 불확실도 영향요소간의 연관관계를 고려한 단일채널 불확실도는 다음과 같다.
원자력발전소에 설치된 노내계측계통은 노내 반경 방향 출력분포의 불균일성 확인 및 제어봉 정렬의 이상유무 등의 부적절한 노심냉각상태 감시를 위해 노심가열의 정도를 평가한다. 부적절한 노심냉각상태 감시는 NUREG 0718 (Rev.
원전 교유설계특성으로 노심출구온도 측정용 열전대 정확도, 교정기 정확도, 연결케이블, 지시계 및 계측 외부환경 등을 적용하여 ANSI-ISA 67.04 기술기준에 따라 불확실도를 평가하였다. 제곱합의 제곱근 기법인 SRSS기법을 사용하여 불확실도 요소의 연관성이 고려된 10개채널의 총채널 불확실도를 계산하였고, 그 결과를 적용하여 노심출구온도 지시계의 운전가능성 판정기준을 다음과 같이 제시하였다.
04 기술기준에 따라 불확실도를 평가하였다. 제곱합의 제곱근 기법인 SRSS기법을 사용하여 불확실도 요소의 연관성이 고려된 10개채널의 총채널 불확실도를 계산하였고, 그 결과를 적용하여 노심출구온도 지시계의 운전가능성 판정기준을 다음과 같이 제시하였다.
총채널불확실도 평가를 위해 설계기준사고 동안 허용제한값의 초과를 방지하기 위해 보호계통을 동작시키는 값으로서 교정주기 사이에 발생하는 교정 허용오차 및 계기 드리프트의 반영 등, 노심출구온도 실측을 위한 열전대 및 전자카드와 같은 하드웨어에 존재할 수 있는 모든 불확실도를 보수적으로 적용함과 동시에 불확실도 영향요소간의 연관관계를 고려하였다.
드리프트는 계기 루프의 모든 기기에 독립적으로 발생하며 온도, 방사능 및 습도와 같은 환경조건은 계기 드리프트의 크기에 영향을 끼치지 않는다. 특정 계기 드리프트 데이터는 전형적으로 계기 제작자 및 교정이력 데이터 검토를 통해서 얻을 수 있으며 본 논문에서는 웨스팅하우스 원전에서 보수적 열전대의 드리프트 값을 사용하였다.

이론/모형

04 기술기준을 적용하였다. 기본 합성방법으로 계측영역에 존재하는 각각의 독립적인 불확실도가 동일한 수준의 확률을 포함하는 전체 불확실도에 포함되도록 합성하는 방법인 제곱합의 제곱근(SRSS: Square Root of the Sum of Square)기법을 사용하였다.
본 방법론은 불확실도 요소를 통계적, 기능적으로 독립적인 그룹의 조합으로 합성하였으며, 이에 대한 자세한 설명은 ANSI-ISA67.04 기술기준에 명시되어 있다. 센서와 지시계의 교정정밀도 및 드리프트 불확실도는 정규분포에서 무작위하다고 가정하였을때 모든 불확실도 요소가 독립적인 경우의 단일채널 불확실도는 다음과 같다.
센서의 모든 교정절차는 조건들의 특정 집합(입력 및 출력)을 사용하여 계기 조정을 모니터하기 위한 측정 및 시험 장비를 요구하므로 입력측 시험장비 정밀도와 출력측 시험장비 정밀도에 대한 SRSS기법으로 센서 측정 및 시험장비 정밀도(SMTE: Sensor Measurement & Test Equipment accuracy)를 계산한다2) .
총채널 불확실도 평가는 원자력발전소 고유설계특성 및 미국 원자력규제기관 (NRC)의 규제지침 (Regulatory Guide) 1.105 인허가 요건에 의해 위임된 ANSI-ISA 67.04 기술기준을 적용하였다. 기본 합성방법으로 계측영역에 존재하는 각각의 독립적인 불확실도가 동일한 수준의 확률을 포함하는 전체 불확실도에 포함되도록 합성하는 방법인 제곱합의 제곱근(SRSS: Square Root of the Sum of Square)기법을 사용하였다.

성능/효과

1) 노심출구 온도지시계의 총채널 불확실도는 노심출구온도 지시에 관련된 불확실도 생성요소로서 공정 측정정밀도 및 1차요소 정밀도, 센서기준정밀도, 센서교정 정밀도 및 센서측정/시험장비 정밀도 등의 전송기 불확실도요소, 지시계 판독오차(readability), 교정정밀도 및 시험장비 정밀도 등의 기록계 불확실도, 연결케이블, 커넥터, 저온기준함 등에 대한 영향과 불확실도 연관관계를 모두 고려하여 SRSS기법 및 산술합으로 평가 되었다. 열전대 불확실도 요소와 지시계 불확실도 요소의 연관관계가 모두 고려된 경우 총채널 불확실도는 가장 보수적이었으며 평가된 격납건물 비정상시 지시범위 93.
2) 노심출구 온도지시계 판정기준은 지시계의 현주기와 이전주기의 지시차가 계산된 총채널 불확실도의 온도환산 절대값 28.3℃보다 작을 경우 채널이 운전가능하다고 할 수 있으며 기존 허용오차범위를 18.37℃감소시켜 계측신뢰성을 향상시켰다.
따라서 개선된 노심출구온도 지시계측설비의 운전 가능성 판정기준을 감소함으로써 원자력발전소 운전 안전성은 개선될 수 있다고 생각된다.
3℃) 이다. 또한 10개채널 총채널 불확실도의 허용온도는 연관성이 고려되지 않은 경우(27.19℃)와 고려된 경우(28.3℃)의 허용온도차이는 1.11℃였으며 증가방향과 감소방향으로 불확실도가 분산되어 단일채널 불확실도 보다는 감소되었다.
불확실도 평가결과 격납건물 비정상시 노심출구온도(지시범위 : 93.3℃~1,260℃)의 총채널 불확실도 및 지시범위 내에서의 출구온도 허용치를 도출하였다. 분석된 결과를 통해 신뢰성이 향상된 원자력발전소 노심출구온도 지시계의 운전가능성 판정기준을 제시하였으며, 계측기 정기점검수행시 평가된 운전가능성 판정기준을 통하여 운영측면에서의 원자력발전소 안전성 향상이 기대된다.
1) 노심출구 온도지시계의 총채널 불확실도는 노심출구온도 지시에 관련된 불확실도 생성요소로서 공정 측정정밀도 및 1차요소 정밀도, 센서기준정밀도, 센서교정 정밀도 및 센서측정/시험장비 정밀도 등의 전송기 불확실도요소, 지시계 판독오차(readability), 교정정밀도 및 시험장비 정밀도 등의 기록계 불확실도, 연결케이블, 커넥터, 저온기준함 등에 대한 영향과 불확실도 연관관계를 모두 고려하여 SRSS기법 및 산술합으로 평가 되었다. 열전대 불확실도 요소와 지시계 불확실도 요소의 연관관계가 모두 고려된 경우 총채널 불확실도는 가장 보수적이었으며 평가된 격납건물 비정상시 지시범위 93.3℃ ~ 1,260℃에서 노심출구온도 총 채널 불확실도는 – 0.35%Span ( – 4.05℃) ~ +2.08%Span (24.25℃)이다.
현재 운전가능성은 트레인별 10개 채널 지시설정치의 주기적 정기점검을 수행후 지시차가 기본적 불확실도를 고려하여 설계문서에서 제시된 지시계의 정밀도인 ±4.0%Span (46.67℃)이내이면 운전가능하다고 판정되나 연관된 불확실도를 보수적으로 고려할 때 판정기준은 Table 3.과 같이 개선되었다.

후속연구

3℃~1,260℃)의 총채널 불확실도 및 지시범위 내에서의 출구온도 허용치를 도출하였다. 분석된 결과를 통해 신뢰성이 향상된 원자력발전소 노심출구온도 지시계의 운전가능성 판정기준을 제시하였으며, 계측기 정기점검수행시 평가된 운전가능성 판정기준을 통하여 운영측면에서의 원자력발전소 안전성 향상이 기대된다.
본 논문에서는 사고후 감시계측에 필수적인 노심출구온도에 대하여 불확실도 요소별 연관관계에 따라 총 채널 불확실도를 평가하고 노심출구온도 지시계의 운전가능 판정기준을 제시하였다. 제시된 판정기준에 따라 노심출구온도 주기별 교정이 수행된다면 안전계측지시계통의 정밀도 유지 및 신뢰성 확보로 원자력발전소 운전안전성이 향상될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	K-type 열전대란?	1과 같이 1차측 격납건물 내부에 K-type (Chromel-Alumel)열전대와 안내관, 열전대 연장케이블, 커넥터 및 저온기준함(Reference Junction Box)이 설치되어있으며, 2차측 주제어실(MCR)에는 10채널을 가진 노심출구온도지시계 (BB-TI-800A, BB-TI-800B) 2개 트레인 등으로 구성되어있다. K-type 열전대는 +쪽에 Cr을 약 10%포함한 Ni-cr 합금(chromel)과 -쪽에 Al과 Mn을 포함한 Ni 합금(Alumel)을 사용한 열전대이다. 미국 호스킨스사에서 1906년 A.
	K-type 열전대의 특징은?	Marsh에 의해서 개발되어 현재 공업용 열전대로서 가장 넓게 사용되고 있으며 신뢰성이 높다. 약1,200℃의 고온까지 사용 가능하고 기전력특성의 직선성이 양호하며 내열내식성이 높은 것이 특징이다. 일반적으로 2개의 채널로 분리하여 설치된 노심출구온도 측정용 K-type 열전대는 온도범위 0~1,200℃, 사용 스팬 1,166.
	노심출구온도의 용도는?	이 설비는 설계기준사고시 안전기능을 수행하는 안전계통 자동제어가 동작하지 않을 때 운전원이 수동으로 조치를 취하기 위한 기본정보를 제공한다. 특히 원자력발전소 기능회복 절차 중 부적절한 노심냉각조치에서는 노심출구온도가 649℃ 이상이고 2차 감압이 부적절한 노심냉각 증상을 완화할 수 없을 때 원자로냉각재펌프의 재기동을 요구하므로 노심출구온도는 설계기준사고발생시 비상운전모드로 전환되는 기준온도를 제시하는 중요한 변수이다. 노심출구온도와 관련된 사고후 감시계측설비로서 열전대는 부적절한 노심냉각 발생여부의 확인과 노심온도의 장기간 감시를 위해 노심출구에 설치되어 있으며, 가동원전의 안전운영을 위해 열전대의 온도지시에 의한 노심출구온도 지시설정치의 주기적 점검을 수행하여 운전가능성을 판정하고 있다.

참고문헌 (6)

ANSI/ISA-67.04-Part-1994, "Setpoint for Nuclear Safety -Related Instrumentation", American National Standard, 1995.
Scientific Apparatus Makers Association Standard PMC-20.1-1979, 1979.
Results of Thermocouple Calibration in a Pulsed Reactor", G.Dau, R.Bourassa, ANS Transactions, Vol. II, No.1, pp.141-142, 1968.
T.G. Kollie et al., "Temperature Measurement Errors with Type K(Chromel vs. Alumel) Thermocouples due to Short-ranged Ordering in Chromel", ORNL(Oak Ridge National Lab)-TM-4862, 1975.
Omega Complete Temperature Measurement Handbook and Encyclopedia, Omega Engineering, 1995.
I. H. Kim, J. Y. Lee and J. K. Suh, "Evaluation of Pressurizer Water Level Uncertainty for Ulchin Units 1,2 due to Thermal-hydraulic Operating Condition Change", Proceeding of Korean Society of Pressure Vessel and Piping, 2010.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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