[논문]연구용 원자로의 출력제어기법 설계 및 적용사례

방대인; 이종복; 서용석

doi:10.5573/ieie.2014.51.9.215

연구용 원자로의 출력제어기법 설계 및 적용사례
Power Control Design and Application to Research Reactor 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.9, 2014년, pp.215 - 220

방대인 (한국원자력연구원 연구로계통설계부) , 이종복 (한국원자력연구원 연구로계통설계부) , 서용석 (한국원자력연구원 연구로계통설계부)

초록
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본 논문에서는 연구용 원자로의 출력제어기법 설계와 이를 실제 원자로에 적용하여 성능을 검증한 사례를 소개한다. 연구용 원자로의 출력제어를 위해 제안된 설계 원리는 오버슈트(overshoot)의 억제, 출력 증가율의 억제, 그리고 안전해석에 기반한 최대 출력치의 제한이라는 세 가지이며, 이를 만족키 위해 한국원자력연구원 내의 연구용 원자로인 하나로의 설계개념에 기반을 두어 제어 로직의 개념설계, 상세설계, 구현, 시운전을 통해 해외의 원자로에 적용하여 실제 제어 성능을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Study and application result of power controller to research reactor is presented. Considering safety-oriented design concept and other control environment, we developed a simple closed-loop controller that provides limiting function of power-change-rate as well as low-overshoot and fine tracking pe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

논문에서는 원자로 출력제어기의 설계를 위한 요건과 설계결과, 그리고 제작, 설치, 시운전을 통해 얻어진 출력제어 성능을 소개한다^[7].
본 논문에서는 연구용 원자로의 출력제어기법 설계와 이를 실제 원자로에 적용하여 성능을 검증한 사례를 소개한다. 일반적으로 원자로는 크게 전력생산을 위한 발전로(상용로)와, 핵분열 과정에서 나오는 중성자를 이용하여 다양한 연구를 수행하는 연구용 원자로로 나뉠 수 있다.

제안 방법

우선 가장 중요한 ERROR라는 오차 항을 계산하기 위해 (PDM/N) 항에 상용로그를 취하고 이득 G1을 곱한 후 [-1, 1]로 포화시키고(좌 항), 출력 변화율 항(우 항)에 이득 G2를 곱하여 감하는 구조로 구현하였는데, 원리는 다음과 같다.
원자로 운전을 위해서는 먼저 냉각계통 펌프를 기동 하는 등 유체적인 흐름을 운전에 맞게 안정화시킨 후 제어봉을 인출해야 하며, 원자로 운전 중 초기 임계위치(핵분열 반응에 의해 증가하는 중성자의 수가 자연 감쇄하는 수보다 많아져서 원자로 출력이 증가하기 시작하는 제어봉의 위치)까지는 운전원이 제어봉을 일일이 하나씩 선택하고 제어명령(방향, 속도, 이동거리)을주어서 구동하는 수동운전을 수행한다.
이 원자로에서 제어봉은 최대 이동 거리의 반 정도의 위치에서 임계가 달성되는데, 이후 제어봉을 약간 더 들어 올려 일정 출력 이상이 되면 자동운전 모드로 전환되며, 이후부터는 운전원이 입력하는 출력지령값을 추종하기 위해 본 논문에서 다룬 제어논리가 적용되어 자동으로 제어봉의 상하 구동이 이루어진다.
셋째, 원자로의 여러 사고 상황에 대비하여 설계단계에서 수행하는 안전해석(safety analysis) 결과를 반영하여, 사전에 정해진 최대 속도 내에서만 제어봉을 구동하도록 설계해야 한다. 이를 위해 제어논리의 말단부에 포화(saturation) 논리를 포함하여 제어기를 설계한다. 즉, 만일 설계된 제어 논리가 실패하더라도 최소한 제어봉의 구동속도가 일정 값 이상을 넘지 못하도록 설계되어야 한다.
이후에 있는 Rod Selector 블록에서는 제어봉 인출시에는 다수의 제어봉 중 가장 하위에 있는 것을 인출하고, 삽입 시에는 가장 상위에 있는 것을 삽입하는 방식으로 제어봉들 간 위치편차를 최소화하도록 설계하였고, 그 결과 4개의 제어봉은 거시적인 관점에서는 무리 지어 상하 이동하며 원자로 출력을 제어한다. 이는 제어봉들 간의 위치가 비교적 비슷해야 노심 내에서 일어나는 핵분열 반응도 고르게 분포되어 출력의 일그러짐이 적기 때문이다.
제안한 제어 논리는 원자로 출력제어 및 계측계통의 소프트웨어/하드웨어 설계내용 중 일부로 포함되어, 원자로 제어실의 DCS(Distributed Control System) 급 컴퓨팅 기기에 구현되어 설치, 시운전 단계를 거쳤다
제어기에서 사용하는 피드백 신호인 원자로 출력은 핵분열 수에 비례하는데, 이 값은 중성자 계측기(Neutron Detector)를 통해 측정된다. 중성자 계측기에도 몇 가지 종류가 있는데, 본 결과에서는 광대역 핵분열 전리함(Wide-Range Fission Chamber)을 사용하였다.
그림 2에서는 자동운전 모드에서 운전원이 순차적으로 출력의 지령 값(100%=1MW)을 증가시켰을 때의 실제 출력의 파형이며 전반적으로 오버슈트 없이 원활한 제어성능을 보여주고 있다. 출력의 지령값을 증가시킬 때에는 특정 값으로 증가시킨 후 충분히 정상상태 (steady-state)에 도달 한 뒤 다음 값을 입력하며, 저출력에서는 입력값들간 비교적 큰 편차를 가지고 입력이 가능하나 전출력에 근접하면서 점차 입력값들간 편차를 줄이며 입력하여 과출력(110%)에 의한 원자로 정지가 발생하지 않도록 한다.

대상 데이터

상기한 3가지 요건을 만족하는 제어기법은 하나로[2～3]의 제어논리를 근간으로 일부 수정된 형태이며 아래의 그림1과 같이 설계하였다. 하나로는 한국원자력연구원에서 자체 건조하여 1990년대부터 동위원소 생산 및 다양한 연구목적으로 활용하고 있는 국내 유일의 연구용 원자로이다. 모델 기반 설계가 아니기 때문에 제어기 입장에서 원자로는 black-box 형태로 인지되고, 원자로의 출력인 중성자 출력(원자로 출력에 비례)과 출력의 변화율만을 피드백 신호로 사용한다.

성능/효과

연구용 원자로의 설계, 건설, 시운전은 보통 수천억원의 예산(상용로는 약 3조원)과 5년 이상의 기한으로 진행되는 대규모 과제이며, 이중 제어공학에서 의미 있는 피드백 제어기법의 설계내용이 시운전을 통해 실제 검증된 사례는 매우 드물다. 본 논문에서는 하나로 [2～3] 등 국산 연구로에서 제안, 적용되었고 이후 더욱 개선된 제어기법을 해외의 연구용 원자로에 실제 적용하여 성능을 얻은 결과를 간단히 도시하였으며, 이를 통해 국산의 제어기법이 해외 원자로에도 성공적으로 적용될 수 있음을 보였다.
셋째, 원자로의 여러 사고 상황에 대비하여 설계단계에서 수행하는 안전해석(safety analysis) 결과를 반영하여, 사전에 정해진 최대 속도 내에서만 제어봉을 구동하도록 설계해야 한다. 이를 위해 제어논리의 말단부에 포화(saturation) 논리를 포함하여 제어기를 설계한다.
첫째, 원자로 출력이 정격출력의 110～120%(원자로에 따라 다름)이상 상승하는 경우에도 정지용 계통들에 의해 원자로가 정지되므로, 출력 제어논리는 운전 중 원자로 정지가 발생하지 않도록 원자로 출력을 정격출력 내에서 잘 제어해야 한다. 따라서 원자로 출력제어용 제어기는 일단 정격출력 근방에서의 오버슈트가 적도록 설계되어야 한다.
한편, 그림 3에서 전 출력(100%)운전시의 제어성능을 확대하여 보면 상하 1%이내에서 출력의 swing을 볼 수 있는데, 이는 중성자 본연의 증가/감쇄에 따른 진동 성분과 함께 계측기 특유의 노이즈 성분이 합산된 것이며, 순수 제어성능과의 분리, 분석은 힘드나 종합적으로 통상의 연구용 원자로 제어성능으로서는 만족할 만한 수준으로 평가하였다.

후속연구

둘째, 출력을 상승시킬 때에는 출력의 증가율(log-rate혹은 power change rate)이 일정 값 이상이 될 때에도 원자로가 정지되므로, 이를 일정 값 이하로 유지할 수 있는 논리도 포함되어야 한다. 이는 원자로 출력 값은 작더라도 증가율이 너무 크면, 경우에 따라 제한된 제어봉 이동 속도로는 원자로 출력을 충분히 빨리 감쇄시킬 수 없고, 따라서 지수 승 단위의 속도로 출력이 빨리 증가하는 상황이 발생할 수 있기 때문이다.
향후에도 실제 적용할 수 있는 원자로의 출력제어기법은 측정가능 신호만을 사용하고 컴퓨팅 기기의 계산부하를 고려, 실용적으로 간단히 사용가능한 형태로 도출되어야 할 것으로 보이며, 향후 [1, 5～6] 등을 포함, 다양한 현대제어기법을 적용하여 외란과 불확실성에 더욱 강인한 형태의 제어기 설계가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핵분열은 어떻게 일어나는가?	핵분열은 하나의 중성자가 핵분열물질(주로 우라늄-235)와 반응하여 에너지와 핵분열 생성물, 그리고 2개 이상의 중성자를 내어놓고, 이 중성자들이 다시 인근의 다른 핵분열물질과 반응함으로서 연쇄적으로 일어난다. 따라서 원자로의 출력제어란 이러한 핵분열 반응이 폭발적으로 증가하지 않고, 자연적으로 감쇄하지도 않게 원하는 출력 지령값 근처에서 유지하도록 제어하는 것이라 할 수 있다.
	원자로는 어떻게 나뉘는가?	본 논문에서는 연구용 원자로의 출력제어기법 설계와 이를 실제 원자로에 적용하여 성능을 검증한 사례를 소개한다. 일반적으로 원자로는 크게 전력생산을 위한 발전로(상용로)와, 핵분열 과정에서 나오는 중성자를 이용하여 다양한 연구를 수행하는 연구용 원자로로 나뉠 수 있다. 이 중 일반적으로 연구용 원자로에 적용되는 피드백 제어기법은 자동제어 모드에서 운전원이 입력한 출력 지령 값(Power Demand)을 실제 원자로 출력이 추종토록 제어봉들의 속도를 제어하는 원자로 출력 제어가 유일하며, 출력 제어의 방식은 핵분열을 일으키는 핵연료 중간에 삽입 혹은 인출할 수 있는 다수의 제어봉(CAR, Control Absorber Rod)들을 위치시키고 이 제어봉들을 모터 등으로 구동하여 이루어진다.
	원자로 출력제어용 제어기는 일단 정격출력 근방에서의 오버슈트가 적도록 설계되어야 하는 이유는?	첫째, 원자로 출력이 정격출력의 110～120%(원자로에 따라 다름)이상 상승하는 경우에도 정지용 계통들에 의해 원자로가 정지되므로, 출력 제어논리는 운전 중 원자로 정지가 발생하지 않도록 원자로 출력을 정격출력 내에서 잘 제어해야 한다. 따라서 원자로 출력제어용 제어기는 일단 정격출력 근방에서의 오버슈트가 적도록 설계되어야 한다.

참고문헌 (7)

D.Baang, et. al., "Adaptive Power Control for Nuclear Reactor", 18th Pacific Basin Nuclear Conference, 2012.
Noh, T.W., Sim, B.S., Rhee, B.W., and Oh, S.K., "Program Description of KMRRSIM, KAERI Technical Report", KM-031-400-01, 1989.
Noh, T.W., Sim, B.S., and Oh, S.K., "Functional Test Program for KMRR Programmable Controller, KAERI Technical Report", KM-031-400-02, 1989.
MATLAB/SIMULINK User's Guide, Mathworks, 2001.
Schultz, M.A., "Control of Nuclear Reactors and Power Plants", McGRAW-HILL, 1955.
Slotine, J.J.E. and Li, W., "Applied Nonlinear Control", Prentice-Hall International Press., 1991.
D.Baang, et. al. "Power Control Design and Application to Research Reactor", IEIE Summer Conference, pp.1144-1147, 2014.

저자의 다른 논문 :

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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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