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전력상실시 광분배기 기반의 반사광 측정을 통한 사용후핵연료 저장조의 원격 수위 감시방법
Remote Water Level Monitoring System Based on Reflected Optical Power Detection with an Optical Coupler for Spent Fuel Pool at Nuclear Power Plant 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.3, 2019년, pp.505 - 512  

김성만 (경성대학교 전자공학과) ,  이훈근 (한국원자력안전기술원 원자력안전연구실)

초록
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본 논문에서는 원자력발전소의 전력이 상실되는 사고가 발생하더라도 사용후핵연료 저장조의 수위를 감시할 수 있는 방법을 제시하고, 이의 성능 및 한계점을 분석하였다. 제안한 방식은 광분배기를 통과한 광신호가 저장조의 냉각수 및 공기에서 반사되는 반사광의 세기를 측정하는 방식이다. $1{\times}8$ 광분배기를 사용하는 경우에는 저장조의 수위를 측정하는데 문제가 없을 것으로 분석되나, $1{\times}16$ 광분배기를 사용하는 경우에는 Rayleigh 역산란으로 인해 16개의 출력포트 중 15개만이 수위측정 용도로 사용이 가능하고, $1{\times}32$ 광분배기를 사용하는 경우에는 32개의 출력포트 중 25개만이 수위측정 용도로 사용이 가능한 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

We propose a new method to monitor the water level of spent fuel pool in a nuclear power plant without electric power. We also analyze the performance and limitation of the proposed method. Our method is based on the reflected optical power at the end of optical fiber through a $1{\times}N$

주제어

#광섬유 센서   #원자력 발전소   #사용후 핵 연료 저장조   #수위 감시  

표/그림 (9)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 1x8, 1x16, 1x32 광분배기 기반의 반사광을 이용하여 사용 후 핵연료 저장조의 수위를 원격에서 감시하는 방법을 제시하고, 이론적인 분석을 통해 이의 성능 및 한계점을 분석하였다. 광분배기의 분기수가 많을수록 공간분해능의 증가로 저장조의 수위를 더 세밀하게 감시할 수 있지만, Rayleigh 역산란으로 인해 1x16 광분배기를 사용하는 경우에는 16개의 광섬유 출력포트 중 15 개만 수위측정을 위한 용도로 사용해야 할 것으로 분석되고, 1x32 광분배기를 사용하는 경우에는 32 개의 광섬유 출력포트 중에서 25 개만 수위측정을 위한 용도로 사용해야 할 것으로 분석되었다.
  • 본 논문에서는 더 정밀한 수위측정을 위해 여러 종류의 광분배기를 사용하여 광섬유 종단에서 반사되는 광전력 측정을 통한 수위측정 방법을 제안하였다. 또한 제안된 방법의 성능 및 한계점에 대해 분석하였다.

가설 설정

  • 표 3은 본 논문에서 사용한 광섬유 및 광회전기의 손실값, 감시거리를 나타내었다. 광섬유 및 광회전기의 손실값들은 Thorlabs사 제품들의 값을 참고하였으며1), 감시거리는 주제어실에서 사용 후 핵연료 저장조까지의 거리로서, D=2 km로 가정하였다.
  • 이 수식을 이용하면 광섬유의 종단이 공기에 노출되거나 또는 냉각수에 노출될 때의 반사율을 구할 수 있으며, 이를 표 1에 정리하였다. 여기에서 광섬유 코어(Core)의 굴절률은 1.45, 냉각수의 굴절률은 1.33, 공기의 굴절률은 1로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원자력발전소가 예상운전과도나 설계기준사고 등의 사건을 대처하기 위해 어떻게 설계되었는가? 원자력발전소는 예상운전과도(Anticipated Operational Occurrence)나 설계기준사고(Design Basis Accident) 등의 사건이 발생하면, 제어봉 낙하를 통한 원자로정지 및 공학적 안전설비를 작동시켜 발전소를 안전하게 유지하도록 설계되어 있다. 하지만, 후쿠시마의 경우와 같이 쓰나미와 같은 재해로 인해 발전소의 소내·외 전원이 완전 상실되면, 발전소에 대한 실시간 감시 및 제어가 되지 않아 발전소를 안전하게 유지할 수 없게 된다[2].
원거리 측정 시스템의 개발이 필요한 이유는 무엇인가? 원자력발전소는 예상운전과도(Anticipated Operational Occurrence)나 설계기준사고(Design Basis Accident) 등의 사건이 발생하면, 제어봉 낙하를 통한 원자로정지 및 공학적 안전설비를 작동시켜 발전소를 안전하게 유지하도록 설계되어 있다. 하지만, 후쿠시마의 경우와 같이 쓰나미와 같은 재해로 인해 발전소의 소내·외 전원이 완전 상실되면, 발전소에 대한 실시간 감시 및 제어가 되지 않아 발전소를 안전하게 유지할 수 없게 된다[2]. 그 결과, 사고대처를 위한 최적의 우선순위 선정이 어려워지며, 사고로 인한 피해가 더욱 커지게 될 가능성이 높다. 이러한 상황을 막기 위해서는 무엇보다 전원이 상실되더라도 발전소 내부의 정보를 외부에서 실시간 감시할 수 있는 원거리 측정 시스템의 개발이 필요하다.
광섬유센서의 특장점은 무엇인가? 이를 위해 프랑스를 비롯한 여러 나라에서는 사고 시에도 전원의 공급 없이 현장 상태를 감시할 수 있는 광섬유센서에 대한 연구를 활발히 진행해 왔다[3-6]. 광섬유센서는 광섬유가 가지는 특성으로 인해 현장에서 전원을 필요하지 않는 수동적인 특성을 가지고 있으며[7], 신호의 손실이 적기 때문에 먼 거리에서도 원하는 위치의 물리량 측정이 가능한 장점을 가진다. 또한, 전자기파 및 방사선 환경에서도 강한 내성을 가지고 있으며[3, 8], 기존의 기술과 비교할 경우 다양성의 측면에서도 유리한 장점을 가진다.
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