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Axially Variable Strength Control Rods
for The Power Maneuvering of PWRs
2002. 11. 25.
KIM, UNG-SOO
Dept. of Nuclear and Quantum Engineering
Table of Contents
 Introduction
 Load Follow Operation of PWRs
 Enhancement of the operation strategy for the
AVSCRs
 Further Study
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Introduction
 Review on load follow operation of PWRs
 Load Follow Operation
 전력 계통의 수요변동 또는 급전 요청에 부응하여 발전기의 전기출력을
조절하는 운전방법
 Load Follow Operation of PWRs
 터빈출력의 변화를 노심 출력이 추종함을 의미
 노심의 제어방식에 따라서 부하추종운전의 기법을 구분
 제어봉의 반응도가나 구동 논리에 따라 기법을 구분한다.
 Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs
 To extract optimal performance of the AVSCRs
 Applying T_avg signal
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Load Follow Operation of PWRs
 Load follow operation of PWRs
 계획 출력변동 운전 (load follow operation)
 미리 설정된 시간 대 출력준위 계획에 따라 원전의 출력을 변화시키는
운전
 100-p-100 %P, x-y-z-y HR 형태로 나타냄

Ex) 100-50-100 %P, 14-2-6-2 HR
1.0
0.9
0.8
Relative power
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
min
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Load Follow Operation of PWRs
 주파수제어 운전 (frequency control operation)
 전력공급을 수요에 맞춤으로써 주파수를 계획치로 유지
 예측 불가능한, 수 %P 정도의 작은크기의, 잦은 출력변동 요구에 따라
출력을 변화시키는 운전
 계획 출력변동 운전과 주파수제어 운전의 중복운전을 grid follow
operation 이라 부름
 불시 출력변동 운전
 예상시 못한 상황의 발생으로 출력을 급히 올리거나 내리는 운전
 부분 출력 운전 중에 얼마나 빠르게 얼마나 높은 준위로 출력을 올릴 수
있느냐는 것이 불시 출력 변동 운전의 최대 관심사임
순동 예비력 (spinning reserve capability)
 제어봉 인출 및 최대속도의 붕산희석 병행

 전 부하 상실 (full load rejection)
 부분적인 계단형 출력감소
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Load Follow Operation of PWRs
 노심 제어
 제어 인자
 노심의 반응도, 노심의 출력분포
 노심의 반응도 제어
 냉각재 평균온도를 출력 준위에
따라 미리 설정된 온도에 일치시
키는 것 (Tavg = Tref)
 Type a : 노심제어 관점에서 유리
 Type b : 터빈제어 관점에서 유리
 반응도 변화요인
출력준위 변화에 따른 출력결손
 Xe 농도 및 분포 변화
 감속재 온도 변화

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Load Follow Operation of PWRs
 노심의 출력분포 제어
 노심을 안전한 상태로 유지
 P-△I diagram 상의 운전제한영역
 Ex) CAOC (Westinghouse)


Target band 내에서 운전
저출력에서 제한적으로 band를
벗어나는 것이 허용됨
 △I 영역의 크기는 operation
flexibility의 척도가 됨
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Load Follow Operation of PWRs
 냉각재 평균온도 -△I diagram
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Load Follow Operation of PWRs
 제어 도구
 제어봉
 반응도 및 출력분포를 제어하는 직접적인 도구
 출력분포에 크게 영향을 줌
 반응도 제어와 출력분포 제어 두가지를 어떻게 조화시키느냐 하는 문제가 있
음





안전성 확보 고려



노심의 중앙부에서 움직일 때 반응도 변화 효과가 큼
노심의 상부 또는 하부에서 움직일 때 출력분포 변화 효과가 큼
반응도 제어용 제어군과 출력분포 제어용 제어군을 따로 두는 방법이나 기능을 특
별히 나누지 않지만 반응도 제어가 필요한가 출력분포 제어가 필요한가에 따라 구
동될 제어군을 각각 선택하는 방법등을 사용한다.
노심 평균온도 제어는 자동으로 수행되는데 비해 출력분포 제어는 수동으로 이루
어지는 경우가 많음
Shutdown margin
제어봉의 삽입제한
부분출력 운전중의 급작스런 출력증발요구 수용

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부분출력운전중 일정 정도의 제어봉이 삽입되어 있어야 함 (인출제한)
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Load Follow Operation of PWRs
 제어 도구(계속)
 붕산 농도
 노심의 출력분포에 영향을 거의 주지 않으면서 반응도 제어가 가능한 장점
 운전원 판단에 의한 수동 운전
 느린 반응도 변화 및 정밀한 반응도 조절 불가
 액체 폐기물 수반
 주기 말과 같이 붕산농도가 낮은 시점에서 희석이 필요한 경우 희석에 걸리
는 시간이 늘어나며 따라서 주기말 부하추종운전을 제한하게 된다.
 감속재 온도
 음의 감속재 온도 계수 이용
 미세한 출력변화의 경우 제어봉이나 붕산농도 조절 없이 수용가능
 빠른 출력증가가 필요한 경우 의도적으로 감속재 온도를 낮춤
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Load Follow Operation of PWRs
 부하주종운전과 관련한 검토 대상 사고
 제어봉 인출 및 낙하 사고
 출력첨두치 관련
 붕산 희석, 증기관 파단사고
 노심의 정지여유도 관련
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Load Follow Operation of PWRs
 개발 및 개발중인 부하추종운전 기법
설계단계
운전경험
비고
Mode K
KAERI
개념
없음
Mode A
Westinghouse
상세
많음
Mode B
Westinghouse
Mode G
Framatome
상세
매우많음
Mode X
Framatome
상세
시험운전
D/L bank
KWU
상세
매우 많음
MSHIM
Westinghouse
개념
없음
AP600
PSCEA bank
ABB-CE
개념
없음
System 80+
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쓰지않음
N4
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Load Follow Operation of PWRs
 Mode G
 Mode A 기법의 부하추종운전 성능 향상
 반응도 변화 요인에 따라 각각 다른 수단을 사용하여 반응도 제어
 노심 계산 자료를 통해 반응도 변화 원인 구분
 Xe 효과 보상 :붕산
 출력결손 보상 : G 및 N bank
 반응도 미세조정 : R bank
 축방향 출력분포를 특별히 따로 제어하지 않음
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Load Follow Operation of PWRs
 출력결손 보상
 4개의 제어군을 사용 : G1, G2, N1, N2
 터빈 출력에 따라 open-loop 제어를 통해 미리정한 일정한 깊이까지 삽
입

전출력 복귀시 신속한 대응 용이
 낮은 반응도가의 제어군 사용(gray rod)
 반응도를 충분히 제어하면서 축방향 출력분포에 영향을 줄이기 위해
 프로그램(반경방향의 배열, 중첩) 최적화
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Load Follow Operation of PWRs
 Xe 반응도 보상
 상대적으로 느리게 나타나므로 붕산 농도 조절을 통해 보상
 Computer Aided power control system을 이용 Xe 효과 추정
 수동으로 붕산 농도 조절
 반응도 미세조정
 R bank 사용
 G bank와 붕산농도 조절을 통해 상당한 크기의 반응도 보상
 노심의 평균온도 제어
 기존의 제어군과 동일한 동작논리
 축방향 출력분포
 출력분포 이상 상황 미리방지
 G bank 프로그램 최적화
 확장된 운전영역
 붕산농도 조절 및 R bank
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Load Follow Operation of PWRs
 Mode X
 설계 목표 : 축방향 출력분포 자동 조절 및 붕산농도 조절 최소화
 제어봉 사용 극대화
 반응도 변화 : 모든 제어봉을 구동하고, 하부나 상부의 제어봉은 고정
 출력분포 변화 : 하부나 상부의 제어봉 구동
 상반부와 하반부까지 삽입된 두 개의 제어군이 있으면 반응도와 출력분
포 동시제어 가능
두 제어군의 사이가 가까워지면 AO 감소
 두 제어군의 사이가 멀어지면 AO 증가

 제어봉 삽입 순서나 중첩을 고정적으로 유지하는 개념을 사용하지 않음
 5 개의 제어군
 Gray rod와 normal rod를 적절히 묶어서 X1부터 X5까지
 X1(G1), X2(N2), X3(G3, N3), X4(N4), X5(N5)
 반응도 가 : X1<X2<X3<X4<X5
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Load Follow Operation of PWRs
 Example
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Load Follow Operation of PWRs
 Operation logic
 온도제어가 출력분포 제어에 우선
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Load Follow Operation of PWRs
 D/L bank
 반응도와 출력분포 제어를 자동으로 수행
 출력준위 : 제어봉(D bank) 및 붕산 농도 조절
 출력분포 : 제어봉(L bank)
 D bank와 L bank의 역할이 명확히 구분, 독립적으로 운전
 제어군간의 상대적 움직임이나 중첩정도를 정하는 논리를 취적화 하여
붕산농도 조절을 최소화
 운전형태에 따라 D bank의 삽입정도가 미리 프로그램 되어 있음

붕산농도 조절 논리가 D bank의 위치제어 논리에 포함되어 있음
 50% 이상의 출력에서 노심 평균온도를 일정하게 유지하는 프로그램
 출력상승시 반응도 제공 측면에서 유리
 Limitation system 사용
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Load Follow Operation of PWRs
 D bank
 원칙적으로 4 개의 제어봉으로 구성
 낮은 반응도 가 : 출력분포에 작은영향
 필요 시 L bank의 제어봉중에서 4 개씩 D
bank에 합류
 0출력까지 출력을 낮추는 데에 원래의 4
개에 4개 또는 8개의 제어봉이 더해짐
 L bank
 D bank에 속하지 않는 나머지 제어봉
 수 십 개의 제어봉이 동시에 구동
 정상운전중 5%이하로 약간 삽입
 출력분포 변화시 구동
 반응도 보상을 위해 D bank 구동
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Load Follow Operation of PWRs
 제어군 동작
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Load Follow Operation of PWRs
 MSHIM
 설계 목표 : 가능한한 전적으로 제어봉을 사용하여 부하추종운전을
수행
 반응도 제어와 축방향 출력분포 제어용 제어군을 따로 둠
 반응도 제어 : MSHIM bank
 출력분포 제어 : AO bank
 MSHIM bank
 반응도가나 중첩의 정도가 삽입 정도에 따른 AO의 변화가 최소가 되도
록 결정
 Gray bank로 설계
 4개의 bank (M0, M1, M2, M3)
 출력을 내리기 시작하기 전에 M0 bank를 완전히 삽입

Xe 증가에 따른 반응도 보상에 사용
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Load Follow Operation of PWRs
 AO bank
 삽입 또는 인출에 따른 AO의 변화방향이 MSHIM의 동작과 무관하게 일
정하도록 설계
 운전 모드
 MAXSR : 신속 출력복귀 능력 극대화
 MSHIM bank를 출력준위에 따라 미리정한 깊이까지 수동 삽입
 AO bank는 자동으로 출력분포 제어
 반응도 조절은 붕산이 담당
 MINB : 붕산농도 조절 최소화
 MSHIM bank가 자동으로 반응도를 조절
 AO bank를 수동으로 움직여서 출력분포 제어
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Load Follow Operation of PWRs
 PSCEA bank
 제어용 제어군과 별도로 PSCEA를 사용함으로써 반응도와 축방향
출력분포를 제어
 반응도 제어 : 제어용 제어군
 출력분포 제어 : PSCEA
 PSCEA
 기존에 사용하던 part length CEA의 역할을 대신
 축방향 Xe 진동 억제 및 축 방향 출력분포제어
 수동으로 운전
 운전원 부담, 상용운전에 한계
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Load Follow Operation of PWRs
 운전 모드
 PrXr : 출력결손 제어봉담당, Xe효과 제어봉 담당
 출력감발 전 PSCEA2는 완전 삽입된 상태
 제어용 제어군이 자동으로 반응도 조절
 PSCEA를 수동으로 움직여서 출력분포 제어 및 Xe효과 보상
 제어용 제어군의 삽입은 출력감발이 끝난 얼마 후까지 이고, 대부분의 시간
을 운전원이 수동으로 PSCEA를 운전
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Enhancement of the operation strategy for
the AVSCRs
 Operation strategy의 개선
 기존 발전소에서 사용하는 신호를 이용한 반응도 조절
 Tavg, Tref
 개발된 AVSCR이 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 함
 As simple as possible
 Covering all burn-up cycle (BOC, MOC, EOC)
 Minimizing boron concentration change
 No use of reactivity compensation by boron concentration change
 Several merits
 Return to the initial state at the end of daily cycle
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Enhancement of the operation strategy for
the AVSCRs
 Tavg, Tref
Tav g 
Tout  Tin
2
deg C
power
Tref
300
Tref 
relative power
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
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1600
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Enhancement of the operation strategy for
the AVSCRs
 Tavg=Tref 를 이용한 rodspeed 계산 적용
350
Tin
Tout
Tavg
300
Rx power
Target power
Tavg
Tref
relative power
1.0
0.8
330
320
deg C
deg C
340
310
300
0.6
0.4
290
0.2
0.0
-200
0
200
400
600
800
min
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0
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600
800
1000
1200
1400
1600
min
28
Enhancement of the operation strategy for
the AVSCRs
 Discussion for enhancement of the operation strategy
 Recursive problem
Obtaining initial
state of core
Operation
strategy
Initial state of
core
AVSCRs
Control rod
operation
logic
Optimization
K
o
r
e
a
A
d
v
a
n
c
e
d
I
n
s
t
i
t
u
t
e
o
f
S
c
i
e
n
c
e
a
n
d
T
e
c
h
n
o
l
o
g
y
29
Enhancement of the operation strategy for
the AVSCRs
 Discussion for enhancement of the operation strategy(계속)
 Example
 From optimization result
AO
Lower
Upper
Rx power
Target power
1.1
AVSCR1
AVSCR2
R5
R4
R3
220
200
180
1.0
160
0.0
0.9
140
steps
AO
power
120
0.8
0.7
100
80
60
0.6
40
20
0.5
0
0.4
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
min
K
o
r
e
a
A
d
v
a
n
c
e
d
I
n
s
t
i
t
u
t
e
o
f
S
c
i
e
n
c
e
a
n
d
T
e
c
h
n
o
l
o
g
y
1400
1600
-0.2
-200
0
200
400
600
800
min
1000
1200
1400
1600
-20
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
min
30
Enhancement of the operation strategy for
the AVSCRs
 Discussion for enhancement of the operation strategy(계속)
 Example
 From power maneuvering result with changed operation strategy
Rx power
Target power
1.1
220
AO
Lower
Upper
0.15
1.0
0.10
180
0.05
160
0.9
0.7
0.6
0.00
140
-0.05
120
steps
AO
power
0.8
AVSCR1
AVSCR2
R5
R4
R3
200
-0.10
100
-0.15
80
-0.20
60
40
-0.25
0.5
20
-0.30
0
0.4
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
min
K
o
r
e
a
A
d
v
a
n
c
e
d
I
n
s
t
i
t
u
t
e
o
f
S
c
i
e
n
c
e
a
n
d
T
e
c
h
n
o
l
o
g
y
1400
1600
-0.35
-200
0
200
400
600
800
min
1000
1200
1400
1600
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
min
31
Further Study
 Enhancement of the operation strategy
 Solving the problem discussed
 Optimization including initial core state?
 Covering all burn-up cycle (BOC, MOC, EOC)
 Return to the initial state at the end of daily cycle
 Load follow demonstration for 3-day-cycle
 Minimizing boron concentration change
K
o
r
e
a
A
d
v
a
n
c
e
d
I
n
s
t
i
t
u
t
e
o
f
S
c
i
e
n
c
e
a
n
d
T
e
c
h
n
o
l
o
g
y
32