Transcript ROP정지설정치평가기술 국내 적용 현황 및 전망 한수원 중앙연구원

한수원 중앙연구원
원자로안전연구소 노심해석그룹
이은기
발표순서
• Regional Overpower Protection(ROP) 시스템 설계
목적/기능
• ROP 평가방법 변경 이력
• 국내 적용 현황 및 전망
• 맺음말
 ROP 시스템 설계 목적/기능(1):
• 법적 기준
• CNSC R-8, R-10 : 원자로정지계통은 연료손상을 방지해야
한다
• 원자로 기술규칙 제26조 1항: 연료 허용손상한계 초과되지
않도록 해야 한다
• 설계목적
국부적인 출력증가나 Slow Loss of Regulation (생성된 열
이 냉각재에 완전히 전달될 정도로 천천히 변하는 노심상
태. 가장 보수적) 발생시 연료손상 이전에 원자로 정지
연료손상 = 간헐적 드라이아웃
 ROP 시스템 설계 목적/기능(2):
• 연료피복관 표면의 간헐적 드라이아웃 => 측정불가
• 원자로 내 국부 중성자속 측정은 가능
• 드라이아웃과 측정된 국부 중성자속과의 연관성을 이용하여 간접적으로
드라이 아웃 방지 => 확률적 평가 방식으로 적절한 계측기 정지설정치 설정
Dryout Power (~5.1% 크립 CHF상관식)
(Critical Channel Power)
Trip Setpoint
Detector Reading
Flux Increase in
Stylized SLOW LOR
Channel power
• 최종목표:
Set a TRIP Setpoint giving 98% trip probability assuming
that the most effective safety channel is impaired (worst 2/2 logic)
 Generic Core Data, Target Burnup, etc
 ROP Cases: Scenario Data
• PHTS measurement data (80%,100% FP)
• Generic TH data for Wolsong Units
(Creep, etc)
RFSP (노물리 코드)
- Reference Case
- ROP cases (924)
Channel Power
(926 cases,
380 Channels),
Detector Flux
Channel Power
NUCIRC (열수력 코드)
PHT System: ITYPE 6
CCP: ITYPE 2
Uncertainty Data
ROP Modeling Data
(98%, w2/2)
 Ripple Data from Plant (~1000 cases)
Critical Channel
Power(926 cases,380
Channels)
ROVER-F (ROPT 분석코드)
<ROP System for SDS#1 >
12
11
11
HSP1: 정상운전
HSP2: 비정상운전
HSP3: One-Pump
<ROP System for SDS#2>
PARAMETERS
Detector
Random
(%)
Channel
Random
(%)
Common
Random
(%)
Detector Related Group:
Channel Power at Calc.
0.00
0.00
1.57
Thermal Power
0.00
0.00
1.00
CPPF Drift
0.00
0.00
0.80
Detector Calibration Drift
1.00
0.00
0.00
Trip Setpoint
0.18
0.00
0.14
Buffer Amplifier
0.10
0.00
0.10
(%)

0.00
0.00
2.033
0.20
Flux Shape Related Group:
CP Change Due to Boiling
0.00
0.00
0.00
-0.20
Simulation
1.94
1.09
1.08
0.10
Off nominal Conditions
0.00
0.00
0.80
5
QCM
4
0.00
0.10
0.00
0.00
-0.20
1.950
1.090
1.348
-0.50
CCP Related Group
CHF Instrumentation
0.00
0.00
-0.701)
PHTS Boundary Conditions
0.00
0.00
1.272)
PT Diametral Creep
0.00
1
0.00
1.233)
0.653)
NUCIRC Flow
0.00
1.884)
2.704)
PHTS Variations at Trip Power
0.00
0.00
0.15
Age Correction (Fuel Burnup)
0.00
0.16
0.00
Integrated 2f Flow + CHF
0.00
0.00
2.575)
CCP Flux Shape Variations
0.00
0.11
0.00
subtotal (RSS-Random)
0.00
2.255
3.995
-0.70
total (RSS-Random)
2.310
2.505
4.681
-1.00
subtotal (RSS-Random)
0.20
6
0.00
Axial Tilts
( x)QCR ( x  x)dx
QCH
0.000
Lead cable
CH
8
0.70
4
Q

1.238
subtotal (RSS-Random)
QCM ( x ) 
0.20
Prob.
Dynamic Compensation
Bias
-0.20
QCR
2
2
0
0.8
1.0
0.9
3
Norm. CPR
1.1
 ROP 시스템 설계 목적/기능(3):
1
1.0
PT (k) = 1- ò QCM (k,x)PNT (k,x)dx ³ 98%
0.8
Probability
PNT,w2/2
0.6
QCM
OID발생시 트립되지 않을 확률
PNT,2/3
0.4
0.2
0
0.0
0.80
0.85
x
0.90
 ROP 평가방법 변경 이력(1)
* TDAI-315(1982): ROP 개념 및 방법론 설정. 검출기 수, 채널화를
위해 332개 케이스 중 132개 케이스 사용(HSP-1). Flux tilt
미 고려. “configuration rule” 적용
• 1990년10월: Pickering A 원전. 고출력 상태에서 ADJ 삽입으로 좌
우출력 편차 발생 – 제논 진동 - 50시간 뒤 수동 원자로 정지
-> AECB: flux tilt가 있는 원자로에서 ROP 유효성 입증 요구(1991. GAI91G02)
* 1991년: PL 계측기 전면교체 -> ROP 계측기 갯수 및 안전채널 최
적화 시행(TTR289 PL)
1) ROP 케이스 685개로 확장(Flux tilt 조건 일부 포함) 2) Configuration에 근
거한 HSP-2 전환 규칙. 3) AECB 인허가 취득, 4) ZDAA개념 도출
* 1995년: 월성1호기, ROP 계측기 전면교체에 따른 ROP 평가
(TTR289 W1) PL 평가 케이스 포함 926개 사용. PL 원전에
서 도출된 ZDAA 설치 권고. 설치 가정하에 HSP 전환 규칙
제공
TTR-289 Part 1
 ROP 평가방법 변경 이력(2)
* 1996년: PL, ZDAA 알람 현장 설치. ZDAA 경보시 HSP 전환 추가.
정지설정치 변경(926개 케이스). ZDAA>15%인 ROP 케
이스는 HSP-2 영역으로 구분(HSP분류기준 적용)
* 1999년: PL, TTR-610 제출(AECL)
o 경년열화현상(크립) 반영한 정지설정치 평가
o 분류기준에 따라 HSP-1, HSP-2, HSP-3영역으로 ROP 케이스 구분하여
98%확률로 평가
o CNSC 인허가 취득
• 2000년: PL, GAI91G02 종결처리(ZDAA 알람, 좌우편차 알람 등의
설치로 flux tilt 가 있는 노심에 대한 ROP 유효성 입증)
o ADJ 6, 7번 뱅크를 노심에 물리적으로 고정하여 HSP-1 정지설정치 재평가
o TTR-699 제출(AECL). CNSC 허가 취득
 ROP 평가방법 변경 이력(3)
* 2005년: W1(59-03330-AR-001)
o 국내 최초로 경년열화 노심에 대한 ROP TSP 재평가(AECL)
o 캐나다내 기 인허가받은 PL 방법론 적용
- ZDAA, MCA 고착 등의 다양한 알람, 절차서 등을 반영하여 HSP 분류기준 확정
- HSP별 98% 정지확률을 갖는 정지설정치 평가
o 2006년 ZDAA 설치 및 KINS인허가 취득
o 한수원, 관련 기술 습득 및 동일 결과 생산 확인
o 기술 자립 목적으로 ROVER-F 전산코드 대체 코드 개발:
-
ROVER-K (2006)
계산속도 5배 향상, Ripple 분석 및 결과 그래프 자동 생산 기능
Detector Layout Optimization 등 기능 강화
단일채널 정지확률 계산 기능
 ROP 평가방법 변경 이력(4)
* 2008년: PL (87RF-03500-AR-25), W1(59RF-03500-AR-001)
o 설비개선에 따른 ROP 정지설정치 및 크립증가에 따라 3100 EFPD까지
EFPD별로 정지설정치 평가(Candu Energy사)
o 기존 HSP 분류기준을 적용(ZDAA>15% 분류기준 포함)
o PL vs. W1 HSP 분류기준은 운영조건에 따라 차이 있음
o PL, W1 모두 configuration rule, ZDAA>15% 분류기준으로 적용
o 단, PL은 SOR, MCA 삽입시 경보 발령되므로 관련 케이스를 HSP-2에서 보호되도록 분류
o PL: HSP-2 443개 케이스(87F…AR-25). W1: HSP-2 299개 케이스(59RF-…AR-001)
o CNSC 및 KINS 인허가 취득
o 한수원, W1분석 -> 동일 결과 생산 확인. 인허가 질의답변을 위한 핵설계 수
행 및 추가 해석 제공
 ROP 평가방법 국내 적용 이력
* 2010년: 월성 2호기 ROP 평가(KHNP)
o W1 경년열화/설비개선 HSP 분류기준 대비 알람 추가, 운전절차 변경하여
신청
-> 목적: 현장운전절차, 경보를 반영한 “보다 간편하고 명확한” 전환규칙 적용
-> 결과: HSP-2 분류케이스 대폭 증대, 기존 HSP-3 삭제 -> 운전폭 감소
-> 참조: TTR289 수준의 분류기준(ZDAA 기준 적용)을 적용한 평가결과도 포함
o 분류기준에 따라 수 % 정지설정치 변동
o ZDAA> 15% 등 HSP 분류기준에 대한 명확화(해외사례, 적용방식 및 절차
등)
* 2011, 2012년: 월성 3,4호기 ROP 평가(KHNP)
o
o
o
o
W1 설비개선 HSP 분류기준 대비 축소된 분류기준 적용(Conf.+ZDAA. 기존방법)
각 호기별로 ROP 평가결과 산출 전까지는 W2 결과(Conf.+ZDAA)를 적용하고
각 호기별로 기존방법으로 TSP가 산출되면 이를 적용
CE사 전문가(2008년 W1 ROP 평가자)가 열수력 모델 적절정 재 검증
* 2013, 2014년: 냉각재운전제한조건(입출구모관간차압) 확장시 관
련 기술 적용(인허가 취득)
• Design-Basis Case Set : 232 cases from the previous basis
•
•
•
•
•
•
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•
•
•
•
Steady-States (1~9)
Zone Drains (10~65)
Single Adjuster Full and Half Withdrawn (66~107)
MCAs in Banks (108~119, 229~232)
Zone-Induced Tilts (120~139)
Harmonic Tilts (140~149)
Startup after Short Shutdown (150~167)
Delayed Startup (168~186)
Startup after Long Shutdown (187~190)
Stepback to 60%FP (191~201)
Adjuster Shim (202~221)
Adjuster Banks Half-out (222~228)
• Non-Design-Basis Cases : 692 cases
• Additional Analyzed Cases : 451
• NSC(No Spatial Control) Cases (Startup, shim, single ADJ, Zones)
• “Robustness” test cases (SORs, manual startup)
• HSP-2 setpoint cases (Co-axial adjusters, zone control failure)
• Combined configurations (Operating configuration + D/B Perturbations)
• Moderator Drain
• Follow-up Non-D/B Cases : 241
• Moderator Poison Added
• Adjuster Location Uncertainty Study
• Gentily-2 Post-simulation Cases
• Side-to-side Tilt Coverage Limits
• Miscellaneous Additional Combined Configurations
• Shim + Loss of Fuelling
• Single-rod Startups
• HSP-3 Setpoints (One Pump per Loop)
• Startup with MCAs Inserted
42
74
22
257
46
27
11
7
29
39
15
32
52
29
주요 이슈:
- ROP 케이스 분류(COG-08-2078 R1)
• ROP케이스 : Design basis, Nondesign basis
• HSP-2 분류의 핵심: “운전원 인지”
• Design Basis: ROP 시스템 설계
용도 (계측기 수, 최적안전채널화,
정지설정치 결정용. 초기노심 or
계측기 시스템 변경시)
• 운전원 인지를 위한 경보시스템
• Non-Design Basis: 견고성 확인
및 HSP-2 정지설정치 결정용
• 대표문서: TTR-289
• 계측기 수, 위치, 채널화가 고정된
상태 인 경우 상기 분류 불필요
• HSP별로 분류하여 정지설정치 평
가
• 대표 문서: 59RF-03500-AR
* 인지 가능하면 HSP-2로 전환하여 운전
* ADJ 불완전 삽입 알람
* MCA, SOR, ADJ 비정상 위치 알람
* 감속재 고저 알람
* ZDAA>15% 알람
* 영역출력편차 알람
* 영역별 출력 편차 경보 및 수동구동
모든 HSP-1 ROP 케이스는 자동 트립
HSP-2 ROP 케이스는 대부분 HSP-1으로
도 보호되며 그렇지 않은 케이스라도
SLOR 발생전엔 드라이아웃 여유도가 충분.
경보 인지하여 SLOR에 대비. 운전원 대처
시간에 문제가 없음을 분석하여 제출(W2)
ROP 케이스 분류(COG-08-2078 R1)
• HSP 분류 절차
1단계: 926개 케이스를 모두 HSP-1케이스 로 간주
2단계: 분석에 사용되지 않는 케이스 구분하여 제외(4다발 교체방식, 코발트생산용 출력
분포, 중복생산 출력분포 등)
3단계: One-pump-per-loop-operation는 HSP-3로 이동
4단계: 다음 사항 고려하여 HSP-2 영역으로 분류
* 운전원이 행위를 해야만 발생하는 ROP 케이스 (예: SOR이 노내 고착된 상태로 재기
동시)
* 운전원이 운전절차에 따라 쉽게 “인지”할 수 있는 반응도 기기 구성과 관련된 ROP 케
이스
5단계: HSP-2로 분류되지 않은 것은 HSP-1으로 분류
6단계: 필요시 운전상의 여유를 위해 HSP-2 케이스를 HSP-1 케이스로 분류 가능
* HSP-2로 분류: 케이스 발생시 운전원 인지 > 출력감발(~10%) > HSP-2로 전환 > 정지
설정치 하락 > 계속운전 진행 > SLOR 발생 > 원자로 정지 (98%확률. OID 없음)
* HSP-1로 분류: 출력감발 없이 계속운전(운전폭 증대. 정지설정치 하락) > SLOR 발생
시 원자로 정지
* 상기 어느 경우든 98% 확률로 안전하게 원자로 정지
주요이슈:
ZDAA 정의 및 적용
8
10
13
3
6
4
7
14
1
2
5
 현황 및 전망(1): 필요 기술
1) 열수력자료 취득 및 필요 인자 추출 기술
2) 단상 및 이상 유동에 대한 원자로 계통, 노심 열수력 모델링 기술
3) 채널별 크립 예측 및 열수력 모델 연동 기술
4) 중수로 핵설계 기술(WIMS/DRAGON/RFSP) 및 ROP 케이스 모델링 기술
5) 리플자료 분석 및 해석 기술
6) 불확실도 평가 기술(특히 열수력관련 불확실도 평가 기술. 90% 신뢰도 수준)
7) 정지설정치 평가 및 분석 기술
8) EFPD별 열수력, 불확실도 예측 평가 기술
9) 현장 운전절차, 상태와의 연관 기술
관련 기술 모두 보유
CE사 평가와 동일한 결과 생산
(불확실도, 개선 사항 등은 지속적 추적/갱신
 현황 및 전망(2)
 주기적 ROP 재평가 시행(압력관 정기검사, SG 세정 등)
• 크립측정횟수 증가 - 불확실도 감소 및 CCP 예측 적절성 유지
• 경년열화(차압, 유량 변화)에 따른 주기적 ROP 평가를 통해 경년열화 예측
및 최신의 ROP 정지설정치 적용
 개량연료 상용화에 따른 ROP 재평가 시행:
• 캐나다: 기존 37R연료 임계열속 상관식(1995년 실험) 오류에 대해 CNSC 인
정
• 개량연료 임계열속상관식 적용한 ROP 정지설정치 평가 시행 예정(’15.8 착
수)
• 크립이 진행될 수록 기존 37R연료 대비 37M 연료의 ROP 여유도 증가 예상
• 1995년 5.1% 압력관 크립 실험에 오류(임계열속을 지나치게 낮게 평가)
• 2008년,2011년 개량연료 대상 5.1% 압력관크립 실험은 임계열속이 상당히 증가됨
 해외원전 대비 차이점 분석 및 적용방안 도출:
• 백금신호 보정하여 ZDAA 신호 속응성 향상 추진(PL 시행. 단, G2는 W2와 동일)
• C6 ROP Aging Management 국제 공동연구 추진
 맺음말
 중수로 설계/안전해석 기술 국내 인프라 취약
 ROP 정지설정치 평가 기술 자립(현장+방법론)
 해외 기술 의존성 감소
 국내 중수로 기술 인프라 유지에 중요
 국내 인허가 취득으로 기술력 확증 필요(진산 용역 무산 등)
 개량연료 상용화시 ROP/안전해석 기술력 국외 제공 가
능
 해외 중수로 관련 용역 수주로 연구/설계인력 인프라 유
지
 ROP 여유도 향상을 위한 C6(한국, 캐나다, 중국, 루마니
아 아르헨티나) 공동 프로젝트 추진 (EVS 도입 등)
함께 해주셔서
감사합니다.
주요 이슈: TP<98%인 HSP-2 케이스가
실제 발생하면 이미 OID로 연료손상? NO…
1.05(A)
1.0(B)
0.8
1.0
TRIP PROB(TP): CCP/CP = 1.0일 때를 기준하여 평가
A. 100%FP에서 HSP-1 TSP 적용시 T.P <98%인 케이스
- 실제 상태는 A 지점. 정지확률은 OID발생 시점인
B 지점을 기준하여 계산됨(=출력 5% UP)
- 실제 상태는 5% 의 여유가 존재하는 노심
- SLOR 발생시 HSP-1 TSP를 적용하면 98% 불만족
- 단, A 상태에서 알람 등에 의해 HSP-2 임을 인지/전환하면
HSP-2로 98% 만족. A상태는 OID 없음
B. 100%FP조건에서 CCP/CP < 1.0 이며 TP<98%인 케이스
- 대부분 단기재기동시 혹은 setback, stepback 조건
- CCP/CP = 0.8은 100%FP 기준.
- 실제 출력준위를 고려하면 CCP/CP > 1.0 임
- 발생한 출력준위에서 알람 등에 의해 HSP-2로 전환
- 원자로출력은 40~80% 수준이므로 OID없음
- SLOR 인해 출력이 증가하면 100%FP 전에
HSP-2 TSP에 의해 98% 확률로 정지