Axially variable strength control rods (AVSCRs) are suggested and developed as a solution to problems related with the variation of the axial power distribution during the power maneuvering of PWRs and to accomplish the power maneuvering with only control rods and without reactivity compensation by boron concentration change. AVSCRs are control rods that, unlike conventional control rods, have axially non-uniform strength.
In a typical nuclear power plant, reactor power change is caused by variation of reactivity. Two primary mechanisms for reactivity changes are control rods and soluble boron. Moderator temperature control is an auxiliary means. During the power maneuvering of a nuclear power plant, the reactor core is in a transient state and the axial power distribution should be maintained within some prescribed range in order to prevent a xenon oscillation. However, there are difficulties involved in regulating axial power distribution within the prescribed range during reactivity change using conventional mechanisms. AVSCRs are suggested as a method of ameliorating these difficulties.
Control rods are classified into two types: `multi-purpose control rod` and `regulating control rod`. Two multi-purpose control rod banks (AVSCR1, AVSCR2) are newly developed, while conventional control rods are adopted as regulating control rod banks to minimize design change of PWRs. The newly developed AVSCRs are axially three sectioned control rods, and the worth shapes of these AVSCRs are optimized to obtain appropriate moving characteristics for power maneuvering. As analytic objective functions do not exist in the optimization of the AVSCRs, the simulation optimization methodology is used. Then, an operation strategy employing developed AVSCRs for the power maneuvering is developed. This strategy consists of simple logics and no use of reactivity compensation by boron is considered.
Finally, the AVSCRs are applied to power maneuvering with a typical 100-50-100%, 2-6-2-14h pattern of daily load-follow power maneuvering and all burn-up states of the core are considered for the application. From the application results, it is shown that the use of AVSCRs makes it possible to regulate the axial offset (AO) within the target band during the power maneuvering with only control rods. Consequently, the power maneuvering of PWR is accomplished without reactivity compensation by boron concentration change. It is also identified that AVSCRs can cover the whole burn-up states of reactor core.
본 연구에서는 가압경수로의 출력변경동안에 축 방향 출력분포와 관련된 문제를 해결하고, 붕소농도의 변화를 통한 반응도 보상을 이용하지 않는 출력변경을 실현하기 위해 축 방향 불균일 강도 제어봉 (AVSCR)을 개발하였다. AVSCR은 기존의 제어봉과 달리 축 방향으로 불균일한 강도를 갖는 제어봉을 의미한다.
원자력 발전소에서, 원자로 출력은 반응도 변화에 의해서 이루어지며, 반응도 변화 수단으로는 주로 제어봉과 붕산수를 사용하고 감속재 온도 변화도 보조적으로 사용한다. 원자력 발전소의 출력변경 동안에 원자로 노심은 불안정한 상태에 있게 되는데, 이 때 제논 진동을 예방하기 위해 축 방향 출력분포는 미리 정해진 범위내에 유지되어야만 한다. 그렇지만, 기존의 반응도 제어 수단을 이용한 반응도 변화는 이 축 방향 출력분포를 정해진 범위내에 유지하는 데에 어려움을 갖는다. 그러므로, 본 연구에서는 AVSCR을 개발하게 되었다.
먼저 제어봉들은 두 가지 타입으로 분류되었다. 첫 번째 타입은 다용도 제어봉이고, 두 번째 타입은 조절 제어봉이다. 본 연구에서는 두 개의 다용도 제어봉 뱅크 (AVSCR1, AVSCR2)가 새롭게 개발되었고, 조절제어봉으로서 기존의 제어봉(축 방향 균일 강도 제어봉)을 채택하여 설계변경을 최소화 하였다. 새롭게 개발된 AVSCR은 축 방향 3분할 강도 제어봉으로서 출력변경에 적절한 움직임 특성을 얻기위해 최적화 되었다. 그런데 AVSCR의 최적화에 있어서 목적함수가 해석함수로 주어지지 않으므로, 이를 해결하기 위해 시뮬레이션 최적화 방법이 사용되었다. 다음으로, 개발된 AVSCR을 위한 운전기법이 개발되었다. 이 기법은 단순한 논리로 구성되어 있으며, 붕소농도 조절에 의한 반응도 보상은 사용하지 않는다.
끝으로, 개발된 AVSCR들을 가압경수로의 출력변경에 적용하였는데, 국내 전력수요에 기반을 둔 100-50-100%, 2-6-2-14h 패턴을 사용하였다. 또한 주기초, 주기중, 주기말 노심 모두를 적용 대상으로 하였다. 적용 결과들로부터, AVSCR의 사용이 출력변경동안에 오직 제어봉만을 사용하여 축 방향 옵셋(AO)을 설정 범위 내에 유지하는 것을 가능하게 함을 알 수 있었고, 결과적으로, 붕소농도 조절에 의한 반응도 보상을 이용하지 않고 가압경수로의 출력변경을 실현하였음을 알 수 있었다. 또한 AVSCR을 주기초, 주기중, 주기말 노심 모두에 대해서 적용할 수 있음을 확인하였다.
