Several researches with the purpose to improve the survivability of the essential in-struments under a severe accident are proposed in this paper.
In the chapter 1, a novel power and communication system for nuclear power plant (NPP) instruments is proposed. This system newly adopts wireless power transfer system and wireless communication system to provide power to instruments and to transfer measured data from instruments to operators robustly under the severe accident. The proposed wireless power transfer system utilizes dipole coil resonant system (DCRS) type for a long distance power delivery and for insensitive characteristic to surrounding environment. The proposed wireless communication system uses Zigbee type communication to consume small amount of power of communication module and to operate robustly in the near field. A harness is adopted to protect the proposed systems from harsh conditions in containment. A router is presented to manage the wired and wireless power to constantly supply voltage to instru-ments. Fabrications of the proposed systems are presented and they are tested to prove their feasibility. Maximum 6 W of wireless power transfer was achieved where the targeted power was 4 W. Also the robust operation of the power and communication systems is verified under the harsh conditions like severe accident. The proposed system can guarantee survival of NPP instruments and help operators to make practical and urgent countermeasures to mitigate damage under the severe accident.
In chapter 2, a NPP instrument using constant voltage feedback circuit is proposed. Contrary to conventional NPP instrument, two operational amplifiers are used at auxiliary building to supply constant DC voltage across the potentiometer or wheatstone bridge type sensors, such as resistance temperature detectors (RTD) and strain gauges. The proposed constant voltage feedback circuit maintains its output voltage as constant regardless of the length of lead wire from the auxiliary building to the sensors. A detail analysis of the proposed feedback circuit and design procedures including the internal resistance and parasitic LC components of lead wire are presented. A prototype with lumped RLC values for modeling lead wires is fabricated and experimentally verified to supply constant 10V up to 200m distance under 0.8% error. Due to its versatile characteristics with cost effective structure, the proposed scheme can be generally extended to pressure meters and water-level recorders to guarantee robust measurements without conventional current transducers under the severe accident.
In chapter 3, a in-core corium detector using resistance type circuit is proposed. One of the most significant issues for the severe accident management is to closely monitor the corium behavior in a reactor. The proposed in-core corium detector uses melting property of resistor on the contact point with the corium while the existing thermocouple type in-core instrument (ICI) is unavailable to detect the corium behavior due to extremely high temperature of the corium. The corium position can be detected through measuring the circuit equivalent resistance, because the corium melts the proposed ICI from the top to the bottom while it flows down by gravity. The detail analysis of the proposed ICI according to the different position of the corium is presented. The proposed ICI supports operators to mitigate and handle the aftereffect of the severe accident.
본 논문에서는 원전에서 사용되는 계측기의 생존성을 높이기 위한 시스템과 중대사고 시에도 사용이 가능한 계측회로들을 제안하였다.
1장에서는 중대사고 시에도 계측기에 전원을 공급하기 위한 무선전력전송 시스템과 계측한 정보를 운전원에게 전달하기 위한 무선통신 시스템을 제안하였다. 무선전력전송은 장거리에서 전력을 전송하고 중대사고 시 극한의 환경에서도 전력을 전송하기 위해 다이폴 코일 공진 방식을 사용하였다. 무선통신은 근거리 무선통신에 용이하고 전력소모가 적은 Zigbee 무선통신을 이용하였다. 제안하는 무선 전력 및 통신 시스템이 중대사고 시 격납건물 내부의 가혹한 환경에서 정상 동작하기 위해 하니스를 개발하여 전력 및 통신 시스템을 고온, 고압과 외부충격으로부터 보호하였다. 또, 유선과 무선으로부터 공급되는 전력을 제어하여 계측기에 일정한 전압을 공급해주는 라우터를 설계하여 적용하였다. 제안하는 시스템들은 프로토타입을 만들어 실현가능성을 검증하였다. 전력을 소모하는 기기들의 전력소모를 고려하여 4 W 무선전력전송을 목표로 하였는데, 최대 6 W 전송에 성공하였다. 무선전력전송과 무선통신 시스템들이 중대사고 시 격납건물 내부 극한의 환경을 모사한 조건에서도 정상동작함을 확인하였다. 제안하는 시스템은 중대사고 시 계측기의 생존성을 향상시켜 운전원이 정확한 정보를 바탕으로 빠르고 정확한 대응을 하여 사고 완화에 도움을 줄 것이다.
2장에서는 중대사고 시에도 격납건물 내부에서 사용이 가능한 정전압 피드백 계측회로를 제안하였다. RTD(resistance temperature detector)나 strain gauge와 같은 계측기에 두 개의 연산 증폭기(op-amp)를 사용하여 보조건물에서 센서에 일정한 직류 전압을 공급해준다. 제안하는 정전압 피드백 계측회로는 보조건물에서 센서까지의 거리에 관계없이 센서의 양단 전압을 일정하게 유지시켜준다. 케이블의 내부저항뿐만 아니라 기생 인덕턴스와 커패시턴스까지 고려된 프로토타입을 제작하였고, 케이블 길이가 200m까지 변할 때 0.8% 오차를 가지고 10V의 일정한 전압을 공급하는 것을 확인하였다. 제안하는 계측회로는 구조가 간단하고 격납건물 내부에 사용되는 소자는 수동소자뿐이므로 중대사고 환경에 영향을 받지 않고 사용할 수 있다.
3장에서는 원자로 공동 (vessel) 내부에서 코륨의 위치를 파악하기 위한 노심 계측 저항회로를 제안하였다. 중대사고 시 노심이 녹으면 높은 온도로 인해 기존의 열전대 타입의 계측기는 사용이 불가능하였지만, 제안하는 계측회로는 오히려 뜨거운 온도에 의해 계측기가 녹는 성질을 이용하였다. 코륨이 공동 내부에서 위에서 아래로 흘러내려 노심 계측 저항회로를 녹이게 된다. 회로가 짧아지면 양단의 등가저항이 변하고 이 값을 측정하여 코륨의 위치를 파악할 수 있다. 본 논문에서 코륨의 위치에 따른 저항회로의 등가저항 값을 계산하였고 그 측정방법을 제시하였다.
