During a normal operation of a pressurized water reactor (PWR), the reactivity is controlled by control rods, boron, and the average temperature of the primary coolant. Especially in load follow operation, the reactivity change is induced by changes in power level and effects of xenon concentration. The control of the core power distribution is concerned, mainly, with the axial power distribution which depends on insertion and withdrawal of the control rods resulting in additional reactivity compensation. The utilization of part strength control element assemblies (PSCEAs) is quite appropriate for a control of the power distribution in the case of Yonggwang Nuclear Unit 3 (YGN Unit 3). However, control of the PSCEAs is not automatic, and changes in the boron concentration by dilution/boration are done manually. Thus, manual control of the PSCEAs and the boron concentration require the operator's experience and knowledge for a successful load follow operation. In this thesis, the new concepts have been proposed to adapt for an automatic power control in a PWR. One of the new concepts is the mode K control, another is a fuzzy power control. The system in mode K control implements a heavy-worth bank dedicated to axial shape control, independent of the existing regulating banks. The heavy bank provides a monotonic relationship between its motion and the axial power shape change, which allows automatic control of the axial power distribution. And the mode K enables precise regulation, by using double closed-loop control of the reactor coolant temperature and the axial power difference. Automatic reactor power control permits the nuclear power plant to accommodate the load follow operations, including frequency control, to respond to the grid requirements. The mode K reactor control concepts were tested using simulation responses of a Korean standardized 1000-MWe PWR which is a reference plant for the YGN Unit 3. The simulation results illustrate that the mode K would be an useful reactor power control strategy for the increased automation of nuclear plants. In an attempt to achieve automatic power shape control without any design modification of the core which is necessary to adapt mode K concept, a fuzzy power control algorithm has been also proposed. For the fuzzy control, the rule base is formulated based on a multi-input multi-output system. The minimum operation rule and the center of area method are implemented for the development of the fuzzy power control algorithm. The simulation results show that the fuzzy control can be adapted as a practical control strategy for automatic reactor power control of the pressurized water reactor during the load follow operation.
정상 운전중인 가압 경수형 원자로의 반응도는 제어봉, 붕소, 그리고 일차 냉각재평균 온도에 의하여 제어된다. 특히, 부하추종운전시에는 출력변화와 그에 수반되는 제논 효과에 의하여 반응도가 변화한다. 출력분포의 제어는 반응도 보상을 위해 사용되는 제어봉의 삽입 및 인출에 따른 축방향 출력에 주된 연관성을 가지고 있다. 영광 3호기에서는 출력분포 제어를 위해 저-반응도가를 가지는 제어봉인 PSCEAs (part strength control element assemblies)를 사용하고 있으나, PSCEAs는 붕산농도제어의 붕산 희석/주입과 마찬가지로 수동으로 작동시킨다. 따라서 원활한 부하추종운전을 위하여 PSCEAs 및 붕산 농도의 수동 제어는 운전원의 풍부한 경험 및 지식을 필요로 한다. 이 논문에서는 이상에서 언급된 가압 경수형 원자로의 수동 출력 제어의 단점을 극복하기 위해 새로운 개념의 자동 출력 제어 기법을 제시하고 있다. 그 하나는 모드 K 제어 기법이며, 또 다른 하나는 퍼지 제어 기법이다. 모드 K 제어 기법은 기존 제어 뱅크와는 달리 축방향 출력분포 제어만을 위한 고-반응도가 뱅크를 사용한다. 고-반응도가 뱅크는 축방향 출력분포와 뱅크의 움직임 간에 단조적 관계를 유지시킴으로써 축방향 출력분포 제어의 자동화를 가능하게 한다. 모드 K 제어는 원자로 냉각재온도와 축방향 출력의 이중 폐-회로 제어를 통해, 출력분포와 함께 반응도를 원활하게 제어할 수 있다. 원자로의 자동 출력 제어를 추구함으로써, 전력망의 요구에 따라 주파수 제어를 포함한 원자력발전소에서의 부하추종운전 기술을 보다 향상시킬 수 있다. 모드 K 제어 개념은 영광 3호기의 참조 발전소인 1000MWe 급 한국형 표준 발전소를 모사함으로써 시험 확인되었으며, 모사 계산 결과는 모드 K 기법이 원자력발전소의 자동화에 적절한 기법이라는 것을 보여 주었다. 그러나, 반응도 보상과 밀접하게 연관되는 제어봉을 사용하여 자동 출력분포 제어를 하기에는 어려운 점이 많다. 그러므로 주파수 제어를 포함하여 제한된 부하추종운 전이라 할지라도 일반적으로 수동 출력분포 제어를 하게 된다. 퍼지 제어는 모드 K 제어에서처럼 어떠한 노심 설계 변경없이 자동 출력분포 제어가 가능하도록 해준다. 퍼지 제어를 위해서는 복합-입력 복합-출력 계통 (multi-input multi-output system)을 기반으로 하는 규칙 베이스 (rule base)가 정립되어야 한다. 본 논문에서는 이러한 퍼지 알고리즘을 개발하기 위하여 최소 동작법 (minimum operation rule)과 무게 중심법 (center of area method)을 사용하였다. 퍼지 출력 제어 알고리즘은 영광 3호기를 대상으로 모사 계산이 수행되었으며, 계산 결과를 통하여 가압 경수형원자로의 자동 원자로 출력 제어를 위한 적합한 기법으로 선정될 수 있음을 알 수 있다. 따라서 퍼지 제어 기법을 새로운 부하추종운전의 자동 출력 제어 기법으로 제시하였다.
