Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 29, No. 6, pp. 166-171, December 2014 Copyright@2014 by The Korean Society of Safety (pissn 1738-3803) All right reserved. http://dx.doi.org/10.14346/jkosos.2014.29.6.166 총채널불확실도를적용한원전노심출구온도의운전가능판정기준 성제중 윤덕주 하상준 한수원 ( 주 ) 중앙연구원 (2014. 7. 2. 접수 / 2014. 11. 24. 수정 / 2014. 12. 9. 채택 ) Operating Criteria of Core Exit Temperature in Nuclear Power Plant with using Channel Statistical Allowance Je Joong Sung Yoon Duk Joo Sang Jun Ha Central Research Institute, Korea Hydro & Nuclear Power Co. Ltd (Received July 2, 2014 / Revised November 24, 2014 / Accepted December 9, 2014) Abstract : Nuclear power plants are equipped with the reactor trip system (RTS) and the engineered safety features actuation system (ESFAS) to improve safety on the normal operation. In the event of the design basis accident (DBA), a various of post accident monitor(pam)systems support to provide important details (e.g. Containment pressure, temperature and pressure of reactor cooling system and core exit temperature) to determine action of main control room (MCR). Operator should be immediately activated for the accident mitigation with the information. Especially, core exit temperature is a critical parameter because the operating mode converts from normal mode to emergency mode when the temperature of core exit reaches 649. In this study, uncertainty which was caused by exterior environment, characteristic of thermocouple/connector and accuracy of calibrator/indicator was evaluated in accordance with ANSI-ISA 67.04. The square root of the sum of square (SRSS) methodology for combining uncertainty terms that are random and independent was used in the synthesis. Every uncertainty that may exist in the hardware which is used to measure the core exit temperature was conservatively applied and the associative relation between the elements of uncertainty was considered simultaneously. As a result of uncertainty evaluation, the channel statistical allowance (CSA) of single channel of core exit temperature was +1.042%Span. The range of uncertainty, 0.35%Span ( 4.05 ) ~ +2.08%Span(24.25 ), was obtained as the operating criteria of core exit temperature. Key Words : core exit temperature, channel statistical allowance, square root of the sum of square, operating griteria 1. 서론 원자력발전소는안전성향상을위해정상운전의경우원자로트립계통 (RTS: Reactor Trip System), 공학적안전설비작동계통 (ESFAS: Engineered Safety Features Actuation System) 이작동되고있으며, 사고기간중에는주제어실운전원에게중요한발전소운영변수인격납건물압력, 원자로냉각재계통고온관 / 저온관온도및압력, 노심출구온도등을제공하는사고후감시 (PAM: Post Accident Monitor) 계측설비를가지고있다. 이설비는설계기준사고시안전기능을수행하는안전계통자동제어가동작하지않을때운전원이수동으로조치를취하기위한기본정보를제공한다. 특히원자력발전소기능회복절차중부적절한노심냉각조치 에서는노심출구온도가 649 이상이고 2 차감압이부적절한노심냉각증상을완화할수없을때원자로냉각재펌프의재기동을요구하므로노심출구온도는설계기준사고발생시비상운전모드로전환되는기준온도를제시하는중요한변수이다. 노심출구온도와관련된사고후감시계측설비로서열전대는부적절한노심냉각발생여부의확인과노심온도의장기간감시를위해노심출구에설치되어있으며, 가동원전의안전운영을위해열전대의온도지시에의한노심출구온도지시설정치의주기적점검을수행하여운전가능성을판정하고있다. 본논문에서는원전노심출구온도측정시영향을주는외부환경, 열전대특성, 연결선, 교정기및지시계등의정확도및개별적불확실도영향요소간의연관관 Corresponding Author : Je Joong Sung, Tel : +82-42-820-5257, E-mail : sinclair@khnp.co.kr Central Research Institute, Korea Hydro & Nuclear Power Co. Ltd., 70 1312-gil Yuseong-daero Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea 166
총채널불확실도를적용한원전노심출구온도의운전가능판정기준 Fig. 1. Schematic of core exit temperature measurement system. 계를고려한총채널불확실도 (CSA : Channel Statistical Allowance) 를평가하여노심출구온도지시판정기준의기술적근거를제시하였다. 총채널불확실도평가는원자력발전소고유설계특성및미국원자력규제기관 (NRC) 의규제지침 (Regulatory Guide) 1.105 인허가요건에의해위임된 ANSI-ISA 67.04 기술기준을적용하였다. 기본합성방법으로계측영역에존재하는각각의독립적인불확실도가동일한수준의확률을포함하는전체불확실도에포함되도록합성하는방법인제곱합의제곱근 (SRSS: Square Root of the Sum of Square) 기법을사용하였다. 원전노형에상관없이적용가능한 SRSS 기법은계측영역에개별적으로존재하는불확실도로서계측에는영향이있으나계측기와직접적관련이없는불확실도요소, 전송기와전송기교정시존재하는불확실도요소, 기록계와기록계교정시존재하는불확실도요소및기타환경에의한불확실도요소등을제곱합의제곱근으로합성하여계측채널에포함된총불확실도를보수적으로평가한다 1). 총채널불확실도평가를위해설계기준사고동안허용제한값의초과를방지하기위해보호계통을동작시키는값으로서교정주기사이에발생하는교정허용오차및계기드리프트의반영등, 노심출구온도실측을위한열전대및전자카드와같은하드웨어에존재할수있는모든불확실도를보수적으로적용함과동시에불확실도영향요소간의연관관계를고려하였다. 불확실도평가결과격납건물비정상시노심출구온도 ( 지시범위 : 93.3 ~1,260 ) 의총채널불확실도및 지시범위내에서의출구온도허용치를도출하였다. 분석된결과를통해신뢰성이향상된원자력발전소노심출구온도지시계의운전가능성판정기준을제시하였으며, 계측기정기점검수행시평가된운전가능성판정기준을통하여운영측면에서의원자력발전소안전성향상이기대된다. 2. 노내계측계통의열전대특성및구성 원자력발전소에설치된노내계측계통은노내반경방향출력분포의불균일성확인및제어봉정렬의이상유무등의부적절한노심냉각상태감시를위해노심가열의정도를평가한다. 부적절한노심냉각상태감시는 NUREG 0718 (Rev. 2) 의스리마일아일랜드 (TMI) 원전사고이후조치항목에따라서운전원이사고후노심냉각상태를감시하기위해필요하며이용가능한정보로는원자로용기수위, 포화여유도, 노심출구온도등이있다. 특히노심출구온도는냉각재가핵연료집합체를빠져나갈때노심출구의냉각재온도를측정함으로써노심가열의정도를측정한다. 노내계측계통은 Fig.1 과같이 1 차측격납건물내부에 K-type (Chromel-Alumel) 열전대와안내관, 열전대연장케이블, 커넥터및저온기준함 (Reference Junction Box) 이설치되어있으며, 2 차측주제어실 (MCR) 에는 10 채널을가진노심출구온도지시계 (BB-TI-800A, BB-TI-800B) 2 개트레인등으로구성되어있다. K-type 열전대는 + 쪽에 Cr 을약 10% 포함한 Ni-cr 합금 (chromel) 과 - 쪽에 Al 과 Mn 을포함한 Ni 합금 (Alumel) 을사용한열전대이다. 미국호스킨스사에 한국안전학회지, 제 29 권제 6 호, 2014 년 167
성제중 윤덕주 하상준 Table 1. Specification of core exit thermocouple Thermocouple Specification Model Framatome ANP (K-type) Temperature Range 0.0 ~ 1,200 Calibration Accuracy 0.0 ~ 375 : ±1.5 375 ~ 1,200 : 0.4%Span Operating Pressure 173bar Operating Temp. 370 있으나계측기와관련없는영향에의한오차로서센서를제외한공정변수측정시의불확실도이다. 온도측정시열성층화현상 (Thermal stratification) 및수위측정시의변화에따른영향이이에해당되며대구경배관에서의온도성층, 배관또는용기에서의유체밀도변화등이해당된다. 공정측정정밀도변수는통계적으로독립항으로취급하고변수의무작위또는바이어스여부는개별평가결과에의한다. 노심출구온도측정을위한열전대온도측정계통은노심상부에위치하여직접적으로노심출구유량과접하므로열전대의공정측정정밀도는고려대상에서제외된다. 1 차요소정밀도 (PEA: Primary Element Accuracy) 는계측기구성요소간의비선형성에따른오차로서통계적으로독립항으로취급된다. 열전대는온도차에대응하는열기전력이측정온도에비례하므로불확실도요소로서 1 차요소정밀도는고려하지않는다. Fig. 2. Distribution of core temperature. 서 1906 년 A.L.Marsh 에의해서개발되어현재공업용열전대로서가장넓게사용되고있으며신뢰성이높다. 약 1,200 의고온까지사용가능하고기전력특성의직선성이양호하며내열내식성이높은것이특징이다. 일반적으로 2 개의채널로분리하여설치된노심출구온도측정용 K-type 열전대는온도범위 0~1,200, 사용스팬 1,166.7 이고상세사양은 Table.1 에서제시된다. 원자력발전소노내계측계통에서열전대의노심내부위치는 Fig.2 와같으며주제어실에서감시가능하다. 다채널의노심출구온도평균온도와표준편차를계산후평균온도교정및유효성검사를통해선정된대표적노심출구온도를설계기준사고시비상운전모드전환시의기준온도로사용한다. 3. 총채널불확실도요소 본연구에서노심출구온도실측을위해구성된열전대, 케이블및지시계등같은하드웨어에존재할수있는모든불확실도생성요소를보수적으로다음과같이적용하였다. 3.1 공정측정정밀도및 1 차요소정밀도 공정측정정밀도 (PMA: Process Measurement Accuracy) 는계측기채널판독의정확도에직접적인관련을가지고 3.2 전송기불확실도 센서기준정밀도 (SRA: Sensor Reference Accuracy) 는기준운전조건에서계기가사용될때오차가초과하지않을한계를나타낸수나양으로정의되며선형성 (Linearity), 히스테리시스 (Hysteresis) 및재현성 (Repeatability) 오차로구성되며열전대는해당없다. 센서교정정밀도 (SCA: Sensor Calibration Accuracy) 는교정방법이나교정으로부터야기되는계측채널또는계측기정확도에영향을끼치는불확실도로서교정장비의사용과관련한불확실도및오차등을고려하였다. 센서의모든교정절차는조건들의특정집합 ( 입력및출력 ) 을사용하여계기조정을모니터하기위한측정및시험장비를요구하므로입력측시험장비정밀도와출력측시험장비정밀도에대한 SRSS 기법으로센서측정및시험장비정밀도 (SMTE: Sensor Measurement & Test Equipment accuracy) 를계산한다 2). 센서리프트 (SD: Sensor Drift) 는입력, 환경또는부하에상관없이일정기간에걸쳐발생하는계기성능의변화이다. 드리프트는계기루프의모든기기에독립적으로발생하며온도, 방사능및습도와같은환경조건은계기드리프트의크기에영향을끼치지않는다. 특정계기드리프트데이터는전형적으로계기제작자및교정이력데이터검토를통해서얻을수있으며본논문에서는웨스팅하우스원전에서보수적열전대의드리프트값을사용하였다. 센서정압효과 (SPE: Sensor Pressure Effects) 와센서온도효과 (STE: Sensor Temperature Effects) 는각각운전압력의변화와기준온도에서변할수있는최대운전온 168 Journal of the KOSOS, Vol. 29, No. 6, 2014
총채널불확실도를적용한원전노심출구온도의운전가능판정기준 도를반영하는것이다. 노심출구온도측정용열전대설치위치는압력영향이적으며온도영향은통상적 5 0 의운전온도변화를반영하므로비정상상태측정열전대는해당되지않는다. 센서의니켈 - 크롬합금배열 (Chromel Ordering) 에관련된불확실도는 ORNL(Oak Ridge National Lab) 연구결과에따라 K-type 열전대가 200 에서 600 사이의온도에노출되었을때발생되는니켈과크롬원자의배열에의한오차를고려한다 3). 니켈 - 크롬합금배열은보수적으로대표온도에대해서원자배열이되며이때오차는양의값이고크기는노출온도및원자배열시간에따라상이하다. 사고후감시기간에도이원자배열에의한오차는반영되며이러한경우 275 의온도에서원자배열에의한오차는 1.6% 이고이값은 200 이상까지감소하게된다. 통상적인니켈 - 크롬원자배열에의한오차의경우저온기준함이격납건물내부에있으면약 371 Span (700 Span) 에서는 1.09%, 약 649 Span (1200 Span) 에서는 1.36% 이다. 반대로저온기준함이격납건물외부에있으면약 371 Span 에서는 0.79%, 약 649 Span 에서는 1.15% 이다. 본연구에서는저온기준함이격납건물내부에있는경우를기준으로불활실도를평가하였다. 열전대보상도선의감마가열 (Gamma Heating) 및열방사능조사 (Thermal Irradiation) 영향에의한불확실도가고려되어야하며열전대보상도선에끼치는열방사능조사에의한보상도선의불확실도는무시가능하나감마가열에의한오차는 +1.0 이다 4). 3.3 기록계불확실도 기록계불확실도는원자력발전소노내핵계측열전대온도지시계통정비절차서의지시계교정정확도, Table 2. Specification of core exit indicator Item Model Range Core Exit T/C Indicator Beckman Industrial. 610 Digital panel indicator -299.9~ 2,503.5 Minimum Interval Indicator Accuracy 0.1 digits ±1.0% 지시계시험장비정확도및지시계의최소눈금간격을이용한판독오차를전체온도측정범위 93.3~1,260 에대하여보수적으로적용하였다. Fig.3 은 10 개채널노심출구온도지시계인 BB-TI-800A 및 BB-TI-800B 로서 2 개트레인으로구성되어주제어실에위치하며설계기준사고시비상운전모드전환기준인노심가열정도를지시한다. 세부사양은 Table 2. 와같다. 3.4 기타 격납건물내에있는연결케이블, 커넥터및저온기준함등에대한정상상태및비정상상태의오차가고려되었다. K-type 열전대오차는정상상태에서 ±2.2 이며비정상상태조건에서는커넥터종류와수량에따라다르다 5). 4. 총채널불확실도및판정기준 4.1 총채널불확실도평가 본방법론은불확실도요소를통계적, 기능적으로독립적인그룹의조합으로합성하였으며, 이에대한자세한설명은 ANSI-ISA67.04 기술기준에명시되어있다. 센서와지시계의교정정밀도및드리프트불확실도는정규분포에서무작위하다고가정하였을때모든불확실도요소가독립적인경우의단일채널불확실도는다음과같다. = 0.899%Span Fig. 3. Indicators of core exit temperature. 그러나원자력발전소에서계측기가사용되는가혹한외부환경에서열전대성능및지시계불확실도는반드시연관되어야한다. 실제노심출구온도불확실도는비독립적인불확실도요소를산술적으로합성하여보수적으로취급하였으며독립적인항들과제곱합에대한 SRSS 기법으로합성하였다. 센서교정정밀도및센서드리프트와센서측정및시험장비정밀도, 지시계교정정밀도및지시계드리프트와지시계측정및 한국안전학회지, 제 29 권제 6 호, 2014 년 169
성제중 윤덕주 하상준 시험장비정밀도등불확실도영향요소간의연관관계를고려한단일채널불확실도는다음과같다. = 1.042%Span Fig. 4 에서는단일채널불확실도요소간연관관계가없는경우 (A) 와열전대연관성만고려된경우 (B), 지시계연관성만고려된경우 (C) 및두가지연관성이모두고려된경우 (D) 의단일채널불확실도와해당범위에서의온도환산절대값을비교하였다. 열전대연관성이고려된경우 (B) 단일채널불확실도가지시계연관성만고려된경우 (C) 의단일채널불확실도에비해 0.07% Span(0.82 ) 증가된것은열전대연관성에의한불확실도영향이더커짐을보여준다. 두가지연관성이모두고려된경우 (D) 의단일채널불확실도 1.042%Span (12.16 ) 는불확실도요소간연관관계를고려하지않은경우 (A) 의단일채널불확실도 0.899%Span (10.49 ) 보다 0.143%Span 증가되어열전대측정범위내에서의온도차이는 1.67 이다. 이것은단일채널에서불확실도요소간의연관성이고려된노심출구온도의측정값은기본적으로 1.67 의오차범위를필수적으로포함함을의미한다. 사고후감시계측설비로서지시계는각각채널수 10 개를포함하고있으므로격납건물노심출구온도지시계운전가능성판정기준은노심출구온도판정시관련되는불확실도영향을채널수에따라고려하였으며증가및감소방향으로평가하였다. 증가방향의총채널불확실도로서 10 채널불확실도는단일채널불확실도와열전대의니켈 - 크롬합금배열영향, 열전 대의감마가열및열방사선조사영향, 바이어스모두의합으로계산되어 +2.08%Span 이며감소방향 10 채널불확실도는다음과같다 6). 채널수 = 0.347%Span 따라서격납건물비정상시노심출구온도기록계총채널불확실도는 0.35%Span ~ +2.08%Span, 해당온도는 4.05 ~ 24.25 ( 온도환산절대값 28.3 ) 이다. 또한 10 개채널총채널불확실도의허용온도는연관성이고려되지않은경우 (27.19 ) 와고려된경우 (28.3 ) 의허용온도차이는 1.11 였으며증가방향과감소방향으로불확실도가분산되어단일채널불확실도보다는감소되었다. 4.2 노심출구온도운전가능성판정기준 사고후감시계측설비의운전가능성이란설계기준사고발생시발전소상태를평가하고조치하기위해선별된다양한운전변수들이유용하고충분한정보를제공할수있음을의미한다. 운전변수중하나인노심출구온도는대표값이 649 이상으로증가시비상운전모드로전환되는기준온도를제시하는중요한변수로서지시설정치의주기적정기점검을수행하여운전가능성을판정하고있다. 현재운전가능성은트레인별 10 개채널지시설정치의주기적정기점검을수행후지시차가기본적불확실도를고려하여설계문서에서제시된지시계의정밀도인 ±4.0%Span (46.67 ) 이내이면운전가능하다고판정되나연관된불확실도를보수적으로고려할때판정기준은 Table 3. 과같이개선되었다. Table 3. 은열전대의온도지시에의한노심출구온도지시설정치의주기적정기점검수행을위한운전가능성의세부판정기준을제시한다. 여기서, a 는현주기측정값이고 a' 는이전주기측정값이다. 현주기와이전주기의측정값차이가 10 개채널불확실도범위 4.05 ~ 24.25 ( 온도환산절대값 28.3 ) 내에존재하면해당노심출구온도지시는유효하다고판단하며이는기 Table 3. Criteria of core-exit temperature indicator Fig. 4. Comparison with CSA and temperature obtained from independent CSA factors and associative CSA factors Content Allowable Criteria CSA Evaluation Results a - a' < CSA range (a: Present reading, a' : Last reading ) ( -0.35~ +2.08%Span ) (-4.05~24.25 = 28.3 ) ) 170 Journal of the KOSOS, Vol. 29, No. 6, 2014
총채널불확실도를적용한원전노심출구온도의운전가능판정기준 존판정기준의오차범위 46.67 에서 18.37 감소된값이다. 따라서개선된노심출구온도지시계측설비의운전가능성판정기준을감소함으로써원자력발전소운전안전성은개선될수있다고생각된다. 5. 결론및고찰 본논문에서는노심출구온도측정시영향을주는총채널불확실도를평가하고노심출구온도지시판정기준을제시하였다. 원전교유설계특성으로노심출구온도측정용열전대정확도, 교정기정확도, 연결케이블, 지시계및계측외부환경등을적용하여 ANSI-ISA 67.04 기술기준에따라불확실도를평가하였다. 제곱합의제곱근기법인 SRSS 기법을사용하여불확실도요소의연관성이고려된 10 개채널의총채널불확실도를계산하였고, 그결과를적용하여노심출구온도지시계의운전가능성판정기준을다음과같이제시하였다. 1) 노심출구온도지시계의총채널불확실도는노심출구온도지시에관련된불확실도생성요소로서공정측정정밀도및 1 차요소정밀도, 센서기준정밀도, 센서교정정밀도및센서측정 / 시험장비정밀도등의전송기불확실도요소, 지시계판독오차 (readability), 교정정밀도및시험장비정밀도등의기록계불확실도, 연결케이블, 커넥터, 저온기준함등에대한영향과불확실도연관관계를모두고려하여 SRSS 기법및산술합으로평가되었다. 열전대불확실도요소와지시계불확실도요소의연관관계가모두고려된경우총채널불확실도는가장보수적이었으며평가된격납건물비정상시지시범위 93.3 ~ 1,260 에서노심출구온도총채널불확실도는 0.35%Span ( 4.05 )~ +2.08%Span (24.25 ) 이다. 2) 노심출구온도지시계판정기준은지시계의현주기와이전주기의지시차가계산된총채널불확실도의온도환산절대값 28.3 보다작을경우채널이운전가능하다고할수있으며기존허용오차범위를 18.37 감소시켜계측신뢰성을향상시켰다. 본논문에서는사고후감시계측에필수적인노심출구온도에대하여불확실도요소별연관관계에따라총채널불확실도를평가하고노심출구온도지시계의운전가능판정기준을제시하였다. 제시된판정기준에따라노심출구온도주기별교정이수행된다면안전계측지시계통의정밀도유지및신뢰성확보로원자력발전소운전안전성이향상될것으로기대된다. References 1) ANSI/ISA-67.04-Part-1994, Setpoint for Nuclear Safety -Related Instrumentation, American National Standard, 1995. 2) Scientific Apparatus Makers Association Standard PMC-20.1-1979, 1979. 3) Results of Thermocouple Calibration in a Pulsed Reactor", G.Dau, R.Bourassa, ANS Transactions, Vol. II, No.1, pp.141~142, 1968. 4) T.G. Kollie et al., Temperature Measurement Errors with Type K(Chromel vs. Alumel) Thermocouples due to Short-ranged Ordering in Chromel, ORNL(Oak Ridge National Lab)-TM-4862, 1975. 5) Omega Complete Temperature Measurement Handbook and Encyclopedia, Omega Engineering, 1995. 6) I. H. Kim, J. Y. Lee and J. K. Suh, Evaluation of Pressurizer Water Level Uncertainty for Ulchin Units 1,2 due to Thermal-hydraulic Operating Condition Change, Proceeding of Korean Society of Pressure Vessel and Piping, 2010. 한국안전학회지, 제 29 권제 6 호, 2014 년 171