APR+ 원자로의 자동 부하추종운전 제어기 설계

Abstract

지금까지 원자력발전은 초기 건설비에 비하여 상대적으로 매우 낮은 운전비용으로 인해 주로 기저부하용 운전에만 이용되어 왔다. 그러나 전체 전력시스템 중 원자력이 차지하는 비중이 점점 더 커지면서 원자력발전소의 부하추종운전은 선택적이 아닌 필수적인 옵션이 되었다. 원자력발전의 비중이 높은 프랑스에서는 부하추종운전의 필요성을 매우 중요하게 인식하여, 이미 1970년대부터 기술을 개발하여 상용운전에 적용하고 있다. 한국의 경우, OPR1000과 APR1400 모델에 수동개념이라 볼 수 있는 부하추종운전 성능을 보유하고는 있으나 현재까지 실질적인 부하추종운전 능력을 갖추지는 못하였다. 현재 대부분의 기존 원전의 경우에는 출력 분포에 영향이 적은 냉각수 내 붕산농도를 변화시켜 반응도 제어를 달성하여 출력 운전을 수행하고 있다. 그러나 운전 유연성 확보를 위해서는 붕산의 사용을 가능한 억제하며, 제어봉을 효과적으로 사용할 필요가 있다. 제어봉을 사용할 경우, 반응도 제어는 냉각수 온도의 피드백을 통한 자동제어가 용이하지만, 출력 분포는 그 동적 특성이 매우 복잡하고 비선형적인 특성을 가지고 있어 사실상 기존의 아날로그에 근거한 보상기를 이용한 제어 방법으로는 원하는 성능을 달성하기가 매우 어렵다. 특히 제어봉을 이용하여 부하추종운전을 수행하는 경우, 제어봉의 움직임이 빈번하게 되어 지논-진동을 유발하게 되므로 이를 효과적으로 제압할 수 있는 제어기의 설계가 요구된다. APR1400 원전의 경우 원자로 출력은 RRS(Reactor Regulating System)에 의해 자동 조절되지만 출력분포는 운전원이 수동으로 제어하여야 한다. 따라서 APR+에서는 이러한 출력과 출력분포를 동시에 자동제어하기 위해 새로운 개념의 원자로 제어기의 도입이 필요하다. 모델예측제어기법은 이러한 다중 입출력 제어가 가능하며 원자로와 같은 복잡하고 비선형적인 특성을 갖는 시스템에 적용할 수 있다. 이러한 모델예측제어의 특성으로 인하여 APR+의 노심출력과 축방향 출력분포를 적절히 제어할 수 있을 것으로 판단하여 도입하였다. 그리고 제어봉의 움직임의 최적화를 위하여 유전자 알고리즘을 적용하여 제어기의 성능을 향상시켰다. 개발된 제어기는 노심해석코드인 KISPAC-1D 코드를 이용하여 수치적으로 모델링된 1차원의 APR+ 원자로와 인터페이스를 통하여 일일부하추종운전에 대한 성능을 확인하였다. 수행된 시뮬레이션은 핵연료연소도에 따라 주기초부터 주기말 90%의 연소도까지 수행되었으며, 개발된 제어기는 APR+ 원전의 자동부하추종운전에 만족할만한 성능을 보여주었다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서 개발되어진 부하추종운전 제어기가 국내 APR+ 원전뿐만 아니라 앞으로의 새로운 노형 개발 시 수준 높은 부하추종운전 기법을 확보하는데 초석이 될 수 있다.