제어봉 구동장치

제어봉 구동장치(CEDM : Control Element Drive Mechanism)

가. 제어봉 구동장치의 개요

노심의 반응도를 제어하는 방법에는 붕산제어와 제어봉 제어의 두 가지 방법이 있다.

이 두 가지 방법은 화학 및 체적제어계통을 통한 붕산 주입과 희석, 그리고 노심에 제어 봉 집합체를 삽입하고 인출하는 것으로 모두 붕산이 중성자 흡수체로서 이용된다.

(1) 붕산제어

화학 및 체적제어계통에서는 붕산수가 감속재에 용해되어 있어 독물질효과가 전 노심 의 체적을 통하여 나타난다.

이로 인하여 독물질 농도가 편중되어 나타날 수 있는 국부적인 과잉열속 현상을 최소화시킬 수 있다. 붕산제어의 장점은 전기간을 통하여 반응도를 제어하는 것과 전 노심기간을 통하여 연료연소에 대응하여 붕산수 농도를 균일하게 희석할 수 있다는 것 때 문에 선호되는 방법이다.

붕산제어의 단점은 붕산주입과 희석이 화학 및 체적제어계통의 충전과 추출용량이 적어서 느리게 이루어진다는 것이다. 이로 인하여 갑작스러운 노심 정지가 요구되는 사고상황인 경우 재빨리 부 반응도를 삽입시키는 것이 가장 어려운 단점이다.

붕산제어의 또 다른 단점은 균일한 붕산농도의 분포가 어려워 축 방향의 출력분포를 어렵게 한다.

(2) 제어봉 제어

붕산제어의 단점을 해결하기 위하여 제어봉 제어가 사용된다.

제어봉 제어는 노심 반응도를 신속하게 변경하여야할 과도 및 사고의 경우 필요한 반응도 삽입이 제어봉 부근에서 많이 형성되기 때문에 제논의 진동을 완화시켜주는 부분적인 반응도 제어를 가능하게 한다. 제어봉은 제어봉 구동장치(CEDM)에 의하여 노심에서 삽입되고 인출된다. 제어봉 구동장치는 81개의 제어봉 집합체를 제어할 수 있도록 설계되었지만 실제 73개의 제어봉 집합체를 제어하고 있다.

 

나. 제어봉 구동장치의 구조 및 기능

제어봉 구동장치는 원자로 헤드 상부의 노즐에 설치되며 원자로 및 코일 스택 뭉치에서 발생하는 열을 제거하기 위하여 냉각공기 유입관이 설치되어 있다.

제어봉 구동장치의 구동력은 모터 하우징을 둘러싸고 있는 코일 스택 뭉치에 DC전원을 공급하여 얻으며 다음과 같은 구성품으로 구성되어 있다.

(1) 모터 하우징(Motor Housing)

(2) 상부압력 하우징(Upper Pressure Housing)

(3) 전동기 뭉치(Motor Assembly)

(4) 코일 스택 뭉치(Coil Stack Assembly)

(5) 위치 지시 스위치(Reed Switch Assembly)

(6) 제어봉 구동 축(Extension Shaft Assembly)

 

 

〔그림 1-26〕 제어봉 구동 장치(Control Element Drive Mechanism)

제어봉 구동장치 각 부위의 기능은 다음과 같다.

(1) 모터 하우징(Motor Housing)

원자로헤드 노즐 상단에 있는 모터 하우징의 재질은 Inconel SB-166이며 상부와 하부는 내부에 사다리꼴 나사가 가공되어 있다. 하부는 원자로헤드 노즐 상당과 연결되며 250ft-lbs로 존인 후 오메가 씰(Omega Seal)로 용접되어 있다.

모터 하우징 내부는 제어봉 구동 축을 구동하는 모터가 설치되고 외부는 모터를 구동하는 코일 스택(Coil Stack) 뭉치가 설치되어 있다. 모터 하우징의 상부는 압력 하 우징과 연결되며 850ft-lbs로 조인 후 오메가 씰로 용접되어 있다.

(2) 상부 압력 하우징(Upper Pressure Housing)

상부 압력 하우징은 제어봉 구동 축이 인출될 때 구동 축을 안내하는 역할과 계통내 의공기를 배기(Vent)할 수 있는 구조로 되어있다. 상부 압력 하우징의 하부는 모터 하우징과 연결되어 있다.

상부 압력 하우징의 재질은 SUS 316이며 모터 하우징과 연결되는 아래 부위는 모터 하우징과 동일하게 사다리꼴 나사로 조립되어 850ft-lbs로 조인 후 오메가 씰로 용접되어 있다.

(3) 전동기 뭉치(Motor Assembly)

전동기 뭉치는 모터하우징 내부에 위치하여 제어봉 집합체를 수직이동 시키는 역할 을 수행하며 래치 안내관(Latch Guide Tube), 상부 래치(Upper Latch), 하부 래치 (Lower Latch)로 구성된다. 상부와 하부 래치는 제어봉 집합체를 단계별로 작동시키는데 사용되고 제어봉 집합체를 이동시킬 필요가 없는 정지의 경우에는 상부 래치 가 현재의 위치를 유지한다. 제어봉 구동 축(Extension Shaft)의 체결은 코일스택의 세트가 여자 되어 수행되는데 래치의 이동양은 하부 래치가 수직으로 ⅜＂움직이는 동안 상부래치는 수직으로 7/16＂움직이므로 총 CEA의 이동은 한 Step에 ¾＂이동 한다.

(4) 코일 스택 뭉치(Coil Stack Assembly)

전동기 외부에 설치된 4개의 직류 자기코일로 제어봉 연장 축(ESA)에 접속되어 구 동하도록 래치들에게 자기력을 공급한다. 자기코일에 공급되는 전원은 2대의 전동기 발전기(M-G Set)로부터 공급되며 제어봉 구동장치 제어계통(CEDMCS)이 상향 및 하향으로 순차적으로 작동을 지시하여 정확한 제어봉 집합체의 위치를 얻는다.

제어봉 구동장치는 다른 코일들을 모두 비여자 시키고 상부 래치코일만 감소된 전류로 여자시킴으로 제어봉 집합체를 현재의 위치에 유지시킬 수 있다.

자기코일 전원 프로그래머로부터의 전기신호(Pulse)도 제어봉 집합체 위치 지시 전송수단이 된다. 원자로 정지의 경우 제어봉 구동장치 코일로부터 전원이 제거되어 연장축과 제어봉 집합체의 자중으로 연료집합체 내부로 제어봉 집합체가 낙하되며 90% 가 삽입될 때까지 최대 낙하시간은 4.0초이다.

코일 스택 뭉치 상단에는 상부 쉬라우드(Upper Shroud)가 연결되어 있고 이 상부 쉬라우드 내에는 제어봉의 위치를 알 수 있는 위치 지시계가 설치되어 있다. 상부 쉬라우드 상부는 상부 압력 하우징과 󰡒X󰡓사각형 씰(Quad Seal)로 밀봉되어 코일 스택 내부로 습기나 이물질의 유입을 방지한다.

 

자기코일의 저항값은 대기온도 상태에서 상부 및 하부 인양코일(Lift Coil)은 4.4±0.3 Ω이고 상부 및 하부 그리퍼 코일(Gripper Coil)은 5.4±0.3Ω이다. 또한 온도가 상승하면 코일의 저항값이 상승하여 자기코일이 제 기능을 수행하지 못하는 경우가 발생한다. 이러한 경우를 방지하기 위하여 냉각공기가 강제로 순환되도록 제어봉 구동장치 냉각 팬(CEDM Cooling Fan)이 운전되고 공기의 흐름을분배하는 냉각공기 유입 관(Cooling Shroud Assembly)이 있다.

(5) 위치 지시 스위치(Reed Switch Assembly)

제어봉 구동축의 위치를 지시하는 역할을 수행한다.

(6) 제어봉 구동 축(ESA : Extension Shaft Assembly))

제어봉 구동 축은 제어봉 구동장치(CEDM)과 제어봉 집합체(CEA)를 연결시켜주는 스테인레스 강(Stainless Steel)으로 상부에는 위치지시를 작동시키는 영구 자석 뭉 치가 있고 하부에는 제어봉 집합체에 연결되는 커플링장치가 있다. 중앙부분을 구동 축(Drive Shaft)라고 부르고 재질은 SUS 304이며 연장축에 나사와 핀으로 연결된다.

구동축의 주변에는 ¾＂간격으로 돌기(Teeth)가 총 232개 가공되어 제어봉 구동장치 에 연결된다. 상단의 자석뭉치는 하우징, 자석, 플러그 등으로 구성되고 2개의 원통형 자석이 사용된다. 이 자석뭉치가 위치지시 스위치를 작동시키며 하우징에 플러그로 설치된다. 제어봉 연장 축 하부의 제어봉 그리퍼(CEA Gripper)는 인코넬(Inconel) 재 질로 된 8개의 내부 핑거(Finger)가 기계적으로 가공되어 조립되어 있다.

 

 

〔그림 1-27〕 제어봉 구동 장치(Control Element Drive Mechanism)

 

〔그림 1-28〕 제어봉 구동장치 배기 계통(CEDM Vent System)

 

 

〔그림 1-29〕 제어봉 구동장치 배기 계통(CEDM Vent System)

 

〔그림1-30〕제어봉 구동 축(Extension Shaft Assembly)