감법을 이용한 실리콘 오일 기반의 다채널 광섬유 온도 센서의 개발 :

이동은

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이동은 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 탁계래

발행연도: 2017

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

감법을 이용한 실리콘 오일 기반의 다채널 광섬유 온도 센서의 개발

이동은 의학공학과 2017.01 학위논문

2016

OTDR을 이용한 분포형 다채널 광섬유 온도센서 시스템의 개발을 위한 기초연구

이동은 , 유욱재 , 신상훈 외 5명 한국방사성폐기물학회 학술대회 2016.01 학술대회자료

감법을 이용한 실리콘 오일 기반의 2채널 광섬유 온도 센서

이동은 , 유욱재 , 신상훈 외 6명 센서학회지 2016.01 학술저널

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국내 원자력 발전소에서는 우라늄의 핵분열에 의해서 발생되는 열을 냉각시키기 위하여 물을 이용한 냉각 방법을 사용하고 있으며, 이 방법은 경제성과 안전성 측면에서 우수하다. 원자력 발전소의 대부분은 냉각재(coolant)로 경수(H2O)를 이용하며, 일반적으로 1차 계통과 2차 계통으로 구분되는 두 개의 독립적인 냉각재 계통(coolant system)으로 구성되어 있다. 원자로 내의 냉각재 계통은 원자력 발전소의 안전성과 핵연료의 건전성을 보장하기 위하여 핵분열 시 발생되는 막대한 열을 냉각재로 순환시켜 증기발생기로 전달하는 역할을 한다. 또한 배관의 파단(break)으로 인해 발생하는 냉각재상실사고로 의한 비정상 운전 시, 원자로 노심 손상을 방지하기 위해 노심 냉각 기능을 수행한다.
1차 계통의 냉각재 계통 배관의 경우 냉각재 온도가 최고 327℃까지 가열되며, 고속으로 흐르기 때문에 배관부의 마모, 침식, 부식 그리고 응력부식균열(stress corrosion cracking, SCC)에 의한 균열 및 결함이 발생할 수 있고, 2차 계통 탄소강 배관에서도 고온 고속의 냉각재로 인해 두께가 감소되면서 배관이 파열되고 냉각재가 누설되는 사고가 발생할 수 있다. 냉각재의 감소는 사고 시 노심으로부터 열을 제거하지 못하여 핵연료의 건전성을 보장하지 못하며, 2차적으로 방사선까지 누출될 수 있는 원인을 제공한다. 따라서 원자로 냉각재 계통 배관에서의 냉각재 누설을 예방하고 냉각재상실사고로의 진행을 완화시키기 위해서 냉각재의 미세누설을 실시간 모니터링 하는 것은 매우 중요하다.
본 연구에서는 냉각재의 미세누설로 의한 온도 차이를 이용하여 냉각재 배관의 미세누설 위치를 감지 할 수 있는 실리콘 오일(silicone oil) 기반의 다채널 광섬유 온도센서(multichannel fiber-optic temperature sensor, FOTS)를 제작하였다. 제작된 다채널 광섬유 온도 센서는 광 계측기로 OTDR(optical time-domain reflectometer)을 사용하기 때문에 실시간으로 측정이 가능하고, 배관의 크기에 제한을 받지 않으며 원거리에서 넓은 누설 범위의 감시가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 광섬유 끝단에 접촉하는 물질의 굴절률(refractive index)에 따라 반사광의 프레넬 반사율이 변하는 원리를 이용하였으며, 정확한 온도 측정을 위해서 기준 프로브(reference probe)와 감지 프로브(sensing probe)로 구성된 온도 감지 프로브로 온도 변화에 따른 광 신호의 광 파워를 측정하였다. 외부 환경의 영향으로 인해 광 파워의 기준값이 변할 수 있기 때문에, 감법(subtraction method)을 이용하여 온도 감지 프로브의 광 파워를 분석하였고, 가역성(reversibility), 재현성(reproducibility) 및 반응시간을 측정함으로써 제작된 다채널 광섬유 온도 센서의 성능을 평가하였다.

Domestic Nuclear power plants use water to cool down the heat generated by the fission of uranium atoms, and this method is excellent in terms of economic and safety. Most of the nuclear power plants use the water(H2O) as coolants and typically consist of two independent coolant systems separated by the primary and secondary systems. The reactor coolant system consists of the reactor vessel, the steam generator, the reactor coolant pump and pipes and transfers the vast heat generated by the fission into the steam generator. In addition, the coolant system performs the core cooling function in order to avoid damage to the reactor core caused by loss of coolant accident caused by break of the tube.
In the case of pipes of the coolant system in the primary system, the coolant temperature is heated up to 327℃. Because the coolant flows at high speeds, cracks and defects of pipes occur due to abrasion, erosion, corrosion and stress corrosion cracking. Also, due to the reduced thickness of the secondary system by the coolant, pipes are ruptured and the coolant is leaked. The reduction of the coolant does not remove the heat from the core in the accident, preventing the safety of the fuel, and also provides a secondary cause of radiation leakage. Therefore, it is very important to monitor the leakage of coolant leakage from the reactor coolant system to prevent leakage of coolant from the reactor coolant system and to mitigate the coolant loss of the coolant.
In this study, we fabricated a distributed multi-channel fiber-optic temperature sensor(FOTS) based on a silicone oil to detect the fine leakage of coolant pipes using the temperature difference from the coolant leakage. The fabricated sensor have the advantage of being able to measure in real time and not be restricted to the size of pipes and is capable of monitoring a wide range of leakage ranges from a long distances. The fabricated sensor is foundation of Fresnel reflection that reflection light generated by difference refractive index from interface of optical fiber and contact substance then amount of Fresnel reflection accordance with difference refractive index. We measured the modified optical powers of the light signals reflected from the temperature sensing probe placed inside of the water with a thermal variation from 5 to 70℃. Because the reference of value of the light power is changed due to the influence of the external environment, we measured the optical power of the sensing probe using a subtraction method. The reversibility and reproducibility of the FOTS were also evaluated.

표 목 차 ⅲ
그림목차 ⅳ
국문초록 ⅵ
제1장 서론 1
제2장 이론적 배경 3
제1절 OTDR 3
1. 프레넬 반사 4
2. 레일리 산란 6
제2절 광섬유 커플러를 이용한 다채널 광섬유 센서 7
1. 광섬유 커플러 7
2. 광섬유 커플러를 이용한 광 신호의 분배 및 전송 9
제3장 실리콘 오일 기반의 다채널 광섬유 온도 센서의 제작 10
제1절 센서 구성 및 측정 원리 10
1. 실리콘 오일 기반의 다채널 광섬유 온도 센서의 제작 10
2. 다채널 광섬유 온도 센서의 측정 원리 12
제4장 감법을 이용한 실리콘 오일 기반의 다채널 광섬유 온도 센서의 개발 17
제1절 다채널 광섬유 온도 센서 시스템의 구성 17
1. 다채널 광섬유 온도 센서를 이용한 실험 구성 17
제2절 온도 측정 실험구성 및 결과 19
1. 1채널 광섬유 온도 센서 19
가. 실험 구성 19
나. 온도 변화에 따른 실험결과 21
2. 3채널 광섬유 온도 센서 24
가. 실험 구성 24
나. 온도 변화에 따른 실험결과 26
다. 광섬유 온도 센서를 이용한 가역성 및 재현성 28
제5장 결론 및 고찰 30
참고문헌 32
ABSTRACT 36

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