Remote Water Level Monitoring System Based on Reflected Optical Power Detection with an Optical Coupler for Spent Fuel Pool at Nuclear Power Plant

전력상실시 광분배기 기반의 반사광 측정을 통한 사용후핵연료 저장조의 원격 수위 감시방법

Abstract

We propose a new method to monitor the water level of spent fuel pool in a nuclear power plant without electric power. We also analyze the performance and limitation of the proposed method. Our method is based on the reflected optical power at the end of optical fiber through a $1{\times}N$ optical coupler. We reveal that there is no problem to monitor the water level when using a $1{\times}8$ optical coupler. However, when a $1{\times}16$ optical coupler is used, only 15 out of 16 output ports can be used due to Rayleigh back-scattering. When a $1{\times}32$ optical coupler is used, only 25 out of 32 output ports can be used to monitor the water level.

본 논문에서는 원자력발전소의 전력이 상실되는 사고가 발생하더라도 사용후핵연료 저장조의 수위를 감시할 수 있는 방법을 제시하고, 이의 성능 및 한계점을 분석하였다. 제안한 방식은 광분배기를 통과한 광신호가 저장조의 냉각수 및 공기에서 반사되는 반사광의 세기를 측정하는 방식이다. $1{\times}8$ 광분배기를 사용하는 경우에는 저장조의 수위를 측정하는데 문제가 없을 것으로 분석되나, $1{\times}16$ 광분배기를 사용하는 경우에는 Rayleigh 역산란으로 인해 16개의 출력포트 중 15개만이 수위측정 용도로 사용이 가능하고, $1{\times}32$ 광분배기를 사용하는 경우에는 32개의 출력포트 중 25개만이 수위측정 용도로 사용이 가능한 것으로 분석되었다.

그림 1. 사용후핵연료 저장조의 원격 수위감시법 전체구성도 Fig. 1 Structure of the proposed remote water level monitoring system

그림 2. 반사광측정기의 상세구성도 Fig. 2 Structure of the reflectometer

그림 3. 사용후핵연료 저장조에서 광분배기와 광섬유 간 상세구성도 Fig. 3 Structure of the optical coupler and optical fiber in the spent fuel pool

그림 4. 1x8 광분배기를 사용한 경우에 저장조 수위에 따른 반사광의 크기 Fig. 4 Reflected power as a function of water level with a 1x8 optical coupler

그림 5. 1x16 광분배기를 사용한 경우에 저장조 수위에 따른 반사광의 크기 Fig. 5 Reflected power as a function of water level with a 1x16 optical coupler

그림 6. 1x32 광분배기를 사용한 경우에 저장조 수위에 따른 반사광의 크기 Fig. 6 Reflected power as a function of water level with a 1x32 optical coupler

표 1. 광섬유 종단에서의 반사율 Table 1. Reflectivity at the end of optical fiber

표 2. 1xN 광분배기의 손실 Table 2. Insertion loss of 1xN optical fiber

표 3. 본 논문에서 사용한 시스템 파라미터 값 Table 3. System parameters used in this paper