KR102225562B1 - 초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 균열 검사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핵연료봉을 보호하는 금속재질의 클래딩 말단부에 균열이나 공동이 있는지를 검사하기 위해 초음파를 발생시키고, 클래딩을 통과한 초음파의 파형을 분석하여 결함의 존재와 위치를 정확하게 확인할 수 있도록 하는 초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 균열 검사장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 핵연료봉 클래딩을 비파괴적인 방법으로 검사함으로써 내부에 존재하는 균열이나 공동 등의 결함을 정확하고 신속하게 확인할 수 있는 효과가 있다.

Description

초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 검사장치{A TESTING DEVICE FOR NUCLEAR FUEL CLADDING USING ULTRA-SONIC WAVE}

본 발명은 초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 균열 검사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핵연료봉을 보호하는 금속재질의 클래딩 말단부에 균열이나 공동이 있는지를 검사하기 위해 초음파를 발생시키고, 클래딩을 통과한 초음파의 파형을 분석하여 결함의 존재와 위치를 정확하게 확인할 수 있도록 하는 초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 균열 검사장치에 관한 것이다.

원자로에는 우라늄이나 플루토늄을 주요 구성요소로 하는 핵연료봉이 핵분열 반응의 연료로 사용되는데, 작은 조각 단위로 된 원통형의 핵연료 펠렛을 원통형의 클래딩 내부에 넣어서 원자로 내부에 투입하게 된다.

핵연료봉 클래딩은 금속재질로 만들어지는데, 연전달 효율이 높고 부식에 강하며, 견고한 특성을 갖는 지르코늄 합금 소재를 많이 사용하고 있다.

그런데 핵연료봉 클래딩은 핵연료의 분열 과정에서 발생하는 방사성 물질을 외부로부터 밀폐시키기 위한 첫 번째 차폐수단으로 사용되기 때문에 클래딩에 결함이 생기지 않도록 해야 한다. 만약 클래딩에 균열이나 공동이 발생하는 경우에는 고온 상태에서 깨지거나 틈이 벌어지면서 방사성 물질이 1차 냉각수 계통으로 흘러들어갈 수 있다. 따라서 원자로 주요 구성부품을 비롯하여 핵연료봉 클래딩의 내부에 결함이 생기지 않는지 확인하기 위한 검사장치들이 개시되고 있다.

도 1은 원자로의 제어봉 구동장치를 나타낸 도면이며, 도 2는 원자로의 제어봉 구동장치 용접부의 균열 발생 및 누출의 설명에 제공되는 도면, 도 3은 종래기술에 따른 원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 용접부 비파괴 검사장치의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 원자로의 제어봉 구동장치(Control Rod Drive Mechanism : CRDM)는 원자로 용기 헤드(reactor vessel head : RVH)와 그에 마련된 다수의 관통관(penetration nozzle)들을 포함한다 제어봉 구동장치의 관통관들은, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 원자로 상부헤드에 이종 용접을 통해 설치된다.

그리고 도 3의 (a)에는 비파괴 검사장치의 시스템 구성이 도시되어 있다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 비파괴 검사장치는, LMS(Laser Mirror Scanner)(110), QL(Q-switched diode-pumped solid state laser)(120), QL 제어기(130), PC(140), 초음파 센서(150) 및 센서 시스템(160)을 포함한다.

원자로 용기의 특성으로 인해, 사람의 직접적인 접근을 피하는 것이 필수적이다. 이를 위해, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 개방된 원자로 용기 헤드의 아래에서 로봇 팔(170)을 사용하여 원자로 용기 헤드의 내부 표면에 초음파 센서(150)를 접촉시킨다. 도 3의 (d)에는 원자로 용기 헤드의 내부 표면에 초음파 센서(150)를 접촉시키기 위한 로봇 팔(170)의 끝 부분에 대한 메커니즘을 상세히 도시하였다.

초음파 센서(150)는 직경이 4mm이고 중심주파수가 350kHz인 증폭기 통합 PZT 센서로 구현가능하며, 초음파 전달률을 높이기 위해, 센서의 보호막에 젤 접촉매질이 사용된다. 초음파 센서(150)는 접촉형 센서 형태 또는 근거리 비접촉형 센서 형태 모두로 구현가능하다.

한편, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 초음파 센서(150)는 초음파 수신기(180)로 대체될 수도 있다 이 경우는, 로봇 팔(170)이 필요 없다는 점에서 유용하다.

다음, LMS(110)로 이종 용접부의 주변을 고속 레이저 스캐닝한다. 이를 위해, 수백에서 수천 nm의 파장을 갖는 QL(Q-switched diode-pumped solid state laser)(120)이 QL 제어기(130)의 제어에 의해, 8ns 동안 레이저 빔펄스를 생성하고, 그 동안에 LMS(110)가 동일 간격으로 레이저 빔을 원자로 용기 헤드의 내부 표면에 스캐닝 조사한다. 스캐닝 격자 포인트에 조사된 레이저 빔은 초음파를 발생시킨다.

LMS(110)에는 레이저 빔의 파장을 동작 파장으로 포함하는 레이저 미러 쌍이 마련되어 있고, 이 미러들은 최대 각속도 수십에서 수백 rad/s를 갖는 2개의 직교하는 갈바노-모터들에 고정되어 있다. 각각의 미러는 위에서 아래로 또는 왼쪽에서 오른쪽으로 ±20도 회전할 수 있다.

QL 제어기(130)의 펄스 반복 주파수(pulse repetition frequency:PRF)와 갈바노 모터들의 움직임을 동기화하여, 레이저 펄스는 각 격자점에 한 번씩 조사된다. 구체적으로, 도 3의 (e)에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 일정한 간격(Δ)의 폭(LH)과 길이(LV)를 갖는 영역에서 스캔 경로를 따라 각 지점들에 조사된다.

레이저 빔에 의해 각 지점들에서 초음파가 생성되는데, 생성된 초음파는 초음파 센서(150)에 의해 감지되어 센서 시스템(160)에서 신호 처리된 후, 데이터 획득과 이미지 처리를 위해 PC(140)에 저장된다.

그러나 이러한 장치를 사용하는 경우에도 클래딩의 말단부의 구조와 위치를 변경하면서 적절한 방식으로 검사를 수행하는 것이 어려워서 고가의 복잡한 장치를 수회에 걸쳐서 사용해야 하는 문제점이 있었다.

KR 10-1210815 B1 KR 10-2014-0064425 A KR 10-2014-0110140 A

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 수조의 내부에 초음파를 발생시키는 프로브를 설치하고, 프로브에서 발생된 초음파가 클래딩의 말단부를 통과하도록 하고, 클래딩을 통과한 초음파의 파형을 감지 및 분석하여 비정상적인 피크치가 나타난 부분을 확인하여 클래딩 내부에 존재하는 결함을 확인하도록 하는 초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 균열 검사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 핵연료봉을 보호하는 핵연료봉 클래딩(10) 말단부에 초음파를 통과시키고, 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파의 파형을 분석하여 결함의 존재와 위치를 확인하도록 하는 검사장치로서, 몸체(202)와; 상기 핵연료봉 클래딩(10)에 조사하는 초음파의 특성과 조사각도를 결정하고, 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파의 파형을 분석하는 제어부(204)와; 물을 저장하는 수조(206)와; 상기 몸체(202)의 전면에 설치되며, 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 고정시킨 상태에서 길이방향 중심축을 중심으로 회전시키는 회전모터(208)와; 상기 수조(206)의 바닥면에 설치되어 상기 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부를 향해 초음파를 조사하는 프로브(210)와; 상기 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부를 감싸며, 상기 프로브(210)로부터 발생되어 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파를 감지하는 초음파센서(212);를 포함한다.

상기 프로브(210)는 상기 수조(206) 내부 바닥면에 대해 각도가 변화 가능하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 핵연료봉 클래딩을 비파괴적인 방법으로 검사함으로써 내부에 존재하는 균열이나 공동 등의 결함을 정확하고 신속하게 확인할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 원자로의 제어봉 구동장치를 나타낸 도면.
도 2는 원자로의 제어봉 구동장치 용접부의 균열 발생 및 누출의 설명에 제공되는 도면.
도 3은 종래기술에 따른 원자로 상부헤드 제어봉 구동장치 관통관 용접부 비파괴 검사장치의 구조를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 검사장치의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 5는 도 4의 검사장치의 외부구조를 정면도.
도 6은 37도 결함이 발생했을 때 입사각을 구하는 방법을 나타낸 개념도.
도 7은 20도 결함이 발생했을 때 입사각을 구하는 방법을 나타낸 개념도.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 균열 검사장치"(이하, '검사장치'라 함)를 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 검사장치의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 4의 검사장치의 외부구조를 정면도이다.

본 발명의 검사장치(200)는 핵연료봉 클래딩(10)을 수조에 넣고 고정한 상태에서 길이방향 중심축을 중심으로 회전시키면서 말단부에 초음파를 조사하면서 출력되는 파형을 감지하고, 파형을 분석하여 정상적인 피크치가 아닌 부분이 있는지를 확인함으로써 핵연료봉 클래딩(10) 내부의 결함을 파악하는 장치이다.

몸체(202)의 내부에는 핵연료봉 클래딩(10)을 고정시키고 회전시키는 수단이 구비되며, 이외에도 전원부와 통신장치, 분석장치 등이 포함될 수 있다.

제어부(204)는 초음파를 이용한 비파괴 검사를 진행하면서 초음파의 특성과 조사 각도, 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파의 감지와 파형 분석 등의 알고리즘을 실행한다.

수조(206)는 검사대상이 되는 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부가 잠기는 공간으로서, 물 속에서 초음파가 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부에 도달 및 통과하도록 충분한 저수공간을 갖는다.

몸체(202)의 전면에는 핵연료봉 클래딩(10)을 고정시킨 상태에서 회전하도록 하는 회전모터(208)가 구비된다. 회전모터(208)에 의해 핵연료봉 클래딩(10)은 길이방향 중심축을 따라 자전하게 된다. 이외에도 검사대상이 되는 핵연료봉 클래딩(10)을 상하로 이동시켜 적절한 검사 위치가 되도록 하는 이동수단도 구비될 수 있다.

수조(206)의 바닥면에는 프로브(210)가 설치된다. 프로브(210)는 초음파를 발생하여 방출하는 수단으로서, 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부와 근접한 상태에서 초음파를 조사한다. 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부의 구조적인 특성상 초음파의 조사 각도가 길이방향 중심축과 나란하지 않도록 할 필요가 있는데, 이를 위해 프로브(210)의 각도는 세밀하게 변화 가능하게 구성된다.

또한 프로브(210)는 핵연료봉 클래딩(10)을 감지하는 구성을 추가로 갖는다. 이를 통해 핵연료봉 클래딩(10)이 삽입된 상태에서만 초음파 방출 기능이 동작되도록 구성된다. 또한 핵연료봉 클래딩(10)과의 거리를 조절하기 위해 프로브(210)의 높이를 조절하는 수단이 더 구비된다.

수조(206)의 내부 상단에는 초음파의 파형을 감지하기 위한 초음파센서(212)가 구비된다. 초음파센서(212)는 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부를 감싸는 형태로 구성되며, 프로브(210)로부터 발생되어 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파를 감지하여 파형을 영상으로 표시할 수 있도록 한다.

핵연료봉 클래딩(10)의 결함을 검사하기 위해 수조(206)의 내부에 물을 채우고, 핵연료봉 클래딩(10)을 회전모터(208)에 고정시킨 상태에서 말단부가 수조(206) 내부의 초음파센서(212)에 들어가도록 하강시킨다.

그리고 제어부(204)의 동작에 의해 프로브(210)에서 초음파를 발생시키고, 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파의 파형을 영상으로 표시한다.

초음파의 파형의 피크치가 이질적인 매질의 경계면에서 정상적으로 발생되는 값보다 일정 수준 이상으로 높은 경우에 그 부분에 균열이나 공동이 발생한 것으로 볼 수 있다. 본 발명에서는 이러한 이상적으로 높은 피크치가 발생한 부분의 위치를 확인함으로써 핵연료봉 클래딩(10)의 이상 유무를 정밀하게 확인할 수 있다.

도 6은 37도 결함이 발생했을 때 입사각을 구하는 방법을 나타낸 개념도이며, 도 7은 20도 결함이 발생했을 때 입사각을 구하는 방법을 나타낸 개념도이다.

결함접근방법을 실행하기 위해서는 먼저 시편과의 거리를 프로브(210)의 촛점거리(Focal Length)에 유의하여 설정한다.

그리고 스넬의 법칙(Snell's Law)을 계산하여 알맞은 입사각으로 프로브(210)를 틸팅하여 검사한다.

핵연료봉 클래딩(10)이 회전하는 동안, 프로브(210)에서 발생된 초음하가 내부를 통과하면서 직진하거나 반사, 굴절 등의 변화를 겪게 된다. 이러한 변화를 초음파센서(212)가 감지하여 제어부(204)에 전달하게 된다.

만약 핵연료봉 클래딩(10)의 내부에 공동이나 균열, 이물질 등의 결함이 있는 경우에는 초음파가 통과하면서 급격한 주파수, 파장, 출력의 변화가 생긴다. 이러한 초음파 감지값의 피크치가 발생한 위치에 결함이 발생한 것으로 볼 수 있다.

핵연료봉 클래딩(10)과 매질이 다른 아크릴이나 클래딩의 표면에서도 상대적으로 작은 크기의 피크치가 발생할 수는 있지만, 소재 내부의 결함에서 발생하는 피크치의 크기와는 상당한 차이가 발생한다. 그리고 피크치의 크기는 결함 공간의 크기에 비례하므로, 피크치의 감지에 따라 결함 영역의 크기도 예측 가능하다.

도 6과 7에 도시된 바와 같이, 핵연료봉 클래딩(10)과 프로브(210)가 잠겨있는 물 내부에서의 음속과 클래딩(10) 내부에서의 음속의 차이를 스넬의 법칙에 대입하면 결함 각도에 따른 입사각을 구할 수 있다. 그리고 이러한 값으로부터 결함의 위치와 상대적인 크기를 계산할 수 있다.

그리고 계산된 이론값과는 다른 요소들이 내재되어 있을 가능성이 있으므로 틸팅각도, 프로브 거리 등을 조절하며 최적의 파형을 검출한다.

마지막으로 기존에 원전 설비 관리자가 검사하던 각도인 5°내지 6°에서도 검사를 수행한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 핵연료봉 클래딩 200 : 검사장치
202 : 몸체 204 : 제어부
206 : 수조 208 : 회전모터
210 : 프로브 212 : 초음파센서

Claims (2)

1. 핵연료봉을 보호하는 핵연료봉 클래딩(10) 말단부에 초음파를 통과시키고, 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파의 파형을 분석하여 결함의 존재와 위치를 확인하도록 하는 검사장치로서,
   몸체(202)와;
   상기 핵연료봉 클래딩(10)에 조사하는 초음파의 특성과 조사각도를 결정하고, 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파의 파형을 분석하는 제어부(204)와;
   상기 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부가 잠기는 물을 저장하는 수조(206)와;
   상기 몸체(202)의 전면에 설치되며, 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 고정시킨 상태에서 길이방향 중심축을 중심으로 회전시키는 회전모터(208)와;
   상기 수조(206)의 바닥면에 내부 바닥면에 대해 각도가 변화 가능하도록 설치되어 상기 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부를 향해 초음파를 조사하며, 감지수단을 이용하여 상기 핵연료봉 클래딩(10)이 삽입되어 있는지를 감지하는 프로브(210)와;
   상기 핵연료봉 클래딩(10)의 말단부를 감싸며, 상기 프로브(210)로부터 발생되어 상기 핵연료봉 클래딩(10)을 통과한 초음파를 감지하는 초음파센서(212);를 포함하는, 초음파를 이용한 핵연료봉 클래딩의 균열 검사장치.
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