KR200242546Y1 - 17*17형원자로제어봉와전류검사용교정시편집합체 - Google Patents

Abstract

본 고안은 17*17형 핵연료 집합체에 삽입되는 제어봉집합체의 피복관 건전성을 평가하기 위해 사용되는 17*17형 원자로 제어봉 와전류 검사용 교정시편 집합체에 관한 것이다.

본 고안은 교정시편봉 각각을 집합체로 구성하여 와전류 탐촉자 24개를 동시에 교정할 수 있도록 하며, 원자로 제어용 흡수체영역의 피복관에서 나타나는 마모성결함을 모의하기 위해 그루브를 크기별로 다단가공하여서 이루어진다.

본 고안은 교정시편 집합체를 이용하여 한번에 24개 와전류 탐촉자를 동시에 교정할 수 있으므로써 와전류 신호를 용이하고도 신속하게 획득할 수 있어 와전류검사 전공정일수를 크게 단축시킬수 있고, 더욱 정확한 교정곡선을 얻을 수 있게 된다.

Description

17*17형 원자로 제어봉 와전류 검사용 교정시편집합체

본 고안은 17*17형 원자로 제어봉 와전류 검사용 교정시편집합체에 관한 것으로, 웨스팅 하우스사 공급원자로 17*17형 핵연료 집합체에 삽입되는 제어봉집합체의 피복관 건전성을 평가하기 위해 사용되는 비파괴 검사방법의 하나로서 와전류 검사시 와전류 탐촉자의 동시 교정에 사용하도록 하는 것이다.

국내 원자력 발전소 원자로 제어봉 집합체의 건전성 평가는 와전류 검사법을 사용하여 미국의 웨스팅 하우스사에 의해 수행되었고, 웨스팅하우스사에서 사용한 교정시편봉은 단일 교정시편봉으로서 도 6에 도시되어 있다.

그리고 원자로에 삽입되어 사용되는 제어봉집합체(10)는 원자로 출력 제어용 장치로서 도 4에 도시되어 있다. 17*17형 핵연료 집합체에서 상기 제어봉집합체(10)는 24개의 제어봉(1)으로 이루어져 있고, 각 제어봉(1)은 중성자 흡수체(Ag-Zn-Cd합금)(1')가 피복관(UNS S30400)(1")에 스프링에 의해 지지된 형태로 내장되어 있는 구조로 되어 있다. 그리고 상기 24개의 제어봉(1)은 평면상 방사형으로 배치되며, 내부에 스프링(1A')이 내장되어 제어봉집합체(10) 낙하시 충격을 완화하는 기능과 제어봉 구동장치와의 체결을 위해 내부에 나사부를 갖는 스파이더 바디부(Spider Body)(1A)와, 제어봉 선단부로서 피복관(1") 끝단과 용접되어 있는 팁(Tip)영역부(1B)와, 스프링(1C')이 내장되어 있는 공간영역인 공동영역(Plenum)부(1C)와, 원자로 내부중성자를 흡수하는 기능을 가지는 흡수체영역(1D)으로 이루어져 있다.

이와 같은 제어봉집합체(10)는 냉각재 유동이 있는 원자로 내에서 출력제어를 위한 상,하운동과 유체유발진동(Flow Induced Vibration)에 의해 제어봉집합체(10)의 각 제어봉(1)은 지지카드(Guide Card)와의 상호작용에 의해 미끄럼 및 접촉(Sliding & Fretting)에 의해 마모성 결합이 나타나는데 이를 비파괴적으로 검출하는 방법으로서 주로 와전류 검사법이 사용된다.

와전류 검사법은 와전류 탐촉자로 획득한 신호를 평가하기 위해서 교정시편을 사용하여 교정신호를 얻는 공정이 필요하다.

일반적으로 와전류 검사법으로 피복관 마모결함을 검출하기 위해서는, 검출하고자 하는 결함의 종류 예컨데 마모성결함, 균열성결함, 덴팅(Denting)등에 따라 각각의 모의 결함을 교정시편에 만들어 와전류 탐촉자를 교정하도록 하고 있다. 따라서, 와전류 검사법으로 검사체의 건전성을 평가하기 위해서는 검사체의 결함 메카니즘의 이해하에 대표적 결함 형태에 맞는 교정시편을 만들도록 되어 있으며, 원자력 발전소 설비검사에 사용되는 와전류 검사 교정시편은 ASME Sec. V Article 8(튜브류의 와전류검사에 대한 규정)에 따라 가공하고 있다.

이와 같이 원자로 제어봉집합체(10)의 피복관(1") 손상은 결함발생 원리상 마모성 결함이 주로 발생하고 있고, 이와 같은 결함신호를 평가하기 위하여 웨스팅 하우스사에서 사용한 종래의 교정시편은 도 6에 도시한 바와 같이 단일 교정시편봉(20)을 사용하고 있다. 즉, 종래 단일 교정시편봉(20)은 도 6에 도시한 바와 같이, 흡수체(20')가 피복관(20") 내에 내장된 구조로 되어 있고, 마모성결함을 모사하기 위하여 교정시편봉(20) 외주면에 일정간격으로 그루브(Groove)(20"')가 형성되어 있는 구조이다. 그리고, 상기 교정시편봉(20)은 제어봉(1)과 마찬가지로 팁영역부(20A), 공동영역부(20B) 및 흡수체영역부(20C)를 가진다.

웨스팅 하우스사에서 제어봉집합체(10)의 피복관(1")의 건전성 평가를 위해 사용한 종래의 탐촉자 교정작업은 상기 종래의 단일 교정시편봉(20)으로 탐촉자 각각을 개별적으로 교정하여 교정곡선(Calibration Curve)을 얻도록 하고 있다.

더욱 구체적으로 설명하면, 원자로 제어봉집합체(10) 와전류검사에서 적용되는 코드인 ASME Sec. Article 8에 의하면 교정시편은 검사체와 물리적, 화학적 성질 및 기하학적 치수 등 제 측면에서 동일한 것으로 제작해야 되고, 와전류 탐촉자의 변화등 검사장비의 하드웨어(Hardware)상의 어떠한 변화에 대해서도 그때마다 교정시편으로 교정하게 되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 17*17형 핵연료 집합체(10)에 삽입되어 운전되는 제어봉집합체(10)의 제어봉(1) 갯수는 24개이고, 제어봉(1) 피복관(1") 와전류검사에 사용되는 탐촉자의 수는 6개 (웨스팅 하우스사 방법) 또는 24개(한전전력연구원 방법)가 있으며, 각 탐촉자는 도 7에 도시한 제어봉 와전류검사 장치대(30)에 설치되어 사용된다.

상기에서 어느 방법이든지 간에 교정곡선을 얻기 위해서는 각 탐촉자 별로 교정작업이 필요하다.

즉, 24개 탐촉자가 내장된 와전류검사 장치대(30)는 24개 모두를 검사할 수 있어 전체 제어봉집합체(10) 와전류검사 공정일수를 줄일 수 있는 반면에 6개 탐촉자가 내장된 와전류검사 장치대(30)를 사용한 경우는 한 제어봉집합체(10)에 대해 4번에 걸쳐 검사해야 하므로 검사 공정일수가 증가하는 차이가 있다.

제어봉 와전류검사에 사용되는 탐촉자는 고방사선 및 고산성수의 환경하에서 사용되고 반복 및 장기사용에 따른 탐촉자 마모, 코일단락 등의 이유로 탐촉자 열화 및 폐기처분이 발생된다. 그리고 탐촉자 열화에 의한 리프트 오프(Lift-Off), 감도 등의 변화가 생긴 경우와 탐촉자 교체시 이미 설정한 교정결과가 달라질 수 있으므로 제어봉 검사중 주기적인 교정작업이 요구된다.

이외에도 실제 원자로 제어봉집합체(10) 검사시 교정작업이 요구되는 시기로는 광디스크(Optical Disk) 각면의 시작, 제어봉 와전류검사 장치대(30)의 보수 및 구성품 교체, 각 제어봉집합체 검사 전,후, 검사업무 교대전 또는 교대후 등이 있다.

이와 같이 제어봉집합체(10) 와전류검사에는 잦은 교정작업이 요구되고, 도 6과 같은 단일 교정시편봉(20)을 사용한 종래의 방식은 와전류 탐촉자 각각에 대해서 교정작업이 요구되는 시기마다 교정업무를 수행해야 하므로 교정에 요구되는 시간이 많이 소요되는 문제점이 지적된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 제어봉 와전류검사 장치대(30)의 탐촉자 각각에 대한 개별적 교정작업이 아닌 제어봉 와전류검사 장치대(30)의 모든 탐촉자에 대해 동시교정을 수행할 수 있는 교정시편집합체를 개발하는 것이 필요하다.

기존 방식에서 단일 교정시편봉(20)에 의한 와전류 탐촉자 각각에 대한 개별 교정작업을 수행한 기술적 배경에는 개발하여 사용한 6개 와전류 탐촉자 내장의 제어봉 와전류검사 장치대(30)가 전체 제어봉집합체 와전류검사 공정일수를 단축시키기 위해 사용한 24개 와전류 탐촉자 내장방식의 검사장치대 보다 동시 교정방식의 필요성이 상대적으로 덜하기 때문이다. 또한 탐촉자 열화를 고려한 검사 정확도를 높이기 위해 주기적 탐촉자 교체방식을 사용한 경우 동시교정의 필요성이 증대된다.

본 고안은 제어봉집합체의 와전류검사 공정에서 와전류신호 획득을 용이하고도 신속하게 하여 전체공정일수를 단축시키도록 함을 목적으로 하는 것이다.

본 고안은 17*17형 핵연료 집합체에 사용되는 제어봉집합체 피복관 와전류검사에서 교정작업에 사용하도록 하는 교정시편집합체에 관한 것으로, 교정시편봉 각각을 집합체로 구성하여 와전류 탐촉자 24개를 동시에 교정할 수 있도록 하고, 원자로 제어봉 흡수체 영역의 피복관에서 나타나는 마모성결함을 모의하기 위하여 그루브(Groove)를 크기별로 다단가공하여 정확한 교정곡선을 얻도록 하는 것이다.

도 1은 본 고안의 교정시편집합체의 구성도

도 2는 도 1의 평면도

도 3은 본 고안의 교정시편봉 일부 확대도

도 4는 웨스팅 하우스사에서 공급한 17*17형 원자로 제어봉집합체의 개략도

도 5는 도 4의 평면도

도 6은 종래 교정시편봉의 일부 확대도

도 7은 원자로 제어봉 와전류검사 장치대의 평면 개략도

도 8은 기존의 교정시편봉으로 얻은 3점 사용시 교정곡선 그래프

도 9는 기존의 교정시편봉으로 얻은 5점 사용시 교정곡선 그래프

도 10은 본 고안의 교정시편집합체로 얻은 7점 사용시 교정곡선 그래프

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 제어봉 20 : 교정시편봉 30 : 제어봉 와전류검사 장치대

1" : 피복관 20A : 팁영역부 400 : 교정시편집합체

10 : 제어봉집합체 20B : 공동영역부 40 : 교정시편봉

20C : 흡수체영역부 45 : 그루브

도 1은 본 고안의 교정시편 집합체의 구성도이고, 도 2는 도 1의 평면도이다. 이하 설명에서 기존부분과 동일부분은 동일부호를 사용한다.

본 고안은 도 1에 도시한 바와 같이 지지봉(41)의 자유 단부의 측면에 방사상으로 다수개의 파지용 날개(411)를 형성하고 각각의 파지용 날개(411)의 자유단부에 교정시편봉(40)의 상단부를 각각 고정하여 방사상 형태로 결합하여 단일 교정 시편집합체(400)로 구성하여 제어봉 와전류검사 장치대(30)의 와전류 탐촉자 24개를 사용하여 교정시편 집합체(400)를 동시에 교정할 수 있도록 하는 것이다. 즉 본 고안에 따른 교정시편 집합체(400)의 교정시편봉(40)은 제어봉집합체(10)의 제어봉(1)과 같은 개수로 동일한 형태로 구성되어 있다.

본 고안은 교정시편 집합체(400)를 제어봉 와전류검사 장치대(30)의 24개 와전류 탐촉자에 대하여 한번의 삽입 및 인출을 수행하도록 함으로써 교정신호를 얻도록 하는 것이며, 이러한 동시교정 신호는 다채널 기능을 보유한 와전류검사장비(Miz-30/8, Zetec사, 최대 64채널)의 사용에 의해 가능하다.

이와 같은 교정시편집합체(400)를 구성하는 각각의 교정시편봉(40)은 공동영역부(42), 흡수체영역부(43), 팁영역부(44)등 3부분으로 구성되며, 상기 흡수체영역부(43)는 지지카드와 제어봉(1)간의 상호작용에 의해 발생되는 제어봉(1)의 흡수체영역의 마모성결함을 측정하는 영역이고 팁영역부(44)에서는 제어봉(1)의 하단부 즉 팁영역에서 나타나는 균열성결함을 측정하기 위한 영역이다.

따라서 교정시편봉(40)의 흡수체영역부(43)로 정량화(定量化)된 마모성결함을 검출하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 교정시편봉(40)의 흡수체영역부(43)에 정량화된 인위적인 마모성 모의결함인 다수개의 그루브(45)를 깊이를 달리하여 다단으로 가공한다. 상기 그루브(45)는 흡수체영역부(43)의 외주면에 가로방향으로 파인 홈으로 된 둥근 띠 형상으로 가공된 모의 결함으로 깊이는 각 그루브(45)마다 다르게 형성되며, 그루브(45)의 폭은 그루브(45)간의 간격과 대비하여 1 : 4의 비율을 갖는다.

도 3에 있어서 미설명부호 46은 흡수체, 47은 피복관이다.

와전류검사 장치대(30)로 와전류신호를 평가하기 위해서는 교정곡선이 필요하고 교정곡선은 교정시편봉(40)의 흡수체영역부(43)에 모의결함인 그루브(45)를 크기별로 적어도 2개 이상 만들어 각각의 크기에 대응한 교정신호를 얻도록 한것인데, 예를 들어 모의결함의 크기를 그루브(45)의 깊이로 표현하고 흡수체영역부(43)의 외측면에 결함이 없는 부위를 0%라 하였을 때 모의결함의 크기를 50%, 100% 2개로 가공하고 0%-5%-100%의 세점을 잇는 곡선을 연결하여 교정곡선을 얻고, 이 곡선을 컴퓨터 등을 이용하여 최적화하여 최적화된 곡선으로 만들어 결함크기에 대한 전압과 결함크기에 대한 위상각의 함수관계식을 나타내는 곡선을 얻는 것이다.

이하 모의결함의 크기는 상술한 바와 같이 %로 표시하고 모의결함의 깊이가 깊을수록 높은 수치를 사용하여 모의결함 즉 그루브(45)의 크기를 표현한다.

따라서 교정시편(40)의 흡수체영역부(43)에 모의 결함인 그루브(45)를 가공하는 개수는 적어도 2개 이상이어야 하고, 피검사대상체인 제어봉(1)의 위치별 발생 가능한 결함들을 모의할 수 있는 형태로 가공한다.

따라서 본 고안의 교정시편집합체(400)는 교정시편봉(40) 각각의 평면상 기하학적 배치가 17*17형 제어봉집합체(10)의 제어봉(1) 각각의 평면상 위치와 동일하게 배치됨이 필요하다.

특히, 본 고안에 있어서 교정시편집합체(400)의 교정시편봉(40) 각각에 가공시킨 모의결함인 그루브(45)는 제어봉(1)의 흡수체와 스프링을 내장하고있는 얇은 튜브인 제어봉피복관(1")의 흡수체영역부(1D)에서 나타나는 체적성을 갖는 마모결함을 검출하기 위한 인위적으로 가공되는 모의 결함이므로, 교정시편봉(40)에 그루브(45)를 크기별로 다단가공되어야 하는데, 그루브(45)의 크기별 종류별로 교정곡선을 얻게 한다. 이와 같이 교정곡선을 작성하는데 있어서 3개의 그루브(45)(0%그루브, 25%그루브, 50%그루브)를 가공하는 것보다 5개의 그루브(45)(0%그루브, 25%그루브, 40%그루브, 50%그루브, 70%그루브)를 가공하는 것이 더욱 정확하며, 5개보다는 7개의 그루브(45)(0%그루브, 15%그루브, 25%그루브, 40%그루브, 50%그루브, 60%그루브, 70%그루브)가 가공된 교정시험편이 더욱정밀한 교정곡선을 작성하도록 한다. 7개이상을 가공하는것도 더욱 정밀할 것으로 추단되나 실험결과 7개이상에서는 정밀도가 현저하게 증가하지 않으므로 의미가 없는 것으로 나타났다. 또한 ASME 코드에서 요구한 결함감지부(Sensing Unit)는 와전류 탐촉자에 감긴 코일부분으로서 제어봉검사에 사용되는 코일(Encircling Coil)의 최대폭이 4.5mm이므로 본 고안에 있어서의 그루브(45)간 간격을 9.0mm 이상되게 40mm로 가공하여 인접한 결함신호간 상호영향을 배제시킨다.

이와 같은 본 고안을 비교실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

제어봉(1) 흡수체영역(1D)에서 나타나는 마모성결함을 모의하기 위해 크기별로 6종류의 그루브(45)를 가공한 교정시편집합체(400)와 크기별 2종류의 그루브(20"')를 가공한 종래 교정시편봉(20)과의 교정정확도를 비교하면 다음과 같다.

도 8, 도 9 및 도 10은 각각 결함 크기별로 3종류(0%, 25%, 50%), 5종류(0%, 25%, 40%, 50%, 70%), 7종류(0%, 15%, 25%, 40%, 50%, 60%, 70%) 모의결함들로 와전류검사 교정곡선 등을 얻은 것을 나타내며, 이 교정곡선 들은 미국 Zetec사 와전류검사장비(Miz-30/8)에 정착된 Eddynet 95(UNIX Uersion)로 얻었다.

상기 교정곡선을 얻는 방법은 교정시편집합체(400) 또는 교정시편봉(20)을 와전류 탐촉자가 내장된 검사장치대(30)에 삽입 및 인출시켜 와전류검사장비(Miz 30/8)에서 와전류 신호를 얻어 예컨데 도 8, 도 9 및 도 10과 같이 신호크기에 해당하는 전압과 모의결함 크기를 1:1 대응시켜 교정곡선을 얻는다.

본 고안에 의한 교정곡선은 도 10과 같고, 기존 교정시편봉(20)으로 얻은 교정곡선은 도 8과 도 9이며, 이러한 교정곡선데이터를 이용하여 각 교정방법에 대한 정확도를 비교한 것이 다음과 표 1이다.

상기 표 1에서 알수 있듯이 오차들의 RMS(Root Mean Square)를 구해서 비교하면 3점 즉, 3종류 모의결함으로 교정곡선을 얻는 것보다 7점 즉, 7종류 모의결함으로 교정곡선을 얻는 것이 더 정확함을 알 수 있다.

ASME 코드에서는 와전류검사 교정신호 취득속도를 14(in/sec)이하가 되게 규정하고 있고, 제어봉 와전류검사 장치대의 길이가 약 30Cm이므로 기존방식에 의한 교정시편봉 사용시 삽입 및 인출에 의한 와전류 교정신호를 획득하는데 최고 약 2초가 소요되나, 실제에 있어서는 제어봉 와전류검사 장치대 안내관에 초기 삽입시 시간지연과 깨끗한 와전류신호를 얻기 위해 낮은 삽입 및 인출속도로 인해 와전류 탐촉자 1개에서 교정을 위한 와전류신호(교정신호)를 얻는데 약 1분 정도 소요된다.

본 고안은 17*17형 제어봉집합체 1개를 기존방식과 달리 한번에 검사할 수 있게 24개 와전류 탐촉자를 내장하여 장치화한 제어봉 와전류검사 장치대를 사용함으로써 검사하고자 하는 원자로내 17*17형 제어봉집합체의 와전류검사 및 평가공정일수를 크게 단축시킬 수 있다.

즉, 본 고안은 24개 와전류 탐촉자 전부에 대한 한번의 교정신호를 획득하는데 필요한 시간은 1∼2분 정도밖에 걸리지 않아 기존방식의 1/24 수준이 되며, 또한 교정시편봉 각각의 이송속도를 동일하게 유지할 수 있어(한번의 삽입 및 인출) 교정신호 해석을 균일하게 할 수 있다.

이와 같은 본 고안에 의한 동시교정신호 획득방법은 기존의 6개 탐촉자가 내장된 제어봉 와전류검사 장치대를 사용할 때보다 24개 탐촉자가 내장된 제어봉 와전류검사 장치대를 사용할때 더욱 필요하게 되고, 와전류신호 획득을 용이하고도 신속하게 얻을 수 있는 효과를 가진다.

Claims (3)

1. 와전류 탐촉자가 구비된 제어봉 와전류검사장치대에 의하여 제어봉의 결함을 측정 및 교정하기 위한 교정시편봉에 있어서, 제어봉 집합체와 동일한 형태로 지지봉(41)의 자유 단부의 측면에 방사상으로 다수개의 파지용 날개(411)를 형성하고 각각의 파지용 날개(411)의 자유단부에 흡수체영역부(43)의 외주면에 가로방향으로 각각 깊이가 다르게 둥근 링상으로 파여진 모의결함으로 된 다수개의 그루브(45)가 형성된 교정시편봉(40)의 상단부를 각각 고정하여 방사상 형태로 결합한 17*17형 원자로 제어봉 와전류 검사용 교정시편집합체.
2. 제1항에 있어서, 교정시편봉(40)의 흡수체영역부 그루브(45)간의 간격을 9.0mm 이상되게 40mm로 가공하여 형성함을 특징으로 하는 17*17형 원자로 제어봉 와전류 검사용 교정시편집합체.
3. 제1항에 있어서, 교정시편봉(40)의 흡수체영역부(43)에 가공된 그루브(45)는 깊이에 따른 크기별로 7종류 모의결함(0%, 15%, 25%, 40%, 50%, 60%, 70%)으로 이루어져 교정곡선을 얻도록 함을 특징으로 하는 17*17형 원자로 제어봉 와전류 검사용 교정시편집합체.