KR101200781B1 - 프로브 및 이를 포함하는 연료봉 산화막 두께 측정장치 - Google Patents

프로브 및 이를 포함하는 연료봉 산화막 두께 측정장치 Download PDF

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김성민
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Abstract

본 발명은 연료봉 집합체를 해체하지 않고, 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복 및 최외곽 연료봉 피복을 검사할 수 있는 프로브 및 연료봉 산화막 두께 측정장치를 개시한다.
개시된 본 발명의 프로브는 고정된 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 상하로 이동하면서 연속적으로 검사할 수 와전류 센서가 장착된 연료봉 이송영역을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 개시된 연료봉 산화막 두께 측정장치는 상하로 구동될 수 있는 실린더가 내부에 포함된 프레임;과, 상기 실린더의 일측에 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 검사하기 위해 연결된 프로브; 및 상기 실린더의 타측에 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복을 검사하기 위해 연결된 제2프로브; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

프로브 및 이를 포함하는 연료봉 산화막 두께 측정장치{PROBE AND APPARATUS FOR MEASURING OXIDE LAYER THICKNESS OF NUCLEAR FUEL ASSEMBLY CONTAINING THE　SAME}
본 발명은 핵연료 엘리먼트들의 연료봉 클래딩(cladding) 위에 형성되는 산화막두께를 와전류 센서를 이용하여 측정하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료봉의 산화막 두께를 측정하는 장치에 상하, 전후, 좌우로 구동할 수 있는 수단을 구비하고, 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복을 검사하기 위한 프로브와 최외곽 연료봉 피복을 검사하기 위한 프로브가 포함된 장치에 관한 것이다.
핵 원자로의 동작 동안, 각 핵연료 어셈블리에 배치된 핵연료봉들은 원자로 코어에 있는 냉각재/감속재에 잠긴다. 핵연료봉용 지르코늄 또는 지르칼로이 클래딩 튜브를 사용하는 경수로들내에서, 물을 사용하는 냉각재/감속재와 클레딩 튜브내 지르코늄간의 반응으로, 약 100μm 이내의 두께로 축적되는 지르코늄 산화물이 핵연료봉상에 형성된다. 연료봉 클래딩 튜브로부터 냉각재/감속재로의 열전달 중에 지르코늄산화물의 역효과와 클래딩의 구조적 완전성에 손상을 주는 금속손실로 인한 클레딩벽 두께의 가늘어짐 때문에, 각 연료봉에 허용되는 산화물의 최대량은 제한된다. 일단 이러한 제한치에 도달하면, 연료봉은 교체되어야 한다.
따라서 산화층의 두께 측정은 핵연료봉의 열적수압 성능, 연료봉 동작제한의 추정 및 연료봉 수명기간의 정확한 평가에 중요하다.
일반적으로 연료봉의 산화막 두께 측정은 와전류 검사법으로, 연료봉의 파손 여부는 초음파 검사로 수행된다.
와전류 검사법으로 연료봉 산화막 두께를 측정하기 위한 종래기술들의 예로 대한민국등록실용신안공보 제20-0339313호의 "핵연료봉의 원자로 제어봉 와전류 탐상대", 대한민국공개특허공보 제10-2004-0012065호의 "와전류 탐상 검사용 핵연료봉 이송장치", 대한민국등록특허공보 제10-0735213호의 "핵연료봉상에서 강자성 물질 아래에 형성된 산화물 두께측정 방법"등이 있다.
상기 종래기술에서 제시된 와전류 검사법은 연료봉 집합체를 해체하여야 하고, 해체된 연료봉을 하나하나 검사하여야 하므로 많은 시간이 소요되어 효율적으로 연료봉의 산화막을 검사할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 연료봉 집합체를 해체하지 않고 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 길이에 따라 상하로 이동하면서 연속적으로 검사할 수 있는 프로브를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 연료봉 집합체를 해체하지 않고 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복을 검사할 수 있는 프로브 및 최외곽 연료봉 피복을 검사할 수 있는 프로브가 포함된 연료봉 산화막 측정 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 프로브는 와전류 센서 및 연료봉 이송영역을 포함하여 구성되고, 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 상하로 이동하면서 연속적으로 검사할 수 있다.
상기 프로브는 길이방향의 반원형태 홈이 있는 다수의 이송영역이 구비된 것으로서, 와전류 센서가 장착된 연료봉 이송영역;과 상기 연료봉 이송영역의 상부에 위치하는 이송롤러;와 상기 연료봉 이송영역의 양측에 위치하는 이송지지영역;을 포함하여 구성될 수 있고, 상기 프로브는 상하로 이동하면서 고정된 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 와전류 센서를 통해 검사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 연료봉 산화막 두께 측정장치는, 상하로 구동될 수 있는 실린더가 내부에 포함된 프레임;과, 상기 실린더의 일측에 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 검사하기 위해 연결된 프로브;와 상기 실린더의 타측에 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복을 검사하기 위해 연결된 제2프로브;를 포함한다.
상기 프로브는 상하로 이동하면서 연속적으로 고정된 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 와전류 센서에 통해 검사하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2프로브는 소정의 길이를 가지는 박판형태의 끝부분에 와전류 센서가 장착된 것으로 구성될 수 있고, 상기 제2프로브는 전후로 이동하면서 고정된 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복을 와전류 센서를 통해 검사하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 가동 중인 고정된 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 상하로 이동하면서 연속적으로 검사할 수 있는 프로브를 제공함으로써, 최외곽 연료봉의 특정 지점(point)이 아닌 전체적으로 연료봉의 산화막 상태를 검사할 수 효과가 있다.
본 발명은 또한, 가동 중인 연료봉 집합체를 해체하지 않고 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복 및 내부 연료봉 피복을 동시에 검사할 수 있는 연료봉 산화막 측정 장치를 제공함으로써, 연료봉의 산화막 측정을 신속하고 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1a 는 본 발명에 사용되는 프로브를 나타낸 사시도.
도 1b 는 본 발명에 사용되는 프로브를 나타낸 일측면도.
도 2 는 본 발명에 따른 연료봉 산화막 측정 장치를 나타낸 사시도.
도 3 은 본 발명에 사용되는 측정부를 나타낸 사시도.
도 4 는 본 발명에 사용되는 제2프로브를 나타낸 사시도.
도 5 는 본 발명에 사용되는 좌우 이송부의 사시도.
도 6 은 본 발명에 사용되는 전후 이송부의 사시도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다. 또한 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
원자로 내부에 배열된, 핵연료는 연료봉 집합체를 단위로 구성되어 있으며, 하나의 연료봉 집합체는 수십 또는 수백개의 연료봉으로 구성된다. 그리고 하나의 핵연료봉은 펠렛 단위의 우라늄이 1mm 두께의 얇은 지르코늄 합금 피복관으로 덮여 있어서 외부의 손상으로부터 보호되도록 하고 방사능 누출이 되지 않도록 하는 구조로 이루어진다. 연료봉의 직경은 9.5mm 내외이고, 연료봉과 연료봉 사이의 간격은 3.3mm 내외이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 프로브(130)는 와전류 센서(131), 연료봉 이송영역(132), 이송롤러(133), 이송지지영역(134), 측부 지지프레임(135) 및 하판(136)으로 구성된다.
또한, 본 발명의 연료봉 산화막 측정 장치(1)는 크게 측정부(100), 좌우 이송부(200), 전후 이송부(300) 및 지지부(400)로 구성되어 있다.
상기 프로브(130)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 연료봉 산화막을 측정하는 부분으로서 검사 대상 연료봉의 피복에 접촉되도록 와전류 센서(131)가 장착된다. 상기 와전류 센서(131)가 연료봉에서 발생되는 와전류의 양을 측정하여 산화막의 두께를 측정하게 된다.
구체적으로 살펴보면, 소정의 길이가 있는 길이방향의 반원형태 홈이 형성된 연료봉 이송영역(132)이 중앙에 위치하고, 연료봉 이송영역(132)과 길이방향으로 이어지는 상부에 이송롤러(133)가 장착된다.
상기 연료봉 이송영역(132)의 양측에 연료봉 이송영역보다 더 긴 길이방향의 반원형태 홈이 있는 이송지지영역(134)이 각각 하나씩 위치하게 된다. 또한, 상기 연료봉 산화막을 측정하는 부분은 측부에 연결된 지지프레임(135)에 고정되고, 측부 지지프레임(135)은 저면에 연결된 하판(136)에 의해 고정된다.
즉, 상기 프로브(130)의 하판(136)이 상기 실린더(120)의 일측에 연결되고(도 3상에서 보면 좌측에 연결되어 있다.), 와전류 센서(131)가 장착된 연료봉 이송영역(132)에 검사대상이 되는 연료봉이 접촉하게 된다.
이때, 실린더(120)가 연료봉 집합체 최외곽 연료봉과 평행하게 상하로 구동함에 따라, 프로브(130)의 연료봉 이송영역(132)에 장착된 와전류 센서(131)에 의해 최외곽 연료봉의 전체적인 산화막 상태를 연속적으로 측정할 수 있도록 되어 있다.
이송롤러(133)는 상기 연료봉 이송영역(132)과 길이방향으로 이어지는 상부에 위치하여 산화막 검사대상이 되는 연료봉과 접촉되어 있고, 연료봉 이송영역(132)의 양측에 위치하고 있는 이송지지영역(134)은 산화막 검사대상이 되는 연료봉의 좌우에 위치한 각각의 연료봉과 접촉하고 있어, 프로브(130)가 실린더(120)에 연결되어 상하로 구동되면서 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 검사하는 동안 경로를 이탈하지 않도록 가이드 역할을 한다.
상기 측정부(100)는 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 및 내부 연료봉의 피복을 검사하기 위한 프로브가 장착된 부분으로서, 도 3에 상세히 도시되어 있는 것처럼 상하로 구동될 수 있는 실린더(120)가 내부에 포함된 프레임(110), 상기 실린더(120)의 일측에 하판(136)에 의해 연결되어 있는 프로브(130), 상기 실린더(120)의 타측에 하판(143)에 의해 연결되어 있는 제2프로브(140) 및 상기 프레임(110)을 고정시키는 하판(150)으로 구성되어 있다.
제2프로브(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 와전류 센서(142)가 길이방향의 박판형태(140) 끝부분에 장착되어 있으며, 이를 지지하는 하판(143)으로 구성되어 있다.
구체적으로 살펴보면, 제2프로브(140)의 하판(143)이 상기 실린더(120)의 타측에 연결되고(도 3상에서 보면 우측에 연결되어 있다.), 상기 측정부(100)가 전후 이송부(300)의 가이드 레일(310)을 따라 전후로 구동할 수 있도록 되어 있다.
즉, 연료봉 집합체와 근접한 곳에 본원 연료봉 산화막 두께 측정장치(1)가 위치하게 되고 상기 전후 이송부(300)에 의해 상기 제2프로브(140)의 와전류 센서(142)가 장착된 길이방향의 박판(141)이 연료봉과 연료봉 사이로 삽입된다.
이 때, 와전류 센서(142)와 연료봉이 접촉하면서 연료봉에서 발생되는 와전류의 양을 측정함으로써, 연료봉의 특정 지점에서의 산화막 상태를 측정할 수 있게 되어 있다.
또한, 박판(141)은 일정한 길이가 있고, 전후 이송부(300)에 의해 전후로 구동이 가능하게 구성되어 있으므로, 상기 전후 이송부(300)에 의해 측정부(100)를 전방으로 이동시키면 와전류 센서(142)가 장착된 박판(141)이 연료봉 집합체의 내부로 삽입되면서 연료봉 집합체 내부 연료봉의 산화막 상태를 검사할 수 있다.
상기 좌우 이송부(200)는 지지대(220)와 좌우로 구동할 수 있도록 2개의 원기둥 형태의 가이드 레일(210)이 구비되어 있으며, 지지대(220)의 저면에 반원 형태의 홈이 형성된 부재(230)가 장착되어 있어서 전후 이송부(300)에 설치된 가이드 레일(310)을 따라 전후로 구동할 수 있도록 되어 있다.
구체적으로 살펴보면, 연료봉 집합체와 근접한 곳에 본원 연료봉 산화막 두께 측정장치(1)를 위치시킨다. 상기 프로브(130)에 의해 최외곽 연료봉의 산화막을 전체적으로 측정하고자 하는 경우에는, 좌우 이송부(200)에 의해서 검사대상이 되는 연료봉 및 그 연료봉의 좌우에 위치한 연료봉이 연료봉 이송영역(132) 및 이송지지영역(134)과 평행하게 위치하도록 측정부(100)를 위치시킬 수 있도록 되어 있다.
또한, 제2프로브(140)에 의해 내부 연료봉의 산화막을 측정하고자 하는 경우에는 , 와전류 센서(142)가 장착된 소정의 길이를 가지는 박판(141)이 연료봉과 연료봉 사이로 삽입될 수 있게 제2프로브(140)를 위치시킬 수 있도록 되어 있다.
상기 전후 이송부(300)는 2개의 원기둥 형태의 가이드 레일(310)이 구비되어 있어, 상기 좌우 이송부(200)의 지지대(220) 저면에 장착된 반원형태의 홈이 형성된 부재(230)가 전후 이송부(300)의 가이드 레일(310)을 따라 전후로 구동할 수 있도록 되어 있다.
구체적으로 살펴보면, 상기 측정부(100)에 장착된 제2프로브(140)를 통해 연료봉 집합체 내부 연료봉 피복을 검사하는 경우에, 상기 좌우 이송부(200)에 의하여 와전류 센서(142)가 장착된 박판(141)이 연료봉과 연료봉 사이에 삽입될 수 있도록 위치시킨 후에, 상기 전후 이송부(300)에 의해 와전류 센서(142)가 장착된 박판(141)이 연료봉 사이로 삽입되면서 와전류 센서(142)와 접촉하는 내부 연료봉의 특정 지점에서 발생되는 와전류의 양을 측정하여 산화막 두께를 측정하게 된다.
한편, 와전류 센서에 의한 산화막 두께 측정은 와전류 센서에 교류전류를 흘려보내면 센서 주변에 자장이 발생하게 되고, 이 자장은 연료봉 표면에 와전류(eddy current)를 일으키게 된다. 이 와전류가 연료봉 표면에 어떤 흠집이 있으면 왜곡되는데 이 왜곡되는 전류의 양을 측정하면 연료봉 표면의 결함 형태나 크기를 알 수 있고, 산화막 두께 측정시에는 결함이 없기 때문에 연료봉 표면에 유도된 와전류 왜곡은 없지만, 산화막이 비전도체이기 때문에 산화막 두께가 두꺼울 수록 표면에 유도되는 와전류 값은 줄어들게 된다. 이를 Lift-Off라고 하고, 이 Lift-Off 값을 측정하여 연료봉 피복에 입혀져 있는 산화막 두께를 측정할 수 있다.
이상, 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 의하여 정의된다고 할 것이다.
1: 연료봉 산화막 두께 측정장치
100: 측정부, 200: 좌우 이송부, 300: 전후 이송부, 400: 지지대
110: 프레임, 120: 실린더, 130: 프로브, 140: 제2프로브, 150: 하판
131: 와전류 센서, 132: 연료봉 이송영역, 133: 이송롤러, 134: 이송지지 영역, 135: 측부 지지프레임, 136: 하판
141: 박판, 142: 와전류 센서, 143: 하판
210: 가이드 레일, 220: 하판, 230: 가이드 레일을 따라 이동할 수 있는 부재
310: 가이드 레일, 320: 하판

Claims (7)

  1. 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 상하로 이동하면서 연속적으로 검사할 수 있는 프로브(130)로서,
    상기 프로브(130)는, 와전류 센서(131)가 장착된 연료봉 이송영역(132);
    상기 연료봉 이송영역(132)의 상부에 위치하는 이송롤러(133); 및
    상기 연료봉 이송영역(132)의 양측에 위치하는 이송지지영역(134);을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프로브(130)는 길이방향의 반원형태 홈이 있는 이송영역이 구비된 것으로서,
    최외곽 연료봉 표면과 접촉할 수 있도록 와전류 센서(131)가 장착된 연료봉 이송영역(132)이 중앙에 위치하고, 연료봉 이송영역(132)과 길이방향으로 이어지는 상부에 이송롤러(133)가 구비되며, 연료봉 이송영역(132)의 양측에 이송지지영역(134)을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브.
  4. 연료봉 산화막 두께 측정장치에 있어서,
    상하로 구동될 수 있는 실린더(120)가 내부에 포함된 프레임(110);
    상기 실린더(120)의 일측에 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 검사하기 위해 연결된 프로브(130); 및
    상기 실린더(120)의 타측에 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복을 검사하기 위해 연결된 제2프로브(140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료봉 산화막 두께 측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로브(130)는 상하로 이동하면서 연속적으로 고정된 연료봉 집합체의 최외곽 연료봉 피복을 와전류 센서(131)를 통해 검사하는 것을 특징으로 하는 연료봉 산화막 두께 측정장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2프로브(140)는 박판(141) 및 와전류 센서(142)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료봉 산화막 두께 측정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2프로브(140)는 전후로 이동하면서 고정된 연료봉 집합체의 내부 연료봉 피복을 완전류 센서(142)를 통해 검사하는 것을 특징으로 하는 연료봉 산화막 두께 측정장치.
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