KR940002989B1 - 손상된 연료봉 탐지 방법 및 장치 - Google Patents

손상된 연료봉 탐지 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

손상된 연료봉 탐지 방법 및 장치
제1도는 본 발명의 일부를 형성하는 탐사침의 개략도.
제2도는 연료봉 조립체를 탐지하는 장치의 개략도.
제3a도는 제2도의 장치의 작동을 보여주는 개략도.
제3b도는 핀(22)의 운동을 보여주는, 제3a도의 판(26)의 일부분의 확대 개략도.
제4도는 검사시의 탐사침의 헤드를 보여주는 평면도.
제5a 및 b도는 정상적인 것과 결함이 있는 연료봉 각각으로 부터의 반사파를 기록하는 오실로스코프의 전사도.
제6도는 탐사침이 연료봉들의 열을 지나갈때의 줄무늬 도표 기록의 전사도.
제7도는 탐사침과 연료봉 열의 관계를 보여주며, 소비시간 규모에 대한 제6도와 같은 기록의 일부분의 확대도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 탐사침 3 : (탐사침) 핸들
4 : 변환기(transducer) 6 : 탭(tab)
8 : 판 스프링 10 : 장착블럭
11 : 전선 케이블 14 : 리브
16 : 지지대 18,20 : 레일
22 : 안내핀 24 : 홈
26 : 안내판 28 : 전향판
30 : 전향면 32 : 유압실린더
34 : 연료봉 36 : 연료봉조립체
38 : 공압실린더 37,39 : 안내부재
40 : 반사파 42 : 펄스
본 발명은 원자로의 연료봉 조립체를 검사하는 장치 및 그 방법에 관한 것이며, 특히 수중에서 초음파를 이용하여 연료봉을 검사하는 장치 및 그 작동방법에 관한 것이다.
대부분의 원자로는 수냉각식으로 조절되는 원자로로서 농축우라늄 산화물을 연료로 이용한다. 원자로의 노심은 단면이 사각형의 집합체로 이루어진 길다란 연료봉들로 형성된다. 연료봉들의 직경은 보통 1/4 내지 1/2인치(inch)이며 그 길이는 10 내지 12피트(feet)로 될 수 있다. 그 연료봉들은 상호 평행하게 이격되어 유지된다. 각각의 봉은 지르코늄합금 또는 스테인레스강으로 만들어진 자켓(jacket) 또는 "클래딩(cladding)"으로 형성되며, 우라늄 산화물로 채워진다. 통상 우라늄산화물은, 클래딩속으로 밀어넣기 편리하도록 클래딩보다 충분히 작은 펠릿(pellet) 형태로 된다. 또한 우라늄산화물은 클래딩속에 조밀하게(compacted) 채워가는 미소입자 또는 과립형태로 될 수 있다. 클래딩속의 잔여 공간은 보통 높은 열전도성을 지니는 헬륨으로 충전된다. 헬륨은 통상 고압상태로, 예를들면 400ℓb/ in2으로 충전된다.
원자로의 작동중에 클래딩관의 단부를 밀폐하는 단부 플러그에서의 용접결함, 응력, 부식 또는 마모때문에, 클래딩에 구멍이 생길 수 있다. 이같은 구멍이 발생되면, 헬륨 및 핵분열 가스가 원자로의 냉각수내로 누출될 것이며, 또한 냉각수가 클래딩관속으로 침투하게 될 것이다.
연료봉 조립제가 주어진 기간동안 원자로에 배치된 다음에는, 그 조립체를 꺼내서 결함을 검사하고 필요하면 수리하여 원자로에 다시 집어넣거나 또는 재가공 또는 영구저장 처리한다. 연료봉 조립체가 원자로에 다시 넣어지는 경우에는 필수적으로 연료봉의 결함을 검사해야 한다. 이러한 조사(照射)된 조립체들은 높은 방사성을 지니므로 조립체를 다루는 사람들을 보호하고 핵분열 생성물의 붕괴에 의해 발생된 열을 제거하기 위하여 물속에 저장되어 검사되어야 한다. 그러므로 물속에서, 연료봉들을 조립하는 동안 연료봉의 누출을 검사하기 위한 방법을 제공하는 것이 대단히 요구된다. 상기 검사의 한 방법은 초음파검사이다. 그같은 방법이 바브콕앤드 윌콕스 캄퍼니에 양도된 1982년 2월 2일자 미국특허 제4,313,791호에 개시되어 있다. 이 방법에서, 초음파 진동을 방출하는 변환기는 연료봉을 향해 배치되어 초음파비임을 연료봉에 전달한다. 검사는 우라늄산화물을 포함하지 않는 연료봉의 일부분에서 수행된다. 펄스-에코(pulse-echo)장치에 의해 수신된 반사파를 분석하면 연료봉의 상기 일부분에 물이 침투되었는지의 여부를 알 수 있다. 우라늄산화물이 존재하는 연료봉의 일부분에서는, 상기와 같은 검사가 연료봉의 하부공간(plenum)에서와 같이 실행되지 않는다.
상기 방법의 단점은, 대부분의 연료봉이 하부 공간을 지나지 않는다는 데에 있다.
본 출원은 종래의 장치를 개선시킨, 손상된 연료봉 초음파 검사방법 및 장치를 제안한다. 본 발명에 따른 변환기는 검사될 연료봉들의 열(row)들이 이격배치된 연료봉 조립체를 통해 이동한다. 이동중에 일련의 초음파 펄스(pulse)가 비임 형태로 변환기로부터 방출된다. 비임이 연료봉에 이르면 봉의 외측표면으로 부터 반사된다. 비임이 상기 표면에 정확히 수직하면, 그 비임은 변환기내로 반사된다. 공지의 전기장치를 사용하면, 이같은 반사가 전기적 신호를 발생시킨다. 이 방법은 "펄스-에코(pulse-echo)"기술이라 불려진다. 그러나 모든 초음파 비임이 그 외측표면에서 반사되는 것은 아니다. 그 초음파 비임의 일부는 관의 벽에 남아서 클래딩의 내측표면에 부딪힌다. 완전한 연료봉에는 실제로 금속-가스 계면이 존재한다. 우라늄이산화물 관 사이를 어떤 방식으로 밀폐하더라도, 그와 같은 접촉은 효율적인 음향에너지 전달에 불충분하다. 또한 초음파는 헬륨가스에 의해서 효과적으로 전달되지 못한다. 그러므로 관의 외측표면뿐 아니라 관의 내측표면으로부터의 반사가 초래된다. 실제로 초음파는 관의 내측벽과 외측벽 사이에서 전후로 반사되어, 소위 "벽울림"현상을 초래한다. 이 벽울림은 전술된 전기장치에 의해 기록된다. 관에 물이 채워져 있으면, 유효 연료봉 에너지가 관벽으로 부터 물로 전달되어 초음파가 물에 분산된다. 이는 벽울림을 크게 약화시킨다. 우라늄이산화물의 존재여부는 중요치 않다. 연료봉속의 물과 클래딩의 효율적인 "연결(copupling)"은 벽울림을 약화시키므로 결함이 있는 연료봉을 탐지해낸다.
특히, 변환기는 연료봉들의 열을 따라 이동하면서 일련의 초음파펄스를 계속하여 방출한다. 통상 초음파는 15-20MHz의 주파수를 지니며 펄스는 1-8KHz의 반복속도를 지닌다. 변환기가 연료봉의 외측표면으로 부터 반사파를 수신하면, 신호는 기록매체, 예를들면 줄무늬도표로 전달된다. 이는 소위 "시간 창(time window)"이라고 칭해질 수 있는 예정된 기간에 걸쳐 행해진다. 클래딩의 두께 및 다른 특징에 따라 선택되는 시간 지연후, "벽울림"으로 부터의 반사파는 다른 "시간창"동안에 샘플화되며, 그 진폭이 예정된 역치(threshold) 이상이면, 제2신호가 기록매체에 전달된다. 제2신호가 없다는 것은, 관속에 물이 존재하여 그 관은 결함이 있다는 것을 나타낸다.
본 발명은 상술한 방법을 효과적으로 수행하기 위한 장치를 포함한다. 변환기는 탐사침에 장착되어 있으며, 그 탐사침은 검사될 관과 변환기 사이에 적당한 간격을 제공하고 또한 비임이 연료봉축에 수직하도록 변환기의 적절히 배치하는 구조로 된다. 또한 본 발명에 따라 연료봉 조립체가 물속에 있는 동안 탐사침을 연료봉 조립체속에 정확하게 신속하게 삽입시키는 안내장치가 제공된다.
상기 안내장치는 검사될 연료봉이 열이 평행하며 그 열들과 동일 거리로 이격된 홈들을 지닌 판을 포함한다. 상기 홈들을 따라 작동하는 왕복운동 장치는, 탐사침을 조립체내의 연료봉들의 열들을 따라 이동시킨다. 상기 왕복운동요소가 후퇴하면 압축매체는 상기 왕복운동요소에 힘을 가해 후속 홈으로 자동적으로 이동시키므로써, 연료조립체를 매우 신속하게 검사할 수 있다.
첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제1도는 연료봉 조립체 검사에 사용되는 기본적인 탐사침(2)의 구조를 보여준다. 탐사침(2)은 탐사침 핸들(3) 및 그 일단부에서 변환기(4)를 포함한다. 변환기는 천공된 판 스프링(8)으로 부터 이격된 정렬 탭(6)에 장착된다. 탐사침 핸들(3)의 타단부에는, 전선케이블(12) 연결구 역할을 하는 장착블럭(10)이 제공된다. 탐사침 핸들(3)은 함께 용접된 2개의 스테인레스강판으로 제조된다. 각각의 스테인레스강판내의 보강리브(14)는 핸들의 축방 견고성을 증가시키지만, 탐사침 헤드가 정렬 탭(6)에 의해 적절히 정렬되는데 필요한 비틀림 유연성을 유지한다. 또한 이러한 리브들은 변환기(4)로 부터 전선케이블(12)까지 신호선(signal wire)연장공간을 제공한다.
제2도, 3a도 및 3b도는, 탐사침을 연료봉 조립체속에 삽입시키는 작동 장치를 보여준다. 설치블럭(10)은 지지대(16)상에 설치되어 있으며, 그 지지대(16)는 종방향 이동을 제공하는 레일(18,18')과 횡방향 이동을 제공하는 레일(20)상에 설치되어 있다. 안내핀(22)은 안내판(26)의 홈(24)에서 활주한다. 홈(24)은 제2도와 3도의 좌측에 도시된 바와같이 일단부가 개방되어 있으며 전향판(18)과 대면하며, 전향판(28)에는 다수의 전향면(30)들이 제공되어 있으며 각각의 전향면(30)은 각각의 홈(24)들과 대면한다. 제2도에 도시되어 있지 않은 작동장치가 제3a도에 도식적으로 표시되어 있다. 왕복운동 유압실린더(32)는, 변환기가 연료봉 조립체(36)의 연료봉(34) 열을 따라 이동되도록 지지대(16)와 탐사침(2)을 이동시킨다. 동시에 공압실린더(38)는 측방향으로 계속적인 압력을 가한다. 이러한 실린더들의 작동에 의해 핀(22)은 홈(24)을 따라 종방향으로 제2도의 우측으로 이동하며 이후 복귀된다. 핀(22)이 홈(24)의 좌측끝에 도달하면, 제3b도에 최상으로 도시된 바와같이 실린더(38)가 핀(22)에 힘을 가해 그 핀(22)을 전향면(30)을 따라 측방으로 후속 홈(24)으로 이동시킨다. 상기 홈(24)들은, 연료봉(34)의 열들 사이의 간격과 같은 간격으로 이격되어 있다. 그러므로 변환기는 연료봉 조립체(36)의 연료봉의 열들을 따라 계속적으로 이동한다. 핀(22)이 마지막 홈(24')을 따라 양 방향으로 이동하였으면, 조작자는 공압실린더(38)에 의해 가해지는 힘의 방향을 역전시킨다. 이후 핀(22)은 지지대(16)와 탐사침(2)과 함께 안내판(26)의 단부에서 출발위치로 복귀 홈(41)을 따라 복귀된다.
안내부재(37,39)는 연료봉(34)과 같은 형태로 만들어지며 이들 부재중 하나는 양 단부가 개방되어 있다. 장치가 물속에 잠기면 상기 양단부가 개방된 안내부재에 물이 채워져서 그 관은 결함있는 연료봉으로 가장된다. 이것은 실제 검사중의 장치의 조작에 대한 검사를 제공한다.
제4도는 검사가 행해질때 연료봉(34)에 대한 변환기(4)의 상대위치를 보여준다. 탐사침이 연료봉(34)의 열들 사이에 삽입되면, 변환기(4)는 일련의 펄스를 계속 방출한다. 변환기(4)의 대부분의 이동위치에서는 연료봉으로 부터의 반사파가 변환기로 복귀되지 않는다. 그러나 변환기가 제4도의 위치에 있을때는 초음파가 화살표로 표시된 경로를 따르게 되어 그 반사파가 변환기에 수신되어 기록된다. 예를들어 코르크와 같은 흡음재(35)가 변환기 배후로부터 오신호를 수신하는 것을 차단한다.
제5a도 및 제5b도는, 오실로스코프에 기록된 대표적인 반사파 형태의 예를 보여준다. 이 그래프의 수평축은 시간을 측정하고 수직축은 변환기에 의해 수신된 반사파의 진폭을 측정한다. 제5a도는 물을 포함하지 않는 관의 신호특성을 보여주며 연료봉(34)의 외측표면으로 부터의 제1반사파(40)가 나타나 있다. "벽울림"으로 알려진, 연료봉의 내측면과 외측면 사이에서 초음파가 전후로 반사하므로써 진폭이 감소하는 일련의 반사파가 이어진다.
다른 펄스(42)는, 초음파가 외측벽으로 부터 변환기로 다시 외측벽으로 또다시 변환기로 반사됨으로써 나타난 것이다. 이것은 "제2수중경로"라 칭해진다.
제5b도는, 연료봉에 물이 침투했을때의 신호를 보여준다. 제5b도는 제5a도와 동일형태를 지니지만, "벽울림"의 진폭은 더 신속히 감쇠되어 제2수중경로가 기록될때는 거의 사라진다.
검사를 하는데 있어서, 변환기가 반사파(40)를 수신하면 "시간창"(44)에 걸쳐 그 신호를 기록하도록 고안된 수단이 사용된다. 제2수중경로를 배제하도록 선택된 특정한 시간이 지난뒤에는, 다른 신호가 "시간창"(46)에 걸쳐 기록되며, 이때 제공된 신호는 예정 진폭 이상이다. 신호가 예정진폭수준 이하로 되면, 기록되지 않는다. 그런 기록의 일례를 제6도에서 볼 수 있다. 제6도에서, 상부열은 변환기가 통과하는 각각의 연료봉으로 부터 시간창(44)에 수신된 반사파를 기록하는 한편, 하부열은 시간창(46)동안, 수신된 신호를 나타낸다. 어떤 경우에는 시간창(44)에 대응하는 시간창(46)이 존재하지 않을 수도 있다. 제7도에는 관들에 관련된 기록의 관계가 확대되어 도시되어 있다. 제7도는 물이 침추한 하나의 결함있는 연료봉(34')을 포함하는 연료봉(34)들의 열을 보여준다. 상부 신호기록은 시간창(44)중에 수신된 반사파를 보여주며, 하부신호기록은 시간창(46)중에 수신된 반사파를 보여준다. 결함있는 연료봉(34')에 대해서는 시간창(46)중에 신호가 나타나지 않는 것으로 주목된다.
연료봉(34)들의 열을 따르는 변환기의 전체 이동에 걸리는 시간은 겨우 수초이며, 따라서 본 발명에 따른 장치가 연료봉 조립체를 매우 신속하게 검사할 수 있다.

Claims (6)

  1. 핵 연료봉(34) 열(row)들이 직렬 이격 배치된 핵 연료봉 조립체(36)에서 물을 포함하지 않는 핵 연료봉으로부터 물을 포함하는 핵 연료봉을 탐지하는 방법에 있어서, 단일 초음파 전달-수신 변환기(4)를 상기 연료봉 열들중 하나의 열에 평행하고 상기 열내의 연료봉(34)들로부터 이격되게 이동시키는 단계 ; 초음파를 상기 연료봉들의 축에 대해 직각방향을 연속방출시키는 단계 ; 제1반사파(40)가 연료봉의 외표면으로부터 수신되면 상기 반사파(40)를 기록매체상에 예정된 시간창(time window ; 44)에 걸쳐 기록하는 단계 ; 초음파가 상기 연료봉(34)의 외벽으로 부터 상기 변환기(4)로 다시 상기 외벽으로 다시 상기 변환기(4)로 반사되어 발생된 펄스(42)를 배제하도록 선정된 예정시간후 및 클래딩 벽에서의 전체적인 반사에 상응하는 시간창(46) 동안 예정된 역치(threshold)보다 큰 제2의 반복 수신 반사파를 기록하는 단계 ; 를 포함하며, 상기 제2반사파는 상기 변환기(4)에 가장 인접한 연료봉의 클래딩의 외표면과 내표면 사이에서 전후로 반사되어 발생되며, 상기 역치 이상의 상기 제2반사파가 없으면 물이 존재함을 나타내는, 핵 연료봉 조립체에서 물을 포함하지 않는 핵연료봉으로 부터 물을 포함하는 핵연료봉을 탐지하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변환기(4)는 외측 원통형 금속 클래딩에서 세라믹 연료를 포함하는 상기 연료봉의 일부분에 인접하게 배치되며, 상기 제1반사파(40)는 상기 변환기(4)가 상기 연료봉(34)의 축에 정렬될때 상기 변환기에 가장 인접한 연료봉(34)의 클래딩벽의 외표면으로부터 기록되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 초음파는 15 내지 20MHz의 주파수를 지니며, 펄스는 1 내지 8KHz의 반복속도를 지니는 방법.
  4. 핵 연료봉(34)들이 평행렬(row)들로 정렬된 연료봉 조립체(36)에서 핵 연료봉(34)내의 물의 존재를 검출하는 장치에 있어서, 비틀림 가요성을 갖는 길다란 핸들(3)을 지니는 긴 탐사침(2) ; 상기 핸들(3)의 일단부에 장착된 적어도 하나의 정렬 탭(6) ; 상기 일단부 근처의 상기 정렬 탭(6)에 장착된 초음파 전달-수신 변환기(4) ; 상기 일단부의 입접부에서 상기 탭으로부터 이격된 판 스프링(8) ; 및 상기 핸들, 탭, 스프링 및 변환기로 부터의 오신호(false signale)의 수신을 차단하도록 배치된 흡음재(35) ; 로 구성되며, 상기 탭(6)은 상기 판 스프링(8)으로 부터 이격되며 상기 핸들에 대해 직각으로 연장되며, 상기 탭(6)의 일면은 상기 연료봉(34) 열들중 제1열의 적어도 하나의 연료봉을 향해 배치되며, 상기 판 스프링(8)은 상기 제1열에 인접한 상기 열들중 제2열내의 연료봉들중 적어도 하나와 교합하며, 상기 흡음재(35)는, 상기 탐사침(2)이 상기 연료봉들의 2개의 열 사이로 삽입될때, 상기 변환기(4)가 상기 제2열의 상기 연료봉들의 축에 대해 직각으로 빔(beam)을 방출하고 상기 제2열의 상기 연료봉들로 부터의 상기 빔의 반사파를 수신하도록 연계되는, 연료봉 조립체에서 핵 연료봉(34)내의 물의 존재를 검출하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 변환기(4)에 연결되어 변환기의 출력신호 및 그에 따른 하나의 연료봉으로 부터의 반사파의 감쇠율과, 상기 예정 진폭을 초과한 경우 물을 포함하는 연료봉이 있음을 나타내는 예정된 감쇠율을 비교하도록 배치된 수단을 더 포함하는 장치.
  6. 제4항에 있어서, 검사동안 물이 충전되는 관형 안내부재(37)를 더 포함하며, 상기 안내부재(37)는, 검사동안 상기 변환기(4)가 상기 안내부재(37)를 통과할때 상기 장치의 작동이 검사되도록 배치되는 장치.
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