KR100270724B1 - 음향 에너지 주파수 감쇠를 이용하여 파손된 핵연료봉을 탐지하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

음향 에너지 주파수 감쇠를 이용하여 파손된 핵연료봉을 탐지하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 방법 및 장치는 핵 연료봉의 피복에서 연료봉의 내부 가스압력에 의해서 발생된 응력의 측정에 관한 것이다. 이것은 광대역 저주파 음향에너지 스펙트럼으로부터 2개의 특정 주파수의 감쇠율을 결정함으로써 수행된다. 상대 압력차는 측정이 가능하며, 따라서, 핵 연료봉 가스 압력의 손실은 핵연료봉 피복의 파손을 나타내는 직접적인 지표가 된다.

Description

음향 에너지 주파수 감쇠를 이용하여 파손된 핵연료봉을 탐지하기 위한 방법 및 장치
제1도는 본 발명에 따른 장치를 단순하게 나타낸 블록 선도.
제2도 및 제3도는 하나의 저압 핵연료봉 및 2개의 고압 핵연료봉으로부터 얻은 실제 자료를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 핵연료봉 11 : 송신기
12 : 제1음향 변환기 13 : 제2음향 변환기
14 : 수신기 15, 16 : 신호
17 : 스펙트럼 분석기
본 발명은 파손된 핵연료봉을 탐지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히 음향 에너지 스펙트럼의 진동수에 따른 감쇠(attenuation)를 측정하여 내부 연료봉 압력을 상대적으로 측정하고, 이에 따라 파손된 핵연료봉을 탐지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
핵연료봉에 존재하는 결함의 탐지는 초음파 시험 또는 시핑(sipping)에 의해서 정상적으로 수행된다. 초음파 시험에 있어서, 연료봉에 존재하는 물(고장을 나타냄)은 피복(cladding) 내벽의 계면에서 물(고장난 연료봉) 또는 가스(정상의 연료봉을 나타냄)로부터 반사된 초음파 에너지의 감쇠(attenuation)의 차이를 측정함으로써 탐지된다. 이러한 방법의 일 실시예가 본 발명의 출원인이 획득한 미합중국 특허 제 4,879,088 호에 개시되어 있다. 시핑(sipping)에 있어서, 습식 또는 건식방법은 고장난 연료봉으로부터 방출된 핵 분열가스를 탐지한다. 두가지 경우에 있어서, 펠렛 피복의 상호작용 또는 극히 작은 누설이 존재하는 조건에서는 두 가지 방법의 효과가 제한된다.
미합중국 특허 제 4,126,514 호에는 결함이 있는 연료체들을 탐지하기 위한 방법이 개시되어 있는데, 이 방법은 연료체 피복의 외부 표면과 정상적으로 사용되는 냉각액과 접촉을 차단하고, 다음에는 과도하게 부어오른 연료 펠렛의 존재를 알아내기 위하여 펄스의 반향 감쇠 측정(a plulsed echo attenuation measurement)을 수행하는 것이다. 연료체 내의 냉각액의 존재 또는 부어오른 연료 펠렛수의 측정은 반향 펄스의 적절한 해석에 의해서 이루어진다.
미합중국 특허 제 3,350,271 호에는 원자로 변환기가 개시되어 있는데, 이 변환기는 내부에 액체를 포함하고 있으며, 변환기가 액체를 가열하도록 열전달이 이루어진다. 정상적인 작동 조건하에, 압력은 상기 액체를 액체상태로서 유지시킨다. 초음파로 탐지되는 변환기에서의 액체의 가열은 소정 압력의 달성을 나타내는 지표로서 사용될 수 있다. 연료봉에서 누설이 일어나면 압력이 저하되고, 따라서 액체는 증발하여 오리피스를 통해서 팽창하여 누설이 발생한 것을 나타낸다.
그러나, 미합중국 특허 제 3,350,271 호는 연료봉의 내부 압력을 결정하기 위한 초음파 수단에 의한 응력측정을 수행할 수 없다.
미합중국 특허 제 4,009,616 호에는 밀봉된 폐쇄부에서 가스 압력을 측정하기 위한 음향 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 폐쇄부(연료봉) 내에서 내부 가스 압력에 의해 발생된 초음파 신호의 감쇠 및 속도 변화를 결정함으로서 수행된다. 이러한 방법에서는 신호가 가스를 통해서 전달되는 것이 필요하고, 피복을 통해서 수신되는 신호의 영향이 최소화 되는 것이 필요하다. 이것은 내부 가스 압력의 결과에 의한 연료 피복 재료에서의 상대 응력을 측정하는 본 발명에 따른 방법 및 장치와는 다르다. 또한, 미합중국 특허 제 4,006,616 호에 개시된 방법은 실용적이지 못하다. 왜냐하면, 실질적으로 모든 핵연료봉이 상기한 지역에서 음향 자료(즉, 속도 및 감쇠)에 포함된 모든 필수적인 정보들을 전체적으로 봉쇄하거나 또는 파괴할 수 있는 플레넘 스프링을 갖추고 있기 때문이다.
본 발명의 목적은 종래의 핵연료봉 파손 탐지방법의 난점을 극복하기 위한 것이며, 보다 신뢰성 있고 반복 수행이 가능한 핵연료봉 파손 탐지방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따라서, 파손된 핵연료봉을 탐지하기 위한 장치는 전기 에너지원을 제공하기 위한 송신기 수단을 포함하고, 핵연료봉의 외부피복에 특정 주파수의 펄스로 발생되는 초음파 에너지를 직접적으로 가하기 위하여 송신기 수단에 반응하는 제1변환기 수단을 포함한다. 제1변환기 수단으로부터 이격되어 있고 핵연료봉을 통과하고 핵연료봉을 따라서 전달되는 초음파 에너지를 수신하며, 초음파 에너지에 반응하여 전기 신호를 제공하기 위한 제2변환기 수단을 포함한다. 제2변환기 수단은 핵연료봉의 외부피복에 인접하여 위치한다. 파손된 핵연료봉을 탐지하기 위한 장치는 수신수단을 또한 포함하는데, 이 수신수단은 제2변환기로부터 발생된 신호에 대하여 반응하고, 상기 신호의 고 주파수 및 저 주파수 성분들을 처리하여 출력 신호를 제공한다. 수신 수단의 출력신호에 반응하고, 수신 초음파 에너지의 스펙트럼 성분을 저 주파수 및 고 주파수 범위에 걸쳐서 결정하고 각각의 주파수 성분의 진폭에 비례하는 결과적인 신호를 만들어 내기 위한 게이트 다중채널 스펙트럼 분석기를 포함한다. 상기 결과적인 신호는 핵연료봉 가스 압력의 어떠한 손실이 연료 피복의 파손을 나타내는 직접적인 측정치가 되도록, 피복 응력이 측정치와 결국 압력차의 측정치이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 일반적으로 핵연료봉의 피복에서 연료봉내의 내부 가스 압력에 의해서 발생된 상대 응력을 측정한다. 이것은 광대역 저주파 음향 에너지 스펙트럼으로부터 얻어낸 2개의 특정 주파수의 감쇠율(attenuation ratio)을 결정함으로서 이루어진다. 상대 압력차는 측정이 가능하고, 따라서 핵연료봉 가스 압력의 손실은 직접적으로 핵연료봉 피복의 파손을 나타낸다.
제1도에는 본 발명에 따른 장치가 도시되어 있다. 핵연료봉(1)은 광대역 펄스의 초음파 에너지를 핵연료봉에 가함으로써 시험된다. 이것은 송신기(11)로부터 제1음향 변환기(12)로 전기 에너지를 공급함으로써 수행된다. 송신기(11)는 300khz의 공진 주파수로 작동하는 압전 결정(piezoelectric crystal)의 형태인 것이 바람직하다. 제1음향 변환기로부터 이격되어 있는 제2음향 변환기(13)는 수신요소로서 기능한다. 두 변환기는 핵연료봉 플레넘 지역 주위에 다수의 나선형 음향 경로를 만들어 내도록 플레넘 지역(30)에 정렬된다. 변환기는 정상적으로는 핵연료봉에 직접 접촉하지 않는다. 변환기의 근접 전계효과(near field effect)를 최소화하기 위하여 0.127cm(0.050 inch)의 간격이 유지된다. 그러나, 이 간격이 임계치는 아니다. 음향 변환기(13)는 증폭기 구간, 및 고 대역 필터 및 저 대역 필터로 이루여져 있는 수신기(14)로 자체의 에너지를 제공한다. 필터 출력은 적절한 대역 필터들을 갖춘 게이트 다중 채널 스펙트럼 분석기(17)에 제공된다. 스펙트럼 분석기(17)는 송신기(11)로부터 나온 신호에 의해서 개폐된다.
송신기는 소정의 비율로 펄스를 발생시키며, 피복을 통해서 운반된 에너지의 주파수 스펙트럼은 제2변환기의 수신 결정(receiving crystal)에 의해서 수신되고, 수신기(14)를 통과하여 스펙트럼 분석기(17)로 제공된다. 스펙트럼 분석기(17)는 중요한 2개의 주파수 대를 여과하고, 각각의 주파수 성분의 진폭에 비례하는 신호(15) 및 (16)을 만들어 낸다. 약 100khz인 저주파의 감쇠는 피복에서 응력인자에 기인하는 고주파의 감쇠보다 현저하다. 저주파의 감쇠의 양은 피복의 응력들 (또는 내부 가스 압력)에 직접 관계된다.
지르칼로이 4로 이루어진 불활성 연료봉 내부에 35kg/㎠(500 psi)가스(피더블유알(PWR) 연료봉 수명의 말기에서 기대되는 최대량:연료의 순환동안에 정상의 연료봉에서 압력이 연료펠렛으로부터 배출되는 핵분열 가스 때문에 증가한 양)가 존재하는지 또는 존재하지 않는지를 결정하기 위해서 본 발명자에 의해 특정 시험이 수행되었다. 5개의 핵연료봉은 모두 내부 스프링을 갖추고 있는데, 한 연료봉은 제로압력을 갖고, 다른 하나는 4.2kg/㎠(60 psi)의 압력을 갖고, 또 다른 하나는 27.3kg/㎠(390 psi)의 압력을 가지며, 나머지 둘은 특정하지 않은 높은 압력을 갖는다. 이러한 연료봉들이 실험적인 실시예를 구성한다. 피더블유알(PWR) 연료봉은 통상적으로 27.3kg/㎠(390 psi)의 압력이 가해진다. 비더블유알(BWR) 연료봉은 통상적으로 4.2kg㎠(60 psi)의 압력이 가해진다. 시험은 수조(water bath)에서 수행된다. 음향 신호를 전달할 수 있는 수신가능한 연결 매질이 존재하는 한물에서 측정할 필요가 없음을 이해할 수 있을 것이다. 조사된 핵연료에 대한 응용에 있어서, 모든 시험은 사람에 대한 매우 높은 방사선 피해를 줄이기 위해서 수중에서 수행되어야 한다.
만약, 핵연료봉이 파손되면, 대부분의 가스는 빠져나가게 되고, 잔류하는 가스의 압력은 외부수압(시험이 이루어지는 원자로 중심 외부의 약 1.05k/㎠(15 psi)압력)과 같아질 것이다.
시험하는 동안에 50khz 내지 1Mhz 범위에서 대부분의 에너지를 갖는 송신기에 의해서 광대역 펄스가 발신된다. 펄스는 바람직하게는 100 내지 300khz 및 600 내지 1200khz의 서로 다른 대역 필터를 갖는 2개의 채널로 탐지된다. 변환기의 공간은 약 15.24cm(6 inch) 만큼 이격된 것이 바람직하다. 변환기 공간은 가능한 한 플레넘 면적 만큼의 구간(통상적으로 15.24cm(6 inch) 내지 27.94cm(11 inch)에 걸쳐있는 것이 바람직하다. 변환기는 300khz의 중심 주파수를 갖는다. 수신된 신호는 디지털화 되고, 페스트 푸리에 트랜스포머(Fast Fourier Transformer)를 사용하여 주파수 스펙트럼을 계산하는데 사용된다.
제2도를 참조하면, 100 내지 300kHz의 주파수 스펙트럼 표시는 0kg/㎠(0 psi)압력의 연료봉 및 내부 연료봉 압력과 바람직하게 반복가능하도록 상호 연관된 27.3kg/㎠(390 psi) 압력의 두 개의 연료봉에 대한 측정을 기초로 하여 묘사된다. 분산된 자료점들의 좌측 고정점은 0kg/㎠(0 psi)을 나타내고, 반면에, 우측 고정점들은 두 개의 서로 다른 27.3kg/㎠(390 psi) 압력의 연료봉을 나타낸다. 분산된 도표들 중앙의 수직선(y 축으로 상쇄됨)은 감쇠 인자들에서의 차이를 나타낸다.
제3도에 있어서, 동일한 3개의 핵연료봉에 대한 100khz 내지 300khz 및 600khz 내지 1200khz 에너지 값들 사이의 차이는 적게 분산된 자료(좌측의 0/kg㎠(0 psi)에 대한 바람직한 상호관계를 나타낸다. 제2도 및 제3도에 있어서, 0kg/㎠(0 psi) 조건은 고압 조건들과 뚜렷하게 구분될 수 있다.
측정 방법은 음향 속도에 있어서의 작은 변화 및 플레이트 대 세로파들의 감쇠에 있어서의 작은 변화들을 측정하는 능력에 기초한다. 이러한 변화들은 피복 응력에 비례하고, 수신 변환기에서 파동 상호작용을 발생시키는 것으로 믿어진다. 시험하는 동안에 최선의 감쇠율을 제공하는 것으로 결정된 주파수들은 100 내지 300khz 대 600 내지 1200khz 이지만, 본 발명은 이러한 범위에 특별히 제한되지 않는다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 장치는 표준 측정치를 제공하기 위한 것이라기 보다는 각각의 연료 집합체의 신호 진폭 집단의 분산에 기초하여 각각의 연료봉 파손을 알아내기 위한 것이다.
이것은 변화될 수 있는 핵분열 가스 배출에 의해서 발생된 혼란(perturbation)(각각의 연료봉 사이의 작은 압력차)을 정규화한다.
상기한 설명 및 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내고 있지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자들은 본 발명의 사상 및 영역에서 이탈하지 않는 다양한 수정 및 변경이 가능함을 명백하게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 파손된 핵연료봉을 탐지하기 위한 장치로서, 펄스의 전기 에너지원을 제공하기 위한 송신기 수단과, 상기 송신기 수단에 대하여 반응하는, 특정 주파수 펄스의 초음파 에너지를 상기 핵연료봉의 외부 피복에 직접적으로 가하기 위한 제1변환기 수단과, 상기 제1변환기 수단으로부터 이격되어 있고, 상기 핵연료봉의 외부피복에 인접하게 위치되어 있고, 상기 핵연료봉을 통해서 전달되는 초음파 에너지를 수신하며, 상기 초음파 에너지에 반응하여 전기 신호를 제공하기 위한 제2변환기 수단과, 상기 제2변환기로부터 나온 상기 전기신호에 대하여 반응하는, 상기 전기신호의 고주파수 및 저주파수 성분들을 처리하여 출력 신호를 제공하기 위한 수신수단과, 그리고 상기 수신수단으로부터 나온 출력신호와 반응하는, 수신 초음파 에너지의 스펙트럼 성분을 저주파수 범위 및 고주파수 범위에걸쳐서 결정하고, 각각의 주파수 성분의 진폭에 비례해서, 핵연료봉 가스 압력의 어떠한 손실이 핵연료봉 피복 파손의 직접적인 측정이 이루어지도록 피복의 응력의 측정치와 결국 압력차를 나타내는 결과적인 신호를 만들기 위한 게이트 다중 채널 스펙트럼 분석기를 포함한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 송신기 수단이 300khz의 주파수에서 펄스 신호를 제공하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2변환기 수단이 광대역 수신기인 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스펙트럼 분석기가 100khz 내지 300khz 범위의 저주파수 신호 및 600khz 내지 1200khz 범위의 고주파수 신호를 분석하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1변환기 수단이 500khz 내지 1MHz 범위의 광대역 펄스를 가하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 핵연료봉이 수조에 잠기는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 결과적인 신호가 저주파수 범위의 감쇠변화를 나타내는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수신수단이 증폭기 부분, 고대역 필터 및 저대역 필터를 포함하는 장치.
  9. 파손된 핵연료봉의 탐지 방법으로서, 초음파 에너지의 광대역 펄스를 핵연료봉에 가하는 단계와, 상기 단계에서 가해진 초음파 에너지에 반응하는, 상기 핵연료봉의 측정된 초음파 반응 감지하는 단계와, 상기 측정된 반응을 전기 신호로 전환시키는 단계와, 상기 전기 신호의 스펙트럼 성분을 스펙트럼 분석에 의해서 저주파 범위수 및 고주파수 범위에 걸쳐서 결정하고 각 주파수 성분의 진폭에 비례해서 결과적인 신호를 만드는 단계를 포함하며, 상기 결과적인 신호는 핵연료봉 가스 압력의 어떠한 손실이 핵연료봉 피복 파손의 직접적인 측정이 이루어지도록 피복의 응력의 측정치와, 결국 압력차인 것을 특징으로 하는 방법.
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