KR100292123B1 - 핵분열기체량 측정 및 포집방법과 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가압경수로(PWR) 핵연료봉내의 공간체적(void volume), 봉내압(internal pressure) 및 핵분열기체량을 측정하는 장치로써 실험은 원자력시설 핫셀(hot cell)에서 수행되며, 장치의 조작은 원격조종기(manipulator)와 전기적으로 조작된다. 이 장치는 기존장치와는 달리 천공용기와 표준용기내의 압력 측정시 정압(positive pressure)상태로 측정하므로 핵연료봉에서 천공용기로 또는 천공용기에서 표준용기로 핵분열기체를 팽창시킬 때 압력평형 도달시간을 단축시킬 수 있으며, 압력측정 정밀도가 기존 장치의 부압(negative pressure)을 측정하는 것 보다 높다. 또한 연료봉을 천공할 때 유압펀치에 의한 순간적인 충격하중이 패킹에 전달되지 않아 장치의 누설을 최소화할 수 있으므로 조사후시험(post-irradiation examination)에 대한 신뢰도와 정밀도를 향상시킬 수 있다. 특히 본 시험장치는 고연소 연료봉의 실험에 적합하게 고안되었으므로 앞으로 고연소 핵연료봉에 대한 건전성 및 설계자료를 확보하는데 큰 기여를 할 것이다.
Description
핵분열기체 측정시험은 결과는 사용후 핵연료의 건전성을 평가하고 신형핵연료 개발에 필요한 데이터를 제공하기 위해서 사용된다. 이 시험의 내용은 사용후 핵연료봉의 공간체적, 봉내압 및 기체량을 측정하며 핵분열기체의 성분을 분석하기 위하여 핵분열기체를 포집한다. 이 시험장치의 구성은 연료봉을 천공할 수 있는 천공장치, 기체를 팽창시킬 수 있는 천공용기와 표준용기, 진공용 밸브, 진공펌프 등으로 되어 있다. 본 시험장치의 특징은 핵분열기체량보다 천공용기와 표준용기의 체적을 작게 만들어 연료봉에서 방출되는 핵분열기체를 천공용기에 또는 천공용기에서 표준용기로 팽창시킬 때 기체의 평형압력(equilibrium pressure)이 정압(positive pressure)으로 유지시킬 수 있으므로 진공상태로 측정할 때보다 평형압력 도달시간이 단축되며 천공용기와 표준용기의 압력비가 적어 정밀도가 향상된다. 또한 기존의 압력 측정은 장치내의 압력이 진공이므로 정밀도가 낮은 진공게이지(상업용의 진공게이지 정밀도 20~30％)를 사용하였지만 본 발명의 장치내의 압력이 정압(positive pressure)이므로 압력계(정밀도 0.1％이내)를 사용할 수 있어 압력측정의 정밀도를 높일 수 있다.
그리고 연료봉 홀더를 개선하여 연료봉 주위에 기밀을 유지시키는 패킹에 충격하중이 전달되지 않도록 하여 패킹변형에 의한 장치의 누설을 최소화하였다.
기존의 핵분열기체 포집장치는 천공용기와 표준용기의 체적을 핵분열기체의 양보다 크게 만들어 기체를 용기에 팽창시켰을 때 압력은 진공압력(부압 : negative pressure)이 유지되므로 압력평형 도달시간이 늦다. 그리고 이 장치에 사용되는 진공용 밸브의 사용범위가 진공에서 대기압까지만 사용하게 되어 있으므로 이 장치에 대기압 이상의 압력이 걸릴 때는 누설될 가능성이 크다. 그러므로 이 장치는 연료봉에서 핵분열기체를 방출시킬 때는 천공용기(약 255 ㎤)와 표준용기(대형 : 692 ㎤, 소형 : 7.5 ㎤)에 동시에 팽창시켜야 누설위험이 적다. 또한 기체량 측정방법에 있어서도 정밀하지 못하다. 왜냐하면 핵연료봉을 천공하고 전체용기(천공용기+표준용기)에 핵분열 기체를 팽창시켜서 압력평형을 확인한 후 소형 표준용기(7.5 ㎤)내의 기체만을 토플러펌프에 부착된 뷰렛에 의하여 측정하고 이 측정된 기체량을 표준대기압 상태로 환산한 후 전체체적(천공용기 체적 + 표준용기 체적)과 소형표준용기의 체적비로 환산하여 기체량을 산출하므로 체적비(약 127.2배)가 너무 커서 오차가 크다.
상기한 기체량 측정방법 이외에도 또 한가지의 기존 방법은 천공용기의 체적을 핵연료봉의 기체량보다 크게 만들고 표준용기에 기체를 팽창시켜 기체 상태 방정식을 이용하여 기체량을 측정하는 방법이 있다. 이 경우에는 진공압력을 측정하므로 압력측정정밀도가 낮아 장치의 정밀도가 낮다. 그 이유는 일반적으로 압력계의 측정정밀도는 설계자의 선택에 따라 얼마든지 높은 등급의 압력계를 사용할 수 있지만 진공도를 측정하는 상업용 진공계의 정밀도 오차는 약 20~30％ 이기 때문에 정밀하지 못하다.
기존 핵분열기체 측정 및 포집장치는 핵분열기체를 천공 및 표준용기에 팽창시켰을 때 기체의 압력이 부압(negative pressure)으로 유지되는 방법을 이용했다. 그러나 이 방법을 사용할 경우 조사된 핵연료봉은 소결체(pellet)의 팽윤(swelling)으로 인해 소결체와 피복관(cladding)사이에 간격이 좁아진 상태이므로 기체의 유동성이 감소하여 핵분열기체를 팽창시킬 때 압력평형 도달시간이 오래 걸리고, 압력측정도 진공압력을 측정하므로 정압을 측정하는 것 보다 측정정밀도가 저하된다. 이러한 단점을 보완하고자 천공용기 및 표준용기의 크기를 핵연료봉의 핵분열 기체량 체적보다 작게 만들고 사용되는 구성품과 밸브류의 사용 압력범위를 진공에서부터 정압(사용압력: Min. 10-8 mbar ~ MAX. 6 bar)까지 사용할 수 있도록 구성한다. 그러면 천공용기 및 표준용기에 핵분열 기체를 팽창시킬 때 팽창압력상태가 정압(대기압 이상)이므로 압력평형 도달시간을 단축시키며 또한 압력측정도 진공이 아닌 정압으로 측정하므로 정밀도가 높은 압력계를 사용할 수 있어 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그리고 기존 장치의 연료봉 홀더는 약 4 m의 연료봉을 연료봉 홀더에 원격조종기(manipulator)로 삽입시키고 패킹으로 밀폐시켰을 때 천공되는 부분의 연료봉과 연료봉 홀더 내경사이에 간극이 존재한다. 이런 경우 연료봉이 뜬 상태가 되므로 유압펀치가 연료봉을 천공할 때 모든 힘은 패킹에 전달되어 변형이 생기므로 누설이 발생하게 된다. 즉 연료봉의 지지 형태는 패킹에 의해서 지지되는 외팔보 형태이다. 그러나 본 발명은 연료봉홀더 내면의 중심선 아래 부분을 연료봉과 접선이 되는 “V”형태로 설계하므로써 연료봉이 연료봉 홀더 내면에 접촉하도록 되어 있다. 이와 같은 연료봉 지지 방법은 연료봉을 천공할 때 펀치력이 연료봉 홀더 본체에 흡수되며 충격하중이 패킹에 전달되지 않아 패킹 변형으로 인한 누설 요인이 제거된다. 또한 연료봉의 굽힘(bending)현상도 발생되지 않으므로 장치의 성능 및 시험정밀도를 향상시킬 수 있다.
이 장치는 천공용기 및 표준용기에 사용되는 구성품들에 대하여 압력에 대한 사용범위를 진공에서 정압까지 확장시켰다.
다시 말하면 천공용기와 표준용기의 체적을 핵분열기체량보다 작게 만들어 핵분열 기체 팽창시 압력평형 도달시간을 단축시키고 천공용기와 표준용기의 압력비를 작게 하였을 뿐만 아니라 압력측정 계기도 정압계를 사용할 수 있도록 고안하여 시험 정밀도를 개선시킨 것이다.
그리고 연료봉 홀더의 연료봉 지지형태를 “V”형태로 하므로서 연료봉을 천공할 때 펀치의 충격하중이 패킹에 전달되지 않도록 하여 패킹 변형에 의한 누설 위험을 제거하였으며 이와같은 방법으로 장치의 누설에 대한 실험 오차를 최소화하여 정밀한 시험이 가능케 하였다.
또한 연료봉의 공간체적 측정방법에 있어 질소가스(핵연료봉을 천공전과 천공후에 측정함)와 핵분열기체를 이용한 두 가지 방법을 모두 다 이용하도록 하여 평균값을 사용하므로 실험에서 발생할 수 있는 오차를 최소화 할 수 있도록 창출된 것이다.
제1도는 본 발명의 실험방법을 설명하기 위한 핵분열 포집장치의 개략도.
제2도는 본 발명 장치의 조립 구조도.
제3도는 본 발명 천공장치의 상세구조도.
제4도는 본 발명 천공용기와 표준용기를 설명하기 위한 상세구조도.
제5도는 본 발명의 연료봉이 삽입되는 연료봉 홀더의 상세구조도.
제6도는 종래의 연료봉이 삽입되는 연료봉 홀더의 상세구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 핵연료봉 2 : 연료봉 홀더
3 : 벨로우즈식 유압 천공장치 4 : 온도계
5 : 압력계 6, 7, 9 : 진공밸브(진공 및 정압용)
8 : 표준용기 10 : 핫셀 벽
11 : 진공게이지 12, 13, 15, 17, 19 : 전자식 진공밸브
14 : 부스터 펌프 16 : 진공밸브(수동게이트)
18 : 터보펌프 20 : 기계식 로타리 진공펌프
21 : 필터 22 : 기체포집병
23 : 체크밸브 24 : 질소봄베
25, 26 : 가스용 밸브 27, 28 : 압력조절기
29 : 천공용기 30 : 배관
31 : 연료봉 홀더 리프터 32 : 유압펌프
2-1 : 잠금쇠 2-2 : 금속링
2-3 : 고무패킹 2-4 : 연료봉 홀더 내면
3-1 : 유압실린더 3-2 : 진공용 블랭크 후렌지
3-3 : 벨로우즈 3-4 : 펀치홀더
3-5 : 펀치
(1) 핵연료봉에 들어 있는 핵분열기체는 높은 압력으로 충진하여 넣은 헬륨 가스와 핵분열가스가 혼합되어 있다. 그러나 대부분의 성분이 헬륨가스(약 98.5％)로 구성되어 있으므로 낮은 원자번호를 갖는 O2, N2, 공기 등과 같이 이상기체(ideal gas)로 취급할 수 있다. 그러므로 두 개의 용기를 이용하여 기체를 팽창시켜 실험을 하게된다. 본 장치의 가동방법은 제1도의 장치 개략도에서 설명할 수 있다. 우선 장치를 가동하기 전에 가스 밸브(25)(26), 진공밸브(6) 및 전자식 진공밸브(12)(19)를 제외한 모든 밸브가 열린 상태가 되도록 한다. 그리고 압력조절기(27)를 서서히 열어 대기압 보다 약간 높게 질소가스의 압력을 설정한 후 가스 밸브(25)를 열어 장치 내부에 있는 불순물이 제거되도록 퍼지(purge)시킨다. 이때 핵연료봉은 장치에 장전되지 않는 상태이다.
(2) 퍼지를 완료한 후 가스밸브(25)와 진공밸브(27)를 닫는다.
(3) 연료봉(1)의 삽입되는 부분을 진공 그리스로 얇고 고르게 도포한 후 연료봉 홀더(2)에 넣고 제5도에 도시된 잠금쇠(2-1)를 돌려 삽입되는 부분의 기밀을 유지시킨다.
(4) 전자식 진공밸브(12)(19)를 열고 1차 진공펌프인 로타리펌프(20)를 가동하여 진공도가 1 ×10-2mbar에 도달하면 2차 진공펌프인 터보펌프(18)를 가동하고 진공게이지(11)를 확인하여 진공도가 설정값 2 ×10-6mbar(또는 사용자의 요구값)에 도달하면 진공밸브(9)를 잠그고 진공펌프(20)(18)를 정지시킨다. 이때 장치 내부의 진공을 유지하고 대기에 노출을 피하기 위하여 전자식 진공밸브(12)(19)도 함께 닫으며 표준용기(8)의 앞부분에 있는 진공밸브(7)을 닫는다.
(5) 가스밸브(26)와 진공밸브(6)을 열어 천공용기(29)에 압력조절기(28)를 사용하여 질소가스 압력이 3 ㎏／㎠abs 또는 요구값이 되도록 공급한다. 질소 가스가 천공용기(29)에 충진되었다고 생각하면 밸브(6)를 닫고 압력이 평형상태(안정상태)가 되었을 때 온도계(4)와 압력계(5)에서 온도(Tn1)와 압력(Pn1)을 읽고, 컴퓨터에 데이터를 저장시킨다. 여기서 천공용기의 체적은 약 200㎤이다.
상기한 천공용기(29)라 함은 제1도 및 제4도에 점선내에 도시된 부품의 내부 체적을 지칭하는 것으로 제4도에서 상세히 설명하면 벨로우즈식 유압천공장치(3)의 벨로우즈(3-3)에서 연료봉 홀더(2), 배관(30)에 이르는 진공밸브(7)(9)이전까지의 내부공간 말하는 것이다.
(6) 다음 단계로 밸브(7)을 열어 질소가스를 표준용기(8)에 팽창시키고 어느 정도의 시간이 지나 압력이 평형되었을 때 온도(Tn2)와 압력(Pn2)을 기록한다. 여기서 표준용기(8)는 정밀하게 교정된 용기이며 체적은 100㎤이다.
여기서 상기 절차(5)와(6)에서 구한 자료로 기체 상태방정식을 이용하여 천공용기의 체적을 구할 수 있으며 천공용기의 내부체적 측정은 연료봉의 공간체적을 측정하기 위한 선행과정이다.
＊ 질소가스를 이용한 천공용기의 체적 계산
Vp1 : 질소가스를 이용하여 측정한 천공용기의 체적(핵연료봉 천공전)
Vs : 표준용기의 체적 (100 ㎤)
Tn1 : 천공용기에서 질소가스의 온도
Tn2 : 표준용기에 질소가스를 팽창시켰을 때 질소가스의 평형온도
Pn1 : 천공용기에서 질소가스의 압력
Pn2 : 표준용기에 질소가스를 팽창시켰을 때 질소가스의 평형압력
(7) 밸브(9)(12)(13)를 열고 진공펌프(20)(18)를 다시 가동하여 또 다시 장치의 진공도가 요구 값(2 ×10-6mbar)에 도달하도록 하며, 설정된 진공도가 완료되면 밸브(7)(9)를 닫고 진공펌프(18)(20)를 정지시킨다.
이때에도 전자식 진공밸브(12)(19)를 닫는다.
(8) 벨로우즈식 천공장치(3)의 펀치(3-5)를 작동시켜 연료봉(1)을 천공한 후 펀치(3-5)를 다시 상승시킨다.
연료봉(1)이 천공되었을 때 핵분열기체가 천공용기(29)에 팽창하게 되는데 이때 온도계(4)에서 핵분열 기체의 최고온도(Tf)를 기록한다. 어느 정도 시간이 지난 후 압력이 평형 상태가 되면 온도계(4)와 압력계(5)에서 온도(T1)과 압력(P1)을 기록한다.
다음 단계로 밸브(7)을 열어 표준용기(8)에 핵분열기체을 팽창시킨 후 안정되었을 때 온도계(4)와 압력계(5)에서 온도(T2)와 압력(P2)을 기록한다.
여기서 획득한 데이터로부터 핵분열기체를 이용한 천공용기의 체적을 계산할 수 있다. 이때 천공용기의 체적(천공 완료후)은 연료봉 공간체적(Vf)과 천공전 천공용기체적(Vp1)의 합이며, 다음과 같은 식으로 표현한다.
＊ 핵분열기체 이용한 천공용기의 체적 계산
VT: 연료봉 천공후 천공용기의 체적(Vp1+Vf)
Vf : 연료봉의 공간체적
T1 : 천공용기에서 핵분열기체의 온도
T2 : 표준용기에 핵분열기체를 팽창시켰을 때 핵분열기체의 평형온도
P1 : 천공용기에서 핵분열기체의 압력
P2 : 표준용기에서 핵분열기체를 팽창시켰을 때 핵분열기체의 평형압력
＊ 관계식 증명
(9) 다음 단계로 진공밸브(9)를 열고 부스터펌프(14)를 가동시켜 핵분열기체를 기체포집병(22)으로 이송시키며 이송 완료후 밸브(15)(16)를 닫고 펌프(14)를 정지시킨다. 포집한 시료의 성분분석은 다른 실험실에 의뢰한다.
(10) 압력조절기(27)의 압력을 대기압보다 약간 높게 설정하고 진공밸브(17)와 가스 밸브(25)를 열어 질소가스와 핵분열기체를 희석시키고 제5도의 연료봉 홀더(2) 잠금쇠(2-1)를 풀어 희석가스를 핫셀내로 배출시킨다.
(11) 장치내에 핵분열기체 배출이 완료되면 가스밸브(25)와 진공밸브(17)를 닫고, 연료봉홀더(2) 잠금쇠(2-1)를 잠궈서 장치 내부를 밀폐시킨다. 그리고 위 “절차(4)에서부터 (6)”을 다시 수행하여 온도(Tn1, Tn2)와 압력(Pn1, Pn2)을 기록한다. 여기서 획득한 자료로 핵연료봉 천공후 천공용기의 체적(Vp2)을 구할 수 있다. 이 값은 “절차 8”에서 구한 천공용기의 체적(VT)과 같은 값을 가지며 이와같은 과정을 반복하므로서 “절차 8”에서 수행한 실험 오차를 보완하여 정밀도를 개선한다.
＊ 질소가스를 이용한 천공용기 체적 계산
Vp2 : 질소가스를 이용하여 측정한 천공용기 체적(핵연료봉 천공후)
Vs : 표준용기의 체적 (100 ㎤)
Tn1 : 천공용기에서 질소가스의 온도
Tn2 : 표준용기에 질소가스를 팽창시켰을 때 질소가스의 평형온도
Pn1 : 천공용기에서 질소가스의 압력
Pn2 : 표준용기에 질소가스를 팽창시켰을 때 질소가스의 평형압력
(12) 연료봉의 공간체적, 봉내압 및 핵분열기체량 계산
Vp1 : 질소가스를 이용하여 측정한 천공용기 체적(핵연료봉 천공전)
Vp2 : 질소가스를 이용하여 측정한 천공용기 체적(핵연료봉 천공후)
VT: 핵분열기체를 이용하여 측정한 천공용기의 체적(핵연료봉 천공후)
Vf1 : 질소가스와 핵분열기체를 이용한 연료봉의 공간체적
Vf2 : 질소가스를 이용한 연료봉의 공간체적
Vf : 연료봉의 공간체적(Vf1과 Vf2의 평균값)
T1 : 천공용기에서 핵분열기체의 온도
T2 : 표준용기에 핵분열기체를 팽창시켰을 때 핵분열기체의 평형온도
Tf : 연료봉에서 핵분열기체의 온도(기체 방출시 천공용기에서 최고온도)
P1 : 천공용기에서 핵분열기체의 압력
P2 : 표준용기에 핵분열 기체를 팽창시켰을 때 핵분열기체의 평형압력
Pf : 연료봉의 내압
(a) 연료봉 공간체적(void volume)
연료봉 공간체적 식①과 ②에서도 계산이 충분하나 반복 실험이 곤란한 실험에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위하여 “절차(11)”를 한번 더 수행하여 평균값으로 사용한다.
(b) 연료봉의 내압(internal pressure)
(c) 핵분열기체량(STP 기준)
그러므로 본 발명은 천공용기와 표준용기에서 핵분열기체의 압력을 대기압이하(부압)에서 대기압이상(정압)으로 전환하므로서 방출기체의 평형압력 도달시간 단축, 압력측정 정밀도 개선 및 기체팽창 압력비를 작게하므로서 정밀도를 개선할 수 있다. 그리고 연료봉 천공시 펀치의 충격하중이 패킹이 전달되지 않도록 하여 밀폐성능을 향상시킬 수 있다.
Claims (2)
- 핵분열 생성 기체 측정 및 포집장치에 있어서, 유압실린더(3-1)의 하단에 진공용 블랭크 후렌지(3-2)와 벨로우즈(3-3)를 장착시키고 벨로우즈(3-3)의 내부에 펀치홀더(3-4)와 펀치(3-5)를 결합하여 벨로우즈식 유압천공장치(3)를 구성하고 유압천공장치(3)의 하단에 핵연료봉(1)의 잠금쇠(2-1), 금속링(2-2) 및 고무패킹(2-3)으로 형성된 연료봉 홀더(2)의 내면(2-4)을 “V”형태로 형성시키며 벨로우즈식 천공장치(3)의 일측은 진공밸브(6), 타측은 배관(30)상에 온도계(4)와 압력계(5)를 설치하고 그 후단에 진공밸브(7), 표준용기(8) 및 진공밸브(9)를 장착시켜서 터보펌프(18)와 기계식 로타리 펌프(20)로 진공시키고 벨로우즈식 천공장치(3)의 펀치(3-5)로 핵연료봉(1)을 천공시켜 핵분열기체를 부스터 펌프(14)에 의해 기체포집병(22)으로 이송시키는 것을 특징으로 하는 핵분열기체량 측정 및 포집장치.
- 가압 경수로(PWR)용 핵연료봉 내의 공간체적(Vf), 봉내압(Pf) 및 핵분열 생성 기체량(VSTP)을 측정함에 있어서, 천공용기(29)와 표준용기(8)의 체적을 핵분열기체량보다 작게 만들어 핵연료봉(1)에서 천공용기(29)로 그 다음 천공용기(29)에서 표준용기(8)로 기체를 팽창시켰을 때 용기내의 압력이 정압이 되게하고 핵연료봉(1)을 천공하기 전에 질소가스를 이용하여 측정한 천공용기의 체적(Vp1)과 천공후 핵분열기체를 이용하여 측정한 천공용기의 체적(VT= Vp1+ Vf)으로부터 연료봉내의 공간체적(Vf1)을 결정하고, 장치내의 핵분열 기체를 배출한 후에 질소 가스를 이용하여 다시 한번 천공용기의 체적(Vp2= Vp1+ Vf)을 측정하여 연료봉내의 공간체적(Vf2)을 결정하고 상기 두 개의 공간체적(Vf1)(Vf2)값의 평균을 연료봉의 공간체적(Vf)으로 결정하고 공간체적(Vf)값과 실험중에 획득한 온도 및 압력데이터로부터 봉내압(Pf)과 핵분열생성기체량(VSTP)을 측정하는 것을 특징으로 하는 핵분열기체량 측정방법.
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| KR1019980031386A KR100292123B1 (ko) | 1998-08-01 | 1998-08-01 | 핵분열기체량 측정 및 포집방법과 그 장치 |
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| KR1019980031386A KR100292123B1 (ko) | 1998-08-01 | 1998-08-01 | 핵분열기체량 측정 및 포집방법과 그 장치 |
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| KR1019980031386A KR100292123B1 (ko) | 1998-08-01 | 1998-08-01 | 핵분열기체량 측정 및 포집방법과 그 장치 |
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Cited By (1)
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| KR20190004545A (ko) * | 2017-07-04 | 2019-01-14 | 한국원자력연구원 | 핵연료봉 내압 측정장치 |
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