KR100391178B1 - 핵 연료봉 인출 장치의 회전식 다기능 인출 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료봉 인출 장치의 회전식 다기능 인출 헤드에 관한 것이다.

사용후핵연료의 밀집저장이나 재활용을 위해서는 사용후핵연료 집합체에서 핵연료봉을 인출하여야 한다. 우리 나라에서도 최근 들어와 밀집기술 및 재활용기술의 개발 연구를 추진하고 있으나, 아직까지 사용후핵연료봉 인출장치는 개발되고 있지 않다. 본 발명에서는 한국형 경수로 핵연료 집합체로부터 연료봉을 한 개씩 자동으로 인출할 수 있는 핵연료봉 인출 장치의 개발에 있어서 가장 핵심 요소인 연료봉의 회전식 다기능 인출 헤드(30)을 고안하였다. 회전식 다기능 인출 헤드(30)는 사용후핵연료의 하단 고정판에 체결된 조임 너트와 연료봉의 위치를 정확히 찾아내기 위한 화상 입력 장치(14), 조임 너트를 풀기 위한 임팩트 렌치(15), 그리고 연료봉을 파지하여 인출하기 위한 그리퍼(16)가 조합된 다중공구부(3)와 이를 회전시키는 다중공구부 회전장치(29)로 구성된다. 다중공구부의 모든 구성요소는 로터리 식으로 돌아가는 회전판(4) 위의 동일 원주 상에 90도 간격으로 배치되어 있어, 다중공구부 회전장치(29)에 의하여 90도 간격으로 회전하며, 전체 회전식 다기능 인출 헤드(30)는 x, y, z축 방향으로 이동이 가능하다. 이외에, 연료봉(58)과 collet(콜렛)(21)의 삽입상태와 연료봉(58)의 인출력을 측정하는 로드 셀(23), 미소한 삽입오차가 있더라도 연료봉(58)과 콜렛(21)의 파지를 가능하게 하는 유연삽입장치(22) 등을 회전식 다기능 인출 헤드(30)에 부착하여, 외국의 제품과 비교하여 연료봉 인출 작업의 안전성 및 신뢰성을 향상시켰다. 이와 같은 구조를 갖는 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 사용함으로써, 제한된 공간 내에서 조임 너트 분해기능 및 연료봉 파지기능을 동시에 구현할 수 있으며, 자동 연료봉 인출 작업의 안전성 및 성공률을 높일 수 있다.

Description

핵 연료봉 인출 장치의 회전식 다기능 인출 헤드{Rotational and Multi-functional Head for Spent Nuclear Fuel Rod Extraction}

(발명의 대상)

본 발명은 핵연료봉 인출장치의 회전식 다기능 인출헤드에 관한 것으로 더상세하게는 한국형 17×17 경수로 핵연료 집합체로부터 연료봉을 한 개씩 자동으로 인출할 수 있는 핵연료봉 인출 장치의 개발에 있어서 가장 핵심 요소인 연료봉의 인출 헤드를 대상으로 한다. 본 발명의 핵심 대상인 회전식 다기능 인출 헤드는 크게, 하단 고정판에 체결된 조임 너트와 연료봉의 위치를 정확히 찾아내기 위한 화상 입력 장치, 조임 너트를 풀기 위한 임팩트 렌치(Impact Wrench), 그리고 연료봉을 파지하여 인출하기 위한 그리퍼(Gripper)로 구성된 다중공구부와 이를 회전시키는 다중공구부 회전장치로 구성된다. 다중공구부의 모든 구성요소는 로터리 식으로 돌아가는 회전판 위의 동일 원주 상에 90도 간격으로 배치되어 있어, 다중공구부 회전장치에 의하여 90도 간격으로 회전하며, 전체 회전식 다기능 인출 헤드는 x, y, z축 방향으로 이동이 가능하다. 이와 같은 구조를 갖는 회전식 다기능 인출 헤드를 사용함으로써, 제한된 공간 내에서 조임 너트 분해기능 및 연료봉 파지기능을 동시에 구현할 수 있으며, 자동 연료봉 인출 작업의 안전성 및 성공률을 높일 수 있다.

(종래 기술)

사용후핵연료의 효율적 관리를 위하여 세계 각국에서는 사용후핵연료의 재활용 또는 밀집기술을 개발하고 있다. 사용후핵연료의 재활용기술은 사용후핵연료 속에 타고남은 우라늄 또는 플루토늄을 다시 사용하기 위하여 제 1도에서 보는 바와 같이 사용후핵연료 집합체에서 핵연료봉을 인출하여, 핵연료봉내의 연료 소결체에서 우라늄 또는 플루토늄을 분리·추출하여 재활용하는 기술이다. 또한, 밀집기술이란 사용후핵연료 집합체의 저장 공간을 감소시키기 위하여 집합체에서 핵연료봉만을 분리하여 별도의 용기에 보관하여 저장하는 기술이다. 두 기술 모두 공통적으로 사용후핵연료 집합체에서 핵연료봉을 뽑아내는 기술이 필요한데, 이를 "핵연료봉 인출기술"이라 한다. 핵연료봉 인출장비는 미국의 NUS사와 BW사 독일의 GNS사 등에서 개발한 바 있으며, 국내에서는 아직까지 개발된 바 없다.

인출장비는 크게 다음 두 가지 기능을 갖는 장비로 구성된다. 즉, 핵연료 집합체의 상단 고정체(또는 하단 고정체)를 분리하는 고정체 분리 장비와 고정체 분리후 노출된 핵연료봉의 상단부(또는 하단부)를 잡고 핵연료봉을 끌어 당겨 인출하는 연료봉 풀러(puller)로 구성된다.

상단고정체(또는 하단 고정체)는 핵연료의 제조 회사에 따라 부착방식이 다르다. 즉, 고정체와 여러 개의 가이드 팀블(Guide thimble)의 양 끝단이 용접되어 있는 용접부착 방식이 있으며, 고정체와 가이드 팀블의 볼트에 의하여 체결되어 있는 볼트부착방식이 있다. 외국에서 제조된 핵연료 집합체는 대부분 용접부착방식으로 제조되어 있으나, 우리 나라에서 개발한 신형 핵연료에는 볼트부착방식이 사용되고 있다.

용접 부착 방식의 핵연료 집합체에서 고정체를 분리하기 위해서 미국의 NUS사는 고정체와 연료봉의 끝단 사이로 절단 톱을 삽입하여 여러 개의 팀블을 동시에 절단하는 방식을 채택하고 있으며, 미국의 BW사와 독일의 GNS사에서는 팀블의 내부로 내면절삭 공구(internal tube cutter)를 절단하고자 하는 깊이만큼 삽입하여 팀블을 한 개씩 절단하는 방식을 채택하고 있다. 절단방식은 팀블 절단시 화재 위험성이 있고, 또한 절단시 발생하는 분진으로 시설을 오염시키는 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 경우에는 우리 나라의 신형 핵연료에 적용이 가능한 볼트 분해방식을 채택하여 고정체를 분리한다.

고정체를 제거한 후, 연료봉을 인출하는 연료봉 풀러(puller)의 경우, 미국 NUS사와 독일의 GNS사는 한 번에 한 줄의 연료봉을 잡아 끌어내는 다중 연료봉 풀러를 개발하였으며, 미국의 BW사는 연료봉을 한 개씩 잡아 끌어내는 단일 연료봉 풀러를 개발하였다. 다중 연료봉 풀러는 작업시간을 대폭 단축시킬 수 있지만 인출하고자 하는 한 줄의 연료봉 중에 인출되지 않는 파손 연료봉이 있을 경우, 전체 한 줄의 연료봉을 인출할 수 없으며, 연료봉을 추가로 파손시킬 수 있다. 이에 반하여 단일 연료봉 풀러는 작업소요시간이 길어지나, 안전한 인출성능을 기대할 수 있다.

연료봉 풀러를 사용하기 위해서는 연료봉 끝단의 중심위치와 그리퍼의 중심위치를 정확히 맞추어주어야 한다. 만약, 이 중심이 맞지 않은 상태에서 그리퍼를 전진시키면 그리퍼가 연료봉에 충돌하여 연료봉이 파손될 수 있기 때문이다. 따라서, 연료봉을 인출하기 전에 모든 연료봉 끝단의 중심 좌표 값을 기억시켜 놓고, 기억된 좌표 값으로 그리퍼를 이동시켜 연료봉을 인출하게 된다. 이때 중심 좌표 값은 핵연료를 제작할 때의 설계 데이터로부터 얻어낸다.

실제 타기 전의 핵연료는 제작 과정에서 설계 값대로 제작되어 17×17개의모든 연료봉 끝단은 정확한 위치 좌표 값을 갖는다. 그러나, 발전소에서 타고 나온 사용후핵연료는 타는 도중 변형이 생겨 끝단의 좌표 값이 원래의 설계 값과 다를 수 있기 때문에 연료봉 인출 작업시 연료봉과 그리퍼의 충돌이 발생한다. 이 경우, 외국에서는 인출 작업을 종료하고, 작업자가 먼 거리에 떨어져 있는 CC TV가 보내온 화상 정보를 보면서 수동조작으로 그리퍼를 미세 조정하여 연료봉과의 위치를 맞춘다. 그러나, 제한된 화상 정보만을 보면서 이와 같은 미세 조정작업을 수행하는 것은 매우 어렵기 때문에 작업 효율이 떨어지고, 작업의 안전성에도 문제가 된다.

(발명의 목적)

따라서, 본 발명에서는 볼트분해 방식의 고정체 분리 기능과 하나의 연료봉을 인출하는 단일 연료봉 인출 기능, 그리고 연료봉과 그리퍼의 위치를 정확히 찾아내는 화상정보 입력 기능을 동시에 보유한 회전식 다기능 인출 헤드를 개발하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 장치는 사용후핵연료의 효율적 관리를 위하여 필요한 장치로 특히, 우리 나라의 원자력 발전비율은 전체 전력 생산량의 40%이상을 차지하고 있으며, 이로 인해서 많은 양의 사용후핵연료가 배출되고 있다. 배출된 사용후핵연료는 현재 각 발전소에 임시 보관되고 있으며, 저장공간의 한계 때문에 이를 효율적으로 관리하는 Reracking이 추진되고 있으며, 밀집저장(RodConsolidation)하는 방안도 고려되고 있다. 또한, 잠재력있는 자원의 평화적 이용을 위해서 DUPIC(Direct Use of PWR fuel in CANDU reactor)과 같은 공정이 개발되고 있다. 이와 같은 모든 공정에 공통적으로 소요되는 국내 고유의 연료봉 인출기술을 확보하기 위하여, 사용후핵연료 집합체에서 핵연료봉을 자동으로 뽑아내는 핵연료봉 인출 장치의 회전식 다기능 인출 헤드를 고안하였다.

(발명의 요점)

본 발명은 사용후 핵연료봉을 인출하는 장치를 자동화하는 데 있어서 핵심 요소인 연료봉 인출 헤드부에 관한 것이다. 본 발명에서는 이를 회전식 다기능 인출 헤드라 명명하였으며, 이는 크게, 각종 공구, 센서, 및 위치 측정 카메라를 포함하는 다중공구부와 다중공구부를 회전시키는 다중공구 회전장치로 구성된다.

다중공구부는 크게, 하단 고정판에 체결된 조임 너트와 연료봉의 위치를 정확히 찾아내기 위한 화상 입력 장치, 조임 너트를 풀기 위한 임팩트 렌치(Impact Wrench), 그리고 연료봉을 파지하여 인출하기 위한 그리퍼(Gripper)로 구성된다. 모든 구성요소는 로터리 식으로 돌아가는 회전판 위의 동일 원주 상에 90도 간격으로 배치되어 있어 다중공구부 회전장치에 의하여 90도 간격으로 회전하며, 전체 회전식 다기능 인출 헤드는 x, y, z축 방향으로 이동이 가능하다.

이 회전식 다기능 인출 헤드의 작동 순서는 다음과 같다. 먼저, 화상 입력 장치를 사용하여 조임 너트의 위치를 찾아내고, 이 정보를 이용하여 다중공구부의 임팩트 렌치가 조임 너트에 삽입될 수 있도록 인출 헤드를 이송한다. 조임 너트가 삽입되면, 임팩트렌치를 구동시켜 조임 너트를 제거한다. 이후, 하단고정판을 들어내고, 다시 화상 입력 장치를 사용하여 연료봉의 정확한 위치를 찾아내고 이 정보를 이용하여 다중공구부의 그리퍼 끝의 콜릿(collet)이 연료봉을 잡을 수 있도록 다중공구부를 이송한다. 연료봉이 콜렛에 삽입되면 콜렛을 닫아 연료봉 끝을 잡고 연료봉을 인출한다.

이상과 같은 일련의 공정을 자동화시키기 위해서는 각 장비의 오작동시 이를 검출하는 수단이 필요하다. 특히 연료봉 인출장치에서는 연료봉이 무리한 힘을 받아 파손이 될 경우, 시설을 오염시키기 때문에 반드시 연료봉의 인출 힘이 측정되어야 하고, 또한, 연료봉과 콜렛이 정확히 삽입되어 있는 지를 측정하여야 한다. 따라서 본 장치에서는 연료봉과 콜렛의 삽입 상태를 감시하고, 연료봉을 인출할 때의 인출력을 측정하는 힘측정 센서(로드 셀)를 그리퍼의 후미에 설치하였으며, 또한, 미소한 연료봉과 콜렛의 삽입위치 오차가 발생하더라도, 연료봉이 콜렛의 미는 힘에 파손되지 않고, 콜렛이 연료봉 끝단에 스스로 밀려들어갈 수 있도록 유연삽입장치(RCC, Remote Compliance Center)를 인출모터와 콜렛 사이에 설치하였다.

도 1은 핵연료 집합체의 구조도

도 2는 핵연료봉 인출장치 시스템의 개략도도 3은 핵연료봉 인출장치 시스템의 측면도

도 4는 회전식 다기능 인출 헤드의 다중공구부 평면도도 5는 임팩트 렌치의 작동원리 개념도도 6은 핵연료봉 그리퍼의 작동원리 개념도도 7은 다중공구부 회전장치 측면도도 8은 다중공구부 회전장치의 작동원리 개념도

도 9는 핵연료봉 인출장치 사진

도 10은 회전식 다기능 인출 헤드 사진

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 인출 테이블 (2) : 고정 테이블

(3) : 다중공구부 (4) : 회전판

(5) : y축 모터 (6) : z축 모터

(7) : x축 모터 (8) : x축 볼 스크류

(9) : 헤드 운반장치 (10): 집합체 고정 클램프(11) : 핵연료 집합체 (12) : 하단 고정체

(13) : 상단 고정체 (14) : 화상 입력 장치

(15) : 임팩트렌치(Impact Wrench) (16) : 그리퍼

(17) : 소켓 (18) : 조임 너트 배출핀

(19) : 핀 구동모터 (20) : 소켓 회전모터

(21) : 콜렛(collet) (22) : 유연삽입장치

(23) : 로드 셀 (24) : 콜렛 개폐모터

(25) : 감속기어 (26) : 다중공구 회전모터

(27) : 다중공구 상하 이송모터 (28) : 감속기어

(29) : 다중공구부 회전장치 (30) : 인출 헤드

(31) : 헤드 고정판 (32)(34) : 코일 스프링(Coil Spring)(33) : 감속기어

(35) : 감속기어 (36) : 상하 이송 스크류

(37) : 이송너트 (38) : 상부회전기어

(39) : 하부클러치 (40) : 상부 클러치

(41) : 하부분할판 (42) : 상부분할판

(43) : 하부클러치 고정판 (44) : 슬라이딩 핀

(45) : 감속기어 (46) : 베어링(47) : y축 볼 스크류 (48) : y축 LM가이드(49) : z축 LM가이드 (50) : z축 볼 스크류(51) : 콜렛 밀착봉 (52) : 콜렛 지지판(53) : 압축스프링 (54) : 유니버셜 조인트(55) : 슬라이딩 바 (56) : 감속기어(57) : 헤드 지지대 (58) : 연료봉

이하 발명의 요지를 그 구성과 작용에 의하여 상세히 설명하면

연료봉 인출 장치 전체 구성

도 2에서 보는 바와 같이 연료봉 인출장치는 사용후핵연료 집합체(11)를 고정시키는 집합체 고정 테이블(2)과 연료봉(58)을 인출하는 인출 테이블(1)로 구성되어 있다. 고정 테이블(2)은 연료봉(58) 인출시 또는 조임 너트 분해시 핵연료 집합체(11)가 움직이지 못하도록 집합체(11)를 고정하는 역할을 하며, 인출 테이블 (1)은 조임 너트 제거작업, 위치측정 작업, 및 연료봉 파지작업을 수행하는 회전식 다기능 인출 헤드(30)와 이를 x, y, z 축으로 이송시키는 서보 메커니즘 등으로 구성되어 있다.

회전식 다기능 인출 헤드 이송 메커니즘

본 발명의 대상인 회전식 다기능 인출 헤드(30)는 도 3 에서 보는 바와 같이 다중공구부(3)와 다중공구부 회전장치(29)로 구성되며, 헤드 지지대(57)에 부착되어 있고 헤드 지지대(57)는 LM 가이드(Guide), 볼 스크류(Ball Screw) 및 서보 모터(5,6)의 한 세트로 구성된 이송 장치에 의하여 x축, y축 및 z축 방향으로 이송설치되고 즉, 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 헤드지지대(57)은 y축 모터(5)에 의하여 회전하는 y축 볼 스크류(47)에 설치되어 있고, 헤드 고정판(31)에 고정된 y축 LM가이드(48)에 의하여 지지되어 있어, y축 모터(5)를 구동하여 인출 헤드(30)를 연료봉(58)의 배열을 따라 옆으로 이동하게 할 수 있다. 또한 다기능 인출헤드(30), 헤드 지지대(57) 및 y축 이송 메카니즘(5,48,47)을 지지하는 헤드 고정판(31)은 z축 모터(6)에 의하여 회전하는 z축 볼 스크류(50)에 설치되고 헤드 운반장치(9)에 고정된 z축 LM가이드(49)에 의하여 지지되어 있어, z축 모터(6)를 구동하여 인출 헤드(30)를 연료봉(58)의 배열을 따라 상하로 이동하게 할 수 있다. 그리고 다기능 인출 헤드(30), 헤드 지지대(57), 헤드 고정판(31), z축 이송 메커니즘(6,50,49) 및 y축 이송 메커니즘(5,48,47)을 지지하고 있는 헤드 운반장치(9)는 x축 모터(7)에 의하여 회전하는 볼 스크류(8)에 설치되어 있어, 인출테이블(1)에 고정된 x축 모터(7)를 구동하여 인출 헤드(30)를 핵연료 집합체(11)로부터 멀어지거나 접근하게 할 수 있다.

다중공구부

다중공구부(3)는 도 4 에서 보는 바와 같이, 핵연료 집합체(11)의 하단 고정체(12)에 체결되어 있는 조임 너트와 연료봉의 끝단 위치를 측정하기 위한 화상 입력 장치(14), 조임 너트를 풀기 위한 임팩트렌치(Impact Wrench)(15), 그리고 연료봉(58)을 파지 하기 위한 그리퍼(16)로 구성된다. 즉, 화상입력장치(14), 임팩트렌치(15), 및 그리퍼(16)는 로터리 식으로 돌아가는 회전판(4) 위에 각각의 중심선이 이루는 각도가 90도가 되도록 배치되어 있다. 따라서, 다중공구부 회전장치(29)로 회전판(4)을 90도 간격으로 회전시켜, 각각의 장치를 선택적으로 핵연료집합체(11)에 마주보게 할 수 있다.

화상 입력 장치(14)로는 카메라를 사용하는 데, 일반적인 CCD 카메라는 사용후핵연료에서 방출되는 고방사선에 의하여 쉽게 오동작하기 때문에, 내방사선 특성이 우수한 튜브(tube) 형태의 카메라를 사용한다. 화상 입력 장치(14)에서 촬영된 영상 데이터는 화상처리용 컴퓨터로 전송되어 조임 너트와 연료봉의 끝단의 중심점을 찾아내는 데 사용된다.

임팩트 렌치(15)는 핵연료 집합체(11)의 하단 고정체(12)에 체결되어 있는 조임 너트를 풀어내기 위한 공구로 다음의 각 요소 부품으로 구성된다. 즉, 소켓(17), 소켓 회전모터(20)와 감속기어(25), 조임 너트 배출핀(18) 및 핀 구동모터(19) 등이다. 소켓(17)은 너트가 삽입될 수 있도록 6각 홈의 형태를 갖으며, 소켓 회전모터(20)와 감속기어(25)와 감속기어에 의하여 회전된다. 임팩트 렌치(15)의 상시 회전토크는 너트의 체결 토크가 약 4.0 N-m인 점을 고려하여 4.5 N-m까지 출력될 수 있도록 설계하였다. 소켓(17)의 내부에는 조임 너트 배출핀(18)을 설치하여 하단 고정체(12)로부터 분리되어 소켓(17) 내부에 박혀 있는 조임 너트를 밀어내도록 하였다. 조임 너트 배출핀(18)은 핀 구동모터(19)에 의하여 소켓(17)의 내부에서 전.후 방향으로 왕복 운동한다.임팩트 렌치(15)로 조임 너트(60)를 풀어내는 작업은 도 5 에서 보는 바와 같다. 먼저, 다중공구부 회전장치(29)를 이용하여 임팩트 렌치(15)가 핵연료 집합체(11)를 마주보도록 한 상태에서, x축 모터(7)를 구동하여 인출 헤드(30)를 핵연료 집합체(11)로 전진시켜 조임 너트를 소켓(17)에 삽입시킨다(도 5-1). 다음, 소켓 회전모터(20)를 작동하여 소켓(17)을 회전시킴으로써 조임 너트를 핵연료 집합체(11)의 하단고정체(12)로부터 분리한다(도 5-2). 다음, 핀 구동모터(19)를 작동하여 조임 너트 배출핀(18)을 전진시켜 소켓(17) 내부에 박혀 있는 조임 너트를 소켓(17) 밖으로 밀어낸다(도 5-3).

소켓(17)과 핀 구동모터(19) 사이에는 코일 스프링(Coil Spring)(32)을 설치하여 임팩트 렌치(15)와 너트 사이에서 발생하는 접촉력을 완화시키도록 하였다. 즉, 너트를 풀기 위하여 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 사용후핵연료(11)의 방향(x축)으로 전진시킬 때, 만약 임팩트렌치 소켓(17)과 너트의 중심점의 상대 위치가 어긋난 상태에서 인출 헤드(30)가 전진하게 되면 임팩트렌치(15)와 너트 사이에 강한 충격 힘이 발생하여 장치가 손상될 수 있다. 스프링(32)은 이와 같은 충격을 완화시키는 기능을 하며, 한편으로는 스프링(32)의 압축 길이를 이용하여 임팩트렌치(15)의 전진 리미트로도 활용한다. 즉, 너트를 임팩트 렌치 소켓(17)에 삽입한 상태에서 소켓(17)을 회전시키면 풀어지는 너트는 뒤로 밀리게 되는데 이때 임팩트렌치(15)가 고정되어 있으면 임팩트 렌치(15)가 강한 힘을 받게 된다. 따라서, 뒤에 스프링(32)을 부착함으로써 임팩트렌치(15)를 뒤로 밀리게 하는 감쇠효과를 얻을 수 있다.

그리퍼(16)는 연료봉(58)을 파지 하기 위한 공구로 도 4 에 도시된 바와 같이 콜렛(21), 콜렛 개폐모터(24)와 감속기어(33), 유연삽입장치(22), 및 로드 셀(23) 등으로 구성된다.

콜렛(21)은 연료봉(58) 끝단을 파지 하기 위한 장치이며, 도 6 에 도시된 바와 같이 연료봉(58)의 끝 부분은 홈이 파인 형태로 되어 있기 때문에 이 부분을 잡을 수 있도록 설계하여야 한다. 콜렛(21)은 두 조각으로 구성되고, 두 조각의 한 쪽 끝은 콜렛 지지관(52)에 끼워지고 홈이 파여져 있는 다른 한 쪽 끝은 관밖에 노출되어 있다. 또한, 콜렛(21)은 콜렛 지지관(52)에 힌지 결합 되어 있고, 두 조각 사이에 압축된 스프링(53)이 설치되어 있어 콜렛 개폐모터(24)를 작동하지 않을 때는 홈이 파여져 있는 끝 부분이 벌어져 있다(도 6-1), 콜렛(21)을 닫을 때는 도 6-2, 도 6-3 에서 보는 바와 같이, 콜렛 지지관(52)내부에 설치한 콜렛 밀착봉(51)을 전진시켜 두 조각의 콜렛(21)이 힌지점을 중심으로 오므라지는 방향으로 회전시키면 된다. 즉, 연료봉(58)을 파지하고자 할 경우에는, 콜렛(21)이 벌어져 있는 상태에서 다기능 인출헤드(30)을 연료봉(58) 쪽으로 전진시켜(x축 전진) 콜렛(21)의 벌어진 틈새로 연료봉(58)이 삽입되게 한 후, 도 4 의 콜렛 개폐모터(24)를 구동하여 감속기어(33,56)을 회전시켜 감속기어(56)의 중심축에 나사 결합방식으로 끼워져 있는 슬라이딩 바(55)를 전진시킴으로써, 슬라이딩 바(55)와 유니버셜 조인트(54)로 결합되어 있는 콜렛 밀착봉(51)을 전진시키면 된다. 반대로 연료봉(58)을 놓고자 할 경우에는 콜렛 개폐모터(24)를 반대 방향으로 구동하여 콜렛 밀착봉(51)을 후진시켜 스프링(53)의 복원력으로 콜렛(21)이 벌어질 수 있도록 하였다.

연료봉(58)을 파지하기 위하여 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 사용후핵연료 (11)의 방향(x축)으로 전진시킬 때, 만약 콜렛(21)과 연료봉(58)의 중심점의 상대 위치가 어긋난 상태에서 인출 헤드(30)가 전진하게 되면 콜렛(21)과 연료봉(58) 사이에 강한 충격 힘이 발생하여 연료봉(58)이 손상되는 것을 방지하기 위하여 콜렛 (21)이 연료봉(58)끝단에 스스로 밀려 들어 갈수 있게 하는 유연 삽입장치(22)를 콜렛(21)의 후단에 설치 하였다. 연료봉 인출장치에서는 연료봉(58)이 무리한 힘을 받아 파손이 될 경우, 시설을 오염시키기 때문에 반드시 연료봉의 인출 힘이 측정되어야 하고, 또한, 연료봉(58)과 콜렛(21)이 정확히 삽입되어 있는 지를 측정하여야 한다. 따라서, 본 장치에서는 로드 셀(힘측정 센서)(23)을 그리퍼(16)의 후미에 설치하여 연료봉(58)과 콜렛(21)의 삽입 상태를 감시하고, 연료봉(58)을 인출할 때의 인출력을 측정하도록 하였으며 콜렛(21)의 구동장치와 로드셀(23)사이에는 코일 스프링(34)을 설치하여 콜렛(21)과 연료봉(58)사이에서 발생하는 삽입력을 완화시킬수 있게 하였다.

화상입력장치(14)로 찾아 낸 연료봉(58)의 위치 정밀도(최대 0.2 mm 오차)는 콜렛(21)과 연료봉(58)의 삽입 허용 공차(0.5 mm)에 비하여 낮기 때문에, 화상입력장치(14)의 정보대로 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 이송시키면, 연료봉 속으로 콜렛(21)을 삽입시킬 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 연료봉 인출장치에서 콜렛(21)의 부정확한 위치 제어에 의한 연료봉(58)의 손상은 매우 심각한 문제이기 때문에 본 장치에서는 삽입 공정의 신뢰도를 높이기 위하여 유연삽입장치(RCC, Remote Compliance Center)(22)를 인출모터와 콜렛(21) 사이에 설치하였다. 이 장치는 미소한 연료봉(58)과 콜렛(21)의 삽입위치 오차가 발생하더라도, 연료봉(58)이 콜렛(21)의 미는 힘에 파손되지 않고, 콜렛(21)이 연료봉(58) 끝단에 스스로 밀려들어갈 수 있게 하는 장치로 로봇을 이용한 반도체의 조립공정에 널리 활용되고 있는 장치이다.

콜렛 구동장치와 로드 셀(23)의 사이에는 임팩트 렌치부(15)에 설치한 것과 같이 코일 스프링(Coil Spring)(34)을 설치하여 콜렛(21)과 연료봉(58) 사이에서 발생하는 삽입력을 완화시키도록 하였다. 즉, 콜렛(21)과 연료봉(58)의 중심점의 상대 위치가 어긋난 상태에서 인출 헤드(30)가 전진하게 되어 발생하게 되는 삽입력을 완화시켜 연료봉(58)과 그리퍼(16)의 손상을 방지하도록 하였다.

다중공구부 회전장치

다중공구부 회전장치(29)는 이상의 다중공구부(3)를 90도 간격으로 회전시켜, 다중공구부(3)의 화상입력장치(14), 임팩트 렌치(15) 및 도 7 에서 보는 바와 같이, 그리퍼(16)를 선택적으로 핵연료집합체에 향하게 한다. 다중공구부 회전장치(29)는 다중공구부(3)를 회전시키는 회전부, 회전부를 회전시키는 다중공구 회전모터(26)와 감속기어(35), 회전부를 상하 이송시키는 상하 이송부, 상하 이송부를 이송시키는 다중공구 상하 이송모터(27)와 감속기어(45,28)로 구성된다. 먼저, 회전부는 회전판(4)에 부착되어 있는 상부회전기어(38), 상부회전기어(38)에 부착되어 있으며 밑면에는 기어산이 마련되어 있는 원통 형태 모양의 상부분할판(42)과 90도 간격으로 배치된 4개의 상부 클러치(40)로 구성되어 있다. 상하 이송부는 상하 이송너트(37)와 이를 상하이송시키는 상하 이송 스크류(36), 상하 이송 스크류(36)를 회전시키는 상하이송 모터 (27)와 감속기어(28)로 구성되어 있다. 상하 이송모터(27)는 헤드 지지대(57)에 부착되어 있다. 또한, 헤드 지지대(57)에 부착되어 있는 하부 클러치 고정판(43)에는 원통 형태 모양을 갖으며 윗면에는 기어산이 마련되어 있는 하부분할판(41), 90도 간격으로 배치된 4개의 하부클러치(39)및 90도 간격으로 배치된 4개의 슬라이딩 핀(44)이 부착되어 있다.

이상의 부품으로 구성된 다중공구부 회전장치(29)의 작동원리는 도 8 에서 보는 바와 같다. 먼저, 도 8-1 에서와 같이, 다중공구 상하 이송모터(27)를 구동시켜 감속기어(28)(45)을 회전시키면, 감속기어(28)에 부착된 상하 이송 스크류(36)가 회전하여, 상하 이송너트(37)를 상승시킨다. 이때 상하 이송 너트(37)는 4개의 슬라이딩 핀(44)에 의하여 지지되어 있기 때문에, 상하 이송 스크류(36)가 회전하면 상하 이송너트(37)는 상대적으로 직선운동을 하게 된다. 상하 이송너트(37)가 상승함에 따라, 회전부를 지지하고 있는 베어링(46)이 상승하며 동시에 회전부(38,40,42)가 상승한다. 회전부가 상승하여 슬라이딩 핀(44)이 상하 이송너트(37)의 홈에서 완전히 빠지게 되면, 다중공구 상하 이송모터(27)의 구동을 정지시킨다. 이때, 상부회전기어(38)에 부착되어 있는 상부분할판(42)과 4개의 상부 클러치(40)는 각각 하부클러치 고정판(43)에 부착되어 있는 하부분할판(41)과 4개의 하부클러치(39)로부터 완전히 분리된다.

이후 다중공구 회전모터(26)를 구동시켜 상부회전기어(38)을 90도만큼 회전시킨 후 다중공구 회전모터(26)의 구동을 정지한다.

이와 같이 다중공구부(3)를 원하는 위치로 회전시킨 후, 도 8-2에서 보는 바와 같이, 다시 다중공구 상하 이송모터(27)를 반대방향으로 구동시켜 상하 이송너트 (37)와 회전부를 하강시킨다. 회전부가 하강하면, 먼저 상부분할판(42)과 하부분할판(41)의 나사산이 서로 미끄러져 들어가 서로 자리를 잡게 되고, 이에 따라 상부 클러치(40)와 하부클러치(39), 그리고 슬라이딩 핀(44)과 상하 이송너트(37) 홈의 중심점의 상대 위치가 정확히 일치하게 되어, 회전부가 하부클러치 (39)와 고정판 (43)에 안착하게 된다. 즉, 상부분할판(42)과 하부분할판(41)은 다중공구 회전모터 (26)가 상부회전기어(38)을 정확히 90도만큼 회전시키지 못하더라도, 회전부의 안착 위치를 정확히 잡아 주는 역할을 수행하며, 4개의 상부 클러치(40)와 하부클러치 (39)는 상부분할판(42)과 하부분할판(41)의 나사산의 결합힘만으로는 다중공구부 (3)의 작업시 다중공구부(3)를 견고하게 지지할 수 없기 때문에, 이를 견고하게 지지하는 역할을 수행한다. 또한 4개의 슬라이딩 핀(44)은 상하 이송 너트(37)가 상승 또는 하강할 때, 상하 이송 너트(37)가 회전하지 않고 직선운동만을 할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

(실시예)

이상에서 기술한 연료봉 인출장치와 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 실제 설계, 제작한 사진은 각각 도 9 와 도 10 에서 보는 바와 같다. 이와 같은 연료봉 인출장치와 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 이용한 자동 연료봉 인출공정의 작업 순서는 다음과 같다.

1) 다중공구부(3)의 화상입력장치(14)를 사용후핵연료(11)의 하단고정체(12)를 향하게 한다.

2) 화상입력장치(14)로 조임 너트의 화상을 찍어 영상처리 알고리즘에 의하여 조임 너트의 모든 위치를 계산하여 연료봉 인출장치 제어용 컴퓨터에 기억시킨다.

3) 조임 너트의 모든 위치가 확보되면 다중공구부(3)를 시계방향으로 90도 회전하여 임팩트렌치(15)를 하단 고정체에 향하게 한다.

4) 기억된 조임 너트의 위치만큼 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 y축 및 z축으로 이동시킨다.

5) 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 x축으로 전진시켜 의 소켓(17)을 조임 너트를 삽입시킨다.

6) 임팩트렌치(15)를 구동하여 조임 너트를 풀러낸다.

7) 조임너트 배출핀(18)을 전진시켜 소켓(17)속에 들어 있는 조임 너트를 제거한다.

8) 이후, 기억된 조임 너트의 위치로 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 x, y, z축 방향으로 이송하여 다음의 조임 너트를 제거한다.( 4)-7)까지의 공정을 모든 너트가 제거될 때까지 반복함)

9) 조임 너트를 제거하고 난 후, 로봇 팔을 이용하여 하단 고정체(12)를 분리한다.

10) 연료봉(58)의 위치 좌표 값을 측정하기 위하여, 다중공구부(3)를 반시계 방향으로 90도 회전하여 화상입력장치(14)가 사용후 핵연료봉을 향하게 한다.

11) 화상입력장치(14)로 연료봉(58)의 화상을 찍어 영상처리 알고리즘에 의하여 모든 연료봉(58)의 위치를 계산하여 연료봉 인출장치 제어용 컴퓨터에 기억시킨다.

12) 연료봉(58)의 모든 위치가 확보되면 다중공구부(3)를 반시계 방향으로 90도 회전하여 그리퍼(16)를 연료봉(58)에 향하게 한다.

13) 기억된 연료봉(58)의 위치만큼 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 y축 및 z축으로 이동시키고, 그리퍼(16)의 콜렛(21)을 연다.

14) 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 x축으로 전진시켜 그리퍼(16)의 콜렛 (21)을 연료봉(58) 끝으로 삽입시킨다.

15) 그리퍼(16)의 콜렛(21)을 닫아 연료봉(58)을 파지하고, 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 x축으로 후진시켜 연료봉(58)을 인출한다.

16) 연료봉(58)이 사용후핵연료 집합체(11)로부터 완전히 분리되면, 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 x축 방향으로 이송하고, 콜렛(21)을 열어 연료봉(58)을 홈통으로 배출한다.

17) 이후, 기억된 연료봉(58)의 위치로 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 x, y, z축 방향으로 이송하여 다음의 연료봉(58)을 인출한다.( 13)-16) 공정을 모든 연료봉(58)이 인출될 때까지의 반복함.)

만약 14)의 공정에서 연료봉(58) 끝단의 중심축과 그리퍼의 콜렛(21)의 중심축이 일치하지 않아 연료봉(58)과 콜렛(21)이 충돌하게 되면, 그리퍼부 후미에 부착되어 있는 로드 셀(Load Cell) (23)에서 충돌신호가 발생하므로 작업자는 회전식 다기능 인출 헤드(30)를 뒤로 후진시키고, 다중공구부(3)의 화상입력장치(14)를 회전시켜 연료봉(58) 끝단의 중심을 다시 찾는다. 재입력된 연료봉(58)의 위치로 다중공구부(3)의 그리퍼(16)를 회전시키고 콜렛(21)을 다시 삽입하여 연료봉(58)을 인출한다.

(발명의 변형예, 응용예와 법적 해석)

본 발명은 실시예의 구성과 작용에 국한되지 아니하고 변형이나 응용가능하나 설계변경도 그 청구범위에 벗어나지 못한다.

본 발명에서는 한국형 17×17 경수로형 사용후핵연료 집합체로부터 연료봉을 한 개씩 자동으로 인출할 수 있는 핵연료봉 인출 장치의 개발에 있어서 가장 핵심 요소인 회전식 다기능 인출 헤드를 개발하였다.

이 헤드는 기존의 외국 장치와 비교하여

- 조임 너트를 풀기 위한 임팩트 렌치(Impact Wrench), 그리고 연료봉을 파지하여 인출하기 위한 그리퍼(Gripper)를 하나의 회전판에 설치함으로써, 사용후핵연료를 취급하는 hot cell 내의 작업공간을 대폭 감소시킬 수 있고,

- 화상 입력 장치를 사용하여 획득된 위치 데이터를 이용함으로써, 핵연료 파지 공정의 정확성 및 신뢰도를 향상시키고,

- 또한, 유연삽입장치를 도입함으로써, 콜렛과 연료봉 중심점간의 미소오차가 발생하더라도 연료봉을 파손시키지 않고 파지작업을 계속 수행하게 할 수 있다.

따라서 본 장치를 이용할 경우, 사용후 핵연료봉의 인출 공정의 신뢰도와 안전성을 향상시킬 수 있으며, 인출 공정의 자동화를 이룩할 수 있기 때문에, 궁극적으로 인간에게는 위해 작업인 사용후핵연료 취급공정의 전 자동화를 꾀할 수 있다.

Claims (5)

1. 양단에 설치된 사용후 핵연료 집합체 고정클램프에 의해 사용후핵연료 집합체를 고정하는 고정테이블; 상기 고정테이블과 일체형으로 형성되는 인출테이블; 상기 인출테이블에 설치되고 Y축 서보 메카니즘에 일체형으로 연결되며, Z축 서보 메카니즘에 의해 Y축 서보 메카니즘과 일체형으로 Z축방향으로 이동됨과 동시에, X축 서보 메카니즘에 의해 Z,Y축 서보 메카니즘과 일체형으로 X축 방향으로 이동되고 고정테이블에 고정된 사용후핵연료 집합체에서 연료봉을 인출하는 인출헤드로 구성된 핵연료봉 인출장치에 있어서;

   상기 인출헤드는 사용후핵연료봉의 상태를 영상처리하는 화상입력장치와, 상기 화상입력장치와 반시계방향으로 90°를 이루고 설치되고 모터에 의해 작동되는 소켓에 의해 사용후핵연료봉 집합체 하단고정체에 체결된 조임너트의 체결을 해제하는 임팩트렌치와, 상기 화상입력장치와 시계방향으로 90°를 이루고 설치되고, 모터에 의해 작동되는 콜렛에 의해 사용후핵연료봉의 끝단을 파지하는 그리퍼가 일체형으로 설치된 다중공구부;

   상기 다중공구부 하부에 일체형으로 설치되고 Y축 서보 메카니즘에 연결되며 회전모터에 의해 다중공구부를 90° 간격으로 정/역회전시키는 다중공구부 회전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 인출장치의 회전식 다기능 인출헤드.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 다중공구부의 임팩트 렌치(15)는 사용후핵연료봉 집합체 하단고정체에 체결된 조임너트에 결합되는 소켓(17)과, 상기 소켓을 작동시키는 소켓회전모터(20)와, 상기 소켓회전모터와 소켓 사이에 연결 설치되어 소켓회전모터의 구동력을 소켓에 전달하는 감속기어(25)와, 상기 소켓 및 감속기어를 관통하여 설치되는 조임너트 배출핀(18)과, 상기 조임너트 배출핀의 일측 단에 연결설치되어 조임너트 배출핀을 직선 왕복운동시키는 핀구동모터(19)와, 상기 소켓과 핀구동모터 사이에 설치되는 코일스프링(32)으로 구성되고,

   상기 다중공구부의 그리퍼(16)는 연료봉의 끝단을 파지하며 내측에는 압축스프링(53)이 설치되어 있는 두 조각의 콜렛(21)과, 상기 콜렛의 중간부가 힌지결합되는 콜렛지지관(52)과, 상기 콜렛지지관내에 위치하고 끝단이 콜렛지지관내에 위치하는 콜렛의 일측 끝단에 접촉되는 콜렛밀착봉(51)과, 상기 콜렛밀착봉의 또다른 끝단과 유니버셜조인트(54)에 의해 연결되는 슬라이딩바(55)와, 상기 슬라이딩바를 작동시키는 콜렛개폐모터(24)와, 상기 콜렛개폐모터의 구동력을 슬라이딩바에 전달하는 감속기어(33,56)와, 상기 감속기어(56)와 연결 설치되는 로드셀(23)과, 상기 로드셀과 감속기어(56) 사이에 설치되는 코일스프링(34)과, 상기 콜렛지지관 후단에 연결 설치되는 유연삽입장치(22)로 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료봉 인출장치의 회전식 다기능 인출헤드.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 다중공구부 회전장치(29)는 다중공구부가 상부에 설치되는 회전판(4)과,

   상기 회전판 하부에 일체형으로 설치되는 상부회전기어(38)와,

   상기 상부회전기어를 작동시키고 하부클러치 고정판(43)에 고정 설치되는 다중공구 회전모터(26)와,

   상기 상부회전기어 일측에 치합되고 다중공구 회전모터의 구동력을 상부회전기어에 전달하는 감속기어(35)와,

   상기 상부회전기어에 베어링(46)으로 지지되고 밑면의 동일 원주상에 90도 간격으로 4개의 홈이 파져 있는 이송너트(37)와,

   상기 이송너트의 각각의 홈과 마주보고 상기 하부클러치 고정판의 상부에 고정 설치되는 슬라이딩 핀(44)과,

   상기 이송너트에 일측단이 체결되고 하부클러치 고정판에 베어링 지지되는 상하이송스크류(36)와,

   상기 상하이송스크류를 작동시키고 헤드지지대(57)에 고정 설치되는 다중공구 상하이송모터(27)와,

   상기 다중공구 상하이송모터의 구동력을 상하이송스크류에 전달하는 감속기어(45,28)와,

   상기 상부회전기어(38)와 감속기어(28) 사이에 위치한 하부클러치 고정판 상부에 90° 간격을 설치되는 4개의 하부분할판(41) 및 하부클러치(39)와,

   상기 각각의 하부분할판 및 하부클러치와 마주보고 상부회전기어에 일체형으로 설치되는 상부분할판(42) 및 상부클러치(40)와,

   상기 하부클러치 고정판 하부에 일체형으로 연결 설치되고 Y축 서보 메카니즘에 연결되는 헤드지지대(57)로 구성되고,

   상기 상부회전기어(38), 이송너트(37), 상하이송스크류(36), 감속기어(28)는 동일중심선을 구비하도록 설치된 것을 특징으로 하는 핵연료봉 인출장치의 회전식 다기능 인출헤드.