KR100581667B1 - 내식성 인클로저와 이를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사성물질의 용기용 내식성 인클로저를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이는 구리나 구리합금재로 된 적어도 2개의 용접부(1,2)를 마찰회전용접하도록 된 것이다.

Description

내식성 인클로저와 이를 제조하는 방법{Corrosion resistant enclosure and methods for its manufacture}

본 발명은 방사성물질의 용기용 내식성 인클로저와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

핵발전소와 이와 유사한 시설의 증가되는 확산으로, 방사성의 핵폐기물을 처리하는 안정되고 안전한 방법을 제공할 필요가 증가되고 있다. 재생될 수 없는 물질은 종종 수천년 이상의 상당한 기간 동안 저장되어야 한다. 최근까지, 이러한 방사성폐기물을 저장하는 용기는 강철로 구성되었다. 강철재 용기는 클로저(closure)부재가 용기에 아크용접되고, 폐기물을 용기내에 담을 수 있도록 된 개구부를 덮고 아크용접되는 다수의 부분으로 구성된다. 이러한 강철재 용기의 문제점은 시간이 지남에 따라 이들이 부식되고 방사성물질이 누출될 위험이 있다는 것이다.

따라서, 방사성물질의 용기에 대한 가장 중요한 요구사항은, 이 용기가 깊숙한 저장소와 같이 널리 보급되어 있는 전형적인 저장시설의 환경에서 매우 오랜 기간 동안 온전하게 유지되어야 한다는 것이고, 이러한 저장소의 바위내에 있는 지하 수의 부식으로 관통되어서는 안된다. 따라서, 적어도 용기의 외벽을 구획하기 위해 내식성 인클로저(enclosure)를 제공하도록 되어지고 있다. 구리와 구리합금은 이러한 인클로저에 알맞은 물질로 취급되고 있다(예컨대, 스벤스크 카른브란슬레한터링 에이비의 1996년 연보 중 제 6장 2절 참조). 강한 내식성을 제공하기 위해, 이러한 인클로저의 벽은 가능한 한 두껍게 될 필요가 있고 그 전형적인 두께는 대략 30∼60mm이다.

이러한 두께에서 상기와 같은 물질은 매우 오랫 동안 내식성을 제공한다고 여겨지지만, 인클로저는 접합되는 부분에 조립될 필요가 있다. 접합하는 공정은 만일 접합부 자체가 더 부식되기 쉽다면 오랫 동안 내식성이 크게 감소될 것이기 때문에 중요하다. 공교롭게도, 요구된 두께의 구리와 구리합금은 주로 고온의 녹는점(1083℃) 때문에 용접하기가 대단히 어려움에 따라, 이를 취급하기 위해 인클로저의 물질 자체에 비슷한 내식성을 갖는 엄청난 고온의 무결성 용접(integrity weld)을 성취할 수 있는 전자빔용접을 이용하도록 되고 있다. 더 웰딩 인스티튜트에 의해 개발되고 본 출원에 적당한 전자빔 시스템의 실시예가 국제특허출원 PCT/GB98/02882호에 게재되어 있다.

인장 및 크리이프(creep)강도는 물질의 입자크기에 영향을 받고, 입자크기가 작아질수록 더 좋아진다. 전자빔용접은 상기 설명된 것과 같이 우수한 내식성을 성취할 수 있지만, 대략 mm의 크기를 갖는 비교적 큰 입자를 생성할 수 있다. 따라서, 비교적 두꺼운 부분 사이에서 강력한 용접을 성취하는 한편, 용접된 물질의 성능을 더 향상시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방사성물질의 용기용 내식성 인클로저를 제조하는 방법은, 구리나 구리합금재로 된 적어도 2개의 용접부를 마찰회전용접(또는 마찰교반용접, friction stir welding)함으로써 이루어진다.

마찰회전용접은 전자빔용접에 대한 대체법으로서 뛰어난 무결성의 내식성 용접을 성취할 수 있게 된다.

마찰회전용접은 가공물질 보다 견고한 물질로 된 탐침(probe)이 이 탐침과 가공물 사이에서 (예컨대, 회전 또는 왕복과 같은) 상대적인 주기운동을 하는 동안 접합부의 한면에 있는 접합구역과 가공물의 마주보는 부분에 들어가도록 함으로써, 마찰열이 발생되어 서로 마주보는 부분을 유연화시키기 시작하는 단계와; 선택적으로는 접합구역의 방향에 있는 가공물과 탐침 사이에서 상대적인 병진이동을 일으키는 단계; 탐침을 제거하는 단계; 및, 유연해진 부분을 하나로 하여 가공물과 접합하는 단계;로 이루어진다. 마찰회전용접의 예는 유럽특허 B-0615480호와 국제공개공보 제 95/26254호에 게재되어 있다.

마찰회전용접(FSW)은 알루미늄과 같은 얇고 가벼운 합금을 용접하는 방법으로 발달되어 왔고, 지금까지 이 기술을 특히 구리나 구리합금으로 된 훨씬 더 두꺼운 물질을 용접하는 데에 이용하는 것은 가능하지 않다고 고려되는 바, 이는 이러한 물질들이 고온의 녹는점과 높은 열전도성 때문에 용접하기 어렵다는 것이 잘 알려져 있기 때문이다. 하지만, 놀랍게도 마찰회전용접은 두꺼운 구리와 구리합금물질을 용접하는 데에 이용될 수 있으며, 온도가 단지 700∼900℃에 도달함에도 불구 하고 마찰회전용접은 매우 우수한 용접결과를 얻을 수 있는 고체상법(solid phase technique)이다. 더욱이, 이에 따른 용접은 전자빔용접을 이용하여 얻을 수 있는 것 보다 더 작은 입자크기를 갖는다. 이는 마찰회전용접공정이 입자를 형성할 때 입자를 분열시키고 또한 입자를 빨리 냉각시켜서, 입자가 현저하게 성장할 기회를 없애도록 하기 때문이며, 그 결과로서, 대략 미크론 단위의 입자크기가 얻어지게 된다. 또한, 시험은 용접으로 얻어지는 경도가 모재의 인장강도와 대체로 같음을 나타낸다. 또, 마찰회전용접은 일반적으로 부피가 큰 내식성 인클로저의 제조를 허용하게 되고, 이에 따라 무거워져서 전자빔용접을 하기가 매우 어려워진다. 전형적인 핵폐기물 용기는 무게가 25톤까지 나갈 수 있다.

마찰회전용접은 비교적 용이하게 다양한 용접설정을 할 수 있는 반면, 전자빔용접과 비교할 때 접합부에 상당한 간극을 허용한다.

마찰회전용접은 인클로저의 일부 또는 모든 부분을 용접하는 데에 사용될 수 있다. 예컨대, 전형적인 인클로저는 원통형상이고, 바닥부 외에 2개의 반원통형부와 각 단부의 클로저부재로 이루어진다. 이 2개의 반원통형부는 바닥부에 할 수 있는 것처럼 전자빔용접으로 용접될 수 있는 반면, 클로저부재는 마찰회전용접될 수 있다. 이는 상기 두 용접공정의 장점을 얻도록 하는 한편, 인클로저는 클로저부재가 전자빔용접 보다 마찰회전용접을 이용하여 더 용이하게 용접될 수 있는 윗쪽으로 면하는 개구부에 맞추어진다.

편리하게도, 용접단계는 인클로저의 부분들을 고정시켜 유지하는 단계와, 상기 부분들 사이에 구획된 접합선을 따라 마찰회전용접공구를 이동시키는 단계로 이 루어진다. 하지만, 다른 경우에는 공구가 고정되고 용접부들이 이동될 수 있다.

인클로저는 대개 방사성물질을 담을 목적으로 윗쪽으로 면하는 개구부에 맞추어지므로, 제 1실시예에서 클로저부재와, 개구부를 에워싸는 인클로저의 벽은 경사져서, 클로저부재가 이 클로저부재를 벽에 용접하기 전에 인클로저에 의해 지지될 수 있게 된다. 제 2실시예에서, 클로저부재의 적어도 부분은 개구부를 에워싸는 인클로저의 벽의 대응되는 크기 보다 큰 측부를 가지게 되어, 클로저부재가 이 클로저부재를 벽에 용접하기 전에 인클로저에 의해 지지될 수 있게 된다.

내식성물질은 구리나 구리합금으로 이루어지는 바, 바람직한 물질은 명목상으로는 순수 구리이다.

인클로저는 방사성물질의 용기 자체를 구획하는 소정의 환경에서 이용될 수 있지만, 전형적으로는 특히 용기가 깊은 땅속에 묻히게 되고, 용기는 방사성물질을 보관하는 인클로저내의 구조물을 구비하여 제조된다. 이는 깊은 곳에서 작용되는 압력에 대해 작용하는 강철 구조물 또는 이와 유사한 것으로 구성될 수 있고, 일반적으로는 저장될 가장 보편적인 형태의 방사성물질인 연료봉을 지지하도록 된다.

전형적인 저장공정에서, 본 발명에 따른 인클로저가 개구부를 통하여 방사성물질이 담기는 단계와; 클로저부재가 개구부를 가로질러 용접되는 단계;로 이루어져 방사성물질이 완전히 용기내에 넣어지게 된다. 전형적으로, 개구부는 필수적이지는 않지만 담기고 용접하는 단계 동안에 윗쪽으로 면하게 된다.

일반적으로, 개구부는 원통형상을 갖게 될 것이지만, 정사각형과 이와 유사한 다른 관형 단면이 가능하다.

본 발명에 따른 방법의 다른 실시예는 첨부되는 도면을 참조하여 설명된다.

도 1은 인클로저의 원통벽의 조립상태를 나타내는 사시도이고,

도 2는 원통벽에 용접된 끝벽의 부재를 나타내는 단면도,

도 3은 용접하기 바로 전에 그리고 방사성폐기물이 용기내에 담긴 뒤에, 도 2의 클로저부재와 인클로저를 나타내는 단면도,

도 4는 방사성폐기물 용기의 다른 실시예를 나타내는 도 3의 대응도,

도 5는 용접에 대한 경도의 변화를 나타낸 그래프,

도 6a는 용접예를 나타내는 횡단면의 확대사진,

도 6b와 도 6c는 도 6a의 확대사진에 나타내어진 일부를 더 상세히 나타낸 사진,

도 6d는 여러 용접구역을 구분하여 나타낸 도 6a의 확대사진에 대한 스케치,

도 7a 내지 도 7d는 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예를 이용하여 마찰회전용접공구의 측면과 단면을 나타낸 예시도,

도 8은 축척 없이 mm의 단위로 도 6a에 도시된 용접용의 특정한 도구를 상세히 나타낸 정면도이다.

도 1은 각각의 길이가 대략 5mm이고, 두께는 30∼60mm의 범위에 있는 2개의 반원통형 구리 또는 구리합금관(1,2)을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 이 2개의 관은 한쌍의 접합선(3,4)을 구획하도록 하나의 위에 다른 하나가 수평하게 놓인 다음, 각 접합선(3,4)에 회전하는 마찰혼합용접공구(5)를 삽입하고 화살표(6)로 나타내어진 접합선을 따라 공구를 이동시킴으로써 용접된다. 공구(5)는 구동모터(7)에 장착되는 바, 이 모터(7)와 공구(5)를 화살표 방향(6)으로 가로지르게 하는 지지대(도시되지 않음)에 번갈아 장착되게 된다.

상기 설명된 용접공정에 따르면, 원통벽이 내식성 인클로저의 메인몸체를 형성한 다음, 인클로저의 일단이 30∼60mm의 두께를 갖는 구리나 구리합금재로 된 끝벽의 부재(8;도 2참조)에 의해 닫힌다. 끝벽의 부재(8)는 원통벽의 일단에 수평하게 삽입되고 원통벽과 환형상의 접합선(9)을 구획한 다음, 마찰회전용접공구(5)를 접합선(9)에 삽입하고 이를 접합선 주위로 이동시킴으로써 용기에 용접된다.

끝벽의 부재(8)의 고정에 있어서는, 개방된 끝의 인클로저가 도 3에 도시된 것과 같이 수직으로 맞추어지고, 강철재의 지지구조물(10)이 벽(12)에 의해 구획된 윗개구부(11)를 통과하여 이 인클로저내에 수직으로 넣어진다. 강철재의 지지구조물(10)은 그 내부에 사용된 연료봉(14)이 개구부(11)를 통과하여 고정상태로 넣어지는 길이방향으로 뻗는 보어(13)의 배열을 포함한다. 소정의 여유공간은 불활성가스로 채워질 수 있고, 개구부(11)는 30∼60mm의 두께를 갖는 구리나 구리합금으로 된 클로저부재(15)에 의해 닫힌다. 클로저부재(15)를 제 위치에 위치시키기 위해, 벽(12)은 도 3에 도시된 것과 같이 안쪽으로 경사지게 되고, 클로저부재(15)의 대응되는 외측면(16)은 이에 대응되는 경사부를 갖는다. 도 3은 클로저부재(15)가 벽(12)에 놓이기 바로 전의 부재들을 나타낸다. 그 위치에 있어서, 회전하는 마찰회전용접공구(5)는 면(12,16)에 의해 구획된 접합선에 삽입되고, 클로저부재(15)를 다른 원통형 인클로저에 마찰회전용접시키도록 접합선 주위로 이동된다.

상기 설명된 실시예에서, 마찰회전용접공구(5)는 접합선을 따라 이동되지만, 공구(5)가 (축에 대해 회전하는 동안) 고정상태로 유지되고 접합선 자체가 이동되는 다른 배치도 가능하다. 또한, 이 실시예의 모든 접합부가 마찰회전용접을 이용하여 용접되지만, 상기 설명된 것과 같이 전자빔용접을 이용하여 용접될 수도 있다.

도 4는 제 2실시예를 나타내는 바, 이 실시예에서 2개의 반원통형 부재(1,2)는 도 1에 도시된 것과 같이 용접되지만, 이 경우 바닥부(20)는 원통형의 인클로저의 내측부 아래로 뻗는 측면부를 갖고, 이에 따라 마찰회전 또는 전자빔용접될 수 있는 접합선(21)을 구획하게 된다. 또한, 이 예에서 클로저부재(21)는 접합선(22)을 따라 다시 마찰용접될 수 있는 바닥부재(20)와 유사한 형태를 갖는다. 도 3과 도 4에 도시된 다른 형태의 바닥과 클로저부재는 서로 변경될 수 있으며, 필요에 따라서는 혼합될 수 있다.

본 발명의 성과를 보이기 위해 다양한 용접이 구리합금 사이에서 행해지고 있고 시험되고 있다. 도 5는 상업용의 순수한 고전도성의 구리로 된 2개의 부재 사이에서 마찰회전용접에 대한 경도의 변화를 나타내고 있다. 용접구역은 도 5에 도시되어 있고(약 25∼75mm), 용접에 대한 경도(HV)는 대체로 한쪽 모재의 값에서 변화되지 않았다는 것을 알 수 있다.

제 2실시예에서는 용접물의 인장강도가 시험되는 바, 이 실시예에서 10mm두께의 마찰회전용접된 구리판이 검사되어 본래 280N/mm²의 인장강도를 갖는 10mm두께의 판을 알맞게 비교하여 대략 224N/mm²의 인장강도를 가지게 됨을 알게 되었다. 더욱이, 이 인장강도는 용접의 세로부를 따라 매우 일정함을 알 수 있다.

또한, 다양한 시험샘플에서의 마찰회전용접은 입자의 크기를 관찰하기 위해 미세한 수준으로 시험되고 있다. 도 6a에는 25mm두께의 마찰회전용접된 구리판의 확대사진을 나타낸 일실시예가 있다. 확대사진은 도 6d의 스케치에서 분명하게 구분되는 입자의 구조가 다른 4개의 큰 구역을 분명하게 나타낸다. 구역 X는 용접에 영향받지 않은 구리판의 구역을 나타낸다. 구역 2, 3 및, 5는 구조가 그 내부에서 재결정의 일부 영역과 함께 유연하게 변형되는 열기구학적으로 영향받게 되는 구역이고, 구역 4는 동적으로 재결정화된 물질의 구역이다.

구역 1의 예와 구역 2의 재결정화된 부분은 각각 도 6b와 도 6c에 더 확대되어 있다. 이들 도면의 비교는 구역 2에서의 입자 구조의 재결정화가 입자크기를 얼마나 증가시키게 되는지를 분명하게 나타낸다. 지금까지의 용접은 대략 180∼360㎛의 바람직한 입자크기를 갖는 부분과 비교되는 대략 80∼600㎛의 입자크기를 갖는 부분을 나타내고 있다. 이 값들은 전자빔용접을 이용하여 180∼360㎛의 본래 판의 값에서 4mm로 변화될 수 있는 일반적으로 알려진 값들과 비교된다.

다양한 공구들이 용접공구(5)로 사용될 수 있으며, 일부 예가 도 7과 도 8에 도시되어 있다.

도 7과 도 8에 도시된 공구들은, 각각 왼나사형태(표준형의 시계방향 공구회전)를 갖는 쇼울더(31;shoulder)와 툴핀(32;tool pin)을 구비한다.

도 7a에 도시된 공구는 타원형 단면을 갖는 핀을 구비하는 한편, 도 7b에 도시된 공구는 외륜을 형성하도록 양쪽에 평탄부(34;flat)를 구비하고 있다. 도 7c는 도 7b에 도시된 공구의 변경예로서, 평탄부(34)가 오목한(re-entrant) 형상부(35)로 대치되고, 도 7d에 도시된 공구는 나사산이 진행방향으로 피치와 각이 변화하는 것을 제외하고는 도 7a에 도시된 것과 유사하다.

도 8에 도시된 공구는 측면에 가공된 한쌍의 평탄부(33)를 구비하고 있다. 하지만, 핀(32)의 단면은 원형이나 타원형, 또는 평평하게 될 수 있고, 이에 따라 탐침의 변위체적은 유연하게 된 물질을 더 용이하게 유동할 수 있도록 회전체적보다 작아지게 된다.

동작에 있어서, 핀(32)과 쇼울더(31)의 조립체는 회전되고 쇼울더(31)가 공작물의 표면을 관통할 때까지 공작물 사이의 접합부에 끼워진다. 핀(2)이 처음에 끼워질 때, 그 주위에 인접한 금속과 핀(32)의 끝 아래쪽의 작은 구역은 마찰되어 뜨거워진다. 관통부의 깊이는 공구에 의해 쇼울더(31) 아래의 핀(32)의 세로부에 의해 조정된다.

용접대상물(substrate)의 윗면과 접촉되어, 쇼울더는 용접구역에 다른 마찰열을 발생시킨다. 또한, 결합을 향상시킬 수 있도록 다양한 형상으로 가공될 수 있는 접촉 쇼울더(31)는 매우 유연해진 물질이 용접구역에서 빠져나가는 것을 방지하게 된다.

회전하는 공구(31,32)가 완전히 끼워질 때, 열기구학적으로 연화된 물질은 전체 공구배열에 대응되는 형상을 갖게 된다. 열의 영향을 받은 영역은 쇼울더(31)와 접촉하는 윗면에서 넓어지고, 핀(32)의 직경이 증가할 때 감소된다.

핀(32)과 쇼울더(31)로부터 조합된 마찰가열은 투입된 탐침의 주위와 공작물의 표면에서 매우 유연해진 "제 3의 덩어리(third body)" 조건을 발생시킨다. 유연해진 물질은 로터리공구가 접합부를 따라 이동할 때 소정의 유압효과를 제공하여 이 유연해진 물질을 공구의 주위로 유동시킨 다음, 유연해진 용접물이 공구가 이동할 때 공구 뒤에서 융합된다.

Claims (14)

1. 구리나 구리합금재로 된 적어도 2개의 용접부를 마찰회전용접하도록 된 방사성물질의 용기용 내식성 인클로저를 제조하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 인클로저의 모든 부분을 마찰회전용접하도록 된 내식성 인클로저를 제조하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 인클로저는 방사성물질을 사용 중에 넣을 수 있는 개구부를 구획하고, 부재들 중의 하나는 상기 개구부를 폐쇄시키는 클로저부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 내식성 인클로저를 제조하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 클로저부재와 개구부를 에워싸는 인클로저의 벽이 경사져서, 상기 클로저부재가 이 클로저부재를 벽에 용접시키기 전에 상기 인클로저에 의해 지지될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 내식성 인클로저를 제조하는 방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 클로저부재의 적어도 일부는 상기 개구부를 에워싸는 인클로저의 벽에 대응되는 크기 보다 더 큰 측면을 갖게 되어, 상기 클로저부재가 이 클로저부재를 벽에 용접하기 전에 상기 인클로저에 의해 지지될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 내식성 인클로저를 제조하는 방법.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 용접단계는 인클로저의 부분들을 고정시키고, 이 부분들 사이에 구획된 접합선을 따라 마찰회전용접공구를 이동시키도록 된 것을 특징으로 하는 내식성 인클로저를 제조하는 방법.
7. 제 3항에 따라 개방된 인클로저를 제조하는 단계와; 방사성물질을 담는 인클로저내에 구조물을 구비하는 단계;를 포함하는 방사성물질을 수용하는 용기를 제조하는 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 구조물은 연료봉을 지지하도록 된 것을 특징으로 하는 방사성물질을 수용하는 용기를 제조하는 방법.
9. 마찰회전용접되는 구리 또는 구리합금재로 된 적어도 2개의 용접부를 구비하는 방사성물질의 용기용 내식성 인클로저.
10. 제 9항에 따른 내식성 인클로저와; 방사성물질을 담는 인클로저내의 구조물;로 이루어지고, 상기 인클로저는 구조물내에 방사성물질을 넣을 수 있도록 개구되어 있는 방사성물질을 수용하는 방사성물질의 용기.
11. 제 10항에 따른 용기, 또는 제 7항이나 제 8항에 따라 제조된 용기, 또는 제 9항에 따른 인클로저를 갖추거나 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따라 제조된 용기를 구비하는 단계와; 개구부를 통해 상기 용기내에 방사성물질을 넣는 단계; 및, 이 방사성물질이 상기 용기내에 완전히 담기도록 개구부를 가로질러 클로저부재를 용접하는 단계;를 포함하는 방사성물질을 저장하는 방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 개구부는 넣어지고 용접되는 단계 동안 윗쪽으로 면하게 되는 것을 특징으로 하는 방사성물질을 저장하는 방법.
13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 클로저부재는 인클로저에 마찰회전용접되는 것을 특징으로 하는 방사성물질을 저장하는 방법.
14. 제 11항 또는 12항에 있어서, 상기 방사성물질은 방사성 폐기물로 이루어진 것을 특징으로 하는 방사성물질을 저장하는 방법.

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