KR100735213B1 - 핵연료봉상에서 강자성 물질 아래에 형성된 산화물 두께측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 핵연료봉의 클래딩 표면에 형성되고, 침전물층만을 투과하는 제 1 주파수로 프로브 코일을 여기시킴으로써, 그리고 침전물층, 산화물층 및 핵연료봉의 클래딩을 투과하는 제 2 주파수로 프로브 코일을 여기시킴으로써 와전류 리프트 오프 측정을 이용하여 강자성 물질을 포함하는 침전물층 아래에 있는 산화물의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이다. 제 2 주파수로 프로브 코일을 여기한 결과인 복소 임피던스로부터 제 1 주파수로 프로브 코일을 여기한 결과인 복소 임피던스를 벡터적으로 추출함으로써, 클래딩상에 형성된 산화물의 두께가 측정된다.

Description

핵연료봉상에서 강자성 물질 아래에 형성된 산화물 두께 측정 방법{METHOD FOR MEASURING OXIDE THICKNESS UNDERLYING A FERROMAGNETIC MATERIAL ON NUCLEAR FUEL RODS}
도 1 은 유도 리액턴스가 연료봉 클래딩으로부터 분리된 와전류 프로브의 저항에 대하여 도시된 복소 임피던스 도이다.
본 발명은 일반적으로 핵연료 엘리먼트들의 핵연료봉 클래딩(cladding) 위에 형성되는 강자성 및 비강자성 침전물(crud)과 지르코늄 산화물로 된 하나 이상의 전도층들의 두께를 측정하기 위한 와전류 측정 방법, 및 지르코늄합금 연료봉 클래딩과 강자성 및/또는 비강자성 침전물로 된 하나 이상의 전도층들 사이에 있는 지르코늄 산화물층의 두께를 정확하게 측정하기 위한 와전류 측정 방법에 관한 것이다.
핵 원자로의 동작 동안, 각 핵연료 어셈블리에 배치된 핵연료봉들은 원자로 코어에 있는 냉각제/감속제에 잠겨있다. 핵연료봉을 위해 지르코늄 또는 지르칼로이 클래딩 튜브를 사용하는 경수로들내에서, 물을 사용하는 냉각제/감속제와 클래딩 튜브내 지르코늄간의 반응으로, 지르코늄 산화물이 핵연료봉 상에 형성되며, 이는 약 200μm 의 두께로 축적될 수 있다. 연료봉 클래딩 튜브로부터 냉각제/감속제로의 열전달 중에 지르코늄 산화물의 역효과 및 클래딩의 구조적 완전성에 손상을 주는 금속 손실로 인한 클래딩 벽 두께의 얇아짐 때문에, 각 연료봉에 허용되는 산화물의 최대량은 제한된다. 일단 이러한 제한치가 연료봉에 도달하면, 연료봉은 교체되어야 한다.
보통의 물을 사용하는 화학적 원자로들(예를 들어, 물을 사용하는 냉각제/감속제에 첨가되는 아연이나 귀금속들을 가지지 않는 원자로들)에 있어서, 전형적으로 침전물이 전혀 없거나 제한된 양의 침전물은 연료봉 상에 침전되고, 표준 와전류 리프트(lift-off) 오프 측정 기술들이 사용될 수 있다. 그러한 표준 기술들은 지르코늄 산화물층의 두께와 관련된 지르코늄 산화물층에 의해 형성된 파라미터들(예를 들어 리프트 오프 벡터)을 측정한다.
그러나, 원자로 냉각제는 원자로 냉각제 시스템 부품 및 파이핑(piping)으로부터 분해된 입자들을 운반하고 그러한 상기 분해된 입자들을 핵연료봉상에 침전시킬 수 있다.
증기 응축기들(steam condensers)에 애드머럴티 황동 성분(admiralty brass components)을 가지고 있는 비등경수로(BWR)와 아연 주입 수질 화학(zinc injection water chemistry)를 사용하는 BWR 및 가압수형원자로(PWR)에 있어서, 강자성 침전물 또한 연료봉 상에 형성된다. 예를 들면, 아연 주입 화학제를 사용하는 원자로에 있어서, 아연 첨정석(ZnFe4O2)층과 적철광은 지르코늄 산화물층의 상부에 단단한 침전물층을 형성한다. 이러한 침전물층은 철이 존재하는 강자성이다. 더욱이, 철과 아연에 의해 형성된 합금은 침전물층의 도전율과 투과율에 영향을 미친다. 침전물층과 산화물층의 두께 측정은 핵연료봉의 열적수압 성능, 연료봉 동작 제한에 따른 컴플라이언스(compliance) 및 연료봉 수명 기간의 정확한 평가에 중요하다.
그러나 침전물층에 있는 강자성 물질은 핵연료봉 클래딩 산화물층의 두께를 결정하는데 사용되는 표준 와전류 리프트 오프 측정을 방해한다. 강자성 물질을 가진 침전물층은 종래 방법으로는 정확하게 측정되지 않았는데, 이는 종래 방법이 클래딩 산화물층의 두께를 과대평가하기 때문이다.
부식층 또는 부식층들의 두께를 측정하기 위한 표준 리프트 오프 측정 방법은 연료봉 표면에 위치한 전도성 전선 코일(들)을 가진 프로브를 사용한다. 코일이 테스트 표본(test specimen)의 표면으로부터 상승하면, 코일의 임피던스는 테스트 표본의 일부분에 형성된 와전류의 영향력 감소에 따라 변화한다. 코일이 형성한 트레이스를 리프트 오프 벡터라고 한다. 핵연료봉을 테스트할 때, 베이스 또는 클래딩 물질의 도전율은 변화하지 않아 리프트 오프 곡선의 리트레이스(retrace) 경로에 영향을 주지 않는다. 임피던스 변화는 와전류 코일이 테스트 표본으로부터 상승한 거리와 직접적으로 관련된 것으로 추측된다. 도 1에 나타난 임피던스 그래프에서 도시되는 바와 같이, 강자성 물질과 그것과 관련된 (도 1에서 점 A에서 점 C까지의 부분으로 나타낸) 투과율 궤적은 비자성 베이스 물질(즉, 연료봉 클래딩)에 대한 (도 1의 점 B에서 점 A까지의 부분으로 나타낸) 리프트 오프 곡선과 동일한 기본 방향이다. 리프트 오프 궤적 방향과 크기의 시프트는 강자성 침전물층에 의해 발생한다. 이러한 리프트 오프의 궤적 방향과 크기의 시프트가 전형적으로 종래의 장치들과 마찬가지로 비자성 베이스 물질로부터 리프트 오프 궤적에 추가되면, 연료봉 상의 산화물 두께는 실제보다 10배로 더 두꺼운 두께로 부정확하게 측정된다.
연료봉 클래딩 상에 강자성 물질을 포함하고 있는 침전물층과 지르코늄 산화의 두께를 측정하는 종래 방법은 강자성 침전물층의 예상된 영향들에 기초한 교정 팩터를 사용할 것을 필요로 한다. 교정 팩터는 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 영향이 두께의 선형함수라고 추정하여 결정된다. 그러나 이러한 추정이 연료봉 클래딩의 축 길이에 따른 두께, 조성 및 투과율을 변화시키는 옳은 또는 심지어 정확한 실제 침전물 상태를 나타내는 것은 아니다. 이에 따라 이 교정 팩터 및 추정 자체는 실제 두께 대 조사된 두께에 있어서의 상당한 차이를 유도한다. 이러한 교정 팩터는 수집된 데이터로부터 차감되고, 침전물층과 지르코늄 산화물층의 가상의 총 두께만을 제공할 뿐이다. 강자성 물질을 포함하는 침전물층들과 지르코늄 산화물층 각각의 두께는 상기와 같은 종래 방법으로는 측정될 수 없다.
그러므로, 종래 장치들과 방법들 이상의 핵연료봉 클래딩에 형성된 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 정확하게 측정하는 장치 및 방법이 요구된다.
그러므로, 종래 장치들과 방법들 이상의 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 지르코늄 산화물층의 두께를 정확하게 측정하기 위한 장치 및 방법이 요구된다.
그러므로, 종래 장치들과 방법들 이상의 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 강자성 물질을 포함하는 침전물층과 지르코늄 산화물층의 각 두께를 정확하게 측정하는 장치 및 방법이 있다.
본 발명의 목적은 핵연료봉 클래딩에 형성된 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께, 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 지르코늄 산화물층의 두께 및 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 강자성 물질을 포함하는 침전물층과 지르코늄 산화물층의 각 두께를 정확하게 측정하는 것이다.
본 발명에 따르면, 핵연료봉의 클래딩 표면상에 미지의 두께를 갖는 산화물층이 상부에 놓이는 실질적으로 강자성 물질을 포함하는 침전물층을 가질 때, 상기 산화물층의 상기 두께를 결정하는 방법으로서, 실질적으로 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 표면상에 와전류 센서의 프로브를 위치시키는 단계 - 상기 프로브는 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층만을 투과하고, 실질적으로 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 투과율 변화, 두께 변화 및 도전율 변화를 나타내는 상기 프로브의 제 1 복소 임피던스를 형성하도록 선택된 제 1 주파수를 가진 교류로 여기되는 코일을 가지며, 상기 코일은 강자성 물질을 포함하는 침전물층, 상기 산화물층 및 상기 핵연료봉의 클래딩을 투과하고 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 투과율 변화, 두께 변화, 도전율 변화, 및 실질적인 상기 산화물층에 의해 형성된 리프트 오프에서의 측정된 변화를 나타내는 상기 프로브의 제 2 복소 임피던스를 형성하도록 선택된 제 2 주파수를 가진 교류로 여기됨 -; 상기 제 1 주파수 및 제 2 주파수를 가진 교류로 상기 프로브를 여기시키는 단계; 상기 제 1 복소 임피던스와 상기 제 2 복소 임피던스를 측정하는 단계; 상기 제 1 복소 임피던스의 극성이 상기 제 2 복소 임피던스로부터 180도가 되도록 상기 제 1 복소 임피던스를 위상회전하는 단계; 및 상기 제 2 복소 임피던스를 상기 위상회전된 제 1 복소 임피던스와 합산하여, 실질적인 상기 산화물층의 두께를 나타내는 합성 복소 임피던스를 형성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 한가지 특징에 따르면, 와전류 코일은 전형적으로 10MHz인 제 1 주파수에서 동작한다. 와전류 투과 깊이는 다음과 같이 주파수에 반비례한다:
Figure 112005051674237-pat00001
등식 1
여기서,
S = 표준 투과 깊이(여기서 와전류 밀도는 그 표면값의 37%로 감쇠되었다);
f = 와전류 프로브의 동작 주파수;
μo = 유니버셜 투자율 또는 공기중의 투과율;
μ = 테스트 표본 또는 물질의 상대 투자율; 및
σ = 테스트 표본 또는 물질의 도전율;
10MHz 의 높은 주파수를 선택함으로써, 와전류 코일 임피던스의 변화가 단지 침전물 투과율, 두께, 및 도전율만을 측정할 수 있고, 이는 이러한 주파수가 전형적으로 지르칼로이와 같은 연료봉 클래딩 물질의 도전율에 영향을 받을 만큼 충분한 깊이로 투과하지 않도록 충분히 높기 때문이다. 상기 측정으로부터, 강자성 물질을 함유하는 침전물 층의 두께, 투과율 및 도전율 변화가 측정된다. 이러한 방법이 종래의 방법들보다 더욱 정확한 것은, 이것이 강자성 물질을 함유하는 침전물 층만을 투과하기 때문이며, 또한 단지 연료봉 클래딩에 실제로 형성된 물질과 비슷한 강자성 물질로부터가 아니라 발생된 특정 강자성 물질에 대한 실제 두께 데이터를 얻기 위해서, 강자성 물질을 함유하는 침전물 층의 실제 특징 및 변화된 특징을 측정하기 때문이다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제 2 주파수는 와전류를 침전물층, 산화물층, 및 연료봉 클래딩으로의 적어도 하나의 표준 투과 깊이로 투과시키는 동일한 코일에 인가된다. 주파수의 함수로써 와전류 통과 깊이는 등식 1에 의하여 다시 한번 조정된다. 선택적으로, 제 2 코일은 제 1 코일로도 대신 사용될 수 있다.
침전물층, 산화물층 및 연료봉 클래딩을 투과하도록 선택된 바람직하게 2-3MHz의 낮은 제 2 주파수를 사용함으로써, 와전류 코일 임피던스의 변화는 지르코늄 산화물층 리프트 오프 벡터(연료봉의 일정한 도전율을 추정하여), 강자성 침전물 도전율, 두께 및 투과율 벡터들의 혼합으로 일어날 것이다.
표준 와전류 측정 기술을 사용할 때, 비자성 연료봉 클래딩에 유도된 와전류는 와전류 프로브에 의해 형성된 유도 와전류를 방해한다. 연료봉 클래딩이 강자성 물질을 포함하는 상부 침전물을 가질 때, 상부 침전물층에 유도된 와전류는 비자성 연료봉 클래딩에 형성된 와전류보다 훨씬 크고 동상이다(즉, 추가된 것이다). 이는 연료봉 클래딩 상부의 층(들)의 두께 측정에 있어 상기 층(들)이 실제보다 더 두꺼울 것이라고 오해하는 경향이 있다.
본 발명에 따라서, 와전류 코일을 낮은 주파수에서 동작하여 얻어지는 지르코늄 산화물(즉, 리프트 오프 궤적)과 강자성 침전물층(즉, 결합된 투과율 및 두께 궤적)의 두께를 반영하는 측정된 파라미터들로부터 와전류를 고주파수에서 동작함으로써 얻어지는 측정된 파라미터들 즉, 강자성 침전물의 투과율 및 두께 궤적을 벡터적으로 추출함으로써, 합성 임피던스 신호는 지르코늄 산화물층 리프트 오프 벡터로부터의 데이터만을 나타내고, 강자성 침전물층의 영향은 사라지게 된다. 상술한 에러 또는 오해가 이로써 없어지고, 지르코늄 산화물층의 실제 두께를 나타내는 데이터를 산출한다. 강자성 물질 내에서 와전류를 유도하는 고주파수를 사용하는 측정 방법은 강자성 및 비강자성 물질에 유도된 와전류간의 간섭이 없기 때문에 에러가 없다.
이중 또는 단일 코일이 있는 다중 주파수 와전류 검사기를 사용할 때, 높은 주파수로부터의 정보는 와전류 검사기 내의 필터들을 사용하여 높은 주파수 및 낮은 주파수 전체 신호로부터의 정보로부터 추출된다. 고주파 신호로부터의 정보는 고주파 정보의 극성이 저주파 신호로부터 180도가 되도록 위상회전된다. 그 후에, 고주파 신호와 저주파 신호는 진폭 보정, 위상 합산되고 필터링된다. 합성 임피던스 신호는 지르코늄 산화물 리프트 오프 벡터로부터의 데이터만을 나타내고, 강자성 침전물층의 영향은 사라지게 된다. 추가적으로, (도 1의 그래프상에서 점 C와 E 사이에 나타나는 얇은 궤적으로 도시된) 강자성 침전물층의 두께 벡터는 침전물층 두께를 결정하기 위해 표준과 비교될 수 있다. 만약 (도 1의 점 A에서 점 C까지의) 투과율 궤적 또는 (도 1의 점 C에서 점 D까지의) 도전율 궤적에서 코발트 또는 니켈의 존재와 같이 어떠한 변화가 강자성 침전물층의 조성에 발생하면, 그러한 변화들은 투과율 및/또는 도전율 궤적에서의 위상 시프트에 의해 확인될 수 있다. 선택적으로, 위상 합산은 컴퓨터상에서 오프라인으로 실행될 수 있다.
본 발명의 장점은 강자성 침전물의 실제 성질과 두께 변화가 직접 측정될 수 있다는 것이다. 종래 방법은 측정 방법의 정확도에 영향을 미치는 시뮬레이팅된 침전물 두께와 성질들에 의존하였다. 본 발명의 방법은 침전물층과 산화물층 데이터를 얻기 위해 잘못된 근사치를 사용하지 않는다. 본 발명에 따라서, 강자성 침전물층과 지르코늄 산화물층의 두께는 교정 팩터들을 사용하여 근사화한다기보다 오히려 각각 측정되는 것이며, 그에 의해 연료 성능과 동작 마진을 평가하기 위한 실제 측정을 제공한다.
그러므로 비강자성 전도 물질을 기초로 하여 본 발명은,
a) 비전도 산화물층을 덮으며, 두께와 투과율이 변하는 강자성층의 두께; 및
b) 강자성 전도층 아래의 산화물층 두께를 정확하게 측정할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 비강자성 전도성 베이스에서부터 강자성 최상위층까지의 다수의 층들에 대한 어떠한 측정에도 사용될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예들을 기초로 하여 특정적으로 도시되고 상술되었을지라도, 당업자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 형태로 변화한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 핵연료봉의 클래딩 표면 상에 미지의 두께를 갖는 산화물층이 상부에 놓이는 강자성 물질을 포함하는 침전물층을 가질 때, 상기 산화물층의 상기 두께를 결정하는 방법으로서,
    a) 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 표면상에 와전류 센서의 프로브를 위치시키는 단계 - 상기 프로브는 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층만을 투과하며 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 투과율 변화, 두께 변화 및 도전율 변화를 나타내는 상기 프로브의 제 1 복소 임피던스를 형성하도록 선택된 제 1 주파수를 가진 교류로 여기되는 코일을 가지며, 상기 코일은 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층, 상기 산화물층 및 상기 핵연료봉의 클래딩을 투과하고 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 투과율 변화, 두께 변화, 도전율 변화, 및 실질적인 상기 산화물층에 의해 형성된 리프트 오프에서의 변화를 나타내는 상기 프로브의 제 2 복소 임피던스를 형성하도록 선택된 제 2 주파수를 가진 교류로 여기됨 -;
    b) 상기 제 1 주파수를 가진 교류로 상기 프로브를 여기시키는 단계;
    c) 상기 제 2 주파수를 가진 교류로 상기 프로브를 여기시키는 단계;
    d) 상기 제 1 복소 임피던스와 상기 제 2 복소 임피던스를 측정하는 단계;
    e) 상기 제 1 복소 임피던스의 극성이 상기 제 2 복소 임피던스로부터 180도가 되도록 상기 제 1 복소 임피던스를 위상회전하는 단계; 및
    f) 상기 제 2 복소 임피던스를 상기 위상회전된 제 1 복소 임피던스와 합산하여, 상기 산화물층의 두께를 나타내는 합성 복소 임피던스를 형성하는 단계를 포함하는 산화물층 두께 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화물층의 산화물은 지르코늄 산화물인 것을 특징으로 하는 산화물층 두께 결정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 2-3MHz인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 주파수는 10MHz인 것을 특징으로 하는 산화물층 두께 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수는 2-3MHz인 것을 특징으로 하는 산화물층 두께 결정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산화물층의 산화물은 지르코늄 산화물인 것을 특징으로 하는 산화물층 두께 결정 방법.
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