KR100741205B1 - 핵연료봉상의 침전물 두께 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강자성 물질을 포함하는 침전물층으로만 통과하는 소정의 주파수로 프로브 코일을 여기시킴으로써 와전류 리프트오프 측정을 사용하여 핵연료봉상에 증착된 강자성 물질으로 포함하는 침전물층의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이다.

Description

핵연료봉상의 침전물 두께 측정 방법{METHOD FOR MEASURING CRUD THICKNESS ON NUCLEAR FUEL RODS}
도 1 은 유도 리액턴스가 연료봉 클래딩으로부터 분리된 와전류 프로브의 저항에 대하여 도시된 복소 임피던스 선도이다.
본 발명은 핵연료 엘리먼트들의 핵연료봉 클래딩(cladding)에 형성된 강자성 및/또는 비강자성 침전물(crud)로 된 하나 이상의 전도성 층들의 두께를 측정하기 위한 전자기적 테스트 방법과 그러한 자성 또는 비자성인 전도성 침전물층의 두께를 정확하게 측정하기 위한 와전류 측정 방법에 관한 것이다.
핵 원자로의 동작 동안, 각 핵연료 어셈블리에 배치된 핵연료봉들은 원자로 코어에 있는 냉각제/감속제에 잠긴다. 핵연료봉용 지르코늄 또는 지르칼로이 클래딩 튜브를 사용하는 경수로들내에서, 물을 사용하는 냉각제/감속제와 클래딩 튜브내 지르코늄간의 반응으로, 약 200μm 의 두께로 축적되는 지르코늄 산화물이 핵연료봉상에 형성된다. 연료봉 클래딩 튜브로부터 냉각제/감속제로의 열전달 중에 지르코늄 산화물의 역효과와 클래딩의 구조적 완전성에 손상을 주는 금속손실로 인한 클래딩벽 두께의 가늘어짐 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 불활성 화학물(noble chemical)들을 가지지 않는 원자로들)에 있어서, 전형적으로 침전물이 전혀 없거나 제한된 양의 침전물은 연료봉 상에 침전되고, 표준 와전류 리프트 오프(lift-off) 측정 기술들은 사용될 수 있다. 그러한 표준 기술들은 지르코늄 산화층의 두께와 관련된 지르코늄 산화층에 의해 형성된 파라미터들(예를 들어 리프트 오프 벡터)을 측정한다.
그러나, 원자로 냉각제는 원자로 냉각제 시스템 성분 및 파이핑(piping)으로부터의 분해된 입자들을 운반하고 그러한 상기 분해된 입자들을 핵연료봉상에 침전시킬 수 있다.
증기 응축기들(steam condensers)에 있는 선박 놋쇠 성분(admiralty brass components)을 가지고 있는 비등경수로(BWR)와 아연 주입 워터 화학제(zinc injection water chemistry)를 사용하는 BWR 및 가압수형원자로(PWR)에 있어서, 강자성 침전물 역시 연료봉상에 형성된다. 예를 들면, 아연 주입 화학제를 사용하는 원자로에 있어서, 아연 첨정석(ZnFe4O2)층과 적철광은 지르코늄 산화층의 상부에 단단한 침전물층을 형성한다. 이러한 침전물층은 철로 인해 강자성이다. 더욱이, 철과 아연에 의해 형성된 합금은 침전물층의 도전율과 투자율에 영향을 미친다. 침전물층과 산화층의 두께 측정은 핵연료봉의 열적수압 성능, 연료봉 동작제한의 추종 및 연료봉 수명기간의 정확한 평가에 중요하다.
그러나, 침전물층에 있는 강자성 물질은 핵연료봉 클래딩 산화층의 두께를 결정하는데 사용되는 표준 와전류 리프트 오프 측정을 방해한다. 강자성 물질을 가진 침전물층은 종래방법으로는 정확하게 측정되지 않았는데, 이는 종래 방법이 클래딩 산화층의 두께를 과대평가하기 때문이다.
부식층 또는 부식층들의 두께를 측정하기 위한 표준 리프트 오프 측정방법은 연료봉 표면에 위치한 전도성 전선 코일(들)을 가진 프로브를 사용하는 것이다. 코일이 테스트 표본(test specimen)의 표면에서 상승하면, 코일의 임피던스는 테스트 표본의 일부분에 형성된 와전류의 영향이 감소하는데 응답하여 변화한다. 코일이 형성한 트레이스를 리프트 오프 벡터라고 한다. 핵연료봉을 테스트할 때, 베이스 또는 클래딩 물질의 도전율은 변화하지 않는데, 그러므로 리프트 오프 곡선의 리트레이스 경로에 영향을 주지 않는다. 임피던스 변화는 와전류 코일이 테스트 표본으로부터 상승한 거리와 직접적으로 관련된 것으로 추측된다. 도 1 에 나타난 임피던스 그래프에서 도시되는 바와 같이, 강자성 물질과 그것과 관련된 투자율 궤적(도 1 에서 점 A 에서 점 C 까지의 부분으로 나타난)은 비자성 베이스 물질(즉, 연료봉 클래딩)에 대한 리프트 오프 곡선(도 1 의 점 B 에서 점 A 까지의 부분으로 나타난)과 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 추가될 때, 연료봉 상의 산화물 두께는 실제보다 열 배로 더 두꺼운 두께로 부정확하게 측정된다.
연료봉 클래딩상의 강자성 물질과 지르코늄 산화층을 포함하고 있는 침전물층의 두께를 측정하는 종래 방법은 강자성 침전물층의 예상된 영향들에 기초한 보정 팩터를 사용할 것을 필요로 한다. 보정 팩터는 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 영향이 두께의 선형함수라고 추정하여 결정된다. 그러나 이러한 추정이 연료봉 클래딩의 축 길이에 따른 두께, 조성 및 투자율을 변화시키는 옳은 또는 심지어 정확한 실제 침전물 상태를 나타내는 것은 아니다. 이러한 보정 팩터는 수집된 데이터로부터 차감되고, 침전물층과 지르코늄 산화층의 가상의 총 두께만을 제공할 뿐이다. 강자성 물질과 지르코늄 산화층을 포함하는 각 침전물층들의 두께는 상기와 같은 종래 방법으로는 측정될 수 없다.
그러므로, 종래 장치들과 방법들에 비해 핵연료봉 클래딩에 형성된 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 정확하게 측정하는 장치 및 방법이 요구된다.
그러므로, 종래 장치들과 방법들에 비해 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 지르코늄 산화층의 두께를 정확하게 측정하기 위한 장치 및 방법이 요구된다.
그러므로, 종래 장치들과 방법들에 비해 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 강자성 물질과 지르코늄 산화물층을 포함하는 침전물층의 각 두께를 정확하게 측정하는 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명은 핵연료봉 클래딩에 형성된 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께, 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 지르코늄 산화층의 두께 및 핵연료봉 클래딩의 표면에 형성된 강자성 물질과 지르코늄 산화물층을 포함하는 침전물층의 각 두께를 정확하게 측정하기 위함이다.
본 발명에 따르면, 핵연료봉의 표면에 형성된, 미지의 두께와 투자율을 가지는 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 결정하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은: 강자성 물질을 포함하는 상기 침전물층의 표면에 와전류 센서의 프로브를 위치시키는 단계를 포함하는데, 상기 프로브는 강자성 물질을 포함하는 침전물층으로만 통과하고, 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 투자율 변화, 두께 변화 및 도전율 변화를 나타내는 상기 프로브의 복소 임피던스를 형성하도록 선택된 주파수를 가진 교류 전류로 여기되는 코일을 가지며; 상기 주파수를 가진 교류 전류로 상기 프로브를 여기시키는 단계; 및 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 나타내는 복소 임피던스를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한가지 특징에 따르면, 와전류 코일은 전형적으로 10MHz인 제 1 주파수에서 동작한다. 와전류 투과 깊이는 다음과 같이 주파수에 반비례한다:
Figure 112000019904401-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 투자율;
μ = 테스트 표본 또는 물질의 상대 투자율; 및
σ = 테스트 표본 또는 물질의 도전율;
10MHz 의 높은 주파수를 선택함으로써, 와전류 코일 임피던스의 변화는 단지 침전물 투자율, 두께, 및 도전율만을 측정할 수 있는 것은, 이러한 주파수가 전형적으로 지르칼로이와 같은 연료봉 클래딩 물질의 도전율에 영향을 받을 만큼 충분한 깊이로 투과하지 않도록 충분히 높기 때문이다. 상기 측정으로부터, 강자성 물질을 함유하는 침전물층의 두께, 투자율 및 도전율 변화가 측정된다. 이러한 방법이 종래의 방법들보다 더욱 정확한 것은, 와전류가 강자성 물질을 함유하는 침전물층만을 통과하기 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 침전물층의 실제 특징 및 변화된 특징을 측정하기 때문이다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 제 2 주파수는 와전류가 침전물층, 산화층, 및 연료봉 클래딩으로의 적어도 하나의 표준 통과 깊이로 통과하도록 하는 동일한 코일에 인가된다. 주파수의 함수로서의 와전류 통과 깊이는 등식 1 에 의하여 다시 한번 조정된다. 대안적으로, 제 2 코일은 어떠한 코일로도 대신에 사용될 수 있다.
바람직하게 2-3MHz 로써 침전물층, 산화물층 및 연료봉 클래딩을 투과하기 위해 선택된 낮은 제 2 주파수를 사용함으로써, 와전류 코일 임피던스의 변화는 지르코늄 산화물층 리프트 오프 벡터(연료봉의 일정한 도전율을 추정하는), 강자성 침전물 도전율, 두께 및 투자율 벡터들의 혼합으로 일어날 것이다.
표준 와전류 측정 기술을 사용할 때, 비자성 연료봉 클래딩에 유도된 와전류는 와전류 프로브에 의해 형성되어 유도된 와전류를 방해한다. 연료봉 클래딩이 강자성 물질을 포함하는 상부 침전물을 가질 때, 상부 침전물층에 유도된 와전류는 비자성 연료봉 클래딩 내부에서 형성된 와전류보다 훨씬 크고 동상이다(즉, 추가된 것이다). 이는 층(들)이 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 저주파수에서 동작하여 얻어지는 지르코늄 산화물층(즉, 리프트 오프 궤적)과 강자성 침전물층(즉, 결합된 투자율 및 두께 궤적)의 두께를 반영하는 측정된 파라미터들로부터 와전류를 고주파수에서 동작함으로써 얻어지는 측정된 파라미터들 즉, 강자성 침전물의 투자율 및 두께 궤적을 벡터적으로 추출함으로써, 최종 임피던스 신호는 지르코늄 산화물층 리프트 오프 벡터로부터만의 데이터를 나타내고, 강자성 침전물층의 영향은 사라지게 된다. 그에 의해, 앞서 논의한 에러 또는 바이어스는 제거되고, 지르코늄 산화물 층의 실제 두께를 나타내는 데이터를 산출한다. 강자성 물질 내에서 와전류를 유도하는 고주파수를 사용하는 측정방법은 강자성 및 비강자성 물질내에서 유도된 전류간의 간섭이 없기 때문에 에러가 없다.
이중 또는 단일 코일이 있는 다주파수 와전류 검사기를 사용할 때는, 높은 주파수로부터의 정보는 와전류 검사기 내의 필터들을 사용하여 높은 주파수 및 낮은 주파수 전체로부터의 정보로부터 추출된다. 고주파수 신호로부터의 정보는 고주파수 정보의 극성이 저주파수 신호로부터 180도가 되도록 위상회전된다. 그 후에, 고주파수 신호와 저주파수 신호는 진폭 보정, 위상 합산되고 필터링된다. 최종 임피던스 신호는 지르코늄 산화물 리프트 오프 벡터로부터만의 데이터를 나타내고, 강자성 침전물층의 영향은 사라지게 된다. 추가적으로, 강자성 침전물층의 두께 벡터(도 1 의 그래프 상에서 점 C 와 E 사이의 나타나는 얇기 궤적(thinning locus)으로 도시된)는 침전물층 두께를 결정하기 위해 표준과 비교될 수 있다. 만약 투자율 궤적(도 1 의 점 A 에서 점 C 까지) 또는 도전율 궤적(도 1 의 점 C 에서 점 D 까지)에서 코발트 또는 니켈에 의해 같은 어떠한 변화가 강자성 침전물층의 합성물에 발생하면, 그러한 변화들은 투자율 및/또는 도전율 궤적에서의 위상 시프트에 의해 확인될 수 있다. 선택적으로 위상 합산은 컴퓨터 상의 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 보정 팩터들을 사용하여 근사화한다기 보다 오히려 각각 측정되는 것이며, 그에 의해 연료 성능과 동작 마진을 평가하기 위한 실제 측정을 제공한다.
그러므로, 본 발명을 이용하여
a) 비전도 산화물층을 덮으며 두께와 투자율이 변하는 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께; 및
b) 비-강자성 물질에 기초하여, 강자성 물질을 포함하는 침전물층 아래에 있는 산화물 층의 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. 클래딩 물질을 가진 핵연료봉의 표면에 형성되고, 미지의 두께와 미지의 투자율을 가지며, 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 결정하는 방법에 있어서,
    a) 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 표면에 와전류 센서의 프로브를 위치시키는 단계를 포함하는데, 상기 프로브는 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층으로만 통과하고 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 투자율 변화, 두께 변화 및 도전율 변화를 나타내는 상기 프로브의 복소 임피던스를 형성하도록 선택된 주파수를 가지는 교류로 여기되는 코일을 가지며, 상기 주파수는 상기 핵연료봉의 클래딩 물질의 도전율에 의하여 영향을 받지 않도록 선택되며;
    b) 상기 주파수를 가지는 교류 전류로 상기 프로브를 여기시키는 단계; 및
    c) 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 나타내는 상기 복소 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 결정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 선택된 주파수는 3MHz보다 큰 것을 특징으로 하는 두께 결정 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 선택된 주파수는 10MHz와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 두께 결정 방법.
  4. 비자성 연료봉 클래딩을 가진 핵연료봉의 표면에 형성되고, 미지의 두께와 미지의 투자율을 가지며, 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 결정하는 방법에 있어서,
    a) 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 표면에 와전류 센서의 프로브를 위치시키는 단계를 포함하는데, 상기 프로브는 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층으로만 통과하고 상기 강자성 물질을 포함하는 상기 침전물층 및 상기 비자성 연료봉 클래딩의 유도된 와전류들간의 상호작용을 실질적으로 제거하면서 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 투자율 변화, 두께 변화 및 도전율 변화를 나타내는 상기 프로브의 복소 임피던스를 형성하도록 선택된 주파수를 가지는 교류로 여기되는 코일을 가지며;
    b) 상기 주파수를 가지는 교류 전류로 상기 프로브를 여기시키는 단계; 및
    c) 상기 강자성 물질을 포함하는 침전물층의 두께를 나타내는 상기 복소 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 결정 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 선택된 주파수는 3MHz보다 큰 것을 특징으로 하는 두께 결정 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 선택된 주파수는 10MHz와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 두께 결정 방법.
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