KR100945022B1 - 연구용 원자로 ｏｒ 공에서의 재료 조사 시험용 계장 캡슐 - Google Patents

Abstract

개시된 조사 시험용 계장 캡슐은 하우징 내에 수용되며, 시험 시편이 삽입된열매체를 구비한 캡슐 본체부와, 상기 캡슐 본체부의 하단에 결합되며, 연구용 원자로의 OR 공의 하단 고정홈에 삽입되는 로드 팁을 구비한 고정부와, 상기 캡슐 본체부 상단에 결합하며, 내부 공간을 통해 제어부에 연결된 배선들이 상기 캡슐 본체부에 연결되도록 경로를 제공하는 보호관 및 상기 보호관 상부에 설치되어 상기 캡슐 본체부가 상기 OR 공에 삽입 시 상기 연구용 원자로의 클램프에 의해 하방으로 가압되는 상부 스토퍼를 구비하는 보호관부 및 상기 보호관 상단에 결합하며, 내부 공간을 통해 상기 배선들의 경로를 제공하는 안내관을 구비한 안내관부를 포함할 수 있다. 이에 의하면, 연구용 원자로의 OR 공에 삽입되는 조사 시험용 계장 캡슐은 로드 팁이 고정홈에 삽입되고, 상부 스토퍼가 클램프에 의하여 하방으로 눌려 고정되므로, 상기 OR 공 내에서의 조사 시험 중 상기 조사 시험용 계장 캡슐에 작용하는 수평 및 상방으로의 진동을 억제하여 상기 조사 시험용 계장 캡슐이 정위치를 벗어나지 않도록 할 수 있다.

연구용 원자로, OR 공, 계장 캡슐

Description

연구용 원자로 ＯＲ 공에서의 재료 조사 시험용 계장 캡슐{INSTRUMENTED CAPSULE FOR IRRADIATION TEST OF MATERIAL ON OR HOLE OF RESEARCH REACTOR}

본 발명은 연구용 원자로 OR 공에서의 재료의 조사 시험용 계장(計裝) 캡슐에 관한 것으로서, 특히 연구용 원자로인 하나로의 외곽 노심인 OR 공에서 재료의 조사 시험을 하기 위한 조사 시험용 계장 캡슐에 관한 것이다.

차세대 원자로를 비롯한 각종 원자로의 개발은 핵연료를 포함한 다양한 문제를 내포하고 있다.

당면한 가장 큰 문제는 방사선 조사와 관련한 제반 현상의 규명과 조사로 인한 노화(aging)에 견딜 수 있는 첨단 재료를 만들어 내는 일이다.

최근에는 원자력 신소재, 차세대 경수로, 신형 경수로, 액체금속로 및 핵연료에 대한 다양한 연구 개발이 진행되고 있는 가운데, 이들 과제에서 달성하고자 하는 목표중 하나가 기존에 사용하고 있는 재료 혹은 새로운 개량 재료에 대한 중성자 저항성을 평가하는 것이다.

원자력 핵심 부품재의 원자로 내 사용중, 고속 중성자 조사에 의해 발생되는 여러 기계적 물성의 저하로 인한 재질 열화는 원자력 발전소의 건전성 확보 및 수명을 단축하는 주요 요인 중의 하나이다.

따라서, 새로운 원자력 재료 개발이나 주요 구성품의 설계 변경 시에도 중성자 저항성과 관련한 연구로에서의 조사시험은 반드시 거쳐야 할 필수적인 단계로 정착되어 있다.

상기와 같은 연구로 내 조사 시험을 위하여 이용되는 시설 중에 시험 대상이 되는 다양한 재료의 시편을 내장한 상태로 연구로 내의 조사공에 장착되는 캡슐은 가장 핵심적인 장비이다.

상기 캡슐은 조사 기간 중에 캡슐 내부의 온도나 분위기를 조정할 수 있도록 외부와의 연결 채널을 구비하는 계장 캡슐과, 연결 채널이 없어 내부 조건을 조정할 수 없는 무계장 캡슐로 구분된다.

상기 계장 캡슐은 캡슐 내의 온도를 조절하는 장치가 구비되어 목표로 하는 시험편의 조사 온도를 조절할 수 있어 실제 가동 중인 원자로의 온도 조건과 동일한 시험이 가능한 조사시험 설비이다.

상기 계장 캡슐은 조사 목적에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있으며, 열전대, 보조히터, 압력센서, 스트레인 게이지, 중성자 측정기 등 조사목적에 따라 다양한 계장품이 캡슐 내에 장입되어 조사 시험에 이용될 수 있다.

상기와 같은 계장 캡슐에 의한 조사 시험은 노심 중앙에 있는 일명 CT 공(centric hole)에 상기 계장 캡슐을 삽입하여 실시하는데, 상기 CT 공의 경우 노 심 중앙에 위치해 있기 때문에 중성자속이 대단히 높다.

원자력 발전소에서 사용되는 구성 부품이나 재료 중에는, 예컨대 원자력 압력용기, 경수로 핵연료피복관, 제4세대 원자로 고온 재료 등은 상대적으로 낮은 중성자 조사량이 요구되는 것이 있다.

이러한 낮은 중성자 조사량이 요구되는 구성 부품이나 재료의 경우에는 노심 외곽에 있으면서, CT 공보다 낮은 중성자속을 가진 일명 OR 공(outer hole)에서 조사 시험을 실시해야 된다.

상기 OR 공은 상기 CT 공과는 그 크기나 구조 등이 다소 차이가 있어 종래 CT 공에서 사용하던 계장 캡슐을 그대로 사용할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 중성자속이 상대적으로 낮은 OR 공 내에서 중성자에 의한 재료의 조사 시험을 실시할 수 있는 조사 시험용 계장 캡슐을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 연구용 원자로의 OR 공에서 재료의 조사 시험용 계장 캡슐은 하우징과, 상기 하우징 내에서 복수의 절연체에 의해 구획되고, 외주면에 히터가 설치되며, 중성자 측정기 및 열전대가 연결된 열매체와, 상기 열매체에 수용된 시험 시편 및 상기 하우징 상부에 내장되어 상기 열매체를 탄성 가압하는 상부 스프링을 구비한 캡슐 본체부와, 상기 캡슐 본체부의 하단에 결합되며 하부에 수용홈이 형성된 하부 엔드 플레이트와, 일측이 상기 수용홈에 삽입되고, 타측이 연구용 원자로의 OR 공의 하단 고정홈에 삽입되는 로드 팁 및 상기 로드 팁에 삽입되어 상기 하부 엔드 플레이트에 대해 상기 로드 팁을 탄성 지지하는 하부 스프링을 구비한 고정부와, 상기 캡슐 본체부 상단에 결합하며, 내부 공간을 통해 제어부에 연결된 배선들이 상기 캡슐 본체부에 연결되도록 경로를 제공하는 보호관과, 상기 보호관 하부에 설치되어 상기 OR 공의 입구에 걸쳐지는 하부 스토퍼 및 상기 보호관 상부에 설치되어 상기 캡슐 본체부가 상기 OR 공에 삽입 시 상기 연구용 원자로의 클램프에 의해 하방으로 가압되는 상부 스토퍼를 구비하는 보호관부 및 상기 보호관 상 단에 결합하며, 내부 공간을 통해 상기 배선들의 경로를 제공하는 안내관을 구비한 안내관부를 포함할 수 있다.

상기 열매체는 알루미늄(Al)과, 지르코늄(Zr)과, 코발트(Co)와, 몰리브덴(Mo) 및 철(Fe) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 로드 팁 중 상기 수용홈 외측으로 노출되어 상기 고정홈에 삽입되는 부분은 직선형의 머리 및 부채꼴형의 몸통으로 이루어진 깔대기 형상으로, 상기 몸통의 외주면은 상기 고정홈을 형성하는 내벽면에 접할 수 있다.

상기 로드 팁은 상기 OR 공에서의 조사 시험 시 상기 캡슐 본체부에 작용하는 수평 진동을 억제할 수 있다.

상기 클램프에 의해 하방으로 가압된 상기 상부 스토퍼는 상기 OR 공에서의 조사 시험 시 상기 캡슐 본체부에 작용하는 수직 진동을 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 연구용 원자로의 OR 공에서의 재료 조사 시험용 계장 캡슐은 연구용 원자로의 중앙에 위치한 조사공에서 시험하는 재료 계장캡슐 보다 상대적으로 낮은 조사량에 도달될 수 있으며, 다양한 열매체를 사용할 수 있게 하여 알루미늄 단일 열매체를 사용하는 것보다 시편이 높은 온도에 도달할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 연구용 원자로의 OR 공에 삽입되는 조사 시험용 계장 캡슐은 로드 팁이 고정홈에 삽입되고, 상부 스토퍼가 클램프에 의하여 하방으로 눌 려 고정되므로, 상기 OR 공 내에서의 조사 시험 중 상기 조사 시험용 계장 캡슐에 작용하는 수평 및 상방으로의 진동을 억제하여 상기 조사 시험용 계장 캡슐이 정위치를 벗어나지 않도록 할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연구용 원자로의 OR 공에서 재료의 조사 시험용 계장 캡슐에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 시험용 계장 캡슐을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 2는 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐이 연구용 원자로의 OR 공에 삽입된 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 3은 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐의 캡슐 본체부를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 4는 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐의 고정부를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 5는 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐의 보호관부 및 안내관부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 조사 시험용 계장 캡슐(100)은 캡슐 본체부(110)와, 고정부(120)와, 보호관부(130) 및 안내관부(140)를 포함할 수 있다.

상기 캡슐 본체부(110)는 하우징(housing;111)과, 열매체(112)와, 하부 가이드 플레이트(lower guide plate;113)와, 상부 엔드 플러그(upper end plug;114)와, 반사판(115)과, 스페이서(spacer;116) 및 상부 스프링(upper spring;117)을 구비할 수 있다.

상기 하우징(111)은 상기 캡슐 본체부(110)의 외통을 형성하는 것으로, 내부에 공간이 형성된 파이프(pipe) 형태일 수 있다.

상기 열매체(112)는 연구용 원자로(미도시)의 OR 공(200) 내에서 중성자에 의해 조사될 시험 시편(미도시)이 수용되는 홀더(holder)로서, 중심부에 관통홀(112a)이 형성될 수 있고, 상기 관통홀(112a) 주위로 상기 시험 시편이 삽입되도록 복수의 삽입홀(미도시)이 형성될 수 있다.

상기 열매체(112)의 외주면에는 상기 열매체(112)를 통해 상기 시험 시편을 가열하기 위한 히터(heator;118)가 설치될 수 있다.

상기 열매체(112)에는 열전대(미도시) 및 중성자 측정기(미도시)가 설치되는데, 상기 열전대에 의해 상기 시험 시편의 온도를 측정할 수 있고, 상기 중성자 측정기에 의해 상기 시험 시편에 조사된 중성자량을 측정할 수 있다.

상기 열매체(112)는 절연체(119)에 의해 복수의 영역으로 구획될 수 있다.

상기 열매체(112)는 열전도율이 높은 알루미늄(Al)과, 지르코늄(Zr)과, 코발트(Co)와, 몰리브덴(Mo) 및 철(Fe) 중 어느 한 재료에 의하여 이루어질 수 있으며, 이에 의하여 열매체(112)에 삽입되는 상기 시험 시편의 온도를 고온에 도달하게 할 수 있다.

상기 하부 가이드 플레이트(113)는 상기 하우징(111) 하단에 결합하여 상기 하우징(111) 내부를 외부와 차단할 수 있다.

상기 상부 엔드 플러그(114)는 상기 하우징(111) 상단에 결합하여 상기 하우징(111) 내를 외부와 차단할 수 있으며, 상기 열전대 및 히터에서 인출되는 배 선(152)들이 기밀하게 관통되고, 헬륨 가스에 의해 상기 하우징(111) 내의 진공 상태를 조절하는 진공 제어 파이프(151)가 기밀하게 연결될 수 있다.

상기 반사판(115)은 상기 열매체(112)의 하단 및 상단 각각에 결합하여 상기 열매체(112)의 장축 방향으로 열이 방출되는 것을 방지할 수 있다.

상기 스페이서(116)는 상기 상부의 반사판(115) 상부에 마련되며, 상기 스페이서(116)와 상기 상부 엔드 플러그(114) 사이에는 상부 스프링(117)이 개재되어 상기 시험 시편을 하부로 가압할 수 있다.

상기 고정부(120)는 상기 캡슐 본체부(110)의 하부에 결합되는 부분으로, 하부 엔드 플레이트(lower end plate;121)와, 로드 팁(rod tip;123) 및 하부 스프링(124)을 구비할 수 있다.

상기 하부 엔드 플레이트(121)의 일측, 즉 하부에는 수용홈(122)이 형성되고, 타측은 상기 캡슐 본체부(110)의 하부 가이드 플레이트(113)에 결합될 수 있다.

상기 로드 팁(123)은 타측이 상기 하부 엔드 플레이트(121)의 수용홈(122)에 삽입되며, 일측이 연구용 원자로의 OR 공(200) 하부에 있는 고정홈(210)에 삽입될 수 있다.

상기 로드 팁(123) 중 상기 수용홈(122) 외부에 노출되어 상기 고정홈(210)에 삽입되는 일측부는 직선형의 머리(123a) 및 상기 머리(123a)가 연장된 부채꼴형의 몸통(123b)으로 이루어진 깔대기 형상일 수 있다.

상기 로드 팁(123)의 머리(123a)는 상기 고정홈(210)을 형성하는 내벽면에 이격된 상태로 삽입되고, 상기 몸통(123b)은 상기 고정홈(210)을 형성하는 내벽면에 접하여 상기 고정홈(210)의 입구를 막는 형태로 삽입될 수 있다.

상기 하부 스프링(124)은 상기 로드 팁(123) 중 상기 수용홈(122)에 삽입된 부분에 삽입되어 상기 하부 엔드 플레이트(121)에 대해 상기 로드 팁(123)을 탄성 지지할 수 있다.

상기 고정홈(210)에 삽입된 로드 팁(123)은 조사 시험 중 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)에 가해지는 수평 진동에 의한 수평 변위를 억제할 수 있다.

상기 보호관부(130)는 상기 캡슐 본체부(110) 상부에 결합되는 부분으로, 보호관(131)과, 하부 스토퍼(lower stopper;132) 및 상부 스토퍼(upper stopper;133)를 구비할 수 있다.

상기 보호관(131)은 내부에 공간이 형성된 파이프 형태로, 상기 보호관(131) 내에는 일측이 제어부(미도시)에 연결되고, 타측이 상기 캡슐 본체부(110)에 연결되는 상기 배선(152)들과 진공 제어 파이프(151)가 수용되어 연구용 원자로를 수용하는 수조의 물로부터 이를 보호할 수 있다.

상기 하부 스토퍼(132)는 상기 보호관(131)의 하부 외주면에 설치되며, 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)이 상기 OR 공(200)에 삽입될 시, 상기 OR 공(200)의 입구에 걸쳐 상기 OR 공(200) 내로의 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)의 삽입 정도를 조절할 수 있다.

상기 상부 스토퍼(133)는 상기 보호관(131)의 상부 외주면에 설치되며, 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)이 상기 OR 공(200)에 삽입된 후, 상기 연구용 원자로 에 설치된 클램프(clamp;300)에 의하여 상기 상부 스토퍼(133)는 하방으로 가압될 수 있다.

즉, 상기 클램프(300)는 상기 상부 스토퍼(133)를 하방으로 가압하여 상기 OR 공(200) 내에서의 조사 시험 중 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)에 작용하는 수직 진동, 즉 상방으로 작용하는 진동을 억제하여 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)을 일정한 위치에 고정할 수 있다.

상기 안내관부(140)는 상기 보호관부(130)의 상부에 결합할 수 있으며, 상기 물로부터 상기 배선(152)들과 상기 진공 제어 파이프(151)를 보호하기 위해 내부에 공간이 형성된 파이프 형태의 안내관(141)을 구비할 수 있다.

상기와 같은 구조의 조사 시험용 계장 캡슐(100)에 의하여 조사 시험은 먼저 열매체(112)에 시험 시편을 삽입한 후, 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)을 연구용 원자로의 OR 공(200)에 삽입한다.

상기 OR 공(200)에 삽입 시, 상기 고정부(120)의 로드 팁(123)은 상기 OR 공(200)의 하부에 있는 고정홈(210)에 삽입되고, 상기 보호관부(130)의 상부 스토퍼(133)는 상기 연구용 원자로의 클램프(300)에 의하여 고정된다.

이후, 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)에 중성자를 조사하여 상기 열매체(112)에 삽입된 시험 시편의 온도나 중성자량 등을 측정할 수 있다.

상기와 같은 구조에 의하면, 연구용 원자로의 OR 공(200)에 삽입되는 조사 시험용 계장 캡슐(100)은 로드 팁(123)이 고정홈(210)에 삽입되고, 상부 스토퍼(133)가 클램프(300)에 의하여 하방으로 눌려 고정되므로, 상기 OR 공(200) 내에 서의 조사 시험 중 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)에 작용하는 수평 및 상방으로의 진동을 억제하여 상기 조사 시험용 계장 캡슐(100)이 정위치를 벗어나지 않도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조사 시험용 계장 캡슐을 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2는 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐이 연구용 원자로의 OR 공에 삽입된 모습을 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3은 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐의 캡슐 본체부를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 4는 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐의 고정부를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 5는 도 1의 조사 시험용 계장 캡슐의 보호관부 및 안내관부를 개략적으로 나타낸 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100... 계장 캡슐 110... 캡슐 본체부

111... 하우징 112... 열매체

113... 하부 가이드 플레이트 114... 상부 엔드 플러그

115... 반사판 116... 스페이서

117... 상부 스프링 118... 히터

119... 절연체 120... 고정부

121... 하부 엔드 플레이트 123... 로드 팁

124... 하부 스프링 130... 보호관부

131... 보호관 132... 하부 스토퍼

133... 상부 스토퍼 140... 안내관부

141... 안내관 200... OR 공

300... 클램프

Claims (5)

1. 하우징과, 상기 하우징 내에서 복수의 절연체에 의해 구획되고, 외주면에 히터가 설치되며, 중성자 측정기 및 열전대가 연결된 열매체와, 상기 열매체에 수용된 시험 시편 및 상기 하우징 상부에 내장되어 상기 열매체를 탄성 가압하는 상부 스프링을 구비한 캡슐 본체부;

   상기 캡슐 본체부의 하단에 결합되며 하부에 수용홈이 형성된 하부 엔드 플레이트와, 일측이 상기 수용홈에 삽입되고, 타측이 연구용 원자로의 OR 공의 하단 고정홈에 삽입되는 로드 팁 및 상기 로드 팁에 삽입되어 상기 하부 엔드 플레이트에 대해 상기 로드 팁을 탄성 지지하는 하부 스프링을 구비한 고정부;

   상기 캡슐 본체부 상단에 결합하며, 내부 공간을 통해 제어부에 연결된 배선들이 상기 캡슐 본체부에 연결되도록 경로를 제공하는 보호관과, 상기 보호관 하부에 설치되어 상기 OR 공의 입구에 걸쳐지는 하부 스토퍼 및 상기 보호관 상부에 설치되어 상기 캡슐 본체부가 상기 OR 공에 삽입 시 상기 연구용 원자로의 클램프에 의해 하방으로 가압되는 상부 스토퍼를 구비하는 보호관부; 및

   상기 보호관 상단에 결합하며, 내부 공간을 통해 상기 배선들의 경로를 제공하는 안내관을 구비한 안내관부를 포함하는 조사 시험용 계장 캡슐.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 열매체는 알루미늄(Al)과, 지르코늄(Zr)과, 코발트(Co)와, 몰리브덴(Mo) 및 철(Fe) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 조사 시험용 계장 캡슐.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 로드 팁 중 상기 수용홈 외측으로 노출되어 상기 고정홈에 삽입되는 부분은 직선형의 머리 및 부채꼴형의 몸통으로 이루어진 깔대기 형상으로,

   상기 몸통의 외주면은 상기 고정홈을 형성하는 내벽면에 접하는 것을 특징으로 하는 조사 시험용 계장 캡슐.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 로드 팁은 상기 OR 공에서의 조사 시험 시 상기 캡슐 본체부에 작용하는 수평 진동을 억제하는 것을 특징으로 하는 조사 시험용 계장 캡슐.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 클램프에 의해 하방으로 가압된 상기 상부 스토퍼는 상기 OR 공에서의 조사 시험 시 상기 캡슐 본체부에 작용하는 수직 진동을 억제하는 것을 특징으로 하는 조사 시험용 계장 캡슐.

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