KR101352356B1 - 튜브의 내부 표면 양극산화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 기재의 튜브의 내부 표면 양극산화 장치는, 전해질 용액을 저장하고 있는 전해질 용기; 상기 전해질 용기와 연결되어 상기 전해질 용액을 공급받는 제1 용액도관; 상기 제1 용액 도관의 하류측 단부에 대상 튜브의 일단을 고정하는 제1 지그(jig); 상기 대상 튜브의 타단이 상류측 단부에 연결되어 상기 대상 튜브의 내부를 흘러온 전해질 용액이 배출되는 제2 용액도관; 상기 제2 용액도관의 상류측 단부에 상기 대상 튜브의 타단을 고정하는 제2 지그; 및 상기 제2 지그로부터 삽입되고 상기 대상 튜브의 내부를 관통하여 상기 제1 지그까지 연장되는 음극봉을 포함하고, 상기 전해질 용액이 상기 대상 튜브의 내부를 흘러가는 동안에 상기 음극봉에는 음극이 인가되고 상기 대상 튜브에는 양극이 인가되어 양극산화 공정을 수행할 수 있다.

Description

튜브의 내부 표면 양극산화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF ANODIZING INNER SURFACE OF TUBE}

본 발명은 핵연료봉의 클래딩 등 지르코늄을 주성분으로 하며 비평면 표면을 갖는 구조의 표면을 양극산화 하는 장치와 그 방법에 관한 것이다.

지르코늄은 녹는 점이 섭씨 1,852도에 달하며 화학적으로 안정해 외부로부터의 부식에 매우 강한 저항력을 보이는 특성이 있다. 그렇기 때문에 지르코늄 또는 그 합금, 산화물은 원자력 발전소의 연료봉 피막이나 녹슬지 않는 세라믹제 주방기구, 화학약품을 다루는 도구 등 부식되어서는 안 되는 용품들에 사용되고 있다.

한편, 핵연료는 핵분열 과정에서 생성되는 유해물질이 냉각재에 섞여 밖으로 유출되지 않도록 알루미늄이나 마그네슘 피막에 싸여 있다. 경수로의 경우 저농축 이산화우라늄(UO₂) 분말을 지름 2cm, 높이 2cm인 원기둥의 정제로 성형 소결하여 다갈색의 펠릿(pellet)을 만들고 이것을 고온의 냉각수에 대해 내부식성이 좋은 지르코늄 합금(zircaloy)으로 피복한 약 3mm의 가는 금속관에 넣고 양쪽 끝을 밀봉한다.

보통 수십 내지 수백 개를 한 뭉치로 하여 연료집합체를 만들고 하나의 단위로 이용하는데 원자로 안에는 이러한 집합체가 수백 개 들어 있다. 피복관은 열전도가 잘 되게 하기 위해 두께 1mm 이하로 만드는데, 핵분열시 연료 펠릿의 중심 온도는 약 200℃, 표면 온도는 600℃이며 핵연료봉의 내면과 표면온도는 각각 400℃와 300℃ 정도이다.

이와 같이 고온에 노출되는 연료봉은 파열되거나 하는 경우 핵분열 생성물이 외부로 노출되어 심각한 문제를 초래할 수 있으므로, 그 안정성을 높이기 위한 노력이 지속적으로 필요한 실정이다.

이러한 류의 작동 유체를 가열시키는 장치에 대해서 적용되는 안전성에 관한 지표의 하나로 임계열유속(critical heat flux, CHF)이라는 수치가 있으며 이 값은 가열 상황에서 히터가 파손되지 않고 버틸 수 있는 최대한의 열유속을 의미한다. 반대로 말하면 이 열유속 값을 초과할 경우 히터가 파손된다는 의미이고, 특히 원자력 발전소와 같은 시설에서는 노심용융 등의 초대형 사고로 이어질 수 있으므로 임계열유속은 매우 중요한 지표이다.

원자력 발전소 뿐만 아니라 작동 유체를 가열하는 모든 기계는 작동시 임계열유속 값을 초과하지 않도록 일정 이상의 안전 계수를 적용해 관리된다. 하지만 이러한 안전 관리는 기기의 성능을 희생하는 것이기도 하므로, 히터의 임계열유속 값 자체를 상승시켜 안전 계수를 유지하면서도 성능을 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. 과거의 연구로 히터의 표면이 친수성일수록 임계열유속 값이 높아진다는 점이 알려져 있으며, 최근에는 이에서 더 나아가 나노입자나 미세구조물을 이용해 친수성과 임계열유속을 크게 증가시키는 연구가 이루어지고 있다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 지르코늄을 주성분으로 하는 튜브의 내부 표면이 친수성을 갖도록 그 표면에 미세구조물을 형성할 수 있는 양극산화 장치와 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 튜브의 내부 표면 양극산화 장치는, 전해질 용액을 저장하고 있는 전해질 용기; 상기 전해질 용기와 연결되어 상기 전해질 용액을 공급받는 제1 용액도관; 상기 제1 용액 도관의 하류측 단부에 대상 튜브의 일단을 고정하는 제1 지그(jig); 상기 대상 튜브의 타단이 상류측 단부에 연결되어 상기 대상 튜브의 내부를 흘러온 전해질 용액이 배출되는 제2 용액도관; 상기 제2 용액도관의 상류측 단부에 상기 대상 튜브의 타단을 고정하는 제2 지그; 및 상기 제2 지그로부터 삽입되고 상기 대상 튜브의 내부를 관통하여 상기 제1 지그까지 연장되는 음극봉을 포함하고, 상기 전해질 용액이 상기 대상 튜브의 내부를 흘러가는 동안에 상기 음극봉에는 음극이 인가되고 상기 대상 튜브에는 양극이 인가되어 양극산화 공정을 수행할 수 있다.

상기 양극산화 장치는 세정용액을 저장하는 세정용액 용기를 더 포함할 수 있으며, 상기 세정용액 용기는 상기 전해질 용기 및 상기 제1 용액도관과 3방향 밸브를 통해 서로 연결될 수 있다.

상기 양극산화 장치는 냉각재를 수용하고 있는 항온수조를 더 포함할 수 있으며, 상기 대상 튜브는 상기 항온수조의 냉각재에 잠기도록 설치된다.

상기 제1 지그는 제1 측부에 상기 제1 용액도관이 삽입 연결되는 용액도관 연결공이 형성되고, 제2 측부에 상기 대상 튜브의 일단이 삽입 연결되는 대상 튜브 연결공이 형성될 수 있다.

상기 제1 지그는 상기 음극봉이 삽입되는 음극봉 삽입공을 더 포함하고, 상기 제1 지그의 대상 튜브 연결공과 상기 음극봉 삽입공은 동심축 상에 형성된다.

상기 제2 지그는 제1 측부에 상기 제2 용액도관이 삽입 연결되는 용액도관 연결공이 형성되고, 제2 측부에 상기 대상 튜브의 타단이 삽입 연결되는 대상 튜브 연결공이 형성될 수 있다.

상기 제2 지그는 상기 음극봉이 삽입되는 음극봉 삽입공을 더 포함하고, 상기 제2 지그의 대상 튜브 연결공과 상기 음극봉 삽입공은 동심축 상에 형성된다.

상기 전해질 용액은 불산 용액이 적용될 수 있고, 상기 대상 튜브는 지르코늄 튜브 또는 지르코늄 합금제 튜브가 적용될 수 있다. 그리고 상기 음극봉은 스테인레스 스틸 봉이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 튜브의 내부 표면 양극산화 방법은, 전해질 용액을 저장하고 있는 전해질 용기와, 상기 전해질 용기와 연결되어 상기 전해질 용액을 공급받는 제1 용액 도관과, 상기 제1 용액 도관의 하류측 단부에 대상 튜브의 일단을 고정하는 제1 지그(jig)와, 상기 대상 튜브의 타단이 상류측 단부에 연결되어 상기 대상 튜브의 내부를 흘러온 전해질 용액이 배출되는 제2 용액 도관과, 상기 제2 용액 도관의 상류측 단부에 상기 대상 튜브의 타단을 고정하는 제2 지그를 포함하는 양극산화 장치를 이용하면서, 상기 전해질 용액을 상기 제1 용액도관, 상기 대상 튜브 및 상기 제2 용액도관을 통해 흘러가도록 공급하는 전해질 용액 공급단계; 상기 제2 지그로부터 상기 대상 튜브의 내부를 관통하여 상기 제1 지그까지 연장하도록 음극봉을 삽입하는 단계; 및 상기 음극봉에 음극을 인가하고, 상기 대상 튜브에 양극을 인가하는 전력 공급단계를 포함하여, 상기 전해질 용액이 상기 대상 튜브의 내부를 흘러가는 동안에 양극산화 공정을 수행할 수 있다.

전력 공급을 중단하여 양극산화 공정을 종료한 후 세정용액을 상기 제1 용액도관, 상기 대상 튜브 및 상기 제2 용액도관을 통해 흘러가도록 공급하는 세정용액 공급단계를 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 지르코늄 또는 그 합금으로 제작된 튜브의 내부 표면 양극산화 장치에 의하면, MEMS 등의 공법에서는 용이하게 적용할 수 없었던 튜브의 내부 표면에 미세구조물이 형성된 친수성 산화막을 형성할 수 있다.

아울러 양극산화법을 통하여 지르코늄 또는 그 합금으로 제작된 핵연료봉과 같은 원통형상의 내부 표면을 용이하게 친수성 표면으로 제작할 수 있다. 핵연료봉 내부 표면을 친수성 표면으로 형성함에 따라 임계열유속을 상승시킬 수 있으므로, 원자력 발전소의 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1는 원자력 발전소에서 사용되는 연료집합체를 구성하는 핵연료봉을 도시한 개략도이다.
도 2은 원자력 발전소에서 사용되는 연료집합체를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 튜브의 내부 표면 양극산화 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 튜브의 내부 표면 양극산화 장치의 지그를 도시한 분해 단면도이고, 도 4b는 결합 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극산화 장치에 적용되는 지르코늄 합금제(지르칼로이) 튜브를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극산화 방법에 의하여 만들어진 지르코늄 합금제(지르칼로이) 튜브의 내부 표면에 형성된 미세구조물의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극산화 방법에 의하여 만들어진 지르코늄 합금제(지르칼로이) 튜브의 내부 표면에서 물방울의 퍼짐 현상을 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극산화 방법에 의하여 만들어진 지르코늄 합금제(지르칼로이) 튜브을 사용한 경우 흐름 비등 상황에서의 임계열유속 증진율을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

선행연구(Kandlikar, S, G., 2001, "A Theoretical Model to Predict Pool Boiling CHF Incorporating Effects of Contact Angle and Orientation," Journal of Heat Transfer, Vol. 123, pp. 1071-1079. 참고)에 따르면, 비등 가열장치에서 히터의 표면이 친수성에 가까울수록 임계열유속(critical heat flux, CHF)이 증가한다.

표면 개질을 통해 임계열유속점을 상승시키면 열기관을 좀 더 높은 온도에서 가동할 수 있게 되므로 랭킨 사이클의 원리에 따라 에너지 효율이 높아진다. 또한 실제 작동온도를 높이지 않게 되더라도 운전시의 열유속과 임계열유속 사이의 차가 커지므로 그만큼 안정성이 더 높아지는 장점이 있다. 이러한 원리를 원자력 발전소에 적용하여 고온에 노출되는 핵연료봉의 클래딩(cladding) 표면을 친수성 표면으로 제작함으로써 임계열유속점을 상승시킬 수 있으며 결과적으로 보다 높은 안정성을 확보할 수 있다.

도 1는 원자력 발전소에서 사용되는 연료집합체를 구성하는 핵연료봉을 예시적으로 도시한 개략도이고, 도 2는 원자력 발전소에서 사용되는 연료집합체를 예시적으로 도시한 개략도이다.

이산화우라늄(UO₂) 펠릿(소결체)을 내장한 핵연료봉(10)은 16x16으로 배열되어 지지격자(spacer grid)(21, 23)로 고정시켜서 핵연료집합체(20)를 이룰 수 있다. 상기 핵연료봉(10)은 원통형으로 이루어지며, 마찬가지로 원통형으로 이루어지는 복수 개의 펠릿(12)이 내부에 쌓이게 되고, 핵연료봉(10) 내에서 펠릿(12)의 이동을 방지하기 위하여 상부에 압축스프링(15)이 삽입될 수 있다. 이러한 핵연료봉(10)의 외피를 형성하는 클래딩(17)은 지르코늄을 주 성분으로 하는 합금인 지르코늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 지르칼로이(zircaloy)라고 불리기도 한다.

한편, 고체의 표면을 친수성으로 만들기 위해서는 표면의 화학적 특성을 변화시키는 방법과 마이크로 스케일 또는 나노 스케일에서의 표면형상을 변화시키는 방법이 있는데, 본 발명의 실시예에서는 마이크로 스케일 또는 나노 스케일에서의 표면형상을 변화시키는 방법을 채택한다.

즉, 본 실시예에서는 핵연료봉의 클래딩에 양극산화법을 적용하여 전기화학적으로 상기 클래딩 표면의 산화를 촉진하면서 마이크로/나노 스케일의 구조물을 표면에 형성할 수 있다. 이와 같은 양극산화법은 기본적으로 청정시설이 필요해 기초 투자비용이 많이 들고 대면적이나 곡면에 적용하기 어려운 포토리소그래피법을 사용하는 MEMS (microelectromechanical system) 공정에 비하여 저렴하면서도 대면적 또는 곡면 등에도 적용할 수 있는 장점이 있다.

튜브 형태인 핵연료봉의 클래딩 표면에 양극산화법을 적용하기 위해서는 편판 시편과 다른 양극산화 장치가 필요하다. 즉, 양극 산화를 위해서 기본적으로 서로 마주보는 양극과 음극, 그리고 그 사이 공간을 채우는 전해질이 필요하다. 그리고 상기 양극과 음극 사이에 전압을 인가하면 양극산화가 진행되며, 지속적인 양극산화 반응을 위해서 원활한 전해질의 순환이 필요하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 튜브의 내부 표면 양극산화 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다. 상기 언급한 조건을 만족시키며 튜브 내부 표면의 양극산화를 위하여 도 3과 같은 양극산화 장치를 구성할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 양극산화 장치는 전해질 용기(31)와 이에 연결되는 제1 용액도관(37) 및 제2 용액도관(39)을 포함한다. 전해질 용기(31)는 전해질 용액을 저장하고 있으며, 제1 용액도관(37)은 상기 전해질 용기(31)로부터 전해질 용액을 공급받게 된다. 제2 용액도관(39)은 양극산화 대상이 되는 대상 튜브(50)를 사이에 두고 제1 용액도관(37)과 연결되며, 제1 용액도관(37)을 통해 공급된 전해질 용액이 상기 대상 튜브(50)의 내부를 흘러 상기 제2 용액도관(39)을 통해 배출된다.

제1 용액도관(37)의 하류측 단부에 대상 튜브(50)의 일단을 고정하기 위하여 제1 지그(jig)(41)가 설치되고, 제2 용액도관(39)의 상류측 단부에 상기 대상 튜브(50)의 타단을 고정하기 위하여 제2 지그(42)가 설치된다. 지그(41, 42)의 구조는 아래 도 4a 및 도 4b를 참조하여 상세하게 설명한다.

한편, 양극산화 공정에서 음극의 역할을 하게 되는 음극봉(45)은 제2 지그(42)로부터 삽입되고, 대상 튜브(50)의 내부를 관통하여 제1 지그(41)까지 연장되도록 설치된다. 즉, 전해질 용액이 상기 대상 튜브(50)의 내부를 흘러가는 동안에 상기 음극봉(45)에는 음극이 인가되고 상기 대상 튜브(50)에는 양극이 인가되어 양극산화 공정을 수행할 수 있다. 별도로 구비된 전원공급기(47)의 음극단자는 음극봉(45)과 전기적으로 연결되고, 양극단자는 대상 튜브(50)와 전기적으로 연결되어 전압을 인가할 수 있다. 음극봉(45)은 전해질 용액에 내부식성을 갖는 전도성 재질의 봉이 적용될 수 있으며, 대상 튜브(50) 내부에서 휘는 경우 단락(short circuit)의 우려가 있으므로 쉽게 휘는 재질은 적합하지 않다.

본 실시예의 양극산화 장치는 세정용액을 저장하는 세정용액 용기(32)를 구비한다. 상기 세정용액 용기(32)는 전해질 용기(31) 및 제1 용액도관(37)과 3방향 밸브(35)를 통해 서로 연결되어 있다. 상기 3방향 밸브(35)의 작동에 따라 상기 제1 용액도관(37)을 통해 전해질 용액을 공급할 수도 있고 세정용액을 공급할 수도 있다. 양극산화 공정 중에는 전해질 용액을 지속적으로 공급하게 되고, 양극산화 공정이 완료되면 즉시 세정용액을 공급하게 된다. 세정용액은 일례로 탈이온수가 사용될 수 있다.

본 실시예의 양극산화 장치는 냉각재를 수용하고 있는 항온수조(61)를 구비한다. 대상 튜브(50)는 상기 항온수조(61)에 수용된 냉각재에 잠기도록 설치되어 적절한 온도를 유지할 수 있도록 도와준다. 이러한 냉각재는 상기 항온수조(61)와 연결된 순환장치(63)에 의해 순환되면서 온도를 유지할 수 있다. 냉각재는 일례로 물이 사용될 수 있다.

상기 제2 용액도관(39)을 통해 배출된 전해질 용액은 전해질 수용조(65)로 모아지고, 이는 다시 상기 전해질 용기(31)로 순환되어 재사용될 수 있다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 튜브의 내부 표면 양극산화 장치의 지그를 도시한 분해 단면도이고, 도 4b는 결합 단면도이다. 도 4a 및 4b는 도 3에 나타난 제2 지그(42)를 도시하고 있으나, 제1 지그(41)의 구조도 개구의 형성 방향만 상이할 뿐 유사한 구조를 가지므로 이하에서는 제2 지그(42)에 대한 설명만 한다.

도 4a를 참조하면, 제2 지그(42)는 제1 측부에 제2 용액도관(39)이 삽입 연결되는 용액도관 연결공(421a)이 형성되고, 제2 측부에 대상 튜브(50)의 타단이 삽입 연결되는 대상 튜브 연결공(421b)이 형성되는 지그몸체(421)를 구비한다. 상기 지그몸체(421)의 상부에는 상부덮개(425)가 볼트(424)에 의해 결합되고, 상기 지그몸체(421)의 하부에는 하부덮개(423)가 볼트(424)에 의해 결합된다. 상기 지그몸체(421)의 상단에는 음극봉(45)이 삽입되는 음극봉 삽입공(421c)이 형성되고, 상기 대상 튜브 연결공(421b)과 음극봉 삽입공(421c)은 동심축 상에 형성된다. 상기 음극봉 삽입공(421c)과 대상 튜브 연결공(421b)이 형성되는 부분에는 상기 지그몸체(421)와 상부덮개(425) 사이 및 상기 지그몸체(421)와 하부덮개(423) 사이에 오링(427, 428)이 설치되어 전해질 용액이 외부로 누액되지 않도록 할 수 있다. 상기 제2 용액도관(39)의 단부 외측면과 상기 용액도관 연결공(421a)의 내측면에는 서로 치합하는 나사산이 형성되어 나사결합이 이루어질 수 있다.

도 4b를 참조하면, 결합된 제2 지그(42)에 제2 용액도관(39)과 대상 튜브(50) 및 음극봉(45)이 결합되어 있는 것을 볼 수 있다. 즉, 용액도관 연결공(421a)에는 제2 용액도관(39)이 삽입 연결되어 있고, 대상 튜브 연결공(421b)에는 대상 튜브(50)가 삽입 연결되어 있으며, 음극봉 연결공(421c)에는 음극봉(45)이 삽입되어 있다. 삽입된 음극봉(45)은 대상 튜브(50)와 동심축을 가지며 대상 튜브(50)의 내부를 관통하도록 설치된다.

본 실시예에 따른 양극산화 장치에 있어서, 일례로, 상기 대상 튜브(50)는 지르칼로이 튜브가 될 수 있으며, 전해질 용액은 불산 용액이 될 수 있다. 이러한 대상 튜브(50) 내부에 삽입되는 음극봉(45)은 스테인레스 스틸 봉이 될 수 있으며, 제1 용액도관(37) 및 제2 용액도관(39)은 PFA (perfluoroalkoxy) 재질의 도관으로 이루어질 수 있다. 그리고 제2 지그(42)를 구성하는 지그몸체(421), 상부덮개(425), 하부덮개(423) 및 볼트(424)는 PTFE (Polytetrafluoroethylene) 재질로 이루어질 수 있으며, 오링(427, 428)은 바이톤(Viton®) 오링이 적용될 수 있다.

<양극산화 방법>

상기 도 3에 도시한 양극산화 장치를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 지르코늄 또는 그 합금으로 제작된 튜브의 내부 표면 양극산화 방법을 이하에서 설명한다.

먼저, 전해질 용기(31)에 저장된 전해질 용액을 제1 용액도관(37), 대상 튜브(50) 및 제2 용액도관(39)을 통해 흘러가도록 공급한다. 본 실시예에서 전해질 용액의 온도는 섭씨 0도 내지 15도의 범위에 속하는 용액을 적용할 수 있고, 전해질 용액의 농도는 0.01 내지 1wt%의 범위에 속하는 용액을 적용할 수 있으며, 일례로 상기 전해질 용액은 섭씨 10도 이하의 0.5wt%의 불산 용액이 적용될 수 있다. 대상 튜브(50)는 길이가 10cm 이상인 것을 적용할 수 있으며, 외경 3/8인치의 지르코늄 합금제 튜브가 적용될 수 있다. 그리고 상기 대상 튜브(50) 내부를 흐르는 전해질 용액의 유속은 약 300 내지 1,000 ml/min 이다.

다음으로, 제2 지그(42)로부터 대상 튜브(50)의 내부를 관통하여 제1 지그(41)까지 연장하도록 음극봉(45)을 삽입한다. 이러한 음극봉 삽입단계는 전해질 용액 공급 이전에 미리 삽입할 수도 있다. 본 실시예에서 상기 음극봉(45)은 외경 3mm의 스테인레스 스틸 봉이 적용될 수 있다.

다음으로, 음극봉(45)에 음극을 인가하고, 대상 튜브(50)에 양극을 인가하여 전력을 공급할 수 있다. 본 실시예에 양극과 음극 사이에 5 내지 40V의 범위에 속하는 전압을 인가할 수 있으며, 일례로 15V의 전압을 인가할 수 있다. 전압을 인가하는 시간은 10분 내지 40분의 범위에서 인가할 수 있다.

이와 같은 과정을 통해서 상기 전해질 용액이 대상 튜브(50)의 내부를 흘러가는 동안에 양극산화 공정이 수행되며, 그 결과로 대상 튜브(50)의 내부 표면에 마이크로 및 나노 스케일의 요철 구조물이 형성된다. 이와 같이 형성된 요철 구조물로 인해 대상 튜브(50) 내부 표면은 친수성을 갖게 된다.

다음으로, 전력 공급을 중단하여 양극산화 공정을 종료한 후 세정용액을 상기 제1 용액도관(37), 대상 튜브(50) 및 제2 용액도관(39)을 통해 흘러가도록 공급한다. 양극산화가 종료된 후 (전력 공급을 중단한 후)에는 전해질 용액(불산 용액)과의 접촉이 구조물에 악영향을 주어 표면의 미세구조물이 빠르게 파괴될 수 있으므로 신속하게 전해질 용액을 씻어낼 필요가 있다. 이를 위해 3방향 밸브(35)를 작동시켜 반응 종료 후 즉시 세정 용액을 주입할 수 있다.

[실험예]

상기 설명한 바에 따른 본 발명의 일 실시예의 양극산화 장치를 이용하여 양극산화 방법을 수행하였다. 전해질 용액으로는 0.5wt%의 불산 용액을 사용하였고, 세정용액으로 탈이온수를 사용하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극산화 장치에 적용되는 지르코늄 합금제(지르칼로이) 튜브를 나타낸 사진이다. 상기 지르칼로이 튜브는 외경 3/8인치, 길이 53cm의 지르코늄 합금제이며, 내부를 보이기 위하여 길이방향으로 절단하여 나타내었다.

음극봉은 외경 3mm의 스테인레스 스틸 봉을 적용하였으며, 양극과 음극 사이에 인가된 전압은 15V, 반응 시간 25분으로 하였다. 항온수조의 온도는 섭씨 3도를 유지하였다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극산화 방법에 의하여 만들어진 지르코늄 합금제(지르칼로이) 튜브의 내부 표면에 형성된 미세구조물의 SEM 사진이다. 상기 설명한 양극산화 장치를 이용한 양극산화 방법에 따라 대면적의 곡면 내부 표면에 실제로 미세구조물을 형성할 수 있음을 보여준다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극산화 방법에 의하여 만들어진 지르코늄 합금제(지르칼로이) 튜브의 내부 표면에서 물방울의 퍼짐 현상을 촬영한 사진이다. 즉 표면 위에 올려진 물방울이 빠른 시간 내에 퍼지는 것을 볼 수 있으므로, 본 실시예에 따른 양극산화 방법으로 형성된 표면이 매우 높은 친수 성질을 가짐을 확인할 수 있으며, 따라서 앞서 설명한 바와 같이 높은 임계열유속의 향상을 기대할 수 있다.

본 실시예에 따라 내부 표면에 미세구조물이 형성된 지르칼로이 튜브를 사용하여 흐름 비등(flow boiling) 상황에서의 임계열유속 증진율을 알아보는 실험을 수행하였다. 즉, 튜브 내부에 물을 흘려 보내고 외부에서 열을 가해 온도를 높이게 되면 흐르는 물은 튜브의 특정 지점 부근에서 임계열유속에 이르게 되는데, 내부 표면에 미세구조물이 형성된 지르칼로이 튜브에 열전대를 장착하여 임계열유속(CHF) 값을 측정하였으며, 임계열유속의 향상의 정도는 도 8에 나타내었다.

도 8에서 mass flux는 튜브 내부에 흐르는 물의 유속을 의미하고, inlet temperature는 튜브에 들어가는 물의 온도를 의미한다. 도 8을 참조하면, mass flux 1,500kg/m²s 조건에서 약 60%의 향상을 보였다. 이러한 결과는 위 조건에서 만들어진 표면 미세구조물이 실제 흐름 비등 상황에서 임계열유속을 현저히 증가시킨다는 점을 입증한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 핵연료봉 12: 펠릿
15: 압축스프링 17: 클래딩
20: 핵연료집합체 21, 23: 지지격자
31: 전해질 용기 37: 제1 용액도관
39: 제2 용액도관 41: 제1 지그
42: 제2 지그 45: 음극봉
47: 전원공급기 50: 대상 튜브
61: 항온수조 63: 순환장치

Claims (12)

1. 전해질 용액을 저장하고 있는 전해질 용기;
   세정용액을 저장하는 세정용액 용기;
   상기 전해질 용기와 연결되어 상기 전해질 용액을 공급받는 제1 용액도관;
   상기 제1 용액 도관의 하류측 단부에 대상 튜브의 일단을 고정하는 제1 지그(jig);
   상기 대상 튜브의 타단이 상류측 단부에 연결되어 상기 대상 튜브의 내부를 흘러온 전해질 용액이 배출되는 제2 용액도관;
   상기 제2 용액도관의 상류측 단부에 상기 대상 튜브의 타단을 고정하는 제2 지그; 및
   상기 제2 지그로부터 삽입되고 상기 대상 튜브의 내부를 관통하여 상기 제1 지그까지 연장되는 음극봉
   을 포함하고,
   상기 전해질 용액이 상기 대상 튜브의 내부를 흘러가는 동안에 상기 음극봉에는 음극이 인가되고 상기 대상 튜브에는 양극이 인가되어 양극산화 공정을 수행할 수 있으며,
   상기 세정용액 용기는 상기 전해질 용기 및 상기 제1 용액도관과 3방향 밸브를 통해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   냉각재를 수용하고 있는 상방으로 개구된 항온수조를 더 포함하고,
   상기 대상 튜브는 상기 항온수조의 냉각재에 잠기도록 설치되는 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 지그는 제1 측부에 상기 제1 용액도관이 삽입 연결되는 용액도관 연결공이 형성되고, 제2 측부에 상기 대상 튜브의 일단이 삽입 연결되는 대상 튜브 연결공이 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 지그는 상기 음극봉이 삽입되는 음극봉 삽입공을 더 포함하고,
   상기 제1 지그의 대상 튜브 연결공과 상기 음극봉 삽입공은 동심축 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 지그는 제1 측부에 상기 제2 용액도관이 삽입 연결되는 용액도관 연결공이 형성되고, 제2 측부에 상기 대상 튜브의 타단이 삽입 연결되는 대상 튜브 연결공이 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제2 지그는 상기 음극봉이 삽입되는 음극봉 삽입공을 더 포함하고,
   상기 제2 지그의 대상 튜브 연결공과 상기 음극봉 삽입공은 동심축 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 전해질 용액은 불산 용액인 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 대상 튜브는 지르코늄 튜브 또는 지르코늄 합금제 튜브인 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극봉은 스테인레스 스틸 봉인 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 장치.
11. 전해질 용액을 저장하고 있는 전해질 용기와, 상기 전해질 용기와 연결되어 상기 전해질 용액을 공급받는 제1 용액 도관과, 상기 제1 용액 도관의 하류측 단부에 대상 튜브의 일단을 고정하는 제1 지그(jig)와, 상기 대상 튜브의 타단이 상류측 단부에 연결되어 상기 대상 튜브의 내부를 흘러온 전해질 용액이 배출되는 제2 용액 도관과, 상기 제2 용액 도관의 상류측 단부에 상기 대상 튜브의 타단을 고정하는 제2 지그를 포함하는 양극산화 장치를 이용하는 양극산화 방법에 있어서,
    상기 전해질 용액을 상기 제1 용액도관, 상기 대상 튜브 및 상기 제2 용액도관을 통해 흘러가도록 공급하는 전해질 용액 공급단계;
    상기 제2 지그로부터 상기 대상 튜브의 내부를 관통하여 상기 제1 지그까지 연장하도록 음극봉을 삽입하는 단계;
    상기 음극봉이 삽입된 상기 대상 튜브를 상방이 개구된 항온수조에 담그는 단계; 및
    상기 음극봉에 음극을 인가하고, 상기 대상 튜브에 양극을 인가하는 전력 공급단계;
    를 포함하여, 상기 전해질 용액이 상기 대상 튜브의 내부를 흘러가는 동안에 양극산화 공정을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    전력 공급을 중단하여 양극산화 공정을 종료한 후 세정용액을 상기 제1 용액도관, 상기 대상 튜브 및 상기 제2 용액도관을 통해 흘러가도록 공급하는 세정용액 공급단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브의 내부 표면 양극산화 방법.

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