KR101434933B1 - 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료봉의 제조 공정 중에 최종적으로 단위 부품으로 조립이 완료된 연료봉에 대한 헬륨검사와 육안검사를 실시하기 위한 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치에 관한 것으로, 연료봉이 길이 방향으로 수평하게 출입하도록 일측에 출입 도어가 마련되어 연료봉의 헬륨 누출 여부를 검사하기 위한 헬륨검사용 챔버(100)와; 상기 출입 도어의 전방에 위치하여 상기 헬륨검사용 챔버(100)로 투입 또는 배출되는 연료봉을 안내하기 위해 상하단에 각각 이격 위치하여 수평하게 마련되는 제1및제2이송부(210)(220)를 포함하고 상기 제1및제2이송부(210)(220)를 상하 구동하는 연료봉 승강이송부(200)와; 상기 연료봉 승강이송부(200)의 길이방향으로 나란하게 배치되어 상기 연료봉 승강이송부(200) 방향으로 경사면을 갖는 상부이송부(310)와, 상기 상부이송부(310)의 하부에 마련되어 상기 상부이송부(310)의 경사면과는 반대의 경사면을 갖는 하부이송부(320)를 갖는 메인프레임(300)로 구성되어, 연료봉에 대한 헬륨검사와 육안검사를 효과적으로 수행하면서도 설비 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치{Fuel rod inspection apparatus for manufacturing a nuclear fuel assembly}
본 발명은 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치에 관한 것으로, 특히 연료봉의 제조 공정 중에 최종적으로 단위 부품으로 조립이 완료된 연료봉에 대한 헬륨검사와 육안검사를 효과적으로 수행하기 위한 연료봉 검사장치에 관한 것이다.
원자로는 핵분열 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 핵분열에서 발생되는 열에너지를 동력으로 사용하기 위한 장치이다.
도 1을 참고하면, 핵연료 집합체는 연료봉이 삽입되는 지지격자체(2)와, 이 지지격자체(2)와 고정되는 다수의 안내관(3)과, 이 안내관(3)의 상단에 체결되는 상단고정체(4)와, 안내관(3)의 하단에 체결되는 하단고정체(5)를 포함하며, 연료봉은 지지격자체(2)에 마련된 딤플 및 스프링에 의해 지지된다.
연료봉은 피복관, 봉단마개, 소결체 및 스프링으로 구성되며, 우라늄-235의 비율을 2~5%로 농축하여 5g 정도 무게의 원통형 핵연료 소결체(pellet)로 제작하고 이와 같이 제조된 소결체들을 피복관 내에 장입하고 스프링이 삽입된 후에 봉단마개에 의해 봉인되어 제작된다.
한편 연료봉 내에 소결체를 장입하고 봉인하는 공정 중에는 피복관 내에 가압헬륨과 같은 불활성 가스를 충진하여 소결체의 산화를 감소시키거나 방지하고 있다.
예를 들어, 공개특허공보 제10-2006-0134959호(공개일자: 2006.12.28)와 공개특허공보 특1988-0004492호(공개일자: 1988.06.04)는 효과적으로 핵연료봉 내에 헬륨을 충진할 수 있는 구조를 갖는 핵연료봉을 제안하고 있다.
이와 같이 연료봉 내에 가압충진되는 헬륨은 소결체의 산화를 감소하거나 방지할 수가 있으며, 특히 가압경수로용 연료봉에서 가압충진된 헬륨은 외부 냉각수의 압력으로 인하여 발생되는 피복관의 압축응력과 크리프(creep)를 완화시키는 기능을 한다.
따라서 연료봉을 제작한 후에는 충진된 헬륨이 누출되는지를 검사하는 공정을 필요로 한다.
이와 관련하여 공개특허공보 특1990-0012289호(공개일자: 1990.08.03)에는 핵 연료봉의 헬륨 시험용 검사 방법 및 그 장치를 제안하고 있으며, 도 2를 참고하면 이러한 종래기술의 연료봉의 헬륨 시험용 검사장치는 연료봉에 대한 헬륨 누출 여부를 시험하게 되는 밀폐된 구조를 갖는 시험실(16)이 마련되며, 시험 전 연료봉은 시험실(16) 일단에 마련되는 제1컨베이어(36)와, 시험실(16) 내에 마련되는 제2컨베이어(38)와, 시험이 완료된 연료봉을 운반하기 위한 제3컨베이어(40)를 포함한다.
이러한 종래기술의 헬륨 시험용 검사장치는 제1컨베이어(36)를 통해 연료봉이 운반되어 시험실(16) 바깥에서 시험을 위해 연료봉이 대기하게 되며, 시험실(16)에서 시험이 완료된 연료봉들은 시험실(16) 내에 마련된 제2컨베이어(38)와 제3컨베이어(40)에 의해 시험실(16) 바깥으로 배출되어 다음의 공정으로 이동하는 이송 공정라인을 갖는다.
그러나 핵 연료봉은 길이가 통상 4m 내외로 길며, 따라서 종래기술과 같이 연료봉을 수평방향으로 이동하여 시험실 내에서 검사가 이루어진 후에 다시 컨베이어를 통해 다음의 공정으로 운반하기 위해서는 공정라인이 길어지고 따라서 넓은 설비 공간을 필요로 하므로 공정의 효율성이 저하되는 문제점 등이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치에 있어서, 연료봉의 제조 공정 중에 최종적으로 단위 부품으로 조립이 완료된 연료봉에 대한 헬륨검사와 육안검사를 효과적으로 수행하면서도 설비 공간을 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 연료봉 검사장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치는, 연료봉이 길이 방향으로 수평하게 출입하도록 일측에 출입 도어가 마련되어 연료봉의 헬륨 누출 여부를 검사하기 위한 헬륨검사용 챔버와; 상기 출입 도어의 전방에 위치하여 상기 헬륨검사용 챔버로 투입 또는 배출되는 연료봉을 안내하기 위해 상하단에 각각 이격 위치하여 수평하게 마련되는 제1및제2이송부를 포함하고 상기 제1및제2이송부를 상하 구동하는 연료봉 승강이송부와; 상기 연료봉 승강이송부의 길이방향으로 나란하게 배치되어 상기 연료봉 승강이송부 방향으로 경사면을 갖는 상부이송부와, 상기 상부이송부의 하부에 마련되어 상기 상부이송부의 경사면과는 반대의 경사면을 갖는 하부이송부를 갖는 메인프레임에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 제1및제2이송부는 최소한 하나 이상의 구동롤러와, 다수의 아이들 롤러로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 하부이송부와 인접하여 검사용 테이블이 추가로 마련되어, 상기 헬륨검사가 완료된 연료봉은 하부이송부를 통해 검사용 테이블에 이송되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 상부이송부에는 연료봉의 이송경로 상에 돌출 구동이 가능한 스톱퍼부재가 추가로 마련되며, 보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 스톱퍼부재는 상기 상부이송부에 회동 가능하게 마련되는 레버부의 양단에 상방으로 돌출 형성되는 제1및제2스톱퍼와, 상기 레버부를 회전 구동하기 위한 회전구동부를 포함하되, 상기 제1및제2스톱퍼는 일정한 간격(D)을 가지며 상부이송부의 이송면에 대해 돌출 시점이 서로 반대인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치는, 연료봉의 헬륨 누출 여부를 검사하게 되는 헬륨검사용 챔버와; 헬륨검사용 챔버로 투입 또는 배출되는 연료봉을 안내하기 위하여 제1이송부와, 제1이송부의 하부에 위치하는 제2이송부를 갖고 이를 상하 구동하는 연료봉 승강이송부와; 연료봉 승강이송부의 길이방향으로 나란하게 배치되어 연료봉 승강이송부 방향으로 경사면을 갖는 상부이송부와, 이 상부이송부의 하부에 마련되어 상부이송부의 경사면과는 반대의 경사면을 갖는 하부이송부를 갖는 메인프레임으로 구성되어, 길이가 긴 연료봉에 대한 헬륨검사 및 육안검사를 위하여 이송경로가 2차원 평면이 아닌 3차원 공간을 활용하여 이루어짐으로써 헬륨검사와 육안검사가 효과적으로 실시될 수 있으면서도 공정에 필요한 설비 공간을 최소화하여 공간 활용을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 핵연료집합체의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 종래기술에 따른 연료봉의 헬륨 누출 검사장치를 보여주는 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치의 전체 구성을 보여주는 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치에서 연료봉 승강이송부와 메인프레임의 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치에서 상부이송부에 마련되는 스톱퍼부재의 작동예를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치는, 연료봉의 헬륨 누출 여부를 검사하게 되는 헬륨검사용 챔버(100)와; 헬륨검사용 챔버(100)로 투입 또는 배출되는 연료봉을 안내하기 위하여 제1이송부(210)와, 제1이송부(210)의 하부에 위치하는 제2이송부(220)를 갖고 이를 상하 구동하는 연료봉 승강이송부(200)와; 연료봉 승강이송부(200)의 길이방향으로 나란하게 배치되어 연료봉 승강이송부(200) 방향으로 경사면을 갖는 상부이송부(310)와, 이 상부이송부(310)의 하부에 마련되어 상부이송부(310)의 경사면과는 반대의 경사면을 갖는 하부이송부(320)를 갖는 메인프레임(300)으로 구성된다.
헬륨검사용 챔버(100)는 연료봉의 헬륨 누출 여부를 검사하기 위한 것으로, 종래기술에서도 언급된 주지의 헬륨검사 장비가 이용될 수 있으며, 연료봉이 길이 방향으로 수평하게 출입되도록 일측에 출입 도어가 마련된다.
또한 헬륨검사용 챔버 내측에는 연료봉의 출입이 이루어질 수 있도록 연료봉 승강이송부(200)와 연동하여 연료봉의 이송이 가능한 컨베이어가 마련될 수 있다.
연료봉 승강이송부(200)는 헬륨검사용 챔버(100)의 출입 도어의 전방에 위치하며, 헬륨검사용 챔버(100)로 투입 또는 배출되는 연료봉을 안내하기 위해 상하단에 각각 이격 위치하여 수평하게 마련되어 상하 구동이 가능한 제1및제2이송부(210)(220)를 포함한다.
구체적으로 제1이송부(210)는 다수의 롤러(211)(212)가 마련되며, 바람직하게는 최소한 하나 이상의 구동롤러(211)와, 다수의 아이들 롤러(212)로 구성될 수 있으며, 구동롤러는 소형모터 및 감속기가 내장되어 구동이 이루어지는 파워몰러(power moller)에 의해 제공될 수 있다. 이러한 제1이송부(210)는 구동롤러(211)가 구동되어 안착된 연료봉을 헬륨검사용 챔버(100) 내로 삽입시킬 수 있다.
제2이송부(220)도 제1이송부(210)와 마찬가지로 최소한 하나 이상의 구동롤러와, 다수의 아이들 롤러로 구성되어 헬륨검사용 챔버(100) 내에 삽입되었던 연료봉은 제2이송부(220)로 배출될 수가 있다.
도 4를 참고하면, 제1이송부(210)와 제2이송부(220)는 각각 상하단에 소정 간격 이격되어 가이드브라켓(201)에 지지되며, 가이드브라켓(201)은 하부에 위치하는 구동부(230)에 의해 상하 구동이 이루어질 수 있다. 이러한 구동부(230)는 주지의 공압 또는 유압 실린더, 또는 구동모터 등에 의해 제공될 수 있다.
메인프레임(300)은 다수의 빔으로 조립되는 육면체 구조물로써 연료봉 승강이송부(200)의 길이방향으로 나란하게 배치되며, 소정의 경사를 갖는 상부이송부(310)와, 이 상부이송부(310)의 하부에 마련되어 상부이송부(310)와는 반대의 경사를 갖는 하부이송부(320)를 갖는다.
상부이송부(310)는 연료봉 승강이송부(200) 방향으로 경사면을 가지며, 따라서 상부이송부(310)에 위치하는 연료봉(1)은 상부이송부(310)의 경사면을 따라서 연료봉 승강이송부(200) 측으로 굴려서 이동이 이루어진다.
도 4 및 5를 참고하면, 바람직하게는 본 발명에 있어서 상부이송부(310)에는 연료봉(1)의 이송경로 상에서 연료봉의 이동을 차단할 수 있도록 돌출 구동이 가능한 스톱퍼부재가 추가로 마련될 수 있다.
스톱퍼부재는 상부이송부(310)에 힌지(h) 체결되는 레버부(311)의 두 양단에 각각 상방으로 돌출 형성되는 제1스톱퍼(312) 및 제2스톱퍼(313)와, 레버부(311)를 회전 구동하기 위한 회전구동부로 구성될 수 있으며, 레버부(311)의 회전 각도에 따라서 제1스톱퍼(312)와 제2스톱퍼(313)의 돌출 시점은 서로 반대로 동작이 이루어진다.
예를 들어, 제1스톱퍼(312)가 상부이송부(310)에서 돌출 위치하게 되면, 제2스톱퍼(313)는 상부이송부(310)의 연료봉 이송면 아래에 위치하게 되어 연료봉은 제2스톱퍼(313)와 간섭없이 상부이송부(310)를 따라서 아래로 이동한다. 반대로 제2스톱퍼(313)가 돌출 위치하게 되면 제1스톱퍼(312)는 상부이송부(310)의 연료봉 이송면 아래에 위치하게 되어 연료봉은 제1스톱퍼(312)와 간섭없이 상부이송부(310)를 따라서 이동하여 제1이송부(210)에 안착될 수가 있다.
제1스톱퍼(312)와 제2스톱퍼(313)는 대략 레버부(311)의 길이만큼의 간격(D)을 가지며, 제1스톱퍼(312)와 제2스톱퍼(313) 사이의 간격(D)은 한번에 제1이송부(210)에 안착되어 헬륨 검사가 실시되는 연료봉의 개수와 대응된다.
레버부(311)는 회전구동부에 의해 회전 구동되며, 예를 들어 회전구동부는 실린더(314)에 의해 제공될 수 있으며, 실린더(314)에 의해 선형 구동되는 실린더로드(314a)는 레버부(311)와 제2힌지(O) 체결된다.
따라서 실린더로드(314a)의 전후 구동에 의해 실린더로드(314a)와 제2힌지(O) 체결된 레버부(311)는 힌지(h)를 회전축으로 하여 회전 구동이 이루어져 제1스톱퍼(312) 또는 제2스톱퍼(313)가 이송면 상부로 돌출 위치하게 된다.
이와 같이 구성된 스톱퍼부재는 제1스톱퍼(312)가 돌출 위치한 상태에서 제1이송부(210)의 연료봉들은 제1스톱퍼(312)에 의해 경사면 상의 이동이 정지되며, 제2스톱퍼(313)가 돌출 위치하게 되면 제2스톱퍼(313) 후단에 위치한 연료봉들은 제2스톱퍼(313)에 의해 아래로 이동하지 못한 상태에서 제1스톱퍼(312)가 아래로 내려감에 따라서 구간(D)에 위치한 연료봉들만이 제1이송부(210)에 안착되어 헬륨검사용 챔버로 투입되어 헬륨검사가 진행될 수 있다.
제1스톱퍼(312)가 다시 이송면 상부로 돌출 위치하게 되면 다음의 헬륨검사가 실시될 연료봉들이 제1스톱퍼(312) 위치까지 이동하여 대기하게 된다.
도 4를 참고하면, 하부이송부(320)는 상부이송부(310)의 하부에 위치하여 상부이송부(310)와는 반대의 경사면을 가짐으로써, 하부이송부(320)에 위치하는 연료봉(1)은 하부이송부(320)의 경사면을 따라서 굴려서 이동이 이루어진다.
바람직하게는 하부이송부(320)의 하측 선단부에는 검사용 테이블(400)이 마련되며, 헬륨검사가 완료된 연료봉은 하부이송부(320)를 통해 검사용 테이블(400)로 이송되어 위치하게 된다.
검사용 테이블(400)에 모인 연료봉들은 육안 검사가 실시되며, 육안 검사가 완료된 연료봉들은 수동 컨베이어(503)를 통해 다음의 공정으로 이동하여 연료봉 적재유니트에 적재되며, 연료봉 적재유니트에 적재된 연료봉들은 연료봉집합체로 조립되어 핵연료집합체를 구성하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치의 작동예를 살펴보면 다음과 같다.
제작이 완료된 연료봉은 헬륨검사 및 육안검사를 위해 유도전동기(502)에 구동되는 컨베이어(501)에 의해 안내되어 하나씩 이송되며, 이송된 연료봉은 메인프레임(300)의 상부이송부(310)로 옮겨진다.
상부이송부(310)로 옮겨진 연료봉들은 경사를 따라서 연료봉 승강이송부(200) 측으로 이동하여 상부이송부(310)의 이송면 상부로 돌출 위치하는 제1스톱퍼(312)에 의해 정지된다.
다음으로 제1스톱퍼(312)가 내려가면 제1스톱퍼(312)와 제2스톱퍼(313) 사이에 위치한 연료봉들은 제1이송부(210)에 안착되어 위치하며, 헬륨검사용 챔버(100)의 출입 도어가 개방되고 제1이송부(210)의 구동롤러(211)가 구동되어 연료봉들은 헬륨검사용 챔버(100) 내측으로 삽입이 이루어진다.
연료봉에는 제작된 연료봉을 관리하기 위한 목적으로 제작 시기나 종류(농축도 등)에 대한 정보를 기록한 바코드가 마킹되어 제작될 수 있으며, 헬륨검사용 챔버(100) 내측으로 연료봉이 투입되는 과정에서 검사가 실시되는 연료봉의 바코드를 판독할 수 있도록 바코드 리더가 헬륨검사용 챔버의 투입구 측에 추가로 설치될 수가 있다.
연료봉들이 헬륨검사용 챔버(100) 내측으로 완전히 삽입된 후에 출입 도어가 닫히고 헬륨검사용 챔버(100) 내에서 연료봉들에 대한 헬륨검사가 이루어지며, 검사가 완료된 후에 헬륨검사용 챔버(100)의 출입 도어가 개방된다.
헬륨검사용 챔버(100)의 출입 도어가 개방된 후에 헬륨검사용 챔버(100) 내부에 마련된 컨베이어가 구동되면서 연료봉 승강이송부(200)의 제2이송부(220)가 상승하여 배출되는 연료봉들은 제2이송부(220)의 구동롤러의 구동에 의해 제2이송부(220)에 안착된다.
배출된 연료봉들이 제2이송부(220)에 완전히 안착된 후에 제2이송부(220)는 하부이송부(320) 높이 이하로 하강하여 연료봉들이 하부이송부(320)로 옮겨져 안착이 이루어지며, 하부이송부(320)에 옮겨진 연료봉들은 하부이송부(320)의 경사면을 따라서 내려가서 검사용 테이블(400)로 옮겨진다.
검사용 테이블(400)로 옮겨진 연료봉들은 육안검사가 실시된 후에 일정 단위씩 수동 컨베이어(503)로 옮겨져서 다음의 공정으로 이동하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치는 헬륨검사용 챔버로 투입/배출되는 연료봉들이 메인프레임의 상하 공간를 활용한 3차원 공간상에서 이루어짐으로써 헬륨검사와 육안검사가 효과적으로 이루어지면서도 공정에 필요한 설비 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100 : 헬륨검사용 챔버 200 : 연료봉 승강이송부
210 : 제1이송부 220 : 제2이송부
300 : 메인프레임 310 : 상부이송부
311 : 레버부 312 : 제1스톱퍼
313 : 제2스톱퍼 314 : 실린더
320 : 하부이송부 400 : 검사용 테이블

Claims (5)

  1. 연료봉이 길이 방향으로 수평하게 출입하도록 일측에 출입 도어가 마련되어 연료봉의 헬륨 누출 여부를 검사하기 위한 헬륨검사용 챔버와;
    상기 출입 도어의 전방에 위치하여 상기 헬륨검사용 챔버로 투입 또는 배출되는 연료봉을 안내하기 위해 상하단에 각각 이격 위치하여 수평하게 마련되는 제1및제2이송부를 포함하고 상기 제1및제2이송부를 상하 구동하는 연료봉 승강이송부와;
    상기 연료봉 승강이송부의 길이방향으로 나란하게 배치되어 상기 연료봉 승강이송부 방향으로 경사면을 갖는 상부이송부와, 상기 상부이송부의 하부에 마련되어 상기 상부이송부의 경사면과는 반대의 경사면을 갖는 하부이송부를 갖는 메인프레임을 포함하며,
    상기 상부이송부에는 연료봉의 이송경로 상에 돌출 구동이 가능한 스톱퍼부재가 추가로 마련되되,
    상기 스톱퍼부재는 상기 상부이송부에 회동 가능하게 마련되는 레버부의 양단에 상방으로 돌출 형성되는 제1및제2스톱퍼와, 상기 레버부를 회전 구동하기 위한 회전구동부를 포함하되, 상기 제1및제2스톱퍼는 일정한 간격(D)을 가지며 상부이송부의 이송면에 대해 돌출 시점이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1및제2이송부는 최소한 하나 이상의 구동롤러와, 다수의 아이들 롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하부이송부와 인접하여 검사용 테이블이 추가로 마련되어, 상기 헬륨검사가 완료된 연료봉은 하부이송부를 통해 검사용 테이블에 이송되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체 제조를 위한 연료봉 검사장치.
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