KR101557359B1 - 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노즐의 일부가 원자로 헤드 내부로 삽입되고, 상기 일부의 내주에 형성된 나사산들에 가이드 콘이 결합된 후 상기 노즐과 가이드 콘이 용접되는 원자로 헤드의 노즐 결합부에 있어서, 상기 삽입된 노즐에 발생한 결함부를 보수하는 방법으로서, 상기 노즐의 나사산들이 노출되도록 상기 가이드 콘의 내주를 일정 깊이로 가공하는 제1 단계와, 가공 후 남은 상기 가이드 콘의 잔재를 상기 노즐로부터 분리하는 제2 단계와, 상기 가이드 콘이 상기 노즐로부터 분리된 후, 상기 노즐의 결함부를 보수하는 제3 단계와, 보수된 상기 노즐의 내주에 나사산을 다시 형성하는 제4 단계 및 보수 후 나사산이 형성된 상기 노즐에 새로운 가이드 콘을 결합시키는 제5 단계를 포함하는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법을 개시한다.

Description

원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법{METHOD FOR REPAIRING DAMAGED NOZZLE INSERTED INTO THE ATOMIC REACTOR HEAD}

본 발명의 일실시예들은 원자로 헤드에 삽입된 노즐을 보수하는 방법 및 그에 관한 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 원자로의 제어봉 구동장치(CRDM, Control Rod Drive Mechanism)는 전자기력을 이용하여 제어봉을 인출, 삽입시킴으로써 원자로의 핵반응을 제어하여 원자력 발전소의 전기적 출력을 조절하는 역할을 수행한다. 이러한 제어봉 구동장치(102)는 도 1에 도시한 바와 같이, 원자로 헤드(101) 상부에 설치되는데 상기 제어봉 구동장치(102)의 하단부에는 CRDM 노즐(103)이 구비되어 있어 상기 CRDM 노즐(103)을 통해 실질적인 제어봉의 인출 및 삽입이 이루어진다. 한편, 상기 CRDM 노즐(103)과 원자로 헤드(101)의 접합 부위는 소정 형상을 띠고 있는데 이를 통상, J-그루브(groove) 부위(104)라 칭하며 상기 J-그루브 부위 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접에 의해 상기 CRDM 노즐과 원자로 헤드의 접합을 기하고 있다.

그런데, 원자력 발전소의 장기간 운전시 상기 J-그루브 부위에 응력에 의한 부식 및 균열 현상(SCC, Stress Corrosion Cracking)이 발생되는 문제가 있다. 이에 따라, 상기 J-그루브 부위에 대한 보수 용접이 요구되나 원자로 헤드 내부는 방사능 오염 구역이기 때문에 보수 용접이 용이하게 진행되지 못하고 있다.

원자로의 보수 작업에 관련된 기술로는 미국 등록특허번호 제5,271,048호와 제5,059,384호 등이 있는데, 상기 제5,271,048호는 원자로 헤드 하단에 구비되는 압력 용기의 노즐 교체에 관한 특허로써 노즐 교체 방법은 제시하고 있으나 원자로 헤드 내부와 같은 방사능 오염 구역에서의 작업이 가능한 방법은 제시하지 않고 있다. 또한, 상기 미국등록특허 제5,059,384호는 BWR(Boiling Water Reactor)의 제어봉 하우징(Control Rod Housing)의 정렬과 보수에 대한 장치에 관한 특허로서 CRDM 노즐의 J-그루브 부분의 보수 작업과는 거리가 멀다.

따라서, CRDM 노즐의 J-그루브 부분을 보수 작업을 할 수 있는 방안이 고려될 수 있다.

본 발명의 일 목적은 기존과는 다른 방법에 의한 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 노즐의 일부가 원자로 헤드 내부로 삽입되고, 상기 일부의 내주에 형성된 나사산들에 가이드 콘이 결합된 후 상기 노즐과 가이드 콘이 용접되는 원자로 헤드의 노즐 결합부에 있어서, 상기 삽입된 노즐에 발생한 결함부를 보수하는 방법으로서, 상기 노즐의 나사산들이 노출되도록 상기 가이드 콘의 내주를 일정 깊이로 가공하는 제1 단계와, 가공 후 남은 상기 가이드 콘의 잔재를 상기 노즐로부터 분리하는 제2 단계와, 상기 가이드 콘이 상기 노즐로부터 분리된 후, 상기 노즐의 결함부를 보수하는 제3 단계와, 보수된 상기 노즐의 내주에 나사산을 다시 형성하는 제4 단계 및 보수 후 나사산이 형성된 상기 노즐에 새로운 가이드 콘을 결합시키는 제5 단계를 포함하는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법을 개시한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 가이드 콘의 내주에서 시작하여 상기 노즐을 향하도록 상기 노즐과 가이드 콘을 용접하는 제6 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 단계는, 상기 노즐과 상기 가이드 콘의 용접시 상기 노즐 또는 상기 가이드 콘의 일부가 용융되어 형성된 결합부가 노출되도록 상기 가이드 콘의 내주를 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제4 단계는, 상기 결합부에 나사산을 형성하는 단계가 될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법은, 방사능 오염 구역에 배치된 노즐을 보다 안전하고 효율적으로 보수할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 원자로 헤드의 개념도.
도 2는 도 1에 도시한 원자로 헤드의 개념도 중 CRDM 노즐과 가이드 콘의 결합 관계를 도시한 개념도.
도 3은 도 2에서 결함부를 도시한 개념도.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 실시예에 따르는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법을 도시한 도면들.

이하, 본 발명에 관련된 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 2는 도 1에 도시한 원자로 헤드(101)의 개념도 중 CRDM 노즐(103)과 가이드 콘(110)의 결합 관계를 도시한 개념도이고, 도 3은 도 2에서 결함부를 도시한 개념도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 원자력 발전소 1차 계통 기기에 설치된 CRDM 노즐(103)은 J형 그루브(J-그루브) 형태의 용접부(104)로 원자로 헤드(101)에 용접되어 있다.

그리고, CRDM 노즐(103)의 일단에는 가이드 콘(110)이 결합되어 있다. 가이드 콘(110)은 CRDM 노즐(103)에 나사 결합되어 끼워지며, 보다 견고한 결합을 위해 용접된다.

현재 운전 중인 원자력 발전소 CRDM 노즐(103)의 재질은 인코넬 600이 일반적이다. 원자력 발전소 CRDM 노즐(103) 특히, 증기발생기 배수 및 계측 노즐과 용접부, 원자로 헤드의 벤트(vent) 노즐과 용접부 등은 일차 냉각수와 접촉하는 부분으로 장기간 사용 시 일차수 응력 부식균열(PWSCC, primary water stress corrosion cracking)에 의해 결함이 발생하게 된다.

결함부는 그 일예로서, 도 3에 도시한 바와 같이 CRDM 노즐(103)의 외주면에 있는 용접부 상의 결함부위(105)나 CRDM 노즐(103)의 내주면에 있는 결함부위(106)가 될 수 있다.

이와 같이 결함이 발생하게 되면 방사선 오염된 일차 냉각수 누출 사고 등 원자력 발전소 안전에 심각한 문제를 야기하게 된다. 따라서 이러한 CRDM 노즐(103) 및 용접부(104)의 결함은 즉시 정비되어야 한다.

CRDM 노즐(103)이나 CRDM 노즐(103) 주변의 용접부(104)에 결함이 발생했을 경우, 정비 방법은 결함부(105, 106)를 제거하고, 같은 재질로 용접하여 복구하는 방법을 들 수 있다.

그러나 CRDM 노즐(103)에 가이드 콘(110)이 결합됨으로 인해, 가이드 콘(110)과 원자로 헤드(101) 사이에 충분한 공간이 없을 수 있다. 이 경우에는 결함부(105)를 제거하거나 용접하기 위하여 작업용 툴이 삽입될 수 있는 공간적 여유가 없으므로, 작업상의 어려움이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 가이드 콘(110)을 제거한 후 결함부(105, 106)를 복구한 뒤 새로운 가이드 콘(110)을 CRDM 노즐(103)에 결합시키는 신규한 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법을 제안하는 것이다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 실시예에 따르는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법을 도시한 도면들이다.

도 3에 도시한 바와 같이 용접부(104)를 덮도록 형성된 가이드 콘(110)의 형상으로 인하여, 용접 툴이 가이드 콘(110)에 간섭을 받으므로, 용접부(104) 상에 생성된 결함부(105)를 보수하기가 어렵다. 따라서, 노즐(103)로부터 가이드 콘(110)을 제거하고 결함부(105, 106)를 보수하는 것이 고려될 수 있다.

그러나, 가이드 콘(110)은 노즐(103)에 나사 결합된 후 노즐(103)과 가이드 콘(110)이 용접이 되어 일체화 되므로, 가이드 콘(110)을 노즐(103)로부터 분리시키기 위하여 노즐(103)의 결합부(121)에 다다를 때까지 일정 깊이(d)로 가이드 콘(110)을 절삭하는 가공이 요구된다.

도 4a는 노즐(103)과 가이드 콘(110)과의 결합된 상태를 도시한 것이고, 도 4b는 절삭 툴을 이용하여 가이드 콘(110)을 가공하는 상태를 도시한 것이다.. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 가이드 콘(110)은 절삭 툴(140)에 의하여 용접부(104)가 노출되거나 노즐(103)의 나사산(131)이 노출되도록 일정 깊이(d)까지 절삭될 수 있다.

이러한 가공 후에는 도 4b에 도시된 바와 같이, 가이드 콘(110)의 잔재(111)가 노즐(103)에 남아있을 수 있다. 이러한 잔재(111)는 진공 흡입 장치를 이용하여 제거하거나, 초음파 발생장치의 진동을 이용하여 노즐(103)로부터 가이드 콘(110)의 잔재(111)를 분리할 수 있다.

그리고, 노즐(103)의 내주면 또는 외주면에 있는 결함부(105, 106)를 보수할 수 있다. 결함부(105, 106)를 보수하는 방법으로서 용접부(104)상에 형성된 결함부(105)를 떼어내고 새롭게 용접을 하는 방법이 고려될 수 있다. 또한, 노즐(103)의 내주면에 형성된 결함부(106)는 같은 재질을 용융시킨 후 마감 처리하는 방법이 고려될 수 있다.

가이드 콘(110)을 제거한 후에는 새로운 가이드 콘(110)을 노즐(103)에 결합시키기 위해 노즐(103)의 내주면을 가공할 수 있다. 즉, 도 4c에 도시된 바와 같이 노즐(103)의 내주면에 태핑 툴을 이용하여 나사산(141)을 형성할 수 있다.

특히 노즐(103)과 가이드 콘(110)의 어느 일부가 용융되어 형성된 결합부(121)에는 나사산이 형성되지 않았으므로, 용접부(104)를 도 4b에 도시된 바와 같이 노출시키고, 용접부(104)가 나사산(141)을 갖도록 태핑 툴(150)로서 태핑(tapping) 가공할 수 있다.

태핑 가공된 노즐(103)에는 새로운 가이드 콘(110')이 나사 결합될 수 있다. 나사 결합만으로는 노즐(103)과 가이드 콘(110')간의 결합력이 충분하지 못하므로, 노즐(103)과 가이드 콘(110')은 용접 가공될 수 있다. 이 때, 용접 가공의 일 예로서 가이드 콘(110')의 내주면에 용접 토치(160)로 열을 가하여 가이드 콘(110')을 노즐(103)에 결합시킬 수 있다. 가이드 콘(110')과 노즐(103)은 어느 일부(121')가 용융되어 서로 결합될 수 있다. 이러한 용접 방법 이외에도, 그루브 용접, 템퍼비드 용접 또는 클래딩 용접등의 방법이 사용될 수 있다.

앞서 설명한 보수 방법은 자동화된 시스템으로써 구현될 수 있다. 이러한 시스템은 노즐(103)의 나사산들이 노출되도록 상기 가이드 콘(110)의 내주를 일정 깊이(d)로 가공하는 절삭 툴과, 상기 가이드 콘(110)이 상기 노즐(103)로부터 분리된 후, 상기 노즐(103)의 내주 또는 외주에 형성된 결함부(105, 106)를 보수하도록 형성되는 가공 툴, 상기 노즐(103)의 내주에 나사산을 형성하는 태핑(Tapping) 툴 및 태핑된 상기 노즐(103)과 상기 노즐(103)에 새롭게 결합된 가이드 콘(110')을 용접시키는 용접 토치를 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법은 방사능 오염 구역에 배치된 노즐(103)을 보다 안전하고 효율적으로 보수할 수 있다.

상기와 같이 설명된 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (4)

1. 노즐의 일부가 원자로 헤드 내부로 삽입되고, 상기 일부의 내주에 형성된 나사산들에 가이드 콘이 결합된 후 상기 노즐과 가이드 콘이 용접되는 원자로 헤드의 노즐 결합부에 있어서, 상기 삽입된 노즐에 발생한 결함부를 보수하는 방법으로서,
   상기 노즐의 나사산들이 노출되도록 상기 가이드 콘의 내주를 일정 깊이로 가공하는 제1 단계;
   가공 후 남은 상기 가이드 콘의 잔재를 초음파 발생 장치를 사용하여 상기 노즐로부터 분리하는 제2 단계;
   상기 가이드 콘이 상기 노즐로부터 분리된 후, 상기 노즐의 결함부를 보수 용접하는 제3 단계;
   보수된 상기 노즐의 내주에 나사산을 다시 형성하는 제4 단계; 및
   보수 후 나사산이 형성된 상기 노즐에 새로운 가이드 콘을 결합시키는 제5 단계를 포함하는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가이드 콘의 내주에서 시작하여 상기 노즐을 향하도록 상기 노즐과 가이드 콘을 용접하는 제6 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 단계는,
   상기 노즐과 상기 가이드 콘의 용접시 상기 노즐 또는 상기 가이드 콘의 일부가 용융되어 형성된 결합부가 노출되도록 상기 가이드 콘의 내주를 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제4 단계는,
   상기 결합부에 나사산을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 원자로 헤드에 삽입된 노즐의 보수방법.

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