KR102102581B1

KR102102581B1 - 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법 및 저장용 캐니스터

Info

Publication number: KR102102581B1
Application number: KR1020157027339A
Authority: KR
Inventors: 아키카즈 기타가와; 아키오 오이와; 게이스케 오카다; 가쓰노리 구스노키; 도모히로 다나카; 아키히토 고다; 야스히로 후카이; 마사노리 고토; 고지 시라이
Original assignee: 히다치 조센 가부시키가이샤; 잇빤자이단호징 덴료쿠추오켄큐쇼
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2020-04-21
Also published as: JP6208962B2; TWI619123B; JP2014181978A; WO2014148275A1; KR20150131086A; US9508459B2; TW201438024A; US20160240275A1

Abstract

(과제) 핵연료로부터의 방사선이 차폐된 상태에서 외측 표면 전체에 압축잔류응력을 발생시킨 상태로 할 수 있는 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법 및 저장용 캐니스터를 제공한다.
(해결수단) 금속으로 제작된 동체(2)의 상부(2a)에 뚜껑(4)을 용접함으로써 당해 동체(2)에 있어서 인장잔류응력이 발생한 범위에 압축응력을 부여하여 응력부식균열을 방지하는 저장용 캐니스터(1)의 응력부식균열방지 방법이다. 뚜껑(4)의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 동체(2)의 범위(L)에 미리 제1압축응력을 부여하고, 상기 범위(L)에 압축잔류응력이 발생하고 있는 상태에서 뚜껑(4)을 용접함으로써 인장잔류응력을 제거하고, 그 후에 제2압축응력을 부여하여 당해 범위(L)의 전역에서 압축잔류응력을 발생시킨다.

Description

저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법 및 저장용 캐니스터{METHOD TO PREVENT STRESS CORROSION CRACKING OF STORAGE CANISTER AND STORAGE CANISTER}

본 발명은, 방사성 폐기물인 핵연료를 저장한 상태에서 밀폐하고 핵폐기물 저장시설에 설치되는 저장용 캐니스터(貯藏用 canister)와, 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법(應力腐蝕龜裂防止方法)에 관한 것이다.

방사성 폐기물인 핵연료는, 원자력 발전소 등의 핵시설 내에서 저장용 캐니스터에 저장되고, 그곳으로부터 핵연료를 장기간 보관하기 위한 도1의 핵폐기물 저장시설(核廢棄物貯藏施設)(100)까지 이송된다. 이 저장시설(100) 내에서는, 캐스크(cask)(101) 내에 저장용 캐니스터(102)가 설치되어 있지만, 금속으로 제작된 저장용 캐니스터(102)에 있어서 응력부식균열의 발생이 염려되고 있다. 저장용 캐니스터(102)의 응력부식균열은, 저장용 캐니스터(102)를 구성하는 오스테나이트계 스테인레스 강재(austenite系 stainless 鋼材)에 인장응력(引張應力)이 잔류하고 또한 해염(海鹽) 등의 부식환경하인 경우에 발생한다. 핵연료에서 발생하는 열을 저장용 캐니스터(102)의 표면으로부터 방산(放散)시키기 위하여, 도1에 나타나 있는 바와 같이 캐스크(101)의 상하에는 통기구(通氣口)(101a, b)가 형성되어 있다. 이 쌍방의 통기구(101a, b)에 외기(外氣)가 통과되기 때문에, 저장용 캐니스터(102)는 외기에 계속하여 노출된다. 일본국 내에 있어서는 핵폐기물 저장시설(100)은 연안에 건설되게 되어 해염 등의 부식환경을 피할 수는 없다.

저장용 캐니스터(102)에 잔류하는 인장응력은, 저장용 캐니스터(102)를 구성하기 위한 동체(胴體)에 뚜껑을 용접하였을 때에 발생하는 인장잔류응력(引張殘留應力)이다. 그래서 용접 후에 소성가공(塑性加工)을 실시하여 저장용 캐니스터(102)에 잔류하는 인장응력을 소실시키고, 압축잔류응력(壓縮殘留應力)을 생기게 한 상태로 하여 응력부식균열을 방지하는 것이 알려져 있다(비특허문헌1 참조). 이러한 방지법에서는, 예를 들면 저장용 캐니스터(102)의 동체에 뚜껑을 용접한 후에 용접한 부위와 그 근방에 압축응력을 부여하기 위한 작업을 한다. 더 구체적으로는, 원자력 발전소 내에서 핵연료를 저장용 캐니스터(102)의 동체에 넣고, 1차 뚜껑을 용접하고, 계속하여 2차 뚜껑을 용접하여 핵연료를 밀폐한다. 핵연료가 저장된 저장용 캐니스터(102)의 동체의 상부 및 각 뚜껑에는 용접에 의하여 인장잔류응력이 발생하고 있다. 그 부분에, 예를 들면 피닝법(peening法) 등에 의하여 압축응력을 부여하는 소성가공을 하여 인장잔류응력을 소실시키고, 저장용 캐니스터(102)의 외측 표면의 전역에 걸쳐서 압축응력을 잔류시킨 상태로 한다. 핵연료를 일본에서 저장함에 있어서, 저장용 캐니스터(102)를 이러한 상태로 하는 것은 응력부식균열을 방지하기 위한 필수조건이라고 여겨진다.

핵연료가 수용된 저장용 캐니스터(102)는 밀폐되어 있기 때문에 방사성 물질의 외부로의 누설은 없지만, 방사선은 얇은 두께의 동체를 투과하여 외부에 누설되어 버린다. 저장용 캐니스터(102)의 응력부식균열을 방지하기 위해서는, 저장용 캐니스터(102)에 대면한 상태에서 소성가공의 작업을 해야하지만, 저장용 캐니스터(102)로부터 누설되어 오는 방사선의 영향이 문제가 된다.

비특허문헌1 : 평성 23년 5월, 재단법인 전력중앙연구소 발행, 전력중앙연구소 보고, 연구보고 N10035, 캐스크 방식에 의한 사용완료 연료저장의 실용화 연구

핵연료가 저장된 저장용 캐니스터(102)는, 핵 저장시설까지 두꺼운 두께를 구비하는 이송용 캐스크에 넣어서 이송된다. 방사선의 영향을 억제하기 위하여 풀(pool) 내에서 저장용 캐니스터(102)를 이송용 캐스크에 넣고나서, 상측 개구 근방의 간극공간을 이용하여 응력부식균열을 방지하기 위한 소성가공을 실시한다. 뚜껑의 용접에 의하여 인장응력이 잔류하는 것은 동체의 상단으로부터 바닥부를 향하여 비교적 깊은 범위에 이른다. 그 때문에 상측 개구로부터 깊은 위치까지 작업할 필요가 있지만, 예를 들면 이송용 캐스크의 상부를 더 개방한 형상으로 하면 피폭량(被爆量)이 상승해버리는 문제가 생긴다.

그래서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여, 핵연료로부터의 방사선이 차폐된 상태에서 외측 표면 전체에 압축잔류응력을 발생시킨 상태로 할 수 있는 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법 및 저장용 캐니스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 방사선의 영향을 억제하면서 외측 표면 전체에 압축잔류응력을 발생시킨 상태로 하기 위해서는, 저장용 캐니스터와 이송용 캐스크 사이의 얕은 상측 개구에서 시공할 수 있도록 하는 것이 중요한 것임에 착안하여 다음의 기술적 수단을 강구하였다.

즉, 본 발명의 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법은, 금속으로 제작된 통모양 동체의 상부에 뚜껑을 용접함으로써 당해 통모양 동체에 있어서의 인장잔류응력이 발생한 범위에 압축응력을 부여하여, 응력부식균열을 방지하는 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법으로서, 상기 뚜껑의 용접에 의하여 상기 인장잔류응력의 발생이 예정되는 상기 통모양 동체의 범위에 미리 제1압축응력을 부여하고, 당해 범위에 압축잔류응력이 발생하고 있는 상태에서 상기 뚜껑을 용접함으로써 발생하는 인장잔류응력을 캔슬(cancel)하고, 그 후에 제2압축응력을 부여해 당해 범위의 전역에서 압축잔류응력을 생기게 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 뚜껑의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 통모양 동체의 범위에 미리 제1압축응력을 부여하기 때문에, 용접에 의한 인장잔류응력이 캔슬되어, 그에 따라 제2압축응력을 부여하기 위한 시공범위가 작아진다. 이에 따라 저장용 캐니스터와 이송용 캐스크간의 얕은 상측 개구에서 시공을 하는 것이 가능하게 되고, 통모양 동체의 외측 표면의 전역에 걸쳐서 압축잔류응력을 발생한 상태로 할 수 있다.

상기 제1압축응력을 부여하는 상기 통모양 동체의 범위는, 당해 통모양 동체의 상단으로부터 축방향 내측으로 향하는 축방향 범위이며, 이 축방향 범위(L)가 하기 관계식을 충족하는 것이 바람직하다.

(r: 통모양 동체의 외측 반경, t: 통모양 동체의 두께)

뚜껑의 용접에 의하여 인장잔류응력이 발생하는 통모양 동체의 축방향 범위는 상기 관계식의 우변에서 표시되기 때문에, 제1압축응력을 부여하는 축방향 범위를 상기 식을 충족하는 범위라고 하면, 통모양 동체의 외측 표면의 전역에 걸쳐서 압축잔류응력이 발생한 상태로 할 수 있다.

상기 제1압축응력을 부여하는 작업은 다양한 시공방법에 의하여 할 수 있지만, 예를 들면 지르코니아 숏 피닝법 또는 버니싱법에 의한 시공방법이 바람직하다.

본 발명의 저장용 캐니스터는, 금속으로 제작된 통모양 동체의 상부에 뚜껑이 용접되어 구성되고, 핵연료를 내장한 밀폐상태에서 캐스크 내에 설치되는 저장용 캐니스터로서, 상기 뚜껑의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 상기 통모양 동체의 범위에 미리 제1압축응력을 부여하고, 당해 범위에 압축잔류응력이 발생하고 있는 상태에서 상기 뚜껑을 용접함으로써 인장잔류응력을 캔슬하고, 그 후에 제2압축응력을 부여하여 당해 범위의 전역에서 압축잔류응력이 발생한 상태로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 뚜껑의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 통모양 동체의 범위에 미리 제1압축응력이 부여되어 있기 때문에, 용접에 의한 인장잔류응력이 캔슬되어, 제2압축응력을 부여하기 위한 시공범위가 작아져 있다. 이에 따라 저장용 캐니스터와 이송용 캐스크간의 얕은 상측 개구에서 시공을 하는 것이 가능하게 되어 있고, 통모양 동체의 외측 표면의 전역에 걸쳐서 압축잔류응력을 발생한 상태로 할 수 있다.

저장용 캐니스터는, 캐스크와 상기 통모양 동체간의 상측 개구에 있어서, 상기 제2압축응력을 부여하는 시공을 가능하게 하는 구성으로 하면 좋다.

구체적으로는, 상기 뚜껑을, 상기 통모양 동체의 상단에 용접된 상측 뚜껑과 이 상측 뚜껑의 내부측에서 당해 통모양 동체와 용접된 하측 뚜껑으로부터의 것으로 하였을 경우에, 당해 하측 뚜껑의 용접위치를, 당해 통모양 동체의 상단으로부터 상기 관계식의 우변에서 나타내어지는 L 최소값까지의 축방향 범위 내로 하면 좋다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 용접에 의한 인장잔류응력이 제거되기 때문에 제2압축응력을 부여하기 위한 시공범위가 작아져서, 저장용 캐니스터와 이송용 캐스크 사이의 얕은 상측 개구에서 시공을 하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라 핵연료로부터의 방사선이 차폐된 상태에서 통모양 동체의 외측 표면의 전역에 걸쳐서 압축잔류응력을 발생한 상태로 할 수 있다.

도1은, 핵 저장시설의 개략도이다.
도2는, 본 발명의 1실시형태를 나타내는 저장용 캐니스터의 측면도이다.
도3은, 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법의 순서를 설명하기 위한 흐름도이다.
도4는, 바닥부재가 설치된 동체의 사시도이다.
도5는, 동체의 용접부분과 그 근방의 확대도이다.
도6에 있어서, (a)는 본 발명의 개념을 설명하는 설명도이고, (b)는 이것에 대응하는 종래기술의 설명도이다.
도7은, 레이저 용접법 및 아크 용접법에 의한 동체 외측 표면에서의 축방향 잔류응력을 나타내는 그래프이다.
도8은, 압축응력 처리부에 인장응력을 걸었을 때의 잔류응력값의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도9는, 이송용 캐스크 내에서의 저장용 캐니스터의 일부 확대도이다.
도10은, 수냉하였을 경우와 수냉하지 않은 경우에 있어서의 동체 외측 표면에서의 축방향 잔류응력을 나타내는 그래프이다.
도11은, 수냉하였을 경우와 수냉하지 않은 경우에 있어서의 동체 외측 표면에서의 원주방향 잔류응력을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도2는 본 발명의 1실시형태를 나타내는 저장용 캐니스터(1)의 측면도이다. 이 저장용 캐니스터(貯藏用 canister)(1)는, 사용완료 핵연료(50)를 저장하기 위한 것이고, 사용완료 핵연료(50)를 저장한 후에 핵 저장시설(核貯藏施設)에 설치된다. 저장용 캐니스터(1)는, 오스테나이트계 스테인레스 강재(austenite系 stainless 鋼材)이며, 세로가 긴 원통모양의 동체(胴體)(2)(통모양 동체)와, 이 동체(2)의 바닥을 막는 바닥부재(3)와, 동체(2)의 상부(2a)를 막는 뚜껑(4)으로 구성되어 있다. 바닥부재(3)와 뚜껑(4)이 동체(2)에 용접되어 방사성 물질이 누설되지 않도록 저장용 캐니스터(1)가 밀폐된다. 일반적으로 저장용 캐니스터(1)는, 동체(2)의 외경: 1700mm 정도, 높이: 4600mm 정도, 두께: 13mm 정도로 구성되어 있다.

본 실시형태의 뚜껑(4)은, 내측의 1차 뚜껑부재(5)(하측 뚜껑)와 외측의 2차 뚜껑부재(6)(상측 뚜껑)로 이루어져 있다. 또 동체(2)를 밀폐하는 뚜껑을 구성하는 뚜껑부재의 수는 한정되지 않고, 1개 또는 3개 이상의 뚜껑부재를 사용하더라도 좋다. 1차 뚜껑부재(5)의 주연(周緣)과 동체(2)의 내주면(2b)이 용접되고, 그와 더불어 2차 뚜껑부재(6)의 주연과 동체(2)의 내주면(2b)이 용접되어 있다. 바닥부재(3)는 동체(2)의 하단부(2c)와 용접되어 있다.

도3에 저장용 캐니스터(1)의 응력부식균열방지 방법(應力腐蝕龜裂防止方法)의 순서를 설명하기 위한 흐름도를 나타낸다. 본 실시형태의 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법(이하, 응력부식균열방지 방법)은, 압축응력(壓縮應力)을 잔류시킴으로써 응력부식균열을 방지하는 방법으로서, 뚜껑(4)의 용접에 의하여 인장잔류응력(引張殘留應力)의 발생이 예정되는 동체(2)의 축방향 범위에 미리 제1압축응력을 부여하고, 당해 축방향 범위에 압축응력이 발생하고 있는 상태에서 뚜껑(4)을 용접함으로써 인장잔류응력을 제거하고, 그 후에 제2압축응력을 부여하는 방법이다. 상세하게는, 동체(2)에 대해 제1압축응력을 부여한 후에, 풀(pool) 중의 이송 캐스크(移送 cask) 내에 설치되며, 밑면을 구비하는 동체(2)에 사용완료 핵연료를 수용하고, 뚜껑(4)을 이 동체(2)에 자동으로 용접하여 당해 동체(2)을 밀폐한다. 이 상태에서 동체(2)의 상부에 제2압축응력을 부여한다. 그 후에 이송용 캐스크를 저장용 캐니스터(1)과 함께 핵 저장시설로 이송하여 사용완료 핵연료를 저장한다.

이하 순서를 따라서 설명한다. 우선 통모양의 동체(2)에 바닥부재(3)을 용접하여, 도4에 나타내는 바와 같이 밑면을 구비하는 통모양 동체(7)로 한다. 밑면을 구비하는 통모양 동체(7)의 바닥부(7a)에는 용접 시에 발생한 인장잔류응력이 존재한다. 그 때문에, 예를 들면 숏 피닝법(shot peening法) 등에 의한 소성가공을 실시하여 그 잔류인장응력을 소실시켜 압축응력을 잔류시킨 상태로 한다. 이에 따라 바닥부(7a)의 응력부식균열을 방지할 수 있다. 또 이 작업 시에는 핵연료가 저장되어 있지 않고 동체(2)을 둘러싸는 구조물도 없기 때문에, 작업 스페이스의 부족 및 방사선 피폭의 문제는 발생하지 않는다.

도5는 동체(2)의 용접부분과 그 근방의 확대도이다. 각 뚜껑부재(5, 6)를 용접하기 전에, 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 동체(2)의 범위에 미리 제1압축응력의 부여를 위한 시공을 한다. 동체(2)의 상부(2a)에 있어서의 제1압축응력을 부여하는 범위(L)는, 동체(2)의 상단(2d)으로부터 축방향 내측으로 향하는 축방향 범위이며, 이 범위(L)가 하기 관계식을 충족하도록 한다. 따라서 제1압축응력을 부여하는 축방향 범위(L)는, 동체(2)의 상단(2d)으로부터 이 관계식의 우변으로 나타내어지는 L 최소값(이하, 'L 최소값'이라고 한다)까지의 범위이던가 그것보다 깊을 것을 필요로 한다. L 최소값은 일반적인 저장용 캐니스터(1)에서는 300mm 정도가 된다.

(r: 통모양 동체의 외측 반경, t: 통모양 동체의 두께)

도6(a)는 본 발명의 응력부식균열방지 방법의 개념을 설명하는 설명도이고, (b)는 이것에 대응하는 종래기술의 설명도이다. 2차 뚜껑부재(6)의 용접에 의하여 발생하는 인장잔류응력의 축방향 범위는, 동체(2)의 상단(2d)으로부터 L 최소값까지의 범위이다. 따라서 적어도 당해 범위에 미리 제1압축응력을 부여하여 압축잔류응력을 발생시켜 둠으로써, 용접 시에 발생하는 인장잔류응력을 제거할 수 있다. 용접 시에 동체(2)의 상단(2d)과 그 근방범위(s1)는 융해에 가까운 상태가 되기 때문에, 이 축방향 범위(s1)에 한해서는 부여된 압축잔류응력도 소실한다. 따라서 제2압축응력을 부여하는 공정에서 그 얕은 축방향 범위(s1)를 처리하는 것만으로, 동체(2)의 외측 표면의 전역에 걸쳐서 압축잔류응력을 발생시킨 상태로 할 수 있다. 이에 따라 제2압축응력을 부여하는 깊이(축방향 범위(s1))를 종래의 깊이(s2)보다 얕게 할 수 있다. 또, 제1압축응력을 부여하지 않는 범위인 L 범위 이외의 부분은, 사전에 어떠한 방법으로든 압축잔류응력이 부여되어 있으면 좋다.

본 실시형태에서는, 동체(2)에 내측의 1차 뚜껑부재(5)를 용접하고 계속하여 외측의 2차 뚜껑부재(6)를 용접하고 있다. 2차 뚜껑부재(6)의 용접에 의하여 동체(2)의 상단(2d)으로부터 L 최소값까지의 축방향 범위에 인장잔류응력이 발생한다. 마찬가지로 1차 뚜껑부재(5)의 용접에 의해서도 인장잔류응력이 발생한다. 1차 뚜껑부재(5)의 용접위치는, 동체(2)의 상단(2d)으로부터 L 최소값까지의 축방향 범위 내로 되어 있으면 좋다. 제1압축응력을 부여하는 축방향 범위(L)의 외단(外端)은 동체(2)의 상단(2d)이며, 이에 따라 1차 및 2차 뚜껑부재(5, 6)의 용접에 의한 인장잔류응력이 제거된다.

동체(2)의 상단(2d)로부터 L 최소값까지의 범위는 상기한 바와 같이 인장잔류응력이 발생하는 범위이기 때문에, 이 범위에 대한 제1압축응력의 부여는 필수가 된다. 제1압축응력을 부여하는 축방향 범위(L)는, 동체(2)의 상단(2d)으로부터 하단부(2c)까지 또는 축방향 중앙부(2e)까지로 하더라도 좋고, 작업상 바람직하게는 L 최소값까지의 범위 + 내측으로 100mm 정도, 더 바람직하게는 L 최소값까지의 범위 + 내측으로 50mm 정도이다. 제1압축응력을 부여하기 위한 소성가공을 L 최소값의 범위 + 100mm 정도까지 하고 있으면, 용접에 의하여 발생하는 인장잔류응력을 더 확실하게 제거할 수 있다.

각 뚜껑부재(5, 6)에도 용접에 의한 인장잔류응력이 발생하고 있지만, 문제가 되는 것은 외기(外氣)에 노출되는 외측의 2차 뚜껑부재(6)이다. 이 2차 뚜껑부재(6)에도 마찬가지로 제1압축응력을 부여하기 위한 소성가공을 실시하더라도 좋지만, 이송용 캐스크의 상방은 개방되어 있기 때문에 작업공간상의 문제는 없으며, 뚜껑(4)에 대한 제1압축응력의 부여는 필수적이지는 않다. 동체(2) 및 뚜껑(4)을 용접할 때의 용접법은 한정되지 않지만, 레이저 용접법 또는 아크 용접법을 사용하는 것이 바람직하다. 도7은 이들의 용접법에 의하여 용접하였을 때의 동체의 외측 표면에서의 축방향 잔류응력을 나타내는 그래프이다. 인장잔류응력의 영역이 레이저 용접법보다 아크 용접법 쪽이 커지고 있어, 레이저 용접법이 더 바람직한 것을 알 수 있다.

제1압축응력 및 제2압축응력을 부여하기 위한 소성가공에 대하여 설명한다. 오스테나이트계 스테인레스 강재는 스케일 처리 때문에 이미 압축잔류응력이 발생하고 있지만, 스케일 처리에 의한 압축잔류응력의 깊이는 최대로 해도 200㎛ 정도이다. 그 때문에 제1압축응력 및 제2압축응력을 부여하기 위한 소성가공이 필요하게 된다. 압축응력을 부여하기 위한 소성가공법은 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 레이저 피닝법(laser peening法), 워터젯 피닝법(water jet peening法), 숏 피닝법(shot peening法) 등의 각종 피닝법이 있다. 레이저 피닝법 및 워터젯 피닝법은 일반적인 방법이 아니어서 작업성이 낮고 시공비용이 높다. 숏 피닝법에는, 예를 들면 주강 숏(鑄鋼 shot), 알루미나 숏(alumina shot), 지르코니아 숏(zirconia shot)이 알려져 있다. 주강 숏에서는, 압축층의 깊이는 예를 들면 약 0.4mm이며 적청(red rust)의 발생이 염려된다. 알루미나 숏에서는, 표면이 거칠어지는 점은 문제없지만, 압축층 깊이는 약 0.5mm이며, 주강 숏과 마찬가지로 압축잔류응력이 발생하고 있는 깊이가 비교적 얕아지게 되어 버린다.

지르코니아 숏에서는, 지르코니아의 인성(靭性)이 크고, 압축층의 깊이는 약 0.7mm이며, 압축잔류응력의 깊이를 깊게 할 수 있다. 본 실시형태에서는, 지르코니아 숏을 채용하고 1.0㎛ 지름의 지르코니아 립(zirconia 粒)을 5kg/cm²G의 공기압(空氣壓)에서 조사하고 커버리지(coverage)를 3으로 하였다. 압축층의 깊이는 0.7mm였다. 이들 3개의 숏 형태 중에서는 지르코니아 숏이 가장 적합하다.

압축응력을 부여하는 위한 다른 소성가공법으로서, 버니싱법(burnishing法)이 알려져 있다. 버니싱법이란, 경질(硬質)의 구재(球材)가 선단(先端)에 설치된 가압구(加壓具)를, 대상으로 하는 재료표면에 대고 굴려서 누르는 소성가공법이다. 이 방법은, 분진(粉塵)을 발생시키지 않고 깊은 압축층이 얻어지기 때문에, 원자력 발전설비 내에서의 작업에는 가장 적합하다. 각종 피닝법에서는 처리한 표면성상(表面性狀)이 무광택면(satin finished surface)이 되고, 버니싱법에서는 처리한 표면성상이 경면(鏡面)이 되기 때문에, 어느 방법을 채용하더라도 시공한 범위를 육안으로 간단하게 확인할 수 있어서 작업성이 향상된다.

도8은 오스테나이트계 스테인레스 강재의 압축응력 처리부에 인장응력을 부여하였을 때의 잔류응력값의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 소정 치수의 오스테나이트계 스테인레스 강재(30)에 있어서 한쪽의 표면(30a)에 지르코니아 숏에 의한 피닝 처리를 실시하고, 좌우로부터 인장하중을 걸어서 그 때의 피닝부분(31)의 잔류응력값의 변화를 계측하였다. 계측한 결과가 도8의 그래프이다. 그래프 중의 세로쇄선은 0.2% 내력(耐力)인 243MPa를 나타낸다. 피닝부분(31)의 잔류응력값은 0.2% 내력까지 '압축'이기 때문에, 0.2% 내력까지이면 인장하중이 작용하더라도 잔류응력은 압축측이 된다. 저장용 캐니스터(1)는 0.2% 내력의 1/3로 설계되기 때문에 부여된 압축잔류응력이 소실하는 경우는 없다.

핵연료 저장시설은 연안(沿岸)에 건설되어 있기 때문에, 저장용 캐니스터(1)는 캐스크 내에서 항상 염분 분위기(鹽分雰圍氣)에 노출된다. 압축잔류응력이 존재하도록 해 놓으면 응력부식균열은 방지할 수 있지만, 염분에 의한 공식(孔蝕; pitting corrosion)의 문제도 고려할 필요가 있다. 염분에 의한 공식이 압축잔류응력층의 깊이보다 심부(深部)로 진행하면, 응력부식균열의 우려가 발생한다. 그래서 연안에서의 환경조건에 가까운 상대습도: 15%(실온)에서의 최대공식깊이를 추정하였다. 1000시간의 최대공식깊이를 기초로 직선적으로 공식이 성장한 것으로 하여 추정치를 산출하였다. 또, 저장용 캐니스터의 온도와 기상 데이터로부터 구한 응력부식균열이 진전될 가능성이 있는 시간의 적산(積算)은, 혼슈 북단에서는 3853시간 후이며, 중부 일본해 연안에서는 15021시간이다.(「평성 23년 5월, 재단법인 전력중앙연구소 발행, 전력중앙연구소 보고, 연구보고 N10035, 콘크리트 캐스크 방식에 의한 사용완료 연료저장의 실용화 연구(비특허문헌1)」로부터 인용)

이하, 최대공식깊이의 추정치를 나타낸다.

(그라인더 처리)

SUS304L: 161㎛(혼슈 북단), 625㎛(중부 일본해 연안)

SUS316L: 213㎛(혼슈 북단), 829㎛(중부 일본해 연안)

(피닝 처리)

SUS304L: 114㎛(혼슈 북단), 442㎛(중부 일본해 연안)

SUS316L: 182㎛(혼슈 북단), 706㎛(중부 일본해 연안)

(버니싱 처리)

SUS316L: 215㎛(혼슈 북단), 838㎛(중부 일본해 연안)

그라인더 처리에 의한 압축잔류응력층의 깊이는 0이며, 지르코니아 숏에 의한 피닝 처리에서 얻어지는 압축잔류응력층의 깊이는 800㎛이며, 버니싱 처리에서 얻어지는 압축잔류응력층의 깊이는 1500㎛이다.

응력부식균열이 발생하지 않는 조건은, (공식깊이 < 압축잔류응력층의 깊이)이기 때문에, 피닝 처리 또는 버니싱 처리를 실시하여 제1압축응력 및 제2압축응력의 부여에 의한 압축잔류응력층을 1mm 정도까지 형성하여 두면, 공식의 영향에 의한 응력부식균열은 발생하지 않는다. 저장용 캐니스터(1)의 제조 시에, 찰과(擦過)나 충돌에 의하여 재료표층(材料表層)을 약간 손상시키는 경우가 있다고 하더라도 그 손상 깊이는 수백㎛ 정도까지이므로, 압축잔류응력층을 1mm 정도까지 형성하여 두면, 손상의 영향에 의한 응력부식균열도 방지할 수 있다. 압축잔류응력층은 깊을수록 좋지만, 작업성의 관점에서 최대로도 2mm 정도이며, 바람직하게는 상기 1mm 정도이다.

이상의 응력부식균열방지 방법을 실시함으로써 본 발명의 저장용 캐니스터를 얻을 수 있다. 즉 본 발명의 저장용 캐니스터(1)는, 금속으로 제작된 통모양의 동체(2)의 상부(2a)에 뚜껑(4)이 용접되어 구성되며, 핵연료를 내장한 밀폐상태에서 캐스크내에 설치되는 저장용 캐니스터(1)로서, 뚜껑(4)의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 동체(2)의 범위에 미리 제1압축응력을 부여하고, 당해 범위에 압축잔류응력이 발생하고 있는 상태에서 뚜껑(4)을 용접함으로써 인장잔류응력을 제거하고, 그 후에 제2압축응력을 부여하여 당해 범위의 전역에서 압축잔류응력이 발생한 상태로 되어 있는 저장용 캐니스터(1)이다.

도9는 이송용 캐스크(10)에 넣어진 저장용 캐니스터(1)의 일부 확대도이다. 방사선의 영향을 억제하기 위하여, 저장용 캐니스터(1)를 이송용 캐스크(10)에 넣고나서 응력부식균열을 방지하기 위한 소성가공을 실시한다. 종래에는, 소성가공을 실시하는 범위는 동체의 상부로부터 하방을 향하여 깊은 범위에까지 이르고 있었지만, 본 실시형태의 저장용 캐니스터(1)에서는, 동체(2)의 상부(2a)로부터 하방을 향하여 얕은 범위(s1)에 한정된다. 저장용 캐니스터(1)와 이송용 캐스크(10) 사이의 상측 개구(11)를 이용하면 제2압축응력을 부여하기 위한 소성가공을 위한 작업에는 충분하다. 이송용 캐스크(10)의 두께(d)는 200mm 정도이다.

동체(2)의 상단(2d)으로부터 L 최소값까지의 범위는 일반적인 저장용 캐니스터(1)에서는 상기한 바와 같이 300mm 정도가 된다. 본 실시형태에서는 상측 개구(11)의 지름방향 치수(w)는 125mm 정도이고, 상측 개구(11)의 깊이(h)(축방향 치수)는 145mm 정도이다. 상측 개구(11)의 깊이(h)는, 1차 뚜껑부재(5)의 용접부위의 하단(12)으로부터 바닥부측으로, 저장용 캐니스터(1)의 두께(t)의 2배 정도로 하면 좋다. 또, 이들의 치수는 한정되지 않고 적절하게 변경할 수 있다. 이상의 방법으로 저장용 캐니스터(1)을 형성하면, 핵연료로부터의 방사선이 차폐된 상태에서 모든 인장잔류응력을 제거하여 동체(2)의 전역에 압축잔류응력을 발생시킨 상태로 할 수 있다.

본 실시형태에 의하면, 뚜껑(4)의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 동체(2)의 범위에 미리 제1압축응력을 부여하기 때문에, 용접에 의한 인장잔류응력이 제거되어, 그에 따라 제2압축응력을 부여하기 위한 시공범위가 작아진다. 이에 따라, 저장용 캐니스터(1)와 이송용 캐스크(10) 사이의 얕은 상측 개구(11)에서 시공을 하는 것이 가능하게 되어, 핵연료로부터의 방사선이 차폐된 상태에서 동체(2)의 외측 표면의 전역에 걸쳐서 압축잔류응력을 발생시킨 상태로 할 수 있다.

상기 실시예는, 본 발명에 관한 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법 및 저장용 캐니스터의 일례를 나타낸 것이어서, 여기에만 한정되는 것은 아니다. 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법에 다른 공정을 포함시키는 것, 저장용 캐니스터의 형상, 치수 등을 변경하더라도 좋다.

예를 들면 도9를 참조하여, 이송용 캐스크(10)와 저장용 캐니스터(1) 사이의 상측 개구(11)에 물을 충전하고, 이 상태에서 각 뚜껑부재(5, 6)의 용접을 하더라도 좋다. 즉 이 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법은, 뚜껑의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 통모양 동체의 범위에 미리 제1압축응력을 부여하고, 당해 범위에 압축잔류응력이 발생하고 있는 상태에서 뚜껑을 용접함으로써 인장잔류응력을 제거하고, 그 후에 제2압축응력을 부여하여 당해 범위의 전역에서 압축잔류응력을 발생시키는 방법으로서, 뚜껑의 용접 시에 용접장소를 수냉하면서 함으로써 제2압축응력을 부여하는 범위를 더 작게 하는 방법이다.

도10은 용접장소를 수냉(水冷)하였을 경우와 수냉하지 않은 경우에 있어서 동체 외측 표면에서의 축방향 잔류응력을 나타내는 그래프이며, 도11은 용접장소를 수냉하였을 경우와 수냉하지 않은 경우에 있어서 동체 외측 표면에서의 원주방향 잔류응력을 나타내는 그래프이다. 도10 및 도11로부터 알 수 있는 바와 같이, 잔류하는 축방향 응력 및 잔류하는 원주방향 응력의 어느 쪽도 인장응력의 발생영역이 좁아지고 있는 것이 인지된다. 냉각하면서 용접하므로 동체의 팽창이 억제되어, 용접 후의 인장잔류응력이 발생하는 축방향 범위를 더 좁게 할 수 있다. 이에 따라 제2압축응력을 부여하기 위한 시공범위를 더 작게 할 수 있다.

Claims

금속으로 제작된 통모양 동체(筒狀胴體)의 상부에 뚜껑을 용접함으로써 상기 통모양 동체에 있어서 인장잔류응력(引張殘留應力)이 발생한 범위에, 압축응력(壓縮應力)을 부여하여 응력부식균열(stress corrosion cracking)을 방지하는 저장용 캐니스터(貯藏用 canister)의 응력부식균열방지 방법(應力腐蝕龜裂防止方法)으로서,
상기 뚜껑의 용접에 의하여 상기 인장잔류응력의 발생이 예정되는 상기 통모양 동체의 범위에, 미리 제1압축응력을 부여하고,
상기 범위에 압축잔류응력(壓縮殘留應力)이 발생하고 있는 상태에서 상기 뚜껑을 용접함으로써, 발생하는 인장잔류응력을 제거하고,
그 후에 제2압축응력을 부여하여 상기 범위의 전역(全域)에서 압축잔류응력을 발생시키고,
상기 제1압축응력을 부여하는 상기 통모양 동체의 범위는, 상기 통모양 동체의 상단으로부터 축방향 내측으로 향하는 축방향 범위이며, 이 축방향 범위(L)가 하기 관계식을 충족하는 것을 특징으로 하는 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법.

(r: 통모양 동체의 외측 반경, t: 통모양 동체의 두께)
금속으로 제작된 통모양 동체(筒狀胴體)의 상부에 뚜껑을 용접함으로써 상기 통모양 동체에 있어서 인장잔류응력(引張殘留應力)이 발생한 범위에, 압축응력(壓縮應力)을 부여하여 응력부식균열(stress corrosion cracking)을 방지하는 저장용 캐니스터(貯藏用 canister)의 응력부식균열방지 방법(應力腐蝕龜裂防止方法)으로서,
상기 뚜껑의 용접에 의하여 상기 인장잔류응력의 발생이 예정되는 상기 통모양 동체의 범위에, 미리 제1압축응력을 부여하고,
상기 범위에 압축잔류응력(壓縮殘留應力)이 발생하고 있는 상태에서 상기 뚜껑을 용접함으로써, 발생하는 인장잔류응력을 제거하고,
그 후에 제2압축응력을 부여하여 상기 범위의 전역(全域)에서 압축잔류응력을 발생시키고,
상기 제1압축응력은, 지르코니아 숏 피닝법(zirconia shot peening法) 또는 버니싱법(burnishing法)에 의하여 부여되는 것을 특징으로 하는 저장용 캐니스터의 응력부식균열방지 방법.
금속으로 제작된 통모양 동체의 상부에 뚜껑이 용접되어 구성되고, 핵연료를 내장한 밀폐상태에서 캐스크(cask) 내에 설치되는 저장용 캐니스터로서,
상기 뚜껑의 용접에 의하여 인장잔류응력의 발생이 예정되는 상기 통모양 동체의 범위에, 미리 제1압축응력을 부여하고,
상기 범위에 압축잔류응력이 발생하고 있는 상태에서 상기 뚜껑을 용접함으로써, 발생하는 인장잔류응력을 제거하고,
그 후에 제2압축응력을 부여하여 상기 범위의 전역에서 압축잔류응력이 발생한 상태로 되어 있고,
캐스크와 상기 통모양 동체 사이의 상측 개구에 있어서 상기 제2압축응력을 부여하여, 상기 범위의 전역에서 압축잔류응력을 발생시키는 것이 가능한 구성을 구비하고,
상기 뚜껑은, 상기 통모양 동체의 상단에 용접된 상측 뚜껑과 이 상측 뚜껑의 내부측에서 상기 통모양 동체와 용접된 하측 뚜껑으로 이루어지고, 상기 하측 뚜껑의 용접위치가, 상기 통모양 동체의 상단으로부터 상기 관계식의 우변으로 나타내어지는 L 최소값까지의 축방향 범위 내인 것을 특징으로 하는 저장용 캐니스터.
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