KR102311375B1 - 지르코늄 합금 피복관 내외면 온도구배 구현을 통한 수소화물 림 발생장치 및 방법 - Google Patents

지르코늄 합금 피복관 내외면 온도구배 구현을 통한 수소화물 림 발생장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지르코늄 합금 피복관의 수소화물 림 발생장치 및 방법에 관한 것이다.
본 방법은 원자로 가동 중 겪게 되는 실제 사용후핵연료 피복관 내외면 온도구배 환경을 모사하는 방법을 기반으로 하며, 본 발명에 따른 지르코늄 합금 피복관의 수소화물 림 발생장치는 메인 챔버; 테스트 챔버; 가열 히터; 온도 측정 열전대; 냉각팬; 제어부;를 포함한다.

Description

지르코늄 합금 피복관 내외면 온도구배 구현을 통한 수소화물 림 발생장치 및 방법 {Apparatus and method for generating hydride rim of zirconium-alloy fuel cladding by generating temperature gradient of tube between inside and outside}
본 발명은 사용후핵연료 모사피복관 제작을 위해 피복관 내외면 온도구배를 이용하여 실제 사용후핵연료에 존재하는 수소화물 림을 발생시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
원자로 가동 중 지르코늄 합금 피복관과 냉각수와의 산화반응으로 수소가 생성되며 이 수소 중 일부는 피복관에 흡수된다.
피복관의 내부에서는 핵연료가 연소하고 피복관의 외부에는 냉각수가 흐르고 있어 피복관의 내면은 온도가 높고 외면은 온도가 낮은 상태를 유지하게 된다.
이러한 피복관 내외면의 온도구배에 의해 피복관 내 수소가 온도가 높은 피복관 내면에서 온도가 낮은 피복관 외면으로 확산하게 된다.
지르코늄 피복관 내에는 해당온도에서의 수소고용도 만큼의 수소가 용해할 수 있는데 외면으로 수소가 확산되면서 수소고용도 한계를 초과하게 되면 수소화물로 석출되게 된다.
이러한 과정이 장시간 반복되게 되면 피복관 외면에는 수소가 계속 확산하여 석출되게 되고 수소화물 띠를 형성하게 되는데 이를 수소화물 림(hydride rim)이라고 한다.
수소가 지르코늄 기지 내에 존재하다가 지르코늄-수소화물로 석출되게 될 시 약 17%의 부피팽창이 발생하고 이를 통해 재료 내 많은 응력을 야기하게 된다.
또한 지르코늄-수소화물 자체가 취성을 갖기 때문에 피복관 건전성을 악화시키게 된다.
따라서 이러한 지르코늄-수소화물이 몰려있는 수소화물 림의 경우에는 피복관의 건전성을 크게 악화시킬 수 있다.
현재 국내 사용후핵연료는 포화상태에 다다르고 있으며 당장 원전 해체를 앞둔 상황에서 사용후핵연료의 운반 및 저장은 필수적인 상황이다.
따라서 사용후핵연료 운반 중 피복관의 파손을 예방하기 위해 피복관의 기계적 물성 평가는 매우 중요하나, 실제 사용후핵연료 피복관을 사용한 핫셀 시험은 매우 한정적이기 때문에 이를 대체하기 위해 사용후핵연료 피복관을 모사한 미조사 피복관을 이용한 실험이 필요하며 많이 수행되고 있다.
하지만 대부분의 사용후핵연료 모사 피복관의 경우에는 단순히 수소화 현상만을 모사하여 균일한 수소화물 분포를 갖게 되며, 실제 원자로 가동 중 발생하는 온도구배에 의한 수소화물 림 현상 및 수소화물의 분포를 모사하는 것은 매우 어려운 상황이다.
대한민국 등록특허공보 10-1137699(2012. 4. 25 공고)
본 발명은 실제 원자로 가동 중 온도구배에 의해 발생하는 수소화물 림을 발생시킬 수 있는 장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 모사피복관 제작 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 냉각 기체 순환 및 시편 체결을 위한 챔버 및 시편체결부; 피복관 내 핵연료를 모사하기 위한 카트리지 히터 및 열전대로 구성된 온도 가열 및 측정부; 냉각수를 모사하여 피복관 내외면 온도구배를 만들기 위한 냉각 순환부; 카트리지 히터 및 냉각 순환 기체 유량을 조절하여 피복관 내외면 온도를 조절하는 온도 가열 및 냉각 제어부;를 포함한다.
한편, 피복관 내부 가열 정도와 외부 냉각 기체 순환 정도를 조절하여 피복관 내외면의 온도를 원하는 값으로 설정하는 단계; 수소가 피복관 내부에서 외부로 충분히 확산할 수 있도록 온도구배를 유지시켜주는 단계; 피복관 내 수소화물의 석출을 위한 냉각 단계; 및 시편 탈거 후 수소화물 모폴로지 분석을 통해 수소화물 림 발생여부를 확인하는 단계;를 포함한다.
실제 사용후핵연료 피복관을 이용한 시험 데이터는 얻기가 매우 어려우므로, 사용후핵연료 피복관과 유사한 수소화물 분포를 갖는 미조사 피복관을 제작하여 기계적 물성 시험을 통해 앞으로 닥친 사용후핵연료 취급, 저장 및 운반 과정에서 발생할 수 있는 피복관의 파손 한계를 평가할 수 있다.
또한 피복관의 종류 수소농도, 수소화물의 형태 등을 변수로 피복관 기계적 물성에 대한 데이터베이스를 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 지르코늄 합금 피복관 내외면 온도구배를 이용한 수소화물 림 발생장치의 외관을 보여주는 사시도이다.
도 2와 도 3은 메인 챔버와 테스트 챔버의 연결을 보여주는 상세 구성도이다.
도 4는 테스트 챔버의 내부 구성도이다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이,
본 발명은 메인 챔버(100), 테스트 챔버(200), 메인 히터(110), 카트리지 히터(210) 냉각팬(300), 제어부(400), 배출구(500), 거치대(600)로 구성된다.
메인 챔버(100)는 내부 순환 기체의 온도를 가열할 수 있는 메인 히터(110)를 포함하고 있다.
테스트 챔버(200)는 내부에 테스트 시료를 체결할 수 있는 시료 체결부(도면 미도시);를 포함하고 있으며, 시료의 온도를 가열할 수 있는 카트리지 히터(210);와 시료의 내외부 온도를 측정할 수 있는 열전대(220, 230);를 포함한다.
메인 챔버(100)와 테스트 챔버(200)는 냉각 기체가 원활하게 순환하도록 하부가 연결되어 있다.
냉각팬(300)은 외부의 공기를 메인 챔버(100)의 내부로 공급 순환시켜 준다.
제어부(400)는 메인 히터와 카트리지 히터를 통한 온도 가열 제어와, 냉각팬을 통한 기체의 냉각 제어를 한다.
테스트 챔버에는 순환 기체를 외부로 배출할 수 있도록 배출구(500)를 구비한다.
도 4는 테스트 챔버의 내부 구성을 보여주는 도면이다.
시료인 지르코늄 합금 피복관을 챔버 중앙에 체결하고, 챔버 하단으로 냉각 기체가 들어와 피복관 주위를 순환한 후에 빠져나가며 피복관 외면을 냉각시킨다. 지르코늄 합금 피복관을 가열하기 위한 카트리지 히터 및 피복관 내외면의 온도 측정을 위한 열전대로 구성된다.
테스트 챔버(200)는 시료인 지르코늄 합금 피복관(240)을 테스트 챔퍼(200)의 중앙에 체결할 수 있는 시편 체결부(250)를 포함한다.
또한 피복관 내부의 온도를 가열하기 위한 카트리지 히터(210)를 구비하며, 피복관 내부에 있는 카트리지 히터에 전원이 인가되면 시료인 피복관의 승온이 시작된다.
피복관의 외표면은 피복관 내부의 카트리지 히터의 복사열에 의해 영향을 받아서 온도가 상승한다.
시료인 피복관(240)의 내부 및 외부 표면의 온도를 측정하기 위한 내부 열전대(220) 및 외부 열전대(230)가 구비된다.
내부 열전대(220)는 피복관(240)의 하부측 빈 공간을 통해 삽입되어 카트리지 히터(210)에 의해 승온된 내부 온도를 측정한다.
외부 열전대(230)는 피복관(240)의 외측 표면에 접촉하여 온도를 측정한다.
피복관(240)의 외측 표면은 카트리지 히터(210)의 복사열에 의해 온도가 올라가며, 또한 냉각 기체의 순환에 의해 온도가 내려간다.
피복관(240)의 외측 표면의 온도를 낮추려면 팬(300)을 동작 시켜서 냉각 기체를 순환시키고, 피복관 외표면(240)의 온도를 높이려면 팬(300)과 메인 히터(110)를 동시에 동작시켜서 뜨거운 바람이 흐르도록 한다.
피복관(240) 외측 표면이 설정 온도에 도달하지 않으면 메인 히터(110)의 온도를 높이거나 팬(300)의 속도를 낮춰준다.
테스트 챔버(200) 내를 순환한 기체는 후단부에 부착된 배출구(500)를 통해 배출된다.
본 발명은 테스트를 마친 시료를 테스트 챔버에서 분리하여 배출한다.
테스트 챔버의 볼트와 너트를 분리하고, 상부 플랜지를 수직으로 올려 분리 한다.
바람직하게는 분리한 테스트 챔버를 측면의 거치대(600)에 거치해 놓고, 시편을 교체하는 작업을 할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 작동 절차를 살펴본다.
테스트 챔버에 시편인 지르코늄 피복관을 체결한 후, 피복관 내부에 위치한 카트리지 히터로 피복관 내면을 가열한다. 그리고 팬을 작동하여 메인 챔버 내 기체를 순환시켜 피복관의 외측 표면을 냉각시킨다.
제어부는 열전대에 의하여 피복관 내부와 외측 표면의 온도를 측정하며, 외측 표면의 온도가 너무 낮을 때는 메인 히터를 가동하여 내려간 온도를 보상한다.
또한 바람직하게는 제어부는 피복관 내부 온도, 순환 기체 온도, 팬을 제어하며 테스트 중에 히터 및 팬에 이상이 있을 시 작동하는 경보기(도면 미도시)를 포함한다.
제어부는 피복관 내면의 온도와 외면의 온도를 원하는 값으로 설정할 수 있다.
제어부는 수소가 온도가 높은 피복관 내면에서 상대적으로 온도가 낮은 피복관 외면으로 확산할 수 있도록 충분한 시간동안 온도 구배를 유지시켜 준다.
제어부는 피복관 내 수소화물의 석출을 위해 약 1분당 1도의 속도로 피복관을 냉각시켜준다.
마지막으로 시편 탈거 후 피복관 단면의 수소화물 모폴로지를 분석함으로써 수소화물 림의 발생 여부를 확인할 수 있다.

Claims (6)

  1. 냉각 기체를 순환시키는 메인 챔버;
    시료가 체결되는 테스트 챔버;
    메인 챔버 및 시료를 가열하는 히터;
    시료의 내외면 온도 측정을 위한 열전대;
    공기를 챔버 내부로 순환시켜 시료의 외면 온도를 냉각시키는 팬;
    온도 가열 및 냉각을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 메인 챔버 및 상기 테스트 챔버는 냉각 기체가 원활하게 순환하도록 하부가 연결되어 있으며, 시료를 냉각시킨 후 냉각 기체가 배출될 수 있는 배출구가 상기 테스트 챔버에 더 포함되며,
    상기 히터는 메인 챔버 내의 기체의 온도 조절을 위한 메인 히터와 시료의 내면 온도 가열을 위한 카트리지 히터를 포함하며,
    상기 카트리지 히터의 외경은 시료의 내경보다 작고,
    상기 열전대는 시료의 내부 공간의 온도를 측정하는 내부 열전대;와 외부 표면의 온도를 측정하는 외부 열전대;를 구비하며,
    상기 내부 열전대(220)는 피복관(240)의 하부측 빈 공간을 통해 삽입되어 카트리지 히터(210)에 의해 승온된 내부 온도를 측정하고,
    상기 외부 열전대(230)는 피복관(240)의 외측 표면에 접촉하여 온도를 측정하며,
    상기 피복관(240)의 외측 표면의 온도를 낮추려면 팬(300)을 동작 시켜서 냉각 기체를 순환시키고, 피복관 외표면(240)의 온도를 높이려면 팬(300)과 메인 히터(110)를 동시에 동작시켜서 뜨거운 바람이 흐르도록 하며,
    상기 피복관(240) 외측 표면이 설정 온도에 도달하지 않으면 메인 히터(110)의 온도를 높이거나 팬(300)의 속도를 낮추며,
    상기 제어부는 테스트 중에 히터 혹은 팬에 이상이 발생하는 경우에 경보기를 작동하는 것을 특징으로 하는 수소화물 림 발생장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    테스트 챔버의 시편 교체 작업을 할 수 있도록 분리된 테스트 챔버를 거치하는 측면 거치대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물 림 발생장치.
  6. 수소화물 림 발생장치에 의해 피복관 내외면의 온도를 설정하는 단계;
    수소화물 림 발생장치에 의해 피복관 내외면의 온도 구배를 유지하는 단계;
    수소화물 림 발생장치에 의해 수소화물을 석출하기 위하여 피복관을 냉각하는 단계;
    피복관 단면의 수소화물 모폴로지를 분석하는 단계;를 포함하며,
    상기 온도를 설정하는 단계는,
    테스트 챔버에 시편인 지르코늄 피복관을 체결한 후, 피복관 내부에 위치한 카트리지 히터로 피복관 내면을 가열하고, 팬을 작동하여 메인 챔버 내 기체를 순환시켜 피복관의 외측 표면을 냉각시키고, 제어부는 열전대에 의하여 피복관 내부와 외측 표면의 온도를 측정하며, 피복관 내면의 온도와 외면의 온도를 원하는 값으로 설정하며,
    상기 온도 구배를 유지하는 단계는,
    수소가 온도가 높은 피복관 내면에서 상대적으로 온도가 낮은 피복관 외면으로 확산할 수 있도록 제어부가 온도 구배를 유지하며,
    상기 냉각하는 단계는,
    제어부가 피복관 내 수소화물의 석출을 위해 1분당 1도의 속도로 피복관을 냉각팬에 의해 기체의 냉각 제어를 하고,
    상기 분석하는 단계는,
    시편 탈거 후 피복관 단면의 수소화물 모폴로지를 분석하는 것을 특징으로 하는 피복면의 수소화물 발생 여부를 확인하는 방법
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