KR102494257B1 - 토카막 진공용기 제조방법 - Google Patents

토카막 진공용기 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보다 정밀하게 토카막 진공용기를 제조할 수 있는 토카막 진공용기 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 복수개의 디-쉐입 섹터(D-Shape Sector)가 상호 용접되어 형성되는 토러스 형상의 토카막 진공용기의 상기 디-쉐입 섹터를 제조하는 토카막 진공용기 제조방법에 있어서, 상기 디-쉐입 섹터를 구성하도록 복수개로 분할되어 기 제조된 각 세그먼트의 표면에 복수개의 측정 기준점을 부착하고, 부착된 측정 기준점들을 통해 3차원 측정하는 세그먼트 형상 측정단계; 상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 각 세그먼트 형상측정 결과로서, 가상의 디-쉐입 섹터를 조립하고, 이상적인 디-쉐입 섹터가 조립되기 위한 각 세그먼트의 최종위치를 설정하는 가상 조립단계; 상기 기 제조된 각 세그먼트를 상기 가상 조립단계에서 설정된 각 세그먼트의 최종위치에 따라 조립정반에 위치시키는 세그먼트 위치단계; 상기 세그먼트 위치단계에서 조립정반에 위치된 각 세그먼트를 용접하는 세그먼트 용접단계; 용접 완료된 디-쉐입 섹터를 3차원 측정하여 최종 형상을 확인하는 확인단계;를 포함하는 토카막 진공용기 제조방법이 제공된다.

Description

토카막 진공용기 제조방법{Method for Manufacturing Tokamak vacuum vessel}
본 발명은 토카막 진공용기 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 용접변형을 고려하여 보다 정밀하게 토카막 진공용기를 제조할 수 있는 토카막 진공용기 제조방법에 관한 것이다.
전 지구적 환경오염 및 에너지 문제가 대두됨에 따라 보다 깨끗하고 안전한 에너지를 얻기 위해 핵융합 에너지 개발에 대한 필요성이 커지고 있다.
이러한 핵융합 에너지을 활용하기 위한 핵융합 장치 중 토카막(TOKAMAK)타입의 장치가 실용화 가능성이 가까운 것으로 평가되고 있으며, 이러한 토카막 타입의 핵융합 장치에서 플라즈마를 형성하고 이를 가두기 위한 토카막 진공용기의 정밀 제작은 주요한 기술적 이슈이다.
상기 토카막 장치의 진공용기는 토러스 타입의 3차원 형상으로 이루어지며, 내외부에 여러 부품들과 장치들이 설치 및 접촉됨에 따라 정밀한 제작이 요구된다.
그런데, 이러한 토카막 진공용기는 핵융합 반응에 의한 초고온 플라즈마 생성 및 유지를 위한 고진공 환경 및 안성성 측면에서 사고발생시 1차 밀폐벽 역할을 하므로 열에 강하고 강도가 우수한 특수 스테인레스강 소재가 두껍게 적용된다.
이러한 스테인레스는 일반적으로 용접성이 좋지 않아 특수한 용접이 요구되며, 용접후 후처리를 통한 보정작업이 까다로워 최초 용접할 때 정밀하게 용접해야 할 필요성이 있으며, 이러한 정밀 용접 조립을 위한 방안이 개발되어야 할 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 토카막 진공용기를 보다 정밀하게 제조하기 위한 토카막 진공용기 제조방법을 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 복수개의 디-쉐입 섹터(D-Shape Sector)가 상호 용접되어 형성되는 토러스 형상의 토카막 진공용기의 상기 디-쉐입 섹터를 제조하는 토카막 진공용기 제조방법에 있어서, 상기 디-쉐입 섹터를 구성하도록 복수개로 분할되어 기 제조된 각 세그먼트의 표면에 복수개의 측정 기준점을 부착하고, 부착된 측정 기준점들을 통해 3차원 측정하는 세그먼트 형상 측정단계; 상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 각 세그먼트 형상측정 결과로서, 가상의 디-쉐입 섹터를 조립하고, 이상적인 디-쉐입 섹터가 조립되기 위한 각 세그먼트의 최종위치를 설정하는 가상 조립단계; 상기 기 제조된 각 세그먼트를 상기 가상 조립단계에서 설정된 각 세그먼트의 최종위치에 따라 조립정반에 위치시키는 세그먼트 위치단계; 상기 세그먼트 위치단계에서 조립정반에 위치된 각 세그먼트를 용접하는 세그먼트 용접단계; 용접 완료된 디-쉐입 섹터를 3차원 측정하여 최종 형상을 확인하는 확인단계;를 포함하는 토카막 진공용기 제조방법이 제공된다.,
상기 디-쉐입 섹터를 구성하는 복수개의 세그먼트는, 상기 토카막 진공용기의 센트럴 솔레노이드 구조물 측의 내측면을 형성하는 제1세그먼트; 상기 토카막 진공용기의 상부측면을 형성하는 제2세그먼트; 상기 토카막 진공용기의 외측면을 형성하는 제3세그먼트; 상기 토카막 진공용기의 하부측면을 형성하는 제4세그먼트;를 포함하며, 상기 제1세그먼트의 상단에 상기 제2세그먼트의 상기 센트럴 솔레노이드 구조물을 향하는 측단이 용접되고, 하단에 상기 제4세그먼트의 상기 센트럴 솔레노이드 구조물을 향하는 측단이 용접되며, 상기 제3세그먼트의 상단에 상기 제2세그먼트의 상기 토카막 진공용기의 외측면을 향하는 측단이 용접되고, 하단에 상기 제4세그먼트의 상기 토카막 진공용기의 외측면을 향하는 측단이 용접되어 상기 디-쉐입 섹터를 형성할 수 있다.
상기 세그먼트 형상 측정단계는, 기 제조된 각 세그먼트의 외측, 내측 표면에 복수개의 측정 기준점을 부착하는 기준점 부착단계; 상기 측정 기준점이 부착된 각 세그먼트를 3차원 스캐닝 하여, 부착된 각 측정 기준점의 위치를 획득하여 각 세그먼트의 형상 및 수치를 파악하는 세그먼트 기준점 위치 측정단계;를 포함할 수 있다.
상기 가상 조립단계에서, 상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 결과를 바탕으로 상기 각 세그먼트간의 용접해야 할 부분이 일치되도록 상기 각 세그먼트를 가상으로 배치하되, 각 세그먼트간의 공차 만족도를 고려하여, 각 세그먼트의 위치를 배치하는 제1가상배치 단계; 상기 제1가상배치 단계에서 재배치된 좌표에서, 각 세그먼트간 용접되는 용접부의 용접방식에 따른 허용 가능한 용접갭과 용접수축을 반영한 마진을 적용하여 각 세그먼트의 최종위치를 도출하는 제2가상배치 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1세그먼트와 상기 제2세그먼트 및 제4세그먼트간의 용접부위에는 내측 또는 외측 중 일측에서 용접이 이루어지는 싱글 유(Single-U) 방식의 용접이 이루어지고, 상기 제3세그먼트와 상기 제2세그먼트 및 제4세그먼트간의 용접부위에는 내측과 외측에서 각각 용접이 이루어지는 더블 유(Double-U) 방식의 용접이 이루어질 수 있다.
상기 세그먼트 위치단계는, 조립정반 상에, 상기 가상 조립단계에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치에 따라 상기 각 세그먼트를 배치하는 배치단계; 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트의 측정 기준점의 위치를 3차원 측정하여, 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트가 상기 가상 조립단계에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치와 일치되는지 확인하는 위치 확인단계; 상기 위치 확인단계에서 측정된 위치와 상기 가상 조립단계에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치의 일치 여부에 따라 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트의 위치를 조정하는 위치 조정단계;를 포함할 수 있다.
상기 조립정반 상에 각 세그먼트를 배치할 때, 상기 제2세그먼트 또는 제4세그먼트를 먼저 배치할 수 있다.
상기 세그먼트 용접단계는, 상기 조립정반상에 위치된 각 세그먼트를 순차적으로 용접하는 실 조립단계; 상기 실 조립단계에서, 상기 조립정반에 위치된 각 세그먼트를 순차적으로 용접하면서, 상기 각 세그먼트간의 용접시마다 각 세그먼트에 부착된 측정 기준점을 3차원 측정하여, 상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 해당 측정 기준점의 위치와 비교하여 공차 만족 범위 내에서 일치하는지를 확인하는 용접간 측정단계;를 포함할 수 있다.
상기 세그먼트 용접단계는, 상기 용접간 측정단계에서 측정된 측정 기준점의 위치변화를 실시간으로 측정하여, 상기 용접간 측정단계에서 측정된 측정 기준점의 위치변화량이 수렴되었을 때 각 세그먼트의 용접변화를 방지하는 변형방지지그를 제거하는 시점을 판단하는 지그제거단계를 더 포함할 수 있다.
상기 확인단계는, 상기 제1세그먼트 내지 상기 제4세그먼트가 용접 완료된 디-쉐입 섹터의 각 측정 기준점을 3차원 측정하여 측정된 결과를, 상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 해당 측정 기준점의 위치와 비교하여 상기 디-쉐입 섹터의 최종 형상과 비교하는 단계일 수 있다.
본 발명의 토카막 진공용기 제조방법에 따르면 디-쉐입을 구성하는 각 세그먼트를 3차원측정하고 가상으로 조립하여 용접할 때 용접변형 및 용접갭을 고려하여 최적의 배치를 한 뒤에 용접하므로 보다 정밀한 토카막 진공용기를 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 토러스 형상의 토카막 진공용기를 도시한 사시도;
도 2는 도 1의 토카막 진공용기를 형성하기 위한 디-쉐입 섹터(D-Shape Sector)를 도시한 사시도;
도 3은 도 2의 디-쉐입 섹터를 구성하는 각 세그먼트를 분리하여 도시한 사시도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토카막 진공용기의 제조방법을 도시한 순서도;
도 5는 도 4의 토카막 진공용기의 제조방법을 보다 자세하게 도시한 순서도;
도 6은 도 3의 각 세그먼트 중 제3세그먼트에 측정 기준점을 부착한 상태를 도시한 도면;
도 7은 도 3의 각 세그먼트를 3차원 측정하는 모습을 도시한 도면;
도 8은 도 7에서 측정된 각 세그먼트를 가상 환경에서 가상 조립했을 때 각 세그먼트간 용접부위의 치수의 차이를 도시한 도면;
도 9의 (a)는 도 7에서 측정된 각 세그먼트를 가상의 환경에서 가상 조립한 상태를 도시한 도면이고,
도 9의 (b)는 각 세그먼트가 가상의 환경에서 조립된 후에 각 세그먼트간 미스얼라인먼트 및 공차 만족도를 고려하여 각 세그먼트의 위치를 재배치한 상태를 도시한 도면;
도 10은 각 세그먼트의 용접부위간의 용접방식을 나타낸 도면;
도 11은 각 세그먼트간 세그먼트간 용접되는 용접부간 허용 가능한 용접갭과 용접수축을 반영한 마진을 적용하여 각 세그먼트의 최종위치를 도출한 상태를 도시한 도면;
도 12 및 도 13은 각 세그먼트가 조립정반 상에 배치되었을 때 도 11에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치와의 각 방향별 차이를 비교한 도면;
도 14 및 도 15는 각 세그먼트 일부가 용접완료되었을 때 실제 용접된 디-쉐입 섹터의 각 세그먼트 주요 치수부와 도 7에서 측정된 각 세그먼트의 주요 치수부 측정결과의 각 방향별 차이를 도시한 도면;
도 16 및 도 17은 실제 용접된 디-쉐입 섹터의 각 세그먼트와 도 7에서 측정후 최적화된 각 세그먼트의 측정결과의 각 방향별 차이를 도시한 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 토카막 진공용기의 제조방법에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 토카막 진공용기의 제조방법을 설명하기에 앞서, 본 실시예에 따른 토카막 진공용기의 제조방법에 의해 제조된 토카막 진공용기에 대해서 간략하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 토카막 진공용기(1)는 핵융합 반응에 의한 플라즈마 생성 및 유지를 위한 고진공 환경 제공하며, 중성자 가열에 따른 열회수를 위해서 이중벽 안쪽에 냉각유체가 흐를수 있는 채널 형태가 구성된다.
상기 토카막 진공용기(1)는 '3차원 토러스(torus) 형 구조물'이며 안전성(Safety) 측면에서 예견된 사고시 1차 밀폐벽 역할을 하도록 특수 스테인레스강(316LN-IG) 소재의 수십 mm 두께 (40~60 mm)의 내벽(Inner shell)과 외벽(Outer shell)안에 중성자 차폐를 위해 수백 mm 두께 격벽차폐체를 포함하는 이중격벽 구조로 이루어진다.
이러한 토카막 진공용기(1)는 그 크기가 매우 커서 완성품 형태로 제작후 운반하기 곤란하여 현장에서 조립 및 제작해야 하는데, 상기 토카막 진공용기(1)를 이루는 부품의 운반이 용이하도록, 도 2에 도시된 바와 같은 토카막 진공용기(1)를 중심점으로 일정각도로 분할한 디-쉐입 섹터(10)(D-Shape Sector)가 제작되고, 제작된 디-쉐입 섹터(10)가 복수개 조립되어 토카막 진공용기(1)를 이룰 수 있다.
또한, 상기 디-쉐입 섹터(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 복수개의 세그먼트로 분할되며, 복수개의 세그먼트들이 조립됨으로써 상기 디-쉐입 섹터(10)를 이룰 수 있다.
한편, 상기 토카막 진공용기(1)는 상기 디-쉐입 섹터(10)로 인해 형성된 내부공간에 플라즈마를 형성시키고 가두게 되며, 생성된 플라즈마를 제어하기 위해 토카막 진공용기(1)의 중심부에 상하방향으로 센트럴 솔레노이드 구조물(30)이 배치된다.
본 실시예에서 상기 디-쉐입 섹터(10)는 제1세그먼트(11), 제2세그먼트(12), 제3세그먼트(13) 및 제4세그먼트(14)를 포함하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 제1세그먼트(11)는 상기 토카막 진공용기(1)의 센트럴 솔레노이드 구조물(30) 측의 내측면을 형성한다. 상기 제2세그먼트(12)는 상기 토카막 진공용기(1)의 상부측면을 형성하고, 상기 제3세그먼트(13)는 상기 토카막 진공용기(1)의 외측면을 형성하며, 상기 제4세그먼트(14)는 상기 토카막 진공용기(1)의 하부 측면을 형성한다.
따라서, 상기 제1세그먼트(11) 내지 제4세그먼트(14)가 상호 결합되어 상기 디-쉐입 섹터(10)를 형성하는데, 상기 제1세그먼트(11)의 상단에 상기 제2세그먼트(12)의 상기 센트럴 솔레노이드 구조물(30)을 향하는 측단이 용접되고, 하단에 상기 제4세그먼트(14)의 상기 센트럴 솔레노이드 구조물(30)을 향하는 측단이 용접되며, 상기 제3세그먼트(13)의 상단에 상기 제2세그먼트(12)의 상기 토카막 진공용기(1)의 외측면을 향하는 측단이 용접되고, 하단에 상기 제4세그먼트(14)의 상기 토카막 진공용기(1)의 외측면을 향하는 측단이 용접되어 상기 디-쉐입 섹터(10)를 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 토카막 진공용기(1)의 제조방법은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 세그먼트 형상 측정단계(S110), 가상 조립단계(S120), 세그먼트 위치단계(S130), 세그먼트 용접단계(S140) 및 확인단계(S150)를 포함할 수 있다.
상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)는 상기 디-쉐입 섹터(10)를 구성하도록 복수개로 분할되어 기 제조된 각 세그먼트의 표면에 복수개의 측정 기준점(20)을 부착하고, 부착된 측정 기준점(20)들을 통해 3차원 측정하는 단계로서, 기준점 부착단계(S112) 및 세그먼트 기준점 위치측정단계를 포함할 수 있다.
상기 기준점 부착단계(S112)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 각 세그먼트의 외측, 내측 표면에 복수개의 측정 기준점(20)을 부착하는 단계이다. 본 실시예에서는 도 6에서는 상기 제3세그먼트(13)의 내측 및 외측 표면 및 외측면에 설치된 리브 등에 상기 측정 기준점(20)을 부착하는 것을 예로 들어 도시하였다. 그러나 이에 그치는 것이 아니라 도시된 상기 제2세그먼트(12) 외에도 상기 제1세그먼트(11), 제2세그먼트(12) 및 제4세그먼트(14)에도 동일하게 측정 기준점(20)을 부착한다.
상기 측정 기준점(20)은 다른 구조물과 간섭이 발생되지 않은 위치 및 3차원 측정시 레이저 트레커의 레이저와 간섭이 발생하지 않는 위치에 부착할 수 있다.
또한, 상기 측정 기준점(20)들은 3차원 측정 시 그 측정면을 대표하는 포인트므로, 상기 측정 기준점(20)들이 서로 겹치지 않으며, 측정하고자 하는 측정면에 균일하게 가능한 많은 개소에 부착할 수 있다.
상기 세그먼트 기준점 위치 측정단계(S114)는, 상기 측정 기준점(20)이 부착된 각 세그먼트를 3차원 스캐닝 하여, 부착된 각 측정 기준점(20)의 위치를 획득하여 각 세그먼트의 형상 및 수치를 파악하는 단계이다. 도 7의 a는 상기 제1세그먼트(11)의 측정 기준점(20)을 3차원 스캐닝 하는 모습을 도시한 도면이고, 도 7의 b는 상기 제2세그먼트(12)의 측정 기준점(20)을 3차원 스캐닝 하는 모습을 도시한 도면이며, 도 7의 c는 상기 제3세그먼트(13)의 측정 기준점(20)을 3차원 스캐닝 하는 모습을 도시한 도면이고, 도 7의 d는 상기 제4세그먼트(14)의 측정 기준점(20)을 3차원 스캐닝 하는 모습을 도시한 도면이다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1세그먼트(11) 내지 상기 제4세그먼트(14)의 측정 기준점(20)들을 모두 각각 측정하여, 각 세그먼트의 내측면 및 외측면에 부착된 측정 기준점(20) 위치를 측정함으로써 각 세그먼트의 형상 및 수치에 대한 데이터를 획득할 수 있다.
상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)의 후에는 가상 조립단계(S120)가 수행될 수 있다.
상기 가상 조립단계(S120)는 상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)에서 측정된 각 세그먼트 형상측정 결과로서, 가상의 디-쉐입 섹터(10)를 조립하고, 이상적인 디-쉐입 섹터(10)가 조립되기 위한 각 세그먼트의 최종위치를 설정하는 단계이다.
상기 가상 조립단계(S120)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1가상배치 단계(S122), 및 제2가상배치 단계(S124)를 포함할 수 있다.
상기 제1가상배치 단계(S122)는, 상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)에서 측정된 결과를 바탕으로 상기 각 세그먼트간의 용접해야 할 부분이 일치되도록 상기 각 세그먼트를 배치하여 가상으로 조립하는 단계이다.
즉, 상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)에서 측정된 결과의 각 세그먼트의 형상 데이터를 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 통해 시뮬레이션 하여 도 8에 도시된 바와 같이, 각 세그먼트간 용접할 부분의 치수 현황을 파악할 수 있다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 상호 결합될 상기 제2세그먼트(12)의 내벽과 상기 제3세그먼트(13)의 내벽 등 각 세그먼트들의 용접부위의 수치들을 파악한 뒤에, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 각 세그먼트간의 용접해야 할 부분이 일치되도록 상기 각 세그먼트를 배치하여 가상으로 조립할 수 있다.
그리고, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 각 세그먼트간 미스얼라인먼트(misalignment)를 고려한 용접성 및 공차 만족도를 고려하여 각 세그먼트의 위치를 배치할 수 있다.
이 때, 상기 가상 조립단계(S120)에서는 상기 각 세그먼트들이 실제 조립될 조립정반상의 어느 한 기준점을 기준으로 상기 각 세그먼트들의 가상위치를 계산할 수 있다.
상기 제1가상배치 단계(S122)의 후에는 제2가상배치 단계(S124)가 수행될 수 있다.
상기 제2가상배치 단계(S124)는, 상기 제1가상배치 단계(S122)에서 재배치된 좌표에서, 각 세그먼트간 용접되는 용접부의 용접방식에 따른 허용 가능한 용접갭과 용접수축을 반영한 마진을 적용하여 각 세그먼트의 최종위치를 도출하는 단계이다.
한편, 상기 각 세그먼트들은 용접을 통해 조립되는데, 각 세그먼트들의 용접 부위에 따라 용접방식이 상이할 수 있다.
즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 각 세그먼트간 용접부위에서, 세그먼트의 내측 또는 외측 중 일측에서 용접이 이루어지는 것을 싱글 유(42: Single-U)방식의 용접이라 칭하고, 상기 세그먼트의 내측 및 외측에서 각각 용접이 이루어지는 것을 더블 유(44: Double-U)방식의 용접이라 칭할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1세그먼트(11)와 상기 제2세그먼트(12) 및 제4세그먼트(14)간의 용접부위에는 싱글 유(42) 방식의 용접방식이 적용되고, 상기 제3세그먼트(13)와 상기 제2세그먼트(12) 및 제4세그먼트(14)간의 용접부위에는 더블 유(44) 방식의 용접방식이 적용될 수 있다.
즉, 상대적으로 두께가 얇은 제1세그먼트(11)와 상기 제2세그먼트(12) 및 제4세그먼트(14)간의 용접부위에는 싱글 유(42) 방식의 용접방식이 적용되고, 상대적으로 두께가 두꺼운 상기 제3세그먼트(13)와 상기 제2세그먼트(12) 및 제4세그먼트(14)간의 용접부위에는 더블 유(44) 방식의 용접방식이 적용될 수 있다.
또한, 상기 용접방식에 따라 용접을 위한 용접 홈의 크기 및 형상이 상이하며, 그에 따라 용접갭(gap)을 다르게 설정할 수 있다.
예를 들어, 싱글 유(42) 방식의 용접인 경우, 용접갭을 3mm 정도로 설정할 수 있고, 더블 유(44) 방식의 용접인 경우, 용접갭을 4mm 정도로 설정할 수 있다.
따라서, 상기 제2가상배치 단계(S124)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 실제 디-쉐입 섹터(10)의 조립을 위해 용접이 이루어지는 각 세그먼트 간 용접부의 용접 수축 및 변형을 고려한 마진 및 각 세그먼트간 용접부의 용접방식에 따른 허용가능한 용접갭을 반영하여 각 세그먼트의 최종위치를 도출할 수 있다.
즉, 실제 디-쉐입 섹터(10)를 이상적으로 조립하기 위해서 각 세그먼트가 실제 조립정반위에 배치되어야 할 최종위치를 상기 제2가상배치 단계(S124)에서 도출하는 것이다.
상기 가상 조립단계(S120)에서, 각 세그먼트의 최종 위치가 도출된 후에는 세그먼트 위치단계(S130)가 수행될 수 있다.
상기 세그먼트 위치단계(S130)는 상기 기 제조된 각 세그먼트를 상기 가상 조립단계(S120)에서 설정된 각 세그먼트의 최종위치에 따라 조립정반에 위치시키는 단계이다.
상기 세그먼트 위치단계(S130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 배치단계(S132), 위치 확인단계(S134), 위치 조정단계(S136)를 포함할 수 있다.
상기 배치단계(S132)는, 상기 디-쉐입 섹터(10)를 조립하기 위한 조립정반 상에 상기 가상 조립단계(S120)에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치에 따라 상기 각 세그먼트를 배치하는 단계이다.
상기 배치단계(S132)에서, 상기 조립정반 상에 각 세그먼트를 배치할 때, 상기 복수개의 세그먼트 중 곡률이 큰 세그먼트인 제2세그먼트(12) 또는 제4세그먼트(14)를 먼저 배치할 수 있다. 이는, 곡률이 클수록 정확한 위치에 안착시키기 위한 미세조정횟수가 많을 수 있으므로 조정의 자유도를 보다 향상시키기 위함이다. 따라서, 상기 제2세그먼트(12) 또는 제4세그먼트(14)를 먼저 배치한 뒤에 상기 제3세그먼트(13)를 배치하고, 그 뒤에 제1세그먼트(11)를 배치할 수 있다.
상기 위치 확인단계(S134)는, 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트의 측정 기준점(20)의 위치를 3차원 측정하여, 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트가 상기 가상 조립단계(S120)에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치와 일치되는지 확인하는 단계이다.
즉, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 위치 확인단계(S134)를 통하여, 실제 배치된 각 세그먼트의 위치와 상기 가상 조립단계(S120)에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치를 비교하여, 어느 세그먼트가 어느방향으로 얼마만큼 위치 차이가 있는지를 확인할 수 있다.
예를 들어 설명하자면, 도 12에 도시된 바와 같이, Z방향(좌우방향)으로, 제1세그먼트(11)는 각 측정 기준점(20)의 위치가 평균적으로 0.1mm 차이났고, 제2세그먼트(12)는 각 측정 기준점(20)의 위치가 평균적으로 1.1mm 우측으로 위치되었으며, 제3세그먼트(13)는 각 측정 기준점(20)의 위치가 평균적으로 0.9mm 우측으로 위치되었으며, 제4세그먼트(14)는 각 측정 기준점(20)의 위치가 평균적으로 1.5mm 좌측으로 위치되었음을 알 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제1세그먼트(11)는 Y방향(즉 상하방향)으로 각 측정 기준점(20)의 위치가 평균적으로 1.5mm 정도 상측에 위치되었고, 제2세그먼트(12)의 경우, 각 측정 기준점(20)의 위치가 평균적으로 0.9mm 정도 하측에 위치되었으며, 제3세그먼트(13)는 평균 0.4mm, 제4세그먼트(14)는 1.5mm 정도 하측에 위치되었음을 확인할 수 있다.
비록 도면에 도시하지는 않았으나, X방향(전후방향)으로도 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트가 상기 가상 조립단계(S120)에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치를 비교할 수 있을 것이다.
상기 위치 조정단계(S136)는, 상기 위치 확인단계S134)에서 측정된 위치와 상기 가상 조립단계(S120)에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치의 일치 여부에 따라 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트의 위치를 조정하여, 상기 최종위치에 오차범위내로 일치하도록 재조정하는 단계이다.
상기 위치 확인단계S134) 및 위치 조정단계(S136)는 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트의 위치가 상기 가상 조립단계(S120)에서 도출된 각 세그먼트의 최종위치에 일치될때 까지 반복할 수 있다.
상기 세그먼트 위치단계(S130) 후에는 상기 세그먼트 용접단계(S140)가 수행될 수 있다. 상기 세그먼트 용접단계(S140)는 상기 세그먼트 위치단게에서 조립정반에 위치된 각 세그먼트를 실제 용접하는 단계이다.
상기 세그먼트 용접단계(S140)는, 실 조립단계(S142) 및 용접간 측정단계(S144)를 포함할 수 있다.
상기 실 조립단계(S142)는, 상기 조립정반상에 위치된 각 세그먼트간의 용접부위를 순차적으로 용접하는 단계이다.
그리고, 상기 용접간 측정단계(S144)는, 상기 실 조립단계(S142)에서, 상기 조립정반에 위치된 각 세그먼트를 순차적으로 용접하면서, 상기 각 세그먼트간의 용접시마다 각 세그먼트에 부착된 측정 기준점(20)을 3차원 측정하여, 상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)에서 측정된 해당 측정 기준점(20)의 위치와 비교하여 공차 만족 범위 내에서 일치하는지를 확인하는 단계이다.
즉, 각 세그먼트간의 용접을 진행하면서 각 세그먼트의 용접부의 용접 중 주요 용접부위 또는 주요 단계별로 용접간 측정단계(S144)를 수행할 수 있다.
예를 들어, 상호 용접되는 두 세그먼트의 용접 진행 중, 내측면 용접이 완료되었거나, 외측면 용접 또는 T형태의 리브 등의 용접을 완료 했을 때 마다 상기 용접간 측정단계(S144)를 수행하여, 최초 설계시의 데이터의 해당 지점의 위치를 비교하여 해당 측정 기준점(20)의 위치 변화량 및 주요 부위의 치수 현황을 파악함으로써, 용접이 정확하게 이루어지고 있는지를 파악할 수 있다.
도 14는 상기 제1세그먼트(11)의 다른 부품과 결합되는 주요 치수부의 위치를 측정한 결과이다.
상기 토카막 진공용기(10)에는 고온의 플라즈마로부터 상기 토카막 진공용기(10)를 보호하기 위한 담요 구실을 하는 블랑켓 및 플라즈마 페이싱 콤포넌트 등의 다른 부품들이 장착되는데, 상기 제1세그먼트(11) 내지 제4세그먼트(14)에 상기 다른 부품들이 장착되기 위한 플랙시블 서포트 및 상기 플랙시블 서포트가 장착되는 하우징이 결합되는 조립부가 형성될 수 있다.
즉, 도 14는 상기 제1세그먼트의 조립부가 위치되는 주요 치수부의 위치를 측정한 결과이다. 상기 측정한 결과는 상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)에서 측정된 상기 주요 치수부 데이터와 최초 설계시의 데이터를 비교하여 실제 만들어진 세그먼트의 주요 치수부가 x,y,z 방향으로 얼마만큼의 위치 이동이 발생하였는지를 나타낸다.
따라서, 도 14에 도시된 바와 같은 제1세그먼트(11)의 다른 부품과 결합되는 주요 치수부의 위치측정 결과를 전술한 세그먼트 용접간 측정단계(S114)에서 측정된 해당 측정 기준점(20)을 활용하여 용접되었을 때, 해당 세그먼트가 얼마만큼의 변형이 발생되었는지를 확인할 수 있다.
또한, 도 15는 이너 쉘과 T 리브 및 아우터 쉘의 총 3단계 용접 과정 중 중 약 50% 용접 완료시(이너 쉘 용접 및 T 리브의 절반 용접)의 상기 제1세그먼트(11)의 용접간 측정결과를 도시하였다.
도 15는 상기 용접간 측정단계(S144)에서 측정된 제1세그먼트(11)의 각 측정 기준점(20)의 위치를 세그먼트 형상 측정단계(S110)에서 측정된 결과에 대표 기준점을 일치시키는 방법으로 옮겨 비교하여 다른 부품과 조립이 이루어지는 주요 치수부가 상기 제1세그먼트(11)가 제작완료 되었을 때 보다 얼마만큼 이동되었는지를 확인할 수 있으며, 이러한 비교를 통해 다른 부품과 조립이 이루어지는 주요 치수부의 공차 만족 범위 내에서 일치하는지의 여부를 확인할 수 있다.
따라서, 상기 용접간 측정단계(S144)에서 측정된 변형량이 공차 만족 범위 내에서 일치되는 경우 후속 용접을 예정된 대로 진행하며, 상기 용접간 측정단계(S144)에서 측정된 변형량이 공차 만족 범위를 벗어나는 경우, 후속 용접시 용접 방법을 달리하는 등의 후속조치를 강구한 후 용접을 진행할 수 있다.
또한, 상기 세그먼트 용접단계(S140)는, 지그제거단계(S146)를 더 포함할 수 있다. 상기 지그제거단계(S146)는, 상기 용접간 측정단계(S144)에서 측정된 측정 기준점(20)의 위치변화를 실시간으로 측정하여, 상기 용접간 측정단계(S144)에서 측정된 측정 기준점(20)의 위치변화량이 수렴되었을 때 각 세그먼트의 용접변화를 방지하는 변형방지지그를 제거하는 시점을 판단하는 단계이다.
즉, 상기 조립정반 상에 각 세그먼트를 배치할 때, 각 세그먼트의 용접변화를 방지하는 변형방지지그를 장착할 수 있는데, 상기 용접간 측정단계(S144)에서 측정된 측정 기준점(20)의 위치변화를 실시간으로 측정하여, 상기 용접간 측정단계(S144)에서 측정된 측정 기준점(20)의 위치변화량이 수렴된 경우, 즉 더 이상의 변화가 측정되지 않은 경우, 상기 변형방지지그를 제거하는 것이다.
이와 같이 상기 세그먼트 용접단계(S140)가 완료된 후에는 확인단계(S150)가 수행될 수 있다.
상기 확인단계(S150)는, 용접 완료된 디-쉐입 섹터(10)를 3차원 측정하여 최종 형상을 확인하는 단계이다.
즉, 용접 완료된 디-쉐입 섹터(10)의 각 측정 기준점(20)을 3차원 측정하고, 이를 상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)의 상기 세그먼트 기준점 위치 측정단계(S114)에서 측정 기준점(20)의 위치와 비교하여, 얼마만큼의 위치변화가 있는지를 판단하는 것이다.
이 때, 상기 세그먼트 형상 측정단계(S110)에서 측정된 각 세그먼트의 형상을 가상으로 조립하였을 때(즉, 이상적인 상태로 용접된 가상의 디-쉐입 섹터(10)의 각 측정 기준점(20)의 위치) 상기 해당 세그먼트의 측정 기준점(20)과 상기 확인단계(S150)에서 측정한 디-쉐입 섹터(10)의 측정 기준점(20)의 위치를 방향별로 비교할 수 있다.
예를 들어 도 15에 도시된 바와 같이, Z방향(좌우방향)으로 상기 제1세그먼트(11)는 평균적으로 좌측으로 0.9mm이동되었고, 제2세그먼트(12)는 평균적으로 좌측으로 2.5mm 이동되었으며, 제3세그먼트(13)는 평균적으로 우측으로 0.9mm이동되었으며, 제4세그먼트(14)는 평균적으로 우측으로 2.3mm 이동되었음을 알 수 잇다.
또한 도 16에 도시된 바와 같이, Y방향(상하방향)으로 상기 제1세그먼트(11)는 평균적으로 상측으로 1.5mm 이동되었고, 제2세그먼트(12)는 하측으로 평균적으로 1.0mm 이동되었으며, 제3세그먼트(13)는 하측으로 평균적으로 0.4mm 이동되었고, 제4세그먼트(14)는 평균적으로 하측으로 1.8 이동되었음을 알 수 있다.
또한 도면에 도시하지는 않았지만, X방향(전후방향)으로도 비교할 수 있다.
따라서, 각 방향별로 실제 용접 조립된 디-쉐입 섹터(10)의 각 부분이 허용되는 공차 만족도를 만족하도록 용접 조립되었는지를 바로 판단 할 수 있어 양품 또는 불량품인지를 바로 판단할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
1 토카막 진공용기 10 디-쉐입 섹터
11 제1세그먼트 12 제2세그먼트
13 제3세그먼트 14 제4세그먼트
20 측정 기준점
30 센트럴 솔레노이드 구조물
42 싱글 유 44 더블 유
S110 세그먼트 형상 측정단계
S112 기준점 부착단계
S114 세그먼트 기준점 위치 측정단계
S120 가상 조립단계 S122 제1가상배치 단계
S124 제2가상배치 단계 S130 세그먼트 위치단계
S132 배치단계 S134 위치 확인단계
S136 위치 조정단계 S140 세그먼트 용접단계
S142 실 조립단계 S144 용접간 측정단계
S146 지그제거단계 S150 확인단계

Claims (10)

  1. 복수개의 디-쉐입 섹터(D-Shape Sector)가 상호 용접되어 형성되는 토러스 형상의 토카막 진공용기의 상기 디-쉐입 섹터를 제조하는 토카막 진공용기 제조방법에 있어서,
    상기 디-쉐입 섹터를 구성하도록 복수개로 분할되어 기 제조된 각 세그먼트의 표면에 복수개의 측정 기준점을 부착하고, 부착된 측정 기준점들을 통해 3차원 측정하는 세그먼트 형상 측정단계;
    상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 상기 각 세그먼트 형상측정 결과로서, 가상의 디-쉐입 섹터를 조립하고, 이상적인 디-쉐입 섹터가 조립되기 위한 각 세그먼트의 최종위치를 설정하는 가상 조립단계;
    상기 기 제조된 각 세그먼트를 상기 가상 조립단계에서 설정된 각 세그먼트의 최종위치에 따라 조립정반에 위치시키는 세그먼트 위치단계;
    상기 세그먼트 위치단계에서 조립정반에 위치된 각 세그먼트를 용접하는 세그먼트 용접단계;
    용접 완료된 디-쉐입 섹터를 3차원 측정하여 최종 형상을 확인하는 확인단계;
    를 포함하고,
    상기 디-쉐입 섹터를 구성하는 복수개의 세그먼트는,
    상기 토카막 진공용기의 센트럴 솔레노이드 구조물 측의 내측면을 형성하는 제1세그먼트;
    상기 토카막 진공용기의 상부측면을 형성하는 제2세그먼트;
    상기 토카막 진공용기의 외측면을 형성하는 제3세그먼트;
    상기 토카막 진공용기의 하부측면을 형성하는 제4세그먼트;
    를 포함하며,
    상기 제1세그먼트의 상단에 상기 제2세그먼트의 상기 센트럴 솔레노이드 구조물을 향하는 측단이 용접되고, 하단에 상기 제4세그먼트의 상기 센트럴 솔레노이드 구조물을 향하는 측단이 용접되며,
    상기 제3세그먼트의 상단에 상기 제2세그먼트의 상기 토카막 진공용기의 외측면을 향하는 측단이 용접되고, 하단에 상기 제4세그먼트의 상기 토카막 진공용기의 외측면을 향하는 측단이 용접되어 상기 디-쉐입 섹터를 형성하는 토카막 진공용기 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세그먼트 형상 측정단계는,
    상기 기 제조된 각 세그먼트의 외측, 내측 표면에 복수개의 측정 기준점을 부착하는 기준점 부착단계;
    상기 측정 기준점이 부착된 각 세그먼트를 3차원 스캐닝 하여, 부착된 각 측정 기준점의 위치를 획득하여 각 세그먼트의 형상 및 수치를 파악하는 세그먼트 기준점 위치 측정단계;
    를 포함하는 토카막 진공용기 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가상 조립단계에서,
    상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 결과를 바탕으로 상기 각 세그먼트간의 용접해야 할 부분이 일치되도록 상기 각 세그먼트를 가상으로 배치하되, 상기 각 세그먼트간의 공차 만족도를 고려하여, 상기 각 세그먼트의 위치를 배치하는 제1가상배치 단계;
    상기 제1가상배치 단계에서 재배치된 좌표에서, 상기 각 세그먼트간 용접되는 용접부의 용접방식에 따른 허용 가능한 용접갭과 용접수축을 반영한 마진을 적용하여 각 세그먼트의 최종위치를 도출하는 제2가상배치 단계;
    를 포함하는 토카막 진공용기 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1세그먼트와 상기 제2세그먼트 및 제4세그먼트간의 용접부위에는 내측 또는 외측 중 일측에서 용접이 이루어지는 싱글 유(Single-U) 방식의 용접이 이루어지고,
    상기 제3세그먼트와 상기 제2세그먼트 및 제4세그먼트간의 용접부위에는 내측과 외측에서 각각 용접이 이루어지는 더블 유(Double-U) 방식의 용접이 이루어지는 토카막 진공용기 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세그먼트 위치단계는,
    조립정반 상에, 상기 가상 조립단계에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치에 따라 상기 각 세그먼트를 배치하는 배치단계;
    상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트의 측정 기준점의 위치를 3차원 측정하여, 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트가 상기 가상 조립단계에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치와 일치되는지 확인하는 위치 확인단계;
    상기 위치 확인단계에서 측정된 위치와 상기 가상 조립단계에서 확정된 각 세그먼트의 최종위치의 일치 여부에 따라 상기 조립정반 상에 배치된 각 세그먼트의 위치를 조정하는 위치 조정단계;
    를 포함하는 토카막 진공용기 제조방법.
  7. 제6항에 있어서
    상기 조립정반 상에 각 세그먼트를 배치할 때, 상기 제2세그먼트 또는 제4세그먼트를 먼저 배치하는, 토카막 진공용기 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세그먼트 용접단계는,
    상기 조립정반상에 위치된 각 세그먼트를 순차적으로 용접하는 실 조립단계;
    상기 실 조립단계에서, 상기 조립정반에 위치된 각 세그먼트를 순차적으로 용접하면서, 상기 각 세그먼트간의 용접시마다 각 세그먼트에 부착된 측정 기준점을 3차원 측정하여, 상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 해당 측정 기준점의 위치와 비교하여 공차 만족 범위 내에서 일치하는지를 확인하는 용접간 측정단계;
    를 포함하는, 토카막 진공용기 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세그먼트 용접단계는,
    상기 용접간 측정단계에서 측정된 측정 기준점의 위치변화를 실시간으로 측정하여, 상기 용접간 측정단계에서 측정된 측정 기준점의 위치변화량이 수렴되었을 때 각 세그먼트의 용접변화를 방지하는 변형방지지그를 제거하는 시점을 판단하는 지그제거단계를 더 포함하는, 토카막 진공용기 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 확인단계는,
    상기 제1세그먼트 내지 상기 제4세그먼트가 용접 완료된 디-쉐입 섹터의 각 측정 기준점을 3차원 측정하여 측정된 결과를,
    상기 세그먼트 형상 측정단계에서 측정된 해당 측정 기준점의 위치와 비교하여 상기 디-쉐입 섹터의 최종 형상과 비교하는 단계인, 토카막 진공용기 제조방법.
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