KR102580671B1 - 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템 - Google Patents

와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핵연료봉 표면과 접촉하지 않은 상태에서 고속으로 핵연료봉의 직경을 측정할 수 있도록 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템에 관한 것으로, 본체에 장착되는 코일부가 핵연료봉 표면과 접촉하지 않고 일정 간격이 있는 상태에서 고속으로 핵연료봉의 직경을 측정할 수 있어, 검사속도를 획기적으로 단축할 수 있으며 기존 LVDT 기술에 비해 검사정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템{Diameter Measurement System of Nuclear Fuel Rod by Eddy Current Technique}
본 발명은 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료봉 표면과 접촉하지 않은 상태에서 고속으로 핵연료봉의 직경을 측정할 수 있도록 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템에 관한 것이다.
원자력 발전소는 원자로 핵연료집합체를 구성하는 각 핵연료봉에 장입된 우라늄의 핵분열이 일어나면서 생성되는 열에너지를 이용하여 냉각수를 가열하고, 가열된 냉각수가 고온고압의 수증기로 바뀌게 되고, 이 수증기를 이용하여 전기를 생산한다. 이러한 핵연료집합체를 구성하는 핵연료봉은 우라늄 펠렛의 부풀음에 의하여 핵연료봉의 직경에 변화가 발생되기도 한다. 그리고 핵연료봉의 직경이 변화되면 핵분열 변화가 발생하고, 이는 원자로 열출력과 운전 여유도가 변하게 되어 궁극적으로는 핵연료의 연소성능이 저하되는 원인이 되기도 한다.
이에 따라 종래에는 선형가변변위변환기(Linear Variable Differential Transformer, LVDT)를 이용하여 핵연료봉의 직경이 변화되었는지 여부를 검사하도록 하였다. 그런데 종래 LVDT 센서는 핵연료봉 표면에 반드시 접촉시켜서 LVDT 센서가 핵연료봉 표면을 따라(surface riding) 스캔하도록 구성되므로, 검사속도가 느리고 정확도가 상대적으로 미흡한 문제점이 있다.
한편, 비파괴검사는 검사대상 피검체를 분해 또는 파괴하지 않고 표면을 포함한 내부 구조나 특성을 검사하여 피검체의 건전성 또는 향후 계속 사용 여부를 결정하기 위한 기술로서 원자력발전소를 포함한 중요 산업분야에서 필수적인 기술이다. 특히 원자력발전소는 산업분야 특성상 제품의 품질과 안전성을 크게 요구하고 있기 때문에 비파괴검사 기술의 중요성이 크게 부각되고 있다.
비파괴검사는 제품의 공장제작, 원소재검사, 가동중검사, 재료물성검사 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 원자력안전법, 산업안전법 등의 안전에 관한 법령에서 규정한 국가 중요 설비, 기기, 구조물은 공장제작 또는 사용 중(가동 중)에 산업기술기준 또는 산업표준에 따른 적합한 비파괴검사를 통해 결함의 유무를 확인하는 것이 필수이다.
비파괴검사 방법은 피검체의 외부 표면상태를 검사하기 위한 표면검사법(surface methods)과 피검체의 외면을 포함한 내부까지 검사가 가능한 체적검사법(volumetric methods)으로 대분하여 적용되고 있다. 표면검사법으로는 와전류검사(eddy current testing), 침투검사(liquid penetrant testing), 자분검사(magnetic particle testing) 기술 등이 있다. 체적검사법으로는 초음파검사(ultrasonic testing), 방사선투과검사(radiographic testing), 음향방출검사(acoustic emission testing) 기술 등이 있다. 그밖에 누설검사(leak testing) 기술 등이 산업분야에 적용되고 있다. 이 중 와전류검사는 피검체의 표면을 검사하기 위한 표면검사 방법에 속한다. 와전류검사는 전자기유도를 이용하여 피검체에 발생할 수 있는 결함을 검출하기 위한 비파괴검사 기술로서 원자력발전소의 핵연료봉의 직경 변화를 검사하기 위한 매우 중요한 기술이다.
본 발명은 이러한 와전류검사를 이용하여 기존에 핵연료봉 직경 측정에 적용 중인 LVDT 기술을 비파괴검사 기술로 대체할 수 있도록 한 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템에 관한 것이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0597725호
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 핵연료봉 표면과 접촉하지 않은 상태에서 고속으로 핵연료봉의 직경을 측정할 수 있도록 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원자로 핵연료집합체를 구성하는 핵연료봉의 직경을 검출하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템에 있어서,핵연료봉의 외주연 일측과 이격되도록 배치되는 제 1 지지부와, 핵연료봉의 외주연 타측과 이격되도록 배치되는 제 2 지지부와, 상기 제 1 지지부와 상기 제 2 지지부를 연결하는 연결부를 갖는 본체; 상기 제 1 지지부에 장착되며 전자기장을 발생하는 제 1 코일부와, 상기 제 2 지지부에 장착되며 전자기장을 발생하는 제 2 코일부를 갖는 코일부재; 및 상기 제 1 코일부 및 상기 제 2 코일부와 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부가 발생하는 전자기장과 핵연료봉의 간격 변화에 따른 코일 임피던스 변화값을 이용하여 핵연료봉의 직경을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제 1 지지부 및 상기 제 2 지지부는 각각 판형으로 형성되고, 상기 제 1 지지부 및 상기 제 2 지지부의 길이방향 일측이 핵연료봉의 길이방향과 크로스되도록 배치되고, 상기 제 1 코일부 및 상기 제 2 코일부는 상호 마주보는 상기 제 1 지지부 및 상기 제 2 지지부의 길이방향 일측 내부에 각각 삽입되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제 1 지지부의 내부에 상기 제 1 코일부가 삽입되도록 제 1 삽입홈이 형성되고, 상기 제 2 지지부의 내부에 상기 제 2 코일부가 삽입되도록 제 2 삽입홈이 형성되고, 상기 제 1 삽입홈 및 상기 제 2 삽입홈에 상기 제 1 코일부 및 상기 제 2 코일부가 삽입되면, 상기 제 1 삽입홈 및 상기 제 2 삽입홈으로 열경화성 수지가 충진되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공한다.
또한, 상기 본체는 스테인리스강 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부의 일측은 상기 제어부와 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부의 타측은 상호 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제 1 코일부의 일측과 상기 제어부를 전기적으로 연결하도록 상기 제 1 지지부의 일측과 상기 연결부의 일측을 따라 일체로 배치되는 제 1 전선부와, 상기 제 2 코일부의 일측과 상기 제어부를 전기적으로 연결하도록 상기 제 2 지지부의 일측과 상기 연결부의 타측을 따라 일체로 배치되는 제 2 전선부와, 상기 제 1 코일부의 타측과 상기 제 2 코일부의 타측을 직렬로 연결하도록 상기 제 1 지지부의 타측과 상기 연결부의 내부와 상기 제 2 지지부의 타측을 따라 일체로 배치되는 제 3 전선부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제 1 지지부의 내부 길이방향을 따라 제 1 전선안내홈이 형성되고, 상기 제 2 지지부의 내부 길이방향을 따라 제 2 전선안내홈이 형성되고, 상기 제 1 전선안내홈의 일측 및 타측에 상기 제 1 전선부와 상기 제 3 전선부의 일측이 삽입되고, 상기 제 2 전선안내홈의 일측 및 타측에 상기 제 2 전선부와 상기 제 3 전선부의 타측이 삽입되면, 상기 제 1 전선안내홈 및 상기 제 2 전선안내홈으로 열경화성 수지가 충진되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 제공한다.
본 발명은 상호 마주보는 제 1 지지부와 제 2 지지부의 일측에 제 1 코일부와 제 2 코일부가 각각 배치되므로, 제 1 코일부와 제 2 코일부 사이로 핵연료봉의 외주연 일측과 타측이 용이하게 안내되는 효과가 있다.
또한, 제 1, 2 코일부가 핵연료봉의 양측과 마주보도록 배치되므로, 제 1, 2 코일부와 핵연료봉 사이의 간격을 용이하게 산출할 수 있고, 이를 이용하여 최종적으로 핵연료봉의 직경을 용이하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제 1, 2 코일부가 핵연료봉 표면과 접촉하지 않고 일정 간격이 있는 상태에서 고속으로 핵연료봉 사이의 간격을 측정할 수 있어, 검사속도를 획기적으로 단축할 수 있으며 기존 LVDT 기술에 비해 검사정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 전자기유도방식으로 제 1, 2 코일부와 핵연료봉 표면 사이에 간격(lift-off)이 있는 상태에서 측정이 가능하기 때문에 핵연료봉 표면과 제 1, 2 코일부의 접촉이 필요 없는 비접촉 방식으로 측정이 가능하므로, 측정 속도와 정확도가 기존보다 10배 이상 향상되는 효과가 있다.
또한, 제 3 전선부를 이용하여 제 1 코일부와 제 2 코일부를 직렬로 연결하게 되면, 오옴의 법칙에 의하여 제 1 코일부와 제 2 코일부의 임피던스변화가 합산되므로 제 1 코일부와 제 2 코일부가 병렬로 연결되는 것에 비해 임피던스 변화량, 즉 감도가 약 2배 이상 상승되는 효과가 있다.
또한, 제 1, 2 코일충진부는 제 1, 2 지지부가 핵연료봉 주변으로 이동되는 도중 제 1, 2 삽입홈에 삽입된 제 1, 2 코일부가 제 1, 2 지지부에서 이탈되거나 임의로 이동되지 않도록 견고하게 고정시키는 효과가 있다. 또한, 제 1, 2 코일충진부는 제 1, 2 삽입홈을 방수시키도록 구성되므로, 제 1, 2 코일부로 냉각수 등의 수분이 침투할 수 없도록 하는 효과가 있다.
또한, 제 1, 2 전선충진부는 제 1, 2 3 전선부가 제 1, 2 전선안내홈에 견고하게 고정되도록 하는 효과가 있다. 또한, 제 1, 2 전선충진부는 제 1, 2 전선안내홈을 방수시키도록 구성되므로, 제 1, 2, 3 전선부로 냉각수 등의 수분이 침투할 수 없도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A' 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전선부재가 제 1 코일부와 제 2 코일부를 직렬로 연결한 상태를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 2의 B-B' 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 2의 C-C' 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6는 도 2의 D-D' 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템의 전체 구성도를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템의 제 1, 2 지지부 사이에 핵연료봉이 위치된 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료봉의 직경 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디스플레이부에 출력되는 시간에 따른 전압 크기를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디스플레이부에 출력되는 간격에 따른 전압 크기를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 코일부와 핵연료봉 사이 간격변화 검출 기본원리를 설명하기 위한 임피던스 평면선도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 A-A' 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템은 예를 들면 원자로 핵연료집합체를 구성하는 핵연료봉(10)의 직경을 검출하기 위한 것으로, 본체(100), 전선부재(300), 코일부재(200) 및 제어부(400)를 포함한다.
본체(100)는 핵연료봉(10)의 외주연 일측과 이격되도록 배치되는 제 1 지지부(102)와, 핵연료봉(10)의 외주연 타측과 이격되도록 배치되는 제 2 지지부(104)와, 제 1 지지부(102)와 제 2 지지부(104)를 연결하는 연결부(106)와, 연결부(106)의 중앙에 제 1, 2 지지부(102, 104)에서 멀어지도록 연장 형성되는 연장부(108)를 포함한다. 제 1 지지부(102)와 제 2 지지부(104)는 상호 마주보도록 배치되고, 이들 제 1, 2 지지부(102, 104) 사이에 핵연료봉(10)이 배치된다. 이러한 제 1 지지부(102) 및 제 2 지지부(104)는 상호 대칭되도록 형성되므로, 도 2는 제 1 지지부(102)와 제 2 지지부(104)를 동시에 설명하도록 도시되었음을 첨언한다.
제 1 지지부(102) 및 제 2 지지부(104)는 각각 판형으로 형성되며, 예를 들면 직육면체, 칼날 형태(blade type) 등으로 길게 형성되며, 두께 약 2㎜, 길이 약 25㎜의 판재로 형성될 수도 있다. 그리고 제 1 지지부(102) 및 제 2 지지부(104)의 일측이 핵연료봉(10)의 양측에 배치되는데, 이때, 제 1 지지부(102) 및 제 2 지지부(104)의 길이방향 일측이 핵연료봉(10)의 길이방향과 크로스되도록 배치될 수 있다.
그리고 제 1 지지부(102)의 내부 일측에는 후술하는 제 1 코일부(202)가 삽입되도록 제 1 삽입홈(110)이 형성되고, 제 1 삽입홈(110)과 마주보는 제 2 지지부(104)의 내부 일측에는 후술하는 제 2 코일부(204)가 삽입되도록 제 2 삽입홈(115)이 형성되어, 핵연료봉(10)으로 제 1, 2 코일부(202, 204)를 안내할 수 있다.
이처럼 본 발명은 상호 마주보는 제 1 지지부(102)와 제 2 지지부(104)의 일측에 제 1 코일부(202)와 제 2 코일부(204)가 각각 배치되므로, 제 1 코일부(202)와 제 2 코일부(204) 사이로 핵연료봉(10)의 외주연 일측과 타측이 용이하게 안내되는 효과가 있다. 그리고 제 1, 2 코일부(202, 204)가 핵연료봉(10)의 양측과 마주보도록 배치되므로, 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 사이의 간격을 용이하게 산출할 수 있고, 이를 이용하여 최종적으로 핵연료봉(10)의 직경을 용이하게 산출할 수 있는 효과가 있다.
연장부(108)는 길이방향을 따라 긴 형상으로 형성되며 손잡이 역할을 할 수 있다. 그리고 연장부(108)에는 커넥터(150) 및 동축케이블(160)이 차례로 연결되고, 동축케이블(160)에는 제어부(400)가 연결된다. 커넥터(150)는 전선부재(300)와 동축케이블(160)을 연결하기 위한 것으로 방수 커넥터로 구성될 수 있다. 동축케이블(160)은 일정 길이로 길게 형성되어 외부의 제어부(400)와 연결되며, 방수 재질로 형성될 수 있다.
한편, 본체(100)는 스테인리스강 판재 등으로 형성될 수 있다. 특히, 본체(100)의 재질은 보론수에 내부식성이 높은 스테인리스강으로 한정하고, 스테인리스강은 핵연료봉(10) 주변으로 삽입시 떨림이 없는 고강성을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 핵연료집합체가 장전되는 원자로 내부는 냉각수(보론 희석수, 약 2,000ppm))가 충전되어 운전되기 때문에 본체(100)의 재질을 부식성이 높은 단순 스틸(탄소강)을 사용할 수 없기 때문이다.
코일부재(200)는 제 1 지지부(102)의 제 1 삽입홈(110)에 삽입되며 전자기장을 발생하는 제 1 코일부(202)와, 제 2 지지부(104)의 제 2 삽입홈(115)에 삽입되며 전자기장을 발생하는 제 2 코일부(204)를 포함한다. 제 1, 2 코일부(202, 204)는 예를 들면 특정온도에서 자가접착(self-bonding)되는 에나멜 동선 재질로 형성될 수 있으며, 권선된 팬 케이크 형상(pancake-shape)으로 형성되는 정밀코일로 구성될 수 있다.
이러한 제 1, 2 코일부(202, 204)는 제 1 코일부(202)와 핵연료봉(10)의 일측 사이의 간격 변화에 의해 발생하는 전자기적 변화 및 제 2 코일부(204)와 핵연료봉(10)의 타측 사이의 간격 변화에 의해 발생하는 전자기적 변화를 검출하는 것이다. 즉, 특정 주파수의 교류전압이 제 1, 2 코일부(202, 204)로 인가되어 제 1, 2 코일부(202, 204) 주변에 전자기장을 발생시키며, 이렇게 제 1, 2 코일부(202, 204)가 발생시킨 전자기장은 핵연료봉(10) 표면의 금속재질과 반응하여 와전류가 생성된다. 이 와전류의 크기는 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 간의 간격 변화에 따라 결정된다. 이를 상세하게 설명하면, 본체(100)에 장착된 제 1, 2 코일부(202, 204)가 핵연료봉(10)의 양측에 위치되면, 핵연료봉(10)의 일측과 제 1 코일부(202) 간의 간격(Lift-off) 변화 및 핵연료봉(10)의 타측과 제 2 코일부(204) 간의 간격(Lift-off) 변화에 의하여 제 1, 2 코일부(202, 204)에 임피던스 변화가 발생하고, 이 임피던스 변화 신호가 전선부재(300)를 통해 제어부(400)로 전달되면, 제어부(400)는 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 사이의 간격을 산출하고 최종적으로 핵연료봉(10)의 직경을 산출하는 것이다.
그리고 핵연료봉(10)의 직경은 핵연료집합체 형태에 따라 차이가 있으나 대략 9.0㎜ 내지 10.0㎜정도이고 핵연료집합체를 구성하는 각 핵연료봉(10) 사이 간격은 약 3.5㎜ 내지 4.0㎜정도로 비교적 치수가 작기 때문에 제 1, 2 코일부(202, 204)를 이용하여 핵연료봉(10)의 직경을 높은 정확도(약 ±0.02㎜)로 측정이 가능하다.
한편, 제 1, 2 코일부(202, 204)의 임피던스 변화는 페러데이의 전자기 유도(electromagnetic induction) 현상에 기초하며, 탐촉자와 검사 대상체 사이에 접촉매질 또는 접촉이 요구되지 않는 비접촉식 비파괴검사 방법이다. 제 1, 2 코일부(202, 204)를 검사 대상 피검체, 즉, 핵연료봉(10)에 가까이 하여 교류를 인가하면, 전자기유도에 의해 와전류가 핵연료봉(10)에 유도된다. 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10)의 간격 변화는 유도된 와전류에 의해 "코일 임피던스"라 일컫는 제 1, 2 코일부(202, 204)의 전기적 특성에 반영된 변화를 관찰하여 평가할 수 있다. 이러한 변화는 제 1, 2 코일부(202, 204)에 인가된 전압에 반영되므로, 제 1, 2 코일부(202, 204)의 전압을 진폭과 위상각 정보를 갖는 전기적 신호로 만들어서 임피던스 평면인 화면에 진폭과 위상각을 나타내는 리사주(Lissajous) 선도로 나타낸다. 따라서 이러한 코일 임피던스의 전압 진폭과 위상각 변화는 핵연료봉(10)의 직경 산정에 활용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전선부재가 제 1 코일부와 제 2 코일부를 직렬로 연결한 상태를 나타내는 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전선부재(300)는 본체(100)의 길이방향을 따라 배치된 상태로, 제 1 코일부(202)와 제 2 코일부(204)의 일측이 제어부(400)와 전기적으로 연결되도록 하고, 제 1 코일부(202)와 제 2 코일부(204)의 타측이 상호 직렬로 연결되도록 한다. 이를 위하여 전선부재(300)는 제 1 전선부(302), 제 2 전선부(306) 및 제 3 전선부(304)를 포함한다.
제 1 전선부(302)는 제 1 코일부(202)의 일측과 제어부(400)를 전기적으로 연결하는 것으로, 제 1 지지부(102)의 일측, 연결부(106)의 일측 및 연장부(108)의 일측을 따라 일체로 배치된다.
제 2 전선부(306)는 제 2 코일부(204)의 일측과 제어부(400)를 전기적으로 연결하기 위한 것으로, 제 2 지지부(104)의 일측, 연결부(106)의 타측 및 연장부(108)의 타측을 따라 일체로 배치된다. 그리고 연장부(108)에 배치되는 제 1, 2 전선부는 커넥터(150)를 통해 동축케이블(160)에 연결된다.
제 3 전선부(304)는 제 1 코일부(202)의 타측과 제 2 코일부(204)의 타측을 직렬로 연결하기 위한 것으로, 제 1 지지부(102)의 타측, 연결부(106)의 내부 및 제 2 지지부(104)의 타측을 따라 일체로 배치된다. 이러한 제 1, 2, 3 전선부(302, 306, 304)는 각각 예를 들면 직경이 약 1㎜인 마이크로 케이블로 구성되며, 제 1, 2 코일부(202, 204)에 교류전류를 인가하고 제 1, 2 코일부(202, 204)에서 검출된 임피던스 변화를 제어부(400)로 송신한다.
한편, 제 3 전선부(304)를 이용하여 제 1 코일부(202)와 제 2 코일부(204)를 직렬로 연결하게 되면, 오옴의 법칙에 의하여 제 1 코일부(202)와 제 2 코일부(204)의 임피던스변화가 합산되므로 제 1 코일부(202)와 제 2 코일부(204)가 병렬로 연결되는 것에 비해 임피던스 변화량, 즉 감도가 약 2배 이상 상승되는 효과가 있다.
제어부(400)는 동축케이블(160)에 연결되는 것으로, 전선부(300) 및 동축케이블(160)을 통하여 제 1, 2 코일부(202, 204)와 전기적으로 연결된다. 이러한 제어부(400)는 제 1, 2 코일부(202, 204)가 발생하는 전자기장과 핵연료봉(10) 사이의 간격 변화에 따른 코일 임피던스 변화값을 이용하여 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 사이의 간격을 산출하고, 최종적으로 핵연료봉(10)의 직경을 산출한다. 제어부(400)가 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 사이의 간격을 산출하는 과정은 후술하기로 한다.
도 4는 도 2의 B-B' 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 제 1 코일부(202) 및 제 2 코일부(204)는 제 1 지지부(102)의 일측 내부에 형성되는 제 1 삽입홈(110) 및 제 2 지지부(104)의 일측 내부에 형성되는 제 2 삽입홈(115)에 각각 삽입된다. 제 1, 2 삽입홈(110, 115)은 제 1, 2 코일부(202, 204)가 삽입되기 충분한 크기로 형성된다. 그리고 제 1, 2 삽입홈(110, 115)에 제 1, 2 코일부(202, 204)가 삽입되면, 제 1, 2 삽입홈(110, 115) 내부가 방수되도록 제 1, 2 삽입홈(110, 115)으로 에폭시 접착제 등의 열경화성 수지가 충진된다. 그러면 제 1 삽입홈(110)과 제 2 삽입홈(115)에는 열경화성 수지가 굳으면서 제 1 코일충진부(112) 및 제 2 코일충진부(117)가 각각 형성된다. 이때, 제 1, 2 삽입홈(110, 115)의 양측에는 삼각형 형태의 제 1, 2 요홈(111, 116)이 형성되어, 제 1, 2 요홈(111, 116)을 통하여 에폭시 수지를 제 1, 2 삽입홈(110, 115) 내부로 주입할 수 있다. 이러한 제 1, 2 코일충진부(112, 117)는 제 1, 2 지지부(102, 104)가 핵연료봉(10) 주변으로 이동되는 도중 제 1, 2 삽입홈(110, 115)에 삽입된 제 1, 2 코일부(202, 204)가 제 1, 2 지지부(102, 104)에서 이탈되거나 임의로 이동되지 않도록 견고하게 고정시키는 효과가 있다. 또한, 제 1, 2 코일충진부(112, 117)는 제 1, 2 삽입홈(110, 115)을 방수시키도록 구성되므로, 제 1, 2 코일부(202, 204)로 냉각수 등의 수분이 침투할 수 없도록 하는 효과가 있다.
도 5는 도 2의 C-C' 단면을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6는 도 2의 D-D' 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제 1 지지부(102)의 내부 길이방향을 따라 오목하게 제 1 전선안내홈(120)이 형성되고, 제 2 지지부(104)의 내부 길이방향을 따라 오목하게 제 2 전선안내홈(125)이 형성된다.
제 1 전선부(302)는 그 일측은 제 1 삽입홈(110)을 관통하여 제 1 코일부(202)의 일측과 전기적으로 연결되고 그 타측은 제 1 전선안내홈(120)의 일측에 삽입된다. 제 2 전선부(306)는 그 일측은 제 2 삽입홈(115)을 관통하여 제 2 코일부(204)의 일측과 전기적으로 연결되고 그 타측은 제 2 전선안내홈(125)의 일측에 삽입된다. 제 3 전선부(304)는 그 일측은 제 1 삽입홈(110)을 관통하여 제 1 코일부(202)의 타측과 전기적으로 연결되고 그 타측은 제 1 전선안내홈(120)의 타측 및 제 2 전선안내홈(125)의 타측을 지나 제 2 삽입홈(115)을 관통하여 제 2 코일부(204)의 타측과 전기적으로 연결된다.
그리고 제 1 전선안내홈(120)의 일측 및 타측에 제 1 전선부(302)와 제 3 전선부(304)의 일측이 삽입되고, 제 2 전선안내홈(125)의 일측 및 타측에 제 2 전선부(306)와 제 3 전선부(304)의 타측이 삽입되면, 제 1 전선안내홈(120) 및 제 2 전선안내홈(125)으로 에폭시 접착제 등의 열경화성 수지가 충진된다. 그러면 제 1, 2 전선안내홈(120, 125)에는 열경화성 수지가 굳으면서 제 1, 2 전선충진부(122, 127)가 형성된다. 이러한 제 1, 2 전선충진부(122, 127)는 제 1, 2, 3 전선부(302, 306, 304)가 제 1, 2 전선안내홈(120, 125)에 견고하게 고정되도록 하는 효과가 있다. 또한, 제 1, 2 전선충진부(122, 127)는 제 1, 2 전선안내홈(120, 125)을 방수시키도록 구성되므로, 제 1, 2, 3 전선부(302, 306, 304)로 냉각수 등의 수분이 침투할 수 없도록 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템의 작용에 대하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템의 전체 구성도를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템의 제 1, 2 지지부 사이에 핵연료봉이 위치된 상태를 도시한 도면이며, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료봉의 직경 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 예를 들면 원자로 내부에 있는 핵연료봉(10, 12, 14)의 직경을 측정하기 위하여 본체(100)의 제 1, 2 지지부(102, 104)가 직경을 측정할 핵연료봉(10) 주변으로 이동하여, 제 1, 2 지지부(102, 104) 사이에 핵연료봉(10, 12, 14)이 위치되도록 한다. 그러면, 제 1, 2 코일부(202, 204)가 발생하는 전자기장과 핵연료봉(10, 12, 14) 사이의 간격(d1, d2, d3) 변화에 따른 코일 임피던스 변화값이 제어부(400)로 전달되고, 제어부(400)는 임피던스 변화값을 전달받아 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10, 12, 14) 사이의 간격(d1, d2, d3)을 산출한다. 제어부(400)는 산출한 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10, 12, 14) 사이의 간격에 대한 전압을 디스플레이부(500)에 출력할 수 있다.
이처럼 본 발명은 제 1, 2 코일부(202, 204)가 핵연료봉(10) 표면과 접촉하지 않고 일정 간격이 있는 상태에서 고속으로 핵연료봉(10) 사이의 간격을 측정할 수 있어, 검사속도를 획기적으로 단축할 수 있으며 기존 LVDT 기술에 비해 검사정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전자기유도방식으로 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 표면 사이에 간격(lift-off)이 있는 상태에서 측정이 가능하기 때문에 핵연료봉(10) 표면과 제 1, 2 코일부(202, 204)의 접촉이 필요 없는 비접촉 방식으로 측정이 가능하므로, 측정 속도와 정확도가 기존보다 10배 이상 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 핵연료봉(10)은 물론, 국내외적으로 국방 및 항공 우주분야의 항공기 로터 블레이드, 허니컴 구조물 검사, 로켓 연료탱크를 비롯한 압력용기 용접부 표면검사, 합금분석, 원자력발전소 이종금속 용접부 표면 미세균열검사 및 증기발생기 전열관 검사 등과 같은 첨단 제조 산업분야에 중요한 기술로 활용될 수 있으며, 특히 4차 산업혁명 관련 첨단 제조 산업분야에 필수적인 비파괴검사 기술로도 활용이 가능할 것으로 예상된다.
또한, 현재 국내외적으로 4차 산업혁명 관련 첨단산업기술의 발전에 따라 와전류검사의 수요 및 그 기술의 적용 필요성이 날로 증대되고 있으며, 원자력발전소의 핵연료봉(10) 검사는 공기가 제한된 계획예방정비공사 기간 내에 검사를 완료해야 하는 임계공정에 해당되어 검사속도와 정확도가 매우 중요하다. 이에 따라 핵연료봉(10) 표면과 제 1, 2 코일부(202, 204)의 접촉이 필요 없는 비접촉 방식으로 측정이 가능한 본 발명은 기존에 적용중인 기술인 LVDT 기술을 대체할 수 있는 획기적인 기술이라 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디스플레이부에 출력되는 시간에 따른 전압 크기를 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디스플레이부에 출력되는 간격에 따른 전압 크기를 도시한 도면이다.
도 1, 도 10 및 도 11을 참조하면, 제 1, 2 코일부(202, 204)는 전자기장 발생을 위해 특정 주파수를 갖는 교류전압이 인가되고 이 교류전류에 의해 제 1, 2 코일부(202, 204) 주위에 전자가장이 발생하며, 이 전자기장은 핵연료봉(10) 표면 금속재질과 반응하여 와전류가 생성된다. 이러한 와전류 크기는 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10)의 외주연 표면 사이의 간격 변화에 따라 결정된다. 이때 핵연료봉(10)의 직경(d1, d2, d3)이 커질수록, 즉 핵연료봉(10) 표면과 제 1, 2 코일부(202, 204) 사이의 간격이 작아져 제 1, 2 코일부(202, 204)가 핵연료봉(10) 표면에 근접하게 되면, 제 1, 2 코일부(202, 204)에 걸리는 진폭(전압)은 증가하게 된다.반면, 핵연료봉(10)의 표면과 제 1, 2 코일부(202, 204) 사이 간격이 커질수록 제 1, 2 코일부(202, 204)에 걸리는 진폭(전압)은 감소하게 된다.
즉, 제어부(400)가 핵연료봉(10)의 직경을 측정하는 기본 원리는 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 표면 사이 간격(Lift-off)변화에 따라 발생하는 제 1, 2 코일부(202, 204)의 임피던스 변화량과 실제 직경(d1, d2, d3)과의 상관관계를 이용하여 측정할 수 있다. 핵연료봉(10)의 직경은 핵연료집합체 형태에 따라 차이가 있으나 대략 9㎜~10㎜정도이고, 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 사이 간격은 3.5㎜ 내지 4㎜정도로 비교적 치수가 작기 때문에 제 1, 2 코일부(202, 204)를 이용하여 높은 정확도(약 ±0.02㎜)로 핵연료봉(10)의 직경을 측정할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 코일부와 핵연료봉 사이 간격변화 검출 기본원리를 설명하기 위한 임피던스 평면선도이다.
도 12를 참조하면, 임피던스 평면선도에서 X-축은 제 1, 2 코일부(202, 204)의 임피던스의 실수 성분인 저항을 나타내고 Y-축은 제 1, 2 코일부(202, 204)의 임피던스의 허수 성분인 리액턴스를 나타내며, 임피던스 평면선도에서 제 1, 2 코일부(202, 204)의 운전점은 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 표면 사이 간격(Lift-off)변화에 따라 이동하며, 이 운전점 이동에 따라 제 1, 2 코일부(202, 204)에 검출되는 임피던스가 변화되므로, 제어부(400)는 이 임피던스 변화량을 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10) 사이의 간격 변화에 따른 상관관계를 구하여 핵연료봉(10)의 직경(d1, d2, d3, d4, d5)을 산출할 수 있다.
그리고 제 1, 2 코일부(202, 204)의 임피던스값(Z)는 제 1, 2 코일부(202, 204)와 핵연료봉(10)이 접촉상태(간격=0), 즉, 핵연료봉(10) 직경이 최대인 상태에서 최대가 되고, 제 1, 2 코일부(202, 204)와 액연료봉이 접촉상태로부터 점점 멀어져 간격이 커질수록 제 1, 2 코일부(202, 204)의 임피던스 값은 점차 작아지게 된다. 제어부(400)는 이러한 제 1, 2 코일부(202, 204)의 임피던스 변화값과 실제 핵연료봉(10)의 직경 변화값의 상관관계를 구하여 핵연료봉(10)의 직경을 측정한다.
본 발명은 상기 실시예에서 상세히 설명되었지만, 본 발명을 이로 한정하지 않음은 당연하고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
100: 본체
102: 제 1 지지부 104: 제 2 지지부
106: 연결부 108: 연장부
110: 제 1 삽입홈 111: 제 1 요홈
112: 제 1 코일충진부 115: 제 2 삽입홈
116: 제 2 요홈 117: 제 2 코일충진부
120: 제 1 전선안내홈 122: 제 1 전선충진부
125: 제 2 전선안내홈 127: 제 2 전선충진부
150: 커넥터 160: 동축케이블
200: 코일부재
202: 제 1 코일부 204: 제 2 코일부
300: 전선부재
302: 제 1 전선부 306: 제 2 전선부
304: 제 3 전선부
400: 제어부 500: 디스플레이부

Claims (7)

  1. 원자로 핵연료집합체를 구성하는 핵연료봉의 직경을 검출하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템에 있어서,
    핵연료봉의 외주연 일측과 이격되도록 배치되는 제 1 지지부와, 핵연료봉의 외주연 타측과 이격되도록 배치되는 제 2 지지부와, 상기 제 1 지지부와 상기 제 2 지지부를 연결하는 연결부를 갖는 본체;
    상기 제 1 지지부에 장착되며 전자기장을 발생하는 제 1 코일부와, 상기 제 2 지지부에 장착되며 전자기장을 발생하는 제 2 코일부를 갖는 코일부재; 및
    상기 제 1 코일부 및 상기 제 2 코일부와 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부가 발생하는 전자기장과 핵연료봉의 간격 변화에 따른 코일 임피던스 변화값을 이용하여 핵연료봉의 직경을 산출하는 제어부를 포함하고,
    상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부의 일측은 상기 제어부와 전기적으로 연결되고, 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부의 타측은 상호 직렬로 연결되고,
    상기 제 1 코일부의 일측과 상기 제어부를 전기적으로 연결하도록 상기 제 1 지지부의 일측과 상기 연결부의 일측을 따라 일체로 배치되는 제 1 전선부와,
    상기 제 2 코일부의 일측과 상기 제어부를 전기적으로 연결하도록 상기 제 2 지지부의 일측과 상기 연결부의 타측을 따라 일체로 배치되는 제 2 전선부와,
    상기 제 1 코일부의 타측과 상기 제 2 코일부의 타측을 직렬로 연결하도록 상기 제 1 지지부의 타측과 상기 연결부의 내부와 상기 제 2 지지부의 타측을 따라 일체로 배치되는 제 3 전선부를 더 포함하고,
    상기 제 3 전선부가 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부를 직렬로 연결시켜서, 상기 제 1 코일부와 상기 제 2 코일부에 발생하는 임피던스 변화값이 합산되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지지부 및 상기 제 2 지지부는 각각 판형으로 형성되고, 상기 제 1 지지부 및 상기 제 2 지지부의 길이방향 일측이 핵연료봉의 길이방향과 크로스되도록 배치되고,
    상기 제 1 코일부 및 상기 제 2 코일부는 상호 마주보는 상기 제 1 지지부 및 상기 제 2 지지부의 길이방향 일측 내부에 각각 삽입되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 지지부의 내부에 상기 제 1 코일부가 삽입되도록 제 1 삽입홈이 형성되고,
    상기 제 2 지지부의 내부에 상기 제 2 코일부가 삽입되도록 제 2 삽입홈이 형성되고,
    상기 제 1 삽입홈 및 상기 제 2 삽입홈에 상기 제 1 코일부 및 상기 제 2 코일부가 삽입되면, 상기 제 1 삽입홈 및 상기 제 2 삽입홈으로 열경화성 수지가 충진되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체는 스테인리스강 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지지부의 내부 길이방향을 따라 제 1 전선안내홈이 형성되고,
    상기 제 2 지지부의 내부 길이방향을 따라 제 2 전선안내홈이 형성되고,
    상기 제 1 전선안내홈의 일측 및 타측에 상기 제 1 전선부와 상기 제 3 전선부의 일측이 삽입되고, 상기 제 2 전선안내홈의 일측 및 타측에 상기 제 2 전선부와 상기 제 3 전선부의 타측이 삽입되면, 상기 제 1 전선안내홈 및 상기 제 2 전선안내홈으로 열경화성 수지가 충진되는 것을 특징으로 하는 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템.
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KR1020230017340A KR102580671B1 (ko) 2023-02-09 2023-02-09 와전류기술을 이용한 핵연료봉의 직경 측정 시스템

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10170215A (ja) * 1996-12-10 1998-06-26 Kinki Nippon Tetsudo Kk 支索外径測定方法およびその装置
JP2001056203A (ja) * 1999-08-18 2001-02-27 Japan Atom Energy Res Inst 非接触変位測定器
JP2005249591A (ja) * 2004-03-04 2005-09-15 Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd 棒状体の間隔測定装置
JP2005283321A (ja) * 2004-03-30 2005-10-13 Hitachi Ltd ギャップ検査センサ及びギャップ検査装置
KR100597725B1 (ko) 2004-07-08 2006-07-10 한국원자력연구소 중수로형 핵연료다발의 제원측정을 위한 측정센서 보정장치

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