KR19990072516A - 핵연료봉손상의초음파검사방법및장치 - Google Patents
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Abstract
피복관으로 둘러싸여진 핵 연료의 내부 코어를 갖는 핵 연료봉의 초음파 검사 방법 및 장치가 기술되어 있다. 피복관은 소정의 벽 두께를 가지며, 피복관 안으로 연료봉의 내부로 누설되는 초음파 유도 전파가 전달되며, 이러한 피복관으로부터 손상된 연료봉을 나타내는 반사된 초음파가 탐지된다.
Description
본 발명은 핵 연료봉의 피복벽을 통해 틈을 갖는 원자로 연료 봉의 검사 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히 연료 봉 피복관의 손상을 명시하는 연료 봉 내의 물 또는 다른 압축성 유체를 탐지하기 위한 초음파 검사 방법에 관한 것이다.
부화 이산화 우라늄(enriched uranium dioxide)을 연료로 사용하는 대부분의 원자력 원자로는 수냉식 감속 원자로(water cooled and moderated reactors)이다. 이러한 원자로의 코어는 다발로 군을 이룬 기다란 연료 봉들로 형성되어 있는데, 이는 일반적으로 장방형의 횡단면을 갖는 연료 조립체로 공지되어 있다. 각각의 연료봉은 0.64 cm 내지 1.27cm(1/4 내지 1/2 inch)의 직경을 가지며, 대체로 10 ft (304.8 cm)이상의 길이를 갖는다. 각각의 연료 봉은 통상적으로 지르코늄 합금으로 제조된 피복관으로 형성되는데, 이러한 피복관은 일반적으로 이산화 우라늄으로 제조된 핵 연료의 내부 코어를 둘러싸고 있다. 최근에는, 이러한 이산화 우라늄이 피복관 내에 설치된 펠릿(pellet) 형태로 제공된다. 다수의 연료봉이 다수의 스페이서 그리드에 의해 서로로부터 근접하게 이격된 상태로 고정된 위치에서 서로 평행하게 배열되어 있다. 통상적으로, 이들 스페이서 그리드는 달걀 포장(egg-crate) 형상을 가지며, 각각의 스페이서의 격실은 각각의 연료 봉을 배치하기 위한 딤플(dimple) 또는 스프링(spring)을 포함하고 있으며, 이에 따라서 소정의 연료봉 대 연료봉의 간격(즉, 연료봉의 피치)이 유지된다. 즉, 이러한 스프링과 딤플이은 연료봉을 각각 적절한 방향 위치에 유지시킨다. 그러나, 방사의 영향으로, 스프링이 늘어나서 연료봉의 피치가 바람직하지 않게 변화될 수 있으며, 또는 연료봉과 스프링 또는 딤플 사이의 간극 또는 공간이 확장되어 연료봉 또는 스페이서 그리드가 냉각제의 유동으로 인해 진동을 받을 가능성이 커진다. 이러한 간극, 즉 연료봉의 피치의 변화 및 진동은 스페이서 그리드의 상호작용으로 인한 연료봉의 부식으로 공지된 연료봉의 마모를 초래할 수 있으며, 또한 부화 이산화 우라늄을 둘러싼 연료봉의 피복관의 벽을 통해서 궁극적으로 틈새 또는 구멍을 발생시킬 수 있다. 이러한 틈새 또는 구멍은 연료봉의 고장을 초래한다. 이러한 마모는 핵 연료 조립체 내의 각각의 스페이서에 대하여 이들 스페이서의 스프링과 연료봉 사이에서 스페이서 내부의 접촉점에서 발생한다. 핵 연료 조립체 내의 모든 연료봉이 전술한 형태의 마모에 영향을 받는 것은 물론이지만, 연료봉에서 가장 흔히 발생하는 손상 영역은 제일 아랫쪽 스페이서의 영역이다.
원자로의 작업중에, 응력, 부식, 찌꺼기, 불완전 용접으로 인해서, 또는 연료 봉과 접한 스페이서의 반복된 상대 이동에 의해 초래된 연료 봉 마손으로부터 피복물 내에 구멍이 커지게 된다. 연료봉 마손으로부터 반복되는 부식이 연료봉 피복물의 벽을 통해 구멍의 발생을 초래하며, 피복관 내의 구멍을 통해 핵 분열 가스가 원자로 냉각수 내부로 빠져 나가며, 원자로 냉각수가 연료 봉 내부로 유입된다. 이러한 연료 봉은 손상된 연료 봉으로서의 특성을 갖는다. 원자로가 작동된 이후에 연료 봉 내의 물의 양과 수면은 구멍의 크기와 위치, 및 연료 봉의 작업 동력에 따라 달라진다. 대부분의 연료봉은 스페이서 마손, 찌꺼기 마손, 또는 손상된 하단부 캡 용접물로 인해 봉의 하부 부분에서 손상된다. 따라서, 결함 위치 및 중력으로 인해, 연료 봉 내의 물을 탐지하기 위한 최고의 가능성을 갖는 위치는 제일 아랫쪽 스페이서 바로 위의 위치이다.
통상적으로, 핵 연료 조립체를 소정의 시간 동안 원자로 내에 노출된 이후에 원자로에서 꺼내어 손상 및 결함을 점검하고, 필요하다면 보수하고 원자로로 반환하거나 또는 최종 배치 저장소로 보낸다. 핵 연료 조립체가 원자로로 반환될 경우, 대개 연료봉의 손상 및 결함 여부를 시험 점검한다. 핵 연료 조립체는 상당량의 방사능을 갖는데, 핵분열 생성물의 붕괴에 의해 초래되는 열을 제거시키고 작업자들을 보호하기 위해 핵 연료 조립체가 반드시 수중에서 저장, 처리, 검사되어야만 한다.
손상된 핵 연료 봉에 대한 연료 조립체의 시험은 초음파 방법 및 시핑(sipping)에 의해 수행된다. 시핑 방법은 손상된 연료 조립체로부터 방출된 핵분열 가스를 탐지한다. 시핑 방법이 봉이 손상되었는지를 나타낼 수 없으므로, 와류 시험, 초음파, 또는 외관 검사를 이용하여 측정되어져야 한다. 초음파 시험에서, 연료 봉 내의 물의 존재는 연료봉 피목물 내의 틈 또는 구멍, 및 연료봉의 손상을 의미한다. 한 방법에서, 연료봉 피복물 내부 벽의 물(손상된 봉) 또는 가스(음향 봉) 계면으로부터 반환된 초음파 에너지의 감쇠 차를 측정함으로써 물이 탐지된다. 이러한 접근의 실시예는 본 발명과 동일한 양수인에게 양도된 미국 특허 제 4,879,088호에 기술되어 있다.
미국 특허 제 4,897,088호에 따라, 변환기가 핵 연료 조립체를 가로지르도록 하며, 조립체 내부에 일련의 초음파 펄스가 비임의 형상으로 변환기로부터 방출된다. 비임이 연료 봉에 부딪힐 때, 비임은 외부면으로부터 반사된다. 비임이 표면에 수직이면, 변환기를 전기 신호를 발생시킬 수 있는 최대 정도로 반사시킨다("펄스 에코(pulse-echo)" 기술). 초음파 에너지의 한 부분은 피복관을 관통하나, 수직인 봉은 연료봉 피복관의 내벽과 외벽 사이에 "벽 공명"을 초래하는 연료봉(내부 가스 및 이산화 우라늄은 비도전성이다)의 내부에 초음파 에너지를 통과시키지 않는다. 벽 공명은 기록된다. 연료 봉이 물로 채워진다면, 연료봉 피복관 벽으로부터 초음파 에너지가 효과적으로 분산되는 물 내부로 전달된다. 이는 벽 공명을 크게 감쇠시키며, 이산화 우라늄의 존재 여부가 결정될 것이다. 벽 공명의 감쇠 요소는 연료봉의 결함을 확인할 수 있다.
미국 특허 제 4,313,791호에 기술된 또 다른 방법에서, 변환기 방출 초음파 신호는 연료 봉에 반대하여 위치되며 초음파 비임은 변환기에 의해 봉 내부로 전달된다. 이러한 시험은 연료 봉의 하부 플리넘, 이산화 우라늄을 함유하지 않은 연료봉의 일부분에서 수행된다. 펄스 에코 시스템에 의해 수용된 파의 분석은 봉 부분이 물로 채워져있는지에 대해 알려준다.
미국 특허 제 4,126,514호는 사용된 냉각 액체로부터 연료봉 피복물의 외부면의 접촉으로부터 분리함으로써 결함있는 연료 부재를 탐지하고 과다하게 팽창된 연료 펠릿의 존재를 확인하기 위해 펄스화된 에코 감쇠를 발생시키는 방법에 기술하고 있다. 부재 내의 냉각 액체 또는 다수의 팽창된 연료 펠릿의 존재에 대한 측정은 에코 펄스의 적절한 해석에 의해 달성된다.
미국 특허 제 3,350,271호는 변환기로의 열 전달이 액체를 가열시키도록 액체를 함유한 변환기를 기술하고 있다. 정상적인 작업 조건하에서, 압력은 액체로서 전술한 액체로 유지된다. 초음파로 탐지된 변환기 내의 액체의 가열은 소정 압력 달성의 표시로서 이용될 수 있다. 연료 봉 내에 누설이 있다면, 압력 하강이 발생할 것이며, 따라서 액체는 기화되고 누설이 발생한 곳을 나타내기 위해 오리피스를 통해 팽창한다.
미국 특허 제 4,009,616호는 밀봉물 내에서 가스 압력을 측정하기 위한 음향 방법에 관한 것이다. 이는 연료 봉 내부의 내부 가스 압력에 의해 초래된 초음파 신호가 감쇠 및 속도 변화를 측정함으로써 행해진다. 이러한 방법은 신호가 가스를 통해 전달되도록 하며 피복물을 통해 수용된 신호의 영향이 최소화될 것을 요한다.
종래 기술인 손상된 피복물을 나타내는 표시로 연료봉 내의 물을 탐지하기 위해 초음파를 이용하는 손상된 연료 탐지 시스템은 피복물 내부 직경으로부터 반사된 초음파 신호의 진폭의 차이를 측정한다. 내부의 "공기"와 물 사이의 음향 임피던스의 차는 물이 존재한다면 신호가 진폭에서 감소되도록 초래한다. 종래 기술 방법과의 주요 차이는 신호가 연료 봉 내부로 도입되는 방법이다. 일부는 피치-캐치(pitch-catch) 방식을 이용하며, 전달 및 수용 변환기는 다르며, 신호는 좁은 밴드 내의 연료봉 원주 둘레로 전달된다. 일부는 펄스-에코 방식을 이용하며, 전달 및 수용 변환기는 동일하며 그 신호는 연료 밴드를 완전히 둘러싼 좁은 밴드 내에서 전달된다. 일부 경우에서, 검사된 영역은 매우 적으며 연료봉을 둘러싼 외주 밴드만이 축선으로 0.25cm(0.1 inch) 연장한다. 따라서, 종래 기술인 검사 기술 및 연료봉 내에서 물의 존재를 검사하기 위한 방법은 0.38cm2내지 0.65 cm2(0.060 내지0.100 inch2)의 좁은 피복 면적을 시험함으로써 손상되었는지를 결정한다. 종래 기술인 초음파 검사 방법의 음향 검색의 제한된 체적으로 인해, 물이 존재하는 연료봉의 축선 높이의 전체 면적위로 반복된 시험이 수행된다. 따라서, 종래 기술인 초음파 방법 및 탐지 출력은 열등하여 통과된 연료봉들의 상당 비율의 잘못된 측정을 초래한다. 특정 검사 위치에서 물이 존재하지 않으면, 초음파 방법은 손상된 연료 봉 내에서 어떠한 손상도 탐지할 수 없다.
따라서, 전술한 단점을 극복하고 연료봉에 근접하기 위해 연료 조립체를 분해하지 않고 스페이서 그리드 - 연료봉 접촉점(spacer grid-to-fuel rod contact points)에서 주파수가 발생하는 임의의 연료봉에 틈이 존재하는지를 확인하기 위해 연료 조립체 내의 연료봉들의 연료봉 피복관을 신속하고 효울적으로 검사할 수 있는 초음파 검사 방법이 요구된다.
도 1은 경사 입사, 플렉시글라스 쐐기 상에 세로파 변환기를 이용한 유도 전파의 여기를 도시한 도면.
도 2는 지르코늄 합금 튜우빙에 대한 상 속도 분산 곡선을 도시한 도면.
도 3은 지르코늄 합금 튜우빙에 대한 군 속도 분산 곡선을 도시한 도면.
도 4a는 유도 전파가 경사 입사된 세로파 여기에 의해 유도될 때 상 속도 여기 영역을 그래프로 도시한 도면.
도 4b는 유도 전파가 여기된 모드의 파장과 동일한 공간주기를 갖는 정상 여기의 주기 분포에 의해 유도될 때 상 속도 여기 속도를 그래프로 도시한 도면.
도 5는 코움 형상 여기 및 공간 주기 및 파장 사이의 관계를 도시한 도면.
도 6은 관 내부에 물을 갖는 피복관 단편의 실험 결과를 도시한 도면.
도 7 내지 도 26은 관 내부에 물을 갖는 다른 피복관의 단편의 실험 결과를 도시한 도면.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 핵 연료의 내부 코어를 둘러싸며 내벽을 갖는 피복관을 각각 갖추고 있으며 압축성 유체 내에 잠겨 있는 서로 평행하게 이격되어 있는 일련의 핵 연료봉을 갖는 핵 연료 조립체 내의 핵 연료봉의 초음파 검사 방법은 피복관 내에 초음파 유도 전파를 전달하는 단계와, 그리고 피복관으로부터 반사된 초음파를 탐지하는 단계를 포함하며, 반사된 초음파는 피복관의 벽 내에 틈이 발생하였음을 표시하는 연료 봉 내의 물의 존재를 나타낸다.
본 발명은 물의 존재로 표시되는 핵 연료봉의 피복관의 손상, 및 스페이서 내에 놓여있는 찌꺼기에 의해 초래된 핵 연료봉의 피복관의 마손 부식을 탐지하기 위해 비등수형 원자로(BWR:Boiling Water Reactor) 및 가압수형 원자로(PWR:Pressurized Water Reactor) 연료 조립체 내의 핵 연료봉의 신속한 검사 및 시험을 가능케 하는 방법을 제공한다. 본 발명은 개별 검사를 위해 봉을 제거하지 않고 조립체 내에 모든 연료봉의 신속한 시험을 가능케 한다.
본 발명의 일 실시양태에 따라, 핵 연료의 내부 코어를 둘러싸며 내부 벽을 갖는 피복관을 갖추고 있으며 압축성 유체 내에 잠겨 있는 서로 평행하게 이격된 일련의 핵 연료봉을 갖는 핵 연료 조립체 내의 핵 연료 봉의 초음파 검사 방법은 피복관의 내벽으로부터 누설되는 피복관 내의 초음파 유도 전파를 내부 코어 안으로 전달하는 단계와, 그리고 피복관으로부터 반사된 초음파를 탐지하는 단계를 포함하며, 반사된 초음파는 피복관의 벽 내에 틈이 발생하였음을 표시하는 연료 봉 내의 물의 존재를 나타낸다.
유도 전파는 표면에 누출되지 않고 재료의 경계면 내에서 체류하도록 하는 특성을 갖는 얇은 벽을 갖는 물체에 유도된 초음파이다. 유도 전파는 얇은 벽을 갖는 튜우빙 또는 박판 내에 유도될 수 있다. 물체 내의 유도 전파의 생성은 변환기 주파수, 변환기 입사각, 시험 물체의 재료 속도, 및 재료의 벽 두께를 적절하게 선택함으로서 제어될 수 있다. 유도 전파는 재료의 임피던스에 의해서만 감쇠되므로, 유도 전파는 감쇠되지 않고 장거리를 이동할 수 있다.
물체 내에 유도 전파를 유도하기 위한 몇가지의 방법이 있다. 그 중에서 가장 많이 이용되는 두가지의 방법은 경사진 입사각 변환기 및 "빗형상(comb)" 변환기와 같은 특별히 설계된 변환기이다. 전자에서, 표준 변환기는 시험 물체에 소정의 각도로 위치되어 파가 도입된다. 변환기 부재가 입사각으로 인해 시험 물체와 접하지 않기 때문에, 변환기 부재로부터 시험 물체까지 음향을 전달하기 위해 플라스틱 또는 물과 같은 도전 매체가 부가되어져야 한다. 이는 변환기의 두께를 증가시키며 하기에 기술되어질 좁은 봉 대 봉, 및 봉 대 안내관으로 인해 연료 조립체 내의 변환기의 사용을 사실상 배제시킨다.
도 1을 참조하면, 플라스틱 등의 음향 결합재 상에 세로파(longuitudinal wave) 변환기를 이용하여 얇은 벽을 갖는 관 내에 유도 전파의 생성을 도시하고 있다. 세로파는 입사각(Θ), 및 속도(Vplexi)로 입사된다. 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라, 파는 모드 변환, 반사, 및 경게면에서의 굴절을 겪게 된다. 변환기로부터 약간 떨어진 거리에서, 파는 개별적으로 동일시 될 수 없으나, 파 패킷 내부에 놓여질 것이다.
입사각, 두께, 및 재료의 특성에 따라, 구조 간섭이 발생되며, 유도 전파는 관 또는 판 내에 전달된다. 구조 간섭에 대한 조건은 두께, 각도, 및 재료 특성의 다수의 조합으로 충족된다. 구조 간섭을 초래하는 조합은 모드로 불려진다. 각각의 모드는 파의 구조, 전달 속도, 및 스트레스 분포등의 자체의 특성을 갖는다. 특히, 각각의 모드는 파 유도면에서 평면 및 비평면 배치를 갖는다. 비평면 배치의 합은 "누설" 모드가 비평면 배치가 재료 외부에 세로파의 발생을 초래함으로 인해 파 외부로 에너지를 전달함으로써 어떻게 되는지를 규정하고 있다. 이러한 특성은 손상된 연료봉 관이 그 내부에 물을 함유하고 있기 때문에 연료봉이 손상되는 적용예에서 특히 중요하다. 따라서, 손상되거나 파손된 연료봉에 대해, 피복관의 내부면에 누설 모드의 선택은 물의 존재를 나타내는 음장(sound field)을 급격하게 감쇠시키기 때문에 손상의 탐지를 가능하게 한다. 파손된 피복관을 갖지 않는 연료 봉의 검사를 위해 피복관의 내부면 및 외부면에 비 누설 모드를 선택하는 것이 필요하다.
유도 전파 전달의 이론적인 모델링은 파의 전달을 기술하는 분산 곡선 및 파의 구조 곡선을 초래한다. 도 2에 도시된 상 속도 분산 곡선은 유도 전파에 대한 발생 기준에 이용된다. 경사진 입사 발생의 경우에는, 상의 속도는 스넬의 법칙에 의해 입사각과 관련되어 있다. 군의 속도 분산 곡선은 도 3에 도시되어 있으며, 발생된 유도 전파 모드의 전달 속도를 제공한다.
전술한 바와 같이, 경사 입사, 세로파 여기에 의한 유도 전파의 유도는 플라스틱 쐐기의 사용으로 이해 입사각에서 종방향 파 변환기를 연료봉 피복관에 결합시킴으로서 달성된다. 특정 상의 속도는 플라스틱 쐐기에 대한 스넬의 법칙에 의해 조종되는 특정 상 속도가 발생된다. 따라서, 특정 상 속도 여기 영역을 차단하는 모드가 발생할 수 있다. 도 4A는 이러한 방법에 의한 여기 영역을 도시하고 있다.
물체 내에 유도 전파를 유도하기 위한 두번째 방법은 "빗형상" 방법이다. 빗형상의 변환기는 유도 전파를 발생하기 위한 접촉형태의 변환기이며, 빗형상 부재의 간극 및 두께에 의해 결정된다. 이러한 방법에서, 여기된 모드의 파장과 동일한 공간 주기를 갖는 정상적인 여기의 주기 분포에 의해 여기가 달성된다(도 5 참조). 경사 입사 방법에서와 같이 수평 여기 영역 대신에(도 4A참조), 여기는 근원을 통과하는 직선의 형태를 취하고 있다(도 4B참조). 라인의 식은 y=mx의 형태를 취하고 있으며, 여기에서 y는 Vphase, x= fd, 및 m= s/d이며, Vphase= fλ=fs =s/d·fd 이며, s는 빗형상의 간극이다. 도 4B는 이러한 방법에 대한 상 속도 여기 영역을 그래프로 도시하고 있다.
유도 전파의 유도 방법이 파손 또는 마손 부식 또는 결함에 의한 피복관의 손상과 같은 결함 탐지에 사용된다 하더라도, 빗형상의 변환기는 낮은 프로파일 설계로 제조될 수 있기 때문에 연료 조립체를 분해하지 않고 연료 조립체 내부에 연료봉의 피복관 내에 유도 전파를 발생시키기 위해 연료봉 사이의 좁은 간극 사이에 연료 조립체 내부로의 접근 수단을 제공한다. 빗형상의 변환기는 다양한 재료 두께 및 특성을 갖는 소정의 모드를 생성하기 위해 가변 간극 및 부재 두께로 제조될 수 있다.
빗형상의 변환기의 잇점은 변환기가 비교적 얇게 제조될 수 있으며 그 특성을 그대로 유지한다는 것이다. 얇은 두께로 인해, 빗형상의 변환기는 조립체 내의 연료봉 내부로 유도 전파를 도입하기 위한 가장 실용적인 방법이다. 조립체 내에 연료봉을 시험하기 위해서는, 변환기는 내부의 봉을 시험하기 위해 소형 간극(0.18cm(0.072 inch) 또는 1.9 mm 연료봉 대 안내관)사이로 통과되어야 한다.
빗형상의 변환기는 연료봉 피복관 내부면 및 외부면이 "비-누설"된 세로 상 속도를 갖는 연료봉 피복물에 유도 전파를 생성하도록 설계되어져 있다. 즉, 유도 전파는 피복 벽 내에 유지된다. 이는 최대의 감도와 최소의 감쇠를 제공한다. 변환기 작동 주파수는 소정의 검사점(135℃)에서 최대 주변부 음향 강도를 발생하기 위해 선택된다. 변환기의 변수(작동 주파수, 빗형상의 변환기의 "이(teeth)" 사이의 거리)는 음향이 외관상 소정의 임의의 검사점(즉, 연료봉을 따른 축선 위치)에 놓여지도록 변경될 수 있다.
관에서, 선대칭 및 비-선대칭 유도 전파는 전달될 수 있다. 선대칭 유도 전파는 입자 이동이 세로 방향 및 방사상 방향에서만 발생하는 모드를 지칭하며 균일한 응력 분포 및 관을 둘러싼 입자 이동을 갖는다. 이는 완전히 둘러싼 빗형상의 변환기를 사용함으로써 달성될 수 있다.
빗형상의 변환기를 이용한 두개의 검사 방식 "부하식(loaded)", "부분 부하식(partially loaded)"이 존재한다. 부하식 적용에에서, 변환기는 피복관(또는 증기 발생기 관과 같은 적용예에서의 내부 직경)의 연료봉의 외부면(즉, 외부면)을 완전히 둘러싸고 있다. 이는 변환기가 관 내부의 두 방향(즉, 축선 및 원주 방향)으로 이동하는 균일한 (선대칭)음향을 발생하는 최적의 시험이다. 부분 부하 시험에서, 변환기의 한 단면만이 시험 물체와 접한다. 이는 관을 따라 축선 및 원주 방향으로 비-선대칭 음장을 발생하는 최적 수치보다 적다. 이러한 비 선대칭 음장은 임의의 특정 위치에서 음장의 비균일성으로 인해 검사 수치가 제한된다. 핵 연료 조립체 내의 연료봉에 제한된 접근으로 인해, 부분 부하 공급원만이 비 선대칭 파를 발생하는 빗형상 변환기의 단편과 같이 이용될 수 있다. 이는 변환기의 물리적인 특성(예를 들어, 빗형상 이의 수, 하중 영역등) 및 기초 주파수 변수가 소정의 위치에서 최대 음장을 발생시키기 위해 최적화될 수 있기 때문에 문제가 되지 않는다. 음장의 위치 및 강도의 변화는 주파수 변화에 가장 민감하다.
연료 봉 피복관 내의 손상 또는 파손을 탐지하기 위해 핵 연료 봉을 검사하기 위한 방법은 연료 조립체의 봉 대 봉 간극을 통해 통과하는 부분 부하식의 음조 파열 활성화 빗형상 변환기를 이용하는 단계를 포함한다. 빗형상 간극 및 두께를 선택함으로써, 변환기는 연료봉을 따라 특정화된 축선 및 원주 거리에서 음장 강도를 발생한다. 바람직한 실시예에서, 원주 거리는 이용가능한 탐침 입구 통로에 대한 스프링 위치를 설명하기 위해 음향 입구 위치에서 90°떨어져 위치되도록 한다.
시험 물체의 특성이 핵연료봉 피복관에서와 같이 일정할 때, 음장 특성은 주파수에 따라 크게 달라진다. 검사 기술의 효과를 보다 증진시키기 위해서는, 음장이 검사되어질 연료봉의 원주 둘레에 강도의 변화를 초래하는 특정 주파수 밴드를 통해 음조 파열 여기가 스위프되게 한다. 변환기 여기 공급원으로서 주파수 음조 파열 발생기의 사용은 완전하게 둘러싼 빗형상 변환기로부터 선대칭 파를 발생할 필요없이 한 위치로부터 스페이서 셀 내의 연료봉의 전체 영역이 검사되도록 한다. 이러한 변환기의 사용은 연료봉을 둘러싸고 있는 변환기를 통해 위치시키기 위해 연료 조립체의 분해를 요한다. 연료봉 피복물 내의 결함은 펄스 에코 모드 내에서 작동하는 빗형상 변환기에 의해 수용되어질 유도 전파 신호 부분을 반사시킬 것이다. 반사된 신호의 진폭은 결함의 안면적(facial area)에 비례한다. 따라서, 스위프 주파수의 사용으로 음장이 스위프 주파수에 따라 변화되는 음장에 의해 연료봉을 360°로 검사할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 방법에서, 빗형상 변환기는 스페이서 위 또는 아래의 특정화된 거리에서 연료봉 사이의 공간 내부로 삽입된다. 변환기는 반복 속도에서 펄스화된다. 변환기가 연료봉의 직각 위치에 놓여있을 때, 최대 부하는 연료봉 상에서 이루어지며, 주입된 신호는 연료봉 아래 위로 이동되며, 변환기 물리적인 특성에 의해 결정되어진 것처럼 소정의 검사 위치에서 음장 강도를 발생한다. 연료봉 피복관 내에서 발생된 유도 전파가 비 누설됨으로 인해, 피복 벽에서만 마모, 결함 또는 또 다른 변화에 민감하다. 음파 부분은 마손 마크에 의해 발생되어진 것처럼 벽 대 벽 두께의 변화에 의해 반사된다. 반사된 신호는 전송 변환기에 의해 수용되며, 초음파 설비에 의해 전달되고 처리된다. 변환기는 조립체를 통해 계속하여 위치되며 데이타는 각각의 연료봉으로부터 수집된다. 조립체 내의 각각의 연료봉은 이러한 방식으로 검사된다.
초음파 시험 장치는 음조 파열 또는 충격 여기될 수 있다(모든 시험 장치는 음조 파열로 수행될 수 있다). 위치선정 시스템은 수중 사용을 위해 표준 X-Y 테이블이다.
유도 전파를 이용한 손상된 연료봉의 탐지
(전술한) 유도 전파의 사용으로 연료봉 내의 물을 탐지하는 초음파 기술을 한층 강화시킨다. 본 발명의 전술한 실시예에서, 물이 음장을 감쇠시키는 것과 같이, 주파수는 음향이 외부 또는 내부 피복관 표면에서 누설되지 않도록 하기 위해 의도적으로 선택된다. 이러한 실시예에서, 주파수는 파가 피복관의 내부벽에서 주로 누설되도록 선택된다. 이러한 방식으로, 임의의 물은 음장을 급격하게 감쇠시킬 것이며 물의 존재를 나타내는 반면에 "공기"는 (음향 임피던스 내의 차이를) 나타내지 못한다.
연료봉 피복관 벽 내의 마모, 결함, 또는 또 다른 변화를 검사하기 위해 연료봉에 대한 유도 전파의 사용 기술은 본 발명에 따라 손상된 연료 탐지에도 확장된다. 빗형상 변환기의 작동 특성은 도입된 신호가 피복 물 계면에 의해 피복관 내부 벽상에서 누설되도록(쉽게 감쇠되도록) 변화되는데, 이는 연료봉 내의 물이 손상의 표시기이기 때문이다. 다음으로, 수용 변환기( 빗형상 또는 비-빗형상)는 부가적으로 이용될 수 있으며, 전달 변환기로서 연료봉의 동일면 또는 반대 면에 위치될 수 있다. 수용된 신호의 진폭은 연료 봉의 안정도(soundness)를 나타낸다. 고 진폭의 신호는 연료봉에 물이 없음을 나타낸다. 고 진폭의 반사파는 연료봉이 손상되었음을 나타낸다.
연료봉의 피복관이 손상되었는지를 결정하기 위한 종래의 초음파 기술과 비교한 본 발명에 따른 잇점은 피복관 내부벽의 대형 면적이 손상을 탐지할 가능성을 갖는 물의 존재에 대해 검사할 수 있다는 것이다. 종래 기술인 초음파 방법은 0.38cm2내지 0.65 cm2(0.060 내지0.100 inch2)의 좁은 피복 면적(즉, 0.254cm(0.1 inch)의 축선 높이)을 시험한다. 종래 기술에서, 전체 원주 스캔에 대한 단일 지점 0.20 내지 0.77cm2(0.030 내지 0.12 inch2) 만이 검사된다. 본 발명은 연료봉의 15.2cm(6 inch) 연료봉의 축선 높이에 대한 연료 피복관 내부 벽의 면적에 대해 시험한다. 이는 손상된 연료 봉 내의 물을 탐지하는 가능성을 증가시킨다. 빗형상 변환기가 변환기의 위치로부터 연료봉의 단부 캡까지 연료 봉 내에서 이동하는 비 대칭 음장을 발생하는 부분 부하식이므로, 검사된 피복관의 면적은 적어도 강도의 순서에 의해 증가된다.
본 발명의 또 다른 방법에 따라, 빗형상 변환기는 연료 조립체의 하부 스페이서 위의 스팬의 중심에 위치되며, 검사되어질 연료봉의 하단부 캡 용접부를 반사하하고 아래로 이동되어질 초음파 유도 전파를 전달하며, 반사된 초음파 신호는 밤사된 신호의 진폭이 연료봉 내의 물의 존재를 나타내는 빗형상 변환기에 의해 수용된다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 따라, 핵 연료봉 마모 또는 연료봉 손상의 탐지 방법은 유도 전파를 발생하기 위한 "빗형상"스타일의 초음파 변환기,초음파 시험기구, 및 변환기 위치선정 시스템등이 이용된다. 특히, 빗형상 변환기는 전달 시스템 상에 장착되며, X-Y 테이블은 연료 조립체 내의 변환기를 위치시키며, 초음파 결함 탐지기는 연료봉으로부터 수용된 초음파 신호를 수용하고 나타낸다. 스위프 주파수 발생기는 변환기를 구동시키며, 전력 증폭기는 스위프 주파수 발생기의 출력을 증폭시킨다.
시험 결과
연료 봉 관 샘플 내에 비 선대칭 유도 전파를 발생시키기 위해 음조 파열 시스템 및 가변 각 변환기를 이용하여 실험이 수행된다. 음조 파열 시스템은 변환기를 좁은 주파수 스펙트럼으로 발포시키는 고 전압, 게이트, 사인 펄스를 제공한다. 좁은 스펙트럼은 분산 곡선으로부터 단일 모드의 선택을 허용하는 것이 특히 중요하다. 변환기의 주파수는 분산 곡선의 다른 부분이 여기될 수 있도록 변화될 수 있다.
이러한 시험에서, (핵연료 없이) 결함 또는 마모를 갖는 핵연료 피복관의 단편은 한쪽 또는 양쪽 단부에서 틀어막혀 있으며, 수욕 내에 잠겨있다. 분산 곡선으로부터 실험 및 이론에 기초하여 모드가 선택된다. 모든 결함 샘플에 민감도를 갖는 모드, 및 충분한 신호 대 소음 비를 갖는 모드는 이러한 테스트에 의해 결정된다. 초기에는, 검사를 수행하기 위해 5.18 MHZ 의 주파수에서 3번째 순서의 비 선대칭 모드는 충분한 감도 및 신호 대 소음비를 갖는 것으로 나타났다. 결함 위치에 관한 3" 및 0도에서 변환기의 실험 결과는 결함이 탐지된 도 6 에 도시되어 있다. 도 6에서, 0.025" 결함에 대해, 피복관은 외부에서와 같이 내부에서 물이 로딩된다.
탐지 감도에 비대칭 모드의 영향은 도 7 내지 26에 부가적인 결과가 도시되어 있다. 이러한 결과는 37도 발생 각도, 및 4.67MHZ이다. 모든 파형은 0.010" 결함을 갖는다. 도 7 내지 21은 변환기가 결함으로부터 세로방향(축방향)으로 떨어져 증가되는 것처럼 감도의 변동을 도시하고 있다. 도 22 내지 도 26은 변환기가 단일 세로 위치에서 관의 외주부 둘레로 증가되는 감도의 변화를 나타낸다.
상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
연료봉 피복관의 손상을 탐지하기 위해 연료봉을 제거하지 않고도 핵 연료 조립체 내에서 모든 연료봉의 검사를 신속하게 수행할 수 있다.
Claims (17)
- 핵 연료의 내부 코어를 둘러싸며 내벽을 갖는 피복관을 갖추고 있으며 압축성 유체내에 잠겨있는 서로 평행하게 이격된 일련의 핵 연료봉을 갖는 핵 연료 조립체 내의 핵 연료봉의 초음파 검사 방법에 있어서,상기 피복관 내에 초음파 유도 전파를 전달하는 단계와, 그리고상기 피복관으로부터 반사된 초음파를 탐지하는 단계를 포함하고 있으며,상기 반사된 초음파 유도 전파는 연료봉 내의 물의 존재를 나타내며, 상기 피복관 벽내에 틈이 존재함을 나타내는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 유도 전파의 전달 단계는 빗형상 변환기로부터 수행되는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 피복관으로부터 반사된 초음파 유도 전파의 탐지 단계는 수용 변환기에 의해 수행되는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 빗형상 변환기에 의해 전달된 상기 초음파 유도 전파는 상기 피복관 내부 벽에 대해서 누설되는 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 초음파 유도 전파는 축선 방향 선대칭이 아닌 방법.
- 제 5항에 있어서, 상기 초음파 유도 전파는 부분 부하식 빗형상 변환기에 의해 전달되는 방법.
- 제 6항에 있어서,상기 초음파 유도 전파는 스위프 주파수 파열 신호로부터 빗형상 변환기에 의해 전달되는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 반사된 초음파 유도 전파를 상기 피복관으로부터 탐지하는 단계는 초음파 결함 탐지기에 의해 수행되는 방법.
- 핵 연료의 내부 코어를 둘러싸며 내벽을 갖는 피복관을 갖추고 있으며 압축성 유체내에 잠겨 있는 서로 평행하게 이격된 일련의 핵 연료봉을 갖는 핵 연료 조립체 내의 핵 연료봉의 초음파 검사 방법에 있어서,상기 내벽으로부터 초음파 유도 전파를 상기 내부 코어 안으로 누설하는 상기 피복관 내에 상기 초음파 유도 전파를 전달하는 단계와, 그리고상기 피복관으로부터 반사된 초음파를 탐지하는 단계를 포함하고 있으며,상기 반사된 초음파 유도 전파는 연료봉 내의 물의 존재를 나타내며, 상기 피복관 벽내에 틈이 존재함을 나타내는 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 초음파 유도 전파의 전달 단계는 빗형상 변환기로부터 수행되는 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 피복관으로부터 반사된 초음파 유도 전파의 탐지 단계는 수용 변환기에 의해 수행되는 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 초음파 유도 전파는 축선 방향 선대칭이 아닌 방법.
- 제 12항에 있어서, 상기 초음파 유도 전파는 부분 부하식 빗형상 변환기에 의해 전달되는 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 초음파 유도 전파는 스위프 주파수 파열 신호로부터 빗형상 변환기에 의해 전달되는 방법.
- 제 14항에 있어서, 상기 반사된 초음파 유도 전파를 상기 피복관으로부터 탐지하는 단계는 초음파 결함 탐지기에 의해 수행되는 방법.
- 핵 연료의 내부 코어를 둘러싸며 내벽을 갖는 피복관을 갖추고 있으며 압축성 유체내에 잠겨 있는 서로 평행하게 이격된 일련의 핵 연료봉을 갖는 핵 연료 조립체 내의 핵 연료봉의 초음파 검사 장치에 있어서,초음파 유도 전파를 상기 피복관 내에 전달하기 위한 빗형상 초음파 변환기,상기 연료봉 내의 물의 존재를 나타내는 반사된 초음파를 상기 피복관으로부터 수용하기 위한 초음파 시험 기구, 및상기 변환기를 상기 핵 연료 조립체 내에 위치선정하기 위한 변환기 위치선정 부재를 포함하고 있는 장치.
- 다수의 스페이서 그리드를 갖는 핵 연료 조립체 내의 핵 연료봉의 초음파 검사 방법으로서, 상기 스페이서 그리드를 통해 연료봉이 핵 연료의 내부 코어를 둘러싸며 내벽을 갖는 피복관을 갖추고 있으며 압축성 유체내에 잠겨 있는 서로 평행하게 이격된 일련의 핵 연료봉 내부로 통과하는 초음파 검사 방법에 있어서,(a) 제일 아랫쪽 스페이서와 인접한 스페이서 사이의 폭 내부와 상기 제일 아랫쪽 스페이서 위에 빗형상 변환기를 위치선정시키는 단계와,(b) 상기 피복관 내에 초음파 유도 전파를 전달하는 단계로서, 상기 유도 전파는 상기 피복관 내에서 아래로 이동하며 상기 연료봉의 하단부 캡 용접물에서 반사되는 유도 전파의 전달 단계와, 그리고(c) 반사된 초음파의 진폭이 상기 연료봉 내의 물의 존재를 나타내는 상기 연료봉의 상기 하단부 캡으로부터 상기 반사된 초음파를 탐지하는 단계를 포함하는 방법.
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| JPH11281631A (ja) | 1999-10-15 |
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