KR20000046254A - 원자로용 건조상태 조사시편 취급공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자로의 기계적 성질을 확인하고, 원자로 운전의 신뢰성을 확인할 목적으로 원자로 내에 원자로 용기의 재질과 같은 재질의 시편(조사시편)을 설치하여 주기적으로 제거한후 취화상태를 검사할 때 상기 조사시편을 취급하기 위한 원자로용 건조상태 조사시편 취급공구에 관한 것이다.

조사시편의 래치, 언래치 조작장치가 되어 있고, 장비를 인양할수 있는 구조물인 리프팅 볼과;

프로텍션 슬리브(Protection Sleeve) 내에 들어가 있으며 상하 이동할수 있는 구조로 되어 있는 구조로서, 상하 이동거리는 조사시편의 길이보다 길게 하여 조사시편 인양시 조사시편이 프로텍션 슬리브 내에 완전히 들어갈수 있게 하였고, 리프팅 튜브의 하단에는 스톱링이 있어 리프팅 볼을 수직으로 인양시 스톱링에 의해 프로텍션 슬리브가 따라 올라오게 되어 있는 리프팅 튜브와;

내경이 다른 2개의 스테인레스 스틸 파이프를 겹쳐놓고 그 사이에 납을 넣어 방사선을 차폐할수 있는 프로텍션 슬리브와;

허브 : 실제 조사시편 상부를 체결하는 부분으로 조사시편 상부의 홈에 들어가서 허브의 핑거(Finger)가 벌어지면 조사시편이 체결되는 구조로 된 허브; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

원자로용 건조상태 조사시편 취급공구

본 발명은 원자로의 기계적 성질을 확인하고, 원자로 운전의 신뢰성을 확인할 목적으로 원자로 내에 원자로 용기의 재질과 같은 재질의 시편(조사시편)을 설치하여 주기적으로 제거한후 취화상태를 검사할 때 상기 조사시편을 취급하기 위한 원자로용 건조상태 조사시편 취급공구에 관한 것이다.

원자력 발전소의 원자로 용기는 핵연료를 저장하여 연쇄 핵반응이 일어나는 장소를 제공하기 위하여 설계되어 있다.

또한, 원자로 용기는 약 40년의 설계수명 기간 동안 직면하게 될 방사선 영향과 부식 뿐만 아니라 높은 압력(약 2485Psig)과 높은온도(약 650℉)에 의한 응력에 견딜수 있도록 설계되어 있다.

그러나, 방사선 조사로 인한 원자로 용기의 기계적 성질이 열화될수 있으며, 이를 조사취화라고 하는데, 이러한 원자로의 기계적 성질을 확인하고, 원자로 운전의 신뢰성을 확보할 목적으로 원자로 내에 원자로 용기와 같은 재질의 시편(조사시편)을 설치하여 주기적으로 제거한후 취화상태를 검사하고 있다.

이 조사시편은 원자로 용기 제작후 남은 재료로 만들어져 있다.

실례로 조사시편 제거후 조사 취화상태를 검사한 기록을 보면 도 1과 같다.

도 1은 한국의 고리 3호기에 설치된 조사시편의 조사취화 상태를 검사한 1998년 5월의 자료이다.

여기서, EFPY(Effective Full Power Year) : 발전소 "유효 전출력 운전년수"

위치 : 원자로 내에 있는 조사시편 6개의 장소를 U, V, W, X, Y, Z로 표시한 위치

ΔRTNDT : "기준 무연성 천이온도"로서 금속재료의 온도가 내려감에 따라서 극한강도가 항복점에 접근하여 측정 가능한 소성이 없는 상태

도 1에서 보듯이 유효 전출력 운전년수가 오래 될 수록 조사시편의 ΔRTNDT가 올라 갔는데 이는 원자료 용기의 ΔRTNDT가 올라 갔음을 뜻하는 것으로 원자로 용기에 좋지 않은 결과를 보여주고 있다.

그 외에 조사시편에 대한 시험으로는

0. 기계적 특성 시험(충격시험, 인장시험, 장력시험)

0. 중성자 조사량 측정

0. 성분분석

0. 최고온도 확인

0. 압력온도 한계곡선 산출 등이 있다.

도 2는 원자로 용기 내에 있는 조사시편의 개략도 이다.

조사시편(10)의 상부(Top Support Plug,11)는 인출시 사용할수 있도록 직경이 다르게 가공되어 있으며, 본체는 작은 시편들이 결합되어 있어서 뭉치를 이루고 있다.

이 작은 시편을 하나 하나 분리하여 원자력 연구소에서 각종 시험을 수행한다.

조사시편(10)의 길이는 약 1530mm이고, 무게는 약 8kg이다.

원자로 용기의 건전성을 확인하기 위하여 주기적으로 조사시편을 인출하여 연구소로 보내어 검사를 하는데 인출과정을 살펴보면 도 3 및 도 4와 같다.

도 3에서 보듯이 조사시편을 제거하여 신연료 승강기에서 조사시편 Cask로 이동시(이동거리 약 10m, 이동시간 약 15분) 연구소 보유장비를 사용하면 방사선 차폐가 전혀 되지 않아 작업자가 과피폭을 당하고 있다.

피폭량이 100∼200mRem 이면 핵연료 작업자가 통상 1회 핵연료 재장전 수행시 받는 피폭량의 절반과 같다고 볼수 있다.

따라서, 작업자의 피폭량을 획기적으로 줄이고, 작업을 안전하게 수행하기 위한 조사시편 취급공구의 개발이 필요하였다.

현재 연구소에서 보유하고 있는 장비는 단순히 조사시편을 옮기는 역할만 하는데 길이가 약 1.5m, 직경 1인치의 알미늄 파이프로 되어 있고, 상부 끝은 크레인 훅크에 매달수 있는 형태로 되어 있으며, 파이프 하부에 가는 와이어의 한쪽 끝을 고정하고, 올가미 형태를 만든 뒤 가는 와이어를 파이프 위로 올려서 파이프 상단에 고정된 바이스 플라이어의 아래 턱(구멍이 뚫려 있음)에 관통시켜 두고, 아래로 내려가지 않도록 와이어 끝을 구멍보다 크게 해둔다.

도 5는 연구소용 툴로 신연료 승강기 내의 조사시편 수중 이송용기에서 조사시편을 꺼내어 연구소 운반용 Cask에 넣고 있는 모습을 보이고 있는데 체결방법은 가는 와이어 올가미로 조사시편의 상부를 조여서(일명 홀치기) 체결하는 방식이다.

이와 같은 선행기술의 사용방법은 다음과 같다.(도 5참조)

먼저, 사용후 연료취급 기중기에 툴을 매달고 바이스 플라이어가 풀린상태(파이프 하단 와이어가 느슨한 상태)에서 툴을 조사시편 상부에 내린다.

그리고, 조사시편 상부에 올가미 형태로 만든 가는 와이어가 들어가면 호이스트를 멈추고 손으로 가는 와이어를 위로 당기며 와이어 클램프로 고정시킨다.

이어서, 바이스 플라이어를 잠궈서 가는 와이어가 좀더 단단하게 조여질수 있도록 하고(2차 고정), 조사시편을 인양하여 연구소 운반용 Cask로 이동한다.

또한, 조사시편을 연구소 운반용 Cask에 넣고 바이스 플라이어를 풀어서 1차 풀음후에 와이어 클램프를 풀고(2차 풀음) 와이어를 더욱 느슨하게 풀어낸후 툴을 인양하여 조사시편과 분리한다.

이러한 선행기술은 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 조사시편 체결후 이동시 와이어 파손이나 바이스 플라이어의 풀림등으로 조사시편 낙하의 우려가 있고, 연구소에서 임의로 만든 장비로서 툴의 상세도면이 없다.

또한, 현장에서 사용할때의 문제점으로는 툴 각 부의 건전성을 확인하지 못하고 툴을 사용하며, 방사선 차폐가 전혀 되지 않아서 작업자가 과피폭을 당하고 있고, 자체 보유 장비가 아니어서 평상시 툴 조작습득이 어려우며, 연구소 소유의 장비여서 매 작업시마다 발전소 반입 사용후 반출하여야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 기술적인 과제는 차폐체를 사용하여 방출 방사선을 차폐시키고, 조사시편을 확실하게 체결할수 있도록 툴의 체결부위에 허브(Hub)를 채용한 것이다.

도 1은 조사시편의 조사 취화상태를 나타낸 도표

도 2는 조사시편의 개략도

도 3은 조사시 인출과정을 나태낸 도표

도 4는 조사시편 제거 및 이송단계를 나타낸 개략도

도 5는 연구소용 툴 사용방법을 나타낸 개략도

도 6은 원소표를 나타낸 도표

도 7은 반가층 값과 1/10가층 값을 나타낸 도표

도 8은 금속의 부식순위를 나타낸 도표

도 9는 프로텍션 슬리브의 아이볼트를 나타낸 개략도

도 10은 조사시편과 허브의 체결상태를 나타낸 개략도

도 11은 본 발명의 조립도

도 12는 리프팅 볼의 조립도

도 13은 리프팅 튜브의 조립도

도 14는 프로텍션 슬리브의 조립도

도 15는 본 발명의 사용상태도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 조사시편

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 취급공구는약 97kg의 무게와, 2537mm의 길이(참고:조사시편을 체결후 이동시 최대길이:4211mm), 재질은 스테인레스 스틸과 납으로 밀봉되어 있으며 차폐체로 사용한다.

본 발명의 주요 구성요소에 대하여 설명한다.

리프팅 볼 : 조사시편의 래치, 언래치 조작장치가 되어 있고, 장비를 인양할수 있는 구조물이다.

리프팅 튜브 : 프로텍션 슬리브(Protection Sleeve) 내에 들어가 있으며 상하 이동할수 있는 구조로 되어 있다.

상하 이동거리는 조사시편의 길이보다 길게 하여 조사시편 인양시 조사시편이 프로텍션 슬리브 내에 완전히 들어갈수 있게 하였다.

또한, 리프팅 튜브의 하단에는 스톱링이 있어 리프팅 볼을 수직으로 인양시 스톱링에 의해 프로텍션 슬리브가 따라 올라오게 되어 있다.

프로텍션 슬리브 : 내경이 다른 2개의 스테인레스 스틸 파이프를 겹쳐놓고 그 사이에 납을 넣어 방사선을 차폐할수 있도록 하였다.

허브 : 실제 조사시편 상부를 체결하는 부분으로 조사시편 상부의 홈에 들어가서 허브의 핑거(Finger)가 벌어지면 조사시편이 체결되는 구조로 제작된다.

상기 취급공구의 조립과정을 설명하면 다음과 같다.

리프팅 볼에 푸쉬로드를 연결하고, 리프팅 볼에 리프팅 튜브를 연결하며, 프로텍션 슬리브 속으로 리프팅 튜브를 넣고, 리프팅 튜브의 끝에 허브를 조립한다.

취급공구의 동작은 다음과 같다.

프로텍션 슬리브 상단의 아이볼트 2곳에 와이어 로프를 연결하고, 와이어 로프와 리프팅 볼을 "사용후 연료취급 기중기"에 매단다.

와이어 로프의 길이는 프로텍션 슬리브의 상단이 최대한 리프팅 볼에 닿도록 짧게 한다.

리프팅 볼에 있는 푸쉬로드를 "언래치" 위치에 두고 록크핀을 끼워서 고정시킨다.

"사용후 연료취급 기중기"를 운전하여 조사시편 취급툴을 신연료 승강기에 있는 조사시편 위에 정렬시킨다.

기중기 호이스트를 서서히 내린다.

조사시편 상부(Top Support Plug) 내로 장비의 허브가 들어가면 크레인을 멈춘다.

리프팅 볼의 푸쉬로드의 록크핀을 빼내고 푸쉬로드를 손으로 눌러서 "래치"시키고 그 위치에서 록크핀을 끼워서 푸쉬로드가 움직이지 않게 한다.(조사시편 체결됨)

기중기 호이스트를 약간더 내려서 프로텍션 슬리브의 와이어 로프를 제거한다.

크레인 호이스트를 서서히 올린다.

이때는, 리프팅 튜브에 물려있는 조사시편이 프로텍션 슬리브 속으로 올라가고 완전히 들어간 뒤에는 리프팅 튜브 하단의 스톱링이 프로텍션 슬리브 상단에 걸려서 프로텍션 슬리브 까지 인양된다.

호이스트를 계속 올려 툴 바닥이 퓰 블러지 148' 바닥에서 약 2m 떨어질 때 까지 올린다.(이동중 구조물 간섭을 피하기 위하여)

기중기를 준비된 연구소 반출용 Cask 위로 이동하여 중심을 정확히 일치시킨다.

호이스트를 서서히 내리고 프로텍션 슬리브 하단이 연구소 Cask 상단과 접촉하게 되면 그 뒤부터 리프팅 튜브에 물려있는 조사시편이 프로텍션 슬리브를 벗어나 Cask 내로 들어간다.

이때, 리프팅 볼이 프로텍션 슬리브 상단까지 완전히 내려가면 호이스트를 멈춘다.

리프팅 볼의 푸쉬로드 록크핀을 빼고 푸쉬로드를 위로 당겨(언래치 시켜) 허브에 물려있는 조사시편을 분리시킨다.

"언래치" 위치에서 록크핀을 꼽고 프로텍션 슬리브 아이볼트에 걸려있는 와이어 로프를 훅크에 걸고나서 호이스트를 올려서 툴을 제거한다.

본 발명에 따른 취급공구의 제작상 특징은 다음과 같다.

장비의 분해, 조립이 용이하도록 나사로 각 부품을 조립하였다.

따라서, 분해, 조립이 쉽고, 보관이 쉽도록 하였다.

사용후 연료 저장조에서 붕산수와 접촉하게 되므로 모든 재질은 스테인레스 스틸을 사용하여 부식방지를 하였다.

본 발명에 따른 취급공구의 안전성은 다음과 같다.

본 발명의 조사시편 취급공구는 고 방사선 물질을 취급해야 하는 관계로 방사선 조사로 부터 작업자를 보호할수 있도록 충분히 차폐를 해야 하고, 조사시편 취급도중 툴에서 조사시편이 낙하되는 일이 없도록 구조적 안전성이 보증되어야 하고, 평상시 보관 및 이동(사업소간 이동 포함)이 쉽도록 심플하게 제작되어야 하며, 툴 자체가 방사선에 의하여 손상되지 않는 재료를 택하여야 한다.

따라서, 다음 상태가 건전한 지를 검토하였다.

(가) 방사선 차폐 검토

작업자가 일시에 많은 양의 방사선에 피폭되어 단시일 내에 인체에 미치는 영향을 살펴보면,

0 5∼75 Rem 피폭시 : 약간의 염색체 변화 및 일시적인 백혈구 수치변화가 있고 수일내 정상회복 된다.

0 75∼200 Rem 피폭시 : 피로, 식욕부진, 구토현상이 있고 2∼3주 이내 정상회복 된다.

방사선의 종류에는 핵에서 방출되는 α선(입자), β선(입자), 중선자선(입자), γ선(파동), 전자에서 방출되는 X선(파동), 가시광선(파동)이 있다.

발전소에서 문제가 되는 방사선은 핵에서 방출되는 α-입자, β-입자, γ-선, 중성자(n선)등이다.

이들중, α-입자, β-입자, 중성자선(n선)은 투과력이 약하여 α-입자는 종이, β-입자는 얇은 금속, 중성자(n선)은 물과 같은 물질로 쉽게 차폐가 가능하다.

그러나, γ-선은 질량을 측정할수 없고, 빛과 같은 속도로 움직이며, 투과력이 제일 세기 때문에 차폐하기가 매우 어렵다.

γ-선으로 부터 작업자를 보호하려면 밀도가 높은 물질로 차폐해야 한다.

본 공구의 차폐체로는 납(Pb)을 선택하였는데 이는 비교적 밀도가 높고, 값이 싸고, 구입하기 쉬워서 였다.

도 6은 각종 원소의 기호와 밀도를 나타낸 것이다.

장비의 차폐체로 납(Pb)을 선택한 뒤에 차폐물의 두께를 측정하기 위하여 반가층과 1/10가층 개념을 사용하였다.

반가층이란 광자의 세기를 1/2로 줄이는데 필요한 물질의 두께를 말하고, 1/10가층이란 광자의 세기를 1/10로 줄이는데 필요한 물질의 두께를 말한다.

도 7은 차폐체로 납과 물을 사용하였을 경우 반가층과 1/10가층의 값을 표시한 것이다.

(나) 장비의 부식문제 고려

이 장비 사용할 때에는 붕산수와 접촉하게 되고, 또한 방사선 조사를 받게 되는데 이로 인하여 장비의 부식이 우려되었다.

부식의 영향을 보면 크로드(부식 생성물) 발생으로 작업자의 체내 피폭원인이 되고 장비의 내구성이 떨어지게 된다.

따라서, 부식저항이 큰 금속을 장비의 주요 구조물에 사용하였다.

도 8은 금속의 부식정도를 순위에 따라서 스테인레스 강을 선택하였다.

참고로, 원자로 헤드나 용기도 부식 생성물을 극소화하기 위하여 오스테나이트 스테인레스강으로 피복되어 있다.

알미늄 재료를 사용하여 툴을 가볍게 만들수도 있으나, 붕산수(PH 4의 산성)와 접촉시 산화피막이 생기고 피막이 떨어져 나가므로 발전소에서는 원칙적으로 붕산수와 접촉하는 부위에는 사용치 않고 있다.

(다) 각 부의 응력계산

이 장비의 부품들이 조립되었을 때 구조적으로 건전한 가를 확인해 보았다.

1) 프로텍션 슬리브의 아이볼트 건전성 여부

도 9와 같이 아이볼트의 규격은 M10-1.5(Pitch:1.5mm, O.D:10.0mm, I.D:8.376mm) 이고, 아이볼트에는 축 방향으로만 인장하중(P)이 70kg 작용한다.

아이볼트의 재료(주강)의 극한강도(인장강도)가 36kg/㎟ 인데 안전율을 고려하여(정하중을 받는 경우 안잔율을 3으로 함) 허용 인장응력을 구하여 보면

안전율 S = 극한강도/허용응력 = 36kg/㎟/허용응력 = 3,

그러므로 허용 인장응력은 12kg/㎟ 이다.

볼트 재료의 허용인장응력을 б = 12kg/㎟ 라고 할 때 아이볼트에 걸리는 인장응력(б)을 계산해 보면

б = P/A = 인장하중/볼트 골지름의 단면적 = 1.27kg/㎟

따라서, 아이볼트에 걸리는 인장응력이 볼트재료의 허용인장응력 인내에 들어가므로 안전하다.

2) 리프팅 볼과 리프팅 튜브 조립부의 건전성 검토

리프팅 볼에 기중기 훅크를 체결하여 조사시편을 이동할 때 위의 조립부분에 걸리는 무게는 "리프팅 튜브 무게 + 프로텍션 슬리브 무게 + 조사시편 무게"이다.

이 무게는 대략 100kg정도이다.

리프팅 볼에는 내경이 20mm에 골지름이 "33.5mm, W1½*12산"의 수나사로 되어 있고, 리프팅 튜브에는 외경이 50mm에 골지름이 "38.1mm, W1½*12산"의 암나사로 되어 있다.

리프팅 볼에 수나사가 견딜수 있는 최대 무게(P)를 구해보면

P = 6803kg 으로 수나사에 걸리는 무게 100kg 보다 크므로 안전하다.

리프팅 튜브의 암나사가 견딜수 있는 최대 무게(P)를 구해보면

P = 9872kg 으로 암나사에 걸리는 무게 100kg 보다 크므로 안전하다.

3) 리프팅 튜브와 허브 조립부의 건전성 검토

이 조립부에 걸리는 무게는 프로텍션 슬리브 무게 + 조사시편 무게이고, 사용한 나사의 규격과 파이프 두께는 같으므로 상기 (2)의 결과를 봐서 건전하다고 할수 있다.

(4)허브핀에 걸리는 전단응력

핀재료(주강)가 정하중 상태에서의 허용 전단응력은 5kg/㎟ dlek.

따라서, 핀의 전단응력(т)는 0.26kg/㎟

따라서, 핀이 받는 전단응력이 핀 재료의 허용전단응력보다 작으므로 안전하다.

(라)조사시편 상부와 허브의 체결상태 건전성 검토

도 10에서 보듯이 1)언래치 상태에서 건조상태 조사시편 취급툴의 허브 끝단의 직경은 약 33mm 로 조사시편 톱 서포트 링 상부직경 43mm 보다 크므로 허브가 톱 서포트 링 상부 속으로 자연스럽게 들어간다.

2) 허브의 핑거가 톱 서포트 링의 중간(27mm)을 통과할때는 핑거가 허브핀을 축 중심으로 하여 안으로 오므라 들게 하므로(25mm) 허브가 조사시편 톱 서포트 링 속으로 완전히 들어간다.

3) 리프팅 튜브의 록킹핀을 빼고 푸쉬로드를 아래로 눌러서 록크핀을 다시 체결하면 핑거는 톱 서포트 링 내에서 벌어지게 된다.

핑거가 벌어졌을 때 직경은 33mm 이고, 톱 서포트 링 내의 직경은 36mm로서 약 3mm의 틈이 있다.

4) 체결상태에서 툴을 들어 올리면 조사시편의 톱 서포트 링 중간 목부분이 벌진 핑거에 걸려서 아래로 떨어지지 못하게 된다.

따라서, 체결부위는 안전하다고 할수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 장비는 기존의 장비와 대비하여 볼 때 공간선량(공기중에 발산하는 방사능의 양)이 줄어들고, 작업자의 피폭량이 줄어 들었다.

또한, 피폭에 대한 부담을 덜고 작업에 임할 수가 있어서 작업 신뢰도 향상효과가 기대되고, 기술능력의 상승효과와 기술개발 의지력을 고취시킬수 있다.

Claims (1)

1. 조사시편의 래치, 언래치 조작장치가 되어 있고, 장비를 인양할수 있는 구조물인 리프팅 볼과;

   프로텍션 슬리브(Protection Sleeve) 내에 들어가 있으며 상하 이동할수 있는 구조로 되어 있는 구조로서, 상하 이동거리는 조사시편의 길이보다 길게 하여 조사시편 인양시 조사시편이 프로텍션 슬리브 내에 완전히 들어갈수 있게 하였고, 리프팅 튜브의 하단에는 스톱링이 있어 리프팅 볼을 수직으로 인양시 스톱링에 의해 프로텍션 슬리브가 따라 올라오게 되어 있는 리프팅 튜브와;

   내경이 다른 2개의 스테인레스 스틸 파이프를 겹쳐놓고 그 사이에 납을 넣어 방사선을 차폐할수 있는 프로텍션 슬리브와;

   허브 : 실제 조사시편 상부를 체결하는 부분으로 조사시편 상부의 홈에 들어가서 허브의 핑거(Finger)가 벌어지면 조사시편이 체결되는 구조로 된 허브; 로 구성됨을 특징으로 하는 원자로용 건조상태 조사시편 취급공구.