KR20030016472A - 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연구로에서 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐에 관한 것으로서, 발전소 가동온도조건과 같은 최적의 조건에서 시험편의 조사시험을 수행할 수 있도록 하며, 노심에서 강제 대류되는 유체유발 진동에 의한 영향을 최소화시키면서 캡슐의 장착방식에 관한 취약성을 극복하는 안전한 조사시험을 가능하도록 하기 위하여,

양단이 개구 형성된 외통과, 상기 외통의 내에 삽입되는 열전대, 중성자 측정기, 진공제어 파이프, 히터 등의 계장품과, 열매체와, 열매체 내부에 위치하는 시험편과, 열매체 간에 끼워지는 단열재와,

외통의 상/하단을 밀폐하는 상/하단 앤드 플러그와,

외통 상단 외주면에 구비되는 가이드 스프링 및 하측 앤드 플러그의 저면에 결합되는 환형링을 구비하는 가이드 핀이 장착된 하부 고정장치를 포함한 구성으로 이루어져 연구용 원자로 내의 조사공에 장전되는 캡슐본체와;

수조 외부에 위치하는 제어장치와 연결된 접속상자에 안전하게 연결하는 배관수단을 포함하여 이루어지는 계장캡슐을 제공한다.

Description

원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐 {Instrumented Capsule for Materials Irradiation Tests in Research Reactor}

본 발명은 재료조사시험용 캡슐에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조사시편의 이력 계측 및 시험조건의 제어가 가능한 계장캡슐에 관한 것이다.

차세대 원자로를 비롯한 각종 원자로의 개발은 핵연료를 포함한 다양한 문제를 내포하고 있다. 당면한 가장 큰 문제는 방사선 조사와 관련한 제반 현상의 규명과 조사로 인한 노화(aging)에 견딜 수 있는 첨단 재료를 만들어 내는 일이다.

최근에는 원자력 신소재, 차세대 경수로, 신형 경수로, 액체금속로 및 핵연료에 대한 다양한 연구 개발이 진행되고 있는 가운데, 이들 과제에서 달성하고자 하는 목표중 하나가 기존에 사용하고 있는 재료 혹은 새로운 개량재료에 대한 중성자 저항성을 평가하는 것이다.

원자력 핵심 부품재의 원자로내 사용중, 고속 중성자 조사에 의해 발생되는 여러 기계적 물성의 저하로 인한 재질열화는 원자력발전소의 건전성 확보 및 수명을 단축하는 주요 요인 중의 하나이다. 따라서, 새로운 원자력 재료개발이나 주요 구성품의 설계변경 시에도 중성자 저항성과 관련한 연구로에서의 조사시험은 반드시 거쳐야 할 필수적인 단계로 정착되어 있다.

상기와 같은 연구로내 조사시험을 위하여 이용되는 시설 중에 시험대상이 되는 다양한 재료의 시편을 내장한 상태로 연구로 내의 조사공에 장착되는 캡슐은 가장 핵심적인 장비로서,

조사기간 중에 캡슐내부의 온도, 분위기를 조정할 수 있도록 외부와의 연결채널을 구비하는 계장캡슐과, 연결체널이 없어 내부 조건을 조정할 수 없는 무계장캡슐로 구분된다.

본 발명의 주 관심사인 상기 계장캡슐은, 캡슐내의 온도를 조절하는 장치가 구비되어 있지 않으므로 목표로 하는 시험편의 조사온도를 조절할 수 없어 실제 가동중 원자로의 온도조건과 동일한 시험이 불가능한 상기 무계장캡슐의 발전된 형태의 조사시험 설비로서, 조사목적에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있으며, 열전대, 보조히터, 압력센서, 스트레인 게이지, 중성자 측정기 등 조사목적에 따라 다양한 계장품이 캡슐내에 장입되어 조사시험에 이용될 수 있다.

계장캡슐을 이용한 활용범위는 매우 다양하며 핵연료 및 금속재료에 대한 시험이 모두 가능하나 본 발명은 핵연료를 제외한 원자력 핵심 부품재가 되는 각종재료에 관한 조사시험에 관련된다.

캡슐 본체의 구조는 크게 시험편홀더(holder)(14) 역할을 수행하는 열매체(13) , 시험편(2), 조사량 평가용 중성자 측정기(dosimeter)(29), 열전대(25), 스테인레스강 재질의 외통(11)으로 구성되어 있다. 본체 외통은 길이가 대략 1 m, 외경이 60 mm인 원통쉘이다. 캡슐 본체 내부에 장전된 재료시험편의 온도제어를 위하여 본체내부에 헬륨가스의 압력을 조절하기 위한 진공제어 파이프와 가열을 위한 히터를 계장하고, 캡슐본체 내부의 계장선들과 제어장치를 연결하는 배선을 원자로 냉각수와 차단하고 기밀/수밀을 이루기 위한 보호관, 안내관 및 이들을 제어장치와 연결하는 연결수단이 설치된다. 이로써 캡슐내 시험편의 조사목표온도 달성이 용이하여 실제 원자로에서의 사용조건과 유사한 최적의 조사시험을 이룰 수 있게 되는 것이다.

상기 연결수단은 계장캡슐 본체내부에 설치되어 있는 히터 배선, 열전대 배선 및 진공 제어용 헬륨가스관들에서의 각종 입출력신호를 보호관 (protection tube) 및 안내관(guide tube)을 통하여 원자로 상부에 위치한 제어장치에 전달하기 위한 연결매체로서, 계장캡슐과 제어장치와의 중간에 위치되어 사용된다. 이것은 무계장캡슐과 구별되는 부품으로서, 조사시편온도의 감시 및 제어에 활용되고있다. 상기 연결수단은 종래 도 14에 도시된 바와 같은 형태의 캡슐 접속유니트(junction unit)(110)를 사용하였다. 그러나 상기한 종래의 캡슐 접속유니트(110)는 구조가 복잡하여 좁은 공간 내에서 진공제어 튜브를 접속하는데 무리가 따르는 등 캡슐 제작을 어렵게 했으며, 무게가 무거워 캡슐의 이동시 또는 조사시험용 원자로에 장/탈착시 그 무게가 어느 정도 유연성을 구비하는 안내관에 가해져 안내관의 허용곡률반경 이상으로 구부러짐이 발생하는 등의 문제점이 있었다.

한편 노심에서 재료조사시험을 수행하기 위해서는 캡슐 및 관련 설비의 구조건전성이 만족되어야 한다. 이 일환으로 AMSE B&PV Code, Section Ⅲ, Div. 1, Part NF에 규정하는 조건 즉, 정하중(Dead Loads), 운전기준지진(Operationg Basic Earthquake:OBE)과 안전정지지진(Safe Shutdown Earthquake:SSE)에 따른 내진해석 및 구조해석이 수행되어야 한다. 특히 캡슐이 설치되는 노심 조사공은 강제대류 영역으로서 캡슐 주요부품들의 설계 요구조건 또한 매우 중요하다.

냉각수 흐름이 상부방향으로 이루어지는 연구용 원자로의 경우 통상적으로 수직 조사공에 캡슐을 장전하여 원하는 재료조사시험을 수행한다. 그러나 연구로 내의 강제 순환식 냉각수 흐름으로 인하여 캡슐에 진동문제가 야기될 수 있어 관련 설비의 구조건전성이 만족되어야 한다. 이를 위하여 조사시험 동안 캡슐구조물을 고정하는 장치와 캡슐을 조사공에 장.탈착하는 방법들이 각 연구로의 특성에 맞도록 개발되어 사용중이다.

캡슐의 고정은 일반적으로 캡슐본체에 연결된 보호관의 최상부에 위치하는 그래플 해드(84)를 회전하여 고정하므로, 이에 의한 비틀림응력 등으로 인하여 캡슐 외통 하단부에 위치하는 가이드 핀(guide pin)(38a)은 전체 구조중 가장 취약한 부위로서 경우에 따라 절단되는 등의 문제점이 있었던 실정이다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 노력한 결과, 시험편을 내장하고 내부의 온도를 조절하는 다양한 계장품이 구비되고, 조사공 내부에서 지지의 건전성을 확보하는 개선된 계장캡슐을 개발하여 연구용 원자로를 이용한 원자력 구조재료의 조사시험이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하였다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로서,

본 발명의 목적은 캡슐내부에 원자력 재료 시험편을 내장하고 목표 조사량과 조사온도를 정확하고 용이하게 조절하도록 설계함으로써 발전소 가동온도조건과 같은 최적의 조건에서 조사시험을 할 수 있도록 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐을 제공하는 데 있다.

또한, 노심에서 유체에 의한 진동으로 인접 구조물에 간섭이 예상되어 하부 고정장치 외에도 노심에 설치되는 계장캡슐 구조물이 허용기준을 만족하도록 캡슐구조물에 적절한 수단을 고려하여 안전한 조사시험이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 캡슐 내에 내장된 열전대, 히터 등의 계장선들과 수조 밖에 놓여있는 제어장치와의 연결부에 대한 안전성을 감안한 간편하고 단순한 연결방안을 제공함과 동시에 냉각수 흐름이 상부방향으로 이루어지는 연구로에서 캡슐의 구조건전성 확보를 위한 고정장치를 구비함으로써 캡슐을 장.탈착하는 방법과 관련한 특성에 적합하게 사용할 수 있도록 하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 계장캡슐이 연구용 원자로에 설치되어 조사되는 상태를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 계장캡슐에서 캡슐본체의 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 계장캡슐에서 캡슐본체의 배선을 원자로 수조 밖으로 보호 안내하는 배관수단을 보인 단면도.

도 4는 도 2에 도시된 캡슐본체를 확대한 단면도로서,

도 4a는 캡슐본체의 상단부분 발췌 단면도,

도 4b는 캡슐본체의 하단부분 발췌 단면도.

도 5는 캡슐본체에 내장되는 열매체를 보인 것으로서,

도 5a는 열매체의 정면도,

도 5b는 중심 및 외곽부에 다양한 형태의 시편이 장착된 열매체를 도시한 평면도,

도 5c는 도 5b의 A-A선 종단면도,

도 5d는 열매체의 외관 전개도.

도 6은 캡슐본체에 내장되는 반사체를 보인 것으로서,

도 6a는 반사체의 종단면도,

도 6b는 반사체의 평면도.

도 7은 캡슐본체에 내장되는 단열재를 보인 것으로서,

도 7a는 단열재의 종단면도,

도 7b는 단열재의 평면도.

도 8은 캡슐본체의 상측 엔드 플러그를 보인 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 하부고정장치를 도시한 도면으로서,

도 9a는 하부 고정장치를 분해한 단면도,

도 9b는 본 발명에 따른 환형 링을 구비한 가이드 핀의 사시도,

도 9c는 종래 가이드 핀의 사시도.

도 10은 하부 잠금장치의 스토퍼(stopper)를 보인 평면도.

도 11은 원자로 조사공의 고정판(receptacle)을 보인 사시도.

도 12는 가이드 스프링(guide spring)을 보인 사시도 및 평면도.

도 13은 히터, 열전대, 진공제어 파이프를 제어장치와 연결하는 접속상자(junction box)를 도시한 도면으로서,

도 13a는 접속상자의 정면도,

도 13b는 접속상자의 후면도.

도 14는 종래기술에서 히터, 열전대, 진공제어파이프를 제어장치와 연결시킬 때 사용된 캡슐 접속 유니트를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 계장캡슐 2 : 시험편

10 : 캡슐본체 11 : 외통

13 : 열매체 14 : 시험편 홀더

15 : 연결핀 18 : 원형디스크

19 : 반사체 20 : 반사체 핀

23 : 단열재 25 : 열전대

27: 히터 28: 나선형 홈

29 : 중성자 측정기 31 : 하측 엔드 플러그

33 : 상측 엔드 플러그 34 : 파이프 홀

35 : 하부 고정장치 36 : 로드팁

37 : 걸림돌기 38 : 스토퍼

38a : 가이드 핀 38b: 환형 링

39 : 유동공 40 : 스토퍼 스프링

41 : 하측엔드 캡 43 : 시편가압 스프링

45 : 스프링 시트 47, 49 : 스페이서

51 : 와이어 스프링 52 : 고정링부

53 : 상단 가이드 스프링

55 : 진공제어 파이프 57 : 배선 파이프

60 : 보호관 70 : 안내관(guide tube)

80 : 접속상자(junction box) 83 : 이송용 고리

84 : 그레플헤드(grapple head) 90 : 제어장치(control system)

92 : 안내관결합부 93 : 열전대커넥터

94 : 히터커넥터 95 : 진공제어용튜브 커넥터

96 : 가압용튜브 커넥터

100 : 수조 103 : 조사공

105 : 고정판 106 : 조립 홈

106a : 고정 홈 108 : 지지 로봇암

110 : 접속 유니트(junction unit)

이를 실현하기 위한 본 발명은

양단이 개구 형성된 외통과,

상기 외통의 내부에 장입되는 것으로서, 다수로 구비되는 원통형의 열매체와, 상기 각 열매체의 중심 또는 외곽부에 끼워 고정되는 다수의 시험편과, 상기 다수의 열매체 중 최하단 열매체의 하부 및 최상단 열매체의 상부에 각각 끼워지는 반사체와, 상기 각 열매체의 사이사이와 상기 각 반사체의 외곽부에 끼워지는 단열재와, 최상부에 위치하는 단열재의 상부에 위치하는 스페이서와, 상기 스페이서 상부에 끼워지는 스프링 시트와, 시험편을 하부로 가압하기 위하여 상기 스프링 시트를 가압하는 시편가압 스프링과,

외통내의 온도 조절을 위한 진공제어 파이프와 히터로 구성되는 온도조절수단과,

시편의 온도 측정을 위한 열전대와 중성자 조사량 평가를 위한 중성자 측정기를 포함하는 검출수단과,

상기 외통의 상/하단에 결합되어 내부를 밀봉하기 위한 상/하단 엔드 플러그와,

상기 하측 앤드 플러그에 결합되는 하부 고정장치를 포함하여 구성되어 연구용 원자로의 수직 조사공에 장전되는 캡슐본체와

상기 캡슐본체를 수조 외부에 위치하는 제어장치와 연결하기 위한 배관수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 계장캡슐을 제공한다.

또한, 연구용 원자로에서 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐은 외통이 대략 1 m 길이를 갖는 원통형 캡슐본체로 이루어지는 것으로서, 조사시험중 안전하게 조사시험을 수행하기 위하여 캡슐본체를 연구로 수직 조사공의 중심에 위치하도록 고정하고 냉각수의 강제대류(forced convection)로 인하여 야기될 수 있는 진동과 같은 문제점을 해결하기 위하여 캡슐본체의 상단 외주면에 일정간격으로 설치되는 다수의 와이어스프링으로 구성되는 상단 가이드 스프링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온도조절수단은 캡슐본체 상부에 연결되어 캡슐본체 내부의 진공도를 조절함으로써 열전달을 조절하는 진공제어 파이프와, 상기 시험편을 가열하여 온도를 조절하는 히터를 포함하여 이루어지며,

상기 진공제어와 히터제어는 열전대를 이용하여 감지된 시험편의 온도에 따라 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배관수단은 캡슐본체 내부에 있는 열전대 및 히터와 연결된 배선 및 진공제어 파이프를 포함하는 계장선들을 기밀/수밀하도록 보호하는 강성을 구비한 보호관과;

상기 보호관에 연결되어 상기 보호관과 마찬가지로 열전대, 히터와 연결된 배선 및 진공제어 파이프가 내부에 위치하는 유연성을 구비하는 안내관과;

상기 안내관에 연결되어 수조 외부의 제어장치에 각종 신호의 전달을 위한 연결매체인 접속상자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하측 엔드 플러그의 하부에 부착되는 상기 하부고정장치는 상기 하측앤드플러그에 결합되는 하측앤드캡과, 이 하측앤드캡의 중심과 결합되어 하부로 뻗는 로드팁(rod tip)과, 상기 로드팁의 외주면에 미끄럼이 가능하게 장착되는스토퍼와, 상기 스토퍼와 하측 엔드 플러그 사이의 로드팁 외주면에 끼워져 스토퍼를 하부로 가압하는 스토퍼 스프링을 포함하여 구성되며,

상기 스토퍼에는 조사공의 하단으로부터 유입되는 유체가 저항을 받지 않고 원활하게 유동하도록 하기 위한 복수개의 유동공이 관통 형성되며, 그 외주면에는 조사공과 접촉되는 가이드 핀이 방사상으로 돌출 형성되고,

상기 가이드 핀을 안정적으로 지지하기 위하여 가이드 핀 각각의 끝단을 연결하는 환형 링을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 계장캡슐이 연구용 원자로에 설치되어 조사되는 상태를 도시한 개략도이고,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 계장캡슐에서 캡슐본체의 단면도로서, 각 열매체의 중심부에 예로서 한 개 씩의 시험편이 있는 경우를 도시하고 있으며,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 계장캡슐에서 캡슐본체의 배선을 원자로 수조 밖으로 보호 안내하는 배관수단을 보인 단면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 캡슐본체를 확대한 단면도로서,

도 4a는 캡슐본체의 상단부분 발췌 단면도,

도 4b는 캡슐본체의 하단부분 발췌 단면도이고,

도 5는 캡슐본체에 내장되는 열매체를 보인 것으로서,

도 5a는 열매체의 정면도,

도 5b는 중심 및 외곽부에 다양한 형태의 시편이 장착된 열매체를 도시한 평면도,

도 5c는 도 5b의 A-A선 종단면도,

도 5d는 열매체의 외관 전개도이다.

도 6은 캡슐본체에 내장되는 반사체를 보인 것으로서,

도 6a는 반사체의 종단면도,

도 6b는 반사체의 평면도이고,

도 7은 캡슐본체에 내장되는 단열재를 보인 것으로서,

도 7a는 단열재의 종단면도,

도 7b는 단열재의 평면도이다.

도 8은 캡슐본체의 상측 엔드 플러그를 보인 저면도이고,

도 9는 본 발명에 따른 하부고정장치를 도시한 도면으로서,

도 9a는 하부 고정장치를 분해한 단면도,

도 9b는 본 발명에 따른 환형 링을 구비한 가이드 핀의 사시도,

도 9c는 종래 가이드 핀의 사시도이며,

도 10은 하부 잠금장치의 스토퍼(stopper)를 보인 평면도이다.

도 11은 원자로 조사공의 고정판(receptacle)을 보인 사시도이고,

도 12는 가이드 스프링(guide spring)을 보인 사시도 및 평면도이며,

도 13는 히터, 열전대, 진공제어 파이프를 제어장치와 연결하는 접속상자를도시한 도면으로서,

도 13a는 접속상자의 정면도,

도 13b는 접속상자의 후면도이고,

도 14는 종래기술에서 히터, 열전대, 진공제어 파이프를 제어장치와 연결시킬 때 사용된 캡슐 접속 유니트를 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 계장캡슐은, 도 1에 도시한 바와 같이, 연구용 원자로의 노심에 위치하는 조사공(103)에 장착되는 캡슐본체(10)와; 캡슐본체(10)에 구비된 계장품들과 연결된 배선 및 배관을 외부의 제어장치로 연결하기 위한 보호관(60), 안내관(70) 및 접속상자(80)를 포함하는 배관수단으로 구성된다.

상기 캡슐본체(10)는 외형을 형성하는 외통(11)과;

상기 외통(11)의 내부에 장입되는 것으로서, 시험편(2)을 자체의 중심 또는 외곽부에 끼워 고정하는 다수의 열매체(13), 이 열매체(13)들의 사이사이에 끼워지는 단열재(23), 시험편(2)의 온도를 측정하기 위한 수단으로 상기 열매체에 각각 설치되는 위한 열전대(25), 중성자 조사량 평가를 위하여 상기 각 열매체(13)에 설치되는 중성자 측정기(dosimeter)(29)를 포함하여 구성되어 연구용 원자로의 수직 조사공(103)에 장전된다.

부연하면, 약 1m 길이의 원통형인 외통(11)의 내부 공간부에 모양이 다양한 다수의 시험편(2)이 열매체(13)에 끼워진 상태로 길이 방향을 따라 다단으로 적층되어 캡슐본체(10)를 형성하게 되는데, 그 시험편(2)은 원통형 혹은 사각주로 형성된 동일 길이로 구비되는 열매체(13)의 중심 혹은 외곽부에 각각 삽입된 상태로 상기 외통(11) 내부에 끼워지게 된다.

상기 열매체(13)는 다수로 구비되어 조사시험의 상황에 따라 그 수의 조절이 가능한 것으로서, 시험편(2)의 홀더(holder) 역할을 하며, 도 5b에 도시한 바와 같이, 중심부 혹은 외곽부에 시험편(2)이 끼워지는 시험편 홀이 원통형 혹은 사각주 형태로 관통 형성되고, 그 외주면은 외통(11)의 내주면과 접촉하게 된다. 이때, 각 열매체(13)는 연결핀(15)에 의해 서로 결합된 구조가 된다.

그리고 각 열매체(13)의 표면부위에는 각 시험편(2)의 온도를 측정할 수 있도록 하는 열전대(thermocouple)(25)가 설치된다. 또한, 중성자 조사량을 측정하는 중성자 측정기(dosimeter)(29)가 각 열매체(13)에 설치된다.

또한, 열매체(13)의 외주면에는 열매체(13)를 통해 시험편(2)을 가열하는 히터(27)가, 도 4에 도시한 바와 같이, 나선형으로 설치된다. 상기 히터(27)는 피복된 히터(sheath-heater)로써 열을 발생시키는 발열부만이 열매체(13) 외주면의 나선형 홈(28)에 감겨지게 된다.

그리고, 외통(11)의 가장 상단에 위치된 열매체(13)의 상부와 가장 하단에 위치된 열매체(13)의 하부에는 축방향으로 열이 방출되는 것을 방지하기 위한 반사체(reflector)(19)가 각각 위치된다. 이때 반사체(19)는, 도 6a에 도시한 바와 같이, 원형의 디스크(18)가 다단 적층되어 핀(20)에 의해 일체로 조립된 상태의 구조로 이루어진다.

시험편(2)이 삽입된 각각의 열매체(13) 사이에는 축방향으로 열이 전달되는것을 최소화시키기 위하여, 도 7a 및 7b에 도시한 바와 같은 단열재(insulator)(23)가 끼워진다. 이때, 단열재(23)는 열매체(13)의 직경과 동일한 원판형으로 형성되어 각각 연결핀(15)에 의해 고정된다.

외통(11)의 하부에는 하단부를 밀봉하기 위한 하측 엔드 플러그(31)가 결합되고, 상단에는 상단부를 밀봉하기 위한 상측 엔드 플러그(33)가 결합되며, 상기 외통(11)의 상단부 외주면에는 조사공(103)의 내주면과 탄력적으로 접촉하기 위하여, 도 12에 도시한 바와 같은 형태의 상단 가이드 스프링(53)이 끼워진다. 이때, 상기 상단 가이드 스프링(53)은 외통(11), 즉, 캡슐본체(10)를 수직 조사공(103)의 중심에 위치되도록 하는 것으로, 외통(11)과 결합을 위해 상하로 고정링부(52)를 각각 구비하며, 이 고정링부(52)에서 방사상으로 돌출되어 조사공(103)의 내주면과 접촉하게 되는 다수의 와이어 스프링(51)으로 이루어진다. 도 12에 도시한 바와 같이, 상단 가이드 스프링(53)이 6개의 와이어 스프링(51)로 이루어는 것은 조사공의 단면 형상이 육각형인 경우에 사용될 수 있는 실시예로서 상단 가이드 스프링(53)을 구성하는 와이어 스프링(51)의 수는 적용되는 조사공의 형상에 따라 변화 가능하다.

그리고, 상기 상측 엔드 플러그(33)의 내측에는 시험편(2)을 하부로 가압하기 위한 시편 가압 스프링(43)이 개재되고, 그 시편 가압 스프링(43)을 하단에서 지지하는 스프링 시트(45)가 개재되며, 최상단에 위치되는 단열재(23)와 상기 스프링 시트(45) 사이에는 스페이서(spacer)(47)(49)가 개재된다.

또한, 상기 상측 엔드 플러그(33)에는, 도8에서 도시한 바와 같이, 헬륨(He)가스를 사용하여 외통(11) 내의 진공도를 조절하는 진공제어 파이프(55)가 파이프 홀(34)을 통해 연통되게 연결되고, 그 진공제어 파이프(55)의 주변에 형성된 파이프 홀(34)에는 열전대(25) 및 히터(27)에서 인출되는 6개의 배선파이프(57)가 연결된다. 이때, 진공제어 파이프(55) 및 배선 파이프(57)는 상측 엔드 플러그(33)와 기밀하고 견고한 구조로 연결되고, 보호관(60)과 안내관(70)에 의해 보호 및 안내되어 수조(100) 상부에 위치되는 접속상자(80)를 통해 제어장치(90)에 연결되며, 내부의 기밀성을 검사하기 위해 결합시에 반드시 진공제어파이프(55)를 통해 캡슐본체(10) 내부에 고압의 핼륨가스를 주입하는 방법으로 헬륨 유출시험을 실시하게 된다.

상기한 바와 같이, 캡슐본체(10)에서 연장되어 외부로 연결되는 상기 진공제어 파이프(55)와 상기 배선 파이프(57)는 수조(100)의 냉각수를 차단하고 내부공기를 기밀시키기 위한 보호관(60)과 안내관(70) 및 수조 밖에 위치하며 상기 안내관과 연결되는 접속상자(80)에 의해 제어장치(90)와 연결되도록 보호 안내된다.

상기 접속상자(80)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 정면에 상기 안내관(70)이 연결되는 안내관결합부(92)를 구비하며, 그 내부에서 진공제어파이프(55)와 열전대(25) 및 히터(27)와 연결된 배선을 포함하는 계장선들이 각각 분리되며, 상기한 바와 같이 분리된 각각의 계장선들이 각각 독립적으로 연관되는 제어장치(90)의 부분들로 연결될 수 있도록 배면에는 열전대커넥터(93), 히터커넥터(94), 진공제어용튜브 커넥터(95) 및 가압용튜브 커넥터(96)가 구비된다.

그리고, 캡슐의 최상단이 되는 보호관(60)의 끝단에는 캡슐의 이송 및 장전/탈거를 위하여 이송용 고리(83)와 그레플해드(grapple head)(84)가 장착된다. 이때, 이송용 고리(83)는 수조(100)의 상부에 위치하는 이송용 크래인(도시 안됨)을 통하여 캡슐을 이송하기 위한 것이며, 그레플해드(84)는 캡슐을 회전시켜 조사공(103)의 하단면에 위치된 고정판(105)에 고정하기 위한 것으로 조사공(103)에 캡슐을 장전/탈거하기 위한 것이다.

상기 하측 엔드 플러그(31)의 하부에는 탄력적으로 조사공(103)의 바닥부에 위치하는 고정판(105)과 결합되기 위하여, 도9a에 도시한 바와 같이, 하부 고정장치(35)가 설치된다. 이 하부 고정장치(35)는 하측 앤드 플러그(31)에 결합되는 하측 앤드캡(41)과, 이 하측 엔드 캡(41)의 중심과 결합되어 하부로 뻗는 로드팁(rod tip)(36)과, 그 로드팁(36)의 외주면에 미끄럼이 가능하게 장착되는 스토퍼(38)와, 스토퍼(38)와 하측 엔드 캡(41) 사이의 로드팁(36) 외주면에 끼워져 스토퍼(38)를 하부로 가압하는 스토퍼 스프링(40)으로 구성된다.

즉, 로드팁(36)은 길고 상대적으로 가는 몸체를 가진 샤프트로, 도 9a에 도시되는 바와 같이, 조사공(103) 하부 고정판(105)의 조립홈(receptacle)(106)에 끼워지는 걸림돌기(37)가 하단부 좌우 양측면으로 돌출 형성된다. 또한, 스토퍼(38)에는 조사공(103)의 하단으로부터 유입되는 유체가 저항을 받지 않고 원활하게 유동하도록 하기 위한 복수개의 유동공(39)이 관통 형성되며, 외주면에는 조사공(103)과 접촉되는 가이드 핀(38a)이 방사상으로 돌출 형성되며, 상기 가이드 핀 각각의 끝단을 연결하는 환형 링(38b)을 더 구비하여 가이드핀(38a)을 지지하도록 한다.

상기 가이드 핀(38a)은 조사공(103) 내에서의 캡슐장착이 캡슐본체(10)를 회전시켜 고정하는 방법으로 수행함에 따라, 도 9c와 같은 종래 기술에 따른 가이드 핀(38a)은 횡방향의 굽힘하중에 의한 비틀림응력 등으로 인하여 캡슐을 구성하는 부품중에서 가장 취약한 부분이 되었던 것을, 도 9b에 도시한 바와 같이, 환형 링(38b)으로 보강함으로써 그 취약성을 극복한 것이다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐(1)의 조립, 장전과정 및 조사시험과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 중성자 조사시험에 사용될 다수의 시험편(2)을 장착한 다수의 열매체(13)와 함께 하부 고정장치(35), 하측 앤드 플러그(31), 단열재(23), 반사체(19), 열전대(25), 중성자 측정기(29), 히터(27), 스페이서(47)(49), 시편가압 스프링(43), 상측 앤드 플러그(33), 가이드 스프링(53) 등을 외통(11)에 적층 또는 장착하여 캡슐본체(10)를 조립하게 된다.

그리고, 상측 앤드 플러그(33)에 연결된 히터(27) 및 열전대(25)의 인출선을 포함하는 배선 파이프(57)와 진공제어 파이프(55)를 보호관(60)과 안내관(70)에 삽입하여 기밀 수밀된 상태로 보호 안내될 수 있도록 하고, 상기 안내관(70)의 끝단부를 수조(100)의 상부에 위치하는 상기 접속상자(80)의 정면에 위치하는 안내관결합부(92)에 결합하고, 이 접속상자(80)의 배면에 구비된 다수의 커넥터를 각각 제어장치(90)의 대응하는 부분들과 연결함으로써 조사시험을 준비하게 된다.

즉, 캡슐본체(10)의 상측 앤드 플러그(33)에 보호관(60)을 연결하고, 보호관과 안내관(70)을 연결하며, 상기 안내관(70)을 접속상자(80)의 정면에 연결하여 제어장치(90)와 연결하는 것이다.

그 다음 이송용 고리(83)를 수조(100) 상부에 위치한 크래인(도시안됨)에 연결하고, 캡슐본체(10)를 조사시험을 위하여 원자로의 조사공(103)에 장전하게 된다.

캡슐본체(10)는 외통(11)의 하단부에 설치된 하부 고정장치(35)를 통해, 도 11에 도시된 바와 같이, 조사공(103)의 하단면에 위치된 고정판(105)에 고정된다. 즉, 삽입시 하부 고정장치(35)의 스토퍼(38)가 조사공(103) 하부의 고정판(105)에 걸리게 되면, 외력에 의해 스토퍼 스프링(40)이 압축되면서 로드팁(36) 부분만이 고정판(105)의 조립 홈(106)을 통과하게 되며, 이어서, 로드팁(36)의 걸림돌기(37)가 조립 홈(106)을 완전히 통과한 상태에서 캡슐본체(10)를 그래플해드(84)를 통해 90°만큼 회전시킨 다음 외력을 해제하면, 조사공(103)의 고정판(105) 아래쪽에서 유입되는 냉각수의 수압과 스토퍼 스프링(38)의 복원력에 의해 상향 가압되어 걸림돌기(37)가 고정판(105)의 하부면에 가공된 고정 홈(106a)에 끼워져 고정됨으로써, 캡슐본체(10)의 장전이 완료된다.

또한, 상기와 같이 원자로의 조사공(103)에 캡슐본체(10)가 장전된 상태에서 수중에 위치하게 되는 보호관(60)을 안정적으로 지지하기 위한 지지 로봇암(108)이 보호관(60)을 고정하도록 함으로써 조사시험 준비가 완료된다.

이와 같이, 캡슐본체(10)가 조사공(103)에 안정되게 장전된 상태에서 외통(11) 내의 시험편(2)에 중성자 조사가 진행되고, 이러한 과정에서캡슐본체(10)의 외통(11) 내부는 헬륨가스 분위기와 열전대(25) 및 열매체(13)의 나선형 홈(28)에 감긴 히터(27)를 통해 온도가 제어된다.

즉, 각 열매체(13)의 표면에 설치된 열전대(25)는 각 시험편(2)의 온도를 검출하여 제어장치로 신호를 보내게 되고, 그 검출된 온도에 따라 제어장치가 진공제어 파이프(55)로 전달되는 헬륨가스 압력을 조절하여 외통(11) 내부의 열전도도를 조절함과 동시에, 히터(27)의 출력을 제어하게 된다.

예를 들어, 시험편(2)의 온도가 설정된 온도 또는 목표하는 온도(예; 290℃ ±10℃)보다 낮을 경우 외통(11)내의 진공도를 높여 외통의 외부를 흐르는 냉각수로의 열전달을 작게하고, 피복된 히터(27)를 동작시키게 된다. 이때, 피복된 히터로부터 방출되는 열은 열매체(13)를 통해 열매체 내부에 위치하는 시험편(2)의 표면에 고르게 전달되어 시험편(2)의 온도를 원하는 온도로 상승시키게 된다. 또한, 이러한 과정에서 중성자 측정기(29)는 시험편(2)이 조사시험중 받은 중성자 조사량을 조사시험 후 평가할 수 있도록 열매체(13)상의 시험편 주변에 설치된 상태에서 기록하게 된다.

특히 연구로 노심에서 유체에 의한 진동으로 인접구조물에 간섭이 예상되고 있어 연구로에 설치되는 구조물은 법에서 정하는 허용기준을 만족하기 위하여, 도 2, 4a 및 12에 도시한 바와 같이, 상단 가이드 스프링(upper guide spring)(53)을 캡슐 상단 외주면에 설치하여 캡슐본체(10)가 조사공(103) 내부의 정중심에 위치하도록 유지시킴으로써, 캡슐본체(10)의 위치가 편심되는 것을 막아 구조건전성을 유지시킬수 있도록 한다. 캡슐본체(10) 하단부의 하부고정장치(35)는 캡슐본체(10)를연구로 수직 조사공(103)에 단단히 고정하는 역할을 한다.

본 발명의 계장캡슐(1)은 캡슐본체(10)의 상부에 위치한 이송용 고리(83)를 크래인에 걸어 수조상부로 이송하고 적절한 고정용 전용공구(tool: 도시안됨)를 이용하여 캡슐 최상부에 있는 그레플해드(grapple head)(84)와 맞물리게 하여 캡슐을 회전시키는 방법으로 조사공(103)의 하단면에 위치된 고정판(105)에 고정한다.

종래기술에서 캡슐 하단부 가이드핀(38a)이 캡슐구조물 중 가장 취약한 부위중의 하나가 되었던 것을 개선하여, 도 9b 및 도 10에 도시한 바와 같이, 각 가이드 핀(38a)의 상단을 연결하는 환형 링(38b)을 보강하여 캡슐길이 방향으로의 인장하중과 횡방향 굽힘하중에 보다 안전한 구조를 구비하도록 한 특징을 가진다.

이상과 같은 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 설계변경 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상과 같은 본 발명의 계장캡슐은 열전대를 이용하여 캡슐에 다단으로 내장된 시험편의 온도를 검출하고, 히터의 발열부를 열매체의 외주면에 나선형으로 감아서 가열식으로 시험편의 온도를 조절함과 동시에 헬륨 분위기를 이용한 열전도도 조절을 통해 시험편의 온도를 간접적으로 조절함으로써, 캡슐내 시험편의 조사 목표온도 설정이 용이하여 최적의 조사시험을 이룰 수 있게 된다.

또한, 캡슐내에 계장된 열전대(25), 진공제어 파이프(55), 히터(27)선들을 수조밖에 설치된 제어장치와 연결시키는 새로운 접속상자(junction box)를 설치함으로써 기존의 캡슐 접속유니트(110)보다 무게도 훨씬 가볍고 크기 또한 작아져 작업자들이 사용하기에 편리하도록 하며,

특히, 연구로 노심에서 유체에 의한 진동으로 인접구조물에 간섭이 예상되고 있어 조사시험중 캡슐의 구조건전성 확보를 위하여 상단 가이드 스프링(guide spring)을 캡슐 상단 외주면에 설치하여 캡슐본체가 정중심에 위치하도록 유지시킴으로써 캡슐본체의 위치가 편심되는 것을 막아 구조건전성을 유지시킬수 있도록 하였다.

또한, 캡슐 구조물중 가장 취약한 부위중의 하나인 캡슐 하단부 고정장치의 가이드 핀을 환형 링으로 보강하여 캡슐의 장/탈착 혹은 이동시에 보다 안전하게 하였다.

Claims (7)

1. 연구용 원자로 내에서 재료의 조사시험을 위한 캡슐에 관한 것으로서;

   양단이 개구 형성된 외통과,

   상기 외통의 내부에 장입되는 것으로, 다수로 구비되는 원통형의 열매체, 상기 각 열매체의 중심 또는 외곽부에 끼워 고정되는 다수의 시험편, 상기 다수의 열매체 중 최하단 열매체의 하부 및 최상단 열매체의 상부에 각각 끼워지는 반사체, 상기 각 열매체의 사이사이와 상기 각 반사체의 외곽부에 끼워지는 단열재, 최상부에 위치하는 단열재의 상부에 위치하는 스페이서, 상기 스페이서 상부에 끼워지는 스프링 시트와 시험편을 하부로 가압하기 위하여 상기 스프링 시트를 가압하는 시편 가압 스프링과,

   외통내의 온도 조절을 위한 진공제어 파이프와 히터로 구성되는 온도조절수단과,

   시편의 온도 측정을 위한 열전대 및 중성자 조사량 평가를 위한 중성자 측정기를 포함하는 검출수단과,

   상기 외통의 상하단에 결합되어 내부를 밀봉하기 위한 상/하단 앤드 플러그와,

   상기 하단 앤드 플러그에 결합되는 하부 고정장치를 포함하여 구성되어 연구용 원자로의 수직 조사공에 장전되는 캡슐본체와;

   수조 외부에 위치하는 제어장치와 연결하기 위한 배관수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 캡슐본체를 원자로 내부의 조사공 중심에 위치되도록 하기 위하여, 상기 캡슐본체의 외통 상단부 상/하로 결합되는 고정링부를 양단에 각각 구비하며, 이 고정링부에서 방사상으로 돌출되어 조사공의 내주면과 접촉하게 되는 다수의 와이어 스프링으로 이루어지는 상단 가이드 스프링을 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 열매체는 다수개로 구비되며, 각각의 외주면은 외통의 내주면과 접촉하며, 각각 조사시험을 실시할 시험편이 끼워질 한개 또는 다수의 시험편 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 각 시험편 홀은 조사시험 대상이 되는 시편의 형상과 동일한 형상으로 각 열매체의 중심부 또는 외곽부에 원통형 또는 사각주형으로 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 하부고정장치는 하측 앤드 플러그(31)와,

   상기 하측 앤드 플러그의 중심과 결합되어 하부로 연장되며, 하단부에 조사공(103)의 하부 고정판(105)의 조립 홈(receptacle)(106)에 끼워지는 걸림돌기(37)가 좌우 양측면으로 돌출 형성되는 로드팁(rod tip)(36)과,

   상기 로드팁(36)의 외주면에 미끄럼이 가능하게 장착되는 스토퍼(38)와,

   상기 스토퍼(38)와 하측 앤드 플러그(31) 사이의 로드팁(36) 외주면에 끼워져 스토퍼(38)를 하부로 가압하는 스토퍼 스프링(40)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 스토퍼(38)에는 조사공(103)의 하단으로부터 유입되는 유체가 저항을 받지 않고 원활하게 유동하도록 하기 위한 복수개의 유동공(39)이 관통 형성되며, 그 외주면에는 조사공(103)과 접촉되는 가이드 핀(38a)이 방사상으로 돌출 형성되며,

   상기 가이드 핀을 안정적으로 지지하기 위하여 가이드 핀 각각의 끝단을 연결하는 환형 링(38b)을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 배관수단은 캡슐본체의 상단으로부터 인출되어 캡슐본체 내부에 있는 열전대, 히터와 연결된 배선 및 진공제어 파이프를 포함하는 계장선들을 보호하는 강성을 구비한 보호관과;

   상기 보호관에 연결되어 상기 보호관과 마찬가지로 열전대, 히터와 연결된 배선과 진공제어 파이프가 내부에 위치하는 유연성을 구비하는 안내관과;

   상기 안내관에 연결되어 수조 외부의 제어장치에 각종 신호전달을 위한 연결 매체가 되는 접속상자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자력 재료의 조사시험을 위한 계장캡슐.