KR20040088764A - 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료봉의 봉단마개를 용접하기 위한 원격용접방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료봉의 봉단용접이 원격으로 정밀하게 이루어지도록 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법 및 장치에 관한 것이다.

그 구성은 외부에서 내부로 원격 조작이 가능하도록 원격조정기와 창문이 설치되고, 방사능이 차폐되는 차폐챔버와; 상기 차폐챔버의 외부로 헬륨-네온레이저발진기와 야그레이저발진기가 설치되고, 상기 레이저발진기와 연결되는 광섬유케이블이 상기 차폐챔버의 내부로 설치되며, 상기 광섬유케이블의 끝으로 용접노즐이 장착되어 구성되는 용접기기와; 상기 용접노즐이 상부에서 내부를 향해 장착되고, 일측으로 공기배출관과 헬륨가스충진관이 구비되며, 내부가 보이도록 투시창을 갖고 개폐 가능한 용접상자와; 상기 용접상자의 내부로 핵연료봉이 끼워져 고정된 후에 회전되도록 구성되는 핵연료봉 고정 및 회전부와; 상기 용접상자의 내부로 봉단마개가 끼워진 후에 이동되어 핵연료봉의 일단에 압입되도록 구성되는 봉단마개 압입부로 구성되는 것이다.

상기와 같은 용접장치를 제공함으로써, 고준위 핵연료봉 및 조사시험용 계장캡슐 등을 안전하게 용접하고 봉단용접의 불량이 극소화되어 핵연료봉이 높은 품질과 안전성을 가지며 핵연료봉 뿐만 아니라 여러 가지 제품의 용접에 적용할 수 있어 소량 다품종의 용접이 가능함으로 생산비 절감과 우수한 경쟁력이 확보되는 효과를 갖는다.

Description

핵연료봉의 원격 레이저 용접방법 및 장치{Method and apparatus for remote laser welding for a nuclear fuel rod}

본 발명은 핵연료봉의 봉단마개를 용접하기 위한 원격용접방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료봉의 봉단용접이 원격으로 정밀하게 이루어지도록 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 원자력분야에서의 용접기술은 매우 중요한 비중을 차지하고 있으며, 특히 고방사성 핵연료봉의 원격용접은 빼놓을 수 없는 핵심 기술이다.

이와 같은 핵연료봉의 용접방법으로 TIG(Tungsten Inert Gas)용접, 저항용접, 레이저용접, 전자빔용접 등을 들 수 있다.

상기의 용접방법을 제품의 기계적 특성과 용접성 및 작업공정의 관점에서 설명하면 다음과 같다.

상기 TIG용접은 높은 입열로 인한 열변형이 심하여, 용접부위의 결함이 손쉽게 발생되는 문제점이 있다.

또한, 상기 저항용접은 용접의 품질면에서는 다른 용접방법보다 우수하나 다수의 복잡한 장비가 필요하여 설치하는데 매우 까다로운 문제점이 있다.

또한, 상기한 고밀도 에너지빔을 이용한 레이저용접은 원격작업과 용접의 품질면에서는 유리하나 작업조건이 매우 까다로운 문제점이 있다.

또한, 상기의 전자빔용접은 작업에서 고진공의 챔버가 필요하고 보수 및 유지비가 과도하게 드는 문제점이 있다.

한편, 지르칼로이 피복관의 용접기술은 미국의 EXXON에서 가압경수로용 핵연료 피복관에 헬륨가스를 주입하기 위하여 야그레이저(YAG Laser)방식으로 이미 수행된 바가 있고, 또한 벌써부터 ORNL에서는 TIG용접방법를 이용한 헬륨분위기의 용접상자내에서 회전치구에 의해 밀봉용접이 수행된 바가 있다.

그리고, 국내에서도 가압중수로용 핵연료의 밀봉용접이 이미 고상방법인 저항용접으로 적용되고 있다.

아울러, 최근 들어 관심이 많은 고방사성 핵연료개발 관련된 연구로서는 미국, 캐나다 등의 선진국에서 이미 TIG 방법으로 활용된 바 있다.

그러나, 실상은 고방사성의 차폐구역내에서 원격으로 작업이 이루어져야 한다는 특성으로 인해 보다 단순하면서, 보다 높은 품질을 확보해야 하는 점에서 볼 때 새로운 기법의 용접기술이 필요하게 되었다.

그리고, 실제로 캐나다 AECL이 발표한 자료에 따르면 중수로용 핵연료봉의 결함중에서 제조기술상 결함으로 약 80% 이상이 봉단용접의 불완전성에 기인한다고 하였다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 안출된 것으로,

그 목적은 핵연료봉의 봉단용접이 원격으로 이루어지면서 동시에 봉단용접의 건전성이 확보되도록 용접이 정밀하게 이루어지는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법 및 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 방사능 오염이 용이한 부품을 원격으로 교체되도록 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 광섬유케이블을 통한 방사능의 방출이 방지되도록 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 원격조정기를 사용하여 차폐챔버의 내부에 구비되는 용접상자를 개방한 후에 상기 용접상자의 내부로 핵연료봉과 봉단마개를 고정하고 상기 용접상자를 밀폐하는 용접물고정단계와; 밀폐된 내부의 공기를 배출하여 일정한 진공도를 형성한 후에 상기 용접상자의 내부에 헬륨가스를 일정량 충진하는 진공형성 및 가스충진단계와; 상기 용접상자의 내부로헬륨가스 분위기하에서 봉단마개를 이동하여 핵연료봉의 일단에 압입되도록 하는 봉단마개압입단계와; 상기 봉단마개의 압입이 완료된 후에 용접노즐을 통해 핵연료봉과 봉단마개의 용접부위에 헬륨-네온 레이저를 이용하여 미리 초점을 맞추는 초점선정단계와; 초점이 선정된 다음에 핵연료봉과 봉단마개를 원주방향으로 회전하고 용접노즐을 통해 야그 레이저를 조사하여 상기 핵연료봉과 봉단마개의 맞닿는 부위를 밀봉되도록 용접하는 밀봉용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 외부에서 내부로 원격 조작이 가능하도록 원격조정기와 창문이 설치되고, 방사능이 차폐되는 차폐챔버와; 상기 차폐챔버의 외부로 헬륨-네온레이저발진기와 야그레이저발진기가 설치되고, 상기 레이저발진기와 연결되는 광섬유케이블이 상기 차폐챔버의 내부로 설치되며, 상기 광섬유케이블의 끝으로 용접노즐이 장착되어 구성되는 용접기기와; 상기 용접노즐이 상부에서 내부를 향해 장착되고, 일측으로 공기배출관과 헬륨가스충진관이 구비되며, 내부가 보이도록 투시창을 갖고 개폐 가능한 용접상자와; 상기 용접상자의 내부로 핵연료봉이 끼워져 고정된 후에 회전되도록 구성되는 핵연료봉 고정 및 회전부와; 상기 용접상자의 내부로 봉단마개가 끼워진 후에 이동되어 핵연료봉의 일단에 압입되도록 구성되는 봉단마개 압입부로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 용접노즐에서 용접상자의 상부로 구비되는 광섬유케이블의 선로에 상기 광섬유케이블이 교체 가능하도록 광섬유연결부가 장착되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기 차폐챔버에 구비되는 광섬유케이블을 통한 방사능의 누출이 차단되도록 에스자형으로 차폐굴곡부가 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 용접방법을 보인 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 용접장치의 개략적인 전체 종단면도,

도 3은 본 발명에 따른 용접장치의 요부 확대 측단면도,

도 4는 본 발명의 작동상태를 보인 개략적인 단면도,

도 4a는 핵연료봉과 봉단마개를 고정한 상태를 보인 단면도,

도 4b는 진공이 형성되는 상태를 보인 단면도,

도 4c는 헬륨가스가 충진되는 상태를 보인 단면도,

도 4d는 봉단마개가 압입되는 상태를 보인 단면도,

도 4e는 초점을 맞추는 상태를 보인 요부 확대 단면도,

도 4f는 밀봉 용접하는 상태를 보인 요부 확대 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 차폐챔버

11 : 원격조정기 12 : 창문

20 : 용접기기

21 : 헬륨-네온레이저발진기 22 : 야그레이저발진기

23 : 광섬유케이블 24 : 용접노즐 25 : 광섬유연결부

26 : 차폐굴곡부

30 : 용접상자

31 : 공기배출관 32 : 헬륨가스충진관 33 : 투시창

40 : 핵연료봉 고정 및 회전부

41 : 고정척 42 : 회전관 43 : 지지체

44 : 모터

50 : 봉단마개 압입부

51 : 나선지지체 52 : 나선축 53 : 회전손잡이

54 : 삽입구

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 용접방법을 보인 블록도로 본 용접방법을 설명하면 다음과 같다.

본 용접방법은 차폐챔버에 구비되는 용접상자의 내부로 핵연료봉과 봉단마개를 고정한 후에 밀폐하는 용접물고정단계(S1)와, 밀폐된 상기 용접상자에 진공을 형성한 후에 헬륨가스를 충진하는 진공형성 및 가스충진단계(S2)와, 상기 봉단마개를 이동하여 상기 핵연료봉의 일단에 압입하는 봉단마개압입단계(S3)와, 용접부위에 헬륨-네온 레이저를 이용하여 초점을 맞추는 초점선정단계(S4)와, 야그 레이저를 용접부위에 조사하여 용접하는 밀봉용접단계(S5)가 순차적으로 이루어지도록 구성되는 것이다.

보다 상세한 설명으로, 상기 용접물고정단계(S1)는 원격조정기를 사용하여 차폐챔버의 내부에 구비되는 용접상자를 개방한 후에 상기 용접상자의 내부로 핵연료봉과 봉단마개를 고정하고 상기 용접상자를 밀폐하는 단계를 말하는 것이다.

여기서, 상기 차폐챔버는 핵연료봉으로부터 조사되는 방사능을 차폐하여 작업의 안전성을 기하면서 동시에 고준위의 핵연료봉도 안전한 작업조건에서 용접할 수 있도록 하는 것이다.

그리고, 상기 용접물고정단계(S1)는 핵연료봉의 일단이 용접노즐과 수직선상에 위치되도록 견고하게 고정하여 용접부위가 정확하게 결정된 상태가 되도록 하는 것이다.

또한, 상기 진공형성 및 가스충진단계(S2)는 밀폐된 용접상자에서 그 내부의 공기를 배출하여 일정한 진공도를 형성한 후에 상기 용접상자의 내부에 헬륨가스를 일정량 충진하는 단계를 말하는 것으로, 이에 의해 상기 용접상자의 내부는 헬륨가스 분위기가 형성되는 것이다.

여기서, 상기 용접상자의 진공도는 70∼73mmHg인 것이 바람직한 데, 진공도가 70mmHg보다 작으면 상기 용접상자의 진공형성이 매우 까다로워 작업의 어려움을 주는 요인이 되고, 상기 용접상자의 진공도가 73mmHg보다 크면 잔류공기로 인해 적절한 헬륨가스 분위기를 형성하는 것이 어렵게 되는 것이다.

그리고, 상기 용접상자 내부로 충진되는 핵연료봉의 내부 헬륨의 충진율은 적어도 80% 이상인 것이 바람직한 데, 이는 충분한 헬륨가스의 충진으로 공기가 배제되어 지르칼로이 소재의 핵연료봉이 산화되지 않은 상태가 되도록 상기 용접상자의 내부로 헬륨가스 분위기를 적절히 형성하기 위한 것이다.

아울러, 상기 용접상자의 내부로 충진되도록 공급되는 헬륨가스 유량은 적어도 분당 40리터 이상인 것이 바람직한 데, 이는 급속한 헬륨가스의 충진으로 핵연료봉의 소재인 지르칼로이의 산화를 적절히 방지하면서 상기 핵연료봉의 내부로 헬륨가스가 빠르게 충진되도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 봉단마개압입단계(S3)는 용접상자의 내부로 헬륨가스 분위기하에서 봉단마개를 이동하여 핵연료봉의 일단에 압입되도록 하는 단계를 말하는 것이다.

이때, 상기 봉단마개의 이동은 용접상자의 일측으로 구비되는 봉단마개 압입부를 원격조정기로 회전함으로써 이루어지는 데, 이는 핵연료봉의 고정에 의해 미리 결정된 용접부위가 변화되지 않도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 초점선정단계(S4)는 봉단마개의 압입이 완료된 후에 차폐챔버의 외부에 구비되는 헬륨-네온레이저발진기에서 방출되는 헬륨-네온 레이저가 광섬유케이블을 지나 용접노즐을 통해 상기 핵연료봉과 봉단마개의 용접부위에 헬륨-네온 레이저를 방출하여 작업자의 초점조절로 미리 적절하게 용접전에 초점을 맞추는 단계를 말하는 것이다.

여기서, 상기 초점선정단계(S4)는 저에너지의 기체레이저인 헬륨-네온 레이저를 이용하여 미리 용접할 부위를 정렬 관찰하는 상태로 레이저의 초점을 미리 맞추는 것으로, 이는 용접을 위해 방출되는 고에너지의 야그 레이저에 의한 초점선정시 발생할 수 있는 핵연료봉의 손상을 미연에 방지하기 위한 것이다.

또한, 상기 밀봉용접단계(S5)는 초점이 선정된 다음에 핵연료봉과 봉단마개를 원주방향으로 회전하고 용접노즐을 통해 야그 레이저를 방출하여 상기 핵연료봉의 일단을 회전되는 상태에서 균일하게 녹여 상기 봉단마개의 외주와 접합되면서 밀봉되도록 긴밀하게 용접하는 단계를 말하는 것이다.

이때, 상기 용접노즐을 통해 방출되는 고에너지의 야그 레이저는 미리 선정된 초점과 핵연료봉의 회전에 의해 상기 핵연료봉의 봉단을 균일하게 녹여 상기 핵연료봉에 압입된 봉단마개와 적절히 접합되면서 밀봉됨으로써, 봉단용접의 불량률이 극소화되는 상태로 정밀한 용접이 이루어지게 되는 것이다.

그리고, 용접시에 상기 핵연료봉의 회전속도는 5∼7RPM인 것이 바람직한 데, 상기 핵연료봉의 회전속도가 5RPM보다 작으면 야그 레이저가 상기 핵연료봉의 용접부위에 다소 긴시간동안 과도하게 방출되어 상기 핵연료봉의 피복관에 용접손상이 발생하게 되고, 상기 핵연료봉의 회전속도가 7RPM보다 크면 야그 레이저가 상기 핵연료봉의 봉단 용접부위에 너무 약하게 방출되어 용접부위가 적절히 녹지 않아 부적절한 접합이 일어나게 됨으로 긴밀한 밀봉용접이 일어나지 않게 되는 것이다.

그리고, 상기 밀봉용접단계(S5)에서 용접노즐을 통해 방출되는 야그 레이저는 그 평균출력이 260∼300W이고, 반복율이 6∼8PPS이며, 펄스당 에너지가 35∼45J인 것이 바람직한 데, 이는 핵연료봉과 봉단마개의 손상이 없으면서 용접부위가 적절히 용해되어 상기 핵연료봉과 봉단마개가 긴밀하게 접합되어 밀봉되도록 하기 위한 것이다.

따라서, 본 용접방법은 간단한 공정으로 작업자의 안전을 기하면서 고준위 또는 저준위 핵연료봉의 봉단에 봉단마개를 손쉽고 정밀하게 밀봉용접하도록 구성됨으로써, 봉단용접의 불량이 극소화되어 고품질이면서 높은 생산성을 가지게 되는 것이다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 용접장치의 개략적인 전체 종단면도로 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 용접장치는 원격조정기(11)와 창문(12)을 갖는 차폐챔버(10)가 구비되고, 상기 차폐챔버(10)에 용접기기(20)가 설치되며, 상기 용접기기(20)와 연결되는 용접상자(30)가 상기 차폐챔버(10)의 내부로 구비되어 구성되는 것이다.

보다 상세한 설명으로, 상기 용접기기(20)는 차폐챔버(10)의 외부로 컨트롤러에 의해 제어되는 헬륨-네온레이저발진기(21)와 야그레이저발진기(22)가 구비되고, 상기 레이저발진기(21)(22)와 연결된 광섬유케이블(23)이 상기 차폐챔버(10) 내부의 용접상자(30)와 연결되며, 상기 차폐챔버(10) 내부에 구비되는 상기 광섬유케이블(23)에 광섬유연결부(25)가 장착되고, 상기 차폐챔버(10)를 관통하는 상기 광섬유케이블(23)에 차폐굴곡부(26)가 형성되어 구성되는 것이다.

여기서, 상기 차폐챔버(10)는 핵연료봉에서 방출되는 방사능이 적절히 차폐되도록 하여 용접작업의 안정성이 확보되도록 하는 것이다.

그리고, 상기 원격조정기(11)는 작업자가 차폐챔버(10)의 외부에서 조작함으로써 상기 차폐챔버(10) 내부의 기기를 손쉽게 원격으로 작동하도록 하는 것으로, 원자력 시설에 널리 사용되는 공지의 것이다.

아울러, 상기 창문(12)은 차폐챔버(10)의 내부를 작업자가 용이하게 볼 수 있도록 하는 것이고, 상기 창문(12)과 용접상자(30)의 투시창(33)을 통해 상기 용접상자(30)의 내부를 적절히 볼 수 있도록 하여 원격조정기(11)를 통한 기기의 조작이 용이하게 이루어지도록 하는 것이다.

그리고, 상기 용접상자(30)의 투시창(33)을 통해 그 내부를 보다 정밀하게 볼 수 있도록 상기 투시창(33)의 일측으로 원격으로 조정되는 원격만원경이 설치되는 것이 보다 바람직한 것이다.

아울러, 상기 광섬유케이블(23)은 다수의 광섬유가 내장되어레이저발진기(21)(22)에서 발진되는 레이저가 에너지의 변화가 최소화된 상태로 용접상자(30)에 이동되도록 하면서 동시에 그 자체가 유연성을 가져 용이한 설치가 이루어지도록 하는 것이다.

그리고, 상기 광섬유연결부(25)는 용접상자(30)와 연결된 광섬유케이블(23)에 장착되어 상기 용접상자(30)와 연결된 상기 광섬유케이블(23)을 원격조정기(11)로 손쉽게 착탈되도록 함으로써, 상기 광섬유케이블(23)이 방사능에 오염되거나 손상될 때 용이하게 교체되도록 하는 것이다.

그리고, 상기 차폐굴곡부(26)는 차폐챔버(10)의 외부에서 내부로 관통되는 광섬유케이블(23)이 에스자형으로 굴곡되도록 하는 것으로, 상기 차폐챔버(10)의 내부에서 방출되는 방사능이 상기 광섬유케이블(23)을 통해 상기 차폐챔버(10)의 외부로 누출되는 것을 방지하는 역할을 하는 것이다.

또한, 상기 용접기기(20)는 헬륨-네온 레이저와 야그 레이저가 각각 레이저발진기(21)(22)를 통해 발진되어 광섬유케이블(23)을 통해 차폐챔버(10)의 외부에서 용접상자(30)의 내부로 각각의 레이저를 방출하여 초점의 선정과 용접이 일어나도록 하는 것이다.

그리고, 상기 헬륨-네온레이저발진기(21)는 낮은 에너지의 기체레이저인 헬륨-네온 레이저를 광섬유케이블(23)을 통해 용접상자(30)의 내부로 방출하여 용접부위의 손상을 배제한 상태에서 레이저의 초점을 맞추어 그 초점이 미리 정해지도록 하는 것이다.

아울러, 상기 야그레이저발진기(22)는 높은 에너지의 고체레이저인 야그 레이저를 광섬유케이블(23)을 통해 용접상자(30)의 내부로 방출하여 용접부위를 녹여 접합되도록 용접하는 역할을 하는 것이다.

또한, 상기 용접상자(30)는 개폐 가능하게 밀폐되어 진공과 헬륨가스의 충진이 용이하여 헬륨가스 분위기에서 용접이 일어나도록 하는 것이다.

도 3에 도시한 바와 같이 용접장치의 요부 확대 측단면도로 본 장치를 설명하면 다음과 같다.

상기 도 3은 용접상자(30)에 대한 측단면도이다.

상기 용접상자(30)는 개폐가 가능한 케이스형태로 구비되고, 광섬유케이블(23)이 연결된 용접노즐(24)이 상부로 장착되며, 일측으로 공기배출관(31)과 헬륨가스충진관(32)이 내부와 유통되도록 구비되고, 내부 일측으로 핵연료봉 고정 및 회전부(40)가 구비되며, 상기 핵연료봉 고정 및 회전부(40)에 대응되는 내부 타측으로 봉단마개 압입부(50)가 구비되어 구성되는 것이다.

보다 상세한 구성으로, 상기 핵연료봉 고정 및 회전부(40)는 중공이 형성된 고정척(41)과, 상기 고정척(41)의 후방으로 장착되는 회전관(42)과, 상기 회전관(42)을 지지하도록 용접상자(30)의 일측에 장착되는 지지체(43)와, 상기 지지체(43)에 설치되어 상기 회전관(42)을 회전시키는 모터(44)로 구성되는 것이다.

그리고, 상기 봉단마개 압입부(50)는 용접상자(30)의 일측에 장착되고 내부에 나선이 형성되는 나선지지체(51)와, 상기 나선지지체(51)에 스크루 결합되는 나선축(52)과, 상기 나선축(52)의 외단으로 장착되는 회전손잡이(53)와, 상기 나선축(52)의 내단으로 회전 가능하게 장착되는 삽입구(54)로 구성되는 것이다.

여기서, 상기 공기배출관(31)은 용접상자(30) 내부의 공기를 외부로 배출하여 상기 용접상자(30)의 내부에 적절한 진공도를 형성하는 역할을 하는 것이다.

그리고, 상기 헬륨가스충진관(32)은 진공이 형성된 용접상자(30)의 내부로 헬륨가스를 공급하여 충진함으로써, 용접작업이 헬륨가스 분위기 아래에서 이루어지도록 하는 것이다.

또한, 상기 핵연료봉 고정 및 회전부(40)는 작업자가 원격조정기(미도시)를 조작하여 용접상자(30)를 개방한 다음에 핵연료봉을 고정척(41)의 중공부에서 회전관(42)의 내부로 끼운 후에 상기 고정척(41)으로 핵연료봉을 견고히 고정하고, 용접노즐(24)에서 레이저가 방출되어 용접이 일어날 때는 상기 회전관(42)을 모터(44)로 회전시켜 핵연료봉의 외주로 적절하고 긴밀한 밀봉용접이 일어나도록 하는 것이다.

또한, 상기 봉단마개 압입부(50)는 작업자가 원격조정기(미도시)를 조작하여 용접상자(30)의 내부로 삽입구(54)에 봉단마개를 끼운 다음에 회전손잡이(53)를 회전하여 나선축(52)이 수평으로 정밀하게 이동하여 봉단마개가 핵연료봉의 일단에 압입되도록 하는 것이다.

도 4는 본 발명의 작동상태를 보인 개략적인 단면도로,

도 4a는 핵연료봉과 봉단마개를 고정한 상태를 보인 단면도이고,

도 4b는 진공이 형성되는 상태를 보인 단면도이며,

도 4c는 헬륨가스가 충진되는 상태를 보인 단면도이고,

도 4d는 봉단마개가 압입되는 상태를 보인 단면도이며,

도 4e는 초점을 맞추는 상태를 보인 요부 확대 단면도이고,

도 4f는 밀봉 용접하는 상태를 보인 요부 확대 단면도이다.

상기 도 4로 본 용접장치의 작동상태를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 도 4a에 도시한 것처럼, 작업자가 원격조정기(미도시)를 사용하여 용접상자(30)를 개방하고 그 내부로 고정척(41)과 회전관(42)에 핵연료봉(100)을 끼워 넣은 후에 상기 고정척(41)으로 고정하고, 같은 방법으로 봉단마개(200)를 삽입구(54)에 끼워 넣어 고정한 후에 상기 용접상자(30)를 밀폐하게 되는 것이다.

이때, 상기 핵연료봉(100)의 일단이 용접노즐(24)의 중심과 일치되도록 고정하여 상기 핵연료봉(100)의 고정과 함께 용접부위가 정확하게 결정되도록 하는 것이다.

상기 도 4b에 도시한 것처럼, 용접부위가 결정되도록 핵연료봉(100)을 고정하고 봉단마개(200)를 삽입구(54)에 끼운 상태에서 용접상자(30)를 밀폐한 후에 공기배출관(31)을 통해 상기 용접상자(30) 내부의 공기를 배출하여 상기 용접상자(30)의 내부가 일정한 진공도에 도달하도록 하는 것이다.

이와 같은 상태에서 상기 도 4c에 도시한 것처럼, 헬륨가스충진관(32)을 통해 일정한 진공도에 도달한 용접상자(30)의 내부로 헬륨가스를 공급하여 충진함으로써, 상기 용접상자(30)의 내부를 공기가 배제된 상태의 헬륨가스 분위기로 형성되는 것이다.

이와 같은 헬륨가스 분위기에서 상기 도 4d에 도시한 것처럼, 작업자가 원격조정기(미도시)를 조작하여 회전손잡이(53)를 회전시킴으로, 나선축(52)이 나선지지체(51)를 따라 회전이동하여 삽입구(54)에 끼워진 봉단마개(200)가 핵연료봉(100)의 일단에 압입되도록 하는 것이다.

이때, 상기 삽입구(54)는 나선축(52)의 끝에 자유로이 회전되도록 장착됨으로써, 상기 나선축(52)의 회전에 관계없이 봉단마개(200)가 수평으로 이동하여 핵연료봉(100)의 일단에 압입되는 것이다.

이와 같이 상기 봉단마개(200)가 핵연료봉(100)의 일단에 압입된 상태에서, 상기 도 4e에 도시한 것처럼 광섬유케이블(23)과 연결된 용접노즐(24)을 통해 저에너지의 기체레이저인 헬륨-네온 레이저가 방출되어 용접부위에 손상이 발생되지 않은 상태로 레이저의 초점을 미리 맞추게 되는 것이다.

이렇게 용접부위에 레이저의 초점을 적절히 맞춘 상태에서 상기 도 4f에 도시한 것처럼, 핵연료봉(100)을 일정한 회전속도로 회전하여 봉단마개(200)와 삽입구(54)가 동시에 회전되도록 한 후에 광섬유케이블(23)과 연결된 용접노즐(24)을 통해 고에너지의 고체레이저인 야그 레이저를 용접부위로 방출하여 상기 핵연료봉(100)의 봉단을 녹여 상기 봉단마개(200)의 외주와 긴밀히 접합되도록 하는 것이다.

이와 같이 상기 핵연료봉(100)의 봉단부위 즉 용접부위가 녹아 봉단마개(200)와 회전되는 상태에서 긴밀히 접합됨으로써, 상기 핵연료봉(100)과 봉단마개(200)는 균일한 접합부위를 가지면서 정밀하게 밀봉용접되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 핵연료봉의 봉단용접이 원격으로 정밀하게 이루어지도록 함으로써, 고준위 핵연료봉 및 조사시험용 계장캡슐 등을 안전하게 용접하고 봉단용접의 불량이 극소화되어 핵연료봉이 높은 품질과 안전성을 가지며 핵연료봉 뿐만 아니라 여러 가지 제품의 용접에 적용할 수 있어 소량 다품종의 용접이 가능함으로 생산비 절감과 우수한 경쟁력이 확보되는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 방사능 오염이 용이한 부품을 원격으로 교체되도록 함으로써, 방사능의 노출로 인한 사고가 미연에 방지되고 장치의 운용이 보다 원활히 이루어지는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 광섬유케이블을 통한 방사능의 방출이 방지되도록 함으로써, 보다 적절한 방사능 차폐가 이루어지고 용접작업의 안전성이 한층 증대되는 효과를 갖는다.

Claims (11)

1. 원격조정기를 사용하여 차폐챔버의 내부에 구비되는 용접상자를 개방한 후에 상기 용접상자의 내부로 핵연료봉과 봉단마개를 고정하고 상기 용접상자를 밀폐하는 용접물고정단계(S1)와;

   밀폐된 용접상자 내부의 공기를 배출하여 일정한 진공도를 형성한 후에 상기 용접상자의 내부에 헬륨가스를 일정량 충진하는 진공형성 및 가스충진단계(S2)와;

   상기 용접상자의 내부로 헬륨가스 분위기하에서 봉단마개를 이동하여 핵연료봉의 일단에 압입되도록 하는 봉단마개압입단계(S3)와;

   상기 봉단마개의 압입이 완료된 후에 용접노즐을 통해 핵연료봉과 봉단마개의 용접부위에 헬륨-네온 레이저를 이용하여 미리 초점을 맞추는 초점선정단계(S4)와;

   초점이 선정된 다음에 핵연료봉과 봉단마개를 원주방향으로 회전하고 용접노즐을 통해 야그 레이저를 조사하여 상기 핵연료봉과 봉단마개의 맞닿는 부위를 밀봉되도록 용접하는 밀봉용접단계(S5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법.
2. 제 1항에 있어서;

   상기 진공형성 및 가스충진단계(S2)에서 용접상자 내부의 진공도는 70∼73mmHg인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법.
3. 제 1항에 있어서;

   상기 진공형성 및 가스충진단계(S2)에서 용접상자 내부로 충진되는 헬륨가스의 충진율은 적어도 80% 이상인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법.
4. 제 1항에 있어서;

   상기 용접상자의 내부로 충진되도록 공급되는 헬륨가스 유량은 적어도 분당 40리터 이상인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법.
5. 제 1항에 있어서;

   상기 밀봉용접단계(S5)에서 핵연료봉의 회전속도는 5∼7RPM인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법.
6. 제 1항에 있어서;

   상기 밀봉용접단계(S5)에서 용접노즐을 통해 방출되는 야그 레이저는 그 평균출력이 260∼300W이고, 반복율이 6∼8PPS이며, 펄스당 에너지가 35∼45J인 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접방법.
7. 외부에서 내부로 원격 조작이 가능하도록 원격조정기(11)와 창문(12)이 설치되고, 방사능이 차폐되는 차폐챔버(10)와;

   상기 차폐챔버(10)의 외부로 헬륨-네온레이저발진기(21)와 야그레이저발진기(22)가 설치되고, 상기 레이저발진기(21)(22)와 연결되는 광섬유케이블(23)이 상기 차폐챔버(10)의 내부로 설치되며, 상기 광섬유케이블(23)의 끝으로 용접노즐(24)이 장착되어 구성되는 용접기기(20)와;

   상기 용접노즐(24)이 상부에서 내부를 향해 장착되고, 일측으로 공기배출관(31)과 헬륨가스충진관(32)이 구비되며, 내부가 보이도록 투시창(33)을 갖고 개폐 가능한 용접상자(30)와;

   상기 용접상자(30)의 내부로 핵연료봉(100)이 끼워져 고정된 후에 회전되도록 구성되는 핵연료봉 고정 및 회전부(40)와;

   상기 용접상자(30)의 내부로 봉단마개(200)가 끼워진 후에 이동되어 핵연료봉(100)의 일단에 압입되도록 구성되는 봉단마개 압입부(50)로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접장치.
8. 제 7항에 있어서;

   상기 핵연료봉 고정 및 회전부(40)는, 핵연료봉(100)이 중앙으로 삽입되어 고정되는 중공된 고정척(41)과, 상기 고정척(41)의 후방으로 장착된 회전관(42)과, 용접상자(30)에 장착되고 상기 회전관(42)이 회전 가능하게 내삽되는 지지체(43)와, 상기 지지체(43)에 장착되어 상기 회전관(42)을 구동하는 모터(44)로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접장치.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서;

   상기 봉단마개 압입부(50)는, 내주로 나선이 형성되고 용접상자(30)에 장착되는 나선지지체(51)와, 상기 나선지지체(51)의 내주로 스크루 결합되는 나선축(52)과, 상기 나선축(52)의 외측 끝에 장착되는 회전손잡이(53)와, 봉단마개(200)가 끼움되도록 상기 나선축(52)의 내측 끝에 회전 가능하게 장착되는 삽입구(54)로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접장치.
10. 제 7항 또는 제 8항에 있어서;

    상기 용접노즐(24)에서 용접상자(30)의 상부로 구비되는 광섬유케이블(23)의 선로에 상기 광섬유케이블(23)이 교체 가능하도록 광섬유연결부(25)가 장착되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접장치.
11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서;

    상기 차폐챔버(10)에 구비되는 광섬유케이블(23)을 통한 방사능의 누출이 차단되도록 에스자형으로 차폐굴곡부(26)가 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 원격 레이저 용접장치.