KR20060120159A - 수소화물을 형성할 수 있는 합금에 있어 최종 고용도온도를 측정할 수 있는 방법 및 장치 - Google Patents

수소화물을 형성할 수 있는 합금에 있어 최종 고용도온도를 측정할 수 있는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로 압력 튜브와 같은 수소화물을 형성할 수 있는 재료의 최종 고용도 온도를 측정하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 검사 장치는 테스트 중에 상기 원자로 압력 튜브 내에 배치되고 한 쌍의 고리 형의 밀봉 장치는 상기 압력 튜브의 연결 부분을 밀봉하기 위해서 방사성 구조로 배치된다. 밀봉된 연결 부분 내부의 물은 가스의 주입과 상기 튜브와 상기 장치를 건조하기 위해서 밀봉된 연결 부분을 가열하는 것을 통하여 배출된다. 상기 장치에 있는 프로브 조립체는 압력 튜브의 내부 표면과 접촉하고 온도의 함수인 상기 압력 튜브 벽의 저항성 변화를 측정하기 위해서 배치된다. 상기 프로브 조립체는 미리 예정된 비율로 냉각되는 것이 허용되고, 미리 예정된 비율로 재가열되고 그리고 다시 냉각되는 것이 허용된다. 저항성의 온도 계수 내의 불연속점은 침전이나 용해의 최종 고용도 온도를 나타내고, 이는 원자로 압력 튜브의 밀봉된 연결 부분의 수소 농도를 결정하는데 사용된다.

Description

수소화물을 형성할 수 있는 합금에 있어 최종 고용도 온도를 측정할 수 있는 방법 및 장치{Method and Apparatus for Measurement of Terminal Solid Solubility Temperature in Alloys Capable of Forming Hydrides}
발명의 분야
본 발명은 수소화물을 형성할 수 있는 합금에 있어 최종 고용도(terminal solid solubility)(TSS) 온도의 측정과 관련된 것이다.
발명의 배경
핵 원자로의 압력 튜브(pressure tube)의 구조적 내부 상태를 확인하는 것은 안전 분석가에 대해 연속적인 문제를 일으키고 있다.
압력 튜브들은 상기 원자로 코어(core)의 높은 압력 경계로서 역할을 한다. 일반적인 운전으로 여러 시간이 지난 후, 상기 압력 튜브가 부식되어 원료 안에 수소 동위원소가 흡수되는 결과를 낳는다. 상기 수소 동위원소는 매트릭스 안에 고체 수소화물을 형성할 수 있다. 특히 이러한 수소화물은 부서지기 쉽고 상기 압력 튜브의 구조적 내부 상태를 손상시킬 수 있다. 작동 조건으로 주어진 수소화물의 의미 있는 농도를 가진 압력 튜브는 수소화물의 가열 분해(cracking)의 위험이 있다.
따라서 작동 조건에서 압력 튜브 물질 안의 수소화물들의 농도를 모니터하는 것이 중요하다.
수소화물의 농도를 결정하는 하나의 방법은 원자로 운전중지 동안에 상기 압력 튜브의 내부로부터 스크랩 샘플(scrape sample)을 얻는 것이다. 만약 수소의 농도를 알고 있다면 수소화물의 농도는 적합한 아레니우스 관계식(Arrhenius relationship)을 사용하여 계산될 수 있다. 상기 샘플은 수소의 농도를 결정하기 위해서 화학적 방법에 의해서 분석될 수 있다.
상기 스크랩 방법(scrape method)의 결점은 실험실로부터 샘플을 옮기거나 결과를 기다리는 경우에 발생하는 시간지연, 상기 압력 튜브 안에 있는 것으로부터 샘플을 다루는 일로 인한 방사능 위험, 샘플을 다루고 수송하는 과정에서의 샘플 오염의 기회, 튜브 내부의 표면으로부터 샘플 채취하는데 있어서의 제한, 그리고 상기 튜브의 같은 영역에서 다시 샘플을 채취하는 것의 불가능을 포함한다.
다른 응용예는 또한 수소화물을 생성하고 수소화물의 생성으로 인하여 악화된 영향을 받는 재료들을 이용한다. 이 몇몇 응용예는 접근이 용이하지 않은 환경이나 위험한 환경에 있는 재료와 관련되어 있다. 따라서 그러한 재료를 검사하는 장치와 방법을 획득하는 것이 유리할 것이다.
발명의 요약
본 발명은 튜브의 내부 벽으로부터 샘플을 추출하는 과정을 필요로 하지 않고 원자로 압력 튜브에 대한 최종 고용도(TSS) 온도를 간접적으로 결정하기 위한 방법과 장치를 제공한다. 상기 방법과 장치는 수소화물이 침전되거나 용해되는 최 종 고용도(TSS) 온도를 측정한다. TSS 온도가 결정되어지면, 그 후 적합한 아테니우스 관계식(Arrhenius relationship)을 사용하여 수소화물 농도를 결정할 수 있을 것이다. 상기 방법과 장치는 특정된 온도 범위 이상에서 압력 튜브 원료에 대해 저항성의 온도 계수(temperature coefficient of resistivity)를 측정하기 위해 와전류를 이용할 수 있다. 저항성의 온도 계수에 있어 불연속점은 침전 또는 용해의 TSS 온도를 식별한다.
일면에 있어서, 본 발명은 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 원자로 압력 튜브의 연결 부분을 밀봉하기 위한 단계, 상기 반응 압력 튜브에서 미리 예정된 비율로 온도 변화를 시작하는 단계, 온도 변화와 관련하여 상기 원자로 압력 튜브의 저항성에 있어서의 변화를 측정하는 단계 그리고 저항성에 있어 측정된 변화로부터 TSS 온도를 계산하는 단계를 포함한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치를 제공한다. 상기 장치는 장치 본체, 상기 원자로 압력 튜브의 접합 부분을 밀봉하기 위해 상기 장치 본체에 설치된 배치될 수 있는 밀봉 장치(seal), 상기 반응 압력 튜브에서 미리 예정된 비율로 온도 변화를 제어하기 위한 가열기(heater), 및 온도 변화와 관련하여 상기 원자로 압력 튜브의 저항성에 있어서의 변화를 측정하기 위한 프로브 조립체(probe assembly)를 포함한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 수소화물을 형성할 수 있는 합금이 되는 재료 내부의 TSS 온도를 결정하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 재료의 연결 부분을 밀봉하는 단계, 미리 예정된 비율로 원료 내부의 온도 변화를 시작하는 단계, 온도 변화와 관련하여 상기 원료의 저항성에 있어서의 변화를 측정하는 단계 그리고 저항성에 있어서의 측정된 변화로부터 TSS 온도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면들과 특징들은 첨부된 도면과 결합된 본 발명의 특정된 구체예들의 하기의 상세한 설명을 검토하여 본 발명의 통상의 기술을 가진 자에게 분명하여질 수 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 구체예는 다음의 도면을 참조하여 예시의 방법으로 보다 상세하게 설명될 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 장치의 수직 단면도이다.
제2도는 도 1의 장치의 횡적 단면도이다.
제3도는 장치의 블래더(bladder)가 팽창되었을 때 상기 장치의 수직 단면도이다.
제4도는 도 3의 장치의 횡적 단면도이다.
제5도는 본 발명에 따른 와전류 프로브 조립체의 단면도이다.
제6도는 도 5의 와전류 프로브 조립체로부터의 프로브 본체(probe body)와 프로브 축(probe stem)의 단면도이다.
제7도는 본 발명에 따른 써모커플 프로브(thermocouple probe)의 단면도이다.
제8도는 본 발명에 따른 원자로 압력 튜브 안의 TSS 온도를 결정하는 방법의 플로차트이다.
제9도는 온도에 따른 미분 계수와 와전류 실제 전압(eddy current voltage) 미분 계수의 그래프이다.
제10도는 합금에 대한 온도에 따른 수소 농도의 그래프이다.
유사한 구성 성분을 표시하기 위해서 유사한 숫자들이 다른 도면들에서 사용되어진다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
작동 조건에서 수소화물의 농도는 수소 농도의 측정에 의해 결정되어질 수 있다. 수소의 농도는 수소화물이 매트릭스 안에서 용해되거나 침전되는 온도를 측정하는 것을 통해서 알 수 있다. 이러한 온도들은 용해의 최종 고용도(TSSd) 온도와 침전의 최종 고용도(TSSp) 온도로서 알려져 있다. TSS는 합금에 있어 온도의 함수로서 수소의 고용체 농도와 관련이 있다. TSS는 또한 주어진 온도에서 수소화물의 존재 또는 부존재와 관련이 있고 전체 수소 농도와 관련이 있다. 적합한 아레니우스 관계식(Arrhenius relationship)을 사용하면, TSSd와 TSSp를 측정하는 것으로 원자로 압력 튜브 안에서 수소 농도의 계산할 수 있다.
상기 TSSd 온도는 상기 매트릭스 내의 모든 수소화물이 가열되면서 완전히 용해되는 온도를 나타낸다. 상기 TSSp는 지르코늄(zirconium) 매트릭스 대한 TSSd 보다 낮고, 수소화물이 냉각되면서 침전되기 시작하는 온도를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 도 10은 합금에 대한 온도에 따른 수소 농도의 그래프(300)를 도시하고 있다. 상기 그래프(300)의 A 지점에서, 상기 합금은 수소화물의 혼합물과 고용체 수소(solid solution hydrogen)를 포함한다. 상기 합금이 가열되어짐에 따라, 상기 수소화물은 용해되고 상기 고용체 수소(solid solution hydrogen) 농도는 AH 에서 B 까지 TSSd 곡선을 따른다. 또한 C 지점까지 가열하는 것은 고용체 수소(solid solution hydrogen) 농도를 변화시키지 않는다. B 지점은 합금에 대한 용해의 TSSd 온도를 나타낸다.
냉각되어지면서 D 지점에 도달될 때까지 모든 수소는 고체용액 형태로 존재하고, 이 지점에서 수소화물이 침전하기 시작한다. 이것은 침전의 TSSp 온도이다. 계속하여 냉각함에 따라 D 지점에서 AC 까지의 TSSp의 곡선을 따르는 것처럼 상기 수소화물이 증가하고 고용체 수소 농도는 감소한다.
하나의 구체예에 있어, 본 발명이 핵 원자로와 관련되거나 지르코늄 합금(zirconium alloy)과 관계된 사용에 대한 방법과 장치로 제한하지 않았으나 원자로 압력 튜브는 지르코늄 합금(zirconium alloy)으로 구성되어 있다. 핵 원자로와 관련된 다른 용도는 임의의 연료 클래딩(cladding)을 테스트하는 것을 포함한다. 다른 재료들로 구성되는 필수적인 구성요소는 만약 수소화물 농도와 TSSp와의 관계식 및 수소화물의 존재와 TSSd의 관계식을 포함하는 필요한 특징들이 제시되어 있다면 본 발명의 방법과 장치를 사용하여 검사되어질 수 있다. 예를 들면, 티타늄 항공기 프레임(titanium aircraft frame)이나 티타늄 석유화학제품의 압력 튜브는 본 발명에 따라 분석되어질 수 있다.
특정 원자로 튜브에 대한 TSSd나 TSSp는 제어되는 온도 증가나 감소의 조건들 아래 저항성의 온도 계수(temperature coefficient of resistivity)에 있어서의 불연속점을 감지하는 것에 의해 측정되어질 수 있다. 상기 튜브의 온도가 꾸준하게 증가되어 진다면, 불연속점은 TSSd에 상응하는 임의의 온도에서 표시될 것이고, 온도가 감소함에 따라 TSSd가 초과되어지면 불연속점은 TSSp에 상응하는 임의의 온도에서 표시될 것이다.
합금들의 저항성은 고용체 수소 농도에 의해 영향을 받는다. 그 관계식은 하기의 식을 사용하여 만들어질 수 있다.
[식 1]
ρT = ρ0(1 + α(T)) + ρHCH(T)
여기서 CH(T)는 온도의 함수인 상기 고용체 수소 농도이고, ρT는 전체 합금 저항성이고, ρH는 저항성에 대한 효과이고, ρ0는 상기 합금의 기본 저항성이고, 그리고 α(T)는 저항성의 온도 계수이다. 상기 합금을 냉각하거나 가열하는 과정에서 TSSp나 TSSd 지점에 도달됨에 따라, 불연속점은 저항성의 온도 계수에 있어 뚜렷하게 나타난다.
도 1과 도 2를 참조하면, 도 1은 원자로 압력 튜브(reactor pressure tube)를 검사하기 위한 장치(10)의 수직 단면도를 도시하고 있다. 도 2는 선 A-A에 따른 상기 장치(10)의 횡적 단면도를 도시하고 있다.
상기 장치(10)는 중심 튜브(centre tube)(12), 앞면 모듈 하우징(front module housing)(14) 및 뒷면 모듈 하우징(rear module housing)(16)을 포함하고 있다. 상기 중심 튜브(centre tube)(12)는 분할 클램프(split clamp)(18)들을 사용하는 뒷면 모듈 하우징(16)과 앞면 모듈 하우징(14)과 연결되어 있다. 상기 중심 튜브(12), 앞면 모듈 하우징(14) 및 뒷면 모듈 하우징(16)은 원통형 형태의 장치(10)를 제공한다.
앞면 모듈 하우징(front module housing)(14) 및 뒷면 모듈 하우징(rear module housing)(16)은 모두 블래더(bladder)(20)와 밀봉 장치(seal)(22)를 포함하고 있다. 상기 블래더(20)와 밀봉 장치(22)는 앞면과 뒷면 모듈 하우징(14, 16)에 둘러싸여 있고, 내부 리테이닝 클램프(inner retaining clamp)(24)와 외부 리테이닝 클램프(outer retaining clamp)(26)의 사이에 고정되어 있다. 상기 블래더(20)들은 각각의 파이프 꼭지(spigot)(28)와 연결되어 있다. 상기 파이프 꼭지(spigot)(28)는 상기 블래더(20)들을 팽창시키고 수축시키는 가스 공급기에 연결되어 있다. 상기 블래더(20)의 팽창은 검사 중에 튜브의 내부 표면에 대해 방사상 구조로 누르면서 상기 밀봉 장치(22)들을 외부로 밀어낸다.
상기 뒷면 모듈 하우징(16)은 파이프 꼭지(spigot)(28)에 가스를 공급하기 위한 밸브 분기관(valve manifold)(30)을 포함한다. 기구 덮개(shroud)(32)와 금속판(backplate)(34)은 밸브 분기관(valve manifold)(30)을 보호한다.
상기 중심 튜브(12)는 상기 중심 튜브(12)의 외부에 위치한 한 세트의 유도 코일(induction coil)(38)에 전원을 공급하기 위해 사용되는 공명 콘덴서 조립 체(resonant capacitor assembly)를 수용하고 있다. 상기 유도 코일(induction coil)(38)들은 내부 스페이서(inner spacer)(40)와 외부 스페이서(outer spacer)(42)들을 사용하면서 상기 중심 튜브(12)의 외부 장소에 설치되어 있다.
상기 중심 튜브(12)는 또한 하기에서 설명되어 지는 것처럼 유도 코일(induction coil)(38)들 사이의 중심에 위치한 와전류 프로브 조립체(eddy current probe assembly)(44)를 수용하고 있다.
두 개의 밀봉 장치(22) 사이에 있는 상기 장치(10)의 외부는 유도 코일(induction coil)(38)에 의해 발생하는 열로부터 상기 장치를 보호하기 위해서 열 실드(thermal shield)(46)에 의해 넣어진다. 상기 실드(46)는 또한 상기 기계 본체를 통하여 상기 압력 튜브로부터 손실되는 많은 양의 열을 줄일 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하면, 도 3과 도 4는 각각의 상기 블래더(20)가 팽창되었을 때, 상기 장치(10)의 수직적 횡적 단면도를 도시하고 있다. 상기 도면들로부터 상기 밀봉 장치(22)가 팽창된 블래더(20)에 의해 외부로 밀려져 있는 것을 알 수 있을 것이다.
상기 와전류 프로브 조립체(eddy current probe assembly)(44)는 또한 설치되어져 있고, 상기 장치(10)의 원통형 표면으로부터 외부로 방사성 구조로 돌출되어 있는 것을 볼 수 있다. 상기 밀봉 장치(22)는 분석 중에는 원자로 압력 튜브의 내부 표면에 대해 외부로 밀려져 있고, 그리고 와전류 프로브 조립체(44)는 하기에 설명된 테스트 과정에 따라 상기 원자로 압력 튜브를 테스트하기 위해서 배치되어질 수 있다. 하나의 구체예에 있어, 상기 와전류 프로브 조립체(44)는 밸브 분기 관(valve manifold)(30)에 의해 공급되는 가스를 사용하면서 기체의 압력을 통해 설치되어질 수 있다. 상기 블래더(20)와 와전류 프로브 조립체(44)를 작동하게 하기 위한 밸브 분기관(valve manifold)(30)에 의해 제공되는 가스는 하나의 구체예에 있어서 질소와 같은 임의의 불활성 가스일 수 있다.
도 1과 도 3을 참조하면, 상기 장치(10)는 상기 튜브의 내부 표면에 대한 밀봉 장치(22)의 설치에 의해 상기 원자로 압력 튜브 내에 형성된 밀봉된 연결 부분 안으로 가스를 주입하기 위한 가수 주입구(gas injection port)(48)를 더 포함한다. 물은 상기 밀봉 장치(22)의 바닥에 있는 틈(slot)을 통해 가스에 의해 배출된다. 상기 장치(10)는 또한 밀봉된 연결 부분 안에 있는 물의 존재를 감지하기 위해 수위 센서(water lever sensor)(50)를 포함한다.
다음으로 도 5를 참조하면, 도 5는 와전류 프로브 조립체(eddy current probe assembly)(44)의 단면도이다. 프로브 센서들(probe sensor)이 보관 기간동안과 상기 장치(10)의 초기 설치기간 동안에 밀려들어가 있게 하고 상기 장치(10)가 설치되었을 때 상기 프로브 센서들이 배치될 수 있게 하기 위해서 상기 와전류 프로브 조립체(44)는 왕복 메카니즘(reciprocating mechanism)이 통합되어 이루어져있다.
하나의 구체예에 있어서, 상기 왕복 운동(reciprocating motion)은 기체 조립체(pneumatic assembly)를 통해 이루어진다. 기체 조립체(pneumatic assembly)는 실린더 본체(54)안의 피스톤(52)을 포함한다. 상기 실린더 본체(54)의 내부는 실린더 슬리브(cylinder sleeve)(56)가 붙어져 있다. 실린더 본체(54)는 실린더 본 체(54)와 중심을 같이 하는 통로를 가진 탑 플레이트(top plate)(58)가 설치되어 있다. 스프링(60)은 밀려들어간 상태에서 피스톤(52)쪽으로 치우쳐 있다. 기체의 압력에도 불구하고, 상기 피스톤(52)은 상기 스프링(60)을 압축하면서 상기 실린더 본체(54) 안에서 위로 밀려질 수 있다. 하나의 구체예에 있어, 상기 압력은 실린더 본체(54)의 내부와 연결되어 있고 상기 피스톤(52) 위에 있는 플랜지(flange)의 내면에 가까운 통로를 가진 가스 유입 튜브(gas inlet tube)를 통해 제공되어진다.
상기 피스톤(52)은 프로브 축(62)을 조절하는 중공축(hollow shaft)을 포함하고 있다. 상기 프로브 축(62)는 또한 상기 장치(10) 안의 전자 장치와 프로브 센서를 연결하기 위한 배선을 수용하기 위해 속이 비어있다. 상기 프로브 축(62)은 피스톤(52)을 통해 연장되고 프로브 본체(64)와 연결되어 있는 탑 플레이트(58)를 통해 위로 연장된다. 따라서 상기 피스톤(52)이 배치된 위치에 있을 때, 상기 프로브 본체(64)와 프로브 축(62)은 탑 플레이트(58)로부터 외부로 연장되어진다. 상기 프로브 본체(64)는 알려진 직경을 가진 원자로 압력 튜브의 내부 표면에 인접한 플러쉬(flush)를 밀어 움직일 수 있도록 고안된 곡선의 외부 표면을 갖는 특징을 갖는다.
상기 도 6을 참조하면, 도 6은 상기 프로브 본체(64)와 프로브 축(62)의 단면도를 도시하고 있다. 상기 프로브 본체(64)는 원자로 압력 튜브 안의 저항성 변화 및 관련된 온도들을 측정하기 위한 한 세트의 센서들을 포함한다. 하나의 구체예에 있어, 상기 프로브 본체(64)는 이중 써머커플 프로브(dual thermocouple probe)(68)를 포함한다. 상기 이중 써머커플 프로브(68)는 상기 프로브 본체(64)의 곡선의 외부 표면의 중심에 위치한다.
이중 써머커플 프로브(68)의 다른 면에는 송신 코일(70)과 수신 코일(72)이 있다. 이 두 코일(70, 72)은 수치를 계산하면서 상기 압력 튜브의 본체 안에 와전류(eddy current)를 유도하도록 고안되었다. 하나의 구체예에 있어서, 상기 코일(70, 72)들은 8 kHz에서 작용한다.
상기 와전류 프로브 조립체(44)의 강도를 높이기 위해 상기 이중 써머커플 프로브(68), 상기 송신 코일(70), 상기 수신 코일(72)은 모두 상기 프로브 몸체(64)에 보관되어진다. 하나의 구체예에 있어서, 상기 프로브 축(62)은 부유 와전류 효과(stray eddy current effects)를 감소시키기 위해 티타늄(titanium)으로 제조되어진다.
배선(76)은 상기 써머커플 프로브(68), 상기 송신 코일(70), 수신 코일(72)과 연결되어 있고 상기 프로브 본체(64)를 관통하고 상기 프로브 축(62) 내부로 연장된다. 상기 배선(76)은 프로브 축(62)을 통해 상기 장치(10)의 중심 튜브(12)(도 1)의 내부 안으로 연장된다. 상기 배선(76)은 상기 각각의 코일(70, 72)을 위한 한 쌍의 전선과 상기 써머커플 프로브(68)를 위한 두 쌍의 전선을 포함한다. 상기 네 쌍의 전선은 폴리이미드(polyimide)로 피복되어있다. 상기 와전류 프로브 조립체(44)는 배선이 상기 프로브 축(62)의 끝부분으로 나와 있을 경우, 상기 배선(76)을 보호하기 위해 유리 슬리브(glass sleeve)(74)를 포함할 수 있다. 상기 배선(76)은 상기 장치(10) 안의 연결 장치(connector)에 연결될 수 있다. 이러한 내부 연결에 있어, 상기 써머커플 전선들은 일반적으로 구리선으로 이루어질 수 있고 이 지점에서 온도를 측정하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 온도는 마지막 온도 산출을 위한 냉접점 온도(cold junction temperature)로서 사용될 수 있다. 하나의 구체예에 있어, 이는 1000 Ohm 백금 필름 RTD를 사용하여 이행되어진다. 상기 연결 장치는 상기 장치(10)의 외부와 압력 튜브 아래를 통과하는 케이블링(cabling)에 연결되어진 대응 연결 장치(corresponding connector)와 연결된다.
상기 프로브 본체(64)는 상기 배선(76), 상기 써머커플 프로브(68), 상기 코일들(70, 72) 및 상기 프로브 축(62)을 감싸는 단일 고체 조각을 생산하기 위해 주조될 수 있다. 하나의 구체예에 있어, 상기 프로브 본체(64)는 매사추세스의 Emerson & Cumming 사에 의해 생산된 Stycast 2764F로부터 만들어진 고온 에폭시(high temperature epoxy)로 채워진 알루미나(alumina)로부터 제조된다. 상기 프로브 본체(64)는 코일들(70, 72)이 손상되는 것을 방지하기 위하여 상기 코일의 표면을 피복한 얇은 유리 단사를 포함한다. 상기 얇은 유리 단사는 상기 프로브 본체(64) 안에 삽입되어 주조될 수 있고 예를 들면 0.005 인치의 두께를 가질 수 있다. 이러한 것은 상기 코일들(70, 72)이 여전히 감싸지고 보관되는 동안에는 가능한 프로브 표면에 가깝게 접촉되어 있을 수 있도록 하여준다.
도 7을 참조하면, 도 7은 써머커플 프로브(68)의 단면도를 도시하고 있다. 상기 써머커플 프로브(68)는 주요 본체 부분(78, 80, 82)을 포함한다. 상기 주요 본체 부분(78, 80, 82)은 본체 재료를 통한 열류량(heat flow)을 최소화하기 위해서 낮은 열전도율을 가진 재료로부터 선택되어진다. 과도한 열류량(heat flow)은 온도 측정의 정확도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 하나의 구체예에 있어, 상기 주요 본체 부분은 폴리이미드 고분자재료로 된 VespelTM로부터 만들어진다.
상기 써머커플 프로브(68)는 또한 두 타입의 E 써머커플 스트립(strip)(84)들을 포함하고 있고, 각각은 써머커플 프로브(68)의 축에 따라 중심에 위치한 다른 금속 접합부를 가지고 있다. 상기 스트립(strip)(84)들은 전선(86)을 덮고 있는 작은 직경 타입 E 폴리이미드에 용접되어 있다.
상기 써머커플 프로브(68)가 조립되면, 그것은 테스트되고 그 테스트 결과에 기초하여 온도 보정표(temperature correction table)가 작성된다. 상기 써머커플 프로브(68)는 상기 프로브 본체(64)(도 6) 안으로 포함되어지고, 그 다음으로 와전류 프로브 조립체(44)(도 5)가 포함되어 이루어진다.
이제 상기 장치(10)의 작동이 도 8을 참조하여 설명되어질 것이다. 도 8은 본 발명에 따른 상기 장치(10)를 사용하여 TSS 온도를 결정하는 방법(100)의 플로차트를 도시하고 있다.
상기 방법(100)은 상기 장치(10)가 지르코늄 압력 튜브에 주입하고 테스트가 수행될 수 있는 튜브의 적절한 부분에 장치(10)를 배치하는 단계 102에서 시작된다. 바람직한 구체예에 있어서, 상기 와전류 프로브는 상기 압력 튜브의 상부에 배치된다. 단계 104에서, 상기 부분은 튜브의 내부 표면에 대해 방사성 구조로 외부로 상기 밀봉 장치(22)(도 3)를 밀어내는 상기 블래더(20)(도 3)들을 팽창시키는 것에 의해 밀봉되어진다. 이러한 단계는 두 개의 밀봉 장치(22)들 사이의 튜브의 내부 공간을 분리시키는 결과를 가져온다. 또한 단계 104에서, 상기 와전류 프로브 조립체(44)(도 3)는 튜브의 내부 표면에 대하여 상기 프로브 본체(64)(도 5)의 곡선의 외부 표면을 밀어내는 기체 압력을 통하여 설치되어지고, 그것에 의해서 상기 써머커플 프로브(68)(도 6)가 상기 튜브와 접촉하게 된다.
일반적인 냉각 원자로 정지 조건 아래서, 상기 압력 튜브는 40℃ 이하의 온도에서 흐르는 물로 채워져 있다. 밀봉되어지면 상기 흐름은 장치(10)의 중심을 통해 방향이 전환되어진다. 이러한 흐름은 채널에 여전히 존재하고 있는 연료가 과열되는 것을 방지하기 위해서 감소되면 안 된다. 상기 남아있는 고립된 물은 가열과 냉각 순환을 제어하기 위해서 상기 밀봉 장치(22) 사이의 밀봉된 공간으로부터 방출되어야 한다. 그리하여 단계 106 에서 상기 밸브 분기관(valve manifold)(30)(도 3)은 밀봉된 공간으로부터 물이 방출될 수 있도록 상기 가스 주입구(48)(도 3)를 통해 가스를 주입한다. 하나의 구체예에 있어, 임의의 불활성 가스가 사용될 수 있지만 상기 가스로 질소를 사용한다. 상기 물은 상기 하나의 밀봉 장치(22)에 있는 장치의 바닥에 위치한 작은 구멍을 통해 빠져나간다. 수위는 열이나 가스 압력을 매개로 하는 상기 수위 센서(water lever sensor)(50)에 의해 평가될 수 있다.
상기 물은 밀봉된 공간으로부터 방출된 후, 16 kHz 전원 신호에 의해 작용하는 상기 유도 코일(38)은 단계 108에서 상기 튜브나 상기 와전류 프로브 조립체(44)를 건조시키기 위해서 압력 튜브의 밀봉된 부분을 가열하는데 사용된다. 상기 유도 코일(38)은 상기 공명 콘덴서 조립체(resonant capacitor assembly)(21)(도 1)에 의해 전원이 공급되어진다. 압력 튜브의 밀봉된 부분의 온도는 분당 약 20℃의 비율로 대략 300℃까지 오른다. 상기 장치(10)는 상기 밀봉 장치(22) 사이의 부분에 있는 장치(10)의 외부에 있는 열 실드(thermal shield)(46)를 통해 증가되는 온도로부터 보호되어진다. 상기 밀봉 장치(22)의 다른 면에 있는 압력 튜브 안에 있는 물은 상기 밀봉 장치(22)의 온도를 감소시켜 밀봉 장치가 손상되는 것을 방지한다. 상기 압력 튜브를 가열하는 것은 모든 수소화물이 용해되어진 것을 확실하게 하여준다. 단계 106에서 밀봉된 공간으로부터 물을 방출하는 단계 및 단계 108에서 상기 장치(10)와 튜브를 건조하기 위한 튜브를 가열하는 단계는 상태를 미리 조절하는 단계로서 참조될 수 있다.
단계 110에 있어서, 상기 압력 튜브는 하나의 구체예에 있어, 분당 10℃의 미리 예정된 비율로 냉각되어진다. 상기 튜브는 약 70℃까지 냉각되는 것이 허용되어진다. 이런 냉각 단계 동안, 상기 송신 및 수신 코일(70, 72)은 압력 튜브로 와전류를 유도하고 그것에 의하여 냉각과정 동안 상기 튜브의 저항성을 측정한다. 이러한 결과는 그 후에 압력 튜브에 대한 TSSp 온도를 알아내기 위해 상기 써머커플 프로브(68)(도 6)에 의해 기록되어진 온도 데이터와 결합하여 사용된다. 상기 압력 튜브가 냉각되어짐에 따라, 압력 튜브는 수소화물이 침전되기 시작하는 지점(TSSp 온도)에 도달할 것이고, 저항성의 온도 계수에 있어 불연속점이 나타난다. 냉각 속도는 알려진 작은 크기의 새로운 수소화물을 침전시키기 위해 다음 단계의 가열 속도보다 같거나 더 빨라야 할 것이다. 이것은 TSSd 온도를 결정하는 그 다음 단계의 가열 순환의 정확도를 향상시킨다.
상기 압력 튜브가 약 70℃까지 냉각되어진 후, 단계 112에서 튜브는 하나의 구체예에 있어, 분당 10℃의 미리 예정된 비율로 재가열된다. 상기 튜브는 대략 300℃까지 재가열 되어진다. 재가열하는 것은 침전된 수소화물이 TSSd에 해당하는 임의의 온도에서 용해될 수 있도록 한다. 송신 및 수신 코일(70, 72)은 TSSd 온도에 대응되는 불연속점을 식별하기 위해서 가열과정 동안 저항성 데이터를 수집한다.
단계 114에 있어서, 상기 튜브는 단계 110에서와 같이 70℃까지 냉각되는 것이 허용되고 TSSp의 다른 측정값은 와전류 프로브 조립체(44)를 이용하여 구해진다. 이 TSSp의 두 번째 측정값은 더 정확하게 구해질 수 있으나 생략될 수도 있다. 이러한 단계의 냉각 램프(ramp)는 대략 100℃까지 냉각될 수 있다.
상기 튜브가 충분히 냉각되어진 후에, 단계 116에서 상기 밀봉 장치(22)와 상기 와전류 프로브 조립체(44)는 밸브 분기관(30)을 통해 연료 채널 안으로 압축된 가스를 방출하는 것에 의해서 뒤로 밀려진다.
상기 방법(100)은 상기 써머커플 프로브(68)와 상기 유도 코일(70, 72)에 의해서 기록된 데이터를 기초로 한 TSSp와 TSSd를 계산하는 단계 118을 포함한다. 상기 TSSp와 TSSd를 사용하여, 테스트에 의한 튜브의 연결 부분의 수소 농도는 적합한 아레니우스 관계식을 사용하여 결정될 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 9는 와전류 전압 미분 계수와 온도에 대한 두 번째 미분 계수의 그래프(200)를 도시하고 있다. 상기 그래프(200)는 온도와 관련하여 압력 튜브에 대한 저항성의 온도 계수의 확대도를 나타내는 첫 번째 선(202)을 포함하고 있다. 상기 첫 번째 선(202)은 지르코늄 매트릭스 안에 용해되어 있는 증가된 수소에 의해 기인하여 꾸준히 증가하는 것을 나타내고 있다. 마지막 남은 수소화물 이 용해되면, 상기 첫 번째 선(202)은 이 경우 227.6℃인 TSSd 온도에서 급격한 불연속점을 나타내고 있다.
상기 그래프는 상기 첫 번째 선(202)의 미분 계수를 나타내는 두 번째 선(204)을 포함한다. 227.6℃에서 두 번째 선(204)의 최소값은 상기 첫 번째 선(202)의 불연속점과 결부된다.
수소화물의 침전도 구체적 형태나 반응 면에서 유사하다.
본 발명은 상기 취지와 필수적 특징들로부터 시작되지 않고 다른 특징적인 형태로 구체화될 수 있다. 본 발명의 임의의 응용과 변형은 본 발명의 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 따라서 상기 언급한 구체예들은 본 발명을 제한하는 것이 아닌 하나의 예시로 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 앞선 상세한 설명보다 출원한 청구항에 의해 나타내져야 하고, 청구항들의 범위와 취지와 동일시 할 수 있는 것으로부터의 모든 변화는 이 안에 포함되어 있는 것으로 여겨질 수 있다.

Claims (32)

  1. 원자로 압력 튜브의 연결 부분을 밀봉하고;
    미리 예정된 비율로 상기 원자로 압력 튜브 내의 온도 변화를 시작하고;
    상기 온도 변화와 관련하여 상기 원자로 압력 튜브의 저항성의 변화들을 측정하고; 그리고
    저항성에 있어 측정된 변화들로부터 최종 고용도 온도(terminal solid solubility)를 결정하는;
    단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계에 앞서 상기 원자로 압력 튜브의 상태를 미리 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 상태를 미리 조절하는 단계는 상기 원자로 압력 튜브의 밀봉된 연결 부분을 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상태를 미리 조절하는 단계는 상기 가열하는 단계에 앞서 상기 밀봉된 연결 부분으로부터 임의의 유체를 방출하기 위해서 상기 원자로 압력 튜브의 밀봉된 연결 부분 안으로 불활성 가스를 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계는 첫 번째 미리 예정된 비율로 상기 원자로 압력 튜브의 밀봉된 연결 부분을 냉각하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계는 두 번째 미리 예정된 비율로 상기 원자로 압력 튜브의 밀봉된 연결 부분을 재가열하는 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계는 세 번째 미리 예정된 비율로 상기 원자로 압력 튜브의 밀봉된 연결 부분을 재냉각하는 그 다음 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 첫 번째 예정된 비율은 분당 10℃인 것을 특징으로 하 는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 두 번째 예정된 비율은 분당 10℃인 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 측정하는 단계는 상기 원자로 압력 튜브 내로 와전류(eddy current)를 유도하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 적합한 아레니우스 관계식(Arrhenius relationship)을 사용하여 상기 최종 고용도 온도로부터 수소 농도를 결정하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 최종 고용도 온도는 침전의 최종 고용도 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 최종 고용도 온도는 용해의 최종 고용도 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 최종 고용도 온도를 결정하는 단계는 저항성에 있어 상기 측정된 변화들로부터 저항성의 온도 계수에 있어 불연속점을 식별하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하는 방법.
  14. 장치 본체;
    원자로 압력 튜브의 연결 부분의 밀봉을 위하여 상기 장치 본체에 설치된 배치할 수 있는 밀봉 장치;
    미리 예정된 비율로 상기 원자로 압력 튜브 내부의 온도 변화를 제어하는 가열기; 및
    상기 온도 변화와 관련된 상기 원자로 압력 튜브의 저항성에 있어서의 변화를 측정하기 위한 프로브 조립체(probe assembly);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 장치 본체는 원통형 파이프(cylindrical pipe)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 배치할 수 있는 밀봉 장치는 고리형(annual)의 밀봉 장치와 상기 원자로 압력 튜브의 내부 표면을 누를 수 있도록 상기 고리형의 밀봉 장치를 방사성 구조로 배치하기 위해 팽창될 수 있는 블래더(bladder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 밀봉 장치를 배치하기 위한 가스 분기관(gas manifold) 시스템과 불활성 가스 공급기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  18. 제14항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 가열기는 유도 가열기(induction heater)와 상기 본체 안에 있고 상기 가열기들에 연결된 공명 콘덴서 조립체(resonant capacitor assembly)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 장치 본체는 원통형이고 상기 유도 가열기들은 상기 장치 본체의 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  20. 제14항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 프로브 조합체(probe assembly)는 각각의 저항성과 온도를 측정하기 위해서 와전류 시스템과 써머커플 프로브를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 와전류 시스템은 수신 코일과 송신 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 프로브 조립체는 프로브 본체를 더 포함하고 상기 송신 코일, 상기 수신 코일 및 써머커플 프로브가 상기 프로브 본체의 외부 표면에 심어져 있는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 프로브 조립체는 상기 프로브 본체의 외부 표면과 상기 원자로 압력 튜브의 내부 표면이 접촉할 수 있도록 하는 상기 프로브 본체를 방사성 구조로 연장하기 위한 상기 프로브 본체와 연결된 배치 메커니즘(deployment mechanism)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 압력 튜브를 검사하기 위한 검사 장치.
  24. 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료의 연결 부분을 밀봉하고;
    미리 예정된 비율로 상기 재료 내의 온도 변화를 시작하고;
    온도 변화와 관련하여 상기 재료의 저항성에 있어 변화를 측정하고; 그리고
    저항성에 있어서 측정된 변화로부터 최종 고용도 온도를 결정하는;
    단계를 포함하여 이루어지는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계에 앞서 상기 연결 부분의 상태를 미리 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 상태를 미리 조절하는 단계는 상 기 재료의 연결 부분을 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 상태를 미리 조절하는 단계는 상기 가열하는 단계에 앞서 상기 밀봉된 연결 부분으로부터 임의의 유체를 방출하기 위하여 상기 재료의 밀봉된 연결 부분 안으로 불활성 가스를 주입하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계는 첫 번째 미리 예정된 비율로 상기 재료의 연결 부분을 냉각하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계는 두 번째 미리 예정된 비율로 상기 재료의 연결 부분을 재가열하는 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 온도 변화를 시작하는 단계는 세 번째 미리 예정된 비율로 상기 재료의 연결 부분을 재냉각하는 그 다음 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  30. 제24항 내지 제29항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 측정하는 단계는 상기 재료의 연결 부분 내로 와전류를 유도하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  31. 제24항 내지 제30항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 적합한 아레니우스 관계식(Arrhenius relationship)을 기초로 하여 상기 최종 고용도 온도로부터 수소 농도를 결정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
  32. 제24항에 있어서, 상기 최종 고용도 온도를 결정하는 단계는 저항성에 있어 측정된 변화들로부터 저항성의 온도 계수에 있어서의 불연속점을 식별하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소화물을 형성할 수 있는 합금인 재료 내의 최종 고용도 온도를 결정하기 위한 방법.
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