KR20090006976A - 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료봉의 피복관과 봉단 마개를 용접하기 위한 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핵연료봉의 봉단 마개 및 피복관 사이에 브레이징 소재를 용융시키는 브레이징 공정으로 용접하여 접합 및 밀봉이 정밀하게 이루어지도록 하는 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법에 관한 것이다.

그 기술적 구성은 핵연료봉의 양단 봉단 마개와, 상기 핵연료봉을 둘러싸고 있는 피복관 사이에 브레이징용 삽입 금속을 삽입하여 회전이 가능하도록 내측에 삽입 및 고정 홈을 포함하는 핵연료봉 회전장치;

상기 핵연료봉 회전장치에 삽입 및 고정된 상기 핵연료봉을 상·하 방향으로 이동시키기 위한 핵연료봉 상·하 이동 유압장치;

상기 봉단 마개와 상기 피복관을 접합 및 밀봉시키는 브레이징 공정을 위해 상기 브레이징 소재를 가열 및 용융시키기 위한 고주파 가열장치; 및

상기 고주파 가열장치에 의해 용융 형성된 상기 봉단 마개와 상기 피복관 사이의 브레이징 접합부를 냉각시키는 냉각장치;를 포함하여 이루어지는 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 상기 장치를 이용한 브레이징 용접 방법을 특징으로 한다.

상기와 같은 핵연료봉의 피복관과 봉단 마개를 용접하기 위한 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법을 제공함으로써, 고주파 가열장치에 의해 짧은 시간 내에 브레이징 접합부를 가열할 수 있어 브레이징 소재의 용융 온도를 상당히 정확하 게 제어할 수 있어 접합불량을 최소화할 수 있다.

핵연료, 핵연료봉, 알루미늄봉, 브레이징(brazing), 봉단 마개, 피복관

Description

핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법{Brazing-welding system of nuclear fuel rod and method there of}

본 발명은 핵연료봉의 피복관과 봉단 마개를 용접하기 위한 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핵연료봉의 봉단 마개 및 피복관 사이에 브레이징 소재를 용융시키는 브레이징 공정으로 용접하여 접합 및 밀봉이 정밀하게 이루어지도록 하는 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연구용 원자로의 봉형 핵연료는 Al 1060소재를 사용하는 핵연료의 양단 봉단 마개와 핵연료를 둘러싸고 있는 피복관에 의해 밀봉되어 있다.

핵연료가 노 내에서 연소함에 따라 발생하는 방사성물질이 외부로 누출하지 못하도록 이들 소재 사이에 기밀이 유지되어야 하므로 핵연료 봉단 마개와 피복관을 용접하는 방법을 주로 사용한다.

이때, 용접으로 접합할 경우 피복관의 두께는 0.76mm, 봉단 마개의 직경은 6.45mm 이고 재질은 용접성이 나쁜 순수 알루미늄을 용접하여야한다.

그리고, 용접시 발생한 고온에 의해 틈새와 핵연료 내부에 있는 기체가 팽창하여 용접부위로 빠져나오다 도중에 냉각되어 발생하는 기포 발생 등의 많은 어려움 때문에 공정의 복잡성과 용접 불량의 가능성이 높아 매우 세심한 주의와 숙련된 용접기술 및 방법이 요구된다.

따라서, 현재 에너지 밀도가 다른 용접방법에 비해 월등히 높고 용접부위의 열영향부가 작고 용접 비드 폭이 좁으면서 용입이 깊은 장점이 있는 전자빔 용접기를 사용하여 주로 용접하고 있다.

현재 고밀도 열원을 이용한 전자빔용접 방법을 이용하고 있으나 용접을 위해서는 일정한 진공도를 유지해야 하므로 진공 배기 시간이 작업시간의 대부분을 차지하고 장비가 고가인 단점이 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 접합 대상 소재를 용융시키지 않고 접합 후, 접합부의 열적 기계적 특성이 양호하며, 접합 공정 및 장비가 비교적 간단한 브레이징(brazing) 방법을 이용하고자 한다.

하지만, 일반적으로 알루미늄봉의 브레이징 방법은 도 1과 같은 공정으로 수행하며 Al-Si 합금을 판재와 봉재로 제조하여 브레이징용 삽입금속(filler metal)로 사용하고, 접합할 알루미늄이 전처리 후에 직접 대기에 닿으면 산화하거나 대기 속의 수분과 반응하는 것을 방지하기 위하여 플럭스(flux)를 도포한다.

그러나, 이러한 공정을 핵연료봉의 피복관과 봉단마개를 접합하는데 적용하기에는 플럭스(flux)량의 조절, 도포를 위한 전처리 과정 등이 매우 복잡하기 때문 에 사실상 적용이 어렵다.

그리고, 토치(torch)를 이용한 브레이징 공정은 단순한 공정이기 때문에 많이 사용하고 있지만 핵연료봉 피복관의 두께가 0.76mm로 매우 얇기 때문에 매우 엄격한 온도 및 공정 제어가 요구된다.

그리고 먼저 양단 중 일단을 접합할 시에는 성공할 확률이 높지만, 이후 타단을 접합할 때에는 접합열에 의해 핵연료봉 내의 잔류 가스가 가열되고 이러한 가스가 접합할 부분으로 배출되기 때문에 결함이 생길 가능성이 매우 높다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 안출된 것으로, 그 목적은 핵연료봉의 양단 봉단 마개와 피복관 사이에 브레이징용 삽입 금속을 용융시키는 브레이징 공정을 이용함으로써 용접이 정밀하게 이루어지는 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법은,

핵연료봉의 양단 봉단 마개와, 상기 핵연료봉을 둘러싸고 있는 피복관 사이에 브레이징용 삽입 금속을 삽입하여 회전이 가능하도록 내측에 삽입 및 고정 홈을 포함하는 핵연료봉 회전장치;

상기 핵연료봉 회전장치에 삽입 및 고정된 상기 핵연료봉을 상·하 방향으로 이동시키기 위한 핵연료봉 상·하 이동 유압장치;

상기 봉단 마개와 상기 피복관을 접합 및 밀봉시키는 브레이징 공정을 위해 상기 브레이징용 삽입금속(filler metal)을 가열 및 용융시키기 위한 고주파 가열장치; 및

상기 고주파 가열장치에 의해 용융 형성된 상기 봉단 마개와 상기 피복관 사이의 브레이징 접합부를 냉각시키는 냉각장치;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 고주파 가열장치가 상기 브레이징용 삽입금속을 가열 및 용융시키는 동안 열확산의 균일성을 위해 상기 핵연료봉 회전장치에 의해 상기 핵연료봉은 원주 방향으로 회전이동하는 것을 특징으로 한다.

한편, 핵연료봉의 양단 봉단 마개와, 상기 핵연료봉을 둘러싸고 있는 피복관 사이에 브레이징 소재가 삽입된 핵연료봉을 회전이 가능하도록 삽입 및 고정 홈을 통해 핵연료봉 회전장치에 삽입 및 고정시키는 단계(S10);

상·하 이동 유압장치에 의해 상기 핵연료봉을 상·하 방향으로 이동시키는 단계(S20);

상기 브레이징용 삽입금속(filler metal)을 가열 및 용융시켜 상기 봉단 마개와 상기 피복관을 접합 및 밀봉시키는 브레이징 공정을 위해 고주파 가열장치로 상기 브레이징 소재를 가열 및 용융시키는 단계(S30);

상기 고주파 가열장치에 의해 용융 형성된 상기 봉단 마개와 상기 피복관 사이의 브레이징 접합부를 냉각장치에 의해 냉각시키는 단계(S40);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 단계(S30)에서 상기 고주파 가열장치가 상기 브레이징 소재를 가열 및 용융시키는 동안 열확산의 균일성을 위해 상기 핵연료봉 회전장치에 의해 상기 핵연료봉을 원주 방향으로 회전이동시키는 단계(S33)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 핵연료봉의 양단 봉단 마개와, 상기 핵연료봉을 둘러싸고 있는 피복관 사이에 브레이징용 삽입 금속을 삽입하여 회전이 가능하도록 내측에 삽입 및 고정 홈을 포함하는 핵연료봉 회전장치와, 핵연료봉 회전장치에 삽입 및 고정된 상기 핵연료봉을 상·하 방향으로 이동시키기 위한 핵연료봉 상·하 이동 유압장치와, 봉단 마개와 피복관을 접합 및 밀봉시키는 브레이징 공정을 위해 브레이징 소재를 가열 및 용융시키기 위한 고주파 가열장치, 그리고 고주파 가열장치에 의해 용융 형성된 봉단 마개와 피복관 사이의 브레이징 접합부를 냉각시키는 냉각장치를 포함하여 이루어지는 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 상기 장치를 이용한 브레이징 용접 방법으로, 고주파 가열장치에 의해 짧은 시간 내에 접합부를 가열할 수 있어 브레이징 소재의 용융 온도를 상당히 정확하게 제어할 수 있어 접합불량을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 장치를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 실시예에 사용되는 핵연료봉 시편을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 실시예에 사용되는 브레이징 삽입금속을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 방법을 개략적으 로 나타내는 블럭도이고, 도 6은 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 준비 단계를 나타내는 도면이고, 도 7은 핵연료봉 회전 장치에 핵연료봉을 삽입 및 고정시키는 단계를 나타내는 도면이고, 도 8은 핵연료봉의 고주파 가열에 따른 브레이징 공정 단계를 나타내는 도면이고, 도 9은 브레이징 접합부의 냉각 후의 모습을 나타내는 도면이고, 도 10은 핵연료봉의 브레이징 접합부의 방사선 투과검사 결과를 나타내는 도면이고, 도 11은 파열압력 136bar의 가압으로 부풀어 오른 브레이징 용접부와 파열부분을 나타내는 도면이고, 도 12는 파열압력 155bar의 가압으로 부풀어 오른 브레이징 용접부와 파열부분을 나타내는 도면이고, 도 13은 본 발명에 따른 브레이징 공정 후 핵연료봉 시편의 파열시험 결과를 나타내는 도면이다.

따라서, 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 방법에서 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 핵연료봉의 브레이징 용접장치(1)는,

핵연료봉(60)의 양단 봉단 마개(61)와, 상기 핵연료봉(60)을 둘러싸고 있는 피복관(63) 사이에 브레이징용 삽입 금속(filler metal,70)(도 3 및 도 4 참조)을 삽입하여 회전이 가능하도록 내측에 삽입 및 고정 홈(23)을 포함하는 핵연료봉 회전장치(20);

상기 핵연료봉 회전장치(20)에 삽입 및 고정된 상기 핵연료봉(60)을 상·하 방향으로 이동시키기 위한 핵연료봉 상·하 이동 유압장치(30);

상기 봉단 마개(61)와 상기 피복관(63)을 접합 및 밀봉시키는 브레이징 공정(brazing process)을 위해 상기 브레이징용 삽입금속(70)을 가열 및 용융시키기 위한 고주파 가열장치(10); 및

상기 고주파 가열장치(10)에 의해 용융 형성된 상기 봉단 마개(61)와 상기 피복관(63) 사이의 브레이징 접합부(65)를 냉각시키는 냉각장치(??);

를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 장치(1)에서는, 용탕의 유동성이 양호한 Al-12wt%Si 합금 분말을 용가재(flux)와 혼합한 후, 선재 형태로 압출하여 상기 브레이징용 삽입 금속(70)을 형성하였으며, 상기 브레이징용 삽입 금속(70)의 형상은 바람직하게 오링(O-ring) 형상으로 형성하였다.

따라서, 고가 장비(EB 용접기의 경우, 최하 6억원)를 사용하지 않으므로 핵연료봉 제작 가격을 절감할 수 있고 진공 배기 시간이 필요없으므로 생산성이 향상된다.

또한, 상기 브레이징용 삽입금속(70)과 플럭스(flux)를 혼합, 압출하여 제조한 알루미늄봉 브레이징용 링타입 접합소재를 사용할 경우, 플럭스 도포 공정을 생략할 수 있고 링타입 접합소재를 상기 봉단마개(61)에 끼워서 사용하므로 단순가열 만으로도 접합이 용이해진다.

그리고, 상기 브레이징 용접장치(1)의 상기 고주파 용접장치(10)의 경우, 짧은 시간 내에 상기 봉단 마개(61)와 상기 피복관(63) 사이의 접합부위의 상기 브레이징용 삽입 금속(70)을 가열할 수 있고, 상기 브레이징용 삽입 금속(70)의 소재의 용융 온도를 비교적 정확하게 제어할 수 있으므로 접합 불량을 최소화 할 수 있다.

따라서 기존의 핵연료봉 봉단마개를 접할할 때 사용하던 토치 브레이징에서의 문제점이던 내부 가스 팽창에 의한 접합불량을 최소화할 수 있다.

한편, 상기한 본 발명의 실시예에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 장치(1)를 이용한 브레이징 용접 방법을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 고주파 가열 장치(10)의 상기 고주파 가열부(13)와 상기 핵연료봉 회전장치(20)의 준비 상태를 마친다.

그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 핵연료봉(60)을 상기 고주파 가열부(13)를 관통시킨 후, 상기 핵연료봉 회전장치(20)의 상기 삽입 및 고정홈(23)(도 6 참조)에 삽입 및 고정시키는 단계(S10)를 거친다.

이때, 상기 핵연료봉 상·하 이동 유압장치(30)에 의해 상기 핵연료봉(60)의 상기 봉단 마개(61) 및 상기 피복관(63) 사이에 구비된 상기 브레이징용 삽입 금속(70)이 상기 고주파 가열부(13)에 효과적으로 가열될 수 있는 위치로 이동할 수 있도록 상·하 방향으로 이동하는 단계(S20)를 거친다.

그 다음, 도 8에서처럼, 상기 고주파 가열부(13)에 의해 상기 핵연료봉(60)의 상기 브레이징용 삽입 금속(70)이 원주 방향으로 가열된다.

이때, 가열된 상기 브레이징용 삽입 금속(70)은 용융되어 상기 봉단 마개(61)와 상기 피복관(63) 사이의 접합부에 흘러들어가 브레이징 접합부(65)를 바람직하게 형성함으로써 상기 봉단 마개(61) 및 상기 피복관(63)을 브레이징 용접하여 밀봉하는 단계(S30)를 거친다.

상기 단계(S30) 중, 상기 고주파 가열부(13)에 의해 가열중, 열확산을 균일 하게 하기 위해서 상기 핵연료봉 회전장치(20)에 의해 상기 핵연료봉(60)을 원주방향으로 일정 속도로 회전시키는 단계(S33)를 더 추가하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 도 9에서와 같이, 상기 브레이징 접합부(65)를 냉각장치(cooling system)에 의해 냉각시키는 단계(S40)를 거침으로써 본 발명에 핵연료봉의 브레이징 용접 방법은 종료된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 장치 및 그를 이용한 방법에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접의 건전성은 도 10에 도시된 바와 가팅, 방사선 투과검사에 의해 대략적인 상태를 확인할 수 있다.

도 10의 a는 저배율로 핵연료봉 시편(60)에 대한 단면을 나타내며, b는 피복관(63)과 봉단 마개(61)가 만나는 지점을, c는 봉단마개(61) 부분 그리고, d는 브레이징 접합부(65)의 중심부를 각각 나타낸 것으로 상기 각 a),b),c) 및 d) 부분에서 각 브레이징 부분의 결함은 나타나지 않으며 특히, 브레이징용 삽입 금속이 응고할 때 발생하는 기공도 나타나지 않았으므로 매우 성공적인 브레이징 용접이었음을 조직상으로 확인할 수 있다.

한편, 도 11 및 도 12는 파열시험 후의 핵연료봉의 시편 형상을 나타낸 것으로, 왼쪽 그림은 브레이징 부분이며 오른쪽 그림은 파열시험을 위해 체결된 부분을 나타낸다.

파열시험 결과, 두 핵연료봉 시편 모두에서 브레이징 접합부에서는 가압에 의해 관이 부풀어 있고 브레이징 부분에서의 파열은 일어나지 않음을 알 수 있다.

대신, 가압을 위해 체결된 부분에서 각각 136, 155bar의 압력에서 파열이 일 어났음을 알 수 있다.

이는 브레이징 부분의 접합성이 매우 견고하고, 결함이 없음을 나타내고 성공적인 접합 조건이었음을 말해준다.

도 13은 도 11 및 도 12에서 각각 136bar 및 155bar의 압력에서 상기 파열시험에 따른 결과를 136bar 및 155bar의 압력별 핵연료봉 시편의 시험전 직경, 시험후 원주 길이 및 파열 강도 등을 나타낸 것으로 각 핵연료봉 시편에서의 브레이징 접합부의 견고성 및 결함 나타나지 않음 뒷받침해준다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 알루미늄 봉의 브레이징 방법을 개략적으로 나타내는 모식도,

도 2는 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 장치를 개략적으로 나타내는 평면도,

도 3은 본 발명에 따른 실시예에 사용되는 핵연료봉 시편을 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 실시예에 사용되는 브레이징 삽입금속을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 용접 방법을 개략적으로 나타내는 블럭도,

도 6은 본 발명에 따른 핵연료봉의 브레이징 준비 단계를 나타내는 도면,

도 7은 핵연료봉 회전 장치에 핵연료봉을 삽입 및 고정시키는 단계를 나타내는 도면,

도 8은 핵연료봉의 고주파 가열에 따른 브레이징 공정 단계를 나타내는 도면,

도 9은 브레이징 접합부의 냉각 후의 모습을 나타내는 도면,

도 10은 핵연료봉의 브레이징 접합부의 방사선 투과검사 결과를 나타내는 도면,

도 11은 파열압력 136bar의 가압으로 부풀어 오른 브레이징 용접부와 파열부분을 나타내는 도면,

도 12는 파열압력 155bar의 가압으로 부풀어 오른 브레이징 용접부와 파열부분을 나타내는 도면,

도 13은 본 발명에 따른 브레이징 공정 후 핵연료봉 시편의 파열시험 결과를 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 브레이징 용접 장치 10: 고주파 가열장치

13: 고주파 가열부 20: 핵연료봉 회전장치

23: 삽입 및 고정홈 30: 핵연료봉 상·하이동 유압장치

40: 냉각장치 50: 컨트롤 패널

60: 핵연료봉 시편 61: 봉단 마개

63: 피복관 65: 브레이징 접합부

Claims (4)

1. 핵연료봉의 양단 봉단 마개와, 상기 핵연료봉을 둘러싸고 있는 피복관 사이에 브레이징용 삽입 금속을 삽입하여 회전이 가능하도록 내측에 삽입 및 고정 홈을 포함하는 핵연료봉 회전장치;

   상기 핵연료봉 회전장치에 삽입 및 고정된 상기 핵연료봉을 상·하 방향으로 이동시키기 위한 핵연료봉 상·하 이동 유압장치;

   상기 봉단 마개와 상기 피복관을 접합 및 밀봉시키는 브레이징 공정을 위해 상기 브레이징용 삽입금속(filler metal)를 가열 및 용융시키기 위한 고주파 가열장치; 및

   상기 고주파 가열장치에 의해 용융 형성된 상기 봉단 마개와 상기 피복관 사이의 브레이징 접합부를 냉각시키는 냉각장치;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 브레이징 용접 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 고주파 가열장치가 상기 브레이징용 삽입금속을 가열 및 용융시키는 동안 열확산의 균일성을 위해 상기 핵연료봉 회전장치에 의해 상기 핵연료봉은 원주 방향으로 회전이동하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 브레이징 용접 장치.
3. 핵연료봉의 양단 봉단 마개와, 상기 핵연료봉을 둘러싸고 있는 피복관 사이에 브레이징 소재가 삽입된 핵연료봉을 회전이 가능하도록 삽입 및 고정 홈을 통해 핵연료봉 회전장치에 삽입 및 고정시키는 단계(S10);

   상·하 이동 유압장치에 의해 상기 핵연료봉을 상·하 방향으로 이동시키는 단계(S20);

   상기 브레이징용 삽입금속(filler metal)을 가열 및 용융시켜 상기 봉단 마개와 상기 피복관을 접합 및 밀봉시키는 브레이징 공정을 위해 고주파 가열장치로 상기 브레이징 소재를 가열 및 용융시키는 단계(S30);

   상기 고주파 가열장치에 의해 용융 형성된 상기 봉단 마개와 상기 피복관 사이의 브레이징 접합부를 냉각장치에 의해 냉각시키는 단계(S40);

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 브레이징 용접 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 단계(S30)에서 상기 고주파 가열장치가 상기 브레이징 소재를 가열 및 용융시키는 동안 열확산의 균일성을 위해 상기 핵연료봉 회전장치에 의해 상기 핵연료봉을 원주 방향으로 회전이동시키는 단계(S33)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉의 브레이징 용접 방법.

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