KR20100076623A - 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기에 관한 것으로, 내부에는 지지격자 시편을 수용하는 공간부가 형성되고, 후방에는 지지격자가 장착되도록 연결축을 구비한 시편고정구가 고정 설치되며, 전방에는 지지격자를 타격할 수 있도록 공간부와 연통되는 개구부가 형성된 몸체; 상기 몸체의 전방에는 지지격자에 충격을 가하도록 충격해머가 설치되고, 상기 충격해머와 진자로 연결되어 충격해머를 지지해 주는 지지대를 포함하는 타격수단; 상기 시편고정구의 후방에 설치되어 충격해머가 지지격자를 타격시 충격 강도를 산출하는 감지수단을 포함한다.

핵연료 집합체, 지지격자, 충격시험기

Description

핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기{impact testing machine}

본 발명은 원자로의 핵연료 집합체 구성 부품들 중에서 연료봉을 지지하는 기능을 갖고 있는 지지격자에 대하여 상온 또는 고온 환경 하에서 충격시험을 실시할 수 있도록 한 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기에 관한 것이다.

일반적으로 핵연료 집합체는 상단 고정체와 하단 고정체 사이를 다수의 안내관이 개재되어 전체적인 골격을 형성하고 있으며, 연료봉들을 지지하는 지지격자들을 안내관의 길이 방향으로 일정한 간격을 두고 안내관과 용접하여 핵연료 집합체를 구성하게 된다.

여기서, 지지격자는 연료봉의 지지와 지진이나 냉각재상실사고(LOCA)와 같은 사고조건 하에서 측면 방향으로부터의 충격하중에 견딜 수 있도록 박판을 성형하여 격자 구조를 이루고 이의 교차부를 용접한 격자 구조물이다.

한편, 원자력발전소 부지에서 발생하는 지진 및 원자로 냉각재 계통 배관에서의 냉각재상실사고와 같은 사고시 발생하게 되는 외력이 원자로 냉각재 계통에 작용하게 되면 핵연료 집합체에 외력이 작용하게 된다.

이러한 사고에서 기인하는 외력 하에서도 핵연료 계통의 냉각성이 유지되어야 하고 노심의 손상 정도가 제어봉을 삽입할 수 없을 만큼 심하면 안 되기 때문에 핵연료 집합체의 구조적 건전성을 입증하기 위하여 지진, 냉각재상실사고에 대한 노심 내의 핵연료 집합체 구조응답에 대한 해석을 수행해야 한다.

핵연료 집합체의 구조적 건전성은 지진 및 냉각재 상실사고에 대한 집합체 구조해석으로 얻어진 하중을 SRSS(Square Root of Sum of Squares) 방법으로 합한 지지격자 조합하중이 지지격자의 충격시험으로부터 구한 파괴하중보다 작음을 보여줌으로써 입증할 수 있다.

이와 같은 핵연료 집합체의 구성 부품으로 사용되는 지지격자의 측면에서의 충격시험은 진자식 및 자유낙하식으로 수행하여 왔다. 이들 시험장치에서는 공히 자유낙하 높이 및 임의의 초기 충격해머의 각도에 따라 지지격자 시편이 받게 되는 충격력 및 충격가속도를 얻을 수 있다.

구조물의 동적 충격강도 평가는 보통 스트레인게이지를 시편에 부착하는 방법과 힘변환기를 충격해머에 부착하는 방법이 있다. 스트레인게이지를 부착하는 방법은 충격입력과 충격력에 대한 선형성을 확인하기 위한 예비시험에 주로 사용되나 시편의 형상에 따라 스트레인게이지를 부착하기 어려운 점과 수집된 신호에 대한 신뢰도를 확인하기가 어려운 점이 있어 지지격자의 충격시험에는 적용하기가 어렵다. 한편 힘변환기를 부착하는 방법은 시편의 극한강도를 구하는데 주로 사용되며 스트레인게이지를 부착하는 방법에 비해 적용하기가 쉬운 장점이 있어서 현재 국외 에서는 힘변환기를 부착하는 방법이 주로 적용되고 있다.

그러나 현재 적용되고 있는 시험방법은 비교적 고온에서 지지격자에 충격을 가하게 되면 로드셀에 충격강도가 전달될 때 열 전달이 함께 유도되어 정확한 충격강도의 산출이 어려운 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 과제는 시편의 충격강도를 감지하는 로드셀의 안정적인 지지 및 로드셀로 전달될 수 있는 열을 최소화하여 시편을 타격시 최대한 정확한 충격강도를 산출할 수 있도록 한 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 내부에는 지지격자 시편을 수용하는 공간부가 형성되고, 후방에는 지지격자가 장착되도록 연결축을 구비한 시편고정구가 고정 설치되며, 전방에는 지지격자를 타격할 수 있도록 공간부와 연통되는 개구부가 형성된 몸체; 상기 몸체의 전방에는 지지격자에 충격을 가하도록 충격해머가 설치되고, 상기 충격해머와 진자로 연결되어 충격해머를 지지해 주는 지지대를 포함하는 타격수단; 상기 시편고정구의 후방에 설치되어 충격해머가 지지격자를 타격시 충격 강도를 산출하는 감지수단을 포함하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기가 제공된다.

본 발명에 의하면, 몸체의 후방에 고정 설치되는 로드셀고정구에 의해 지지격자의 충격강도를 감지하는 로드셀을 안정적으로 지지할 수 있으며, 또한 몸체에 설치되는 방열판 및 시편고정구의 연결축에 결합되는 냉각부재에 의해 몸체로부터 로드셀로의 열전달을 최소화하여 시편을 타격시 최대한 정확한 충격강도를 산출할 수 있게 된다.

이하에서는, 본 발명에 의한 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 충격시험기는 시편을 파괴하고 그 파괴시에 있어서의 시편에 작용하는 충격에너지(충격력)로부터 시편의 충격 강도를 측정하게 된다.

이러한 충격시험기는 시편으로서 지지격자(1)가 설치되는 몸체(10), 지지격자에 소정 강도의 타격을 실시하는 타격수단, 지지격자의 파손을 감지하는 감지수단을 포함한다.

몸체(10)는 상온 또는 고온에서 충격시험을 진행할 수 있는 로(furnace)의 역할을 하는 것으로, 핵연료 집합체가 원자로 내에서 연소될 때 지지격자가 고온의 환경 하에서도 그 기능을 하게 되므로 상온 뿐 아니라 고온의 조건 하에서도 지지격자의 충격시험을 할 수 있는 기능을 제공한다.

이러한 몸체(10)는 대략 육면체로 이루어지며 그 내부에는 지지격자가 설치될 수 있도록 소정 체적의 공간부(11)가 형성되고, 이 공간부(11)에는 지지격자에 충격해머의 충격력이 제대로 전달되도록 지지격자를 고정해 주는 연결축(32)이 돌 출된다. 이때, 지지격자는 별도의 고정지그(2)를 이용하여 연결축에 결합된다.

그리고 몸체(10)의 전방에는 타격수단에 의해 지지격자를 타격할 수 있도록 공간부(11)와 연통되는 개구부(12)가 형성되어 있다.

몸체(10)의 후방 벽면에는 지지격자가 설치되는 위치에 방열판(13)이 설치되어 몸체(10) 내부의 열이 감지수단 측으로 전달되는 것을 최소화한다. 방열판(13)은 소정 두께의 원판형으로 이루어지고, 그 중앙에는 연결축(32)이 관통하여 몸체(10) 내측으로 연장되며, 이 연장된 연결축(32)에 고정지그(2)가 결합된다.

타격수단은 몸체(10)의 전방에 설치되어 지지격자에 충격을 가하는 충격해머(20)와, 이 충격해머(20)가 진자 운동을 할 수 있도록 충격해머(20)를 지지해 주는 한 쌍의 지지대(22)를 포함한다. 한 쌍의 지지대(22)는 몸체(10)의 전방에 충격해머(20)가 통과할 수 있는 간격으로 수직 입설되어 충격해머(20)를 지지해 준다.

충격해머(20)는 적당한 중량을 가지며, 진자에 의해 한 쌍의 지지대(22) 사이에 전후 이동 가능하게 설치된다. 이때, 진자는 격자 구조물의 셀 수에 따라 충격해머(20) 전후 방향으로의 이동이 가능하여 항상 운동에너지가 최대가 되는 지점에서의 충격이 가능하여야 하며, 핵연료 집합체 지지격자간 거리에 따라 진자의 길이 변경이 가능하도록 진자 축방향의 이동이 가능하게 구성됨이 바람직하다.

또한, 충격해머(20)의 전방에는 충격 시험시 충격해머(20)의 초기 각도를 유지시켜 주는 고정수단이 구비된다. 이 고정수단은 충격해머(20)의 초기 각도를 자력으로 유지하고 있다가 신호에 따라 충격해머(20)의 고정상태를 해제할 수 있도록 구성된다.

이러한 고정수단은 충격해머(20)를 일정한 높이에서 고정된 초기 각도 상태를 유지한 후 해제시키는 전자석(23)과, 충격해머(20)의 소정 거리 전방에 위치된 고정브래킷(24)에 나사 결합되어 전자석(23)의 위치를 조절할 수 있도록 설치된 스크류(25)로 구성된다. 스크류(25)의 끝단에는 핸들(26)이 구비되어 시험관이 쉽게 스크류를 회전 조작할 수 있도록 구성된다. 따라서, 핸들(26)의 회전에 따라 스크류(25)가 정방향 또는 역방향으로 회전하면서 전자석(23)은 전후 방향으로 이동하게 되어 충격해머(20)의 초기 위치를 조절하게 된다.

이때, 핸들(26)을 수동으로 조작할 수도 있으나, 모터 등을 설치하고 이를 핸들에 연결하여 자동화함으로써 시험관의 편의를 도모할 수 있다.

감지수단은 충격해머(20)의 지지격자 타격시 그 충격 강도를 감지하기 위한 로드셀(30)을 포함하며, 몸체(10)의 후방에 설치된다. 이때 로드셀(30)은 통상 적지 않은 중량을 갖고 있으므로 충분한 지지력을 부여해 주어야 한다. 따라서, 몸체(10)의 후방에 위치된 구조물(40)에는 로드셀고정구(31)가 고정 설치되는데, 이 로드셀고정구(31)는 소정 두께의 디스크형태로 이루어지며 그 중심에 로드셀(30)이 스크류 등으로 고정된다.

그리고 로드셀고정구(31)에는 로드셀(30)을 중심으로 등각도로 복수의 가이드바(31a)가 수평으로 전방 돌출되며, 이에 대응되도록 시편고정구(14)에는 가이드홀(14a)이 형성된다. 이때, 가이드바(31a)는 가이드홀(14a)을 관통하여 시편고정 구(14)의 전방으로 소정 길이 돌출되며, 그 끝단에는 후술하는 탄성스프링(32)을 지지하기 위해 스프링스토퍼(31b)가 구비된다. 이에 따라, 시편고정구(14)는 로드셀고정구(31)의 가이드바(31a)에 견고하게 지지된 상태에서 전후로 슬라이드 이동 가능하게 구성된다. 이때, 시편고정구(14)가 로드셀(30)에 항상 접촉된 상태를 유지함과 함께 충격해머(20)의 타격에 따른 충격시험시 로드셀(30) 전체에 고르게 충격강도가 전해지도록 시편고정구(14)의 가이드홀(14a) 전방에는 탄성스프링(32)이 설치됨이 바람직하다.

또한, 비교적 고온에서 지지격자의 충격시험을 진행할 경우, 몸체(10)로부터 로드셀(30)에 열전달이 발생하여 정확한 충격강도를 산출하는데 오류가 발생할 수 있으므로 로드셀(30)의 후방에는 냉각부재(33)가 설치되는 것이 바람직하다. 본 실시예의 냉각부재(33)는 연결축(32) 외주면에 권취되는 쿨링코일로 이루어지며, 그 내부에는 냉각수가 흐르도록 구성된다. 이와 같이 몸체(10)의 후방에 설치되는 방열판(13)과 쿨링코일에 의해 고온 상태에서의 충격 시험에도 로드셀(30)에 열이 전달되는 것을 최소화하여 정확한 데이터를 산출할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 충격시험기의 작동을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 지지격자 시편(1)을 고정지그(2)에 장착하고 몸체(10) 내부로 관통된 시편고정구(14)의 연결축(15)에 고정 설치한 후, 상온에서 시험을 할 것인지 아니면 비교적 고온에서 시험을 할 것인지를 정하여 몸체(10) 내부의 온도를 설정한다.

지지격자가 설치되면, 시험에 적합하도록 충격해머(20)의 위치를 조절한다. 즉, 전자석(23)을 이용하여 충격해머(20)의 각도를 설정하고, 전자석(23)에 전원을 공급하여 충격해머(20)가 전자석(23)의 자력에 의해 고정되게 한다. 그 후, 전자석(23)에 연결된 핸들(26)을 일측 방향으로 돌려 전자석(23)을 후퇴시켜 설정된 위치에서 핸들(26)을 멈추게 되면 충격해머(20)는 일정 높이에 위치하게 되고, 이때 진자의 각도는 통상 4∼18°사이에서 충격시험이 이루어진다.

이와 같이 시험 준비가 완료된 상태에서, 전자석(23)에 공급되는 전원을 차단하면 전자석(23)으로부터 자력이 해제되어 충격해머(20)가 이탈하게 되고 그에 따라 충격해머(20)는 그 자중에 의해 진자 운동하기 시작한다. 충격해머(20)는 운동에너지가 최대에 이르는 지점에서 지지격자에 충돌하게 된다.

이후, 충격해머(20)의 단부가 지지격자(1)에 충돌하게 되고, 이러한 충돌에 의한 충격 강도 등의 데이터는 로드셀(30)에 의해 측정되며, 각종 데이터를 연산하여 격자 구조물의 동적충격특성 중 하나인 반발계수(restitution factor)를 구하게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 충격시험기의 전체 외관을 도시한 사시도.

도 2는 도 1에 따른 충격시험기에 지지격자 시편이 장착되는 상태를 도시한 단면도.

도 3은 도 1에 따른 충격시험기의 충격해머를 도시한 사시도.

도 4는 도 1에 따른 충격시험기의 감지부를 도시한 사시도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 ; 몸체 11 ; 공간부

12 ; 개구부 13 ; 방열판

14 ; 시편고정구 14a ; 가이드홀

15 ; 연결축

20 ; 충격해머 21 ; 진자

22 ; 지지대 23 ; 전자석

24 ; 고정브래킷 25 ; 스크류

26 ; 핸들

30 ; 로드셀 31 ; 로드셀고정구

31a ; 가이드바 32 ; 탄성스프링

33 ; 냉각부재

Claims (7)

1. 내부에는 지지격자 시편을 수용하는 공간부가 형성되고, 후방에는 지지격자가 장착되도록 연결축을 구비한 시편고정구가 고정 설치되며, 전방에는 지지격자를 타격할 수 있도록 공간부와 연통되는 개구부가 형성된 몸체;

   상기 몸체의 전방에는 지지격자에 충격을 가하도록 충격해머가 설치되고, 상기 충격해머와 진자로 연결되어 충격해머를 지지해 주는 지지대를 포함하는 타격수단;

   상기 시편고정구의 후방에 설치되어 충격해머가 지지격자를 타격시 충격 강도를 산출하는 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 몸체에는 지지격자가 결합되는 부위에 방열판이 설치되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   상기 타격수단은 충격해머의 전방에 설치되어 충격해머를 자력으로 고정해 주는 전자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   상기 감지수단은 충격해머의 지지격자 타격시 그 충격 강도를 감지하기 위해 지지격자의 후방에 설치되는 로드셀, 상기 로드셀을 고정하기 위해 몸체의 후방에 고정 설치되는 로드셀고정구를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 로드셀고정구에는 복수의 가이드바가 수평으로 전방 돌출되며, 상기 시편고정구에는 각 가이드바에 대응 결합되도록 가이드홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 가이드바에는 시편고정구를 로드셀 방향으로 탄성 지지하는 탄성스프링이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기.
7. 청구항 4에 있어서,

   상기 연결축에는 몸체로부터 로드셀로의 열전달을 방지하기 위한 냉각부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 핵연료 집합체의 지지격자용 충격시험기.

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