KR20110060133A - 수명 특성이 개선된 원자력발전용 케이블 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하면 도체 선재를 예열하는 단계; PEEK(Poly Ether Ether Ketone) 재료를 용융시킨 후 상기 도체 선재 방향으로 압출하여 상기 도체 선재의 표면에 절연체를 코팅하는 단계; 및 압출된 절연체를 급랭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블의 제조방법이 개시된다.

원자력발전용 케이블, 활성화 에너지, 엔지니어링 폴리머, PEEK, 신율

Description

수명 특성이 개선된 원자력발전용 케이블 및 그 제조방법{ELECTRIC CABLE FOR NUCLEAR POWER PLANT IMPROVED IN DURABILITY PROPERTY AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 원자력발전용 케이블에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 장기간의 원자력발전 사용환경에 적합한 활성화 에너지를 갖는 재료로 이루어진 원자력발전용 케이블과 그 제조방법에 관한 것이다.

다양한 형태의 케이블 중 원자력발전용 케이블은 원자력발전소 내의 각종 설비에 포설되어 전력이나 센서, 제어 신호 등을 전달하는 용도로 사용된다.

원자력발전용 케이블은 방사선중에서도 투과력과 파괴력이 매우 높은 감마선에 지속적으로 피폭되는 사용환경상 일반 케이블과는 차별된 물리적, 화학적 특성이 요구된다.

통상적으로 원자력발전용 케이블은 40년 이상의 초장기 운용을 염두에 두고 신뢰성 시험을 진행하게 된다. 40년 간의 누적 집적선량(Total Integrated Dose)은 30~40Mrad에 달하게 되며, 원자로가 가동되는 격납로는 항시 고온분위기가 유지되어 연속 사용온도가 90℃에 이르는 등 일반적인 고분자 재료 케이블을 사용하는 분 위기에 비하여 훨씬 열악한 온도 분위기가 조성된다.

더욱이, 원자로는 최악의 가상사고인 냉각수 유출사고에 대하여 미리 시뮬레이션을 해야 하는데, 이와 관련하여 원자로의 냉각수가 유출됨에 따라 일시적으로 다량의 방사선에 노출되고 순간적으로 초고온/고압의 분위기에 노출될 뿐만 아니라 다량의 화학약품 살포가 이루어지는 가상설계기준 사고인 DBE(Design Base Event) 시험에도 충분히 견뎌야 한다. 이 과정이 중요한 이유는 각종 제어 기기류를 접속하는 케이블이 가상 사고에 견디지 못하고 손상될 경우는 원자력 발전소의 자체적인 사고 피해 최소화 과정을 진행하지 못한 상태에서 원자로가 손상되어 인근지역으로 방사능이 누출되는 최악의 사고가 불가피 하기 때문이다.

따라서 원자력발전용 케이블은 내방사능성, 내열성, 내화학약품성, 장기 신뢰성 등이 주요한 제품설계 기준이 되며, 이를 달성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 현재의 3세대 및 3.5세대 원자력발전소를 뛰어넘는 개념인 4세대 원자력발전소에 대한 관심이 높아지면서 신규 원자력발전소 설비의 구축 시 60년 이상의 초장기 운용을 보증할 수 있는 케이블의 인프라를 구축하기 위한 연구가 행해지고 있다.

원자력발전용 케이블의 피복재료로는 EPR 계열, CR(Chloroprene Rubber), CSP(Chloro Sulfonated Polymer) 등이 오랜 기간 동안 사용되고 있다.

종래기술에 따라 EPR, CR 등의 재료를 사용하는 경우에는 방사선 조사에 따른 산화성 열화에 의해 전기적 특성이 저하되지 않도록 양자공여형 산화방지제(Proton Donating Antioxidant)인 퀴놀린(Quinolinic)계의 Kumanox RD와 페놀 계(Phenolic)의 Irganonox 1010 등을 첨가하였다. 그러나, 산화방지제의 종류와 최적 첨가량에 대한 연구 등은 충분히 이루어지지 않은 실정이다.

통상적으로 원자력발전용 케이블에 대한 40년의 수명은 피복재료의 활성화에너지를 열중량분석(TGA) 또는 신장잔율법으로 계산한 뒤 아레니우스 모델을 이용하여 IEEE 규격에 의한 가속 노화(열화) 온도와 시간을 결정함으로써 예측할 수 있다. 아래의 수학식 1은 아레니우스 모델에 관한 것으로서 활성화 에너지가 결정되었을 때의 가속노화온도와 가속노화시간의 상관관계를 보여준다. 수학식 1에서 t_SER(정상온도에서 운전시간)은 40년, t_AG(가속노화시간)는 769시간, Φ(활성화 에너지)는 1.35eV, T_SER(정상운전온도)는 90℃(=363.16k), T_AG(가속노화온도)는 150℃(=423.16k), K(볼츠만 상수)는 8.617×10^-5eV/k로 주어진다.

EPR, CR 등 재료의 활성화 에너지는 고분자 재료의 특성상 대부분 1.35~1.4eV 수준에서 결정된다. 이 경우 40년의 수명을 보장하기 위해 케이블은 가속노화온도 150℃에서 700~800 시간 이상의 열노화 조건을 만족해야 한다.

상기 40년의 수명 보장과 동일한 활성화 에너지 조건에서 60년의 수명을 보장하기 위해서는 상기 아레니우스 식에 따라 150℃에서 무려 1100~1300 시간의 열노화 조건을 만족해야 한다. 또한, 60년 간의 누적 집적선량(Total Integrated Dose)은 50~60Mrad에 달하게 되며 DBE 시험을 하게 될 경우에는 일시에 160~200Mrad의 방사선을 추가로 받게 되는데, 이러한 누적 집적선량은 한계상황에 도달한 시료에 매우 치명적인 문제를 초래하게 된다.

상기와 같은 점을 고려할 때 기존의 범용 고분자 재료(예컨대, EPR, PVE, PO 등)로는 60년의 수명을 보장할 수 있는 원자력발전용 케이블을 제조하는 것이 현실적으로 불가능하므로 4세대 원자력발전소의 구축을 위해서는 기존의 케이블 재료와 제조공정에 대한 개선이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 원자력발전소의 고온, 피폭 환경에서 초장기 운용이 가능하도록 피복재료가 개선된 원자력발전용 케이블과 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 원자력발전용 케이블은 도체 및 상기 도체를 피복하는 절연체로 이루어진 적어도 하나 이상의 코어;를 포함하고, 상기 절연체는 엔지니어링 폴리머(EP) 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 엔지니어링 폴리머는 PEEK(Poly Ether Ether Ketone)인 것이 바람직하다.

상기 절연체는 비결정화되어 투명한 것이 바람직하다.

상기 절연체는 활성화 에너지가 2.0~2.8eV인 것이 바람직하다.

상기 절연체는 신율이 150~200%인 것이 바람직하다.

부가적으로, 원자력발전용 케이블은 상기 코어를 감싸는 시스체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 도체 및 상기 도체를 피복하는 절연체를 포함하는 원자력발전용 케이블의 제조방법에 있어서, 도체 선재를 예열하는 단계; PEEK(Poly Ether Ether Ketone) 재료를 용융시킨 후 상기 도체 선재 방향으로 압출하여 상기 도체 선재의 표면에 절연체를 코팅하는 단계; 및 압출된 절연체를 급랭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블의 제조방법이 제공된다.

상기 예열 단계에서는 상기 도체 선재를 150~200℃의 온도로 예열하는 것이 바람직하다.

상기 압출 단계에서는 압출용 다이헤드의 온도를 390~410℃로 설정하여 상기 PEEK를 용융시키는 것이 바람직하다.

상기 급랭 단계에서는 0~10℃의 냉각수를 가하여 상기 PEEK를 비결정화하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 원자력발전용 케이블은 높은 활성화 에너지를 갖는 PEEK에 의해 절연 피복이 형성되므로 예컨대, 60년 이상의 초장기 수명이 요구되는 원자력발전소에 성공적으로 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 원자력발전용 케이블은 비결정화 상태의 PEEK 절연체를 보유함으로써 인장강도가 높으면서도 신율과 유연성이 뛰어나고, 피복의 탈피가 용이하며, 높은 절연저항을 가지므로 절연체의 두께를 얇게 형성하는 것이 가능하여 컴팩트형으로 제조될 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전용 케이블의 주요 구성이 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전용 케이블은 엔지니어링 폴리머(Engineering Polymer)(EP)에 의해 절연피복된 코어(101)를 포함한다. 즉, 원자력발전용 케이블의 코어(101)는 도체(101a)와 상기 도체(101a)를 피복하는 엔지니어링 폴리머(Engineering Polymer)로 이루어진 절연체(101b)를 포함 한다.

원자력발전용 케이블은 외가닥의 코어를 포함하는 와이어 케이블 형태로 제공될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 코어(101)를 포함하고 최외곽에 시스체(102)가 구비된 다심 케이블 형태로 제공될 수도 있다.

절연체(101b)는 2.0~2.8eV의 높은 활성화 에너지를 갖는 엔지니어링 폴리머인 PEEK(Poly Ether Ether Ketone)에 의해 형성된다. 2.0~2.8eV의 높은 활성화 에너지는 원자력발전소에서 통상적으로 운용되는 90℃의 정상 사용온도에서 60년 이상의 초장기 수명을 제공하게 된다.

엔지니어링 폴리머는 일반적인 고분자 재료의 가공온도인 100℃ 수준과는 달리 통상적으로 250℃ 이상의 높은 가공온도가 필요한 고분자 물질이다. 엔지니어링 폴리머로는 폴리아마이드(Polyamide), 폴리아세틸(Poly acetal), 폴리카보네이트(Poly Carbonate), PBT(Poly Butylene Telephtalate), PPO(Poly Phenylene Oxide), PEEK 등이 채용 가능하다. 이들 엔지니어링 폴리머들은 분자량이 수 십 내지 수 백 정도의 저분자 물질인 일반적인 폴리머 재료와는 달리 분자량이 수 십만 내지 수 백만에 달하는 고분자 물질이라는 공통점을 갖는다. 그중에서도 특히 PEEK는 강도, 탄성 뿐만 아니라 내충격성, 내마모성, 내열성, 내한성, 내약품성, 전기절연성 등이 여타의 고분자 재료에 비해 뛰어날 뿐만 아니라 무엇보다도 내방사선 특성이 다른 재료에 비해 뛰어나므로 원자력발전용 케이블의 절연체 재료로 가장 적합하다.

PEEK로 이루어진 절연체(101b)는 300Mrad의 피폭시험에서도 굴곡 시 크랙이 발생하지 않는 특성을 갖는다. 이는 구조 자체가 가지고 있는 방향족 고리(Aromatic Ring)에 기인하는 특성으로 파악된다. 이러한 특성에 의하면 원자력발전용 케이블에 별도의 시스(Sheath)나 자켓(Jacket)을 구비하지 않더라도 안전등급(Q class급)을 만족시키는 것이 가능하다.

절연체(101b)는 압출 공정에 의해 도체(101a)의 외부에 코팅되고, 비결정화 처리를 거침으로써 외부에서 도체(101a)의 관측이 가능할 정도로 투명한 층을 이루게 된다. 이러한 구조에 의하면 도 3에 도시된 바와 같이 코어 내부를 편리하게 관측할 수 있으며 외관이 미려할 뿐만 아니라 탈피 작업을 용이하게 수행할 수 있는 와이어 형태의 케이블(100)이 얻어진다. 또한, 비결정(Amorphous) 상태를 갖는 절연체(101b)는 유연성이 좋고 150~200%의 높은 신율을 보유하게 된다.

PEEK로 이루어진 절연체(101b)가 고결정도(High Crystallinity)를 유지할 경우에는 케이블 와이어가 매우 딱딱해지고 신율도 30% 이하로 너무 낮으며, 직경 2mm 이상의 대구경으로 제조했을 때 탈피가 쉽지 않을 뿐만 아니라 억지로 탈피를 시도할 경우에는 도체(101a)와 함께 끊어지는 문제가 발생하게 된다.

본 발명에 의하면 PEEK를 사용하여 원자력발전용 케이블을 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 원자력 발전용 케이블의 제조방법은 도체 선재를 예열하는 공정과, PEEK를 압출하여 도체 선재에 절연체를 피복하는 공정과, 압출된 절연체를 급랭하는 공정을 포함한다.

도체 선재를 예열하는 공정에서는 도체 선재를 150~200℃의 높은 온도로 가 열함으로써 압출된 PEEK 용융체가 도체 선재와의 접촉에 의해 냉각되는 것을 방지한다.

압출 공정에서는 압출기의 다이헤드의 온도를 PEEK 재료의 용융온도인 340℃ 보다 높은 온도로 가열하여 PEEK 재료를 용융시킨 후 도체 선재 방향으로 압출하여 도체 선재의 표면에 절연체를 코팅한다. 바람직하게 다이헤드의 온도는 390~410℃로 설정된다.

급랭 공정에서는 냉각수를 다이헤드에 가하여 압출된 절연체를 급격히 냉각시킨다. 이에 따라 절연체는 비결정화가 되어 투명한 상태가 됨과 아울러 높은 신율을 보유하게 된다.

다이헤드에 가해지는 냉각수의 온도는 효과적인 비결정화 처리를 위해 0~10℃로 매우 낮게 설정되는 것이 바람직하다.

<실시예>

16 AWG(American Wire Gauge) 굵기의 도체와, 절연외경 1.98mm, 절연두께 0.32mm의 PEEK 절연체를 포함하고 60년의 수명 보장이 가능한 원자력발전용 케이블을 설계하였다.

절연체의 압출을 위해 25mm급 압출기를 준비하였으며, 압출 전에 도체를 예열하기 위한 도체예열기와, 압출기의 압출 다이스에서 나오는 PEEK 재료를 급랭시키기 위한 전용 칠러(Chiller)를 준비하였다.

압출기의 다이헤드 온도는 399℃로 설정하였으며, PEEK 재료의 흡습성을 감안하여 압출기의 건조온도는 150℃로 설정하였다. 또한, 도체예열기는 도체의 온도 가 160℃로 가열되도록 설정하였고, 칠러는 압출 다이스의 출구에서 섭씨 2℃의 냉각수를 가할 수 있도록 설치하였다.

상기와 같은 조건하에서 PEEK는 절대급랭에 의하여 국방색으로부터 투명한 황금색으로 변한 상태로 압출되었으며, 비결정성 상태가 됨으로 인해 매우 유연하고 약 190% 수준의 신율을 보유하였다. 이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 투명한 PEEK 절연체에 의해 내부 도체가 보여지는 와이어 형태의 케이블(100)이 제조되었다.

제조된 케이블(100)에 대하여 열중량분석(TGA)에 의한 활성화 에너지를 산출한 결과 2.51eV임을 확인할 수 있었다. 또한, 아래의 표 1에 나타난 바와 같이 열노화와 300Mrad의 방사선 피폭 단계를 진행했을 때 우수한 상태를 유지하였으며, 최종 LOCA(Loss Of Coolant Accident) 시험에서도 합격하여 원자력발전소 안전등급에 부합하고, 2.5kV/5분의 수중내압시험에도 합격하였다. 또한, 아레니우스 식에 의하여 수명 예측을 수행한 결과 90℃의 연속사용조건에서도 밴딩 크랙(Bending Crack)의 발생없이 60년을 만족함을 확인할 수 있었다.

<비교예>

EPR로 이루어진 절연체와, CSP로 이루어진 시스체를 포함하는 원자력발전용 케이블을 설계하였다.

종래의 케이블 압출 공정을 진행하여 도 4에 도시된 바와 같이 시스체에 의해 피복된 형태의 원자력발전용 케이블(10)을 제조하였다.

제조된 케이블(10)에 대하여 열중량분석(TGA)에 의한 활성화 에너지를 산출한 결과 1.4ev 수준임을 확인할 수 있었다. 이로 인해, 열노화와 300Mrad의 방사선 피폭 단계를 진행했을 때 도 5에 도시된 바와 같이 케이블(10)이 심하게 손상되고 밴딩 크랙이 발생하였으며, 최종 LOCA 시험에 불합격하여 원자력발전소 안전등급을 만족시키지 못함을 확인할 수 있었다. 또한, 아레니우스 식에 의하여 수명 예측을 수행한 결과 90℃의 연속사용기준으로 40년까지만 가능하고, 60년 사용은 불가함을 확인할 수 있었다.

이상의 설명과 같이 본 발명에 따르면 PEEK 재료를 이용한 케이블 압출 공정 시 비결정화 처리를 수행함으로써 성공적으로 초장기 수명을 갖는 원자력발전용 케이블을 제조할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자력발전용 케이블의 주요 구성을 도시한 단면도,

도 2는 도 1의 변형예를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따라 제공되는 원자력발전용 케이블의 실제 외관을 도시한 사진,

도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에 따라 제조된 원자력발전용 케이블의 실제 외관을 도시한 사진,

도 5는 본 발명의 비교예에 따른 원자력발전용 케이블의 손상 상태를 도시한 사진이다.

<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>

101: 코어 101a: 도체

101b: 절연체 102: 시스체

Claims (10)

1. 원자력발전소에 사용되는 케이블에 있어서,

   도체 및 상기 도체를 피복하는 절연체로 이루어진 적어도 하나 이상의 코어;를 포함하고,

   상기 절연체는 엔지니어링 폴리머(EP) 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블.
2. 제1항에 있어서,

   상기 엔지니어링 폴리머는 PEEK(Poly Ether Ether Ketone)인 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블.
3. 제2항에 있어서,

   상기 절연체는 비결정화되어 투명한 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블.
4. 제2항에 있어서,

   상기 절연체는 활성화 에너지가 2.0~2.8eV인 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블.
5. 제2항에 있어서,

   상기 절연체는 신율이 150~200%인 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블.
6. 제1항에 있어서,

   상기 코어를 감싸는 시스체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블.
7. 도체 및 상기 도체를 피복하는 절연체를 포함하는 원자력발전용 케이블의 제조방법에 있어서,

   도체 선재를 예열하는 단계;

   PEEK(Poly Ether Ether Ketone) 재료를 용융시킨 후 상기 도체 선재 방향으로 압출하여 상기 도체 선재의 표면에 절연체를 코팅하는 단계; 및

   압출된 절연체를 급랭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블의 제조방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 도체 선재를 150~200℃의 온도로 예열하는 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블의 제조방법.
9. 제7항에 있어서,

   압출용 다이헤드의 온도를 390~410℃로 설정하여 상기 PEEK를 용융시키는 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블의 제조방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 급랭 단계에서 0~10℃의 냉각수를 가하여 상기 PEEK를 비결정화하는 것을 특징으로 하는 원자력발전용 케이블의 제조방법.

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