KR20140090361A - 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치 - Google Patents

핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 핵연료 집합체를 구성하는 안내관과 안내관 마개를 접합시키기 위한 플라즈마 용접장치에 관한 것으로, 마개(10)가 삽입 고정되는 마개 삽입부(110)와, 이 마개 삽입부(110)와 동일 축 상에 마련되어 안내관(20)이 삽입 고정되는 안내관 삽입부(120)와, 상기 마개 삽입부(110) 및 안내관 삽입부(120)와 직교하도록 플라즈마 용접토치가 조립되는 토치조립구(130)와, 아르곤이 공급 및 배출되는 아르곤 출입포트(141)(142)를 갖는 용접챔버(100)와; 마개(10)를 상기 마개 고정부(110)로 공급하는 마개 이송유니트(210)와; 안내관(10)을 상기 안내관 삽입부(120)로 이송하는 안내관 이송유니트(220)로 구성되어, 생산성을 높일 수 있으며, 또한 용접 동안에 산화를 방지하기 위하여 용접챔버 내부를 진공이 아닌 아르곤 분위기에서 용접이 이루어지도록 하여 별도의 진공장비를 필요로 하지 않으면서도 용접부 외관이나 인장시험 및 부식시험에서의 건전성을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치{Plasma welding apparatus for a guide thimble end plug of a nuclear fuel assembly}
본 발명은 핵연료 집합체를 구성하는 안내관과 안내관 마개를 용접함에 있어서 생산성을 높일 수 있는 안내관 마개의 플라즈마 용접장치에 관한 것이다.
원자로는 핵분열 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 핵분열에서 발생되는 열에너지를 동력으로 사용하기 위한 장치이다.
원자로에서 사용되는 핵연료는 농축된 우라늄을 일정한 크기의 원통형 펠렛(Pellet)(이하, "소결체"라 함)으로 성형된 후에 다수의 소결체들이 연료봉 내에 장입되어 제조되며, 이러한 다수의 연료봉들이 핵연료집합체를 구성하여 원자로의 노심에 장전된 후에 핵반응을 통해 연소가 이루어진다.
핵연료 집합체는 연료봉이 삽입되는 지지격자체(1)와, 이 지지격자체(1)와 고정되는 다수의 안내관(2)과, 이 안내관(2)의 상단에 체결되는 상단고정체(3)와, 안내관(2)의 하단에 체결되는 하단고정체(4)를 포함하며, 연료봉은 지지격자체(1)에 마련된 딤플 및 스프링에 의해 지지된다.
특히 안내관은 지지격자체와 상하단고정체와 결합되어 핵연료집합체의 골격을 이루어 집합체 내의 연료봉들의 하중을 지지하며, 또한 원자로의 출력을 제어하는 제어봉의 삽입을 안내하는 채널 역할과 함께 제어봉 이외에도 독물질봉, 중성자원봉 등의 통로 채널로 기능하며, 재질은 핵연료봉의 피복관과 마찬가지로 지르코늄 합금이 사용된다.
안내관은 하단 개구부가 마개에 의해 봉인되며, 이러한 안내관 구조는 상측에서 안내관으로 삽입되는 제어봉 등이 마개 이하로 내려가지 않는 기능을 한다.
이러한 안내관은 원자로 내에서 상당히 중요한 역할을 하기 때문에 매우 정밀하게 제작되어야 하며, 특히 마개의 접합공정은 품질 확보를 위하여 매우 정밀한 작업을 요구하며 수작업으로 진행하는 경우에는 매우 오랜 공정시간을 필요로 한다.
또한 안내관은 길이가 4m 내외로 매우 길어 취급이 어렵고 재용접이 불가능하기 때문에 수작업만으로 안내관과 마개를 접합하는 것은 매우 생산성이 낮고 품질 확보에도 어려움이 있다.
본 발명의 출원인은 이러한 안내관 다발과 마개의 용접공정을 자동화하고자 등록특허공보 제10-0775577호(등록일자: 2007.11.05)와 등록특허공보 제10-0775578호(등록일자: 2007.11.05)에서 핵연료집합체의 안내관 마개 자동접합장치 및 방법을 제안하였다. 상기 등록특허들은 안내관과 마개를 용접챔버로 자동으로 공급하여 용접챔버 내에서 용접작업을 자동화하고자 하는 것이다.
본 발명은 이러한 핵연료집합체의 안내관 마개 자동접합장치들을 개량하여 보다 효과적이면서 생산성을 높일 수 있으며, 특히 TIG용접(Tungsten Insert Gas Welding)이 아닌 플라즈마 용접을 이용한 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치는 마개가 삽입 고정되는 마개 삽입부와, 이 마개 삽입부와 동일 축 상에 마련되어 안내관이 삽입 고정되는 안내관 삽입부와, 상기 마개 삽입부 및 안내관 삽입부와 직교하도록 플라즈마 용접토치가 조립되는 토치조립구와, 아르곤이 공급 및 배출되는 아르곤 출입포트를 갖는 용접챔버와; 마개를 상기 마개 고정부로 공급하는 마개 이송유니트와; 안내관을 상기 안내관 삽입부로 이송하는 안내관 이송유니트에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 마개 삽입부와 안내관 삽입부는 상기 용접챔버에 대해 회전 가능하게 마련되어 구동모터에 의해 회전 구동이 이루어지는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 상기 마개 삽입부와 안내관 삽입부는 상기 용접챔버와 축베어링을 매개로 조립되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 아르곤 출입포트는 상기 용접챔버의 하부에서 아르곤이 유입되어 상부로 배기되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 안내관 삽입부는 안내관이 삽입되는 콜렛과, 이 콜렛을 따라 전후 수평 이동하여 상기 코렛이 안내관을 고정하기 위한 체결력을 제공하는 치구와, 이 치구를 조작하기 위한 레버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치는 마개 이송유니트와 안내관 이송유니트에 의해 각각 마개와 안내관이 이송되어 용접챔버 내에 위치하도록 하며, 용접챔버 내에서는 마개와 안내관이 플라즈마 용접토치에 의해 용접이 이루어지도록 함으로써 생산성을 높일 수 있으며, 또한 용접 동안에 산화를 방지하기 위하여 용접챔버 내부를 진공이 아닌 아르곤 분위기에서 용접이 이루어지도록 하여 별도의 진공장비를 필요로 하지 않으면서도 용접부 외관이나 인장시험 및 부식시험에서의 건전성을 만족시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 핵연료집합체의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치의 정면도,
도 3은 본 발명의 따른 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치의 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치에서 용접챔버만을 확대하여 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 핵연료 집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치의 측면도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치는, 마개(10)와 안내관(20)이 삽입 고정되어 플라즈마 용접이 이루어지는 용접챔버(100)와, 이 용접챔버(100) 측으로 마개(10)를 이송 공급하는 마개 이송유니트(210)와, 용접챔버(100)를 기준으로 마개 이송유니트(210)의 반대편에 위치하여 안내관(20)을 용접챔버(100) 측으로 이송 공급하는 안내관 이송유니트(220)로 구성된다.
용접챔버(100)와 마개 이송유니트(210)는 제1고정프레임(101) 상부에 마련되며, 마개 이송유니트(210)는 다수의 마개를 저장하여 마개를 자동 정렬하여 공급하기 위한 볼 피더(bowl feeder)(211)와, 볼 피더(211)로부터 공급된 마개를 로딩하여 마개를 용접챔버(100)로 삽입 고정하기 위한 마개클램프(212)와, 마개클램프(212)와 샤프트(213a)로 연결되어 마개클램프(212)를 전후 구동하기 위한 마개인서트 구동부에 의해 제공될 수 있다. 본 실시예에서 마개인서트 구동부는 마개클램프(212)를 1차 전후 구동하는 공압실린더(215)와, 마개클램프(212)의 위치를 정밀 조작하기 위한 서보모터(214)로 구성될 수 있다.
안내관 이송유니트(220)는 긴 안내관을 수평 방향으로 안내하기 위하여 제1고정프레임(210)과 바로 인접하여 별도의 제2고정프레임(201) 상부에 마련되며, 이 제2고정프레임(201) 상부에 안내관(20)을 용접챔버(100) 측으로 인입/인출하기 위한 구성들이 구비된다.
예를 들어, 안내관 이송유니트(220)는 제2고정프레임(201) 상부에서 안내관(20)을 용접챔버(100) 측으로 투입하기 위한 투입용 레일(221)과, 마개와 용접이 완료된 안내관을 다음 공정을 위해 인출하여 이송하기 위한 인출용 레일(222)이 마련되며, 두 레일(221)(222) 중앙에는 안내관(20)을 용접챔버(100) 측으로 투입/인출 조작을 위한 안내관 이송구동부(223)가 마련된다.
안내관 이송구동부(223)는 안내관을 파지 고정하기 위한 안내관 클램프가 마련되며, 투입용 레일(221)과 인출용 레일(222)은 안내관 이송방향에 대해 직각방향으로 완만한 경사를 갖도록 마련되어, 투입용 레일(221)로 이송된 안내관은 안내관 이송구동부(223)에 의해 용접챔버(100)로 투입되어 마개와 플라즈마 용접이 이루어지며, 용접이 완료된 안내관은 용접챔버(100)에서 인출되어 안내관 이송구동부(223)에서 인출용 레일(222)로 이동하여 인출용 레일(222)을 따라서 다음의 공정으로 이송된다.
안내관 이송구동부(223)에는 이송 방향으로 안내관을 지지하여 가이드하기 위한 다수의 아이들 롤러(224)가 마련될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치에서 용접챔버만을 확대하여 보여주는 도면으로, 본 발명의 용접챔버(100)는 마개가 삽입 고정되는 마개 삽입부(110)와, 이 마개 삽입부(110)와 동일 축 상에 마련되어 안내관(20)이 삽입 고정되는 안내관 삽입부(120)와, 상기 마개 삽입부(110) 및 안내관 삽입부(120)와 직교하도록 플라즈마 용접토치(131)가 조립되는 토치조립구(130)와, 아르곤이 공급 및 배출되는 아르곤 출입포트(141)(142)를 포함한다.
용접챔버(100)는 외관 형상을 구성하는 챔버몸체(101)를 가지며, 챔버몸체(101)는 마개 삽입부(110), 안내관 삽입부(120), 토치조립구(130) 및 아르곤 출입포트(141)(142)를 갖는다.
마개 삽입부(110)는 마개클램프(212)의 전진 구동에 의해 마개(10)가 삽입되어 안착 위치하도록 마련되며, 용접 동안에 용접챔버(100) 내에서 마개(10)를 고정 지지하는 기능을 한다.
안내관 삽입부(120)는 마개 삽입부(110)와 동일한 축 상에 마련되어 안내관(20)이 삽입되어 안착 위치하게 된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 안내관 삽입부(120)는 안내관(20)이 삽입되는 콜릿(collet)(122)과, 이 콜릿(122)을 따라 전후 수평 이동하여 상기 콜릿(122)이 안내관(20)을 고정하기 위한 체결력을 제공하는 치구(123)와, 이 치구(123)를 조작하기 위한 레버(124)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
콜릿(122)은 일측 개구부를 따라서 다수의 슬릿(S)이 형성되어 탄성을 가지며 소켓부재(125)에 의해 지지되며, 콜릿(122)의 외주면에는 콜릿(122)에 대해 전후 이동이 가능하여 콜릿(122)이 안내관(20)을 고정하기 위한 체결력을 제공하는 치구(123)가 마련되고 이 치구(123)에는 레버(124)가 조립되어 치구(123)의 전후 구동이 이루어진다.
따라서 레버(124)를 조작하게 되면 치구(123)가 콜릿(122)을 소켓부재(125) 측으로 가압하여 콜릿(122)은 안내관(20)을 물어서 고정하며, 한편 마개클램프(212)에 고정되는 마개(10)는 공압실린더(215)에 지지된 상태에서 안내관(20)은 콜릿(122)에 고정되어 마개(10)와 안내관(20)은 접합된 상태를 유지하면서 용접이 이루어질 수 있다.
토치조립구(130)는 마개 삽입부(110) 및 안내관 삽입부(120)와 직각 방향으로 위치하며, 플라즈마 용접토치(131)가 삽입 고정된다.
마개 삽입부(110)와 안내관 삽입부(120)로 삽입 고정된 마개와 안내관의 접합부는 플라즈마 용접토치(131)의 바로 전단부의 용접 위치에 위치하게 된다.
한편, 토치조립구(130)에는 플라즈마 용접토치를 상하 구동이 가능한 실린더가 추가로 마련될 수 있으며, 실린더의 조작에 의해 토치조립구(130)에 플라즈마 용접토치가 조립된 상태에서 플라즈마 용접토치의 상하 위치 조정이 이루어질 수 있다. 또한 플라즈마 용접토치의 미세한 위치를 조절하기 위한 조절나사가 마련될 수도 있다.
본 발명에서 플라즈마 용접토치(131)는 주지의 플라즈마 아크 용접을 이용한 범용의 플라즈마 용접토치가 이용될 수 있으며, 아크 플라즈마를 좁은 틈을 통해 고속으로 분출시킴으로써 생기는 고온의 불꽃을 이용하여 10,000 ~ 30,000 ℃의 고온 플라즈마를 분출시켜 용접이 이루어질 수가 있다.
플라즈마 용접은 비소모성 텅스텐봉과 모재사이에서 용접이 발생한다는 점이 TIG용접과 유사하지만, 플라즈마 용접은 TIG용접에 비해 용입이 깊고 그루브(groove) 준비 작업이 적어 열 용입량으로 인한 열변형이 적은 장점이 있다.
특히, 플라즈마 용접은 아크의 지향성과 직진성이 우수하기 때문에 모재로의 용접 입열의 제어가 용이하여 정밀 용접이 가능하며, 아크의 길이가 길어서 큰 아크 길이의 변화가 허용되면 아크 길이가 변하여도 용융금속의 양에는 큰 차이가 없어서 균일한 용접부를 얻을 수 있으며, TIG용접과 비교하여 용접부의 미스매치(mismatch)나 핏업(fit-up)이 다소 불량하여도 무방한 장점이 있으며, 고밀도 에너지를 전달하므로 높은 용접속도를 얻을 수 있으며, 아크가 매우 안정하고 자장에 의한 영향이 적어서 지향성이 우수한 장점 등이 있다.
아르곤 출입포트(141)(142)는 마개(10)와 안내관(20)을 용접하는 동안에 용접챔버(100) 내부를 아르곤 분위기로 유지하기 위한 것으로, 용접동안에 용접부가 산소에 노출되어 발생할 수 있는 산화를 방지한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 아르곤 출입포트(141)(142)는 챔버몸체(101)의 하부에 유입포트(141)가 마련되며, 챔버몸체(101)의 상부에 배기포트(142)가 마련되어 아르곤은 챔버몸체(101)의 하부에서 유입되어 상부로 배기가 이루어진다.
특히, 본 발명에서 마개 삽입부(110)와 안내관 삽입부(120)는 용접챔버(100)에 대해 회전 가능하게 마련되어 구동모터(310)에 의해 회전 구동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
구체적인 예로서, 도 4 및 도 5를 참고하면, 챔버몸체(101)와, 마개 삽입부(110) 및 안내관 삽입부(120) 사이에는 다수의 축베어링(102)이 마련되어 마개 삽입부(110)와 안내관 삽입부(120)는 챔버몸체(101)에 대해 회전 운동이 가능하다.
마개 삽입부(110) 및/또는 안내관 삽입부(120)의 외주면에는 스프라켓(111)(121)이 마련되며, 이 스프라켓(111)(121)은 구동모터(310)와 체인(311)으로 연결될 수 있다. 도면부호 103은 축베어링(102)이 구비되는 챔버몸체(101)를 지지하기 위한 베어링케이스이며, 제1고정프레임과 볼트로 고정된다.
따라서 마개(10)와 안내관(20)이 용접 위치에 고정된 후에 구동모터(310)가 구동되면, 구동모터(310)의 구동력은 체인(311)을 통해 마개 삽입부(110)와 안내관 삽입부(120)를 회전 구동시키게 되며, 마개 삽입부(110)와 안내관 삽입부(120)에 고정된 마개와 안내관의 접합부는 플라즈마 용접토치(311)에 대해 일정한 속도로 회전이 이루어져 접합부에 대해 플라즈마 용접이 이루어질 수가 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치를 이용한 안내관 마개의 용접방법은 다음과 같다.
볼 피더(211)에서 공급되는 마개(10)는 마개클램프(212)에 로딩되어 마개인서트 구동부에 의해 용접챔버(100)의 마개 삽입부(110)에 삽입 위치하게 되며, 이와 함께 안내관(20)은 안내관 이송유니트(220)의 안내관 이송구동부(223)에 의해 용접챔버(100)의 안내관 삽입부(120)에 삽입 위치하여 마개(10)와 안내관(20)의 접합부는 용접챔버(100) 내의 용접 위치에 위치하게 된다.
다음으로 토치조립구(130)에 플라즈마 용접토치(131)가 조립된 상태에서 아르곤 출입포트(141)(142)를 통해 용접챔버(100) 내에 아르곤이 공급되어 용접챔버(100) 내부는 아르곤 분위기가 유지되며 플라즈마 용접토치(131)의 선단부는 용접 위치에 위치하게 된다.
이와 같이 준비된 상태에서 구동모터(310)가 구동하여 마개 삽입부(110)와 안내관 삽입부(120)에 고정된 마개(10)와 안내관(20)이 회전하면서 플라즈마 용접토치(131)가 작동하여 마개(10)와 안내관(20)의 접합부에 대해 용접이 이루어진다.
용접이 완료된 후에는 플라즈마 용접토치(131)는 상방으로 이동하고 용접챔버(100) 내에 공급되었던 아르곤 공급은 중단된다.
다음으로 마개와 용접이 완료된 안내관(20)은 용접챔버(100) 바깥으로 인출되어 안내관 이송유니트(220)를 통해 다음 공정으로 이동한다.
구체적으로 언급되지 않았으나 본 발명의 플라즈마 용접장치는 별도의 제어부에 의해 구동요소들의 구동을 자동화하여 제어할 수가 있으며, 이를 위하여 구동요소들의 위치나 상태를 검출하기 위한 다양한 주지의 동작검출수단(센서)이 마련될 수 있음은 자명한 것이다.
이와 같은 본 발명의 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치는 안내관 마개 용접을 자동화하여 생산성을 증가시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 플라즈마 용접장치는 일반 TIG용접(Tungsten Insert Gas Welding)을 이용하여 안내관 마개를 용접하는 것과 비교하여, 플라즈마 용접을 이용하는 경우에 용접 전극의 교체 횟수가 감소되어 자동화에 따른 생산성이 100% 이상 증가함을 확인할 수가 있었다.
또한 플라즈마 용접과정에서 산화를 방지하기 위하여 챔버 내부를 진공 상태가 아닌 아르곤 분위기에서 용접이 이루어지도록 함으로써 진공을 유지하기 위한 복잡한 구성을 배제할 수 있으면서도 아르곤 공급만으로도 용접부 외관이나 인장시험 및 부식시험에서의 건전성을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 마개 20 : 안내관
100 : 용접챔버 110 : 마개 삽입부
120 : 안내관 삽입부 130 : 토치조립구
141 : 아르곤 출입포트 210 : 마개 이송유니트
220 : 안내관 이송유니트

Claims (5)

  1. 마개가 삽입 고정되는 마개 삽입부와, 이 마개 삽입부와 동일 축 상에 마련되어 안내관이 삽입 고정되는 안내관 삽입부와, 상기 마개 삽입부 및 안내관 삽입부와 직교하도록 플라즈마 용접토치가 조립되는 토치조립구와, 아르곤이 공급 및 배출되는 아르곤 출입포트를 갖는 용접챔버와;
    마개를 상기 마개 고정부로 공급하는 마개 이송유니트와;
    안내관을 상기 안내관 삽입부로 이송하는 안내관 이송유니트로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마개 삽입부와 안내관 삽입부는 상기 용접챔버에 대해 회전 가능하게 마련되어 구동모터에 의해 회전 구동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마개 삽입부와 안내관 삽입부는 상기 용접챔버와 축베어링을 매개로 조립되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 아르곤 출입포트는 상기 용접챔버의 하부에서 아르곤이 유입되어 상부로 배기되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 안내관 삽입부는 안내관이 삽입되는 콜렛과, 이 콜렛을 따라 전후 수평 이동하여 상기 코렛이 안내관을 고정하기 위한 체결력을 제공하는 치구와, 이 치구를 조작하기 위한 레버를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 마개 플라즈마 용접장치.
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