KR20160080251A - 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 방법 - Google Patents

자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온에 노출된 반구의 모재가 점진적으로 침식 시 실시간으로 챔버 내에 실험 반구의 두께를 측정하기 위한 반구 두께측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 자왜 초음파를 이용하여 고온 환경에서도 초음파의 신뢰성을 확보함에 따라 반구의 두께 변화를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구 두께측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치 및 방법{Thickness Measurement of a HemisphereVessel in Apparatus Chamber using Magnetostrictive Ultrasonic and Measuring Method of the Same}
본 발명은 고온에 노출된 반구의 모재가 점진적으로 침식 시 실시간으로 챔버 내에 실험 반구의 두께를 측정하기 위한 반구 두께측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 자왜 초음파를 이용하여 고온 환경에서도 초음파의 신뢰성을 확보함에 따라 반구의 두께 변화를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구 두께측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
1979년 미국 TMI-2 원전 사고에서는 원자로의 노심이 손상되어 원자로 용기 하부 반구에 용융물 풀(Melt-down에 의한 Pool)을 형성하는 사고가 발생하였다. 그 사고결과는 기존 중대사고 코드 해석 결과와는 상반되게 원자로 용기 반구로 재배치된 노심용융물이 10-100 oC/min 의 냉각 율로 냉각되어 용기의 파손이 발생하지 않고 사고가 종결되었다.
그러나 2011년 후쿠시마 원전 1-3호기 사고에서는 원자로 압력용기(RPV: Reactor Pressure Vessel)의 관통부 파손(Melt through)으로 핵연료가 녹아내리면서 압력용기 하부 면이 파손되었다. 이때 압력용기 내부의 온도가 300℃에서 3000℃ 범위까지 상승하게 되면서 압력용기 관통부의 직경이 약 7cm(1호기), 약 10cm(2호기)까지 파손됨을 확인하였다. 중대사고시 관통부 파손(Melt through)의 정의는 원자로내의 핵연료 봉에 접촉한 냉각수가 누수 되어 핵연료 봉이 공기에 노출되면, 용융물 재배치과정에서 녹아내린(Melt-down) 용융물이 압력용기의 하부 모재 벽면(Vessel Wall)을 뚫고 흘러나오는 것을 말한다.
상기 원전 사고와 연계한 현상규명을 위하여 한국원자력연구원 중대사고부에서 수행중인 실증 실험은 In-vessel 현상(TMI 사고) 실험과 함께 Ex-vessel 현상(후쿠시마 사고) 실험으로 구분하여 수행하고 있다.
TMI 원전 사고의 In-Vessel 현상 규명 실험과 함께 이어진 후쿠시마 원전 사고의 Ex-vessel 현상규명 실험은 압력 용기 내부의 고온 용융물 거동 현상 실험으로, 이 용융물의 거동에 의한 온도 및 환경 조건에 따라서 원자로용기(RPV)의 모재를 모의한 실험구의 하부 벽(Vessel Wall)은 열 임계출력(Heat Critical Power)의 범위를 넘도록 조성하여 용기의 두께(Wall Thickness: Tw)가 열에 의해 점진적으로 침식하는 과정을 실험하게 된다.
위 실험에서 반구의 모재가 점진적으로 침식(얇아짐)할 때 벽(Vessel Wall)의 두께(Wall Thickness)를 실시간으로 계측하는 것은 매우 중요한 요소이지만 용기 내부의 온도가 약 2000~3000℃범위로 급상승할 경우 현재 공지된 두께측정 기술을 이용해서는 계측이 불가하여 정확한 현상 규명 실험을 수행하기가 어려운 문제가 있었다.
한국공개특허 제10-2014-0091099호(2014.07.21. 공개.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 용융점이 높은 재질의 로드를 반구의 하단에 고정하고, 로드의 끝단에 자왜소자를 결합하여 자왜소자의 자왜 초음파를 이용하여 반구의 두께를 측정하게 되는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구 두께측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
또한, 로드에 가해지는 열을 차단하기 위해 로드를 공랭식 열교환 수단으로 감싼 후 공기순환을 통해 로드를 냉각시킨 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구 두께측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 반구 두께측정 장치는, 내부에 용융물이 수용되는 모재의 하단에 형성된 하부 반구의 두께를 측정하기 위한 두께측정 장치에 있어서, 상기 두께측정 장치는, 상기 하부 반구의 하측에 배치되며, 자왜 초음파 에너지를 생성하는 초음파 센서부; 및 상단이 상기 하부 반구에 연결되고, 하단이 상기 초음파 센서부에 연결되어 상기 초음파 센서부에서 생성된 초음파 에너지를 상기 하부 반구에 전달하는 초음파 전달부; 를 포함한다.
또한, 본 발명의 반구 두께측정 장치를 이용한 두께측정 방법은, 초음파 센서를 통해 초음파 에너지를 생성하는 단계; 초음파 전달부를 통해 상기 초음파 에너지를 하부 반구에 전달하는 단계; 상기 초음파 센서를 통해 하부 반구에 전달된 후 반향된 초음파 에너지를 수신하는 단계; 및 상기 초음파 에너지의 왕복 이동 시간을 통해 상기 하부 반구의 두께를 산출하는 단계; 를 포함한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구(모재) 두께측정 장치 및 방법은 반구의 온도가 3000℃ 이상으로 상승하여도 반구의 두께를 실시간으로 측정이 가능하여 In-vessel 현상(TMI 사고) 실험과 함께 Ex-vessel 현상(후쿠시마 사고) 실험을 수행함에 있어서 반구 모재 내부 용접부의 침식률, 관통관 방출 조건 및 시간, 원자로 모재 용기 파손과의 연관성 등을 정밀하게 실시간 파악할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 반구 두께측정 장치 개략단면도
도 2는 본 발명의 초음파 전달부 및 냉각수단 개략단면도
도 3은 본 발명의 두께 변화에 대한 반향 신호 패턴도
본 발명의 일실시 예에 따른 반구 두께측정 장치를 설명하기에 앞서 반구 두께측정 장치가 적용되는 원자로 용기 에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 반구 두께 측정 장치는, 모재(110, 111) 상의 측면 용기(110) 하측에 구비된 하부 반구(111)의 두께를 측정하게 된다.
도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 반구 두께측정장치(200)가 적용된 원자로 용기(100)의 개략 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 원자로 용기(100)는, 측면 용기(110) 및 측면 용기(110)의 하측에 구비된 하부 반구(111)를 포함하는 모재(110, 111)와, 모재(110, 111)가 수용되며 내벽(121)과 외벽(120)을 포함하는 챔버(120, 121)와, 챔버(120, 121)의 내벽(121)과 외벽(120) 사이에 구비되며 모재(110, 111)에 열을 가하여 용융물을 가열하는 가열부(130)를 포함하여 구성된다. 가열부(130)는 내벽(121)의 측면을 따라 권취된 인덕션 코일의 형태로 이루어진 고주파 유도가열장치일 수 있다.
모재(110, 111)의 하측에 형성된 하부 반구(111)의 내부에는 용융물(101)이 수용되며, 용융물 상부 즉 측면 용기(110)의 내부에는 기체 상태의 에어졸(102)이 함께수용된다.
하단이 반구 형의 하부 반구(111)로 이루어진 상기와 같은 구성의 모재(110, 111) 내부의 핵연료 상사 고체 물질은 가열부(130)를 통해 용융물(101)로 가열 생성하게 되여, 모재(110, 111) 내부의 온도를 상승시키고, 하부 반구(111)가 열 임계출력(Heat Critical power)의 범위를 넘도록 조성하여 하부 반구(111)의 두께(Wall Thickness: Tw)가 열에 의해 점진적으로 침식하는 과정을 실험하게 된다.
이하, 상기와 같은 하부 반구(111)의 두께 변화를 실시간으로 측정하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 자왜 초음파를 이용한 반구 두께측정 장치(200, 이하 "두께측정장치")에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 두께측정 장치(200)는 크게 초음파 전달부(210)와, 초음파 센서부(220), 제어부 및 냉각부(250)로 구분된다. 초음파 센서부(220)는 초음파 발진부, 초음파 변환부 및 초음파 수신부를 포함하여 구성된다.
초음파 전달부(210)는 상하 길이방향을 따라 형성된 로드로 이루어지며, 상단이 하부반구(111)의 하단에 용접 고정되며, 하단이 초음파 센서부(220)에 용접 고정될 수 있다. 초음파 전달부(210)는 열용융점이 높은 텅스텐 또는 탄소강 재질로 이루어질 수 있다. 초음파 전달부(210)는 초음파 센서부(220)에서 발진 및 변환된 초음파 에너지를 하부반구(111) 내부로 전달하도록 구성된다. 초음파 전달부(210)는 약1000mm의 길이와, 2.5mm의 직경을 갖는 봉의 형태로 이루어질 수 있다. 초음파 전달부(210)는 복수 개가 하부반구(111)의 하단에 일정거리 이격되어 배치될 수 있다. 도면상에는 초음파 전달부(210)가 8개 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 하부반구(111)의 크기 및 필요에 따라 가감될 수 있음은 자명하다.
초음파 센서부(220)는 초음파를 발진하고, 초음파 에너지로 변환하여 초음파 전달부(210)를 통해 전달하며, 반향 에너지를 수신하여 반향 에너지를 다시 전기 신호로 변환시켜 제어부에 전달하도록 구성된다. 특히 초음파 센서부(220)는 자왜 초음파 생성을 위해 자기 변형의 특성을 이용하여 전기 진동을 기계 진동으로 변환하는 자왜 소자가 적용될 수 있다.
제어부는 초음파 센서부(220)에서 수신된 반향 에너지를 통해 하부반구(111)의 두께 및 실시간 두께 변화를 산출하고 모니터링하게 된다.
제어부는, 초음파 탐상장치 USD-15를 기본으로 하여, 초음파 제어기, A/D 컨버터 등이 PC BUS에 연결되고, 기타 응용프로그램으로 물리적인 음향응용 분석 소프트웨어를 공유하여 동작한다.
이때 기준 신호인 제1 에코 신호와 제2 에코 신호의 시간 지연의 직접 측정은 LeCroy 9354AM 500MHz 오실로스코프의 RS-232과 PC을 연결하여 가능하다. 초음파 센서부(220)의 반향 에너지 신호를 이용한 제어부의 세부 두께 산출 방법에 대해서는 이하, 반구 두께측정 방법에서 상세히 설명하기로 한다.
상술된 실시 예에서는 초음파 센서부(220)에서 하부반구(111)로 자왜 초음파를 전달하기 위해 초음파 전달부(210)를 별도의 구성으로 적용하였으나, 초음파의 전달 효율을 최대화 하기 위해 초음파 센서부(220)를 초음파 전달부와 일체로 구성할 수도 있다. 즉 초음파 센서부(220)를 상하 길이방향을 형성하여 초음파 센서부(220)의 상단을 하부반구(111)에 직접 용접하여 고정할 수 있다. 다만 하부반구(111)의 온도가 높아짐에 따라 초음파 센서부(220)의 자왜 성질이 감소되는 것을 감안하여 적용할 수 있다.
또한, 초음파 센서부(220)로 하부반구(111)의 열이 전달되어 초음파 센서부(220)의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위해 본 발명의 두께측정 장치(200)에는 냉각부(250)가 구비된다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 냉각부(250)의 개략단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 냉각부(250)는 초음파 전달부(210)에 공기를 공급하는 공기공급부(251) 및 공급된 공기를 초음파 전달부(210)와 열교환 시켜 초음파 전달부(210)를 냉각시키기 위한 열교환관(252)를 포함하여 구성된다.
따라서 공기공급부(251)는 공기 유입을 위한 팬(251a)과 팬(251a)에 의해 유입된 공기를 열교환관(252)에 전달하기 위한 공기공급관(251b)으로 구성된다. 또한 열교환관(252)는 내부에 초음파 전달부(210)가 수용되는 관의 형태로 이루어지며, 열교환관(252)의 하단은 공기공급관(251b)과 연통되며 열교환관(252)의 상단에는 공기배출홀(252a)이 형성된다. 따라서 공기공급관(251b)을 통해 유입된 공기가 열교환관(252)을 따라 상부로 순환하며, 초음파 전달부(210)를 냉각시키게 되며, 초음파 전달부(210)와 열교환된 공기는 공기배출홀(252a)을 따라 배출된다.
도면상에는 열교환관(252)의 하단이 공기공급부(251)와 연결되고 상단에 공기배출홀(252a)이 형성된 것으로 도시되어 있으나, 열교환관(252)의 상단이 공기공급부와 연결되고, 하단에 공기배출홀이 형성되도록 구성될 수도 있다.
위와 같은 냉각부(250)의 구성을 통해 하부반구(111)의 열이 초음파 전달부(210)로 전달되어 초음파 전달부(210)가 가열되는 것을 방지하게 된다.
이하 상기와 같은 두께측정 장치(200)를 이용한 본 발명의 일실시 예에 따른 두께측정 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 용융물 조건에서 복수의 채널 중 어느 한 채널에 용접된 하부 반구의 두께 변화에 대한 반향 신호 패턴이 도시되어 있다.
우선 초음파 센서(220)를 통해 자왜 초음파 에너지를 생성하는 초음파 에너지 생성단계를 수행하며, 다음으로 초음파 전달부(210)를 통해 하부반구(111) 내부로 초음파 에너지를 전달하는 초음파 에너지 전달단계를 수행한다.
하부반구(111)의 외벽면에 전달되는 초음파 에너지는 우선 외벽면에서 반사되는 초음파 에너지와 외멱면을 통과한 후 내벽면에서 반사되는 초음파 에너지로 구분될 수 있으며, 하부반구(111)를 통과한 내부 진행파는 모재(110, 111) 내부에 액체 용융물이 존재할 경우 초음파의 진행모드가 다량의 반향 모드로 변환되어 초음파 전달부(210)를 통해 초음파 센서(220)에 수신된다.
이때, 하부반구(111)과 초음파 전달부(210)의 용접부 위치 즉 하부반구(111)의 외벽면에서 반향된 신호인 제1 에코신호(E1)를 기준으로 하부반구(111)의 두께를 통과한 후 하부반구(111)의 내벽면에서 반향된 에너지인 제2 에코신호(E2)만을 초음파 센서(220)를 통해 취급하게 되며, 하부반구(111)를 통과하여 액체 용융물(101) 상에서 반향된 제3 에코신호(E3)는 무시하는 반향 에너지 구분단계를 수행한다.
따라서 초음파 센서(220)는 제1 에코신호(E1)를 기준 신호로 정하고, 제1 에코신호(E1) 대비 제2 에코신호(E2)의 반향 에너지 값의 시간 지연을 계측하여 하부반구(111)의 두께를 산출하는 두께 산출 단계를 수행하게 된다. 상세하게는 초음파 에너지의 왕복이동시간(t)과 속도함수(V)를 통해 초음파 에너지의 왕복 이동거리(S)를 알 수 있고, 이를 식으로 표현하면 아래 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
다음으로 이동거리(S)는 초음파 전달부(210)의 길이(Lr)와 하부 반구의 두께(Tv)가 반영될 수 있으므로, 이동거리(S)에 따른 반구의 두께(Tv)는 아래 수학식 2를 통해 산출할 수 있다.
Figure pat00002
따라서 초음파 에너지의 왕복이동시간(t)에 따른 반구의 두께(Tv)는 아래 수학식 3을 산출할 수 있다.
Figure pat00003
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것 인한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 원자로 용기
110, 111 : 모재 110 : 측면챔버
111 : 하부 반구
120, 121 : 챔버 120 : 외벽
121 : 내벽
130 : 가열수단
200 : 두께측정 장치 210 : 초음파 전달부
220 : 초음파 센서부
250 : 냉각부 251 : 공기공급부
252 : 열교환관

Claims (8)

  1. 내부에 용융물이 수용되는 모재의 하단에 형성된 하부 반구의 두께를 측정하기 위한 두께측정 장치에 있어서,
    상기 두께측정 장치는,
    상기 하부 반구의 하측에 배치되며, 자왜 초음파 에너지를 생성하는 초음파 센서부; 및
    상단이 상기 하부 반구에 연결되고, 하단이 상기 초음파 센서부에 연결되어 상기 초음파 센서부에서 생성된 초음파 에너지를 상기 하부 반구에 전달하는 초음파 전달부;
    를 포함하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 센서부는,
    상기 하부 반구에서 반향된 자왜 초음파 에너지를 수신하는 초음파 수신부; 를 더 포함하며,
    상기 초음파 에너지의 왕복 이동 시간을 통해 상기 하부 반구의 두께를 산출하는 제어부; 를 포함하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    아래 식을 이용하여 상기 하부 반구의 두께를 산출하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치.
    Figure pat00004

    (여기서, Tv : 하부 반구의 두께, t : 초음파 에너지 왕복 이동 시간, V: 초음파 에너지 속도 함수, Lr : 초음파 전달부의 길이)
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 두께측정 장치는,
    상기 초음파 전달부를 냉각시키기 위한 냉각부가 구비되며,
    상기 냉각부는,
    상기 초음파 전달부가 수용되는 열교환관;
    상기 열교환관의 상측 또는 하측 중 어느 한 측에 공기를 공급하는 공기공급부; 및
    상기 열교환관의 상측 또는 하측 중 다른 한 측에 공기가 배출되는 공기배출홀;
    을 포함하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 전달부는,
    상기 초음파 센서부와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치를 이용한 두께측정 방법에 있어서,
    초음파 센서를 통해 초음파 에너지를 생성하는 단계
    초음파 전달부를 통해 상기 초음파 에너지를 하부 반구에 전달하는 단계;
    상기 초음파 센서를 통해 하부 반구에 전달된 후 반향된 초음파 에너지를 수신하는 단계;
    상기 초음파 에너지의 왕복 이동 시간을 통해 상기 하부 반구의 두께를 산출하는 단계;
    를 포함하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치를 이용한 두께측정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 초음파 에너지 수신 단계는,
    상기 하부 반구의 두께를 통과한 후 반향된 에너지만을 취급하며, 상기 용융물을 통과한 후 반향된 에너지는 무시하는 반향 에너지 구분단계; 를 더 포함하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치를 이용한 두께측정 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 하부 반구의 두께를 산출하는 단계는,
    아래 식을 이용하는 것을 특징으로 하는, 자왜 초음파를 이용한 챔버 내에 반구의 두께측정 장치를 이용한 두께측정 방법.
    Figure pat00005

    (여기서, Tv : 하부 반구의 두께, t : 초음파 에너지 왕복 이동 시간, V: 초음파 에너지 속도 함수, Lr : 초음파 전달부의 길이)
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