KR810000194B1 - 불완전한 핵연료체를 탐지하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

불완전한 핵연료체를 탐지하는 방법

제1도는 본 발명에 이용되는 탐지장치의 정면도.

제2도는 제1도에 도시된 장치를 일부분 절개한 저면도.

제3도는 제1도에 도시된 장치를 이용하여 기체로 채워진 핵연료체안에서 초음파 레이디얼펄스의 반향을 예시하는 개요도.

제4도는 제3도의 기체로 채워진 핵연료체의 반응을 특징짓는 펄스와 반향의 오실로그램.

제5도는 제1도에 도시된 장치를 이용하여 물로 채워진 불완전한 핵연료체안에서 초음파 레이디얼펄스의 반향을 예시하는 개요도.

제6도는 제5도의 물로 채워진 핵연료체의 반응을 특징짓는 펄스와 반향의 오실로그램.

제7도는 하부에 위치한 플리넘스프링을 갖는 물로 채워진 핵연료체의 반응을 특징짓는 펄스와 반향의 오실로그램.

본 발명은 원자로의 불완전한 핵연료체를 탐지하는 장치에 관계된다. 수냉식 불균질형 원자로 안에는 다수의 가늘고 긴 핵연료체들과 제어요소주입관들이 핵연료 집합체라고 불리우는 통일된 구조안에 빽빽하게 배열되어 있다. 원자로심은 일반적으로 수직으로 배치된 핵연료 집합체의 격자로 이루어져 있다. 연료봉이나 관, 핀등을 선택적으로 하여 특징지워지는 가늘고 긴 핵연료체의 각각은 양단이 마개로 봉해지고 얇은 피복으로 덮힌 핵연료를 함유하며 연료의 침식과 핵분열생성물이 원자로 냉각제안으로 방출되는 것을 방지한다. 알루미늄이나 알루미늄합금 스테인레스 강철과 지르코늄은 전형적인 피복물질이다. 플리넘챔버(plenum chamber)와 클리어런스(clearance)는 핵연료로부터 방출되는 분열생성물 기체를 조절하며, 피복과 핵연료사이의 특이한 온도팽창을 조절하고, 연소되는 동안 핵연료의 밀도변화를 조절하기 위해서 핵연료체내에 설치된다. 플리넘은 일반적으로 핵연료체의 단부에 위치하는데 이는 고정된 관계안에 핵연료를 지지하는 플리넘스프링을 함유한다. 어떤 경우에, 핵연료체는 원자로 냉각계의 고압에서 오래도록 작동하는 동안 피복클립이 늘어나는 것을 최소로하기 위해 처음에 가스, 전형적으로는 헬륨기체로 가압되어진다.

핵연료체의 피막은 냉각재의 유압, 원자로의 온도와 압력, 핵분열기체의 압력 및 연료팽창과 조사성장등에서 야기되는 영향을 비롯하여 원자로가 작동하는 영향에 견디어 낼 목적으로 설계된다. 피복에 흠이 생기면 방사능 분열생성물은 냉각액이나 감속재안으로 새어나가는 데 이는 원자로가 작동하는 중에 일어나는 것으로 예상된다. 비록 피복에 흠이 생기므로해서 발생되는 것으로 예상되는 방사능의 최대량을 제거하기 위해서 정화장치가 설치되었다 해도 불완전하거나 ＂고장난＂ 핵연료체를 탐지해내고 대신할 수 있는 것이 바람직하고 또 필요하다. 그러므로 불완전한 핵연료체를 탐지하기 위한 확실한 방법을 발명하는 것이 중요하다.

한편, 핵연료집합체안의 불완전한 핵연료체를 탐지하는 것은 그 집합체가 방사능 물질이고 빽빽히 배열되어 있는 수백개의 핵연료체와 주입관을 갖고 있기 때문에 어려운 일이다. 그렇다고해서 조사된 핵연료집합체를 분해하고 다수 조립한다는 건 시간을 낭비할뿐만 아니라 결과적으로 핵연료체를 손상할 뿐이다. 액체 냉각제를 사용하는 원자로에서, 많은 설비와 기술이 진동의 탐지와 분해, 온도차, 초음파 현상등에 의거하여 핵연료집합체안의 불완전한 핵연료체 각각을 탐지하기 위해서 제안되어 왔다. 이들 앞선 방법에서 탐지장치나 기술은 일반적으로 핵연료집합체의 극히 일부분을 분해하는데에 의존해왔다. 뿐만아니라, 이들 방법에선 불완전한 핵연료체안으로 새어나간 액체의 열역학적 상태변화 즉, 비등이나 액화 또는 이 둘과 같은 동력학에 더욱더 의존해왔다. 핵연료 집합체안에 있는 불완전한 핵연료체의 탐지를 손쉽게 하기 위해서 핵연료집합체를 분해한다든가 핵연료체안의 액체의 비등이나 액화에 의존하지 않는 확실한 방법의 개발이 요구되어 왔다.

본 발명의 방법을 실시하기 위해서 불완전한 핵연료체를 탐지하기 위한 장치가 상기 기술된 형태의 핵연료 집합체안에 설비된다. 본 발명의 방법을 실시할 수 있는 초음파 탐색장치는 핵연료 집합체 부분품들 사이의 공간안으로 삽입된다. 변환기가 삽입되어져야 하는 핵연료 집합체 부분품들 사이의 제일작은 공간은 약 2㎜정도이다. 이점에서, 탐색장치는 제한된 공간을 통과할 수 있는 캐리어에 의해서 지지되는 변환기로 이루어져 있다. 변환기는 시험되어지는 핵연료체의 아래쪽에 있는 플리넘과 나란히 배열된다. 주파수가 5-15 메가헤르츠에 해당하는 초음파는 물을 통해서 쉽게 전파된다는 것이 알려져 있다. 이와는 대조적으로, 이 메가헤르츠 범위내의 주파수에선 초음파감쇠가 공기나 다른 기체안에서 높다. 소수의 메가헤르츠에 해당하는 주파수에서 초음파 펄스는 핵연료체의 벽안으로 가로질러 이입된다. 만약 핵연료체가 불완전하지 않다면 기체만이 하부에 위치한 플리넘안에 있을 것이며 완전한 금속-기체경계면에서 높은 반사계수는 피복의 내측표면을 지나는 펄스의 전파를 방해할 것이다.

이와는 대조적으로, 만약 핵연료체가 불완전해서 하부의 플리넘이 물을 함유하고 있다면 피복의 내측표면에서 금속-액체경계면의 반사계수는 금속-기체경계면에서 산출된 것보다 낮게 감소될 것이다. 따라서, 펄스의 중요한 부분은 물을 통해서 맞은편 벽으로 전파되고 반사되어 변환기로 되돌아갈 것이다. 맞은편 벽으로부터 반사가 탐지되면 이는 핵연료체 안으로 물이 스며들어 간 것을 나타낸다. 본 발명의 방법을 특징짓는 새로운 여러가지 특성을 명세서와 특허청구의 범위에 구체적으로 기술하였다. 본 발명의 방법을 실시하는데 사용되는 장치의 작동 우월성, 이러한 장치를 사용함으로서 달성되는 특수한 목적등을 잘 이해하기 위해서 첨부된 도면과 도시한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 이용되는 초음파 탐색장치(20)를 나타낸다. 그 탐색장치(20)는 초음파 변환기(21)와 스트립 캐리어(22)를 포함하며 스트립 캐리어(22)는 제2도에서 도시한 것처럼 마주보는 면(23, 24)과 변환기(21)가 적당하게 삽입되는 구멍을 가지고 있다. 변환기(21)는 전착되거나 방전된 전극을 변환기의 두 표면위에 갖는 극성을 띤 강유전성 세라믹으로서, 구멍안에 정렬되어 변환기의 한면(25)이 스트립 캐리어(22)의 면(23)과 같은 높이가 되고 변환기의 반대쪽면은 구멍안에 넣어져서 음파감폭재(26)에 접하여진다. 감결합(decoupling) 절연재(30)는 구멍의 둘레와 변환기(21)의 마주보는 면들 각각 사이에 위치하고 있다. 변환기(21)는 전기적으로 비전도성인 접합제(31)에 의해서 구멍안에서 견고하게 있게된다. 스트립 캐리어의 면(23)과 동일한 높이를 이루는 변환기(21)의 면(25)은 캐리어에 접지된다. 접지는 여러개의 점용접 전도체(32)나 다른 적당한 수단에 의해서 이루어진다.

감결합 절연재(30)는 변환기와 캐리어 사이에서의 초음파 결합을 최소로 하기 위해서 이들 사이에 배치된다.

동축 케이블(33)은 내부전도체(34)와 외부전도체(35)를 가지며 스트립 캐리어의 끝부분(36)에 부착된다.

내부전도체(34)는 변환기(21)에 부착되고, 외부전도체(35)는 스트립 캐리어(22)에 부착된다.

탐색장치(20)는 핵연료집합체안에 빽빽하게 배열된 핵연료체와 제어요소 주입관들 사이의 2㎜라는 제한된 틈에서 자유롭게 이동할 수 있어야 한다. 그러므로 탐색장치(20)와 탐색장치의 개별구성요소는 탐지기술의 원리를 적용하는데 필요한 초음파 특성을 절충하지 않고 일정한 치수요구 조건들을 충족시키기 위해서 선발되어야만 한다.

본 발명의 원리에 의해서 고안된 탐색장치는 지르콘산납이나 티탄산납으로부터 제조되고, 폭이 2.5㎜, 길이가 12.5㎜, 두께가 0.3㎜이며 알루미늄 캐리어안에 장착되는 변환기를 포함한다. 변환기는 코르크층에 의해서 구멍의 둘레로부터 절연되어진다. 변환기의 앞면과 뒷면은 방전된 은전극들로 입혀지고 캐리어의 한쪽면과 동일한 높이를 이루는 면은 알루미늄과 은전극 양쪽에 용접된 가는 동선(copper wire)택을 통하여 여러지점에서 인접한 알루미늄에 접지된다.

핵연료집합체 안으로 삽입하는데 있어서 표면을 부드럽게 하기 위해 캐리어의 표면에서 변환기의 표면과 동선 전체를 전도성 에폭시수지층으로 덮을 수도 있다. 감폭재(26)는 저급 분자량을 다황화물 중합체와 혼합된 텅스텐 분말 두 층으로 이루어진다. 특수한 감폭재에는 뉴져지의 트렌톤시에 있는 티오콜화학 주식회사에서 제조하여 티오콜 LP-3으로 명명되는 저급 분자량의 다황화물 중합체와 혼합된 평균입자크기가 1.33미크론인 텅스텐 분말과 평균입자 크기가 4.5미크론인 텅스텐 분말의 혼합물이 있다. 비-전도성 에폭시수지는 구멍안의 변환기를 견고하게 하기 위해서 사용딘다. 구멍안에 우묵히 넣어진 세라믹의 표면은 캐리어의 끝부분을 따라 배열된 동축 케이블의 내부 전도체에 연결된다.

탐색장치가 핵연료집합체의 부분품들 사이에 삽입될 수만 있다면 다른 배열체나 틀, 재료들이 변환기에 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서 예를 들자면, 동축 케이블을 포함하는 속이 빈 관형태의 캐리어가 사용되었다. 제3도는 핵연료 집합체의 절단부위로서, 핵연료체(40)의 아래쪽에 있는 플리넘에 가로로 나란히 배열된 탐색장치(20)의 평면개요도이다. 핵연료체 안으로 초음파에너지를 송신하기 위해서 핵연료체(40)와 연결된 변환기는 미리 정해진 속도와 주파수로 펄스를 방출하는 진동기(보이지 않음)에 의해서 에너지화 된다. 오실로스코프의 스위프는 전달되고 반사된 펄스를 나타내기 위해서 동시성을 갖는다. 반사파는 변환기를 통해서 스코프에 의해 수신된다. 만일 핵연료체가 고장나지 않았다면 기체는 아래쪽의 플리넘안에 존재하는 유일한 유체가 될 것이며 금속-기체 경계면에서의 높은 반사계수는 피복의 내측표면을 통과하는 초음파의 중요한 전파를 방해할 것이다. 기체로 채워진 핵연료체에 대하여 통상적인 펄스 반향기위에 나타난 반응을 제4도의 오실로그램으로 나타냈는데 가로축에는 시간(t)을 기입하였다. 제4도와 제6도, 제7도의 오실로그램은 7메가헤르츠의 주파수에서 발생된 결과표시를 표현하는 것으로 t축의 한 간격은 대략 3마이크로초이고 핵연료체의 바깥지름은 0.5인치에 조금 미치지 못한다. 제4도에서, 송신된 신호는 기체의 낮은 송신계수로 인해 기체-금속의 첫 경계면이나 앞 경계면에서부터 반사된 수신부호와 실질적으로 혼합된다. 이와는 대조적으로, 만일 핵연료체가 고장이 나서 하부의 플리넘이 물을 함유한다면 경계표면에서의 반사계수는 대단히 감소될 것이다. 따라서, 제5도에서 도식적으로 나타낸 초음파 펄스의 중요한 부분은 액체를 통해서 전파될 것이고 핵연료체(40)안의 액체-금속 뒷경계면에서 반사될 것이다. 그러므로 송신된 신호로부터 분리된 비교적 뚜렷한 크기의 반사신호가 t축 위에 나타나게 된다. 불완전하고, 물로 채워진 핵연료체에 대해서 통상적인 펄스반향기 위에 나타난 반응을 제6도의 오실로그램으로 나타냈다. 가로축상의 약 15마이크로초에 나타난 중요한 반응은 뒷벽으로부터 수신된 반향을 나타낸다.

핵연료체의 아래쪽에 있는 플리넘은 일반적으로 초음파의 자유통행을 제한할 수도 있는 나사선스프링부를 갖는다. 그러나 이것은 극복할 수 없는 난점을 나타내는건 아니다. 만일, 핵연료체의 세로축을 따라 치수를 측정한 압전체의 폭이 나사선스프링의 피치보다도 크다면 음파는 멀리 떨어진 벽까지 전파되어 되돌아올 것이다. 제7도는 스프링을 갖는 물로 채워진 핵연료체의 전형적인 반응을 나타낸 것이다. 통상적인 초음파기기는 초기펄스에 관하여 선택된 시간 간격동안 신호를 발생하는 케이트 회로를 갖는다. 부가해서, 이 회로는 케이트 주기중에 초음파 신호진폭이 사전에 설정된 드레시 호울드레벨(threshold level)을 초과할 때만 경보신호를 발생하기 위해서 설비될 수 있다.

만일 게이트가 t축상의 12-15마이크로초 사이의 신호를 통과시키기 위해서 세트(set)되고, 진폭의 드레시호울드가 세로축상의 1선에 놓여지면 물의 존재를 스프링이 있건, 없건간에 핵연료체안에서 탐지할 수 있다. 작동중에 탐색장치는 핵연료집합체의 인접한 부분품들 사이에 삽입된다. 조사된 핵연료집합체들은 일반적으로 원자로에서 이동되는 동안 냉각과 차폐의 목적상 물밑에서 유지되며 처음에는 사용재연료푸울안에 저장된다. 그러므로, 핵연료체의 검사는 물 밑에서 하는 것이 효과적이라는 것을 이해할 수 있다. 변환기는 시험되어지는 핵연료체의 세로축에 가로로 나란히 배열된다. 그 다음에 펄스는 변환기에서 핵연료체 안으로 방출된다. 핵연료집합체의 어떠한 부분품도 분해함이 없이 탐색장치를 핵연료체 다발안으로 삽입하므로서 핵연료 집합체는 시험될 수 있다. 그러므로 핵연료 집합체는 검사될때에만 원자로에서 이동된다.

본 방법은 핵연료 집합체의 연료체들을 자동적이고도 재빠르게 시험하는 다중송신된 변환기를 활용하기 위해서 확대될 수 있다.

Claims (1)

1. 도시하고 본문에 상술한 바와 같이, 가로로 일정한 간격을 이루면서 빽빽하게 배열된 핵연료체 다수를 포함하는 핵연료 집합체를 물밑에 두고 상기 핵연료 집합체안에서 수냉식 원자로에 사용되는 형태의 불완전한 핵연료체들을 초음파적으로 탐지하는 방법에 있어서, 초음파 변환기를 갖는 초음파 탐색장치를 핵연료체들 사이의 공간안으로 삽입하되 변환기를 시험하고저 하는 핵연료체에 가로로 배열하며, 변환기를 에너지화해서 시험하고저 하는 핵연료체의 벽안으로 초음파 펄스를 가로질러 송신하고, 변환기가 위치하는 곳에서 멀리 떨어진 핵연료체의 내측벽 표면으로부터 반사된 초음파 반향을 측정해서 핵연료체 안으로 스며들어간 물의 존재를 탐지하는 것을 특징으로 하는 불완전한 핵연료체를 탐지하는 방법.

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