KR940002703B1 - 음파의 공명현상을 이용한 파손핵연료봉의 검사법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

음파의 공명현상을 이용한 파손핵연료봉의 검사법

제1도는 종래 검사법의 개략도.

제2도는 본 발명 검사법의 개략도.

제3도는 본 발명 작용효과의 판독 그래프.

본 발명은 음파의 공명현상을 이용한 파손핵연료봉의 검사법에 관한 것이다.

기존, 핵연료집합체에서 파손핵연료봉을 검출하기 위해 최근 많이 수행되고 있는 초음파탐상법의 주 기술 보유회사는 독일의 BBR사(Brown Boveri Reaktor Gmbh), 미국의 B&W(Bobcock & Wilcox)사와 ANF(Arkansas Nuclear Fuel)사인데 이들 각 회사의 차이점은 제1도에 보여진 것 같이 핵연료봉에 대한 탐촉자의 상대적 위치와 초음파를 이용하는 원리에 있다.

BBR사의 기술[제1a도]은 송신탐촉자를 떠난 초음파펄스가 적당한 각으로 입사되면 피복관 두께 내부를 지그재그 경로로 진행하면서 관외면 반사시 일부의 에너지를 관외부유체(물)로 방출한다. 이들중 일부가 수신탐촉자에 도달하게 된다. 건전한 핵연료봉의 경우, 피복관(cladding tube)과 핵연료소결체(UO₂pellet) 사이의 공간에는 헬리움 가스가 채워져 있다. 그래서 관내면반사시 관내부로 빠져 나가는 초음파에너지는 무시될 수 있다. 그러나 핵연료봉이 파손되어 그 공간에 물이 차게되면 관내부로도 초음파에너지가 빠져나가게 되어 수신탐촉자에 도달하는 초음파에너지는 건전한 핵연료봉의 경우보다 작게된다.

즉 수신탐촉자에 도달하는 초음파에너지의 크기로서 핵연료봉의 파손여부를 판단하는 것이다. B&W사의 기술[제1b도]은 초음파를 이용하는 원리면에서는 BBR사와 같으나 송수신탐촉자가 하나의 홀더에 고정되어 있어서 초음파펄스는 피복관을 거의 한바퀴 회전해야 한다는 차이점이 있다. ANF사의 기술[제1c도]은 B&W사의 것과 같이 하나의 지지체에 송수신탐촉자가 고정되어 있으며 이때의 초음파펄스는, 건존한 핵연료봉의 경우는 피복관내면에서 한번 반사되어 수신탐촉자에 도달하게 된다. 핵연료봉이 파손된 경우는 피복관내면에서 반사된 초음파에너지와 피복관을 투과하여 핵연료소결체표면에서 반사되고 다시 피복관을 투과하여 수신탐촉자로 향하는 초음파에너지가 서로 중첩되어 건전한 핵연료봉에서 수신되는 초음파펄스 보다는 그 폭이 넓은 초음파펄스가 수신된다. 이같이 수신초음파펄스의 폭의 크기로써 핵연료봉의 파손여부를 판단하는 것이다.

이같은 초음파탐상법들을 이용하면 파손핵연료봉의 위치를 신속하게 알아낼 수는 있으나 그 신뢰도가 그리 좋지 않아 실제 파손핵연료봉의 검출작업때에는 초음파탐상법에 의해 파손핵연료봉으로 판명된 핵연료봉과 그 주변의 핵연료봉에 대해 와전류탐상검사로써 다시 검증하고 있는 실정이다.

본 발명은 이와같은 종래 초음파 탐상법의 개념에서 완전 탈피하여 근본원리는 음파의 공명현상을 이용하여 핵연료봉의 파손여부를 판단하는 것이다. 초음파가 피복관의 두께내부를 원주방향으로 진행하면서 공명현상을 일으키기 위해서는 피복관의 재질, 두께(d), 그리고 외경에 대한 내경의 비(b/a) 등에 따라 적당한 초음파진동수가 결정되어져야 한다. 예로서, b/a=0.88이고 d=0.6㎜인 지르칼로이-4(Zircaloy-4) 경수로 핵연료피복관의 경우의 공명진동수는 0.3, 1.0, 3.7, 6.0㎒ 등이고, b/a=0.93이고 d=0.4㎜인 지르칼로이-4 중수로 핵연료피복관의 경우의 공명진동수는 0.5, 1.0, 5.5, 8.0㎒ 등이다.

이하 발명의 요지를 첨부도면과 실시예에 연개시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2a도는 초음파로 핵연료봉을 공명시키기 위한 장치의 전반적인 구성을 도식적으로 보여준다. 이 장치는 초음파신호처리 부분과 탐촉자구동장치 부분으로 대별된다. 초음파신호처리 부분은 송신탐촉자(1), 수신탐촉자(2) 또는 송수신겸용탐촉자(1a)와 펄스발생기(3), 수신증폭기(4) 및 디지틀 오실로스코프(5)와 실험결과를 보관 및 분석하기 위한 콤퓨터 시스템(6)으로 구성되며 탐촉자구동장치 부분은 핵연료봉에 대한 탐촉자의 상대적 위치를 선정하기 위한 메니플레이터(manipulator)(8)와 이를 원격조정하는 콘트롤러(controller)(9)로 구성된다. 실험방법에 따라서는 하나의 탐촉자로 송수신을 겸할 수도 있다. 이를 모노스태틱 펄스-에코우(monostatic pulse-echo : MPE) 방법이라 하고 송신탐촉자와 수신탐촉자가 분리되는 경우를 바이스태틱 펄스-에코우(bistatic pulse-echo : BPE)방법이라 한다.

제2b도는 MPE 방법으로 b/a=0.98이고 d=0.13㎜인 지르칼로이-4 피복관을 중심진동수가 5.0㎒인 초음파펄스를 사용하여 공명시키기 위한 정렬의 한 예를 보여준다. 여기서 탐촉자와 피복관의 정점사이의 거리는 변경될 수도 있다. 제2c도는 이때 수신된 초음파신호들이다. 여기서 ①번 신호는 탐촉자 표면에서, ②번은 관의 정점에서 반사된 것이고 ④번은 탐촉자표면과 관의 정점사이를 두번왕복한 초음파신호이다. 그리고 ②번과 ④번 사이의 주기적인 신호들(③번)이 바로 공명현상 때문에 생겨서 관두께 내에서 시계방향과 반시계방향으로 회전하는 초음파들에 의한 것들이다.

제3도는 b/a=0.88이고 d=0.6㎜인 지르칼로이-4 경수로 핵연료피복관을 중심진동수가 1.0㎒인 초음파펄스를 사용하여 MPE방법으로 공명시킨 예를 보여준다.

여기서는 오실로스코프의 시간축을 확대하여 제2c도에서 ②번과 ③번 신호들에 대응되는 초음파신호들만이 나타나도록 하였다. 건전한 핵연료봉의 경우[제3a도]는 공명현상 때문에 생긴 일련의 주기적인 신호들이 명확하게 나타나지만 파손되어 피복관과 핵연료소결체 사이의 공간에 물이 가득찬 경우[제3b도]에는 모든 공명신호들이 사라지고 없음을 볼 수 있다. 바로 이 공명신호들의 존재유무로써 핵연료봉의 파손 여부를 판단할 수 있다는 것이 본 발명의 원리이다. 이 새로운 검사기술로는 연료봉내에 물이 차 있지는 않고 피복관에 결함이 있는 핵연료봉들도 검출할 수 있다. 이 경우에는 공명현상으로 생긴 주기적인 초음파신호들 사이에 결함신호가 나타나게 될 것이기 때문이다. 또 와전류탐상법에서와 같이 연료봉단위로 검사를 할 경우에서는 탐촉자를 연료봉으로부터 원거리에 들 수 있으므로 탐촉자가 방사선에 피복되어 손상되는 것을 방지하면서 연료봉내의 물의 존재유무와 결합상태를 동시에 평가할 수 있다. 그러므로 본 발명은 단일한 탐촉방법으로서 정밀한 결과를 얻을 수 있음으로 종래 초음파 탐촉법과 대치, 해당산업에 활용할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 메니플레이터(8)와 이를 원격조정하는 콘트롤러(9)로된 탐촉자 구동장치부로 핵연료봉에 대한 상대적 위치가 결정되는 송신탐촉자(1), 수신탐촉자(2) 또는 송수신겸용탐촉자(1a)에 의한 초음파탐촉을 위하여 펄스발생기(3) 및 디지틀 오실로스코프(5)와 콤퓨터시스템(6)으로서 초음파가 핵연료봉 피복관(7) 두께 내부를 원주방향으로 진행하면서 공명현상을 일으키고 그 공명현상 때문에 생긴 일련의 주기적인 신호들을 수집하여 핵연료봉의 파손여부의 판단을 특징으로 하는 음파의 공명현상을 이용한 파손핵연료봉의 검사법.

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