핵연료 계장을 위한 천공조건에 대한 실험적 연구
An Experimental Study on Drilling Conditions for the Instrumentation of Nuclear Fuel
홍진태1,, 김가혜1, 정황영1, 안성호1, 정창용1 Jintae Hong1,, Ka-Hye Kim1, Hwang-Young Jeong1, Sung-Ho Ahn1, and Chang-Young Joung1
1 한국원자력연구원 중성자이용기술개발부 (Neutron Utilization Technology Division, KAERI)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-868-4420 Manuscript received: 2012.9.12 / Accepted: 2012.10.10
To develop a new nuclear fuel, it needs to make a test fuel rod and carry out burn-up test in the test loop of a research reactor to check the irradiation characteristics of the nuclear fuel. At that time, several sensors such as thermocouples, LVDTs and SPNDs are needed to be attached in and out of the fuel rod and connect them with instrumentation cables. Then, the instrumentation cables deliver the signals measured by the sensors to the measuring device located outside of the reactor pool. In particular, to install a thermocouple in a fuel rod, it needs to drill off holes on the alumina blocks and sintered UO2 pellets. However, because the hardness of a sintered UO2
pellet is 700 Hv (or HRC 61) and that of an alumina block is 1480 Hv, a special drilling machine which adapts a diamond coated drill bit had developed. In this study, several case experiments have been carried out to find an optimal drilling condition of the drilling machine. And, using the optimal drilling condition, minimum numbers of the holes that a drill bit can drill off are verified.
Key Words: Instrumentation of Nuclear Fuel (핵연료 계장), Thermocouple (열전대), Diamond Coated Drill (다이아몬드 코 팅드릴), Optimization of Drilling Condition (천공조건 최적화), Irradiation Test of a Nuclear Fuel (핵연료 조사 시험)
1. 서론
새로운 핵연료를 개발할 때, 연구용 원자로를 이용한 연소시험 (Burn-up test), 출력 급발 시험 (Power ramp test), 재조사시험 (Re-irradiation test) 등 의 실험을 통하여 그 핵연료의 성능을 검증하여야 한다. 국내의 유일한 연구용 원자로인 HANARO (High-flux advanced neutron application reactor)에는 핵 연료의 정상상태 연소시험이 가능한 핵연료 종합 성능검증 설비인 FTL (Fuel test loop)이 2009 년에 구축 되었다. 핵연료 연소시험은 FTL 의 노내조사 시험부 (IPS, In-pile test section)에 핵연료를 장착하 고, IPS 내부와 연결된 배관들을 통해 원자력 발전
소와 동일한 수압 (15.5 MPa), 수온 (300 ℃), 수질 등의 환경을 만든 후, 중성자를 조사하면서 핵연 료의 거동을 실시간으로 검사하는 방식으로 이루 어진다. 이러한 실시간 검사를 위해 핵연료봉 안팎 으로 열전대, LVDT, SPND 등의 많은 센서들이 부 착되는데, 특히, 조사시험 중 핵연료의 중심온도를 측정하기 위해 하나의 열전대가 핵연료봉 중심에 부착된다 (Fig. 1). 열전대를 핵연료봉 내에 부착하 기 위해서는 핵연료 소결체 및 알루미나 (Al2O3) 절연체를 홀가공 해야하는데, 경도가 각각 700 Hv, 1480 Hv 나 되어, 일반적인 드릴링 장치로는 가공 이 불가능하다. 소결 공정을 거친 핵연료와 알루 미나는 물리적, 화학적으로 안정한 세라믹 구조체
이며, 절삭 가공 시, 금속가공과 달리 작은 분말형 태로 칩이 발생한다. 일반적으로 세라믹 물질을 드릴링 하는 방법으로는 레이져를 이용한방법, 초 음파 드릴링, 다이아몬드 드릴을 이용한 rotary 드 릴링 등이 있으며, 고온에서 산화되어 핵분열 생성 물을 발생시키는 핵연료 특성 및 공정 단순화를 위하여 다이아몬드 드릴 비트를 이용하여 특수하 게 개발된 드릴링 장치를 사용하였다. Kang1,2 은 융착공법으로 제작된 다이아몬드 드릴의 세라믹 물질에 대한 절삭력 특성을 분석하고, 실험계획법 을 통해 RPM 과 이송량이 공구 수명에 큰 영향 을 주는 것을 확인하였으며, Lee3는 원통형 다이 아몬드 전착드릴을 이용한 드릴링 장치를 개발하 여, 1.5 mm 두께의 얇은 알루미나 세라믹을 가공한 바 있으나, 다이아몬드 전착드릴의 특성상, 가공 정밀도가 다소 떨어지는 반면, 비교적 가공시간이 짧고 작업이 용이한 장점이 있다.
(a) (b) (c)
Fig. 1 (a) Modeling of the IPS (b) Section view of the fuel rod part of IPS (c) Section view of instrumented fuel rods
따라서, 노르웨이, 일본 등에서는 원통형 다이 아몬드 전착드릴을 이용하여 Fig. 2 와 같은 드릴링 장치를 개발하여 핵연료 천공에 사용하고 있다.4-6
그러나, 이 장치는 가공 깊이에 따라 드릴 비트 를 교체해야 하는 불편함과, 선삭분 배출이 용이 하지 않음으로 인해 드릴 비트의 파손이 잦다. 따 라서, 균일하지 않은 다이아몬드 전착면으로 인 해, 천공되는 홀 크기의 편차가 심하여, 설계 사양
을 벗어나는 경우가 많고, 하나의 홀을 가공하는데, 8 ~ 16 시간이 소요되는 단점이 있다. 또한, 원통 형 드릴 팁 형상으로 인해, 천공된 소결체의 홀 입구 주변 크랙이 자주 발생하는데, 이러한 초기 균열을 포함한 소결체는 중성자 조사 시 핵분열 가스를 많이 방출하고, 구조적 건전성을 유지하지 못하므로, 원자로내 조사시험에 투입하지 못하게 된다.
Fig. 2 (a) Horizontal drilling machine for a fuel pellet (previous studies) (b) Diamond drill bit for small depth (c) Diamond drill bit for large depth
따라서, 저자는 Fig. 3 과 같이 트위스트형 다이 아몬드 코팅드릴을 이용한 홀 천공장치를 개발하 였다.7,8
본 연구에서는 개발된 드릴링 장치의 공정변수 들을 다양하게 조합하여 Al2O3 소결체에 대해 천공 실험을 진행하여, 장치의 최적 천공 공정조건을 구 하고, 하나의 드릴 비트로 천공할 수 있는 홀 개수 의 한계 실험을 진행하였다.
(a)
(b)
Fig. 3 (a) CVD diamond coated drill bit (b) Vertical drilling machine for a fuel pellet (current study)
2. 천공 조건 최적화
본 연구에서 사용되는 드릴링 장치는 핵연료 를 다루므로, 방사선 작업구역 내에서 운전하게 된다. 따라서, 로드셀 등의 센서를 비롯해 전자식 제어장치는 방사선에 의해 쉽게 오작동을 일으키 므로, 천공 깊이, 스핀들 회전속도 (Rotational speed, rpm), 이송속도 (Feed rate, mm/min), 스텝 피드 (Step feed, mm/step) 등의 기계적 제어만 수행하도 록 제작되었다. 특히, 천공 깊이는 천공장치의 성 능과 관계가 없으므로 10 mm 두께인 소재의 관 통 홀 가공을 위해 12 mm 로 고정하고, 최적화는 스핀들 회전속도, 이송속도, 스텝당 이송거리에 대해 수행한다. 각 공정변수의 기존 다이아몬드 전착드릴의 공정조건을 참고하여,6,9,10 Table 1 과 같이 정하였다.
Table 1 Range of process variables Process variables Range Rotational speed (rpm) 3000 ~ 18000
Feed rate (mm/min) 3 ~ 9 Step feed (mm) 0.03 ~ 0.15
2.1 가공 홀 크기 결정
열전대는 재질에 따라 K, N, J, E, T, C-type 등이 있으며, 원자력 분야에서는 중성자에 영향을 받지
않는 K-type 과 C-type 열전대를 주로 이용한다. 이 중 핵연료 중심부와 같은 1400 ℃ 내외의 높은 온 도를 측정하는 데에는 tungsten-rhenium 의 합금으로 제작된 C-type 열전대가 쓰인다. FTL 에서의 핵연료 조사시험에 사용되는 C-type 열전대는 Thermocoax 社 제품으로, 그 직경은 sheath 포함 ø1.2 mm 이므로, 조립 공차 및 조사시험 중 핵연료의 수축을 고려하 여 천공할 홀의 설계 사양을 ø1.40±0.05 mm 로 결정하였다.
2.2 이송속도와 스텝피드에 따른 천공 특성 먼저, 가용 범위내에서 다양한 이송속도와 스텝 피드에 대해 Al2O3 천공실험을 실시하였으며, Table 2 와 같은 결과를 얻었다.
Table 2 Drilling time at various feed rates and step feeds (rotational speed: 18000 rpm)
Feed rate
Step feed 3 mm/min 5 mm/min 7 mm/min 9 mm/min 0.03 mm 165 min. 163 min. 163 min. 162 min.
0.05 mm 101 min. 99 min. 99 min. 98 min.
0.07 mm 74 min. 72 min. 72 min. 71 min.
0.09 mm 58 min. 57 min. 56 min. 56 min.
0.11 mm 48 min. 47 min. 46 min. 46 min.
0.13 mm 42 min. 40 min. 40 min. 39 min.
0.15 mm X X 37 min. X
Table 2 에서 보이듯이 이송 속도는 천공시간에 큰 영향을 미치지 못한 반면, 스텝 피드가 커질수 록 천공시간은 급격히 감소하였다. 또한, 스텝 피 드가 0.14 mm 이상에서는 드릴비트에 과부하가 걸 려, 드릴비트 몸체가 파손되었다.
열전대를 핵연료봉 중심부에 계장하기 위해서 는 핵연료봉 한 개당 5 개의 핵연료 소결체를 천 공해야 한다. 핵연료의 천공은 습식으로 진행되 므로, 천공 후 3 시간이상 건조공정을 거치고, 핵 연료봉 조립 및 용접공정이 진행된다. 따라서, 5 개 의 핵연료를 하루 안에 천공하면, 동일한 환경하 에서 소결체를 천공하게 되고, 동일한 조건에서 건조공정을 거친 후, 핵연료봉 조립이 진행될 수 있는 장점이 있으므로, 하루 작업시간 8 시간 기 준으로 핵연료 소결체 하나당 96 분 이내에 천공 작업이 완료되어야 한다. 즉, Table 2 의 실험 결과
를 기준으로, 스텝 피드는 0.07 mm 이상이 되어야 한다.
또한, 각 이송속도 및 스텝 피드별 천공된 홀 의 직경은 Fig. 4 와 같다. Fig. 4 에서 나타난 바와 같이, 대부분의 천공된 홀 직경이 비슷하며, 이로 써, 천공 가능 영역 내에서는 이송속도와 스텝 피 드는 홀의 정밀도에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 4 Diameters of drilled holes at various feed rates and step feeds
2.3 회전속도에 따른 스텝 피드 한계 시험 다음으로, 드릴 비트의 가공한계를 확인하고, 스 핀들의 성능을 테스트하기 위하여, 스핀들의 회전속 도에 따른 스텝 피드의 한계 시험을 실시하였다. 이 송속도는 5 mm/min 으로 고정하고, 스핀들 회전속도 3000 rpm, 8000 rpm, 13000 rpm, 18000 rpm에서, 스텝 피드를 0.01 mm 씩 증가시키면서 드릴비트가 파손 될 때까지 실험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 5 의 그래프와 같다.
Fig. 5 Limit of step feed at various rotational speeds
Fig. 5의 그래프에서 보이는 바와 같이, 스핀들 의 회전속도가 8000 rpm 에서 13000 rpm 사이에서
스텝 피드 한계가 높게 나타났다. 특히, 3000 rpm 에 서는 스핀들 회전속도로 인해 드릴 팁에서의 절삭 력이 충분하지 않기 때문에, 낮은 스텝 피드에서 드릴 비트가 파손되는 문제가 있었다. 반면에, 18000 rpm 에서도 낮은 스텝 피드에서 드릴 비트가 파손되었는데, 이는 Fig. 6 의 드릴 가공부 사진에서 보는 바와 같이, 빠른 스핀들 회전으로 인해 냉각수 가 튕겨 나가면서, 드릴 가공부에 냉각수가 충분히 전달되지 않아, 드릴 팁과 소재간 마찰이 증가하면 서 드릴 비트가 파손에 이르게 한 것으로 판단된다.
(a)
(b)
(c)
Fig. 6 Scattering of coolant at each rotational speed (a) 8000 rpm (b) 13000 rpm (c) 18000 rpm
각각의 스핀들 회전속도에서 스텝 피드 변화에 따른 천공된 홀의 직경은 Fig. 7 과 같다. Fig. 7 의 직 경 측정 결과에서 보이듯이, 회전속도가 높을수록 천공된 홀 직경은 작아진다. 즉, 직경이 1.402 mm 인 드릴 팁에 대해 스핀들 회전속도가 증가할수록, 런
아웃 (Run out) 양이 줄어드는 것으로서, 특히, 스핀 들의 회전속도가 13000 rpm 이상에서 안정적인 성능을 보임을 알 수 있다.
Fig. 7 Diameters of drilled holes at various step feed and rotational speeds
이상의 실험 결과로부터, 본 장치의 천공 특성 을 정리해보면, 다음과 같다.
첫째, 스핀들의 회전속도를 고정했을 때, 이송속 도는 홀 천공 시간과 홀 정밀도에 거의 영향을 미 치지 않는다. 둘째, 핵연료봉 제작 연계과정의 편의 를 위해 하루에 5 개 이상의 핵연료 소결체를 가공 해야 하며, 이를 위해 핵연료 소결체 한 개당 천공 시간은 96 분 이내에 완료 되어야 하며, 실험 결 과, 스텝 피드를 0.07 mm 이상으로 설정해야 한 다. 셋째, 이송속도를 고정하였을 때, 스핀들 회전 속도 8000 rpm 과 13000 rpm 사이에서 높은 스텝 피드까지 드릴 비트의 파손 없이 천공이 가능하였 다. 반면에, 13000 rpm 이상에서 스핀들이 안정적인 성능을 보이면서 런아웃이 낮게 유지 되었다.
위의 결과로, 본 장치의 소결체에 대한 최적 천공 조건은 스핀들 회전속도 13000 rpm, 이송속도 5 mm/min, 스텝 피드 0.07 mm 로 설정하였다.
3. 소결체 천공 한계 실험
전절에서 결정된 최적 천공조건을 이용하여, 드 릴비트 한 개당 소결체 최대 천공 한계를 알아보기 위해 반복 천공 실험을 진행하였다.
천공 실험 결과는 Fig. 8 과 같으며, 8 번째 천공
실험 도중, 드릴링 가공부에서 소음이 일어나면서, 드릴 비트 몸통이 파손되어 Al2O3 소결체 안에 박혔다.
Fig. 8 Result of drilling alumina blocks with a drill bit
Al2O3 소결체의 홀 가공 회수가 증가함에 따른 드릴 팁의 마모 정도를 확인한 결과는 Fig. 9 와 같 다. 홀 가공 개수가 증가할수록, 드릴 비트의 립 (Lip)부터 마모가 시작되어 6 번째 홀 가공이 완료된 후에는 드릴의 립부분 전체에 심한 마모가 발견된 다. 이러한 마모가 심화되어 다이아몬드 코팅층이 벗겨지면, 드릴비트에 갑작스런 절삭하중이 인가 되어 파손에 이르게 되는 것으로 판단된다.
Fig. 9 Wear of drill tip according to the drilled holes
Fig. 10은 파손된 드릴 비트의 확대 사진이다.
사진에서 보듯이, 다이아몬드 코팅층이 벗겨져, 원소재인 텅스텐카바이드 (WC)가 드러났다. 그러나, 텅스텐카바이드도 경도가 높은 재료이므로, 마모 되지 않고, 드릴 비트 중 가장 약한 부위인 플루트
(a)
(b)
Fig. 10 (a) Brittle fracture at the neck of drill body (b) Wear at the lip of the broken drill bit
시작점에서 취성 파괴에 의한 파손이 발생하였다.
드릴 비트의 팁 가공 정밀도 및 다이아몬드 코 팅의 균일함에 따라 천공 가능한 홀 개수가 조금 씩 차이가 있지만, 적어도 드릴 비트의 립부분이 심한 마모를 일으키기 시작하는 6 개의 홀을 가공 한 이후부터는 드릴 팁의 마모 상태를 점검하면서 추가적인 가공을 진행할 지, 드릴 비트를 교체할 지 결정해야 한다.
천공된 홀의 직경은 Fig. 11 의 그래프와 같다.
Fig. 11 Diameter of each drilled hole with a drill bit
초기 드릴 팁 직경 ø1.402 mm 의 드릴 비트로 가 공되었으며, 직경의 평균은 ø1.413 mm, 표준편차 는 0.004 mm 이다. 최대 런아웃 양은 0.007 mm 로 서, 설계 사양인 1.400±0.05 mm 를 모두 만족한 다. 즉, 천공된 홀은 모두 정밀하게 가공되었음을 확인할 수 있다.
4. 결론
본 연구에서는, 핵연료 소결체의 원자로내 조 사시험 시, 핵연료 중심의 온도 측정을 위한 열전 대를 계장하기 위해 개발된 특수한 드릴링 장치에 대해, 최적 공정조건을 구하였다.
스핀들 회전속도, 이송 속도, 스텝 피드에 대해 다양한 조합으로 Al2O3 소결체를 대상으로 천공 실험을 진행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
첫째, 가공 가용 범위 내에서 이송 속도는 천공 시간 및 홀 정밀도에 거의 영향을 미치지 않는다.
둘째, 조사 핵연료봉 제조 공정간 연계의 편의 를 위해 5 개의 소결체를 하루에 가공하기 위해서 는 스텝 피드가 0.07 mm 이상이 되어야 한다.
셋째, 스핀들 회전속도 8000 rpm 과 13000 rpm 사이에서는 높은 스텝 피드에서도 안정적인 홀가 공이 가능하나, 스핀들은 13000 rpm 이상에서 좋은 성능을 보이며, 런아웃 양이 낮게 유지된다.
위의 결과로서 회전속도 13000 rpm, 스텝 피드 0.07 mm, 이송속도 5 mm/min 를 최적의 천공조건 으로 결정하고, 홀 가공 한계 실험을 진행한 결 과, 한 개의 드릴 비트로 최소 7 개의 홀이 가공 가능함을 확인하였다. 드릴 팁의 마모 추이를 확인 한 결과, 6 개의 홀 가공 이후, 다이아몬드 코팅층 의 마모가 심화되므로, 최소 6 개의 홀 가공이 완료 되면, 드릴 팁의 마모 정도를 반드시 확인하고, 드 릴 비트의 교체 여부를 판단해야 한다.
후 기
본 연구는 원자력연구개발사업에 의해 수행되 었습니다.
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