김호민*, 송화영, 정용진
BR2 연구로 핵연료 자격검증을 위한 핵연료 품질관리
* 한국원자력연구원 연구로핵연료개발부
Introduction- 한국원자력연구원의 원심분무 기술로 제조된 고밀도 LEU U3Si2 사용한다.
- 연구로 핵연료 품질보증시스템에 따라 품질관리를 적용한다.
- 기존 판형 핵연료 집합체와 달리 BR2 연구로핵연료집합체는 튜브 형태를 가진다.
■ BR2 연구로핵연료 자격검증을 위한 핵연료의 특성
■ 벨기에 BR2 핵연료 제조 공정
Result and Discussion
Conclusions
■ BR2용 핵연료판 품질검사 방법 선정
- 압분체 치수 검사 : 핵연료 분말을 압분하여 핵연료 심재가 되는 압분체의 길이, 폭, 두께를 측정하여 요건에 따라 합부 판정을 한다.
- Blistering/Bending 검사 : 압분체와 Al 부품을 조립 및 용접하여 열간압연을 통해 만들어진 판 내부의 불순물 포함여부와 판의 접합성을 검사한다. Blister는 육안검사를 통해 확인하고, Bending 검사는 지그를 이용하여 시편을 좌우로 휘어보면서 접합성 여부를 확인한다.
- 심재 크기 검사 : 핵연료 심재의 크기가 요건에 만족하는지 X-ray 장비를 활용하여 검사한다.
- Non-bond 검사 : UT 장비를 활용하여 판 내부에 불순물이 포함되어 있지 않은지 검사한다.
[UT 장비를 활용한 Non-bond 검사 결과 사진]
- 심재 위치 검사 : 핵연료 심재의 위치가 요건에 맞게 위치하는지 X-ray 검사장비를 활용하여 요건에 부합하는지 검사한다.
- 심재 내 우라늄 균질도 검사 : 심재 내 우라늄의 밀도가 요건 에 맞게 균질하게 분포되어 있는지 X-ray 장비를 활용하여 검 사한다. Step wedge를 대조시편으로 함께 촬영하여 측정된 Gray Level 값을 Step Wedge를 통해 구한 기준값과 비교하여 기준에 부합하는지 검사한다.
[X-Ray 촬영을 통한 균질도 측정 결과 사진] [Step Wedge와 판의
Gray level 추세선그래프]
- 피복재 및 심재 두께 검사 : 제조한 핵 연료판 중에서 Production Lot 당 1장의 핵연료 판을 절단 후 시편을 채취하여 광학현미경 또는 전자현미경을 이용하여 두께를 측정한다.
■ BR2 연구로 핵연료 자격검증 핵연료판 압분체 제조 시, 분석된 불량원인 해결을 위해 제조방법을 개선하고 제조절차서에 반영이 필요함.
■ 연구결과, 보수적인 현재의 검사방법 개선을 통해 품질 불량률을 감소 할 여지가 있다는 것을 확인함.
■ 추후, 튜브 형상의 BR2 핵연료 집합체 제조를 위해 판의 곡면형 판 제조기술과 검사방법 개발이 필요함.
■ 핵연료 판 검사결과 및 분석
■ BR2 핵연료 판과 집합체 형상
U, Al 원료 용해 주조
열처리 조성 검사
파쇄 압분
조립/용접
열간압연
냉간압연 판 구멍 가공
판 최종가공
집합체 조립 세척
원 심 분 무 대 체
ID Marking
■ 핵연료 품질관리
핵연료 품질관리 업무는 원자재 및 부품 검사를 시작으로 공정 검사를 거쳐 연구용원자로 연료제조 품질보증계획서 및 품질보증절차서에 따라 품질보증이력서 작성까지 핵연료 제조 공정 전반에 걸쳐 수행한다.
품질관리 3요소
- 첫째, 절차에 따라 승인된 문서를 사용한다.
- 둘째, 검교정된 장비를 사용한다.
- 셋째, 절차에 따라 품질검사원 자격을 부여 받은 인원이 품질관리 업무를 수행한다.
- 본 연구에서는 BR2 연구로 핵연료 자격검증용 판의 제조 공정 중 품질검사 방법을 선정하고 핵연료 판 에 대한 검사 결과를 분석하였다.
- 검사 결과, 심재크기 및 위치 검사와 균질도 검사에서 불량률이 높게 나왔다. 심재 크기 및 위치 불량 원인은 제조 기술적, 방벙적 원인이 아닌 제조 특성상 발생할 수 있는 작업자의 숙련도 미숙으로 판단되 어 모의핵연료 판 제조 연습을 통해 불량률 감소가 가능할 것이다.
- 균질도 불량의 경우, Al과 U의 큰 밀도 차로 인해 작업자의 컨디션과 기량에 따라 압분체의 품질에 큰 영 향을 미치는 것을 확인하였다. 작업자 숙련도의 영향을 적게 받을 수 있도록 압분체 제조 시 제조 방법 개선이 필요하다고 분석하였다.
균질도 불량은 Gray Level 관련 과도하게 보수적 기준을 적용하고 있는 균질도 검사방법과도 연관성이 높았다. 합격 기준에 적합한 검사방법을 적용하는 것은 품질관리의 기본 원칙이자 품질검사의 목적이므 로, 균질도 검사방법 개선이 필요하다.
[벨기에 BR2 핵연료 자격검증 판]
Fuel plate specification (dimension) [mm] : 970(L)×616(W)×1.33(T)
사람
장비 문서 품질관리
[벨기에 BR2 연구로 및 핵연료]
- Stray Particle 검사 : 핵연료판 외 심재 외부의 핵연료 물질 또는 이물질 유무를 X-ray 검사장비로 판을 촬영하여 흰색 점이나 얼 룩 등의 크기와 위치를 측정하여 기준에 따라 합부 판정한다.
- 핵연료판 기공도 검사 : 핵연료판 내부에 기공이 없는지 밀도 측정기를 활용하여 검사한다.
- 핵연료판 최종 치수 및 무게 검사 : 검교정된 버니어캘리퍼스와 저울을 활용하여 핵연료판의 최종 치수와 무게를 측정하고
요건에 부합하는지 검사한다. [Stray Particle X-ray 촬영사진]
- 핵연료판 표면 검사 : 핵연료판 표면에 오염물질이나 손상이 없는지 검사한다.
※ 모든 검사가 합격된 판만이 집합체 조립에 사용된다.
