[Received: October 5, 2015, Revised: November 8, 2015, Accepted: November 9, 2015] *한수원중앙연구원, **월성1 발전소 기계팀, ***조선대학교 실시간 IT-NDT 연구센터, ✝Corresponding Author: Korea Hydro & Nuclear Power Central Research Institute, Daejeon, 34101, Korea (E-mail: [email protected])
ⓒ 2016, Korean Society for Nondestructive Testing
중수로 연료관 검사시스템 개발
Development of Fuel Channel Inspection System in PHWR
최성남*✝, 양승옥*, 김광일**, 이희종***
Sung-Nam Choi*✝, Seung-Ok Yang*, Kwang-Il Kim** and Hee-Jong Lee***
초 록 가압중수로는 운전중 연료교체가 가능하도록 설계된 연료관에서 핵분열을 유도하여 에너지를 얻는 다. 연료관은 핵연료와 직접 접촉하며 원자로 냉각재의 통로인 압력관, 주위 감속재와 접촉하며 원자로에 확 관된 원자로관, 이것을 양쪽에서 지지하는 엔드피팅과 압력관과 원자로관의 접촉을 방지하기 위한 스페이서 등으로 구성되어 있다. 연료관은 가장 안전성이 요구되는 설비이므로, 캐나다 기술기준 CSA N 285.4에 따라 주기적이고 철저한 가동중검사를 수행하여 건전성을 확인한다. 월성 중수로 연료관의 가동중검사를 수행하기 위해 연료관 검사시스템을 개발하였다. 본 논문은 월성 연료관 현장시험 결과를 검토하고, 개발된 연료관 검 사시스템의 유효성을 확인하였다.
주요용어: 가압중수로, 연료관, 압력관, 원자로관, 가동중검사
Abstract A pressurized heavy water reactor (PHWR) designed to refuel in service produces the energy required by nuclear fission. The fuel channel consists of components such as a pressure tube which directly contacts the fuel and is a passage for the reactor coolant, a calandria tube which contacts the moderator and is rolled joint with calandria, and a spacer which is not to contact the pressure tube and a calandria tube. As the fuel channel is one of the most important equipments, it requires accurate and periodic inspections to assess the integrity of a reactor in accordance with CSA N285.4. A fuel channel inspection system is developed to inspect fuel channels during in-service inspection in Wolsong unit. In this paper, the results and considerations of a field test are presented in order to show the effectiveness of the developed fuel channel inspection system.
Keywords: Pressurized Heavy Water Reactor, Fuel Channel, Pressure Tube, Calandria Tube, In-Service Inspection
1. 서 론
원자력발전소의 안전성 확보는 지속적인 원전 사업과 국가 산업발전의 원동력일 뿐만 아니라 원자력발전에 대한 대국민 신뢰성 확보에 필수적 인 사항이다. 원자력발전소의 사고는 방사성 물 질의 누출로 인하여 국민의 건강과 환경에 피해 를 줄 수 있기 때문에 원자력법령에 따라 원자로 냉각재 계통을 구성하는 원자로, 증기발생기, 가 압기, 배관 등과 같은 주요기기는 장기가동중검 사계획서에 따라 매 계획예방정비기간 중 가동중 검사[1] 및 시험을 수행하여 건전성을 확인하고
이상이 없는 경우 발전소를 재가동한다.
가압경수로 원전은 원자로 압력용기 내에서 핵 분열을 유도하여 필요한 에너지를 얻지만, 가압 중수로 원전은 운전중에 교체가 가능하도록 설계 된 연료관(fuel channel)에서 핵분열을 유도하여 필요한 에너지를 얻는다. 연료관은 핵연료 집합 체와 직접 접촉하며 냉각재의 통로로 사용되고 있는 압력관(pressure tube), 주위 감속재와 접촉하 며 원자로(calandria)에 확관되어 설치된 원자로관 (calandria tube), 이것을 양쪽에서 지지하는 엔드 피팅(end fitting) 및 벨로우즈(bellows), 압력관과 원자로관의 접촉을 막아 냉각재와 감속재의 열전
1. channel closure 10. calandria tube 2. closure seal insert 11. calandria tubesheet 3. feeder coupling 12. inboard bearings 4. liner tube 13. shielding plug
5. end fitting body 14. endshield shielding balls 6. outboard bearings 15. endshield lattice tube 7. annulus spacer 16. positioning assemble 8. fuel bundle 17. channel annulus bellows 9. pressure tube 18. fuelling tubesheet
Fig. 1 Fuel channel of PHWR
달을 방지하기 위한 스페이서(spacer) 등으로 Fig.
1과 같이 구성되어 있다. 특히, 압력관은 평균 길 이 6.3 m, 직경 103.4 mm, 관 두께 4.19 mm, 무 게 61.4 kg이며, 재질은 Zr-2.5% Nb(niobium) 합 금으로 316℃에서 설계압력이 10.9 MPa이고[2], 핵연료와 직접 접촉하고 높은 압력과 온도에서 방사선을 직접 조사받는 원자로 설비이므로 가장 안전성이 요구된다. 따라서 연료관은 캐나다 기 술기준 CSA (Canada Standard Association)-N285.4,
“Periodic inspection of CANDU (Canada deuterium uranium) nuclear power plant components” 에 따라 압력관의 체적검사, 두께, 직경, 길이, 처짐 및 원 자로관과 압력관의 간격을 측정하여 주기적인 건 전성을 확인한다.
국내 중수로 원전은 2001년도 캐나다 AECL (Atomic Energy of Canada Limited)로부터 연료관 검 사시스템 AFCIS (advanced fuel channel inspection system)를 도입[3]하여 연료관 검사를 수행하고 있으나, 도입 장비의 노후화 대비 및 국내 연료 관 검사 기술지원체계 구축을 위해 연료관 검사 시스템을 개발하였다.
본 연구는 중수로 연료관 검사시스템 하드웨어 및 소프트웨어를 개발하고 통합시험 및 현장시험 으로 연료관 검사 결과를 검토함으로써 개발된 시스템의 유효성을 확인하였다.
2. 중수로 연료관 가동중검사 2.1. 연료관 가동중검사 요건
중수로 연료관 가동중검사는 캐나다 기술기준 CSA-N285.4에 따라 다음과 같이 압력관 체적 및 치수검사를 수행하여 건전성을 확인한다.
• 압연부(rolled joint region)를 포함한 전 압력 관 체적검사(volumetric inspection)
• 압력관과 원자로관의 간격(gap)
• 압력관 내경 및 두께
• 압력관의 처짐(sag)
• 연료관의 베어링 위치
2.2. 연료관 가동중검사 절차 2.2.1. 연료관 검사 준비
연료관 검사를 수행하기 전에 다음사항을 확인 한다.
• 원자로 보증정지 상태
• 연료관 연료 및 차폐마개 제거
• 비파괴검사 장비 교정
• 비파괴검사자 자격 인증
• 연료관 검사시스템 운영 및 점검
2.2.2. 연료관 클램핑(Clamping)
연료관 검사헤드 이송장비와 검사헤드를 연결 하고, 연료관의 마개를 제거하여 검사헤드가 연 료관 내부로 진입할 수 있는 상태이다.
2.2.3. 초기 교정
연료관 검사헤드의 축방향 및 원주방향 위치를 교정하고, 검사헤드의 초음파 탐촉자, 와전류 탐 촉자 및 LVDT (linear variable differential trans- former)를 교정시험편을 사용하여 교정한다.
2.2.4. 연료관 1차 진입검사
연료관에 검사헤드를 진입하면서 LVDT로 압 력관의 길이를 측정한다.
Fig. 2 Configuration of fuel channel inspection system 2.2.5. 연료관 1차 인출검사
연료관에 검사헤드를 인출 및 회전하면서 초음 파 및 와전류 탐촉자로 압력관의 체적검사와 LVDT로 내경을 측정한다.
2.2.6. 중간교정
연료관 1차 검사시 수행한 길이, 내경 및 체적 검사에서 사용된 탐촉자를 교정시험편에서 교정 상태 변화여부를 확인하고, 2차 검사시 수행되는 처짐과 간격측정을 위한 탐촉자 교정을 수행한다. 2.2.7. 연료관 2차 진입검사
압력관 상하부의 처짐을 측정하고, 압력관과 원 자로관의 90도 방향 간격 와전류신호를 취득한다.
2.2.8. 연료관 2차 인출검사
압력관 상하부의 처짐을 재측정하고, 압력관과 원자로관의 270도 방향 간격 와전류신호를 취득 한다.
2.2.9. 연료관 3차 진입검사
압력관과 원자로관의 180도 방향 간격 와전류 신호를 취득한다.
2.2.10. 연료관 3차 인출검사
연료관 축방향 220 mm 간격으로 압력관과 원 자로관의 360도 원주방향 와전류신호를 취득한다.
2.2.11. 최종교정
연료관 2차 및 3차검사시 수행한 처짐과 간격 의 탐촉자를 교정시험편에서 교정상태 변화여부 를 확인한다.
2.2.12. 검사결과 분석
연료관 검사데이터 품질과 교정상태를 분석하 고, 필요시 재검사 여부를 결정한다.
2.2.13. 재검사
연료관 체적검사 결과 지시가 검출되면, 지시 부위에 대해 재검사를 수행하여 정확한 지시의 크기를 확인하며, 필요시 결함을 복제한다.
2.2.14. 연료관 검사데이터 백업
연료관 검사데이터는 품질보증기록으로 관리하 며, 물리적으로 구분된 저장장치에 백업한다.
2.2.15. 연료관 언클램핑(Unclamping)
연료관 검사가 완료되면, 연료관과 검사시스템 을 분리하고, 연료관 마개를 재설치하여 냉각재 의 압력경계를 유지한다.
3. 연료관 검사시스템(Channel Inspection Management System) 개발
3.1. 연료관 검사시스템 구성 및 기능
중수로 연료관 검사시스템은 검사헤드, 검사헤 드 이송장비(HDM: head delivery machine) 현장제 어반, 초음파검사(UT) 모듈, 와전류검사(ET) 모듈 및 통합감시제어 모듈 등으로 다음 Fig. 2와 같 이 구성된다.
연료관 검사헤드는 압력관의 체적검사와 치수 검사를 위한 탐촉자가 설치되어 있다.
검사헤드 이송장비 및 현장제어반은 검사헤드 를 연료관 내부로 이송 제어하는 하드웨어 및 제 어모듈이다.
Fig. 3 Development of channel inspection & meas- urement system (CIMS)
Fig. 4 Software for CIMS-UT
Fig. 5 Software for CIMS-ET 초음파검사 및 와전류검사 모듈은 압력관의 체
적검사를 위한 비파괴검사 장비이며, 통합감시제 어 모듈은 연료관의 치수검사 및 검사헤드 이송 장비를 제어하고 검사결과의 데이터베이스 처리 를 수행한다[4].
3.2. 연료관 검사시스템(CIMS) 개발
중수로 연료관 검사를 위해 검사헤드, 현장제 어반, 초음파검사 모듈, 와전류검사 모듈, 통합감 시제어 모듈 및 데이터서버 등으로 구성된 연료 관 검사시스템(CIMS)을 다음 Fig. 3과 같이 개발 하였다[5].
3.2.1. 연료관 검사헤드
검사헤드는 압력관의 비파괴 및 치수검사를 위 한 주검사헤드와 결함 탁본을 위한 보조검사헤드 로 구분되며, 주검사헤드는 다음과 같은 기능을 수행한다.
• 체적결함 탐지 및 특성화
• 압력관/원자로관의 간격 및 처짐 측정
• 압력관 내경/두께/길이 측정
• 압력관 내면의 형상화(profiling)
보조검사헤드는 주검사헤드로 발견된 압력관의 지시를 더욱 자세히 특성화하고, 결함 선단의 곡 률을 확인하여 연료관 가동 적합성 평가를 수행 하는데 활용된다. 보조검사헤드는 다음과 같은 기능을 수행한다.
• 압력관 표면결함의 탁본(replication)
• 압력관 내면의 비디오 육안검사
3.2.2. 초음파검사 모듈(CIMS-UT)
초음파검사 모듈은 주검사헤드에 설치된 7개 초 음파 탐촉자로부터 초음파신호를 송수신하여 압력 관의 결함탐지, 두께 및 표면형상을 측정 한다.
초음파검사 모듈은 다채널 펄서/리시버, 아날로 그-디지털변환기, 신호처리 하드웨어 및 소프트 웨어로 구성되며, 성능기준, 상세설계, 시제품 제 작 및 개선사항을 반영하였으며, Fig. 4는 초음파 탐촉자로부터 수신된 초음파검사 모듈의 사용자 인터페이스 화면이다.
3.2.3. 와전류검사 모듈(CIMS-ET)
와전류검사 모듈은 주검사헤드에 설치된 4개 와전류 탐촉자로부터 압력관의 표면결함 탐지 및 압력관과 원자로관의 간격측정을 위해 와전류신 호를 송수신한다.
와전류검사 모듈은 와전류신호의 여기, 수신, 아날로그-디지털변환기, 신호처리 하드웨어 및 소프트웨어로 구성되며, 성능기준, 상세설계, 시 제품 제작 및 개선사항을 반영하였으며, Fig. 5는 와전류탐촉자로부터 수신된 와전류검사 모듈의 사용자 인터페이스 화면이다.
Fig. 6 Software for ICADA
Fig. 7 Configuration of ICADA and data flow
Fig. 8 ET probes for volumetric inspection
Fig. 9 Main view of WIES 3.2.4. 현장제어반(Local Control Panel)
현장제어반은 검사헤드 이송장비의 축방향 및 원주방향 위치제어 및 상태감시 등의 기능을 수 행하는 제어장치이다. 또한, 검사헤드 이송장비의 수평을 조절하는 기능도 수행한다.
3.2.5. 통합감시제어 모듈(Integrated Control and Data Acquisition)
통합감시제어 모듈은 검사헤드를 제어하고, 검 사헤드의 위치와 상태 정보를 초음파검사 및 와 전류검사 모듈에 제공하며, 실시간 검사데이터를 서버에 저장하고, 검사결과를 분석을 위한 통합 감시제어 기능을 수행하며, Fig. 6은 통합감시 제 어모듈의 사용자 인터페이스 화면이다.
통합감시제어 모듈은 메인컴퓨터가 고장 또는 비정상 상태가 되면, 별도의 하드웨어 변경 없이 신속하게 모든 기능을 대체할 수 있도록 이중화 하였으며, Fig. 7은 연료관 검사시스템을 구성하 는 장비의 데이터 흐름도를 나타내고 있다.
3.2.6. 연료관 와전류 탐촉자
연료관의 체적결함 탐지 및 간격측정을 위한 와전류검사 탐촉자를 개발하였다[6].
체적결함 와전류 탐촉자는 차동형 팬케익 코일 을 사용하여 표면 근처의 작은 결함에도 매우 민 감하고, 결함신호가 리프트 옵(lift-off) 신호에 대 해 수직하도록 개발하였으며, Fig. 8은 체적결함 와전류탐촉자 시제품이다.
간격측정 와전류 탐촉자는 송수신형(transmit- receive)이며 임피던스 진폭과 위상 신호데이터를 취득한다.
3.2.7. 연료관 가동 적합성 평가 연계모듈 (Wolsong Integrity Evaluation System)
중수로 연료관 검사시 발견된 지시의 신속한 가동 적합성(fitness for service) 평가 및 후속조치 결정을 위해 가동 적합성 평가프로그램과 데이터 서버를 연계하였다. 캐나다 기술기준 CSA N285.8-10 "Technical requirements for in-service evaluation of zirconium alloy pressure tubes in
Fig. 10 Head delivery machine and mock-up
Fig. 11 Clamping on fuel channel
Fig. 12 Installation of CIMS in reactor building CANDU reactors"[7]의 연료관 결함평가, 압력관/
원자로관 접촉평가 및 연료관 파단전 누설에 대 한 건전성평가를 수행하며, 연료관 재료물성, 응 력데이터, 결함정보 및 가동 적합성 평가결과보 고서 등을 관리한다[8]. Fig. 9는 연료관 가동적합 성평가 프로그램의 초기화면이다.
3.3. 연료관 검사시스템 단위 및 통합시험
연료관 검사시스템의 모듈별 단위시험 및 통합 시험을 수행하였다.
3.3.1. 연료관 검사시스템 단위시험
연료관 검사시스템을 구성하는 모듈에 대한 단 위시험의 명확한 단위시험 기준과 절차를 수립하 고 수행지침에 따라 시험을 수행하였다.
월성 중수로 발전소의 연료관 목업장에서 개발 된 연료관 검사시스템(CIMS)의 통합시험을 수행 하였다. Fig. 10은 목업장에 설치된 검사헤드 이 송장비이다.
3.3.2. 연료관 검사시스템 통합시험
통합시험은 연료관 검사절차서에 따라 체적검 사 및 치수검사를 수행하였으며, 시험중 비파괴 검사 모듈의 신호잡음, 검사헤드 이송장비 제어 및 검사헤드 탐촉자의 신호이상 등과 같은 개선 사항을 확인하고 반영하였다.
4. 연료관 검사시스템(CIMS) 현장시험
월성 중수로 4호기의 계획예방정비기간동안 2 개 연료관을 대상으로 개발된 연료관 검사시스템 (CIMS)을 활용하여 연료관검사를 수행하였다.
월성 연료관검사를 위해 검사헤드 이송장비는 Fig. 11과 같이 설치되었으며, 연료관검사 장비는 원자로건물 내부에 Fig. 12와 같이 설치되었다.
4.1. 연료관 O14 채널 현장시험
연료관 가동중검사 절차에 따라 검사대상 연료 관에 검사헤드 이송장비를 연결하고 검사 전후에
연료관 교정시험편으로 교정 및 연료관 검사시스 템의 유효성을 확인한다.
연료관 교정시험편은 다양한 형태 및 크기의 노치가 가공되어 있으며, 비파괴검사를 수행하여 다음 Fig. 13과 Fig. 14와 같이 검사 전후에 교정 시험편의 노치 지시의 위치 및 감도를 확인하여 교정상태를 확인하였다.
연료관의 길이, 내경, 처짐 및 간격측정을 위한 교정시험편의 교정상태가 모두 정상임을 확인하 였으며, 연료관 O14의 길이, 내경 및 처짐검사 결과는 Fig. 15, Fig. 16 및 Fig. 17과 같다.
Fig. 16 Diameter of fuel channel O14
Fig. 17 Sag of fuel channel O14
Fig. 18 Comparison of length measurement Fig. 13 UT data of calibration tube
Fig. 14 ET data of calibration tube
Fig. 15 Length of fuel channel O14 4.2 현장시험 결과 고찰
월성4호기 계획예방정비기간중 개발된 연료관 검사시스템(CIMS)을 활용하여 2개 연료관을 대 상으로 현장시험을 수행하였다.
연료관 가동중검사 범위인 압력관 체적검사, 길이, 내경, 두께, 처짐 및 간격을 측정하여 검사 데이터를 확보하였으며, 검사전후 교정시험편으 로 검사결과의 유효성 확인하였다. 또한, 월성4호 기 계획예방정비기간중 연료관 검사시스템 (AFCIS)을 활용하여 10개 연료관 검사가 수행되 었으며[9], 이 중 O14 검사결과와 비교 검토한 결과, 개발된 연료관 검사시스템(CIMS)의 초음파 검사 결과는 AFCIS에서 발견된 작은 지시 (0.15 mm 이하)는 확인되지 않았으나, 이보다 큰
지시는 동일한 위치에서 확인되었다. 따라서, 압 력관의 작은 지시도 확인할 수 있는 초음파검사 의 주사 간격, 초음파검사 장비의 감도 개선 및 초음파 탐촉자의 초점거리 조정 등을 반영한 초 음파검사 모듈의 성능검증이 요구되었다.
개발된 연료관 검사시스템(CIMS)의 치수검사 는 LVDT의 오프셋 범위 내에서 AFCIS 검사시스 템 검사결과와 일치함을 확인하였다.
5. 결 론
중수로 연료관은 발전소 운영기간동안 주기적 인 가동중검사를 수행하여 건전성의 확인이 요구 된다. 국내 중수로 원전은 연료관 검사시스템
(AFCIS)을 도입하여 운영하고 있으나, 장비 노후 화 대비 및 국내 연료관검사 기술지원체계 구축 을 위해 연료관 검사시스템(CIMS)을 개발하였으 며, 월성 4호기 계획예방정비기간중 2개 연료관 을 대상으로 현장시험을 수행하였다.
연료관 검사시스템(CIMS)은 연료관 가동중검 사 요건을 만족하도록 H/W 및 S/W를 개발하고, 단위 및 통합시험을 수행하였으며, 월성 4호기 계획예방정비기간중 2개 연료관을 대상으로 현장 시험을 수행하였다.
연료관 검사시스템(CIMS)은 교정시험편 및 현 장 연료관의 검사데이터 취득 및 평가를 수행하 여 개발 시스템의 유효성을 확인하였다. 기존 연 료관 검사시스템 (AFCIS)의 검사결과와 비교 검 토한 결과 초음파검사 결과는 추가적인 성능검증 이 요구되었으며, 치수검사는 탐촉자의 오프셋 범위 내에서 일치함을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 중수로 연료관 가동중검 사를 위한 연료관 검사시스템(CIMS)을 개발하여 유효성을 확인하였으며, 국내 중수로 연료관의 검사, 정비 및 검사자 교육의 기반을 구축하였다.
향후, 연료관 검사시스템의 현장 적용을 위해 객관적인 성능검증을 수행할 예정이다.
References
[1] CSA Code, "Periodic inspection of CANDU nuclear power plant components," N285.4-09 (2009)
[2] AECL, "Design report fuel channel stress analysis Wolsong-234 NPP," 86-31100-SR-001 (1996)
[3] KHNP, "Report on AECL education/training for AFCIS in Canada," Oversea Education Report, KEOCO (2001)
[4] KHNP-CRI, "Development of base technology for fuel channel inspection system in CANDU reactors," Final Research Report, TR-E10NJ11, 2011. 7
[5] KHNP-CRI, "Development of fuel channel inspection system in CANDU," Final Research Report, TR-E11TX09, 2014. 10
[6] H. J. Lee, S. N. Choi, C. H. Cho, H. J. Yoo and G. Y. Moon, "Nondestructive examination of PHWR pressure tube using eddy current technique," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 34, No. 3, pp.
254-259 (2014)
[7] CSA Code, "Technical requirements for in- service evaluation of zirconium alloy pressure tubes in CANDU reactors," N285.8-05 (2005) [8] KHNP-CRI, "Development of the in-service
evaluation system for pressure tubes in CANDU reactors," Final Research Report, A06NT01, 12 (2009)
[9] CNL, "Fuel channel periodic inspection:
Wolsong-4, 2015 August- Preliminary Report,"
153-31100-PIP-015, Rev. 0 (2015)
