1. 서 론
원자력을 이용한 상업용 전력생산 기술은 대규모 지진사고나 큰 자연재해가 발생했을 때, 국가적인 위 기상황을 만들어 낼 수 있는 큰 위험성을 내포하고 있기 때문에, 공학설계의 관점에서 최대한의 안전성 을 확보할 수 있도록 개발되고 발전되어야 한다.(1,2) 핵연료가 원자로 노심에 장전되고 상업적인 목적으
로 활용되기 위해서는 법과 인허가 지침에서 규정하 는 여러 가지 구조 건전성 및 안전성에 관한 요건을 만족해야 한다. 또한 필요에 따라 핵연료의 설계특 성을 해석적인 방법으로 평가하여 그 안전성을 보여 야 하는데, 이를 위해 다수의 대규모 기계구조적인 특성시험을 필요로 한다.(3) 이러한 목적에 부합되도 록 원자력 연구원은 실물크기 핵연료 집합체 시료 두 다발을 대상으로 하는 핵연료 집합체 구조특성 시험시설을 새롭게 구축하였다.
본 논문은 국내 원자력 산업 발전과 압력기기 공 학분야의 응용기술 개발에 기여하고자, 새롭게 구축 된 핵연료 집합체 기계적 특성시험 시설을 소개하
핵연료집합체 기계적특성 시험시설 구축과 기능시험
이강희†･강흥석*･윤경호*･양재호*
Construction and Functional Tests of Fuel Assembly Mechanical Characterization Test Facility
Kang-Hee Lee†, Heung-Seok Kang*, Kyung-Ho Yoon and Jae-Ho Yang* (Received 15 April 2016, Revised 16 May 2016, Accepted 19 May 2016)
ABSTRACT
Fuel assembly's mechanical characterization test facility (FAMeCT) in KAERI was constructed with upgraded functional features such as increased loading capacity, underwater vibration testing and severe earthquake simulation for extended fuel design guideline. This facility is designed and developed to provide out-pile fuel data for accident analysis model and fuel licensing. Functional tests of FAMeCT were performed to confirm functionality, structural integrity, and validity of newly-built fuel assembly mechanical test facility. Test program includes signal check of data acquisition system, load delivering capacity using real-sized fuel assemblies and a standard loading cylindrical rigid specimen. Fuel assembly's lateral bending test was carried out up to 30 mm of pull-out displacement. Limit case axial compression loading test up to 33 kN was performed to check structural integrity of UCPS (Upper Core Plate Simulator) support frame. Test results show that all test equipment and measurement system have acceptable range of alignment, signal to noise ratio, load carrying capacity limit without loss of integrity. This paper introduces newly constructed fuel assembly's mechanical test facility and summarizes results of functional test for the mechanical test equipment and data acquisition system.
Key Words : LWR Fuel Assembly(경수로형 핵연료집합체), Mechanical Characterization Test Facility(기계적특성 시험시설), Functional Test(기능시험), Fuel Licensing(핵연료인허가), Advanced Features(개선된 기능 사항)
†
*
정회원, 한국원자력연구원
[email protected], [email protected] Tel: (042)868-2298 Fax: (042)863-0565 한국원자력연구원 경수로핵연료기술부
고, 구축 과정에서 수행했던 여러 가지 기능시험 결 과에 관하여 기술하고자 한다.
2. 시험시설 구축
핵연료 집합체 기계적 특성 시험시설은 가로 12 m, 세로 10 m, 높이 20 m(깊이 2.7m)의 규모의 3층 건 물로 원자력연구원 내 원격장치 시험동 부지에 신규 건축되었다.(4) 시험동 내부에는 Fig. 1과 같이, 기계 시험부, 동적하중 및 지진 모사시험장치, 시료거치 대, 소형 수력진동 시험루프, 부품단위 기계시험부 등의 영역으로 나누어 활용될 계획이다. 기계 시험 부는 순수 국내 기술로 제작되었고, 설치 검사 후 실 물 핵연료 시료를 이용한 기능시험을 수행하였다.
기계 시험부는 T 슬롯을 갖는 수직 베드와 하부의 수평베드, 원자로 상부의 핵연료 고정조건을 모사하 는 UCPS (Upper core plate simulator) 구동부/이송부와 시료가 설치되는 하부 원자로 모사 장치(하부노심 모사지지판) 등으로 구성된다. 기계 시험부의 수직 및 수평 베드는 전체 시험의 기준이 되는 면과 기준 선을 제공하므로, 설치 과정 중 수직 및 수평방향
Fig. 1 Newly Constructed Fuel Assembly Mechanical Characterization Test Facility in KAERI
축정렬 상태가 엄격한 요구조건으로 측정, 설치, 유 지되었다. UCPS는 크게 4.5 m 길이의 상용 핵연료 및 미래형 핵연료 시료, 그리고 절반 정도의 크기인 중소형 원자로형 핵연료를 수용할 수 있도록 수직베 드에서 위치 이동이 가능하며, 모터 구동부에 의해 서 상하 방향으로 100 mm까지 위치이동 부하할 수 있다.
또한 한계 하중까지 축방향 누름하중을 인가하더 라도 UCPS의 지지부에 구조적인 변형이 발생되지 않도록 리니어가이드 (linear guide)에 견고하게 고정 하였다. 기계 시험부는 다수의 가중기(혹은 가진기) 와 계측기를 수직베드에 횡방향으로 설치할 수 있도 록 여러 종류의 블라켙을 구비하고 있다. Table 1은 핵연료 집합체 기계적 특성 시험시설에서 수행할 수 있는 시험의 종류와 범위를 정리한 것이다. Fig. 2는 기계시험부에 설치된 전장부의 계측신호 전달계통 에 대한 개략도이다. 전장부는 계측센서로부터 측정 된 시료의 물리적 응답에 비례하는 전압신호를 신호 증폭기와 A/D변환기를 거쳐 데이터 획득 장치로 전 달하여 저장하는 전체 측정 계통을 말한다. 기계시 험부에서 이용되는 계측 센서는 변형율 게이지, 선 형 변위계, 하중센서, 레이져 변위센서, 압전형 가속도 센서이며, 이들은 모두 기계시험부의 기둥 측면에
Fig. 2 FAMeCT Instrumentations and Signal Measurement Diagram
설치된 신호선 연결함(총 210체널)을 통해서, 제어실 의 데이터 획득 장치함으로 연결된 계통을 공유하지 만, 시료의 횡방향 변위를 측정하는 레이져 변위계 와 가속도 센서는 별도의 증폭/변환/데이터 저장 시 스템으로 구성하였다. 특별히, 진동특성 시험은 선형 변위 측정계 LVDT (Linear Variable Displacement Transducer)와 데이터 측정시스템이 갖는 최대 주파 수의 한계성을 개선하는 관점에서 별도의 동적시험 전용 DAS (Data Acquisition System)시스템을 구성하 여 해당시험에 적용하였다.
기계 시험부 베드의 설치과정에서는 수평/수직 정 렬상태를 엄밀하게 확인하였고, 상부 UCPS를 설치 할 때 하부노심 모사 지지판의 위치선정을 위한 축 중심 정렬작업을 수행하였다. 또한, 모든 전장부 계 측 체널의 신호 확인 작업을 수행하였고, 신호 연장 선의 길이 확장에 따른 잡음 (noise)은 없음을 확인 하였다.
3. 기능시험
3.1 한 다발 핵연료 시료 횡방향 굽힘시험 본 시험은 한다발 시료의 설치, 상부 UCPS의 구 동, 횡방향 가중기의 구동, 센서 및 가중기 설치 지 그의 설치기능을 확인하기 위한 목적으로 수행되었 다. 시험은 원자로의 핵연료 장전 조건으로 시료를 축방향으로 누른 상태에서 가중기를 이용하여 횡방 향으로 30 mm까지 시료를 변형시켜, 시료의 각 높 이에 따른 변위와 축방향/횡방향으로 가중된 힘의 변화를 확인하는 방식으로 수행되었다. 한 다발 핵 연료 시료를 시험장치 하부노심 모사지지판 위치에 안착시킨 후, 시료의 자유직립에 대한 기능성을 1차 적으로 확인하였다. Fig. 3은 한다발 핵연료 시료 횡 방향 굽힘시험의 시험 setup을 보여준다. 한 다발용
Fig. 3 Setup for One Fuel Assembly Lateral Bending Test under Axial Compression Simulating for Reaction Installation
상부 누름판을 UCPS에 설치하기 위해 기계 시험부 의 상부에 위치하는 짚 크레인을 이용하였고, 누름 판을 UCPS 상부 연결판에 고정할 때는 중심선 정렬 작업을 엄밀한 기준(중심선 정렬공차 +/-0.5 mm)으 로 수행하였다.
원자로 장전 조건의 적용을 위하여, 상부 구동모 터의 펄스회전속도를 조정하여 UCPS를 수직 하향 으로 이동하면서, 시료에 전달되는 축방향 하중이 7.5 kN이 될 때까지 시료의 상부 누름 스프링을 변 형시키고, 누름 스프링의 변형량을 확인(최대 처짐 량은 9~11mm)하였다.
횡방향 가중기의 끝단에 설치되는 하중센서는 스 트레인 게이지 방식의 Ring Type 센서(Vishay, 측정 범위 4.48 kN)를 이용하였다. 참고로, 하중센서는 가 중기 로딩 스크류의 전면과 Probe plate(지지격자 판 을 균일하게 밀어주기 보조지그) 사이에 위치시켰 다. 축방향 하중 7.5 kN 인가된 조건에서, 중심 지지 격자 6번 위치에 횡방향 가중장치와 블라켙을 설치 하고, 횡방향 가중장치의 선단이 지지격자의 전면과 만나는 0점으로 설정하고 시험하였다. 횡방향 가중에
Table 1. List of FAMeCT Test
Types of Test Boundary Condition Test Results Environment
1. Lateral Vibration BOL/EOL axial loading, tilted* natural frequency, damping, mode shape Dry, Wet 2. Lateral bending BOL/EOL axial loading, tilted* strain, bending stiffness Dry 3. Lateral Impact BOL/EOL axial loading impact force, restitution coeff. Dry 4. Axial Compression BOL/EOL axial loading, tilted* strain, compressive stiffness, limit case test Dry 5. Axial Drop Free fall by self weight impact force, restitution coeff. Dry 6. Seismic Integrity BOL/EOL axial loading, tilted* strain, acceleration, impact force Dry, Wet (still water)
*tilted : free standing without UCPS compression
Fig. 4 Test Results for One Fuel Assembly Lateral Bending Test under Axial Compression
대한 0점 조정 이후에, 5 mm 간격으로 30 mm까지 시료를 횡방향으로 밀어서 LVDT변위 값과 횡방향 가중력, 축방향 가중력의 변화를 측정하였다. Fig. 4 는 횡방향 변위와 횡방향 작용력에 대한 측정결과를 보여준다. 시험결과, 축방향 누름 하중은 7.5 kN에서 약 6.7 kN으로 약 0.8 kN 감소하였는데, 이것은 시료 중심의 횡방향 변위량이 증가됨에 따라 상단부 누름 스프링이 일정한 크기로 이완되었기 때문인 것으로 판단된다.
3.2 축방향 한계하중 가중시 UCPS 변형량 확인 본 시험은 UCPS의 한계하중이 작용할 때, UCPS 상단 지지부와 하단부에서 수직방향 변형량을 확인 하기 위한 목적으로 수행되었다. 대상 시료는 길이 2.15 m의 중공 실린더(직경 100, 두께 10)를 이용하 였고, Fig. 5과 같이 시료의 상단과 하단에 고정용 지 그와 패드를 이용하여 기계시험부에 설치하였다. 한 계하중 인가 시, UCPS의 변형량은 UCPS 상부(A)와
Fig. 5 Setup for the Limit-Case Functional Test of Axial Compression
Fig. 6 Test Results of Axial Loading History of Limit-Case Axial Compressive Functional Test
하단(B)에 각각 다이얼 게이지를 설치하고 이를 이 용하여 측정하였다. 시험 전, UCPS는 기계시험부의 상부에 위치하는 짚 크레인을 이용하여 하부로 위치 이동 시켰으며, 수준계를 이용하여 수평정렬 확인하 였다.
시험결과, UCPS의 한계 누름하중 30 kN이 가해질 때, UCPS 하단부의 끝(B)은 0.21 mm 상향으로 변형 됨을 알았고, Fig. 6는 한계하중 시험에서 시료에 작 용시킨 축방향 하중 이력이다. 계단함수 형태로, 하 중을 부과하였다. UCPS가 시료를 누를 때, 대부분의 하중은 리니어가이드 베어링에 가해지며, 설계하중 한계를 반복하여 작용시키는 경우에는 베어링 교환 주기의 확인을 위한 상세 건전성 평가와 피로해석이 요망된다.
3.3 축방향 누름 기능시험
한 다발 핵연료 축방향 누름 기능시험은 시료를 이용하여 UCPS를 한계하중 이상으로 눌렀을 때, 시
료에서 발생되는 변형율을 측정한 것이다. Fig. 7는 축방향 누름 기능시험장면이며, 변형율 게이지가 부 착된 위치에 대한 설명이다.
본 시험에 사용된 시료는 한전원자력연료(주)에서 제조된 상용핵연료 모사 시료이다. 변형율 측정을 위 한 대상은 시료 하부의 하단고정체 전면부 1개소(Front BN7), 안내관 충격흡수부 영역의 3개소, 스팬 1과 3 위치의 안내관 각 2개로, 총 6 체널의 변형율 신호를
Strain CH1 Front BN 7 Strain CH2 Dashpot 103 Strain CH3 Dashpot 106 Strain CH4 Dashpot 108 Strain CH5 Span1, 9 Strain CH6 Span3, 76 Strain CH7 Span3, 71 Strain CH8 Span1, 28 Fig. 7 Setup and Strain Gauge Installation Position for
the Axial Compressive Functional Test
Fig. 8 Test Results of Axial Compression Functional Test
확인하였다. 참고로 Dashpot 영역이란 원자로의 비상 출력정지를 위하여 안내관 집합체가 낙하할 때, 낙하 속도를 완충시키기 위해 핵연료 내부 안내관에 성형 된 단면 축소영역을 말한다. 축방향 누름 하중이 한계 하중에 도달했을 때, 핵연료 상부의 누름 스프링 눌림 량은 50 mm였으며, 시료 내부에서 날카로운 파쇠음 이 발생되었다. 참고로, 누름 스프링의 밀착높이는 140 mm로 약 100 mm까지 변형될 수 있다. Fig. 8은 시험결과를 보여준다. 누름 하중의 변화이력에서 알 수 있듯이, 핵연료의 축방향 변형강성은 큰 비선형 특 성을 보여주고 있으며, 대략 12.5 kN에서 누름하중과 변형율 값에 갑작스런 증가를 보여주고 있는데, 이것 은 시료의 구조부 골격체가 축방향으로 변형이 누적 되면서 변형강성이 크게 증가됨에 따른 것이다.
3.4 두 다발 시료 축방향 누름 기능시험.
두 다발 시료 축방향 누름 기능시험은 이웃하는 핵연료 시료 두 다발을 대상으로, 하부노심 모사 지 지판에 설치시킨 후, 시료와 신호선 연결부의 간섭 을 우선 확인하였고, 상부 UCPS를 축방향 하향 이동 시켜 원자로 장전 조건에서 요구되는 축방향 하중의 전달기능을 확인하고, 두 다발용 계측센서 및 가중 기 블라켙의 설치기능을 점검하기 위한 목적으로 수 행되었다(Fig. 9 참조). 시험결과, 일부 변형율 게이 지 신호선의 임시적인 간섭사항을 제외하고 시료의 경계부(마주보는 면과 상/하단 설치부)에는 기술적 으로 문제가 되는 물리적인 간섭이 없었다. Fig. 9와 같이 길이 방향으로 두 시료 간의 인접한 간극이 일 정하지 않은 이유는 시료를 재활용함에 따라 이전시 험에서 발생되었던 시료의 영구변형에 의한 것으로 판단된다. Fig. 10은 두 다발 기능시험에 대한 결과 를 보여준다. 이로부터, 두 다발 원자로 장전조건에서 요구되는 축방향 하중이 정상적으로 인가됨을 확인
Fig. 9 Setup for Two Assemblies’s Axial Compression Functional Test
Fig. 10 Loading History of Two Assemblies’s Axial Compressive Functional Test
하였다. 향후 두 다발 시료의 횡방향 충격시험을 위 하여, 전면에 위치한 한 다발 시료의 횡방향 변위를 인접한 연료와의 간섭 없이 유도해야 하는 장치의 구상이 필요한데, 이 부분은 자기력 (magnetic force) 을 이용하는 방안을 검토 중이다.
5. 결 론
본 논문에서는 원자력연구원에서 새롭게 구축된 핵연료집합체 기계적특성 시험시설을 소개하고, 전 기 계장을 포함한 기계 시험부의 설치와 검사, 그리 고 실제 핵연료 시료를 이용한 기능시험의 결과에 대해서 기술하였다. 기계 시험부 베드의 설치과정에 서는 수평/수직 정렬상태와 상부 UCPS의 하부노심 모사 지지판과의 위치선정을 위한 축 중심 정렬상태 를 확인하였다. 또한, 모든 전장부 계측 체널의 신호 확인 작업을 수행하였고, 신호 연장선의 길이 확장
에 따른 신호의 변화나 잡음영향이 없음을 확인하였 다. 한 다발 핵연료 시료를 대상으로 각각 30 mm까 지 횡방향으로 굽힘시험하고, 33 kN까지 축방향으 로 압축하중을 전달하여 기능시험 목적에 부하되는 유의한 측정결과를 얻었고, 표준 강체 실린더를 이 용한 한계하중 시험을 통해서 UCPS 하부의 끝단 변 형량이 설계 시방에서 허용되는 값 이하임을 확인하 였다. 끝으로, 두 다발 핵연료 시료의 설치시험에서 는 물리적인 간섭 없이 시료가 설치되고, 축방향으 로 가중될 수 있음을 확인하였다. 향후, 시험시설을 비교검증하기 위한 검증시험이 예정되어 있다.
후 기
이 논문은 미래창조과학의 재원으로 한국연구재 단의 지원을 받아 수행된 원자력연구개발사업 연구 임.(NRF-No. 2012M2A8A5025825)
참고문헌
(1) Burns, p. C., Ewing, R. C., and Navrotsky, A., 2012,
“Nuclear Fuel in a Reactor Accident”, Science, Vol.
335, pp. 1184~1187.
(2) USNRC, 1996, “Standard Review Plan: 4.2 Fuel System Design,” NUREG-0800.
(3) Kim, H. K. et al, 2006, “Characterization test and analysis of LWR fuel assembly mechanical behaviors,”
Proceedings of 2006 Int. Meeting on LWR Fuel Performance, Oct. 22-26, Salamanca, Spain, pp.
406-410.
(4) Lee, K. H. et al, 2015, “Construction Report of Fuel Assembly Mechanical Characterization Test Facility,”
KAERI/TR-6230/2015.
