<응용기술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-C.2015.3.3.225 ISSN 2288-3991(Online)
자석잭 방식 내장형 제어봉구동장치 개념설계
박진석*† · 이명구* · 장상균* · 이대희*
* 한국전력기술㈜ 기계설계그룹
Conceptual Design of a Magnetic Jack Type In-Vessel Control Element Drive Mechanism
Park Jinseok*†, Lee Myounggoo*, Chang Sanggyoon* and Lee Daehee*
* Dept. of Mechanical System Engineering, KEPCO E&C.
(Received January 21, 2015 ; Revised February 22, 2015 ; Accepted August 4, 2015)
1. 서 론
제어봉구동장치는 원자로의 반응도를 제어하기 위해 제어봉집합체를 노심으로부터 인출 또는 삽입하 기 위한 기기이다. 기존의 제어봉구동장치는 원자로 외장형으로 원자로덮개를 관통하는 노즐에 설치되 었다. 그러나 최근 연구개발이 활발히 진행 중인 중소형원자로에서는 제어봉 이탈사고를 근본적으로 방 지할 수 있는 내장형 제어봉구동장치가 요구되어 왔다.
내장형 제어봉구동장치는 기기 전체가 고온, 고압, 고방사능의 원자로냉각수에 잠긴 상태에서 운전되 어야 한다. 또한 내장형 제어봉구동장치의 주요 적용 대상인 소형원자로에서는 제어봉의 위치제어 정밀 도가 높아져야 한다. 이러한 요구사항은 내장형 제어봉구동장치가 만족시킬 기본적인 설계요건이다.
제어봉구동장치의 종류에는 자석잭 방식, 리드스크류 방식, 유압 방식 등 다양한 구동방식이 있다. 그 중 전 세계적으로 가장 널리 사용되고 있는 방식은 자석잭 방식이다. 자석잭 방식 제어봉구동장치는 다 시 3-코일 방식과 4-코일 방식으로 구분된다. 본 논문은 한국형원전에서 적용되고 있는 4-코일 방식 제 어봉구동장치를 응용한 내장형 제어봉구동장치 개념설계에 관한 것으로, 기본개념은 참고문헌 (1) 및 참 고문헌 (2)를 통해 특허로 출원된 바 있다.
2. 설 계
2.1 개요
본 논문에서 소개하는 내장형 제어봉구동장치에는 다음과 같은 설계요건이 주어졌다. 설계온도 및 설 Key Words: Control Element Drive Mechanism(제어봉구동장치), Control Element Assembly(제어봉)
초록: 제어봉구동장치는 원자로의 반응도를 제어하기 위한 전기기기이다. 기존 제어봉구동장치는 원자 로 외장형으로 원자로덮개의 노즐에 설치되었다. 그러나 최근에는 제어봉인출 사고를 근본적으로 배제 하기 위한 내장형 제어봉구동장치의 필요성이 대두되어 왔다. 본 논문에서는 기존의 자석잭 방식 외장 형 제어봉구동장치를 응용하여 원자로 내장형 제어봉구동장치를 개발하는 개념설계를 소개한다.
Abstract: The control element drive mechanism (CEDM) is an electro-mechanical device to control reactivity of the nuclear reactor. The conventional CEDM was installed on a nozzle of the reactor vessel closure head as an ex-vessel type. However, there have been demands for an in-vessel CEDM to fundamentally eliminate the rod ejection accident.
Conceptual design of the in-vessel CEDM, which was developed based on the existing technology of the ex-vessel CEDM, is introduced in this paper.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2015 The Korean Society of Mechanical Engineers
계압력은 각각 345˚C 및 17.2 MPa 이며, 제어봉구동장치가 차지할 수 있는 수평공간은 200mm x 200mm 이내로 제한된다. 원자로의 출력제어정밀도와 관련된 제어봉 구동피치요건은 10mm 이며, 요구인양력은 100 kgf 이다.
Fig. 1(a)는 기존 외장형 제어봉구동장치 구동부의 개념도이며, 이를 기본으로 개발된 내장형 제어봉구 동장치 구동부의 개념도는 Fig. 1(b)와 같다. 두 설계의 가장 큰 차이점은 모터하우징에 있다. 기존의 외 장형 제어봉구동장치는 모터하우징이 원자로냉각재의 압력경계를 형성하였다. 즉 모터하우징 내부는 고 온고압의 원자로 냉각재가 차있는 상태이고 외부는 대기조건이다. 따라서 모터하우징은 이러한 압력차 를 지탱할 수 있도록 충분한 두께가 요구되었다. 그러나 모터하우징의 두께가 증가할수록 자기력은 감 소하므로 이를 감안한 최적의 두께 선정이 필요하였다. 반면 내장형 제어봉구동장치의 경우 전체 집합 체가 완전히 냉각재에 잠기므로 모터하우징이 압력경계를 형성하지 않는다. 따라서 자기력을 극대화 시 키기 위해 모터하우징을 제거하였다.
모터집합체 및 구동축은 내장형 제어봉구동장치에서 요구되는 높은 위치제어 정밀도를 만족시킬 수 있도록 설계되었다. 이에 대한 구체적인 내용은 2.2 절에 기술하였다.
코일집합체의 경우 허용공간이 기존 대비 30% 이상 축소됨에 따라 코일창의 크기가 축소되었다. 코일 하우징은 원자로내부의 침수조건에서 내부식성이 있어야 하므로 재질이 탄소강에서 마르텐싸이트 스테 인리스강으로 변경되었다. 코일하우징은 또한 기존의 모터하우징이 제공하던 기능인 스테핑 충격하중 및 외력을 받아 주는 기능을 제공하도록 설계하였다. 권선을 위한 전선은 원자로내부의 가혹한 환경조 건에서 적용 가능한 재질로 선정되었으며, 이에 대한 상세한 내용은 2.3 절에 기술하였다.
2.2 모터집합체 및 구동축 설계
기존 제어봉구동장치는 3/4in(19mm)의 구동피치를 갖는 반면, 내장형 제어봉구동장치의 구동피치 요건 은 10 mm 이다. 이를 만족시키기 위해 먼저 기존 설계를 검토하면 다음과 같다.
(a) Conventional CEDM (b) In-vessel CEDM Fig. 1 Schematic drawing of the CEDM
기존 제어봉구동장치는 이중스텝 방식으로 상부모터집합체에서 첫 번째 스텝의 동작이 이루어지고, 다음으로 하부모터집합체에서 두 번째 스텝의 동작이 이루어져 한 피치를 완성하였다. 즉, 상하부 모터 집합체가 각각 한 스텝씩 이동하였을 때 한 싸이클을 이루며, 한 싸이클에서 인양되는 최종 피치는 다 음과 같이 계산된다.
7/16in – 1/32in + 3/8in - 1/32in = 24/32in = 3/4in (19mm)
여기서 7/16in 및 3/8in 는 각각 Fig. 2 의 상부인양간극의 크기(D1) 및 하부인양간극의 크기(D2)이며, 1/32in 는 래치와 구동축 이빨 사이에 체결여유 치수(D5)이다.
기존 설계로부터 구동피치를 절반 수준으로 줄이는 방법은 각각의 래치집합체가 한 스텝 동작할 때 한 피치를 완성하게 하는 것이다. 그러나 기존 설계에서는 상하부 인양간극의 치수가 다르기 때문에 이 러한 구동이 불가능했다. 따라서 상하부 인양간극의 치수(D1, D2)를 동일하게 10.5mm 로 설계하였다. 여 기서 10mm 는 요구되는 구동피치 이며 0.5mm 는 래치체결시 구동축 이빨과의 여유(D5)이다. 이와 같이 D1 과 D2 가 결정되었을 때 구동축의 이빨간격(D3)과 래치간 이격거리(D4)는 다음과 같이 결정된다.
D3 = 20mm
D4 = D3×(N – 1/2) (N: 임의의 정수)
이상에서 설명한 인양간극의 치수(10.5mm)는 스페이서를 고려하지 않은 기계적인 간극을 의미한다.
스페이서는 전원차단 시 잔류자속으로 인해 응답이 지연되는 현상을 방지하기 위해 각 전자석의 간극에 설치되는 비자성재질의 금속판으로, 본 설계에서는 1.5mm 두께로 설계하였다.
2.3 코일 집합체 설계 2.3.1 전선 재질 선정
기존 외장형 제어봉구동장치 전선의 설계온도는 200˚C 내외이며, 이는 일반 산업용으로 양산되는 전 선 재질 중 내열 최고등급 수준이다. 반면 내장형 제어봉구동장치의 환경조건은 345˚C 이므로 이에 적합 한 특수 전선이 필요하다. 현재의 기술수준에서 가용한 고온용 전선으로는 세라믹코팅 전선과 무기물절 연(Mineral-insulated) 전선이 있다. 이 두 가지 전선의 특징은 다음과 같다.
(a) Motor assembly
(b) Drive shaft
Fig. 2 Major dimensions related to driving pitch
세라믹코팅 전선
세라믹코팅 전선은 도선을 세라믹재료로 코팅한 것으로 연속사용온도 기준으로 538˚C 에서 적용 가능 한 제품이 양산되고 있다.(3) 따라서 내열관점에서는 세라믹코팅 전선이 원자로 내부환경에서 적용 가능 하다. 또한 세라믹코팅 전선의 곡률반경 제한 조건이 일반적으로 코일 직경의 10 배 내외의 수준에서 결 정되는 반면 자석잭 방식 제어봉구동장치의 권선직경은 이를 훨씬 초과하므로 제작성 측면에서도 문제 가 없을 것으로 판단된다.
그러나 내전압특성 및 내습특성 관점의 문제가 있다. 세라믹코팅 전선의 최대허용전압은 200 VDC 로 일반적인 전선에 비해 매우 낮다.(3) 이는 기존의 제어봉구동장치 제어설비로부터 인가되는 최대전압을 고려할 때 설계여유가 매우 작으며, 요구 전압이 상승할 경우에는 적용이 불가하다. 세라믹코팅 전선의 또 다른 문제점은 친수성이 강하다는 것이다. 따라서 세라믹코팅 전선을 내장형 제어봉구동장치에 적용 하기 위해서는 코일에 대한 밀봉이 필수이다. 이를 위해서는 코일하우징이 원자로내의 고압조건에 맞게 설계되어야 하고 밀봉장치가 코일하우징에 추가되어야 하는 단점이 있다. 또한 압력을 지탱하기 위해 코일하우징 외경부뿐만 아니라 내경부에도 상당한 두께가 필요하다. 그런데 코일하우징 내경부 두께 증 가는 코일창의 크기 감소를 유발할 뿐만 아니라 자기장 형성 측면에서도 설계에 불리하다.
무기물절연 전선
무기물절연 전선의 가장 큰 장점은 전선 자체가 메탈 재질의 보호관으로 싸여져 있으므로 고압침수 조건에서도 별도의 밀봉 없이 사용 가능하다는 것이다. 실제로 무기물절연 전선은 가열접점열전대(Heat Junction Thermocouple)의 코일 재질로 원자로 내부에서 사용되고 있다. 무기물절연 전선의 내전압 특성은 곡률반경 5mm 이하의 매우 가혹한 변형조건에서도 1.5 kV 이상을 유지하며, 이러한 특성은 800˚C 까지 온도의 영향을 받지 않는 것으로 확인된다.(4) 따라서 내전압 관점에서 무기물절연 전선은 내장형 제어봉 구동장치 용 코일로 적용 가능하다.
반면 무기물절연 전선은 두 가지 단점이 있다. 먼저 절연층이 동일한 도체직경을 갖는 타 전선에 비 해 두껍기 때문에 전기기기용으로 권선을 설계할 경우 코일창의 fill factor 가 낮다는 단점이 있다. 또 다 른 단점은 전선 최 외곽이 메탈 재질의 보호관으로 되어 있으므로, 전선의 직경이 커질수록 권선 시 굽 힘 하중이 크게 증가하여 제작성이 나빠진다는 것이다.
이상에서 기술한 바와 같이 세라믹코팅 전선과 무기절연 전선은 각각의 장단점있다. 이 중 세라믹코 팅 전선의 특성인 강한 친수성 및 낮은 내전압 특성은 설계과정에서 극복하기 어려운 단점인 반면, 무 기물절연 전선의 단점들은 설계과정에서 보완이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 내장형 제어봉구동장 치를 위한 코일 재질의 상세 검토는 무기물절연 전선에 대해 수행하였다.
2.3.2 무기물절연 전선 적용성 검토
적용성 검토는 요구 전류 및 요구 전압 관점에서 수행되었다. Table 1 은 검토 대상으로 선정한 외경 1mm ~ 3mm 의 무기물절연 전선 사양을 나타낸다. 이와 같이 한정한 이유는 외경 1mm 이하 전선의 경 우 저항이 지나치게 크며, 외경 3mm 를 초과하는 전선은 권선제작과정에서 지나치게 높은 굽힘하중이 요구될 것으로 예상되기 때문이다.
Table 1 Diameter of the MI wire
Wire Name Net Wire Dia. Conductor Dia.
ISOMIL-M
3mm 1.35mm 2mm 0.90mm 1mm 0.45mm
Table 2 Preliminary calculation result of coil characteristics
Wire ISOMIL-M(3mm) ISOMIL-M(2mm) ISOMIL-M(1mm)
Turns 520 1170 4680
Resistance [Ω] 7.90 39.70 635.30
Required Current [A] 11.54 5.13 1.28
Required Voltage [V] 91.15 203.59 814.49
Fig. 3 Finite element model for the CEDM for magnetic analyses
Table 2 는 무기물절연 전선의 적용성 검토를 위한 계산 결과를 나타낸다. 각 항목에 대한 계산 방법은 다음과 같다. 먼저 주어진 코일창에 대한 최대 감김수를 코일창과 전선 단면의 크기를 고려하여 계산하 고, 이로부터 전선의 총 길이와 저항을 계산하였다. 감김수와 저항이 계산되면 다음과 같이 요구전류 및 요구전압을 계산할 수 있다. 이때 적용된 요구 기자력(MMF, Magneto-Motive Force)은 6,000 Ampere-turns 이며, 이는 3 장에 별도로 기술한 유한요소해석으로부터 계산되었다.
요구기자력 / 감김수 = 요구전류 (1)
요구전류 × 저항 = 요구전압 (2)
각 계산 결과를 검토하면 다음과 같다. 먼저 요구전류는 최대 11.5A 로 기존 제어봉구동장치에서 요구 되는 전류보다 낮다. 따라서 계산의 불확실성을 감안하더라도 충분히 수용할 수 있는 수준이므로 전류 측면에서는 3 가지 전선 모두 적용이 가능하다. 반면 전압 측면에서는 ISOMIL-M(1mm)의 경우 800V 이 상 요구된다. 비록 무기물절연전선의 내전압특성은 800V 이상을 수용할 수 있으나, 기존 대비 지나치게 큰 전압이므로 예측하지 못한 문제가 발생할 가능성이 있다. 따라서 ISOMIL-M(2mm) 또는 ISOMIL-
M(3mm)가 내장형 제어봉구동장치 코일로 적절할 것으로 판단된다.
3. 해 석
내장형 제어봉구동장치의 인양력 요건을 만족시킬 수 있는 기자력의 크기를 계산하기 위해 전자기장 해석을 수행하였다.
3.1 모델링 및 해석방법
Fig. 3 은 내장형 제어봉구동장치의 전자기장 해석 모델을 나타낸 것이다. 상부모터집합체의 인양 초기 조건을 모사하기 위해 상부래치간극은 닫힌 상태로 모델링되었으며, 나머지 간극은 모두 열린 상태로 모델링 되었다. 래치간극 치수 1.5mm 는 간극닫힘 상태에서 스페이서로 인한 자기적인 간극을 나타낸 것이다. 인양간극 치수는 12mm 이며, 이는 기계적인 간극 10.5mm 와 비자성재질인 스페이서의 두께 1.5mm 를 더한 값이다.
모델의 각 부품에 대한 물성치는 Table 3 과 같으며, 코일하우징을 제외하고는 기존과 동일하다. 코일 하우징의 경우 외장형 설계에서는 탄소강이 사용되었으나, 내장형의 경우 침수조건에서 사용되어야 하 므로 마르텐싸이트 스테인리스강인 ASME Code Case N-4-11 을 적용하였다. 해석에 사용한 각 재질의 BH 곡선은 Fig. 4 와 같다.
제어봉구동장치의 요구 인양력(100kgf)을 만족시키기 위한 기자력의 크기를 계산하기 위하여 인양코일 의 기자력 값을 변화시키면서 자기력을 계산하였다. 이때 래치코일에 입력된 기자력은 2,460 Ampere- turns 이다. 참고문헌 (5)에서 래치코일의 전류방향이 인양코일의 전류방향과 동일하게 입력될 경우 자기 력이 증폭되는 효과가 있는 것으로 연구되었다. 따라서 이러한 효과를 이용하기 위해 본 연구에서도래 치코일의 전류방향은 인양코일의 전류방향과 동일하게 입력하였다.
Table 3 Material of the major components for magnetic analyses
Component Material Stationary & Lift Magnet SS410
Latch Magnet SS410T Coil Housing N-4-11
Fig. 4 BH curve of the materials for the CEDM components
Fig. 5 Force calculation result for various level of MMF
Fig. 6 Magnetic field distribution result for the MMF of 6,000 ampere-turns (upper part only)
3.2 해석결과
Fig. 5 는 기자력 변화에 따른 인양력 계산 결과를 나타낸다. 요구인양력인 100 kgf 의 자기력을 발생시 키기 위한 기자력의 크기는 약 5,000 ampere-turns 에서 발생하는 것으로 계산되었다. 그러나 개념설계 단 계에서는 불확실성을 감안하여 6,000 ampere-turns 으로 요구기자력을 정하였다. Fig. 6 은 6,000 ampere-turns
에 대한 자기장 분포를 나타낸다.
4. 결 론
중소형원자로에 적용할 수 있는 원자로 내장형 자석잭 방식 제어봉구동장치에 대한 개념설계를 제시 하였다. 제어봉구동장치가 원자로내부에 설치됨에 따라 기존의 압력경계를 형성하던 모터하우징 및 상 부압력하우징은 제거되었다. 모터집합체는 소형원자로에서 요구하는 높은 제어정밀도를 만족시키기 위 해 상, 하 래치집합체가 각각 1 피치씩 완성하도록 변경되었다. 코일재질로는 고온, 고압, 고방사능, 침수 조건에서 작동가능하며 별도의 밀봉이 필요치 않은 무기물절연 전선이 선정되었다. 무기물절연 전선 적 용 시 주어진 설계요건 내에서 요구되는 인양력(100kgf)을 발휘할 수 있는지 검토하였다. 검토결과 외경 2mm 또는 3mm 를 갖는 무기물절연 전선이 내장형 제어봉구동장치 코일에 적절한 것으로 평가되었다.
후 기
본 연구는 2014 년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20131510101680)
참고문헌
(References)
(1) Park, J., Jang, Y., Lee, M., Chang, S. and Lee, D., 2014, "Magnetic Jack Type In-Vessel Control Element Drive Mechanism," Korea Patent 10-2014-0066513.
(2) Park, J., Jang, Y., Lee, M., Chang, S., Lee, D., 2014, "Magnetic Jack Type Control Element Drive Mechanism for Precision Position Control of the Control Element Assembly," Korea Patent 10-2014-0158062.
(3) Bergman, M., 2014, Ceramawire high temperature magnet wire technical specifications, Ceramawire, Elizabeth city, NC, USA.( http://www.ceramawire.com/technical-information.shtml)
(4) Baumann, N., 2014, ISOMIL Mineral Insulated Cables Catalogue, Mil GmbH, Hanau, Germany.
(5) Park, J. S., Lee, M. G., Cho, Y. H. and Choi, T. S., 2013, “Study on Pole Arrangement of the CEDM Coils,”
Transactions of the Korean Nuclear Society Spring Meeting.
