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문제 정의
- ‘IPS Vessel Assembly(IVA)’ 제작 조립 완료 후 제작시방서에 따라 수압시험과 헬륨누설검사를 수행하지만 실제로 Fuel Test Loop 운전 중에는 고온·고압 상태이므로 원자로에 설치하기 전에 노외에서 고온 고압시험을 수행하여 모의 핵연료가 조립된 IVA에 대하여 건전성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 노심 내 조사공의 크기와 이용자의 요구사항 등을 고려하여 FTL 운전조건이 설정되고 IVA 내부의 유동, 단열, 설계압력, 온도 및 시험핵연료의 교체를 고려한 내·외부 압력관의 두께 및 시험 핵연료봉의 치수가 결정되었다. 실물크기의 모형(mock-up) 제작설계 과정에서 IVA를 재구성하였고, 형상치수 및 재질을 실제와 동일하게 하여 IVA 모형을 제작하였다. FTL 설비에서 주냉각수는 시험조건에 맞는 온도, 압력 및 유량을 유지하며 IVA에 공급된다.
- IVA 모형을 제작하여 실험을 통해 설계검증을 하고자 차압시험 및 진동 시험을 수행하였다.
- 그리고 제작시방서(manufacturing specification)에는 없는 사항이지만 FTL이 고온고압상태에서 운전되는 시설이므로 IVA가 원자로에 설치되기 전에 노외에서 고온고압시험을 수행하여 그 건전성을 입증하였다.
- 본품 IVA가 조립된 후에 압력용기의 누설 여부와 고압에서의 건전성 확인을 위하여 헬륨누설시험과 수압시험(hydrostatic test)을 수행하였다. 그리고 제작시방서(manufacturing specification)에는 없는 사항이지만 FTL이 고온고압상태에서 운전되는 시설이므로 IVA가 원자로에 설치되기 전에 노외에서 고온고압시험을 수행하여 그 건전성을 입증하였다.
- IVA를 원자로에 설치했을 때 IVA에서의 핵적특성을 얻기 위하여 FTL용 모의 핵연료봉이 설계되고 제작 과정은 모의 핵연료봉 부품 가공, 조립과 용접, 용접 후 치수검사, 헬륨누설검사이다. IVA는 1단계 내부조립체 조립, 2단계 외부조립체 조립, 3단계 내부조립체와 외부조립체 조립이 수행되었다.
- 내부조립체 조립 절차는 연료운반체 및 모의핵연료를 계장조립체와 조립하고, 브레이징을 한 후에 탑플랜지, 연결호스(umbilical hose assembly)를 조립하였다. 조립 후 특히, 연료운반체 헤드 상/하단에 전단하중이 작용되지 않도록 취급 시 주의가 요구되었다.
- 외부조립체 조립 절차는 외부압력용기 상부에 helicoflex seal인 메탈링을 부착 후, 내부압력용기를 끼워 넣었다. 내부압력용기 상부에 2개의 메탈링을 부착하고 단열 슬리브(thermal sleeve assembly), 헤드조립체, 유동관을 조립하였다.
- 시험압력으로 최소한 10~30분 동안 유지한 후에 누설확인을 하였다. 수압시험 수행부위는 제작시방서에 따라 Fig. 2의 압력용기, 헤드, 탑플랜지 등을 조립하여 아래에서 1)과 같이 222.5kgf/cm2으로 가압된 상태에서 각각의 압력부위에 대하여 독립적으로 수압시험을 수행하였다.(2)
- 누설검사는 수압시험(hydrostatic test) 또는 기압시험(pneumatic test)을 하기 전에 수행하는 것이 원칙이나 IVA에서는 입·출구에 플랜지를 탈·부착하는 어려움이 있어 수압시험을 한 후에 IVA 내부를 완전히 건조시킨 후에 헬륨 누설시험을 하였다.
- CEDM 성능시험장치를 개조하고, 개조된 시험장치에 IVA를 설치하여 고온·고압시험을 수행하였다.
- 5kgf/cm2로 가압을 하면 내부 압력용기가 가압되면서 내부 압력이 약 270kgf/cm2까지도 올라갈 수 있으니 6)의 시험은 1)의 압력을 170kgf/cm2 이하로 내린 후 수압시험을 하는 주의가 필요하다. 사용 압력시험 장비 및 측정기기는 수동식 수압시험기(성보하이드로엔지니어링, 모델: HYDRO-M3(500kg/cm2))을 사용하였으며 압력계 3개를 사용하여 압력을 측정하였으며 누설이나 압력값의 변동은 없었다.
- 통상 시험용기의 외부는 대기압이기 때문에 외부와 내부의 압력차가 1기압인 조건에서의 누설률을 측정하게 된다. IVA에 대한 헬륨 누설시험은 시험용기의 내부를 진공상태로 만들고 외부로부터 새어 들어가는 헬륨 기체를 측정하는 방법인 진공법으로 하였으며 IVA 내부가 10-1~10-2Bar로 진공이 완전히 이루어질 때까지 헬륨측정장비의 진공펌프를 이용하여 진공상태를 만들어 주었다. IVA 헬륨 누설시험은 조립된 메탈링, O-링, 볼트 조립부, 용접부 등에 헬륨 봄베를 열고 분사기를 사용하여 헬륨을 분사하였다.
- IVA에 대한 헬륨 누설시험은 시험용기의 내부를 진공상태로 만들고 외부로부터 새어 들어가는 헬륨 기체를 측정하는 방법인 진공법으로 하였으며 IVA 내부가 10-1~10-2Bar로 진공이 완전히 이루어질 때까지 헬륨측정장비의 진공펌프를 이용하여 진공상태를 만들어 주었다. IVA 헬륨 누설시험은 조립된 메탈링, O-링, 볼트 조립부, 용접부 등에 헬륨 봄베를 열고 분사기를 사용하여 헬륨을 분사하였다. 누설이 있는 경우에는 시험용기 내부로 새어 들어온 헬륨이 검출기로 측정된다.
- 고온·고압시험에서 압력을 1분당 3.5kgf/cm2로 서서히 올려 KEPIC(Korea Electric Power Industry Code) MIB 5000의 규정압력까지 시험압력을 운전압력으로 올린 후 KEPIC MNB 6000 및 제작시방서에 따라 압력 유지시간을 24시간 동안 실시하였다.
- 그리고 차압시험에 사용한 IVA 지지대를 CEDM장치에 이동 부착하고, IVA를 CEDM장치에 설치하기 전·후에 계장선 절연저항 측정을 하였다.
- IVA 고온고압시험 세미나 및 회의를 통해 안전벽 설치, IVA를 공기중에서 고온 고압시험을 하는 것에 대한 영향, 가열온도 설정, 벨로즈 제작사에 가열온도 150℃에서 건전성 확인등이 이루어졌다.
- 시험 초기조건으로 CEDM 장치는 IVA 고온고압시험을 위한 임시개조 상태이며, 시험 계기 검교정 상태 점검을 하였다. 고온·고압시험장치용 압력계및 RTD 등 계측기에 대한 튜빙, 배관에 대한 단열재 설치가 이루어졌고, 고온고압시험 절차에 대한 협의를 하면서 CEDM장치 컴퓨터 점검, 저장탱크(storage tank) 급수, 하이드라이진 혼합, 추위에 대비한 천막 및 히터 설치 등이 이루어 졌다.
- 5와 같이 CEDM Test Loop를 개조하여 IPS Vessel Assembly(IVA)를 설치하여 고온·고압시험 준비를 하였다. CEDM 장치개조 부분에 있어서는 장치의 세척(Flushing) 및 수압시험을 통해서 기본적인상태 및 관련계통의 운전상태 확인을 했다.
- 계획한 수압시험, 온도·압력상승, 고온 홀딩, 온도하강, 저온 홀딩 등 3주기의 시험을 무사히 마치고 15분마다 양호하게 시험 데이터를 얻었다.
- 점검과정에서 mash가 지나치게 조밀한 스트레이너가 설치되어 발생된 문제로 이를 제거한 후 유량이 정상적으로 흘러 CEDM 장치를 이용한 IVA 고온고압시험이 Table 2와 같이 수행되었다. 시험 과정과 시험 종료 후 판정 기준은 증기 혹은 물의 누설과 누설 발생시 압력계의 지시값으로 확인하였다. 배관에 누수가 없는지 검사하고 특히 용접선과 모든 면에 누수와 파손 응력집중이 있는지를 확인하였다.
- 시험 과정과 시험 종료 후 판정 기준은 증기 혹은 물의 누설과 누설 발생시 압력계의 지시값으로 확인하였다. 배관에 누수가 없는지 검사하고 특히 용접선과 모든 면에 누수와 파손 응력집중이 있는지를 확인하였다.
- 그리고 IVA에 대한 핵연료시험용 압력용기로서의 성능검증을 위하여 제작사양서 및 ASME code에 따라 누설검사와 수압시험을 수행하였다.
- FTL 설비의 설계기준에 따라 시험 핵연료봉의 치수 및 IVA의 운전조건이 설정되었으며 내․외부압력관 및 시험핵연료 운반체 등 IVA의 상세설계가 완료되었다. 상세설계 완료 후에 국내기술로의 제작 가능성, 차압 및 열유동 실험을통한 IVA 성능시험 그리고 설치공사에서의 정확한 설치위치 확인 등을 목적으로 IVA 모형을 제작하였다. 그 기술을 토대로 원자로에 설치할IVA 본품을 제작하였다.
- IVA를 원자로에 설치했을 때 IVA에서의 핵적 특성을 얻기 위하여 모의 핵연료봉을 제작하였으며 이 과정에서 브레이징 및 조립기술이 확립되었다. 그리고 IVA에 대한 핵연료시험용 압력용기로서의 성능검증을 위하여 제작사양서 및 ASME code에 따라 누설검사와 수압시험을 수행하였다.
- 그리고 IVA에 대한 핵연료시험용 압력용기로서의 성능검증을 위하여 제작사양서 및 ASME code에 따라 누설검사와 수압시험을 수행하였다. 특히, 원자로 노심에서의 건전성을 위하여 노외에서 고온․고압시험을 수행하였다. 이를 통하여 고온고압 시설 운전에 대한 경험을 했고, 고온 고압에서의 IVA 건전성에 대한 확인이 되었다.
대상 데이터
- 누설검사는 수압시험(hydrostatic test) 또는 기압시험(pneumatic test)을 하기 전에 수행하는 것이 원칙이나 IVA에서는 입·출구에 플랜지를 탈·부착하는 어려움이 있어 수압시험을 한 후에 IVA 내부를 완전히 건조시킨 후에 헬륨 누설시험을 하였다. 시험 요건은 특별한 요건이 없는 한 검사기체는 일반적으로 공기를 사용하는데 본 실험에서는 미세한 누설까지도 감지하기 위하여 헬륨을 사용하였다. 압력과 압력유지 시간(soak time)은 누설 검사시 검사품에 가하는 압력은 설계압력의 25%를 초과하여서는 안되며 검사를 하기 전에 시험압력은 최소한 15분이 유지되어야 한다.
- Fig. 3과 같이 검사장비는 헬륨 측정장비(Helium leak detector ASM180 TM), 플랜지, 알루미늄 클램프, 센터링 링과 O-링, 긴 벨로즈 튜브, 헬륨 봄베, 분사기(spray probe), 압력게이지 등이 사용되었다.
성능/효과
- 과제 현안 회의와 FTL Task Force Team 회의를 통하여 원자로 노심에 설치되는 IVA에 대하여 고온고압에서의 검증시험을 수행하는 것으로 결정되었다. IVA 고온고압시험 세미나 및 회의를 통해 안전벽 설치, IVA를 공기중에서 고온 고압시험을 하는 것에 대한 영향, 가열온도 설정, 벨로즈 제작사에 가열온도 150℃에서 건전성 확인등이 이루어졌다.
- 상용의 발전로 핵연료를 시험할 수 있는 핵연료 노내조사시험설비(FTL)가 설계되어 설치되었다. FTL 설비의 설계기준에 따라 시험 핵연료봉의 치수 및 IVA의 운전조건이 설정되었으며 내․외부압력관 및 시험핵연료 운반체 등 IVA의 상세설계가 완료되었다. 상세설계 완료 후에 국내기술로의 제작 가능성, 차압 및 열유동 실험을통한 IVA 성능시험 그리고 설치공사에서의 정확한 설치위치 확인 등을 목적으로 IVA 모형을 제작하였다.
후속연구
- 이를 통하여 고온고압 시설 운전에 대한 경험을 했고, 고온 고압에서의 IVA 건전성에 대한 확인이 되었다. 그리고 향후에는 조사시험 후 시험핵연료의 장․탈착이 가능하도록 새로운 개념으로 설계를 할 예정이다.
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