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문제 정의
- 본 연구개발에서는 상용규모의 중수로 발전소 사용후연료 결함 검사 장비를 개발하였다. 개발된 검사장비의 신뢰성을 위하여 한국표준과학원에서 각종 시험을 수행하였으며 월성발전소에 서 장비의 부품별 성능검사와 내구성, 실제 적용성 등을 시험하였다.
제안 방법
- 6에 나타내었다. 4개의 연료 다발을 A, B, C, D로 표기하였으며 각각 연료별로 BKG 값과 방사능 값을 측정하여 비교하였다. 연료 B, C, D는 BKG 대비 방사능 값이 2배 정도로 나타나는 경향을 보이고 있는데, 이 값은 발전소 성능시험 당시 정상연료로 판정되었던 것과 유사함을 보여 정상 연료임을 알 수 있었다.
- Refueling Machine에 설치된 호스를 통해 물을 흡입하여 Separator에서 가스를 분리한 후 분석장치에서 가스 및 액체 핵종을 분석하는 방식.
- 개발된 검사장비는 월성발전소의 결함연료 검사 요청에 의해 다시 실제 검사에 적용하였고 성능을 확인하였다. 발전소에서 의뢰한 결함 의심 연료는 4다발이었으며 이 연료 들의 누출 방사능을 측정한 결과를 Fig.
- 본 연구개발에서는 상용규모의 중수로 발전소 사용후연료 결함 검사 장비를 개발하였다. 개발된 검사장비의 신뢰성을 위하여 한국표준과학원에서 각종 시험을 수행하였으며 월성발전소에 서 장비의 부품별 성능검사와 내구성, 실제 적용성 등을 시험하였다. 시험결과로 연료 장착 장비인 캐니스터의 수중 개폐 운영 및 밸브콘솔 운영, 장비패널과 핵종 분석장치의 운영에 문제가 없음을 확인하였다.
- 중수로 사용후연료 건전성 검사장비의 성능을 검토하고 장비 설치 및 해체시 운영의 문제점 등을 검토하기 위해 기계적 성능시험과 분석장치의 검출시험을 수행하였다. 기계적 성능시험은 장비의 운영을 위해 필요한 장비 운영의 건전성, 안정성, 공정의 적합성 등을 실험하였다. 시험항목 및 내용은 Table 1 과 같다.
- 기계적 성능시험을 위해서 발전소 현장여건과 유사한 조건의 5 m 깊이의 수조 (Pit)에 충수하여 장비를 침수시켜 펌프 작동성, 밸브 동작성, 캐니스터 등의 건전성, 유량 및 진공도 등을 시험하였다. 시험결과로는 캐니스터의 기밀 및 배관, 밸브, 용접 이음부등의 기계적 건전성과 캐니스터의 진공치 등 공정의 적합성 및 기타 설치 분해 등의 기계적 기능에 대한 충분한 건전성을 확인하였다.
- 샘플링장치에는 외함 전면에 시료 흐름 속도를 조절하기 위한 유량 표시 및 조절기를 장착하였으며, 시료 입력 밸브와 정화수 입력 밸브, 시료 출구 밸브와 정화수출구 밸브를 설치하여 샘플링이 용이하도록 하였다. 또한 NaI(TI) 검출기의 탈부착 및 유지 보수를 위해 개폐가 가능하도록 설계되었다. 측정장치에서는 분석시료에 포함된 핵분열성 핵종은 핵종 고유의 에너지와 세기를 갖는 감마선을 방출한다.
- 밀폐용 잠금장치는 내부와 외부를 완전히 밀폐시키기 위해 뚜껑을 압착할 수 있는 구조로 되어 있다. 밀폐형 잠금장치와 핸들은 수조 위 작업공간에서 별도의 툴을 사용하여 조작할 수 있게 하였다. 캐니스터 측면에는 출구 (Outlet) 노즐이 있고 하부에는 입구 (Inlet) 노즐과 배수 (Drain) 노즐이 설치되어 있으며 용기에 사용후연료를 넣고 밀폐된 상태에서 용기내부의 핵종 샘플을 채취할 경우에도 연료가 공기중에 노출되지 않는 위치에 노즐이 설치되어 있다.
- 본 연구에서는 이러한 중수로 사용후연료 건전성 검사기술 및 장비개발을 위해 In cell Sipping, Wet Sipping, Vacuum Sipping 검사기술을 적용하였으며 개발된 장비와 기술을 공인된 시험검사기관에서 검증하고 월성 발전소에 적용하여 보았다.
- 시험결과로는 캐니스터의 기밀 및 배관, 밸브, 용접 이음부등의 기계적 건전성과 캐니스터의 진공치 등 공정의 적합성 및 기타 설치 분해 등의 기계적 기능에 대한 충분한 건전성을 확인하였다. 분석장치의 성능시험은 에너지 분해능, 민감도, 계수정확도 등을 시험하였으며 시험의 신뢰성을 확보하기 위해 국가인증 공인기관인 한국표준과학연구원 (KRISS)에서 성능시험을 수행하였다. 시험장비는 한국표준과학연구원에서 보유하고 있는 표준장비를 이용해 측정하였고, 검출기를 포함한 분석 장치 전체에 대한 성능을 표준장비 측정값과 비교 분석하였다.
- [7] 국제규격서에서 제시한 물리적인 특성 시험은 에너지 분해능 (Energy resoluton) 시험, 민감도 (Sensitivity) 시험, 계수 정확도 (Counting precision) 시험 등이다. 성능시험 측정 방법은 동일한 방사선원 (Disk source)을 이용하여 성능시험 대상인 NaI(TI) 검출기 (Detector) 후단에 신호증폭기인 Preamp를 설치하고 개발장비의 분석장치와 한국표준과학 연구원 표준장비를 병렬로 연결한 후 개발된 분석장치와 표준장비 (NIM bin Module)와의 방사능 분석 성능 차이를 비교하였다. 성능시험 측정개요도는 Fig.
- 분석장치는 사용후연료에서 누출되는 핵종을 검출하는 장치로서 사용후연료에서 채취된 시료를 NaI(TI) 검출기를 이용해 핵분열성 핵종을 측정 및 분석하여 연료 결함 유무를 판별한다. 시료의 흐름을 제어하는 샘플링장치와 NaI(TI) 검출기에서 측정된 신호를 분석하여 핵연료 손상 유무를 판별하는 측정장치로 구성된다. 형상은 Fig.
- 분석장치의 성능시험은 에너지 분해능, 민감도, 계수정확도 등을 시험하였으며 시험의 신뢰성을 확보하기 위해 국가인증 공인기관인 한국표준과학연구원 (KRISS)에서 성능시험을 수행하였다. 시험장비는 한국표준과학연구원에서 보유하고 있는 표준장비를 이용해 측정하였고, 검출기를 포함한 분석 장치 전체에 대한 성능을 표준장비 측정값과 비교 분석하였다. 분석장치의 성능시험은 IAEA (International Atomic Energy Agency)에서 제시한 품질관리방법 (Code : IAEATECDOC-602)의 국제 규격서에 의해 평가하였다.
- 중수로 사용후연료 건전성 검사장비의 성능을 검토하고 장비 설치 및 해체시 운영의 문제점 등을 검토하기 위해 기계적 성능시험과 분석장치의 검출시험을 수행하였다. 기계적 성능시험은 장비의 운영을 위해 필요한 장비 운영의 건전성, 안정성, 공정의 적합성 등을 실험하였다.
대상 데이터
- 국내 중수로형 발전소의 사용후연료 결함 검사장비에 대한 검사공정의 안전성 및 검사장비의 성능과 기능을 확인하고 현장 적용시험을 하고자 월성발전소 사용후연료를 대상으로 시험 하였다. 사용후연료 검사 결과 연료 다발별로 BKG(Background) 대비 2배 정도의 방사능 값을 보였으며 이는 정상연료에서 나오는 방사능 값으로 판정되었다.
- 캐니스터는 사용후연료를 넣고 밀폐 시킬 수 있는 용기이며 뚜껑과 힌지, 핸들, 밀폐용 잠금장치, 연료 안착대, 노즐 등으로 구성되어 있다. 재질은 부식이나 압력에 강하고, 전해연마가 되어있어 제염이 용이하도록 하였으며 재질은 스테인리스 스틸 (STS 304)을 사용하였다. 뚜껑은 180° 열릴 수 있게 설계되어 연료 삽입/ 인출시 간섭이 없게 하였다.
이론/모형
- 시험장비는 한국표준과학연구원에서 보유하고 있는 표준장비를 이용해 측정하였고, 검출기를 포함한 분석 장치 전체에 대한 성능을 표준장비 측정값과 비교 분석하였다. 분석장치의 성능시험은 IAEA (International Atomic Energy Agency)에서 제시한 품질관리방법 (Code : IAEATECDOC-602)의 국제 규격서에 의해 평가하였다.[7] 국제규격서에서 제시한 물리적인 특성 시험은 에너지 분해능 (Energy resoluton) 시험, 민감도 (Sensitivity) 시험, 계수 정확도 (Counting precision) 시험 등이다.
성능/효과
- Table 6에서 보는 바와 같이 월성발전소에서 중수로형 발전소의 사용후연료 결함 검사장비를 시험한 결과 연료장착용 캐니스터 개폐, 실링, 펌프 및 밸브 동작상태, 측정계 지시값 (압력,유량), P&ID Display 상태, 수동/자동프로그램 동작 확인, 방사선검출기 민감도, MCA 입력신호 처리 계통, 분석프로그램운영, 사용후연료 방출 방사선에 대한 내구성 점검 (Seal 재질, Flexible 호스 등)에서 양호한 결과를 얻어 기능에 이상 없음을 확인하였다.
- 88 % 로서, 1% 미만의 결과를 얻었다. 따라서 한국표준과학연구원에서 시험한 중수로 사용후연료 건전성 검사장비의 기계적 성능과 분석장치의 검출성능이 안정적임을 확인하였다.
- 시험결과로 연료 장착 장비인 캐니스터의 수중 개폐 운영 및 밸브콘솔 운영, 장비패널과 핵종 분석장치의 운영에 문제가 없음을 확인하였다. 또한 월성발전소에서 발생된 결함연료에 대한 실제 검사를 수행하였으며 결함 의심되는 연료다발 중에서 결함연료만을 정확히 검출할 수 있었다.
- 국내 중수로형 발전소의 사용후연료 결함 검사장비에 대한 검사공정의 안전성 및 검사장비의 성능과 기능을 확인하고 현장 적용시험을 하고자 월성발전소 사용후연료를 대상으로 시험 하였다. 사용후연료 검사 결과 연료 다발별로 BKG(Background) 대비 2배 정도의 방사능 값을 보였으며 이는 정상연료에서 나오는 방사능 값으로 판정되었다. 또한 검사장비의 장비 부품별 성능검사와 내구성, 실제 적용성 등을 시험하였으며 그 결과는 Table 6 과 같다.
- 여기서 E(Ab)는 절대 효율 (%), CPS (Count per Second) 는 측정 계수율, DPS (Disintegrate per Second)는 핵종 붕괴율이다. 시험결과 개발 장비는 12.19%, 한국표준과학연구원 표준장비에서는 12.13%로 산출되어 장비의 오차율이 0.49%로 거의 같은 결과를 얻었다.
- 여기서 R(Er)은 에너지 분해능 (%), Er은 단일광자에너지 (keV)이다. 시험결과 개발장비의 분석장치 에너지 분해능 값은 6.51%, 한국표준과학연구원 표준장비 에너지 분해능 값은 6.57%로 측정되어 7%미만이었으며 두 장치의 비교 결과는 오차율이 0.91%로 1% 미만의 거의 같은 결과를 얻었다. 다음으로 민감도는 방사성 물질로부터 방출되는 방사선에 대한 검출기의 측정 능력으로서 민감도는 Table 2 와 동일한 조건으로 시험하였다.
- 개발된 검사장비의 신뢰성을 위하여 한국표준과학원에서 각종 시험을 수행하였으며 월성발전소에 서 장비의 부품별 성능검사와 내구성, 실제 적용성 등을 시험하였다. 시험결과로 연료 장착 장비인 캐니스터의 수중 개폐 운영 및 밸브콘솔 운영, 장비패널과 핵종 분석장치의 운영에 문제가 없음을 확인하였다. 또한 월성발전소에서 발생된 결함연료에 대한 실제 검사를 수행하였으며 결함 의심되는 연료다발 중에서 결함연료만을 정확히 검출할 수 있었다.
- 기계적 성능시험을 위해서 발전소 현장여건과 유사한 조건의 5 m 깊이의 수조 (Pit)에 충수하여 장비를 침수시켜 펌프 작동성, 밸브 동작성, 캐니스터 등의 건전성, 유량 및 진공도 등을 시험하였다. 시험결과로는 캐니스터의 기밀 및 배관, 밸브, 용접 이음부등의 기계적 건전성과 캐니스터의 진공치 등 공정의 적합성 및 기타 설치 분해 등의 기계적 기능에 대한 충분한 건전성을 확인하였다. 분석장치의 성능시험은 에너지 분해능, 민감도, 계수정확도 등을 시험하였으며 시험의 신뢰성을 확보하기 위해 국가인증 공인기관인 한국표준과학연구원 (KRISS)에서 성능시험을 수행하였다.
- 9 가 산출되었다. 이 산출 값은 모든 검출기에 대해 계수 정확도가 국제 품질 기준치인 16.92이내이어야 한다는 품질 규격서를 만족하는 것으로 나타났다 .[7] 또한 두 장치 간의 계수 오차율은 5회 반복 측정한 평균 계수율을 비교하여 계산하면 0.
후속연구
- 국내 최초로 개발된 중수로 사용후연료 결함 검사장비는 중수로 분야에서 국내 기술력 입증 및 우수성을 알리는 계기가 될 것으로 기대된다.
- 따라서 중수로 사용후연료 건전성 검사기술 및 장비 개발이 요구되었다. 또한 이러한 장비 및 기술이 개발되면 사용후연료의 처리뿐만 아니라 결함연료의 손상 원인을 파악할 수 있어 핵연료 제조 공정에 적용하여 중수로 핵연료 품질 향상에도 기여할 수 있을 것이다.
- 검사장비는 중수로형 발전소 사용후연료 수용조에 설치되며, 사용후연료 검사 시 고방사선을 내는 일부 장치 (캐니스터 및 주변 계통장치) 등은 수중에 설치되어 운영되어야 한다. 사용후연료 검사가 완료되면 장비 해체/제염 및 장비이동이 용이하여야 한다. 사용후연료에 결함이 있을 경우 연료봉 외부로 휘발성 원소인 Kryton, Xenon 및 금속석출물 형태인 Cesium 등의 핵분열성 핵종이 누출되는데[4] 이러한 핵분열성 핵종을 채집하고, 이를 측정 분석하여 사용후연료 결함여부를 검사/판별하게 된다.
- 연료에서 누출되는 핵분열성 Gas를 검사하는 방식으로 원자로에서 방출된 후 단기간 경과된 사용후연료에 적용.
- 1에서 보듯이 발전소 사용후연료 수용조의 5 m 깊이에 설치되어 검사가 이루어진다. 이를 위해서 사용후연료를 삽입 인출할 수 있도록 하는 캐니스터, 시료를 순환하고 시료를 채취할 수 있도록 유량 흐름을 조절할 수 있는 밸브 콘솔 (Valve Console), 고방사선으로 인하여 수중에 있는 기기를 원격으로 조종 할수 있는 장비 패널 (Equipment Panel), 휴대가 용이하고 프로그램 제어를 할 수 있는 제어 박스 (Operating Box), 핵분열 핵종을 검사하여 연료 결함을 판별할 수 있는 검출 장치가 필요하게 된다.
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