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문제 정의
- 이 논문에서는 요르단 연구용원자로 제어봉구동장치의 성능검증 중 내진시험 결과에 대하여 기술하였다. 내진시험은 지진하중을 가하는 동안에 그리고 시험 전과 후에 스텝모터의 구동시험, 공진탐색을 통한 고유진동수 측정, 낙하시험, 시험 완료 후 육안검사를 수행하였다.
제안 방법
- (1) 내진시험은 본품과 동일하게 제작된 원형과 원자로 구조물과 유사한 동특성을 갖도록 설계, 제작된 3개의 시험장치를 이용하였고, CRDM의 구동 성능, 낙하성능, 구조건전성을 평가하였다.
- 이 장치에서는 Fig. 4와 같이 X-Z 방향을 가진하게 되며, Type 1은 브라켓이 가진대 바닥에 설치된 경우이고, Type 2는 구동장치를 90˚ 회전시켜 수직면에 설치된 경우로 나누어 내진시험을 수행하였다.
- 구동성능시험은 시험장치 #3에서 OBE 하중 상태에서 스텝모터가 성능을 유지하며 오작동 없이 구동되는 가는 평가하기 위하여 수행하였다. 모터의 구동은 전진과 후진을 반복하며 상승 혹은 하강시키는 운전을 하였으며, 가진 전과 가진 중 측정한 위치신호를 비교하여 성능을 평가하였다.
- 이 논문에서는 요르단 연구용원자로 제어봉구동장치의 성능검증 중 내진시험 결과에 대하여 기술하였다. 내진시험은 지진하중을 가하는 동안에 그리고 시험 전과 후에 스텝모터의 구동시험, 공진탐색을 통한 고유진동수 측정, 낙하시험, 시험 완료 후 육안검사를 수행하였다. 이때 지진하중으로는 원자로 바닥과 상부에서의 운전기준지진(operating basis earthquake; OBE)과 안전정지지진(safe shutdown earthquake; SSE)이 사용되었다.
- 그러나 약 12 m 높이의 수조와 유체계통을 모사한 시험장치 #1을 이용하여 지진하중을 모사한 내진시험을 수행하는 데에는 현실적으로 어려움이 있었다. 따라서 CRDM의 연결봉을 기준으로 원자로 구조물 부분과 상부 수조벽에 설치되는 부분으로 나누어 시험장치를 제작하고 내진시험을 수행하였다.
- 이때 구조건전성 평가시험은 OBE 5회와 SSE 1회의 하중을 적용하였고, 시험 전과 후에 공진탐색을 통하여 얻은 고유진동수의 변화를 고찰하였다. 시험장치 #2에서는 고속카메라, 시험장치 #3에서는 구동장치에 있는 선형변환기를 이용하여 낙하시간을 측정하였고, 시험장치 #3에서는 OBE 하중 상태에서 스텝모터를 전진/후진 모드로 구동하여 구동성능 시험을 수행하였다.
- 시험장치 #4에서는 시험장치 #3에서 측정하지 못한 축방향(Z축) 가진에 따른 구조건전성 평가시험을 수행하였다. 이때 축방향 지진하중은 수직 설치된 구동장치의 중력 효과를 보상하여 RRS에 1.
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4.4 구조건전성 평가시험
시험장치 및 CRDM의 구조건전성은 5회의 OBE와 1회의 SSE 가진 전과 후에 공진탐색을 통해 얻은 고유진동수의 변화, 스텝모터의 구동성능, 시험 완료 후의 측정 및 육안검사 등을 종합하여 평가하였다.
- 2와 같은 형상을 갖는다. 이 시험장치는 모달해석과 시험을 통하여 원자로 구조물과 비슷한 동특성을 갖도록 설계, 제작하였고, 제어봉의 낙하시험을 수행하였다. 이때 구동장치는 감쇠장치가 포함된 dummy 구동장치를 이용하였다.
- CRDM이 설치되는 시험장치는 실제 원자로구조물과 같거나 유사한 동적 특성을 갖아야 내진시험 결과에 의미가 있다. 이 연구에서는 해석을 통한 원자로 구조물의 고유진동수와 모드형상을 기초로 하여 시험장치의 고유진동수가 해석값과 ±10 % 이내의 범위에 있거나 33 Hz 이상이 되도록 구현하였다.
- 이 연구에서의 지진하중은 원자로 바닥과 상부에서의 층응답스펙트럼(floor response spectrum: FRS)을 기준으로 요구응답스펙트럼(required response spectrum: RRS)을 생성하였으며, 실제 시험에서의 시험응답스펙트럼(test response spectrum: TRS)은 RRS를 모두 포함하도록 가진대에 입력되었다. 이때 시험장치 #2에서는 원자로 바닥에서의 값, 시험장치 #3에서는 원자로 수조 상부에서의 방향별 값을 적용하였으며, OBE 하중은 SSE/2 값을 적용하였다.
- 3과 같이 수조벽 상부를 모사한 시험장치로서 33 Hz 이상의 고유진동수를 갖도록 설계, 제작되었다. 이 장치에서는 연결봉 상부의 구동장치를 설치하여 지진하중 하에서의 구동시험 및 구동장치의 낙하시험을 수행하였다. 이때 연결봉 아래의 구동부는 무게추로 모사하였는데, 무게추는 구동부의 무게 뿐만아니라 OBE 하중으로 인한 수직방향 최대 동적하중을 고려하여 결정하였다.
- 시험장치 #2와 #3에서는 지진하중 하에서의 낙하시간 측정 및 CRDM의 구조적 건전성을 평가하였다. 이때 구조건전성 평가시험은 OBE 5회와 SSE 1회의 하중을 적용하였고, 시험 전과 후에 공진탐색을 통하여 얻은 고유진동수의 변화를 고찰하였다. 시험장치 #2에서는 고속카메라, 시험장치 #3에서는 구동장치에 있는 선형변환기를 이용하여 낙하시간을 측정하였고, 시험장치 #3에서는 OBE 하중 상태에서 스텝모터를 전진/후진 모드로 구동하여 구동성능 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 반응도 제어장치의 성능검증에는 4개의 시험장치가 사용되었는데, 시험장치 #1은 원자로 높이와 노심 구조를 실제 원자로와 동일하게 모사한 장치로서 1개씩의 CRDM과 SSDM을 설치하여 구동성능, 낙하성능, 내구성능 등의 시험을 수행하였다(9). 그러나 약 12 m 높이의 수조와 유체계통을 모사한 시험장치 #1을 이용하여 지진하중을 모사한 내진시험을 수행하는 데에는 현실적으로 어려움이 있었다.
데이터처리
- 구동성능시험은 시험장치 #3에서 OBE 하중 상태에서 스텝모터가 성능을 유지하며 오작동 없이 구동되는 가는 평가하기 위하여 수행하였다. 모터의 구동은 전진과 후진을 반복하며 상승 혹은 하강시키는 운전을 하였으며, 가진 전과 가진 중 측정한 위치신호를 비교하여 성능을 평가하였다. Fig.
이론/모형
- JRTR 제어봉구동장치는 USNRC Reg. guide에 따라 내진등급 I로 분류되었으며(11), 내진시험은 3개의 시험장치에서 IEEE 344-2004을 준용하여 작성된 내진시험 절차서에 따라 수행하였다(12,13). 시험결과의 평가를 위한 주요 요건으로 첫째, 스텝모터는 운전기준지진(OBE) 하에서 정상적으로 작동하여야 한다.
성능/효과
- (2) 제어봉구동장치의 스텝모터는 hunting, 전진과 후진 모드의 운전에 대하여 지진하중 전과 후, 그리고 가진 중에도 오작동 없이 원활한 구동을 보였다.
- (3) 지진하중 조건에서의 총 낙하시간은 OBE 하중에서 1.169초, SSE 하중에서 1.855초로 측정되었으며, 이들은 설계요건인 2.0초를 만족하였다.
- (4) 구동장치 및 시험장치는 OBE 5회와 SSE 1회의 지진하중에 대하여 시험 전과 후에 거의 동일한 고유진동수를 보였고 그 기능을 유지하며 구조적으로 건전함을 보였다.
- (5) 내진시험 후의 구동장치 및 시험장치에 대한 육안검사 결과는 시험 전과 차이가 없었으며, 지진하중으로 인한 마모나 손상이 발생하지 않았음을 확인하였다.
- (6) 제어봉구동장치는 OBE 하중하에서 정상적인 구동성능을 보였고, SSE 하중하에서 낙하시간 요건을 만족하는 낙하성능을 보였다.
- 구동장치 지지보의 중앙에 설치된 가속도계(Acc3)로 측정한 고유진동수는 X방향 23 Hz, Z방향 27 Hz를 보였으며, 가진대의 바닥면에 설치한 경우(Type 1)에도 비슷한 결과를 보였다. 따라서 이들 결과로부터 구동장치는 지진하중에 대하여 동특성 변화 없이 건전성을 유지하였음을 확인하였다.
- 이때 지진하중으로는 원자로 바닥과 상부에서의 운전기준지진(operating basis earthquake; OBE)과 안전정지지진(safe shutdown earthquake; SSE)이 사용되었다. 또한 내진시험은 CRDM의 구조 및 시험 조건 등을 종합적으로 고려하여 설계, 제작된 3개의 시험장치를 이용하였고, CRDM이 지진하중 하에서 구조적 건전성을 유지하며 원활히 작동하고 낙하한다는 것을 검증하였다.
- 0초를 잘 만족하였다. 또한 시험장치 #2와 #3에서의 내진시험을 수행하는 동안 CRDM은 전자석의 전원 차단시 요구된 시간 내에 낙하된다는 것을 확인하였으며, SSE 하중 하에서도 우수한 낙하성능을 보였다. Fig.
- 정현파 공진탐색으로 구한 시험장치의 기본진동수는 25 Hz이고, 모드형상은 8개의 가속도계 신호 중 가장 큰 신호로 정규화하여 나타내었다. 이들 시험 결과는 해석을 통한 원자로집합체의 고유진동수 및 모드형상과 잘 일치하였으며, 이를 통하여 이 내진시험은 실제와 유사한 동특성을 갖는 시험장치에서 수행될 수 있다는 것을 확인하였다. 상대적으로 단순한 시험장치 #3에 대해서도 모달해석 및 측정을 통하여 동특성 검증을 완료하였고, 그 후에 CRDM을 시험장치에 설치하여 내진시험을 수행하였다.
- 최종적으로 평가된 낙하시간은 OBE와 SSE 하중하에서 각각 1.169초와 1.855초이다. 이는 지진하중 동안의 감쇠전 낙하시간에 대한 설계 요건인 2.
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