KR20000013152A - 원자로내 고비방사능 동위원소 생산용 표적이송 및 조사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 조사용기(10)를 장입하도록 되어 있는 통형 하우징(3), 상기 통형 하우징(3)의 하단에 부착되어 바닥 스프링(6)에 의해 상기 조사용기(10) 하단을 지지하도록 되어 있으며 축선을 중심으로 동심원 상에 복수개의 유통공(5)이 관통된 하부뭉치(8) 및, 상기 통형 하우징(3)의 상단에 착탈 가능하게 장착되어 상기 조사용기(10) 상단을 상기 바닥 스프링(6)에 대해 압박하며 축선을 중심으로 동심원 상에 복수개의 유통공(13)이 관통 형성되어 있는 상부뭉치(16)로 구성되어 있는 조사용기 장입 이송장치(1)에 관한 것으로, 원자로의 중성자속이 높은 인코어에서 중성자 조사에 의해 비방사능이 높은 방사선원(放射線源)을 대량으로 생산하기에 알맞도록 조사용기 장입 이송장치(1)의 방진 및 방열 성능을 향상시키고자 하는 것이다.

Description

원자로내 고비방사능 동위원소 생산용 표적이송 및 조사장치(Target transfer and irradiation tool for high specific RI production in nuclear reactor)

본 발명은 고비방사선원을 생산하기 위한 표적조사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자로의 중성자속이 높은 인코어에서 중성자 조사에 의해 비방사능이 높은 방사선원(放射線源)을 생산하는 데 적절히 이용할 수 있는 표적조사장치에 관한 것이다.

오늘날 방사성 동위원소의 이용범위와 이용기술은 급속도로 발전하고 있으며, 방사선 동위원소로부터 나오는 방사선을 일반적으로 혐오하는 경향이 있음에도 불구하고 이처럼 이용량이 많은 이유는 방사성 동위원소가 갖는 고유특성 때문이며, 고유특성 중 대표적인 것은 미량이면서도 강한 투과력을 갖는 방사선을 방출하여 그것으로부터 산업체 및 여러 방면에 이용할 수 있다는 점이다.

이는 곧 방사성 동위원소가 거의 질량을 갖지 않는 에너지원임을 뜻하며 그것이 산업, 의료, 과학연구 등에 뚜렷한 기여를 하는 이유이다. 1995년 현재 1000여개의 방사성 동위원소 이용업체에서 방사선비파괴검사, 방사성 동위원소 게이지, 산업용 방사성추적자, 체내투여진단 및 치료, 체외이용진단, 체외 방사선조사치료, 방사선멸균, 방사선식품조사, 방사선유전공학연구 등 여러 가지 형태로 방사성 동위원소가 이용되면서 산업기술발전과 생산성향상, 공해방지, 산업안전, 의료기술발전과 복지구현, 식량증산과 식품보전, 기초과학발전 등 일일이 열거하기 힘들만큼 매우 큰 기여를 하는 것이 사실이다.

그런데, 방사성 동위원소를 왕성하게 이용하여 제반 혜택을 누리려면 그 공급이 원활해야 하는데 그러려면 국산 방사성 동위원소가 충분히 수요를 만족시킬만큼 여유있게 공급될 수 있어야 한다. 방사성 동위원소는 원자로나 가속기로부터 생산될 수 있는데 불행하게도 우리나라에는 최근까지 2MW급 소형 연구용원자로만 가동되어 왔기 때문에 이를 이용해서 소규모로 생산할 수밖에 없었고 가속기도 근년에 수대가 설치되었으나 그전까지는 원자력병원의 의료용 싸이크로트론만이 운영되어 왔다. 또한, 가속기로는 일반적으로 의료용 단반감기 방사성 동위원소 핵종생산만이 유리하여 전체적인 방사능 기준 수요량 충족을 위해서는 역시 연구용원자로 이용생산에 기대할 수밖에 없었다.

이에, 방사성 동위원소를 증산 공급하여 산업기술, 의료기술, 기초과학, 산업안전, 환경보전 등 과학기술 전반에 걸친 발전을 이룩하기 위해서 다목적 연구용원자로가 개발되어 국내에서 수요되는 방사성 동위원소의 자급률 향상을 도모하고자 하였으며, 아울러 중형 원자로를 이용한 방사성동위원소의 대량생산을 위한 연구개발의 일환으로서 대량생산에 적합한 부대장비들도 함께 개발되기에 이르렀다. 다시 말해, 종래에 사용되던 방식대로 방사성 동위원소의 생산효율성을 증대시킬 수 없게 되므로, 부대장비나 취급장치 등의 동반 개발은 필수적으로 요구되는 것이었다.

이러한 부대장비의 하나로 개발된 것이 원소의 종류에 따라 다르나 많은 양의 물질을 장입하여 동시에 방사선 조사를 할 수 있도록 제작된 표적 조사용기이며, 또한 조사용기를 투입하여 중성자 조사를 하기 위한 원자로 및 중성자 조사 전후의 작업을 하기 위한 작업대가 설치되어 있는 풀(pool)이다.

이러한 중성자 조사용 풀(101)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 크게 원자로 풀(103), 작업풀(105), 폐연료 저장풀(107) 및 원자로 풀(103)과 작업풀(105)을 연결해주는 유수로(109)로 이루어져 있다. 전체 풀(101)의 상단에는 작업 이송용 맨브리지 크레인(111 : man-bridge crane)이 풀(101)의 좌우로 이동가능하게 설치되어 있으며, 원자로 풀(103)의 바닥면에는 원자로(104)가 설치되어 있고, 작업풀(105)의 바닥면에는 작업대(115)가 설치되어 있다.

또한, 풀(101)에는 중성자 조사로 인해 방사화된 조사용기나 작업 장비로부터 방출되는 방사선을 차폐하는 수단으로서 증류수가 7 내지 8할 정도 채워져 있으며, 원자로(104)의 내외곽을 형성하는 인코어(122)와 아웃코어(124)의 벽체에는 상단면으로부터 개방되어 들어간 복수개의 조사공(117)이 원주방향으로 배열, 형성되어 있다.

여기에서 맨브리지 크레인(111)으로 조사용기(119)를 이동시키기 위해 종래에는 도 3에 도시된 바와 같은 케이블(121)과 이 케이블(121) 끝부분에 장착되어 있는 볼락기구(123 : ball lock system)를 사용하여 왔다. 여기에서 케이블(121)은 SUS 재질의 와이어로 되어 있으며, 상단에 맨브리지 크레인(111)에 고정하기 위한 링(125)이 부착되어 있고, 하단에 Al 체인(127)을 통해 볼락(123)이 연결되어 있다. 이 볼락(123)은 아래쪽에 조사용기(119)가 결합되도록 도 4에 단면 상태로 분해 도시된 바와 같이, 체인(127)과의 연결을 위한 체인 커넥터(129), 이 커넥터(129)에 부착되어 있으며 조사용기(119) 상단의 돌기(131)가 끼워지는 스핀들(133) 및 내부에 스핀들(133)이 장착되는 섕크(135)로 이루어진 구조를 가지고 있다. 따라서 도 5에 평면 상태로 도시된 작업대(115)의 장착홀(137)에 조사용기(119)를 끼워넣고, 볼락(123)의 스핀들(133) 내부에 돌기(131)가 삽입되도록 한 뒤, 스위블 암(141)을 체인 커넥터(129)와 섕크(135) 사이에 건 뒤, 체인 커넥터(129)를 위쪽으로 끌어당기면 스핀들(133) 하단에 좌우로 이동가능하게 장착되어 있는 볼(137)이 섕크(135) 내주면 하단의 홈(139)으로부터 이탈되어 돌기(131)의 외주면에 쐐기식으로 끼워짐으로써 조사용기(119)가 볼락(123)에 고정된다.

그리고 나서, 케이블(121)에 결합된 조사용기(119)를 크레인(111)을 통해 원자로 풀(103)로 옮겨 원자로(104) 조사공(117)에 투입하게 된다. 조사공(117)에서 케이블(121)에 메어달린 채로 중성자 조사가 완료된 조사용기(119)를 다시 작업대(115)로 이동시켜 장착홀(137)에 삽입한 뒤 도 5의 스위블 암(141)을 회전시켜 도 3에 도시된 상태와 같이 암(141)이 볼락기구(123)의 체인 커넥터(129)와 섕크(135) 사이에 끼워지도록 한다. 그리고 작업용 툴을 이용하여 커넥터(129)를 밀어내림으로써 쐐기 결합되어 있던 볼(137)과 돌기(131)의 결합을 해제시켜 조사용기(119)의 운반을 완료하게 된다.

이와 같이 복잡한 작업을 통하여 조사용기(119)와 볼락기구(123)를 결합하여 조사용기(119)를 운반하게 되는 것은 조사용기(119)를 제외한 나머지 운반에 사용되는 모든 기구들이 일회용이 아니므로, 일단 방사화되면 작업자가 직접적으로 기구를 조작할 수 없게 되기 때문이기는 하나, 볼락기구(123)와 같이 구조가 복잡한 장치를 사용해야하고, 또한 일회에 1개씩의 조사용기(119)만을 조사공(117)에 장입하도록 되어 있으므로 중성자 조사작업 전후에 소요되는 작업시간이 지나치게 지연되는 문제점이 있었다. 아울러 조사용기 (119)를 케이블(121)에 결합하기 위한 조작이 매우 까다로울 뿐만 아니라, 볼락기구(123) 자체의 생산 단가가 고가이므로 결과적으로 방사선원 디스크의 제작 단가를 상승시키는 등의 문제점이 있었다.

또한, 이러한 문제점을 해소하기 위해 진공 흡착식 이송장치(201)가 제안된 바 있다. 이 장치(201)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 진공압을 발생시키는 진공펌프(210)와, 이 진공펌프(210)로부터 발생되는 진공압을 풀(101) 내의 소정의 위치까지 전달하는 진공호스(220)와, 이 진공호스(220)로부터 전달되는 진공압을 이용하여 방사성 동위원소 조사용기(119)를 흡착시키는 진공흡착구(230)로 구성되어 있다.

진공펌프(210)의 하부에는 원자로 풀(103) 내부로부터 흡입되는 물을 일시적으로 저장, 배출하는 물탱크(213)가 일체로 구비되어 있으며, 이 물탱크(213)에는 방사능 오염된 원자로 풀(103)의 물을 맨브리지 크레인(111) 상단으로 넘치지 않고 직접 원자로 풀(103)에 되돌리 수 있도록 드레인 호스(drain hose; 219)가 설치되어 있으며, 진공호스(220)는 진공펌프(210)와 진공흡착구(230)를 연통시키며, 자동 호스릴장치(221)에 자동으로 권취되어 보관된다.

이와 같은 진공흡착식 조사용기 이송장치(201)는 방사성 동위원소의 생산시 조사용기(119)를 진공 흡입력으로 흡착, 이송하여 조사공(117)에 장전, 탈거할 수 있게 됨으로써 다수개의 조사용기(119)를 1개의 조사공(117)에 한꺼번에 장전 조사시킬 수 있게 됨과 아울러 방사선원의 생산을 대량화할 수 있도록 하였다.

따라서, 방사성 동위원소 생산을 위해 해당 원소를 내장한 조사용기(119)를 원자로(104)의 아웃 코어(124)내의 중성자 조사공(117)에 장입하여 중성자로 조사하고자 할 경우 흡착식 조사용기 이송장치(201)의 진공흡착구(230)를 통해 조사용기(119)를 흡착하여 이동시킨 다음 조사공(117)에 장입한 뒤 중성자 조사를 진행하게 된다.

그런데, 이러한 흡착식 조사용기 이송장치(201)를 사용할 경우 간단한 진공 흡착구조로 인해 위에서 언급한 바와 같은 볼락기구(123) 처럼 구조가 복잡해지거나 사용상 작업공수를 많이 요구하는 문제점은 다소 해소되나 조사공(117)에 다수의 조사용기(119)를 장입할 경우 장입 갯수에 비례하여 작업공수가 늘어나고, 아웃코어(124)의 조사공(117)에서 획득할 수 있는 중성자 속이 목표치보다 낮은 경우 수차례에 걸쳐 조사용기(119)를 다른 조사공(117)으로 이송, 재장전하여 중성자 조사를 계속적으로 진행해야 하는 등의 문제점이 있었다.

무엇보다도 위에서 언급한 바와 같은 조사용기 이송장치들의 경우 방열성능이 낮기 때문에 중성자 조사로 인해 표적 즉, 조사용기에서 발생하는 반응열을 원활하게 방출할 수 없어 고단위의 중성자속에서 중성자 조사시 상대적으로 고열이 발생하는 인 코어(122)의 조사공(118)에 조사용기(119)를 장입하여 고비방사능 선원을 생산하는 데는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 위와 같은 종래의 조사용기 이송장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 조사용기를 장입 이송하는 데 사용하는 장치의 방열성능을 향상시킴으로써 높은 중성자속으로 인해 중성자 조사시 상대적으로 많은 반응열이 방출되는 원자로의 인 코어에서 고비방사능의 방사선원을 생산할 수 있도록 함과 동시에 중성자 조사시 방열을 위한 냉각수의 유동으로 인해 조사용기가 진동을 일으켜 원자로 자체의 안전성을 해치는 일이 없는 조사용기 장입 이송장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

아울러, 하나의 이송장치 하우징에 다수개의 조사용기를 장입하여 여러개의 조사용기를 동시에 높은 중성자속에서 조사할 수 있도록 함으로써 다용도로 응용이 가능한 고비방사능 선원을 대량으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 간단하고 안정성 높은 조사용기 고정구조를 채용함으로써 조사용기의 장입작업을 신속하고 용이하게 하면서도 사후 유지보수가 편리한 조사용기 장입 이송장치를 제공하고자 하는 데 또다른 목적이 있다.

도 1은 원자로 풀의 개략 종단면도.

도 2는 도 1의 개략 평면도.

도 3은 조사용기를 이송하는 종래의 볼락기구를 도시하는 종단면도.

도 4는 종래의 또다른 조사용기 이송장치를 개략적으로 나타내는 원자로 풀의 개략 종 단면도.

도 5는 도 4에 도시된 조사용기 이송장치의 측면 확대도.

도 6은 조사용기가 장입된 상태의 본 발명에 따른 조사용기 장입 이송장치를 도시하는 부분 생략 종단면도.

도 7은 도 6에 도시된 이송장치의 측단면 및 평면을 보인 분해도.

도 8은 도 6 및 7에 도시된 섕크부와 조사용기 상단 팁이 결합되는 상태를 나타내는 부분 상세도.

도 9는 본 발명에 따른 이송장치가 삽입되는 원자로 조사공 조립홈의 개략 사시도.

도 10은 본 발명에 따른 이송장치의 성능 실험결과 중 유량에 따른 압력강하의 변화를 나타내는 그래프.

도 11은 도 10의 실험결과 중 유량에 따른 진동 주파수의 변화를 나타내는 그래프.

도 12는 도 10의 실험결과 중 유량에 따른 RMS 변위의 변화를 나타내는 그래프.

도 13은 도 10의 실험결과 중 유량에 따른 최대 변위의 변화를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 조사용기 장입 이송장치 2 : 하단암 세레이션부

3 : 하우징 7 : 하부몸체

8 : 하부뭉치 10 : 조사용기

11 : 캡 14 : 상단 암세레시션부

16 : 상부뭉치 17 : 섕크부

19 : 헤드부 21 : 상단 수세레이션부

27 : 그립헤드 29 : 하단 수세레이션부

31 : 가동 치부 37 : 스토퍼

39 : 조사공 40 : 고정판

41 : 조립홈 43 : 로드팁

47 : 상단 스프링

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해, 하나 이상의 조사용기를 장입하도록 되어 있는 통형 하우징, 이 통형 하우징의 하단에 부착되어 바닥 스프링에 의해 조사용기 하단을 지지하도록 되어 있으며 축선을 중심으로 동심원 상에 복수개의 유통공이 관통된 하부뭉치 및, 통형 하우징의 상단에 착탈 가능하게 장착되어 조사용기 상단을 바닥 스프링에 대해 압박하며 축선을 중심으로 동심원 상에 복수개의 유통공이 관통 형성되어 있는 상부뭉치로 구성되어 있는 조사용기 장입 이송장치를 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 고비방사능 선원을 생산하기 위한 조사용기 장입 이송장치를 첨부도면을 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 6 및 도 7에 참조번호 1로 도시된 바와 같이, 본 발명의 조사용기 장입 이송장치는 크게 통형 하우징(3), 이 통형 하우징(3)의 하단 개구부에 삽입 부착되는 하부뭉치(8) 그리고 통형 하우징(3)의 상단에 착탈 가능하게 장착되는 상부뭉치(16)로 구성되어 있다.

여기에서, 통형 하우징(3)은 대체로 도시된 것처럼 원통형의 몸체를 가지고 있으며, 그 내부에는 방사선 조사가 필요한 복수개의 방사선원이 내장된 조사용기(10)가 하나 또는 그 이상 장착되도록 되어 있다. 또한 하부뭉치(8)와 상부뭉치(16)가 결합되는 부위를 제외한 하우징(3)의 내주면에는 하우징(3)의 축선과 평행하게 종방향으로 뻗어있는 세레이션부(2)가 가공되어 있다.

이와 같이 세레이션부(2)가 하우징(3)의 내주면에 가공되어 내주면에 복수개의 나사산과 나사골이 형성되므로 하우징(3) 하단쪽에서 화살표(A)로 표시된 바와 같이 유입되어 상단쪽으로 화살표(B)와 같이 유출되는 냉각수는 조사용기(10)와 내주면 사이에서 원활한 유동에 필요한 유로를 충분히 확보할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 세레이션부(2)의 나사산이 중심쪽으로 돌출되는 형상을 가지고 있으므로 위와 같이 충분한 유로를 확보함과 동시에 나사산의 끝단으로 유수의 충격으로 인한 조사용기(10)의 횡방향 떨림을 억제할 수 있게 된다.

하우징(3)의 하단부에 삽입되어 용접 등에 의해 고정되도록 되어 있는 하부뭉치(8)는 다시 하부 몸체(7)와 하부 몸체(7)의 중심에 리벳 등과 같은 고정수단에 의해 고정 부착되는 로드팁(43) 그리고 로드팁(43)의 외주면에 미끄럼 가능하게 장착되어 있는 돌출부(37)으로 이루어져 있으며, 여기에서 하부몸체(7)는 하우징(3)의 하단 개구부에 끼워지는 일종의 캡으로서, 축선을 중심으로 동심원 상에 복수개의 유통공(5)이 축방향으로 관통 형성되어 조사용기(10)를 방열시키기 위한 냉각수가 원자로 풀의 하단으로부터 하우징(3) 안으로 상향 유입될 수 있도록 한다. 또한 하부몸체(7)의 중심위치에는 상부면으로부터 축방향으로 안착홈(9)이 하향 개구되어 이 안착홈(9)에 장착되는 바닥 스프링(6)으로 하우징(3) 내에 삽입 장착되는 하나 이상의 조사용기(10)를 탄력적으로 지지하도록 되어 있다.

하부몸체(7)의 하단면의 중심에 삽입 부착되는 로드팁(43)은 길고 상대적으로 가는 몸체를 가진 샤프트로 하단부에 조사공(39) 하부 고정판(40)의 조립홈(41)에 끼워지는 걸림돌기(50)가 좌우 양측면으로 돌출 형성되어 있다. 또한 걸림돌기(50)의 바로 위쪽 로드팁(43)의 외주면에는 하부몸체(8) 하단면과의 사이에서 스토퍼 스프링(35)을 지지하도록 되어 있는 스토퍼(37)가 미끄럼 가능하게 삽입되어 있으며, 이 스토퍼(37)에는 조사공(39)의 하단으로부터 유입되는 유체가 저항을 받지 않고 원활하게 유동하도록 하기 위한 복수개의 유통공(45)이 관통 형성되어 있다.

그리고, 하우징(3)의 상단에 착탈 가능하게 삽입 장착되는 상부뭉치(16)는 다시 하우징(3) 상단 개구부에 나사 결합되는 캡(11), 이 캡(11)의 삽입공(15)에 끼워지는 그립헤드(27) 그리고 그립헤드(27)의 하단에 장착되는 가동치부(31)로 구성되어 있다.

여기에서 캡(11)은 하우징(3)의 상단 내주면에 형성된 암나사부(49)와 결합되도록 하부 외주면이 수나사부(51)로 가공되어 있으며, 축선상에 그립헤드(27)가 미끄럼 가능하게 삽입 관통되는 삽입공(15)이 종방향으로 형성되어 있는데, 이때 삽입공(15)의 상단 내주면에는 암세레이션부(14)가 종방향으로 가공되어 있다. 또한 삽입공(15)의 주위에는 조사용기(10)를 거쳐 올라온 냉각수가 통과하는 유통공(13)이 삽입공(15)을 중심으로 복수개 관통 개구되어 있으며, 캡(11) 상면의 유통공(13) 바깥쪽 임의의 위치에는 하우징(3)의 진동으로 인해 캡(11)이 탈락되는 것을 방지하기 위한 수단으로서 볼 스토퍼(57)가 구비되어 있는데, 이 볼 스토퍼(57)는 일반적인 와셔의 역할을 하도록 캡(11)의 상면과 접촉하고 있는 볼을 내부 스프링에 의해 가압하고 있다.

또한, 캡(11)의 삽입공(15)에 끼워지는 그립헤드(27)는 외부파지 수단과 결합되는 상측 헤드부(19)와 캡(11)에 미끄럼 가능하게 직접 삽입되는 섕크부(17)로 이루어져 있는데, 여기에서 헤드부(19)는 외부파지 수단과 결합되도록 예컨대 도 6 또는 도 7에 도시된 바와 같이 체결공(53)이 형성되어 있고, 고정을 위한 결합홈(55)이 체결공(53)의 내주면에 가공되어 있다. 헤드부(19)의 외주면 하부에는 또한 돌출부(23)가 형성되어 섕크부(17) 둘레에 끼워지는 캡 스프링(25)을 캡(11)의 상면에 대해 가압하도록 되어 있다.

그립헤드(27)의 하부를 구성하는 섕크부(17)는 캡 삽입공(15)에 상하 미끄럼 이동이 가능하게 삽입되어 단일 장입되어 있거나 또는 복수개로 적층되어 있는 조사용기(10) 상단을 그 하부면으로 바닥 스프링(6)에 대해 압박하여 냉각수 유동으로 인한 조사용기(10)의 요동 등 불필요한 흔들림을 최대한 억제하도록 되어 있다. 이때, 섕크부(17)의 하부면에는 접촉되는 조사용기(10)의 상단 팁(20) 부분에 대한 구속력을 보강하기 위해 도 8에 도시된 바와 같이 안착홈(63)이 가공될 수도 있다.

또한, 섕크부(17)는 외주면의 중간 부분에 즉, 캡(11) 삽입공(15) 상단의 암세레이션부(14)와 대응하는 위치에 이 암세레이션부(14)와 착탈 가능하게 맞물림되는 수세레이션부(21)가 종방향으로 가공되어 있다. 또한 섕크부(17)의 하단 외주면에는 스냅링(58)에 의해 가동치부(31)를 지지하도록 되어 있는 가동치부자리(59)가 구비되어 있다.

가동치부자리(59)에 장착되어 반달키이(61) 등과 같은 회전방지수단에 의해 섕크부(17)와 일체로 회전하도록 되어 있는 가동치부(31)는 중심 위치에 섕크부(17)가 끼워지는 관통공(33)이 가공되어 있으며, 외주면에는 하우징(3) 내주면의 세레이션부(2)와 상하이동에 따른 착탈이 가능하도록 되어 있는 하단 수세레이션부(29)가 종방향으로 가공 형성되어 있다. 그리고 가동치부(31)도 또한 관통공(33)의 반경방향 바깥쪽에 냉각수의 유동을 가능하게 하기 위한 복수개의 유통공(30)이 종방향으로 관통 형성되어 있다.

아울러, 캡(11)의 상부면 에지부분에는 복수개의 상단 스프링(47)이 도 에 도시된 바와 같이 삽입공(15) 바깥쪽에 동심으로 배열 장착되어 조사공(39)의 내주면에 탄성적으로 접촉하도록 되어 있는데, 이 상단 스프링(47)은 절곡된 와이어 형태로 절곡으로 인한 반발력에 의해 조사공(39)의 내주면에 대해 가압되어 하우징(3) 내외주 부분을 통해 유동하는 냉각수로 인한 하우징(3) 자체의 진동 등을 억제하도록 되어 있다.

위와 구성을 갖는 본 발명의 조사용기 장입 이송장치는 바람직하게는 하우징(3) 부분이 방열성능이 우수한 60 또는 61계열의 알루미늄 재질로 되어 있고, 각종 스프링 들이 중성자 조사시에도 우수한 내구성을 가지며 따라서 에이징(Aging) 현상이 적은 인코넬(inconel) 재질로 되어 있는 것을 제외하면 대체로 SUS 304 ∼ 316 계열의 강이 사용되는데, 이들 재료들은 아울러 내식성이 강하고, 중성자 조사에 따른 재결정으로 인한 기계적 성질의 취화가 적게 나타나는 특성을 갖는다.

따라서 본 발명에 따른 조사용기 장입 이송장치(1)에 의해 다량의 고비방사능을 띠는 방사선원을 생산하고자 하는 경우, 먼저 중성자 조사의 대상이 되는 다수의 방사선원 표적을 일정한 용기에 담아 조사용기(10) 내부에 상하로 적층하여 장입한다.

그리고 나서 상부뭉치(16)를 하우징(3)으로부터 빼낸 다음 위와 같이 준비된 하나 이상의 조사용기(10)를 하우징(3) 내부에 적층시켜 장입한 다음 상부뭉치(16)를 도 6에 도시된 바와 같은 상태로 닫게 되는데, 이때 캡(11)의 수나사부(51)가 하우징(3)의 암나사부(49)에 나사식으로 체결되며 섕크부(17)의 하단부분이 조사용기(10)이 팁(20) 부분을 가압하여 바닥 스프링(6)에 대해 조사용기(10) 들을 압박함으로써 용기(10)의 흔들림을 억제하게 된다.

이와 같이 조사용기(10)의 장입이 완료되면 헤드그립(27) 상단의 헤드부(19)를 외부의 맨브레인 크레인과 같은 파지수단에 의해 파지하여 도 9에 도시된 바와 같은 원자로의 조사공(39), 특히 약 2×10¹⁴n/㎠sec 로 중성자속이 높은 인코어 부분의 조사공(39)에 본 발명의 조사용기 장입 이송장치를 삽입하게 된다. 삽입시 하부뭉치(8)의 스토퍼(37)가 조사공(39) 하부의 지지판(40)에 걸리게 되면 외력에 의해 스토퍼 스프링(35)이 압축되면서 로드팁(43) 부분만이 지지판(40)의 관통공(42)을 통과하게 되며 로드팁(43)의 걸림돌기(50)가 관통공(42)을 완전히 통과한 상태에서 하우징(3)을 90°만큼 회전시킨 후 외력을 해제하면 조사공(39)의 지지판(40) 아래쪽에서 유입되는 냉각수의 수압과 스토퍼 스프링(35)의 복원력에 의해 상향 가압되는 걸림돌기(50)가 지지판(40)의 하부면에 가공된 조립홈(41)에 끼워짐으로써 이송장치(1)의 조사공 장입이 완료된다.

그런데 위에서와 같이 하우징(3)을 회전시키기 위해서는 외부 파지수단으로 그립헤드(27)를 하향 가압하여 캡(11)의 암세레이션부(14)와 섕크부(17)의 상단 수세레이션부(21)의 결합이 풀림과 동시에 가동 치부(31)의 하단 수세레이션부(29)가 하우징(3) 내주면의 세레이션부(2)에 맞물림되도록 한 상태에서 그립헤드(27)를 돌려야 하며, 이때 섕크부(17)가 캡(11)의 삽입공(15)에서 공회전하므로 그립헤드(27)의 회전으로 인해 캡(11)이 풀리거나 잠기는 일은 없다.

이송장치(1)가 조사공(39)에 장입된 후 원자로가 가동되면 조사용기(10) 내에 장입되어 있는 방사선원은 원하는 바에 따라 중성자 조사가 이루어지는데, 이때 조사되는 방사선원으로부터 발생되는 핵반응열을 하우징(3)의 내부로 유동하는 냉각수로 냉각하게 된다.

이를 위해 하부뭉치(8)와 상부뭉치(16)의 일정 부위에는 유동로가 확보되어 냉각수의 원활한 유동을 보장하도록 되어 있는데, 다시 말해 조사공(39)의 하단으로부터 유입된 냉각수는 먼저 스토퍼(37)의 바깥쪽으로 또는 유통공(45)을 통해 화살표(A) 방향으로 하부몸체(7)의 유통공(5)에 유입된다. 유통공(5)을 통과한 냉각수는 하우징(3)의 내주면에 가공된 세레이션부(2)와 조사용기(10) 사이에 확보된 유로를 통과하면서 조사용기(10)를 냉각시킨다. 그런 다음 가동 치부(31)와 캡(11)에 종방향으로 관통되어 있는 각각의 유통공(30,13)을 거쳐 화살표(B) 방향으로 배출되면서 조사용기(10) 냉각을 위한 사이클을 마치게 된다.

그런데, 이와 같이 냉각수가 조사용기(10) 주위를 유동하게 되더라도 조사용기(10)가 바닥 스프링(6)의 탄성 반발력에 의해 가압됨과 동시에 세레이션부(2)의 나사산 부위에 의해 약간의 틈새만을 유지한 상태로 구속되므로 하우징(3) 내부에서의 조사용기(10) 요동 등은 최대한 억제된다.

이렇게 해서 한 사이클의 조사용기 조사작업이 종료되면 다음 차례의 조사용기를 다시 조사하게 되며, 이를 위해 조사가 끝난 이송장치(1)를 조사공(39)으로부터 빼내어 방사선 차폐된 별도의 작업실로 옮긴다.

그리고 나서 원격조정에 의해 그립헤드(27)를 도 6에 도시된 상태 그대로 회전시키면 그립헤드(27)의 회전력이 암세레이션부(14)와 상단 수세레이션부(21)의 결합을 통해 캡(11)으로만 전달되고, 가동치부(31)는 반대로 맞물림 해제된 상태로 공회전하게 되므로 캡(11)을 죄거나 풀 수 있게 된다. 이에 따라 상부뭉치(16)를 하우징(3)에서 탈거한 후 다음 조사용기(10)들을 이송장치(1)에 장입한 뒤 재차 닫으면 이후의 중성자 조사작업이 완료된다.

이와 같이 제작된 조사용기 장입 이송장치(1)가 조사공(39)에 장입되었을 때 원자로의 운전조건을 만족하는 지 확인하고 또한 이송장치(1)의 유체유인 진동특성 등을 측정하기 위한 압력강하 및 진동실험결과를 요약기술하면 다음과 같다.

먼저, 압력강하 실험의 경우 순환수 온도 40℃, 유량 0.5 내지 2.5 ㎏/s 범위에서 3회에 걸쳐 실시하고, 진동실험의 경우 압력강하와 동일한 수온 및 유량범위에서 이송장치(1)의 그립 헤드(27) 부분에 대하여 90°간격을 두고 2 지점에서 측정한다.

이때, 원자로의 조사공(39)에 장입되는 이송장치(1)는 순환수 40℃ 조건에서 유량 ＜ 12.7 ㎏/s, 압력강하 ＞ 200㎪의 조건을 만족하여야 하는데, 먼저 압력강하 실험의 결과는 도 10에 도시된다. 압력강하 실험은 3회(테스트 1, 2, 3) 실시하였고, 각 실험으로부터 약 200㎪의 압력강하를 유발하는 유량은 약 1.8 ㎏/s로 측정되었다. 이는 위와 같은 원자로의 제한조건을 만족한다.

또한, 진동실험에 있어서 레이저 바이브로미터로부터 발생되는 진동신호(vibration amplitude)는 일단 컴퓨터 메모리에 저장된다. 이 저장된 데이터에 대하여 FFT(Fast Fourier Trasform)를 실시하여 주파수 대 진폭의 함수를 얻고 이 결과로부터 피크 진폭, RMS(Root Mean Square) 진폭 및 진동 주파수 특성 등을 판별하며, 진동실험 결과는 표1 및 도 11, 12, 13에 도시된다.

진동주파수는 도 11에 나타난 바와 같이 대략 13-15 ㎐ 범위이며, 도 12는 유량에 따른 진동변위 특성을 RMS 값으로 나타내는데, 이때 RMS 변위는 대부분 3㎛ 이하로서 매우 작은 범위임을 알 수 있다. 이송장치(1)의 최대진동변위는 유량의 함수로서 도 13에 도시된다. 이 결과로부터 이송장치(1)의 최대변위는 약 6㎛ 이하의 범위임을 알 수 있다.

결론적으로, 압력강하 실험결과 유량 1.8 ㎏/s 조건에서 약 200㎪의 압력강하가 발생하였고, 이는 위에서 언급한 원자로의 제한조건을 만족하는 것이다. 또한 진동실험 결과 진동주파수 영역은 약 13 내지 15 ㎐로 나타났고, RMS 진동변위는 약 3㎛ 이하, 최대진동변위는 약 6㎛ 이하로서 매우 낮은 범위로 측정된다.

	측정점 1	측정점 2
유량(㎏/s)	진동수(㎐)	진폭(RMS)(㎛)	진폭(최대)(㎛)	진동수(㎐)	진폭(RMS)(㎛)	진폭(최대)(㎛)
1.0	13.9	1.48	3.27	13.9	1.47	5.78
1.5	14.9	2.80	4.35	13.9	1.04	3.30
1.8	13.9	2.38	5.83	13.9	1.03	3.26
2.0	13.9	1.77	4.55	13.9	1.14	3.40
2.2	15.5	1.69	4.49	13.9	1.00	3.45

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 조사용기 장입 이송장치에 의하면, 이송장치의 상하부 뭉치에 개구되어 있는 냉각수 유통공과 하우징 내주면에 종방향으로 길게 가공되어 있는 세레이션부에 의해 하우징 내부에 장입되는 조사용기 냉각을 위한 냉각수의 유로를 확보하면서 동시에 세레이션부에 의해 조사용기의 횡방향 진동 등을 방지할 수 있게 되므로, 원자로 인코어와 같이 높은 중성자속을 가지는 부분에서 중성자 조사를 하여 고비방사능을 가지는 방사선원을 제작하는 과정에서 다량의 핵반응열이 발생되더라도 냉각수의 충격으로 인한 기계적인 영향이 최소화된 상태에서 발생 열량을 충분히 방출할 수 있게 된다.

또한, 중성자 조사로 인해 이송장치가 방사능 오염되더라도 폐기 처분하지 않고 반복적으로 사용할 수 있도록 하기 위해 방사선 차폐된 작업실에서 원격으로 이송장치의 덮개인 상부뭉치의 개폐를 가능하게 하고 아울러 이러한 상부뭉치의 원격 개폐를 위한 구조가 이송장치의 조사공 삽입시에 필요한 회전운동과 간섭을 일으키지 않도록 함으로써 조사용기의 장입작업을 신속하고 용이하게 하면서도 이송장치의 사용 연한을 대폭적으로 증대시킬 수 있게 되며 아울러 이송장치의 사후 유지보수도 편리하게 할 수 있다.

뿐만 아니라, 하나의 이송장치에 복수개의 조사용기를 장입하여 중성자 조사를 하게 되므로 다용도로 응용이 가능한 고비방사능 선원을 대량으로 생산할 수 있게 되므로 Cr-51, Ni-63, Re-186, Yb-169와 같은 다양한 농축표적, Re-186, Sr-89, Sm-153, Re-188과 같은 치료용 개봉선원, Yb-169, Ir-192와 같은 비파괴 검사용 선원, Ir-192, Co-60과 같은 치료용 선원, Gd-153과 같은 골밀도 측정용 선원, Mo-99와 같은 에피서멀(epithermal) 중성자 영역에서의 중성자 방사화 단면적이 큰 핵종, Eu-152, Re-188과 같은 연속(n,Υ) 반응에 의한 핵종 및 기타 중성자 조사용 핵종 등의 생산이 가능하게 된다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 하나 이상의 조사용기(10)를 장입하도록 되어 있는 통형 하우징(3), 상기 통형 하우징(3)의 하단에 부착되어 바닥 스프링(6)에 의해 상기 조사용기(10) 하단을 지지하도록 되어 있으며 축선을 중심으로 동심원 상에 복수개의 유통공(5)이 관통된 하부뭉치(8) 및, 상기 통형 하우징(3)의 상단에 착탈 가능하게 장착되어 상기 조사용기(10) 상단을 상기 바닥 스프링(6)에 대해 압박하며 축선을 중심으로 동심원 상에 복수개의 유통공(13)이 관통 형성되어 있는 상부뭉치(16)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조사용기 장입 이송장치(1).
2. 제1 항에 있어서, 상기 통형 하우징(3)의 내주면에는 상기 하부뭉치(8)와 상기 상부뭉치(16)가 결합되는 부위를 제외하고 종방향으로 뻗어있는 세레이션부(2)가 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 조사용기 장입 이송장치(1).
3. 제1 항에 있어서, 상기 하부뭉치(8)는 바닥 스프링(6)이 삽입되도록 축선상에 상단으로 개방된 안착홈(9)이 가공되어 있는 하부 몸체(7)와, 상기 하부 몸체(7)의 중심에 고정되며 조사공(39) 하부 고정판(40)의 조립홈(41)에 끼워지는 걸림돌기(50)가 하부에 돌출 형성된 로드팁(43)과, 상기 로드팁(43) 외주면에 미끄럼 가능하게 삽입되며 상기 로드팁 둘레에 삽입되는 스토퍼 스프링(35)을 지지하도록 되어 있는 스토퍼(37)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조사용기 장입 이송장치(1).
4. 제3 항에 있어서, 상기 스토퍼(37)에는 상기 조사공(39)의 하단으로부터 유입되는 유체의 흐름을 원활하게 하기 위한 복수개의 유통공(45)이 관통 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조사용기 장입 이송장치.
5. 제1 항에 있어서, 상기 상부뭉치(16)는 상기 유통공(13)이 형성되어 있고 축선상에 상하로 관통된 삽입공(15)이 형성되어 있으며 상기 삽입공(15)의 상단에 암세레이션부(14)가 가공되어 있는 캡(11), 상기 캡(11)의 삽입공(15)에 상하 이동가능하게 끼워지며 중간에 상단 수세레이션부(21)가 형성되어 있는 섕크부(17)와 외부 파지수단에 의해 파지되며 하단 돌출부(23)에 의해 상기 섕크부(17)에 끼워진 캡 스프링(25)을 가압하도록 되어 있는 헤드부(19)로 이루어진 그립 헤드(27) 및, 상기 그립 헤드(27)의 섕크부(17) 하단에 고정되도록 축선상에 관통공(33)이 형성되어 있으며 외주면에 하단 수세레이션부(29)가 가공되어 있고 축선을 중심으로 동축상에 복수개의 유통공(30)이 관통 형성된 가동 치부(31)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조사용기 장입 이송장치.
6. 제1 항에 있어서, 상기 상부뭉치(16)의 캡(11) 상면에는 상기 하우징(3)을 상기 조사공(39)의 내주면에 대해 탄력적으로 지지하는 상단 스프링(47)이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 조사용기 장입 이송장치.