경수로에서 발생한 사용후핵연료를 재활용함으로써 핵폐기물을 현저히 감축하고 한정된 우라늄 자원을 효율적으로 활용할 수 있는 제 4세대 원자로인 소듐냉각고속로(sodium-cooled fast reactor, SFR)[1, 2]는 경수로와는 달리 액체 금속인 소듐을 냉각재로 사용한다. 또한, 경수로와 비교하여 압력 및 온도 조건이 상이하기 때문에, 구조적인 측면에서도 다른 특징을 가지고 있다. 따라서 소듐냉각고속로의 안전성 및 구조 건전성 확보를 위해서는 기존 경수로와는 다른 검사 전략 및 검사 방법이 적용되어야 한다. 특히, 소듐냉각고속로의 원자로용기는 안전성 및 건전성 확보를 위해 ASME 가동중검사 규정에 따라 원자로 가동 중에도 소듐 누설 연속 감시를 수행해야 하고, 가동중검사 기간에는 냉각재의 누설 흔적과 누적, 누설 냉각재 낙하 및 연기 등을 탐지하기 위한 누설육안검사(VTM-2)를 수행해야 한다[3]. 이와 더불어, 대부분의 SFR 개발국들은 원자로용기 용접부에 대한 체적검사까지 수행하는 보다 강화된 가동중검사 전략을 적용하고 있다[4].
하지만, 소듐냉각고속로 원자로용기는 소듐 냉각재의 고화를 방지하기 위해 가동중검사 기간에도 200°C 정도의 고온 상태로 유지되어야 하고, 소듐-물 반응을 배제하기 위해 액체 접촉 매질의 사용이 제한되어 있어, 일반적인 접촉식 초음파 검사 기법의 적용이 어려운 문제를 가지고 있다. 이에 따라 액체 접촉 매질 없이 비접촉으로 체적검사를 수행할 수 있는 전자기음향 트랜스듀서(electro-magnetic acoustic transducer, EMAT)가 적용되고 있는데, 고온 환경과 더불어 원자로용기를 둘러싸고 있는 격납용기와의 협소한 공간에서 원격제어장비(remotely operated vehicle, ROV)에 탑재되어 구동에 영향을 주지 않으면서 검사가 이루어질 수 있도록 전자기음향 트랜스듀서의 소형화, 고온 내구성 및 탐지능 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[5].
본 연구에서는 SFR 원형로(proto-type generation IV sodium-cooled fast reactor, PGSFR) 원자로용기의 가동중검사를 위한 고온 비접촉 전자기음향 트랜스듀서를 개발하고, 다양한 성능시험을 통해 그 적용 가능성을 평가하였다. 먼저, 개발된 전자기음향 트랜스듀서의 특성을 파악하기 위해 초음파 방사패턴과 시편 표면으로부터 트랜스듀서까지의 거리인 리프트 오프(lift-off) 변화에 따른 신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR) 변화를 분석하였고, 원자로용기 시편에 내부 결함을 모사하여 결함 탐지 성능을 평가하였다. 또한, 200°C 이상의 온도 조건에서 내열성 시험 및 내구성 시험을 수행하여 고온 환경에서의 작동성 및 성능 변화를 평가하였다.
Fig. 1은 PGSFR 원자로용기 가동중검사를 위해 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서를 보여준다. PGSFR 원자로용기는 가동중검사 기간에도 200°C로 유지되어야하기 때문에, 모든 부품은 200°C 이상에서도 적용이 가능한 재질을 이용하여 제작하였다. 특히, 영구자석은 200°C에서도 자속밀도의 감소가 적은 사마륨-코발트 자석(길이 12.7 mm, 너비 3 mm, 높이 20 mm)을 사용하였고, RF 코일은 race track 패턴을 적용하여 0.15 mm 두께의 적층구조(길이 104.5 mm, 너비 35 mm)로 제작하였다. 개발된 전자기음향 트랜스듀서는 다수개의 영구자석이 주기적으로 배열된 PPM (periodic permanent magnet) 방식[6,7]으로, Fig. 2와 같이 로렌츠 힘(Lorentz force)에 의해 수평횡파(shear-horizontal wave)를 발생시킨다. 또한, 영구자석 사이의 간격(a)을 변경하거나 가진 주파수(f)를 변경함으로써 매질로 입사되는 초음파의 각도(θ)를 조절할 수 있는 특징을 가지고 있는데, 이 때 입사되는 초음파의 각도와 영구자석 사이의 간격 및 가진 주파수는 다음과 같은 관계를 갖는다.
여기서, c는 매질에서 전파되는 초음파의 속도를 나타낸다. 한편, 초음파를 이용한 체적검사 시에는 ASME 규정에 따라 2개 이상의 각도로 초음파를 입사시켜 검사를 수행해야 한다. 따라서 개발된 트랜스듀서에 의해 발생되는 초음파가 원자로용기에 45°와 60°로 입사되도록 주어진 영구자석 사이의 간격(a = 3.13 mm)과 원자로용기(재질: STS316)에서의 초음파 속도(c ≈ 3104 m/s)를 식 (1)에 적용하여 가진 주파수를 각각 700 kHz와 572 kHz로 선정하였다.
Fig. 3은 572 kHz와 700 kHz에서 측정된 개발된 전자기음향 트랜스듀서의 방사패턴을 보여준다. 방사패턴 측정은 Fig. 3의 우측에 나타낸 바와 같이 원자로용기에서의 초음파 속도와 유사한 초음파 속도를 갖는 알루미늄 재질의 반원통(half cylinder)에서 r-θ 평면과 r-γ 평면에 대하여 수행되었다. 앞서 언급한 바와 같이 개발된 전자기음향 트랜스듀서는 다수개의 영구자석을 주기적으로 배열한 PPM 방식으로 주어진 영구자석 사이의 간격 a와 매질에서의 초음파 전파 속도 c에 대해 가진 주파수 f를 변경함으로써 매질에 입사되는 초음파의 각도를 조절할 수 있고, 측정 결과로부터 앞서 선정된 572 kHz와 700 kHz에서 각각 60°와 45°로 초음파가 좁은 빔 폭을 가지고 잘 입사되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 4는 572 kHz와 700 kHz에서 측정된 리프트 오프에 따른 개발된 전자기음향 트랜스듀서의 신호대잡음비 변화를 보여준다. 측정 결과로부터 리프트 오프가 증가할수록 신호대잡음비가 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 리프트 오프가 증가함에 따라 매질에 형성되는 자기장의 세기와 와전류의 세기가 감소하기 때문이다. 하지만, 0.7 mm의 리프트 오프까지는 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서가 700 kHz의 가진 주파수에서도 15dB 이상의 신호대잡음비를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
개발된 전자기음향 트랜스듀서의 PGSFR 원자로용기 가동중검사에의 적용 가능성을 평가하기 위해 결함 탐지 성능 분석을 위한 탐지능 측정시험과 고온 환경 적용성 분석을 위한 내열성 및 내구성 시험을 수행하였다.
원자로용기의 가동중검사를 위한 검사센서는 원자로용기 내부에 발생할 수 있는 결함의 탐지가 가능해야 한다. 이러한 결함 탐지 성능을 평가하기 위해 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서를 이용하여, 두께 대비 5%의 슬릿 결함(길이 25 mm, 너비 0.5 mm, 깊이 2.5 mm)이 가공된 원자로용기 시편(STS316L, 두께 50 mm)에 대하여 Fig. 5와 같은 구성으로 탐지능 측정시험을 수행하였다.
시험 시에는 결함이 가공된 면을 바닥으로 향하여 원자로용기 내부 결함을 모사하였고, 결함 시편의 상부에 개발된 전자기음향 트랜스듀서 2개를 90° 각도로 설치하여 pitch-catch 방식으로 초음파를 송수신하였다. 또한, 45° 입사를 위한 700 kHz의 가진 주파수와 60° 입사를 위한 572 kHz의 가진 주파수에서 각각 시험을 수행하였고, 각 가진 주파수에 대해 리프트 오프를 0 mm에서 1 mm까지 0.2 mm 간격으로 변화시키면서 리프트 오프 증가에 따른 탐지능 변화도 함께 관찰하였다.
Fig. 6은 각 가진 주파수에 대해 수행된 리프트 오프에 따른 탐지능 측정시험 결과를 보여준다. 각 신호는 대역 필터(가진 주파수 572 kHz: 0.2 MHz ~ 1 MHz, 가진 주파수 700 kHz: 0.5 MHz ~ 1 MHz)를 거쳐 측정하였고, 총 10회 평균하였다. 시험 결과로부터 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서가 572 kHz에서는 0.6 mm의 리프트 오프까지 그리고, 700 kHz에서는 0.2 mm의 리프트 오프까지 두께 대비 5% 깊이의 내부 결함을 잘 검출할 수 있음을 확인할 수 있다.
PGSFR 원자로용기는 가동중검사 기간에도 200°C의 고온으로 유지되기 때문에 원자로용기 가동중검사를 위한 검사센서는 200°C의 고온 환경에 노출되어도 작동성에 문제가 없어야 한다. 이를 확인하기 위해 Fig. 5와 동일한 장비를 사용하여 Fig. 7과 같은 구성으로 200°C 및 250°C의 온도 조건에서 내열성 시험을 수행하였다. 시험은 572 kHz의 가진 주파수에서 수행되었고, 200°C 및 250°C로 가열된 원자로용기 시편 상부에 개발된 트랜스듀서를 설치하여 열충격에 대한 영향을 평가하였다.
Fig. 8은 상온, 200°C 및 250°C에서 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서를 이용하여 측정된 초음파 신호를 나타낸다. 측정 결과로부터 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서가 200°C 및 250°C에서도 열충격에 의한 영향 없이 잘 작동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 온도가 높아질수록 신호가 더 늦게 측정되는 것을 볼 수 있는데, 이는 매질의 온도에 따라서 초음파의 전파 속도가 변하기 때문이다. 한편, 200°C 및 250°C에서 측정된 신호의 크기가 모두 상온에서 측정된 신호의 크기보다는 작지만 두 신호의 크기가 유사한 것을 볼 수 있는데, 이는 온도에 따른 초음파 속도 변화로 인해 입사각이 변경되었고 트랜스듀서 설치시 위치 오차가 발생하였기 때문이다. 내열성 시험에서는 트랜스듀서의 설치와 제거를 온도별로 반복해야하기 때문에 완벽히 동일한 위치에 트랜스듀서를 설치하는 것이 매우 어렵다. 따라서 온도 변화에 따른 신호 크기 및 신호대잡음비 변화는 온도가 변하더라도 동일한 위치에 트랜스듀서가 설치되어 시험이 진행되는 내구성 시험을 통해 평가하였다.
PGSFR 원자로용기의 가동중검사 시, 검사센서는 ROV에 탑재되어 원자로용기와 격납용기 사이의 간격에서 200°C의 고온에 장시간 노출된 상태로 검사를 수행해야 한다. 따라서 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서를 원자로용기 가동중검사에 적용하기 위해서는 200°C의 고온 환경에 장시간 노출되어도 성능이 큰 변화 없이 일정하게 유지되어야 한다. 내구성 시험은 개발된 전자기음향 트랜스듀서가 고온 환경에 장시간 노출되었을 때의 성능 변화를 평가하기 위한 것으로, 200°C와 250°C의 온도 조건에서 각각 100시간씩 수행되었다.
개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서의 내구성 시험을 위한 구성을 Fig. 9에 나타내었다. 강제순환형 오븐(대흥과학기기, DCH3-150)에 두께 대비 20%의 슬릿 결함(길이 20 mm, 너비 2.5 mm, 깊이 10 mm)이 가공된 원자로용기 시편(STS316L, 두께 50 mm)과 개발된 전자기음향 트랜스듀서를 설치하고, 200°C와 250°C의 온도 조건을 유지하면서 Fig. 5와 동일한 장비를 사용하여 초음파를 발생 및 측정하였다.
앞서 언급한 바와 같이 개발된 트랜스듀서는 PPM 방식으로, 영구자석 배열 간격과 발생되는 초음파의 파장 사이의 관계에 따라 매질에 입사되는 초음파의 각도 조절이 가능한 특징을 가지고 있다. 하지만, 초음파의 파장은 주어진 주파수에서 초음파의 전파 속도에 따라 달라지기 때문에 초음파의 전파 속도가 변할 경우, 동일 주파수에서도 입사 각도가 변하게 된다. 따라서 시험을 수행하기에 앞서 시편에서의 온도 변화에 따른 초음파 전파 속도 변화를 측정하여 200°C와 250°C에서도 동일한 각도(θ = 60°)로 초음파가 입사되도록 Table 1과 같이 가진 주파수를 선정하였다.
| Temperature | Sound speed | Excitation frequency |
|---|---|---|
| Ambient | 3104 m/s | 572 kHz |
| 200°C | 3027 m/s | 558 kHz |
| 250°C | 2981 m/s | 550 kHz |
Fig. 10은 60°로 초음파를 입사시키면서 200°C와 250°C에서 100시간 동안 25시간 간격으로 측정된 초음파 신호를 보여준다. 측정 결과로부터 온도가 높아질수록 영구자석의 자속밀도 감소(reversible temperature coefficient: −0.05%/°C), 전기회로의 임피던스 변화 및 속도변화에 따른 방사패턴 변화 등으로 인해 신호의 크기는 감소하지만, 동일 온도 조건에서는 100시간 동안 신호의 크기가 거의 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
고온 환경 노출 시간에 따른 성능 변화를 보다 명확히 확인하기 위해 200°C 및 250°C에서 측정된 노출 시간에 따른 신호 크기 변화와 신호대잡음비 변화를 각각 Fig. 11과 12에 나타내었다. Fig. 11의 결과로부터 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서가 200°C에 노출될 경우, 신호 크기가 상온 대비 약 40% 정도 감소하고, 250°C에 노출될 경우에는 상온 대비 약 70% 가까이 감소하는 것을 볼 수 있다. 하지만, 동일 온도에서는 노출 시간에 관계없이 신호 크기가 거의 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 신호대잡음비는 Fig. 12에 나타난 것과 같이 200°C에 노출될 경우 상온 대비 약 4dB 정도 감소하고, 250°C에 노출될 경우에는 상온 대비 약 10dB 정도 감소하는 것을 볼 수 있다. 하지만, 신호대잡음비 역시 신호 크기와 마찬가지로 동일 온도 조건에서는 노출 시간에 관계없이 거의 일정하게 유지될 뿐아니라, 개발된 고온 전자기음향 트랜스듀서가 250°C에서도 14dB 이상의 신호대잡음비를 갖는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 PGSFR 원자로용기의 가동중검사를 수행하기 위한 PPM 방식의 고온 전자기음향 트랜스듀서를 개발하고, 다양한 성능시험을 통해 그 적용 가능성을 평가하였다. 먼저, 상온 성능시험을 통해 개발된 트랜스듀서가 가진 주파수를 변경하여 원자로용기에 45°와 60°로 좁은 빔 폭의 초음파를 입사시킬 수 있고, 0.7 mm의 리프트 오프까지 15dB 이상의 신호대잡음비를 가지며, 원자로용기 두께 대비 5%의 내부 결함도 잘 검출할 수 있음을 확인하였다. 다음으로, 200°C 이상의 고온 환경에서의 작동성과 장시간 노출에 따른 성능 변화를 확인하기 위한 내열성 및 내구성 시험을 수행하여, 250°C에서도 14dB 이상의 신호대잡음비를 가지고 100시간 동안 성능이 거의 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 하지만, 고온 환경에서 일정 부분 성능이 저하(200°C에서 약 40%)되는 것도 확인할 수 있었다. 따라서 향후에는 트랜스듀서의 구조 최적화를 통한 성능 개선을 수행하여 고온 환경에서의 검사 적용성을 향상시킬 계획이다.
