Development of the Automated Ultrasonic Flaw Detection System for HWR Nuclear Fuel Cladding Tubes

중수로형 핵연료 피복관의 자동초음파탐상장치 개발

An automated ultrasonic flaw detection system was developed for thin-walled and short tubes such as Zircaloy-4 tubes used for cladding heavy-water reactor fuel. The system was based on the two channels immersion pulse-echo technique using 14 MHz shear wave and the specially developed helical scanning technique, in which the tube to be tested is only rotated and the small water tank with spherical focus ultrasonic transducers is translated along the tube length. The optimum angle of incidence of ultrasonic beam was 26 degrees, at which the inside and outside surface defects with the same size and direction could be detected with the same sensitivity. The maximum permissible defects in the Zircaloy-4 tubes, i.e., the longitudinal and circumferential v notches with the length of 0.76mm and 0.38mm, respectively and the depth of 0.04 mm on the inside and outside surface, could be easily detected by the system with the inspection speed of about 1 m/min and the very excellent reproducibility. The ratio of signal to noise was greater than 20 dB for the longitudinal defects and 12 dB for the circumferential defects.

중수로형 핵연료의 피복재로 사용되는 Zircaloy-4관의 결함검사를 위한 자동초음파 탐상 장치가 개발되었다. 이 장치에는 중심진동수가 14 MHz이고 대역폭이 11MHz인 집속 초음파 펄스를 사용한 수침 펄스-에코우 탐상기술과 특별히 고안된 시험수조 이송식 초음파주사 기술이 적용되었다 같은 크기와 방향을 갖는 관내외면 결함들을 같은 높이의 초음파 신호로 검출하기 위한 초음파 빔의 최적입사각은 26도이었다. Zircaloy-4피복관의 최대 허용 결함인, 깊이가 관두께의 10%인 0.04 mm이고, 길이가 0.76 mm인 축방향 및 길이가 0.38 mm인 원주방향 V형 인공결함들이 관내외면에 개재된 표준시험관을 사용하여 이 장치의 성능시험을 수행하였다. 그 결과 인공 표준시험관내의 모든 결함들을 매우 우수한 재현성을 갖고 분당 약 1m의 속도로 검출할 수 있었으며 이때의 신호 대 잡음 비는 축방향 결함에 대해서는 20 dB, 원주방향 결함에 대해서는 12 dB 이상이었다.