자기변형 제어봉 위치지시기의 개발

3.1 자기변형현상

자기변형현상이란 자기장 속에서 재료 내부의 자구(Magnetic Domain)가 자기장의 방향으로 정렬하면서 길이 방향으로 늘어나는 것을 뜻하고 이를 자기변형효과(Magnetostrictive Effect) 또는 줄효과(Joule Effect)라고 한다. 이와 반대로 재료에 외력을 가하여 외형을 변화시키면 재료 자체의 투자율이 바뀌면서 주변 자기장에 변화가 생기게 되는데 이를 역자기변형효과(Inverse Magnetostrictive Effect) 또는 빌라리 효과(Villari Effect)라고 한다. 앞선 두 효과 모두 한 방향의 자기장에 대한 효과이다.

줄 효과를 기반으로 하는 위드만 효과(Wiedemann Effect)는 두 방향의 자기장인 길이 또는 축 방향의 자기장(Axial Magnetic Field, H_Axial)과 원주 방향의 자기장(Circumferential Magnetic Field, H_{Circumferential})을 동시에 가해 형성되는 나선형 자기장(Torsional Magnetic Field, H_Torsional)으로 재료가 비틀어지는 현상을 의미한다.

이에 대한 그림은 Fig. 1에 나타나 있다. 일반적으로 길이 방향의 자기장은 솔레노이드 형태의 코일에 전류(I_Coil)를 인가 또는 영구자석을 이용하고, 원주 방향의 자기장은 재료에 직접 전류(I_MM)를 인가해줌으로써 형성해 준다.

Fig. 1

Principle of wiedemann effect

3.2 자기변형을 이용한 위치 측정 원리

나선형 자기장 방식의 자기변형 제어봉 위치지시기(Magnetostrictive Control Rod Position Indicator, Mag-CRPI)는 앞선 3.1절에서 언급한 빌라리 효과와 위드만 효과를 복합적으로 사용하며, 신호를 보내는 발신부(Emitter)와 되돌아오는 비틀림 파를 유도 전압 신호 형태로 받는 수신부(Receiver)를 모두 가지고 있기 때문에 트랜스듀서(Transducer)라고도 할 수 있다.

자기변형 제어봉 위치지시기에 대한 기본 원리는 Fig. 2에 나타나 있다. 먼저 와이어 형태의 자기변형재료(Magnetostrictive Wire)가 중앙에 있고 재료의 축 방향과 평행하게 영구자석(Permanent Magnet)이 위치하여 자기변형재료에 일정한 크기의 축 방향 자기장을 지속적으로 가해주게 된다. 이 때, 영구자석은 자기변형 와이어의 축 방향으로만 이동 할 수 있게 되며 측정하고자 하는 대상체인 제어봉 구동축 선단에 부착되어 제어봉의 위치를 계산하는 일종을 타깃이 되기 때문에 커서(Cursor)라고도 불린다.^4-8

Fig. 2

Principle of MPS

자기변형 와이어의 한 쪽 끝에 펄스 형태의 전류(Excitation Pulse Current)를 인가하면 이 전류에 의한 원주 방향 자기장이 재료를 따라 진행하게 된다. 이 진행되는 원주 방향 자기장은 영구자석에 의한 축 방향 자기장과 만나 나선형 자기장으로 유도되고 위드만 효과에 의해 재료는 순간적으로 비틀어지게 된다.

이때, 원주 방향 자기장은 제자리에 머물러 있는 것이 아니라 계속 재료를 따라 진행되기 때문에 두 자기장이 만나는 순간 재료가 비틀어지고, 원주 방향 자기장이 영구자석이 있는 지점을 벗어나면 재료는 다시 원상태로 되돌아 오게 된다. 이 시점, 즉 재료가 비틀어 졌다가 원상태로 돌아오는 순간에 초음파 중 하나인 비틀림 파가 발생되는 것이다.

비틀림 파는 자기변형 와이어를 매질로 하여 초기 발생 지점인 영구자석을 기준으로 Fig. 2와 같이 양 방향 전파를 하게 된다. 이 때, 한 비틀림 파는 댐퍼(Damper)를 통해 흡수되어 추가적인 반사에 의한 신호 중첩이 일어나지 않도록 하고, 다른 한 비틀림 파는 자기변형 와이어 한 쪽 끝에 위치한 센싱 코일(Sensing Coil) 내부를 통과하여 지나가게 된다. 비틀림 파가 센싱 코일 내부를 통과할 때, 비틀림 파는 자기변형 와이어에 일종의 외력으로 작용하기 때문에 빌라리 효과에 의해 재료 자체의 투자율이 변화하게 되고 이 변화를 페러데이의 유도 전압 법칙(Faraday's Law of Electromagnetic Induction)에 의해 센싱 코일로 감지할 수 있게 된다.^9,10

실제 자기변형 와이어에 보내주는 인가 펄스 전류와 센싱 코일에서 나오는 유도 전압 검출 펄스(Detection Pulse Voltage) 형태는 Fig. 3과 같다. 유도 전압 검출 펄스에서 첫 번째 신호 검출 지점(T₀)은 자기변형 와이어에 인가한 펄스 전류가 센싱 코일 내부를 통과하면서, 두 번째 신호 검출 지점(T₁)은 영구자석의 위치에서 발생된 비틀림 파가 되돌아 오면서 감지된다.^3-7

Fig. 3

Excitation and detection signals of Mag-CRPI

이 두 신호의 검출 시간 차이에 비틀림 파의 전파 속도(v)를 곱하면 센싱 코일과 영구자석 사이의 거리(ΔL)를 구할 수 있으며 이는 식(1)에 나타나 있다. 즉, 센싱 코일의 위치는 고정되어 있고, 일정한 주기를 갖는 펄스 전류를 자기변형 와이어의 한 쪽 끝에서 인가해 주기 때문에 첫 번째 신호가 검출 되는 지점을 기준으로 볼 수 있다. 영구자석은 축 방향으로의 이동이 가능하고, 이 위치에 따라 비틀림 파가 발생하는 지점이 달라지기 때문에 센싱 코일로 돌아오는 시간이 달라지게 되어 두 신호의 검출 시간 차이(ΔT)가 생기게 된다.

식(1)을 통해 얻어진 값은 실제 대상의 위치가 아니라 센싱 코일과 영구자석 사이의 거리이므로 이 값을 보정해 주어야 한다. 보정 방법은 영구자석이 위치를 측정하고자 하는 대상과 기계적으로 떨어져있는 거리(L₀)를 더해주는 것으로 이는 식(2)에 나타나 있다. 이 식(2)를 통해 얻어진 값(L)은 센싱 코일을 기준점으로 하여 대상의 절대 위치를 나타낸다. 만약 기준점이 센싱 코일이 아니라면 기준점과 센싱 코일 사이의 기계적인 거리를 추가적으로 더해주면 된다. 이 때, 기준점과 센싱 코일, 영구자석 및 대상은 모두 동일한 축 상에 배치되어 있어야만 한다.

4.1 자기변형 제어봉 위치지시기

3절에 설명된 원리를 바탕으로 실제 설계된 자기변형 제어봉 위치지시기의 구성도는 Fig. 4(a)와 같다. 중앙의 가이드 튜브(Guide Tube) 내부에 위치한 와이어 형태의 자기변형재료는 와이어 고정장치(Wire Fixture)에 의해 한쪽 끝을 고정하고, 다른 한쪽 끝은 장력조절장치(Tension Tuning Key)에 연결하여 주변 환경에 따라 와이어 인가 장력을 조절할 수 있도록 하였다. 제어봉 상단에 부착하여 제어봉의 위치를 계산할 수 있도록 하는 영구자석인 커서(Cursor Unit)는 가이드 튜브를 따라 종방향으로 이동하도록 하고 우측에 있는 눈금자(Ruler)를 통해 실제 커서의 위치를 계산된 위치의 값과 비교할 수 있도록 하였다. 또한, 자기변형 와이어는 헤드 상단의 피드스루(Feedthrough)를 통해 빠져 나와 펄스 전류를 인가할 수 있도록 하고, 센싱 코일의 출력 선은 피드스루를 통해 신호 박스(Signal Box, Signal AMP & Connector)의 입력단에 연결해 줌으로써 유도 전압 검출 펄스를 증폭하여 볼 수 있도록 하였다.

Fig. 4

Experimental setup of the Mag-CRPI

Fig. 4(a)에 나타난 구조를 통해 제작된 자기변형 제어봉 위치지시기와 기능 검증을 위한 장비까지 함께 배치된 모습은 Fig. 4(b)와 같다. 피드스루를 통해 나온 자기변형 와이어는 전류 앰프의 출력단과 연결하여 일정한 주기의 펄스 전류가 인가될 수 있도록 하였고, 신호부 박스를 거친 센싱 코일 출력단은 오실로스코프의 프로브에 연결해 줌으로써 영구자석의 위치변화에 따른 유도 전압 검출 펄스 변화를 확인 할 수 있도록 하였다.

4.2 검증 실험 조건 및 방법

검증 실험을 위한 세부 조건은 Table 1과 같다. 성능 검증을 위한 실험은 크게 두 가지로 이루어진다. 먼저 자기변형 제어봉 위치지시기로 타깃의 절대위치를 파악할 수 있는지에 대한 가능성과 위치지시기 자체의 정확도 검증을 위해 영구자석을 100 mm 간격으로 이동시켜가며 이 때의 검출 시간 차이를 통해 영구자석의 위치를 계산하고, 실제 위치와 비교한다. 또 다른 검증 실험은 고온환경에서의 적용가능성을 보기 위해 상온에서부터 최대 500°C까지 온도 변화가 가능한 오븐 내에 자기변형 와이어를 두고 변화를 확인하였다.

Table 1

Experimental setup conditions

커서인 영구자석을 100 mm 간격으로 이동시켜가며 그 때 나오는 센싱 코일의 검출 신호를 오실로스코프로 받아 나열한 실험 결과는 Fig. 5에 나타나 있다. 이 때, 센싱 코일의 검출 신호 앞부분은 펄스 전류를 검출한 것이고, 뒷부분은 비틀림 파를 검출한 것이다. 따라서 펄스 전류에 의한 검출 신호는 영구자석의 위치 변화에도 동일하게 있는 것을 확인 할 수 있으며 이를 위치 검출 기준인 T₀ 지점으로 한다. 비틀림 파는 영구자석이 위치한 곳에서 발생되어 자기변형 와이어를 따라 전파되기 때문에 영구자석의 위치 변화에 따라 전파 거리가 달라지므로 이를 위치 검출에 사용 되는 T₁지점으로 한다. 따라서 T₁ 은 펄스 전류를 검출한 신호 이후의 첫 번째 펄스로 영구자석의 이동과 함께 이동되는 특징을 가진다. Fig. 5의 실험 결과를 보면 영구자석의 이동에 따라 영구자석이 100 mm씩 이동할 때마다 비틀림 파에 의한 검출 신호는 약 36 μs씩 늘어남을 확인 할 수 있다. 영구자석의 위치가 0 mm인 지점에서의 시간 0 μs와 900 mm인 지점에서의 시간 322 μs를 이용하여 본 실험 조건상에서의 비틀림 파 전파 속도를 구할 수 있으며 이는 약 2,795 m/s이다. 이를 영구자석의 각 지점에서 나온 ΔT와 곱해주면 해당 지점에서의 영구자석에 대한 절대 위치를 계산해 낼 수 있다. 각 위치에서의 수치적인 결과는 Table 2에 상세히 나타내었다.

Fig. 5

Experimental results

Table 2

Experimental results for various cursor positions

마지막으로 자기변형 제어봉 위치지시기의 고온 적용 가능성을 검증하기 위해 자기변형 와이어 재질에 따른 고온에서의 저항 측정 실험을 수행하였다.

또한 장력 조절 장치를 이용한 자기변형 와이어의 인가 장력 측정 실험과 열팽창 계수를 이용하여 고온에 적용하였을 때의 열팽창에 대한 보상 방법을 수립하였다.

고온에서의 저항 측정 실험 결과는 Fig. 6에 나타나있다. 실험에 사용된 자기변형 와이어는 주로 자기변형 제어봉 위치지시기에 적용되는 재질인 Ni-Span-C와 Ni₅₀Fe₅₀으로 1 m에 대한 저항을 측정하였다. 온도는 2시간 동안 상온 25°C부터 500°C까지 증가하고, 500°C에서 1시간 동안 유지하였다. Fig. 6(a)는 온도 변화에 따른 저항 값으로 Ni-Span-C는 25°C에서 5.10 Ω, 500°C에서 5.74 Ω으로 0.64 Ω이 증가하였고, Ni₅₀Fe₅₀은 0.45 Ω에서 1.00 Ω으로 0.55 Ω 증가하였다.

Fig. 6

Experimental results of magnetostrictive wires

Fig. 6(b)는 온도 변화 실험을 진행하는 시간(온도 상승 2시간, 온도 유지 1시간) 동안에 변화 하는 저항 값을 나타낸다. 특히 마지막 구간인 500°C에서의 온도 유지 시, 저항 변화는 Ni-Span-C가 0.000103 Ω, Ni₅₀Fe₅₀이 0.000034 Ω으로 그 폭이 매우 미미하여 안정적이라고 할 수 있다. 하지만 자기변형 와이어 자체가 가진 퀴리 온도(Curie Temperature)는 각각 190°C와 530°C이므로 Ni-Span-C는 기존 위치지시기가 설치된 원자로 상부에만 적용 가능하지만 Ni₅₀Fe₅₀의 경우, 원자로 내부의 고온 환경에도 강건하기 때문에 일체형 원전에도 적용 가능하다고 볼 수 있다.

이 결과를 바탕으로 Ni-Span-C는 고온 적용이 불가능 한 것으로 판단되어 제외하고, Ni₅₀Fe₅₀은 열팽창 계수를 통해 고온에서의 보상 장력을 계산하였다. Ni₅₀Fe₅₀의 열팽창 계수는 9.9로 450°C이 후에 대한 계수는 알려진바 없다. 따라서 기존에 명시된 값을 가지고 아래의 식(3)에 대입한 결과 단위 미터 당 약 4.7 mm 팽창할 것으로 보인다. 이 때 Δl은 단위 미터 당 팽창 길이, Δt는 상온에서부터의 온도 변화량, α는 열팽창 계수를 의미한다. 따라서 상온에서와 동일한 인가 장력을 500°C의 고온 상태에서도 구현하기 위해서는 초기에 장력 조절 장치의 키를 약 3회전 시켜 열팽창에 의한 자기변형 와이어의 팽창 길이를 보상해준다.