수중 가압환경 중 원전 해체시 파이버 레이저를 이용한 스테인리스강의 레이저 절단에 관한 연구

Abstract

원자력발전은 현존하는 발전 에너지원 중에서 효율이 가장 높고 경제적이면서 온실 가스, 미세 먼지 등 각종 오염물질 배출을 하지 않기 때문에 세계 각국에서 각광받고 있다 원자력 시설의 설계수명이 다하면 법에 정해진 절차에 따라 재가동 여부를 판정할 심사를 받고, 재가동이 불가능하다고 판단되면 원자력 시설은 영구 폐쇄를 위한 해체 작업이 진행된다. 1960년대에서 1980년대에 건설된 원전들의 설계수명 기간이 종료됨에 따라 해체 예정인 원전의 수는 수명연장이 안될 경우 크게 증가할 것으로 전망된다. 2020년 12월 기준으로 전세계에 운전 중인 원전은 442기이고, 영구정지 원전은 192기이며, 영구 정지 원전 192기 중에서 21기만 해체가 완료된 상태이다. 따라서 향후 글로벌 원전 해체시장의 성장이 예상되고 있고, 상업용 원전의 해체시장은 2110년까지 약 440조원이 형성될 것으로 추정된다. 국내에서 가동되는 대부분의 원전은 가압수형 원자로이며, 그 중 하나인 고리1호기 원자로는 2017년에 폐쇄되어 해체 준비 중이다. 가압수형 원자력 발전소는 원자로 건물, 보조 건물, 터빈 건물로 이루어져 있다. 가압수형 원자로의 주요 시스템은 원자로 압력용기(reactor vessel, RV) 및 원자로 압력용기 내부구조물(reactor vessel internals, RVI), 원자로냉각재펌프(reactor coolant pumps, RCPs), 증기발생기(steam generators, SGs) 등으로 구성된다. RVI에서 핵분열이 일어나기 때문에 RVI는 중준위 폐기물이다. 작업자가 피폭되는 것을 방지하기 위하여 RVI는 수중에서 해체되어야 한다. 성공적인 RVI의 해체를 위해서는 수중 및 원격 절단 기술이 필요하다. 또한, 두께 100 mm의 스테인리스강을 절단할 수 있어야 하며, 절단시 발생하는 2차 폐기물이 최소화되어야 한다. 원전 해체 과정에 있어서 방사능에 대한 노출이 가장 심한 원자로 내부를 해체할 때에는 방사선 차폐를 위해서 수중에서의 절단 기술이 필요하며 레이저를 이용한 수중 절단에 대한 다양한 연구가 진행중이다. 특히, 대형 원전의 원자로의 경우 대부분 10 m 이상의 크기로 이루어져 있으며 실제 원전 해체 환경에서는 수심 10 m 이상 깊이에서도 절단이 이루어진다. 따라서 레이저 열원을 이용하여 원전해체를 위한 수중 절단을 할 때에도 수심 10 m 이상 환경에서의 절단 성능은 중요한 고려 사항이다. 따라서 본 논문에서는 수심 10 m 이상의 깊은 수심에서 절단 커프폭과 보조가스의 흐름의 관계를 규명하는 것을 목표로, 최대 출력 20 kW 파이버 레이저를 사용하여 두께 70 및 80 mm 스테인리스강을 수중 10 m 환경을 모사한 1 bar의 수중 가압환경에서 레이저 절단 실험을 하였다. 이때, 주요 매개변수인 초점 위치, 레이저 출력, 절단 속도 및 보조가스 압력에 따른 시험편의 커프 형상 및 거칠기 등을 분석 및 비교하였다. 각각의 매개변수에 따른 효과는 다음과 같다. 먼저, 수중에서의 레이저 절단 특성을 파악하기 위하여 수압, 절단 방향 및 노즐 직경의 변화에 따른 절단부의 특성을 분석하였다. 가압수조를 설계하여 수압의 변화를 주었으며, 수압이 대기압과 동일할 때 및 수심 10 m 에서의 절단특성을 비교하였다. 수압이 중가함에 따라 절단부 내부로 유입되는 가스의 양이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 절단 방향을 상향 및 하향으로 설정하여 절단을 진행하였고, 절단방향이 하향이었을 때 절단부 내부에 가스가 머무르지 못하고 부력에 의해 상승하며 절단이 이루어지지 않았다. 노즐 직경을 증가시켜 가스의 유량을 늘렸을 때, 절단부 내부로 유입되는 가스의 양이 증가하여 원활할 절단이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로, 수중에서의 레이저 절단이 성공적으로 이뤄지기 위해서는 절단부 내부로 유입되는 가스의 양이 중요하며, 수심이 깊어질수록 절단부 내부로 유입되는 가스의 양이 줄어듦에 따라 절단부 내부로 원활히 보조가스로 유입시킬 수 있어야 한다는 것을 알 수 있었다. 두 번째로, 수심 10 m의 조건에서 레이저 절단을 성공적으로 수행하기 위하여 초점위치, 레이저 출력, 절단 속도 및 보조가스 압력 등의 레이저 매개변수에 따른 절단 특성을 분석하였다. 초점위치가 레이저가 조사되어 절단이 시작되는 절단부 전면으로부터 깊어질수록 절단부 전면 커프폭이 증가하며 절단부 내부로 가스의 유입이 증가하여 절단부 내부의 산화의 흔적이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 레이저 출력을 변화시켜가며 실험을 진행하였고 두께 80 mm의 시험편을 수중 10 m 환경에서 절단하기 위한 임계 출력을 확인하였다. 절단 속도가 증가하였을 때, 전면 커프폭은 거의 일정하였으나, 이면 커프폭은 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 보조가스 압력이 감소하였을 때, 전면 및 이면 커프폭의 변화는 거의 없었으나 절단부 내부의 보조가스 유량이 감소하여 절단부 내부로 물의 침투가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 초점거리 fd = - 54 mm, 레이저 출력 P = 12 kW, 절단속도 v = 12 mm/min 및 보조가스 압력 9 bar 이상의 조건에서 절단이 원활히 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 절단 커프폭이 절단부 내부로 유입되는 보조가스에 미치는 영향을 확인하고자 노즐에서 분사되는 보조가스의 유동을 슐리렌 분석을 통해 가시화하여 분석하였으며, 절단부 커프폭이 약 2 mm일 때 절단부 내부 보조가스의 흐름이 가장 이상적으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 실제 실험 결과와 비교하였을 때에도 전면 커프폭이 2 mm 이상일 때 가장 안정적인 절단이 수행되었으며 이는 슐리렌 분석 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 연구 결과는 원전 해체 현장에서의 수중 레이저 절단 적용성을 검토하고 있어 원전 해체를 위한 수중 레이저 절단 기술의 중요한 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.|Nuclear power generation is the most efficient and economical energy source among existing power generation energy sources and does not emit various pollutants such as greenhouse gas and fine dust, so it is in the spotlight in countries around the world. At the end of the design life of the nuclear facility, it will be reviewed to determine whether it will be restarted in accordance with the procedures prescribed by law, and if it is determined that it is impossible to restart, the nuclear facility will be dismantled for permanent closure. With the end of the design life of nuclear power plants built in the 1960s and 1980s, the number of nuclear power plants scheduled to be dismantled is expected to increase significantly if the life is not extended. As of December 2020, 442 nuclear power plants are operating around the world, 192 nuclear power plants are permanently stationary, and only 21 of 192 nuclear power plants have been dismantled. Therefore, the global nuclear dismantling market is expected to grow in the future, and the commercial nuclear dismantling market is estimated to be about 440 trillion won by 2110. Most of the nuclear power plants operating in Korea are pressurized water reactors, and one of them, the Gori No. 1 reactor, was closed in 2017 and is preparing to be dismantled. The pressurized water type nuclear power plant consists of a reactor building, an assistant building, and a turbine building. The main system of pressurized water reactor consists of reactor pressure vessels (RVs), reactor pressure vessel internal structures (RVI), reactor coolant pumps (RCPs), steam generators (SGs), etc. Because nuclear fission occurs in RVI, RVI is a medium-level waste. The RVI shall be dismantled underwater to prevent exposure to workers. Successful dismantling of RVI requires underwater and remote cutting techniques. In addition, stainless steel 100 mm thick shall be capable of cutting, and secondary waste generated during cutting shall be minimized. When dismantling the inside of the reactor, which is most exposed to radioactivity in the process of dismantling the nuclear power plant, cutting technology underwater is required for radiation shielding, and various studies on underwater cutting using laser are underway. In particular, most reactors of large nuclear power plants are larger than 10 m, and in the actual nuclear dismantling environment, cutting is carried out even at a depth of more than 10 m. Therefore, even when underwater cutting for dismantling nuclear power plants using laser heat sources, cutting performance in an environment with a depth of 10 m or higher is an important consideration. Therefore, in this paper, a laser cutting experiment was conducted in an underwater pressurized environment of 1 bar simulating an underwater environment of 70 and 80 mm thick stainless steel using a maximum output of 20 kW fiber laser to investigate the relationship between cutting kerf width and assistant gas flow at a depth of 10 m or higher. At this time, the shape and roughness of the kerf of the test piece according to the focus position, laser output, cutting speed, and assistant gas pressure, which are the main parameters, were analyzed and compared. The effects of each parameter are as follows. First, in order to understand the laser cutting characteristics in water, the characteristics of the cutting part according to changes in water pressure, cutting direction, and nozzle diameter were analyzed. A pressurized water tank was designed to change water pressure, and the cutting characteristics were compared when the water pressure was equal to atmospheric pressure and at a depth of 10 m. As the water pressure increased, the amount of gas introduced into the cut part decreased. The cutting was carried out by setting the cutting directions upward and downward, and when the cutting direction was downward, gas did not stay inside the cutting part, and the cutting was not carried out as it rose due to buoyancy. When the flow rate of gas was increased by increasing the nozzle diameter, the amount of gas introduced into the cutting part increased, and thus smooth cutting was carried out. As a result, it was found that the amount of gas flowing into the cut part is important for successful laser cutting in water, and the amount of gas flowing into the cut part decreases as the depth of the water increases, so that the auxiliary gas can be smoothly introduced into the cut part. Second, cutting characteristics according to laser parameters such as focal position, laser output, cutting speed, and auxiliary gas pressure were analyzed to successfully perform laser cutting under the condition of a depth of 10 m. As the focal position becomes deeper from the front surface of the cut part where the cutting starts by irradiating the laser, the front kerf width of the cut part increases, and the inflow of gas into the cut part increases, and a trace of oxidation inside the cut part decreases. And, an experiment was conducted while changing the laser power, and the critical power to cut a specimen with a thickness of 80 mm in an underwater environment of 10 m was verified. When the cutting speed increased, the front kerf width was almost constant, but the rear kerf width tended to decrease. In addition, when the assistant gas pressure decreased, there was little change in the front and rear kerf widths, but it was confirmed that the flow rate of the assistant gas inside the cut decreased, causing water to penetrate into the cut. As a result, it was confirmed that the cutting was smoothly performed under conditions such as a focal length fd = -54 mm, a laser power P = 12 kW, a cutting speed v = 12 mm/min, and an assistant gas pressure of 9 bar or more. Finally, the flow of the assistant gas injected from the nozzle was visualized and analyzed through Schlieren analysis to see the effect of the cut kerf width on the assistant gas flowing into the cut, and it was confirmed that the flow of the assistant gas inside the cut was the most ideal when the cut kerf width was about 2 mm. Compared to the actual experimental results, the most stable cutting was performed when the front kerf width was 2 mm or more, which was confirmed to be consistent with the Schlieren analysis results. The above research results are considering the applicability of underwater laser cutting at the site of dismantling a nuclear power plant, and are expected to be used as important data for underwater laser cutting technology for dismantling a nuclear power plant.