Numerical Design of Shielded Encircling Probe for RFEC Testing of Nuclear Fuel Cladding Tube

핵연료 피복재 튜브의 원격장와전류 탐상을 위한 차폐된 관통형 탐촉자의 수치해석적 설계

This paper explains the process of designing a shielded encircling remote field eddy current (RFEC) probe to inspect nuclear fuel cladding tubes and investigates resulting signal characteristics. To force electromagnetic energy from exciter coil to penetrate into the tube, exciter coil is shielded outside by laminations of iron insulated electrically from each other. Effects of shielding and the proper operating frequency are studied by the finite element analysis and the location for sensor coil is decided. However, numerically simulated signals using the designed probe do not clearly show the defect indication when the sensor passes a defect and the other indication appeared as the exciter passes the defect is affected by the shape of shielding structure, which demonstrates that the sensor is directly affected by exciter fields. For this reason, the sensor is also shielded outside and this shielding dramatically improves signal characteristics. Numerical modeling with the finally designed probe shows very similar signal characteristics to those of inner diameter RFEC probe. That is, phase signals show almost equal sensitivity to inner diameter and outer diameter defects and the linear relationship between phase signal strength and defect depth is observed.

본 논문에서는 핵연료 피복재 튜브를 검사하기 위한 차폐된 관통형 원격장와전류 탐촉자의 설계과정을 설명하고, 이 탐촉자에 의한 결함신호의 특성을 조사하였다. 먼저, 자기 에너지가 튜브 내부로 관통될 수 있도록 여자코일 외부를 전기적으로 절연된 얇은 철 박판을 적층시켜 차폐시켰다. 그리고 유한요소 해석을 통하여 차폐의 효과와 탐상 주파수를 연구하였으며, 센서코일의 위치를 결정하였다. 그러나 이렇게 설계된 탐촉자를 사용하여 예측된 결함신호는 센서코일이 결함을 지날 때의 결함지시가 명확하지 않았으며, 여자코일이 결함을 지날 때의 결함지시도 차폐체로부터의 영향이 나타나는 등 여자코일로부터 자속이 직접적으로 센서코일에 영향을 미친다는 사실을 알게 되었다. 따라서 센서코일도 여자코일과 같은 형태로 차폐시켰는데 이 차폐의 효과는 놀라울 정도로 결함신호의 특성을 향상시켰다. 최종적으로 설계된 탐촉자를 사용하여 수치 모델링을 수행한 결과는 관내삽입 원격장와전류 탐촉자를 사용하였을 때의 신호와 매우 흡사한 신호특성을 보였다. 즉, 위상신호는 내부결함과 외부결함에 대하여 거의 동일한 민감도를 보였으며, 위상신호의 세기와 결함의 깊이 사이에 선형적인 관계가 있음이 관찰되었다.