[논문]공리적 설계를 이용한 원자로 핵연료봉 지지격자체의 설계

송기남; 강병수; 최성규; 윤경호; 박경진

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.8.1623

공리적 설계를 이용한 원자로 핵연료봉 지지격자체의 설계
Design of a Nuclear Fuel Rod Support Grid Using Axiomatic Design 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.26 no.8 = no.203, 2002년, pp.1623 - 1630

송기남 (한국원자력연구소) , 강병수 (한양대학교 기계설계학과 대학원) , 최성규 ((주)한국철도차량) , 윤경호 (한국원자력연구소) , 박경진

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, much attention is imposed on the design of the fuel assemblies in the Pressurized Light Water Reactor (PWR). Spacer grid is one of the main structural components in a fuel assembly. It supports fuel rods, guides cooling water, and maintains a coolable geometry from the external impact loads. In this research, a new shape of the spacer grid is designed by the axiomatic approach. The Independence axiom is utilized for the design. For conceptual design, functional requirements (FRs) are defined and corresponding design parameters (DPs) are found to satisfy FRs in sequence. Overall configuration and shapes are determined in this process. Detail design is carried out based on the result of the axiomatic design. For the detail design, the system performances are evaluated by using linear and nonlinear finite element analysis. The dimensions are determined by optimization. Some commercial codes are utilized for the analysis and design.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 기겨】/구조적인 측면에서 지지격 자체의 내 판 형상을 설계하고자 한다. 그러나 경험에 의존하는 지금까지의 설계 관행에 비해 보다 체계적이고 합리적인 설계 기법을 도입할 것이다.
11 의 설계 과정을 사용하였다. 이 과정의 목적은 40N의 지 지력에 의해 0.4mm의 탄 소성변형을 하면서 소성 변형 자체는 최소화되는 스프링 형상을 얻는 것이다. 이 과정에서 정식화 (9)의 Fspring 값을 적절히 반복적으로 변화시켰다.
이제 이들에 의한 설계행렬이 어떤 유형인지를 알아본다. 본 연구에서는 횡 방향 지지부를 Fig.

가설 설정

FR1: 횡 방향 충격에 견디는 강도를 가져라.
이 연구에서 지지격자체의 설계행렬은 비 연성화 행렬이다. 따라서 내 판의 강도를 변경하면 즉, 임계 충격하중을 변경하게 되면 스프링의 형상을 다시 설계하여야 한다.

제안 방법

기능적 요구의 일부는 지그재그 과정을 통해 분해되어 2 수준으로 계층화되었다. 공리적 설계의 정리 8 에 의해 설계행렬을 비 연성화 행렬로 근사화하고 이에 따라 설계를 수행한 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 구조적인 관점에서 지지 격자 체에에 접근하였다. 그러나 실제 지지격자체의 동작 환경은 열역학, 유체역학, 구조 동역학, 핵 관련 여러 학문이 복합적으로 관련이 있다.
독립 공리는 기능적 영역의 기능적 요구(FRs)로부터 물리적 영역의 설계 파라 미터(DPs)로 진행하는 사상 과정을 정의할 때에, DP와 FR이 일대일로 대응되기를 추천한다. 본 연구에서는 독립 공리만을 적용하여 설계를 수행한다. 독립 공리를 설명하기 위해서 식 (1)의 설계방정식을 사용한다.
설계 공리 중 제1 공리인 독립 공리를 이용하여 구조적 건전성의 관점에서 원자로 핵연료봉 지 지격자체를 설계하는 기법을 제안하였다. 이를 위해 지지격자체가 가져야 하는 기능적 요구들을 정의하고 이들을 달성하기 위한 설계파라미터들을 정의하였다.
12 의 1/4 모델을 사용하였다. 스프링이 가질 수 있는 강성의 범위를 최대한 넓게 하기 위해, 즉 설계 공간을 넓게 고려하기 위해 초기 스프링 형상의 다리를 X 방향보다는 y 방향으로 연결하였다. 형상 설계변수는 Fig.
설계 공리 중 제1 공리인 독립 공리를 이용하여 구조적 건전성의 관점에서 원자로 핵연료봉 지 지격자체를 설계하는 기법을 제안하였다. 이를 위해 지지격자체가 가져야 하는 기능적 요구들을 정의하고 이들을 달성하기 위한 설계파라미터들을 정의하였다. 기능적 요구의 일부는 지그재그 과정을 통해 분해되어 2 수준으로 계층화되었다.
해석 시의 충격력은 강체 구와 강체 판, 지지격자체가 접촉할 때의 접촉력으로 정의하고 Table 1 의 물성치泌) 를 사용한다. 충격 지지부의 길이 I에 대한 여러 후보 값을 사용하여 임계 충격하중을 구하는 비선 형 해석을 수행하였다. 그 결과, Fig.

대상 데이터

경수로형 원자로(Pressurized Light Water Reactor; PWR)에 사용되는 Fig. 1 의 핵연료 집합체는 골격 체와 핵연료봉으로 구성되어 있다. 골격 체는 상단 고 정처】, 하단고정처], 안내관, 지지격자체가 하나의 구조물을 이루고 있다.
일반적으로 임계 충 격하 중의 기준값으로는, 실제로 원자로에서 사용되고 있는 격자 체를 대상으로 중격시험을 수차례 시행하여 얻은 임계 충격하중의 평균값을 취한다. 실제 충격 시험은 Fig. 7 의 자유낙하식 충격시험 장치를 사용하였으며, 여기서 나온 평균값은 4500N이다. 실제 충격 시험을 모사하는 비선형 유한요소 모델을 Fig.
이제, 지지 격자 체에 대한 상기 관찰 결과를 바탕으로 지그재그 과정과 분해를 통해, 구조적인 측면에서 바라본. 지지격자체의 FR과 DP 들을 선정한다.

이론/모형

특히 공리적 설계를 구성하는 두 개의 공리 중 하나인 독립 공리(Independence axiom)'이》를 사용하여 설계를 진행할 것이다. 독립 공리에 의거하여 지지격자체의 기능적 요구들을 정의하고 각각의 기능적 요구들을만족하는 설계 파라미터(Design Parameters; DPs)를최적화 기법M을 이용하여 결정할 것이다. 수치 최적화 작업을 위해 G*© ENESIS" 를, 비선형해석을 위해 LS-Dyna3D“"와 ABAQUSl, 8)< 사용한다.
본 연구에서 사용한, 합리적이고 체계적으로 설계 과정을 설명할 수 있는 설계기법 이란 공리적 설계기법이다. 특히 공리적 설계를 구성하는 두 개의 공리 중 하나인 독립 공리(Independence axiom)'이》를 사용하여 설계를 진행할 것이다. 독립 공리에 의거하여 지지격자체의 기능적 요구들을 정의하고 각각의 기능적 요구들을만족하는 설계 파라미터(Design Parameters; DPs)를최적화 기법M을 이용하여 결정할 것이다.

성능/효과

첫째, 지지 격자 체는 연료봉을 안정적으로 지지해야 한다. 둘째, 지지 격자 체는 뜨거운 연료봉에서 냉각수로 향하는 열전달을 촉진시켜야 한다. 셋째, 지지 격자 체는 어떠한 비정상적인 운전 환경에서도 지지 격자 체내 부의의 제어봉 통로를 안 전하게 보호하여야 한다.
둘째, 지지 격자 체는 뜨거운 연료봉에서 냉각수로 향하는 열전달을 촉진시켜야 한다. 셋째, 지지 격자 체는 어떠한 비정상적인 운전 환경에서도 지지 격자 체내 부의의 제어봉 통로를 안 전하게 보호하여야 한다. 설계자는 지지 격자 체를 설계하는데 있어 이와 같은 기능들을 염두에 두어야 한다.
4mm 눌려 지는 것을 의미한다. 위의 사항들을 종합하면 스프링은 40N의 하중을 받고 제조 과정상의 이유로 0.4mm의 변형을 일으킴을 알 수 있다.
지지 격자 체가 가져야 하는는 일반적인 기능들은 다음과 같다. 첫째, 지지 격자 체는 연료봉을 안정적으로 지지해야 한다. 둘째, 지지 격자 체는 뜨거운 연료봉에서 냉각수로 향하는 열전달을 촉진시켜야 한다.

후속연구

본 연구에서는 기겨】/구조적인 측면에서 지지격 자체의 내 판 형상을 설계하고자 한다. 그러나 경험에 의존하는 지금까지의 설계 관행에 비해 보다 체계적이고 합리적인 설계 기법을 도입할 것이다. 이미 원자로에서 실제로 사용되고 있는 지지 격자 체들은 그 설계 과정이 대부분 알려져 있지 않다.
그러나 실제 지지격자체의 동작 환경은 열역학, 유체역학, 구조 동역학, 핵 관련 여러 학문이 복합적으로 관련이 있다. 위의 분야들이 고려된다면 본 연구의 비 연성화 설계는 유효하지 않을 수 있으며, 정의된 기능적 요구 또한 수정될 수 있을 것이다. 따라서 위의 다양한 학문들을 아 우르는 설계가 앞으로 이루어져야 한다.

참고문헌 (21)

Jung, Y.H., Song, K.N., Kim, H.K., Kang, H.S., Yoon, K.H., 1999, Final Report of Development of New Fuel Rod for Pressurized Light Water Reactor, KAERI/RR-2015/99, KAERI
Kim, H.K., Song, K.N., Yoon, K.H., Kang, H.S., Jeon, T.R., Oh, D.S., In, W.K., Bang, J.K., Oh, S.E., Seo, L.M., Lee, J.S., Park, S.K., 1997, Analysis of the Patent Specifications on Nuclear Grid assembly Permitted in U.S.A., KAERI/TR-867/97, KAERI
Walton, L.A., 1979, 'Zircaloy Spacer Grid Design,' Transactions of the American Nuclear Society, Vol.32, pp. 601-602, USA
Larson, J.G., 1982, 'Optimization of The Zircaloy Spacer Grid Design,' Transactions of the American Nuclear Society, Vol. 43, pp. 160-161, USA
Jang, I.G., 1999, 'Optimal Design of a Nuclear Fuel Rod Support Structure Based on Contact Stress Analysis,' M.S. Thesis, KAIST
N.P. Suh, 2001, Axiomatic Design, Oxford University Press, New York
Lee, K.W. and Park, G.J., 2000, 'A Structural Optimization Methodology Using the Independence Axiom,' Trans. of the KSME(A), Vol. 24, Issue 10, pp. 2438-2450

원문보기 상세보기
Lee, K.W, Lee, K.H., and Park, G.J., 2000, 'A Structural Optimization Methodology Using the Independence Axiom,' Proceeding of the First International Conference on Axiomatic Design ICAD2000, pp. 145-150
Lee, K.H., Hwang, K.H., and Park, G.J., 2000, 'Robust Design of a Micro Gyroscope Using Axiomatic Approach,' 2000 U.S. - Korea Conference on Science and Technology, Entrepreneurship, and Leadership
Shin, C.S., Lee, K.H., and Park, G.J., 2000, 'Robust Structural Optimization Using Design Axioms in a Discrete Design Space,' AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, AIAA-2000-4808
Shin, M.K., Hong, S.W, and Park, G.J., 2001, 'Axiomatic Design of the Motor Driven Tilt/Telescopic Steering System for Safety and Vibration,' Proc. Instn. Mech. Engrs. (Journal of Automobile), February, Vol. 215, pp. 179-187
Do, S.H. and Park, G/J., 2001, 'Application of Design Axioms for Glass-Bulb Design and Software Development for Design Automation,' Journal of Mechanical Design, September, Vol. 123, Issue 3, pp. 322-329

상세보기
Arora, J.S., 1989, Introduction to Optimum Design, McGraw-Hill Book Company, New York
Vanderplaats, G.N., 1984, Numerical Optimization Techniques for Engineering Design, McGraw-Hill Book Company, New York
GENESIS User Manual: Ver 5.0, 1998, VMA Engineering
FEMBGENESIS User Manual: Ver 26.3D, 1996, VMA Engineering
LS-DYNA User Manual, 1999, Livermore Software Technology, CO
ABAQUS/Standard Version 5.8 User manual, Hibbitt, Karlsson, and Sorensen, Inc., Pawtucket, RI
Yoon, K.H., Kang, H.S., Kim, H.K., Song, K.N. et al., 2000, Analysis of Buckling Behavior of Fuel Rod Support Grid Assembly Subjected to the Lateral Impact Load, KAERI/TR-1569/00, KAERI
Bathe, K.J., 1996, Finite Element Procedures, Prentice-Hall, Inc. A Simon and Schuster Company Englewood Cliffs, New Jersey

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증