[논문]플라스크 낙하 및 이송차량 충돌에 대한 사용후 핵연료 건식저장시스템의 거동

송형수; 민창식; 윤동용; 정홍재

문제 정의

본 연구에서는 발전소내의 부지에 방사성 폐기물을 저장하기 위해 고안된 사용후 핵연료 건식저장시스템에 대한 설계방법을 검토하였다. 그리고 사용후 핵연료 이송차량의 건식저장시스템에 대한 충돌영향과 사용후 핵연료를 저장하는 플라스크의 낙하사고 등 비정상 운영조건에 대한 안전성을 검토하였다.
본 연구에서는 원자력발전소에서 발생되는 사용후 핵연료를 저장하는 시설인 사용후 핵연료 건식저장시스템의 비정상운영조건에 대한 검토를 수행하였다. 본 연구에서 고려한 비정상운영조건은 사용후 핵연료 이송차량의 건식저장시스템에 대한 충돌과 플라스크 낙하 등이 있으며, 3차원 유한요소해석을 통하여 구조적 안전성을 검토하였다.
본 해석은 구조해석 범용 프로그램인 ABAQUS 6.2를 사용하였으며, 3차원 비선형 유한요소 해석법을 사용하여 충격재하에 따른 충격부위의 국부적인 파괴모드와 거동양상을 파악하고자 하였다. 건식저장시스템의 해석은 8절점의 SOLID 요소를 이용하여 Fig.

가설 설정

사용후 핵연료 이송차량이 운전자의 과실로 인해 건식저장시스템에 충돌하는 사고를 가정하여 충돌에 대한 검토를 수행하게 된다. 이때 충돌하중은 AASHTO LRFD⁽³⁾ 3.
사용후 핵연료가 저장되어 있는 바스켓을 건식저장 시스템에 저장하기 위하여 운반하는 장치가 플라스크이다. 이러한 플라스크가 작업중 부주의로 건식저장시스템의 상부슬래브에 낙하하는 경우를 가장 엄격한 조건으로 가정하여 적용하였다. 이때 플라스크의 낙하하중 산정은 AECL⁽⁶⁾에서 제시한 방법을 적용하였다.

제안 방법

건식저장시스템에 이송차량 충돌하중 재하는 이송차량이 방향에 따라 충돌할 수 있는 2가지의 경우(장변과 단변)와 속도에 따른 2가지 경우(20 km/h, 40 km/h)로 구분하여 적용하였다. 현재 월성원자력 발전소에서 운행중인 이송차량의 총무게는 382 kN으로 본 연구에서는 안전측으로 392 kN을 적용하였다.
비정상운영조건에 대한 사용후 핵연료 건식저장시스템의 안전성을 검토하기 위하여, 사용후 핵연료가 저장되어 있는 바스켈을 건식저장시스템에 저장하기 위하여 운반하는 장치인 플라스크가 작업중에 낙하하는 경우와 이송차량의 충돌에 대해 구조적 안전성을 유한 요소 해석을 통해 검토하였다. 검토에서는 충돌이나 낙하 등의 충격하중을 등가의 정적하중으로 변환하여 이 정적하중에 대한 응력 및 변위에 대한 검토를 수행 하였다.
3과 같이 모델링 하였다. 구조물의 기하형상, 하중조건, 경계 및 구속조건의 대칭성을 고려하여 1/4 만을 제작하였다. 모델은 총 6,980개의 절점과 4,460개의 요소로 구성하였다.
본 해석에 사용된 1/4 축소모델의 경계 조건은 Table 3과 같다. 구조물이 연속되는 1축 방향면과 2축 방향면은 연속되는 1축 방향, 2축 방향의 변위와 3축 회전을 구속하였고, 구조물의 바닥은 고정으로 하였다. 그리고 해석에 사용된 재료의 특성은 Table 4와 같으며, ACI-318⁽⁴⁾에서 제시한 방법에 따라 0.
본 연구에서는 발전소내의 부지에 방사성 폐기물을 저장하기 위해 고안된 사용후 핵연료 건식저장시스템에 대한 설계방법을 검토하였다. 그리고 사용후 핵연료 이송차량의 건식저장시스템에 대한 충돌영향과 사용후 핵연료를 저장하는 플라스크의 낙하사고 등 비정상 운영조건에 대한 안전성을 검토하였다.
본 연구에서는 원자력발전소에서 발생되는 사용후 핵연료를 저장하는 시설인 사용후 핵연료 건식저장시스템의 비정상운영조건에 대한 검토를 수행하였다. 본 연구에서 고려한 비정상운영조건은 사용후 핵연료 이송차량의 건식저장시스템에 대한 충돌과 플라스크 낙하 등이 있으며, 3차원 유한요소해석을 통하여 구조적 안전성을 검토하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
비정상운영조건에 대한 사용후 핵연료 건식저장시스템의 안전성을 검토하기 위하여, 사용후 핵연료가 저장되어 있는 바스켈을 건식저장시스템에 저장하기 위하여 운반하는 장치인 플라스크가 작업중에 낙하하는 경우와 이송차량의 충돌에 대해 구조적 안전성을 유한 요소 해석을 통해 검토하였다. 검토에서는 충돌이나 낙하 등의 충격하중을 등가의 정적하중으로 변환하여 이 정적하중에 대한 응력 및 변위에 대한 검토를 수행 하였다.
사용후 핵연료 건식 저장시스템은 설계수명기 간인 50년 동안 정상운영조건, 비정상운영조건, 자연재해조건에 대하여 시설의 성능요건과 기능 및 안전성을 유지할 수 있도록 발생 가능한 하중조합에 대하여 구조해석을 수행한다. 정상운영조건은 고정하중(자중 및 부착 시설), 활하중(운전하중), 정적토압, 열하중, 설계지진하중(운전기준 지진하중)을 적용한다.
비정상운영조건으로는 작업중 이송차량충돌, 플라스크와 바스켈 등의 낙하, 미사일의 폭발, 항공기 충돌을 적용하며, 설계지진하중(안전정지지진)과 태풍을 포함한 풍하중을 자연재해조건으로 적용한다. 이러한 하중들을 고려하여 구조부재에 가장 불리한 영향을 미치는 해석결과를 토대로 극한강도 설계법과 허용응력 설계법을 병행하여 구조부재 두께를 선정하고 배근설계를 수행한다. 선정된 구조부재는 차폐해석과 열평가를 통해서 안전성을 확인한 후 최종적인 단면설계 작업을 종료하므로 설계가 완료된다.
이송차량 충돌하중은 차량의 운행방향에 따라 발생 가능한 2가지의 경우(장변과 단변)로 구분하여 작용시켰다. 여기서 장변은 Fig.
이때 플라스크의 낙하하중 산정은 AECL⁽⁶⁾에서 제시한 방법을 적용하였다. 플라스크 낙하에 의한 충격하중은 상부 슬래브를 단순보로 가정하여 플라스크 낙하에 의해 발생되는 정적변위와 플라스크의 낙하높이를 이용하여 증폭계수를 산정하고, 증폭계수를 통해 플라스크의 낙하 및 충격해석에 입력하중으로 사용하였다. AECL⁽⁶⁾에서는 플라스크 낙하하중은 다음과 같은 단계를 밟아 계산하고 있다.

대상 데이터

구조물이 연속되는 1축 방향면과 2축 방향면은 연속되는 1축 방향, 2축 방향의 변위와 3축 회전을 구속하였고, 구조물의 바닥은 고정으로 하였다. 그리고 해석에 사용된 재료의 특성은 Table 4와 같으며, ACI-318⁽⁴⁾에서 제시한 방법에 따라 0.45 f_ck이후 구간부터 비선형구간으로 콘크리트의 변형을 0.002까지 제어하는 모델을 사용하였다.
구조물의 기하형상, 하중조건, 경계 및 구속조건의 대칭성을 고려하여 1/4 만을 제작하였다. 모델은 총 6,980개의 절점과 4,460개의 요소로 구성하였다.

이론/모형

사용후 핵연료 이송차량이 운전자의 과실로 인해 건식저장시스템에 충돌하는 사고를 가정하여 충돌에 대한 검토를 수행하게 된다. 이때 충돌하중은 AASHTO LRFD⁽³⁾ 3.14.8절의 공식을 적용하여 산정하였다. 이 규정은 선박이 교각과 충돌할 경우의 충돌하중을 산정하는 것이지만, 이송차량의 충돌하중 산정에 충분히 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 플라스크가 작업중 부주의로 건식저장시스템의 상부슬래브에 낙하하는 경우를 가장 엄격한 조건으로 가정하여 적용하였다. 이때 플라스크의 낙하하중 산정은 AECL⁽⁶⁾에서 제시한 방법을 적용하였다. 플라스크 낙하에 의한 충격하중은 상부 슬래브를 단순보로 가정하여 플라스크 낙하에 의해 발생되는 정적변위와 플라스크의 낙하높이를 이용하여 증폭계수를 산정하고, 증폭계수를 통해 플라스크의 낙하 및 충격해석에 입력하중으로 사용하였다.

성능/효과

1) 본 연구의 플라스크 낙하시 발생하는 충격에 의한 응력이 상부슬래브에 가장 크게 나타났으며, 이러한 응력에 대해서 상부슬래브에 최소철근비의 4배 이상을 배근하게 되면 구조적 안전성을 확보할 수 있었다. 또한 이러한 철근비는 정상운영시 하중에 의해 요구되는 인장철근의 2배 정도에 해당한다.
2) 본 연구의 이송차량 충돌에 대한 해석결과 발생한 응력은 미소하여, 휨이나 전단 등에 대해 별도의 보강이 필요하지 않는 것으로 나타났다.
이러한 이송차량 충돌에 의해 나타난 응력들은 모두 플라스크 낙하에 의해 나타나는 응력들보다 작게 나타났다. 그러므로 이송차량의 충돌로 인한 건식저장시스템의 단면설계에 별도의 구조적 보강이 필요하지 않는 것으로 나타났다.
상부슬래브의 전단응력에 대한 결과는 Table 7에서 보는 바와 같이 비정상운영하중에 의한 전단응력이 콘크리트가 부담하는 전단응력을 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구의 건식저장시스템의 경우는 1,221 kN/m 이상의 전단력을 부담할 수 있는 조건으로 스터립을 배치하면 전단에 대해서도 충분한 안전성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 이러한 전단철근량은 정상운영하중에 대해 요구된 전단철근보다 20% 정도 많은 양이다.
본 연구에서 검토한 플라스크 낙하에 의한 건식저장시스템 상부슬래브의 인장응력은 콘크리트구조설계기준⁽²⁾에서의 최소철근비의 4배 이상으로 인장철근을 배근하게 되면 구조적 안전성을 확보할 수 있으며, 이러한 인장철근량은 정상운영하중에 대한 인장철근 요구량보다 약 2배 정도 큰 것으로 나타났다. 한편 본 연구에서 검토된 플라스크 낙하에 의한 기초부분의 인장 응력은 최소철근비의 3.
본 연구의 건식저장시스템에 대한 전단응력 보강은 정적하중에 의해 배근되는 전단철근보다 약 20%가 더 요구되는 것으로 나타났다.
에서의 최소철근비의 4배 이상으로 인장철근을 배근하게 되면 구조적 안전성을 확보할 수 있으며, 이러한 인장철근량은 정상운영하중에 대한 인장철근 요구량보다 약 2배 정도 큰 것으로 나타났다. 한편 본 연구에서 검토된 플라스크 낙하에 의한 기초부분의 인장 응력은 최소철근비의 3.5배 이상의 인장철근이면 비정상운영하중에 충분한 것으로 나타났다. 벽체부분에서 요구되는 인장철근은 최소철근비의 3배 이상이면 충분하였다.

후속연구

발전소 내의 임시저장시설에 방사성폐기물을 수용하기도 하는데 용량은 사용후 핵연료의 경우 수년 내에 포화상태가 될 것으로 예상된다. 각 원전별로 사용후 핵연료의 저장용량 확장을 감안해도 약 10년후면 포화상태가 될 것으로 예상되기 때문에, 앞으로 사용후 핵연료를 포함한 방사능폐기물의 처리는 더 큰 사회적 문제로 부각 될 것이다⁽¹⁾.
이상의 결과를 통하여 사용후 핵연료 건식저장시스템의 국내 적용을 위한 설계단계에서 비정상운영조건에 대한 신중한 검토가 필요함을 알 수 있었다. 끝으로, 건식저장시스템의 설계시 본 연구에서 제시한 최소철근에 대한 검토결과를 참고할 수 있을 것으로 판단되며, 건식저장시스템의 형상과 주변여건이 본 연구의 건식저장시스템과 다른 경우 그에 따른 추가적인 검토가 필요하다.
8절의 공식을 적용하여 산정하였다. 이 규정은 선박이 교각과 충돌할 경우의 충돌하중을 산정하는 것이지만, 이송차량의 충돌하중 산정에 충분히 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
이상의 결과를 통하여 사용후 핵연료 건식저장시스템의 국내 적용을 위한 설계단계에서 비정상운영조건에 대한 신중한 검토가 필요함을 알 수 있었다. 끝으로, 건식저장시스템의 설계시 본 연구에서 제시한 최소철근에 대한 검토결과를 참고할 수 있을 것으로 판단되며, 건식저장시스템의 형상과 주변여건이 본 연구의 건식저장시스템과 다른 경우 그에 따른 추가적인 검토가 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사용후 핵연료 임시 저장시설이란 무엇인가?	사용후 핵연료 임시 저장시설은 원자력발전소의 사용후 핵연료에 대한 국가관리정책이 결정될 때까지 발전소 내에 안전하게 저장할 수 있는 시설이다. Fig.
	해외에서는 방사성폐기물을 처리하기위해 어떤 방법을 사용하고 있는가?	장기적으로 이러한 문제를 해결하기 위해서 국가관리정책에 의해 방사성폐기물 저장시설을 건립하는 것도 중요하지만, 단기적으로 발전소내의 저장시설 부지에 방사성폐기물을 수용하는 방법도 고려될 수 있다. 이를위해 미국과 캐나다 등에서는 사용후 핵연료 건식저장시스템을 제작하여 사용하고 있다. 국내에서도 이를 도입하기 위해 국내 실정과 특성을 반영한 연구와 검토가 이루어지고 있다.
	방사성폐기물을 저장하는 시설은 무엇에 의해서 추진되는가?	원자력발전소를 가동시 필연적으로 발생되는 사용 후 핵연료를 포함한 방사성폐기물의 처리는 현재 우리나라에 상당한 사회적 문제로 부각되고 있는 실정이다. 이러한 방사성폐기물을 저장하는 시설은 국가 관리정책에 의해서 추진되는데, 국민들에게 혐오시설 또는 위험시설로 분류되어 부지선정에 상당한 어려움과 많은 시간이 소요되고 있다. 발전소 내의 임시저장시설에 방사성폐기물을 수용하기도 하는데 용량은 사용후 핵연료의 경우 수년 내에 포화상태가 될 것으로 예상된다.

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