[논문]중소형 일체형원자로 SMART 내진해석

김태완; 최순; 박근배

문제 정의

그림 1은 SMART 원자로집합체의 배치 개념과 구조를 표시한 것이다. 이 글에서는 일체형원자로 SMART의 주요 해석업무의 하나인 내진해석사례를 소개하고자 한다.
내진해석 방법은 인허가 규정과 기술기준 요건을 준수하므로 원자로의 형태와 관계없이 표준화 은 구조물의 국부적인 강성에 영향을 미치므로 경계조건된 절차를 따르지만, 원자로의 배치 개념 및 구조물의 건전성 입증 방법 등에 따라 세부 절차에서는 차이가 발생한다. 이 글에서는 일체형원자로의 내진해석 절차와 방법에 대한 개괄적인 내용을 소개하고자 한다.
이 모델은 내부구조물의 비선형성에 대한 평가가 필요할 경우에 부분적인 수정을 통하여 비선형 해석을 수행할 수 있는 기초 모델로 사용된다, 그림 8은 3차원 요소를 사용하여 내부구조물을 구성한 모델로서 응답스펙트럼을 사용하여 특정 부위에 발생하는 응력의 크기를 직접 평가하기 위하여 개발된 모델이다. 이 모델은 건전성 평가 절차를 단순화하기 위하여 개발되었다.

제안 방법

2차원 축대칭 요소를 사용하여 유체 구조물 연성 모델을 작성하고 동특성 해석을 수행한다. 주요 모드의 진동수와 기여도를 참조하여 가압기의 대표적인 동특성을 모사한다.
2차원 축대칭 요소를 적용할 수 없는 구조와 경계조건으로 구성된 구조물은 3차원 요소를 사용하여 동특성 해석을 수행한다. 그림 4와 같이 덕트집합체는 쉘 요소와 3차원 유체 요소를 사용하여 동특성 모델을 작성하고 냉각재 환경과 공기중 환경에서의 동특성 해석을 수행하여 계통해석을 위한 동특성을 정의한다.
동특성에 영향을 미친다. 각각의 기기는 하나의 부계통으로서 계통해석을 수행한 후 건전성을 입증하기 위한 해석이 기기별로 필요하며, 이를 고려하여 상세 모델을 개발한다. 기기의 설계 특성이 원자로집합체와 연성할 필요가 없는 경우에는 단순 부가질량으로 고려하여 계통해석모델에 반영할 수 있다.
계통설계자가 원자로의 동특성을 모사한 계통모델을 제공하면 종합설계자는 건물과 원자로 계통을 연성하여 내진해석을 수행한 후 원자로의 내진해석을 위한 입력 자료를 다시 계통설계자에게 제공한다. 내진해석 방법은 인허가 규정과 기술기준 요건을 준수하므로 원자로의 형태와 관계없이 표준화 은 구조물의 국부적인 강성에 영향을 미치므로 경계조건된 절차를 따르지만, 원자로의 배치 개념 및 구조물의 건전성 입증 방법 등에 따라 세부 절차에서는 차이가 발생한다.
압력용기 내부에 설치된다. 노심지지원통과 상부안내구조물의 동특성을 정의하기 위하여 그림 3과 같이 구조물-유체를 연성한 2차원 축대칭 모델을 작성하여 동특성을 정의한다. 노심지지구조물은 핵연료와 관련된 구조물을 지지하기 위하여 환형의 다공판이 사용된다.
그림 6은 대표적인 입력 지진 하중의 시간이력함수와 응답스펙트럼의 형태를 표시한 것이다. 원자로집합체의 내진해석은 종합설계자가 제공한 결과와 2.1 절에서 작성한 계통 해석 모델을 사용하여 수행되며, 주요기기와 원자로집합체 주변기기의 설계하중을 정의하고 건전성을 평가한다.
한계가 있다. 이러한 단점을 최소화하기 위하여 각각의 구조물에 대한 상세 동특성 해석을 먼저 수행하고 그 결과를 모사할 수 있는 보 요소 모델과 질량 모델을 개발한다. 그러므로 계통해석 모델은 각 구조물의 상세 한 동특성을 참조하고 입력 지진의 특성을 고려하여 원자로의 전반적인 동적 거동을 모사할 수 있도록 작성되며.
2차원 축대칭 요소를 사용하여 유체 구조물 연성 모델을 작성하고 동특성 해석을 수행한다. 주요 모드의 진동수와 기여도를 참조하여 가압기의 대표적인 동특성을 모사한다.
제한성이 있다. 해석의 정확성을 확보하기 위하여 핵 연료집 합체 의 물성 치와 동특성 실험을 수행 하여 계통해석 모델에서 모사할 진동수를 정의한다.

이론/모형

내진해석은 상용 프로그램인 ANSYS〃를 사용하며 입력 지진은 원자로집합체와 건물이 연성되는 지지점 위치에서 종합설계자가 제공한 내진해석 응답을 사용한다. 내진해석의 목적은 지진 하중에 대한 원자로의 건전성을 입증하는 것이므로 원자로집합체의 내진해석을 통하여 구조물과 부계통의 건전성을 평가하기 위한 설계 하중, 가속도변위 시간 이력 및 응답스펙트럼 등이 생산된다.

성능/효과

구조물의 동특성 해석을 위하여 3차원 요소나 쉘 요소를 사용할 수 있으며, 비대칭 모드로 확장이 가능한 2차원축대칭 요소를 적용하면 대칭성을 가진 구조물의 동특성을 효과적으로 모사할 수 있다. 그림 3은 비대칭 모드로 확장할 수 있는 2차원 축대칭 요소”를 사용하여 압력용 기와 지지구조물의 동특성 해석을 수행한 결과이다.

후속연구

한국원자력연구원에서는 상용 원전 설계와 연구로 개발경험을 바탕으로 일체형원자로 SMART의 설계특성을 반영한 내진해석 절차를 개발하였으며, 지속적인 최적화 노력을 경주하고 있다. 최근 전산기와 유한요소 프로그램의 발달과 함께 다양한 내진해석 기법이 제안되고 있으므로 이의 적용 가능성도 지속적으로 평가할 예정이다.

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