[논문]충격완충체의 효과를 고려할 수 있는 운반용기의 파열낙하시험 유한요소해석 방법

권기찬; 서기석; 유길성

충격완충체의 효과를 고려할 수 있는 운반용기의 파열낙하시험 유한요소해석 방법
A mite Element Modeling for the Puncture Drop Test of a Cask with the Failure of Impact Limiter 원문보기

방사성폐기물학회지 = Journal of the Korean Radioactive Waste Society, v.7 no.1, 2009년, pp.9 - 16

권기찬 (한국원자력연구원) , 서기석 (한국원자력연구원) , 유길성 (한국원자력연구원)

초록
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방사성물질 운반용기는 가상 사고조건에서 구조적 건전성이 유지됨을 실험 및 수치해석을 통해 입증하여야 한다. 가상 사고조건에 포함되는 파열낙하 조건에 대한 기존 유한요소해석의 경우 충격완충체에서 재료의 파손이 발생하기 때문에 일반적으로 유한요소모델에서 이 부분을 무시하고 해석한다. 본 논문에서는 파열낙하 해석에서 충격완충체의 변형으로 인한 낙하에너지 흡수의 효과를 고려하기 위해 요소의 적분점에서 응력 이나 변형율이 재료의 파손 기준치에 도달하면 그 요소를 제거하는 방법을 제안한다. 본 해석방법의 효용성을 보이기 위해 한국원자력연구원에서 설계중인 핫셀 운반용기에 대해 파열낙하 해석을 수행하였으며, 요소제거 기법의 적용을 통해 낙하 에너지의 80% 정도가 충격완충체에서 흡수되는 것으로 계산되었다. 본 해석방법은 시험조건에 비해 보수성을 가지는 평가방법이며, 기존의 해석방법과 비교해 파열낙하 조건을 보다 근사적으로 해석할 수 있는 방법이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Transport package for radioactive material should be structurally safe under puncture drop condition and its safety should be verified by test and numerical analysis. Most finite element analyses for puncture drop have been performed without modeling the impact limiter since failure is occurred in the materials of the impact limiter. This paper presents a new modeling methodology, where an element is eroded in case that the material's failure criteria are reached at the element's integration point, to investigate the effect of the impact limiter in the puncture process. The effectiveness of the proposed scheme is shown through the puncture drop analysis of hotcell transport cask, which is under design in KAERI. The results show that about 80 percent of the total impact energy is absorbed due to the deformation of impact limiter. Using the present method the puncture drop can be analyzed more accurately, but it would give conservative results compared to the actual test condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 운반용기의 파열낙하시 험을 유한요소해석 할때 완충체 재료의 충격흡수 효과 및 파손을 고려할 수 있는 유한요소해석 모델링 방법을 제안하고자 한다. 재료의 파손을 고려하기 위해 동적 유한요소해석의 경우 파손이 발생한 요소를 제거하면서 해석을 수행하는 방법으로 근사적 해석이 가능할 수 있다.

가설 설정

3 ton이다. 내부 바스켓과 용기본체의 재질은 스테인레스강인 SA240 type 304이며, 차폐체는 감마선 차폐를 위한 납 차폐체와 중성자차폐 체로 나누어지는데 중성자 차폐물질은 폴리우레탄으로 가정하였다. 특히 충돌에너지의 많은 양을 흡수하면서 파열이 발생하는 완충체 부분은 발사목재(balsa woods 되어 있으며, 이를 두께 3 mm인 스테인레스강 판재가 둘러싸고 있다.
또한 파손 발생기준을 크게 할 경우 요소가 제거 되기 전에 요소가 심하게 일그러져 해석상의 문제를 야기할 수 있다. 본 연구에서는 발사목재의 파손 발생기준을 등가 소성변형율이 0.6에 도달할 때로 가정하였다.
충격완충체와 차폐용기를 결합하는 나사는 차폐용기 에만 구속되고 나머지 부분에서는 접촉이 가능하도록 모델링하였다. 봉은 직경 15 cm, 길이 20 cm로 모델링하였으며 강체로 가정하였다. 운반용기와 봉은 초기에 서로 접하고 있으며, 1 m 높이에서의 자유낙하 속도인 4.
재료의 거동에 대해서는 모든 재질에 대해 선형탄성 이론과 J2-유동법칙(flow rule)에 기초한 탄소성 구성방정식을 사용하였으며, 스테인레스강과 납에 대해서는 선형 등방성 경화(linear isotropic hardening)를 가정하였다. 스테인레스강의 재료 물성치는 밀도 7, 913 kg/m3, 탄성계수 186.

제안 방법

기준이 필요하다. LS-DYNA에서는 몇 가지 기준을 선택사항으로 제공하고 있는데, 본 연구에서는 등가 소성변형율을기준으로 하였다. 스테인레스강의 경우 등가 소성변형율이 0.
고방사성물질 운반용기 의 파 열낙하 조건에서 충격완충체의 변형에 의한 에너지 흡수 효과를 고려하기 위해 요소 제거기법을 이용한 유한요소해석 모델링 방법을 제안하였다. 본 방법의 해석 예제로 핫셀 운반용기를 사용하였는데 , 이 용기는 현재 한국원자력연구원에서 설계중이며 완충재로 발사 목재를 사용한다.
충격완충체의 스테인레스강 판재는 쉘요소로 모델링하고, 다른 부분은 모두 3차원 연속체 요소로 모델링하였다. 내부 바스켓, 감마선 차폐처], 중성자 차폐체, 용기본체 사이의 서로 접하는 부분은 접촉조건을 적용하였다. 또한 충격완충체와 차폐용기 사이와 충격 완충 체에서 발사 목재와 외부판재 사이에도 접촉조건을 적용하였다.
2에서 볼 수 있듯이 용기본체의 상부와 하부의 구조가 다르다. 따라서 하부 낙하의 경우와 상부 낙하의 경우를 각각 해석하였다.
내부 바스켓, 감마선 차폐처], 중성자 차폐체, 용기본체 사이의 서로 접하는 부분은 접촉조건을 적용하였다. 또한 충격완충체와 차폐용기 사이와 충격 완충 체에서 발사 목재와 외부판재 사이에도 접촉조건을 적용하였다. 충격완충체와 차폐용기를 결합하는 나사는 차폐용기 에만 구속되고 나머지 부분에서는 접촉이 가능하도록 모델링하였다.
이는 충격완충체와 봉이 접촉하는 영역에서 국부적으로 큰 변형 및 응력 이 발생하기 때문이 며 , 특히 재료의 파손에 따라 요소를 제거시키는 기법을 적용할 때 요소가 조밀하지 않으면 너무 큰 영역이 제거되기 때문이다. 발사목재 부분은 수직 방향으로도 세밀하게 요소를 나누고 주변의 요소들과는 접합(tie) 구속조건을 적용하였다. 그리고 요소제거 기법을 적용하기 위해 충격완충체와 봉 사이 에는 접촉조건으로 LS-DYNA 에서 제공하는 “CONTACT_ERODING" 입력 명령어를 사용하였는데, 이 명령어는 접촉 문제에서 요소제거 기능을 구현해준다.
본 장에서는 앞장에서 기술한 충격완충체의 특성을 고려할 수 있는 유한요소해석 모델링 방법을 이용해 핫셀 운반 용기의 파열낙하시험 조건에 대한 해석을 수행하고, 그 결과를 고찰한다. Fig.
또한 충격완충체와 차폐용기 사이와 충격 완충 체에서 발사 목재와 외부판재 사이에도 접촉조건을 적용하였다. 충격완충체와 차폐용기를 결합하는 나사는 차폐용기 에만 구속되고 나머지 부분에서는 접촉이 가능하도록 모델링하였다. 봉은 직경 15 cm, 길이 20 cm로 모델링하였으며 강체로 가정하였다.
여기서는 대칭성을 고려하여 전체 용기의 1/2만을 모델링하였다. 충격완충체의 스테인레스강 판재는 쉘요소로 모델링하고, 다른 부분은 모두 3차원 연속체 요소로 모델링하였다. 내부 바스켓, 감마선 차폐처], 중성자 차폐체, 용기본체 사이의 서로 접하는 부분은 접촉조건을 적용하였다.
2의 유한요소 모델을 사용하였다. 해석중 특정 요소에서 등가 소성변형율이 그 재료의 가정한 기준값에 도달하면 재료에서 파손이 일어나는 것으로 판단하고'그 요소가 제거될 수 있도록 하였다. Fig.

대상 데이터

본 논문에서는 운반용기의 파열낙하에 대한 해석 예제로 현재 한국원자력연구원에서 설계중인 핫셀 (hotcell) 운반 용기를 사용하였다. 이 용기는 사용후핵 연료 20 kg을 운반할 수 있는 용기로 설계 개념도는 Fig.
본 방법의 해석 예제로 핫셀 운반용기를 사용하였는데 , 이 용기는 현재 한국원자력연구원에서 설계중이며 완충재로 발사 목재를 사용한다. 해석은 상용코드인 LS-DYNA를 사용하였으며, 여기서 요소의 적분점에서 등가 소성변형율이 재료의 파손 기준값 이상이 되면 그 요소가 제거되도록 하였다.
4, 항복응력 6 MPa, 소성경화계수 183 MPa이다[13〕. 완충체의 재료인 발사 목재에 대해서는 한국원자력연구원에서 수행한 동특성 재질시험 결과를 이용하였다. 시험 결과 발사목재의 밀도는 106 MPa, 탄성계수 87.

이론/모형

3과 같다. 따라서 발사목재의 소성경화 거동에 대해서는 Fig. 3의 값을 이용하여 조각적(piecewise) 선형 등방성 경화 모델을 적용하였다.
본 방법의 해석 예제로 핫셀 운반용기를 사용하였는데 , 이 용기는 현재 한국원자력연구원에서 설계중이며 완충재로 발사 목재를 사용한다. 해석은 상용코드인 LS-DYNA를 사용하였으며, 여기서 요소의 적분점에서 등가 소성변형율이 재료의 파손 기준값 이상이 되면 그 요소가 제거되도록 하였다. 이는 해석 중 재료의 파손이 발생하는 부분이 생기면 그 부분의 구조적 강성을 무시하는 개념이다.

성능/효과

전체 내부에너지 중 상부 충격완충체의 금속판재와 발사목재의 변형에너지가 각각 34%와 51%를 차지한다. 따라서 본 논문에서 제안하는 요소 제거법을 이용한 파열낙하 해석이 충격완충체에서 흡수할 수 있는 에너지를 추가적으로 분석하는데 효용성이 있음을 알 수 있다.
이를 통해 운반 용기의 파열낙하 해석 에서 충격완충체를 무시하고 유한요소 모델링하여 해석하는 경우 충격완충체에서 흡수할 수 있는 에너지를 무시하게 되어 차폐용기에 대해서는 지나치게 보수적이 해석조건이 됨을 알 수 있다. 또한 본 논문에서 제안하는 요소 제거 기법을 이용한 파열낙하 해석 이 충격완충체에서 흡수할 수 있는 에너지를 상당부분 고려할 수 있음을 알 수 있다.
11은 용기본체에서 발생하는 등가 소성변형율과 von-Mises 응력이 최대가 되는 순간에서 의 각각 그 분포를 나타낸다. 용기본체의 상부 개폐구조로 인해 구조적으로 취약한 영역에서 많은 변형과 응력이 발생하였으며, 최대소성변형율은 0.018, 최대 응력은 293 MPa로 나타났다. 용기 본체의 재질인 스테인레스강의 기계적 물성치를 고려할 때, 용기본체는 파열낙하 조건에서 구조적 건전성을 유지할 수 있다고 판단된다.
충격완충체에서 전체 낙하에너지의 80% 이상을 변형에너지로 흡수하였으며, 외부 스테인레스강 판재에서 약 30%, 내부 발사목재 완충재에서 약 50%를 흡수하는 것으로 나타났다. 이를 통해 본 해석예제에서는 충격완충체가 낙하에너지의 상당부분을 흡수할 수 있음을 알 수 있었으며, 본 해석방법이 파열낙하시험 조건을 보다 근사적으로 모사할 수 있는 방법 이라 생각된다. 실제 파열 낙하시험에서는 완충재 재료의 파손이 발생하면 본 해석에서처럼 완충재가 사라지지 않고 여전히 구조적으로 강성을 가지고 있을 것이므로, 본 해석방법도 보수성을 가진다고 할 수 있다.
해석결과 충격완충체는 봉과 충돌하는 부분의 요소들이 모두 제거되었으며, 용기 본체는 구조적 건전성을 유지하였다. 충격완충체에서 전체 낙하에너지의 80% 이상을 변형에너지로 흡수하였으며, 외부 스테인레스강 판재에서 약 30%, 내부 발사목재 완충재에서 약 50%를 흡수하는 것으로 나타났다. 이를 통해 본 해석예제에서는 충격완충체가 낙하에너지의 상당부분을 흡수할 수 있음을 알 수 있었으며, 본 해석방법이 파열낙하시험 조건을 보다 근사적으로 모사할 수 있는 방법 이라 생각된다.
이는 해석 중 재료의 파손이 발생하는 부분이 생기면 그 부분의 구조적 강성을 무시하는 개념이다. 해석결과 충격완충체는 봉과 충돌하는 부분의 요소들이 모두 제거되었으며, 용기 본체는 구조적 건전성을 유지하였다. 충격완충체에서 전체 낙하에너지의 80% 이상을 변형에너지로 흡수하였으며, 외부 스테인레스강 판재에서 약 30%, 내부 발사목재 완충재에서 약 50%를 흡수하는 것으로 나타났다.

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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].

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