한국원자력연구원은 전력생산과 해수담수화를 동시에 수행하고 친환경적인 SMART 원자로를 개발하였다. SMART 원자로의 여러 구조물 중에 제어봉구동 장치(CRDM)는 제어봉의 삽입 량을 조절하여 원자로의 출력을 조정하고 비상시 제어봉을 긴급 삽입하여 원자로를 정지시키기 위한 기기이다. 본 연구의 목적은 제어봉 구동 장치의 구조적 건전성을 확보하기 위해서 동특성해석을 수행하는 것이다. 또한 향후 내진해석에 활용될 단순모델의 활용을 위해 상세모델과의 비교, 검증을 수행하였다. 해석은 유한요소 해석기법을 활용하였고 상용해석 프로그램인 ABAQUS 와 ANSYS V12 를 사용하였다. 유한요소 해석모델은 상세모델인 3-D Solid 모델과 단순모델인 Beam 모델을 작성하여 비교하였고 추가로 단순모델을 오일러 보인 Beam4 요소와 티모센코 보인 Beam188 요소로 작성하여 비교 검토하였다. 향후 SMART 원자로집합체의 단순모델을 작성하여 내진해석 등 다양한 해석에 활용될 계획이므로 단순모델은 상세모델과의 오차를 줄이기 위해서 모델 보정(model updating)이 수행되었다.
한국원자력연구원은 전력생산과 해수담수화를 동시에 수행하고 친환경적인 SMART 원자로를 개발하였다. SMART 원자로의 여러 구조물 중에 제어봉 구동 장치(CRDM)는 제어봉의 삽입 량을 조절하여 원자로의 출력을 조정하고 비상시 제어봉을 긴급 삽입하여 원자로를 정지시키기 위한 기기이다. 본 연구의 목적은 제어봉 구동 장치의 구조적 건전성을 확보하기 위해서 동특성해석을 수행하는 것이다. 또한 향후 내진해석에 활용될 단순모델의 활용을 위해 상세모델과의 비교, 검증을 수행하였다. 해석은 유한요소 해석기법을 활용하였고 상용해석 프로그램인 ABAQUS 와 ANSYS V12 를 사용하였다. 유한요소 해석모델은 상세모델인 3-D Solid 모델과 단순모델인 Beam 모델을 작성하여 비교하였고 추가로 단순모델을 오일러 보인 Beam4 요소와 티모센코 보인 Beam188 요소로 작성하여 비교 검토하였다. 향후 SMART 원자로집합체의 단순모델을 작성하여 내진해석 등 다양한 해석에 활용될 계획이므로 단순모델은 상세모델과의 오차를 줄이기 위해서 모델 보정(model updating)이 수행되었다.
The Korea Atomic Energy Research Institutes has been developing the SMART (System integrated Modular Advanced ReacTor), an environment-friendly nuclear reactor for the generation of electricity and to perform desalination. SMART reactors can be exposed to various external and internal loads caused b...
The Korea Atomic Energy Research Institutes has been developing the SMART (System integrated Modular Advanced ReacTor), an environment-friendly nuclear reactor for the generation of electricity and to perform desalination. SMART reactors can be exposed to various external and internal loads caused by seismic and coolant flows. The CRDM(control rod drive mechanism), one of structures of the SMART, is a component which is adjusting inserting amount of a control rod, controlling output of reactor power and in an emergency situation, inserting a control rod to stop the reactor. The purpose of this research is performing the analysis of dynamic characteristic to ensure safety and integrity of structure of CRDM. This paper presents two FE-models, 3-D solid model and simplified Beam model of the CRDM in the coolant, and then compared the results of the dynamic characteristic about the two FE-models using a commercial Finite Element tool, ABAQUS CAE V6.8 and ANSYS V12. Beam 4 and beam 188 of simplified-model were also compared each other. And simplified model is updated for accuracy compare to 3-D solid.
The Korea Atomic Energy Research Institutes has been developing the SMART (System integrated Modular Advanced ReacTor), an environment-friendly nuclear reactor for the generation of electricity and to perform desalination. SMART reactors can be exposed to various external and internal loads caused by seismic and coolant flows. The CRDM(control rod drive mechanism), one of structures of the SMART, is a component which is adjusting inserting amount of a control rod, controlling output of reactor power and in an emergency situation, inserting a control rod to stop the reactor. The purpose of this research is performing the analysis of dynamic characteristic to ensure safety and integrity of structure of CRDM. This paper presents two FE-models, 3-D solid model and simplified Beam model of the CRDM in the coolant, and then compared the results of the dynamic characteristic about the two FE-models using a commercial Finite Element tool, ABAQUS CAE V6.8 and ANSYS V12. Beam 4 and beam 188 of simplified-model were also compared each other. And simplified model is updated for accuracy compare to 3-D solid.
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문제 정의
본 논문에는 제어봉 구동 장치의 상세모델과 단순모델의 동특성 결과를 비교하고 단순모델의 보정을 통해 SMART원자로 제어봉 구동 장치의 단순모델의 개발과 동특성해석 방법론에 대한 고찰 결과를 기술하였다.
본 연구에서는 SMART 원자로를 구성하는 제어봉 구동 장치의 유한요소모델을 작성하고 동특성 해석의 수행결과를 기술하였다. 유한요소해석은 상세유한요소모델인 solid 모델과 단순유한요소모델인 beam 모델을 비교하였다.
본 연구에서는 제어봉 구동 장치의 유한요소모델을 완성하였고 동특성해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 상세 유한요소모델과 단순유한요소모델을 비교한 결과 사용목적에 따라서 두 개의 해석모델 중 선택하여 활용 가능하며 모델보정기법을 통해 정확한 단순모델 작성이 가능함을 확인하였다.
가설 설정
경계조건은 하단을 완전 고정 하였다. 경계조건은 SMART 원자로집합체와 제어봉 구동 장치의 조립상태를 고려하여 하단을 고정한 것으로 가정하였다.
구조재는 해석모델의 모드형상에 영향을 줄 수 있는 부재로 하우징이 이에 해당하며 하우징은 제어봉 구동 장치 상부를 구성하는 봉 이송 하우징과 하부의 래치집합체를 포함하고 있는 래치 하우징으로 나누어 모델링 하였다. 반면, 비구조재는 집중질량으로 가정하며 코일집합체가 이에 해당한다. 본 논문에서는 ANSYS V12 를 활용하여 제어봉 구동 장치를 모드형상에 영향을 주며 압력경계를 이루는 봉 이송 하우징과 래치 하우징은 beam 요소로 단순화하여 모델링 하였고, 비구조재인 코일 집합체는 집중질량으로 가정하여 유한요소 해석모델을 완성하였다.
원자로집합체와 같은 복잡한 구조물의 해석모델은 상세모델을 단순화시켜야 해석결과를 설계시간에 맞추어 반영할 수 있다. 제어봉 구동 장치의 단순 해석모델은 간략화 방법을 이용하여 해석모델을 크게 구조재와 비구조재로 나누어 가정하였다. 구조재는 해석모델의 모드형상에 영향을 줄 수 있는 부재로 하우징이 이에 해당하며 하우징은 제어봉 구동 장치 상부를 구성하는 봉 이송 하우징과 하부의 래치집합체를 포함하고 있는 래치 하우징으로 나누어 모델링 하였다.
제안 방법
(4) 따라서, 제어봉 구동 장치의 동특성해석 결과 저 차로부터 12 개의 고유진동수와 진동모드를 구하였다. 동특성해석 solver 는 block lanczos method 를 사용하였다.
또한 티모센코보와 상세모델의 오차와 오일러보와 상세모델의 오차를 비교 정리하였다. 고유진동수는 굽힘모드가 주로 나타나는 8 개의 진동모드를 비교하였다. 제어봉 구동 장치의 모드형상을 추출한 결과는 굽힘모드, 비틀림모드와 인장-압축모드 등이 존재하며 Fig.
제어봉 구동 장치의 단순 해석모델은 간략화 방법을 이용하여 해석모델을 크게 구조재와 비구조재로 나누어 가정하였다. 구조재는 해석모델의 모드형상에 영향을 줄 수 있는 부재로 하우징이 이에 해당하며 하우징은 제어봉 구동 장치 상부를 구성하는 봉 이송 하우징과 하부의 래치집합체를 포함하고 있는 래치 하우징으로 나누어 모델링 하였다. 반면, 비구조재는 집중질량으로 가정하며 코일집합체가 이에 해당한다.
Table 2 는 티모센코보와 오일러보의 단순모델과 3D 상세 해석모델에 대한 고유진동수 결과를 비교 정리한 표이다. 또한 티모센코보와 상세모델의 오차와 오일러보와 상세모델의 오차를 비교 정리하였다. 고유진동수는 굽힘모드가 주로 나타나는 8 개의 진동모드를 비교하였다.
반면, 비구조재는 집중질량으로 가정하며 코일집합체가 이에 해당한다. 본 논문에서는 ANSYS V12 를 활용하여 제어봉 구동 장치를 모드형상에 영향을 주며 압력경계를 이루는 봉 이송 하우징과 래치 하우징은 beam 요소로 단순화하여 모델링 하였고, 비구조재인 코일 집합체는 집중질량으로 가정하여 유한요소 해석모델을 완성하였다.
불연속 단면을 기준으로 제어봉 구동장치의 구역를 나누어서 각 구역 별로 치수와 질량을 결정한다. 등가밀도는 내부유체에 의한 질량을 고려해 전체의 부피로 나눈 값을 각 부분별로 적용한다.
봉 이송 하우징과 래치 하우징은 스테인리스스틸(SS403)재료로, 냉각재는 물의 밀도 값을 적용하였다. 유체 부가질량은 각각 봉 이송 하우징과 래치 하우징 그리고 코일 집합체의 부피로 나누어 등가밀도를 계산하여 적용한다.
본 연구에서는 SMART 원자로를 구성하는 제어봉 구동 장치의 유한요소모델을 작성하고 동특성 해석의 수행결과를 기술하였다. 유한요소해석은 상세유한요소모델인 solid 모델과 단순유한요소모델인 beam 모델을 비교하였다. 해석은 상용유한요소 해석프로그램인 ABAQUS V6.
또한, 향후 SMART 원자로 전체를 유한요소기법으로 모델링 할 경우 해석의 목적에 따라 단순유한요소 해석모델을 구성할 수 있다. 이를 위해서 해석모델의 모델보정에 대한 방법을 고찰하였다.
8 를 활용한 제어봉 구동 장치의 해석모델을 제시한 그림이다. 일반적으로 유체의 모델링은 구조재 주변 유체의 부가질량을 반영하여 구조재에 적용하는 방법과 유체 요소를 직접 모델링 하여 고체-유체 연성해석을 수행하는 방법이 있는데, 본 논문에서는 구조재주변의 유체 부가질량을 구조재에 적용하였다.
제어봉 구동 장치의 하우징은 제어봉 구동 장치 압력경계를 구성하는 하우징의 내경과 외경, 그리고 단면의 형상이 불연속 되는 지점의 높이정보에 기초하여 제어봉 구동 장치 형상단순화 작업을 수행한다. 제어봉 구동 장치의 하우징을 총 9개의 단면형태로 분류하고 각 단면의 위치와 단면을 구성하는 주요부품의 치수 그리고 단면을 대표하는 등가밀도를 구하였다.
해석모델의 작성은 제어봉 구동 장치의 대표적인 단면형상을 기준으로 유한요소모델을 작성하였다. 단순모델은 ANSYS 요소 형태 중 3 차원 beam4 요소 모델과 beam188 요소 모델을 비교하였다.
해석은 상세모델의 경우 요소를 3D 육면체요소를 활용하였고, 경계조건은 제어봉 구동장치의 하단을 고정하였다. 하단을 고정한 이유는 SMART 원자로집합체와 제어봉동장치의 조립상태를 반영하여 모사하였기 때문이다.
대상 데이터
상세 유한요소모델과 단순유한요소모델을 비교한 결과 사용목적에 따라서 두 개의 해석모델 중 선택하여 활용 가능하며 모델보정기법을 통해 정확한 단순모델 작성이 가능함을 확인하였다. 그리고 SMART 원자로 제어봉 구동장치의 고유진동수와 모드 형상을 얻었다. 이 결과는 향후 SMART 원자로 설계개선과 성능향상의 연구에 활용이 가능하다.
등가밀도는 내부유체의 부가질량을 고려해 전체의 부피로 나눈 값을 각 부분별로 적용한다. 봉 이송 하우징과 래치 하우징은 스테인리스스틸(SS403)재료로, 냉각재는 물의 밀도 값을 적용하였다. 유체 부가질량은 각각 봉 이송 하우징과 래치 하우징 그리고 코일 집합체의 부피로 나누어 등가밀도를 계산하여 적용한다.
유한요소 해석모델의 총 절점수는 52 개이며 51개의 beam 요소와 3 개의 집중질량요소로 구성하였다. 해석모델의 총 질량은 637kg 이다.
유한요소 해석모델의 총 절점수는 52 개이며 51개의 beam 요소와 3 개의 집중질량요소로 구성하였다. 해석모델의 총 질량은 637kg 이다. 경계조건은 하단을 완전 고정 하였다.
유한요소해석은 상세유한요소모델인 solid 모델과 단순유한요소모델인 beam 모델을 비교하였다. 해석은 상용유한요소 해석프로그램인 ABAQUS V6.8 과 ANSYS V12를 활용하였고 단순모델은 티모센코보와 오일러보 두 모델이 사용되었다. 동특성해석 결과 제어봉 구동 장치의 중요 고유진동수를 살펴보면, 오일러보 모델은 8.
이론/모형
(4) 따라서, 제어봉 구동 장치의 동특성해석 결과 저 차로부터 12 개의 고유진동수와 진동모드를 구하였다. 동특성해석 solver 는 block lanczos method 를 사용하였다. Table 2 는 티모센코보와 오일러보의 단순모델과 3D 상세 해석모델에 대한 고유진동수 결과를 비교 정리한 표이다.
본 연구에서 사용한 최적설계 알고리즘은 근사화법 중의 하나인 sub-problem approximation 기법을 채택하였다. Sub-problem approximation 기법은 종속변수(목적함수와 상태변수)의 도함수가 아닌 오직 그 값만을 필요한 영계법(zero-order method)을 개선한 것이다.
제어봉 구동 장치 상세모델의 동특성해석은 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS V6.8 을 이용하였고 solver 는 block lanczos method 를 사용하였다.(3) 해석결과 제어봉 구동 장치의 고유진동수와 진동 모드를 추출하였고 제어봉 구동 장치의 모드형상은 저 차로부터 12 개를 Fig.
성능/효과
12 차 모드 이내에서 X 와 Z 방향의 유효질량이 대부분 추출되었다. 9 번째 모드와 10 번째 모드에서 유효질량은 X,Y,Z 방향에서 각각 0 이며 ROTY 에서 각각 1.75e6, 4.84e6 을 확인하여 이 모드가 회전, 비틀림 모드임을 확인하였다. 모드형상은 확장된 것처럼 보이나 이는 Scale factor 를 크게 표현한 것이며 모드형상을 에니메이션으로 확인한 결과 비틀림 모드임을 확인하였다.
구조물의 해석에 상세모델을 이용하는 경우 구조물 전체의 거시적인 특징과 국부적인 특성을 매우 높은 정밀도를 가지고 동시에 계산할 수 있다. 그러나 모델의 작성과 해석에 많은 시간이 소요되므로 복잡한 구조물의 거시적인 특성을 파악하기 위한 해석 모델에는 상세모델보다 단순모델을 이용하는 것이 보다 효율적이라 하겠다. 특히 원자로집합체 전체의 모델은 매우 복잡하고 많은 구조로 결합되어있고 또한 냉각재를 포함하고 있어 내진해석등 다양한 해석에 활용하기 위해서는 원자로집합체를 단순화하여 작성한 해석모델의 개발이 필요하다.
84e6 을 확인하여 이 모드가 회전, 비틀림 모드임을 확인하였다. 모드형상은 확장된 것처럼 보이나 이는 Scale factor 를 크게 표현한 것이며 모드형상을 에니메이션으로 확인한 결과 비틀림 모드임을 확인하였다.
본 연구에서는 제어봉 구동 장치의 유한요소모델을 완성하였고 동특성해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 상세 유한요소모델과 단순유한요소모델을 비교한 결과 사용목적에 따라서 두 개의 해석모델 중 선택하여 활용 가능하며 모델보정기법을 통해 정확한 단순모델 작성이 가능함을 확인하였다. 그리고 SMART 원자로 제어봉 구동장치의 고유진동수와 모드 형상을 얻었다.
후속연구
2 Hz 등이며 이들은 제어봉 구동 장치의 굽힘과 비틀림, 인장-압축 등의 진동모드이다. 또한, 향후 SMART 원자로 전체를 유한요소기법으로 모델링 할 경우 해석의 목적에 따라 단순유한요소 해석모델을 구성할 수 있다. 이를 위해서 해석모델의 모델보정에 대한 방법을 고찰하였다.
그리고 SMART 원자로 제어봉 구동장치의 고유진동수와 모드 형상을 얻었다. 이 결과는 향후 SMART 원자로 설계개선과 성능향상의 연구에 활용이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원자로 집합체 모델을 단순모델로 해석해야 하는 이유는 무엇인가?
그러나 모델의 작성과 해석에 많은 시간이 소요되므로 복잡한 구조물의 거시적인 특성을 파악하기 위한 해석 모델에는 상세모델보다 단순모델을 이용하는 것이 보다 효율적이라 하겠다. 특히 원자로집합체 전체의 모델은 매우 복잡하고 많은 구조로 결합되어있고 또한 냉각재를 포함하고 있어 내진해석등 다양한 해석에 활용하기 위해서는 원자로집합체를 단순화하여 작성한 해석모델의 개발이 필요하다.
SMART 원자로란 무엇인가?
SMART 원자로는 한국원자력연구원이 개발하고 있는 일체형 원자로로서 전력생산과 해수담수화를 동시에 수행하는 친환경적인 원자로이다. SMART 원자로는 가동 수명기간 동안 외부의 지진하중과 내부의 유동하중에 노출되므로 동특성해석을 통한 건전성 검토가 필요하다.
SMART 원자로가 동특성해석을 통한 건전성 검토가 필요한 이유는 무엇인가?
SMART 원자로는 한국원자력연구원이 개발하고 있는 일체형 원자로로서 전력생산과 해수담수화를 동시에 수행하는 친환경적인 원자로이다. SMART 원자로는 가동 수명기간 동안 외부의 지진하중과 내부의 유동하중에 노출되므로 동특성해석을 통한 건전성 검토가 필요하다. SMART 원자로의 내·외부의 형상은 Fig.
참고문헌 (6)
Kim, D. O., Kim, J. I., Kim, J. H., Huh, H. and Park, J. S., 2001, "Equivalent Bending Stiffness of Discontinuous Beam with Periodic Cross Sections for Dynamic Analysis of SMART CEDM," Korea Nuclear Society conference.
Kim, T. W., Park, K. B., Jeong, K. H., Lee, K. M. and Choi, S., 2001, "Dynamic Characteristics of the Integral Reactor SMART," Journal of the Korean Nuclear Society ,Vol. 33, No. 1, pp.111-120.
ANSYS, Inc., 2007, "ANSYS Command Reference," ANSYS Inc., pp. 1013-1017.
US NRC Regulatory Guide 1.60 Rev.01, 1973
Kim, G. H. and Park, Y. S., 2004, "An Improved Updating Parameter Selection Method and Finite Element Model Update Using Multi Objective Optimization Technique," Journal of Mechanical System and Signal Processing, Vol. 18, No. 1, pp. 59-78.
Choi, Y. J. and Lee, Y. S., 2003, "Optimization for the Nuclear Fuel Irradiation Capsule Under Thermal Loading," Spring Conference of the Korean Society of Mechanical Engineers(KSME).
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