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문제 정의
- 처분용기의 구조강도를 평가하기 위해서는 위에서 언급한 모든 구조해석을 수행하여야 한다. 그러나 이와 같은 여러 가지 구조해석들은 이미 충분히 수행되어 구조안전성에 큰 문제가 없음이 밝혀졌고 오직 정수압 및 팽윤압과 내부 고준위폐기물 다발의 붕괴열만이 처분용기 구조 안전성에 큰 영향이 있음이 밝혀졌기 때문에 본 연구는 기존에 수행했던 정적인 구조해석(Kwon 등, 2001; 권영주 등, 2002)만 수행하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 네 개의 고준위폐기물 다발이 각각 다발의 중심에 대하여 일정각도 회전하여 처분용기 중심 면에 대하여 대칭적으로 배열된 단면의 가압경수로(PWR)용 처분용기에 대하여 정적인 구조해석을 수행한다.
- 따라서 본 연구에서는 각각의 회전각도(θ) 값에 대한 18개의 구조해석 모델에 대하여 구조해석을 수행하여 그 결과를 비교 검토하여 구조적으로 가장 안정적인 회전 각도를 갖는 처분용기 단면구조를 구하고자 한다.
- 본 연구에서 처분용기에 가해지는 외력을 검토하였을 때 지하수 포화과정 중의 외력인 팽윤압은 분명 전단력이고, 지하수 포화 후 외력인 경우 외곽 쉘(outer shell)에 가해지는 벤토나이트 팽윤압은 분명히 압축력이지만 위아래 덮개(lid & bottom)에 가해지는 팽윤압은 전단력으로 두 가지 외력조건(load case 1과 load case 2) 모두 처분용기에 가해지는 외력이 전단력에서 항복이 발생할 것으로 예상되기 때문에 주철의 항복강도를 항복조건 적용 시 사용해도 큰 무리가 없다고 사료된다. 본 연구에서는 일반적으로 금속의 항복여부를 판단하는데 유용하게 사용되는 폰미세스(von Mises) 및 트레스카(Tresca) 항복조건 모두를 적용하여 처분용기에 가해지는 외력에 따른 내부주철 삽입물(cast iron insert)의 구조강도를 평가하였다. 평가결과는 Fig.
- 2030년까지 원전 18기를 추가로 건설하여 전체 전력소비량의 59%까지 끌어올릴 예정인 우리나라도 늦게나마 1997년부터 한국원자력연구원을 중심으로 고준위폐기물 심지층처분기술개발을 수행해 오고 있다. 본 연구에서는 지금까지 수행했던 고준위폐기물(SNF: Spent Nuclear Fuel)의 심지층처분기술의 핵심인 처분용기의 설계기술개발에 관한 연구(권영주 등, 2002, 2003, 2004, 2007, 2009; Kwon 등, 2001)의 일환으로 처분용기에 대한 구조해석 연구를 수행하고자 한다.
가설 설정
- 각 문헌들 마다 해당 값들이 차이가 나고 또 어떤 물성치는 일정한 값으로 주어지지 않고 범위로 주어지기 때문에 실제 해석에 적용 할 수 없어 그 대표 값(예 : 평균값)을 사용하였다. 고준위폐기물 다발(바스켓 : fuel bundle)의 탄성계수는 바스켓 전체 부피 중에서 실제 Zry-4튜브가 차지하는 부피에 비례한다는 가정 하에 등가 탄성계수 값을 계산하여 사용하였다(권영주 등, 2002). 그러나 그 외의 고준위폐기물 다발의 등가 물성치(열전도계수 등)들은 경수로(PWR) 고준위폐기물 다발의 물성치 값들을 계산한 기존의 문헌(Idaho National Engineering Lab.
- 사실 내부 삽입물(insert)과 외곽 쉘(outer shell) 및 위아래 덮개(lid & bottom) 사이에는 처분용기 제작 시 오차에 의하여 미세한 간극이 존재할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 간극이 존재하지 않는 일체화 된 구조물로 가정하여 구조해석을 수행한다. 그러나 간극을 고려한 추가적인 연구는 향 후 필요하다고 사료된다.
- 따라서 내부 삽입물(insert), 고준위폐기물 다발(fuel bundle)과 외곽 쉘(outer shell) 및 위아래 덮개(lid & bottom)들은 각각 균일한 물성치를 갖는 연속체로 가정하였으며 각 구성부분들 간의 경계는 간극이 없는 일체화 된 상태로 가정하여 구조해석을 수행하였다.
- 이 때 처분용기 외곽 쉘과 위아래 덮개 표면은 벤토나이트 버퍼와의 화학적인 반응을 고려하여 100℃이하로 유지되도록 하여야 한다(Ahonen, 1995). 따라서 본 논문에서는 처분용기 외곽 쉘과 위아래 덮개 표면은 90℃의 온도로 유지된다고 가정한다.
- 지하수가 벤토나이트 버퍼에 완전히 포화된 후의 외력조건으로 이 때 처분용기에 가해지는 외력은 지하수에 의한 수압(5MPa)과 벤토나이트에 의한 팽윤압(5MPa)의 합인 총 10MPa의 압력이 처분용기 외곽쉘(shell) 및 처분용기의 위아래 덮개(lid & bottom) 표면에 작용한다. 이 때 압력은 균일하게 작용한다고 가정한다(Fig. 3 참조). 이 때도 역시 내부 고준위폐기물 다발에 의한 열 발생을 고려해야 한다.
- 지하수가 벤토나이트 버퍼에 포화되는 과정중의 외력 조건으로 이 때 벤토나이트 버퍼에 발달되는 팽윤압의 크기는 4MPa로 처분용기 반쪽 상단부의 일부에 가해지고 팽윤압이 가해지지 않는 양단 끝은 고정되어 있다고 가정한다(Fig. 2참조).
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