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문제 정의
- 본 연구에서는 사용후핵연료 수송용기 충격완충체의 완충재질로 고려되고 있는 발사목과 우레탄폼에 대한 기본물성시험을 수행하여 재료가 갖는 기계적 특성을 평가하였고, 다양한 사고조건에서 완충재질의 동적특성을 평가하기 위해 심재(발사목과 우레탄 폼)와 SUS304 면재를 갖는 샌드위치 패널에 대한 저속충격시험을 수행하였다. 이때, 우레탄 폼은 등방성 재질으로써 3가지 물성(인장, 압축, 그리고 전단)에 대해 평가하였으며, 발사목은 나이테를 기준으로 방향별 특성이 다른 이방성 재질의 특성을 고려하여 z, θ, r 방향별로 각각 3가지 방향물성 즉, 9가지의 물성을 평가 하였다.
- 이때, 우레탄 폼은 등방성 재질으로써 3가지 물성(인장, 압축, 그리고 전단)에 대해 평가하였으며, 발사목은 나이테를 기준으로 방향별 특성이 다른 이방성 재질의 특성을 고려하여 z, θ, r 방향별로 각각 3가지 방향물성 즉, 9가지의 물성을 평가 하였다. 최종적으로, 기계적 특성과 저속충격특성 평가 결과를 바탕으로 최적의 사용후핵연료 수송용기 충격완충체 설계를 위한 기준으로 삼고자 하였다.
제안 방법
- 46kg의 질량을 갖는다.(13,14) 이때, 충격시험은 수차례의 시험을 통해 시험편에 손상이 발생하는 1J을 기준으로 하여 3J, 그리고 5J에 대한 충격특성을 평가하였으며, 시험편에 발생한 손상영역 및 손상깊이는 3차원 측정기로 측정하였다.
- 등방성 재질의 우레탄 폼은 인장, 압축, 그리고 전단시험을 실시하였으며, 발사목에 대한 기계적특성은 서로 다른 직교 방향에서 다른 물성을 갖는 이방성이므로, 아홉 가지 방향에 대한 기본물성을 도출하였다. 일반적으로 발사목의 방향은 나이테를 기준으로 구분되어 z, θ, r방향으로 표기된다.
- 본 연구에서는 사용후핵연료 수송용기 충격완충체의 완충재질로 고려되고 있는 발사목과 우레탄 폼과 샌드위치 패널에 대한 기본물성시험과 저속충격시험을 수행하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 사용후핵연료 수송용기 충격완충체에 적용되는 완충재질의 저속충격특성을 평가하기에 앞서, 발사목과 우레탄 폼이 갖는 기계적 물성을 먼저 평가하였다. 이때, 본 연구에서 사용된 발사목은 중앙아메리카·남아메리카 북부 원산으로, 120kg/m3의 밀도를 갖는 중밀도 발사목(medium density balsa wood)이며, 목재가 가볍기 때문에 구조물의 경량화를 위해 적용되고 있다.
- 완충재질별 충격특성 평가는 발사목과 우레탄 폼심재 자체와 실제 충격완충체 케이스로 적용되는 SUS304 면재를 갖는 샌드위치 패널에 대해 평가하였다. Fig.
- 우레탄 폼 시험편은 일반적인 충격시험용 시험편규격인 100×100×25(mm)로 제작하였다.
- 이때, 우레탄 폼은 등방성 재질으로써 3가지 물성(인장, 압축, 그리고 전단)에 대해 평가하였으며, 발사목은 나이테를 기준으로 방향별 특성이 다른 이방성 재질의 특성을 고려하여 z, θ, r 방향별로 각각 3가지 방향물성 즉, 9가지의 물성을 평가 하였다.
- 이에, 발사목 충격시험편의 z방향은 75×75×25(mm), θ방향은 100×100×25(mm), 그리고 r방향은 50×50×25(mm)로 제작하였다.
- 1에서 보듯이 스테인리스강판 케이스에 발사목 또는 우레탄 폼과 같은 완충재질을 삽입하는 형태로 제작되고 있다. 이에, 발사목과 우레탄 폼심재(core)에 대한 충격특성과 SUS304 면재를 갖는 샌드위치 패널에 대한 충격특성을 평가하였다. Fig.
- 사용후핵연료 수송용기 충격완충체는 스테인리스강판을 면재로 갖으며, 심재는 발사목, 또는 우레탄폼과 같은 완충재질로 구성된다. 이에, 충격완충체의 낙하사고조건을 모사할 수 있도록 SUS304를 면재로 갖는 발사목과 우레탄 폼 샌드위치 패널에 대한 충격시험을 수행하였다. 이때, 면재의 두께는 1mm이며, 심재의 두께는 25mm로 제작하였다.
- 충격시험은 Fig. 7에서 보듯이 Dynatup 8250 충격시험기를 사용하여 수행하였으며, 이 충격시험기는 하중변환 센서가 장착된 충격체와 충격체를 유도하기 위한 두 개의 유도봉으로 구성된다. 또한, 충격후 충격체의 리바운드(rebound)를 방지하기 위한 장치가 설치되어 있어, 시험편에 한번의 충격만이 가해진다.
- 이때, 면재의 두께는 1mm이며, 심재의 두께는 25mm로 제작하였다. 충격시험은 심재의 충격특성과 비교하기 위해 동일한 충격에너지 1J, 3J, 그리고 5J에 대해 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 우레탄 폼은 밀도를 비교적 자유롭게 조절할 수 있는 소재로써, 폴리우레탄 수지를 발포시킨 상태에서 고화시킨 소재이다. 본 연구에서는 사용후핵연료 수송용기충격완충체의 화재사고 조건으로부터 안전성을 확보하기 위해 난연성을 향상시킨 140kg/m3의 밀도를 갖는 반경질 우레탄 폼을 사용하였다.
- 또한, 충격후 충격체의 리바운드(rebound)를 방지하기 위한 장치가 설치되어 있어, 시험편에 한번의 충격만이 가해진다. 시험에 사용된 충격체(impactor)는 지름16mm인 반구형의 강철로 1.46kg의 질량을 갖는다.(13,14) 이때, 충격시험은 수차례의 시험을 통해 시험편에 손상이 발생하는 1J을 기준으로 하여 3J, 그리고 5J에 대한 충격특성을 평가하였으며, 시험편에 발생한 손상영역 및 손상깊이는 3차원 측정기로 측정하였다.
- 시험에 적용된 발사목은 120kg/m3의 밀도를 갖으며, Fig. 2의 z, θ, r방향별 물성을 평가할 수 있도록 시험편을 제작하였다.
- 시험에 적용된 우레탄 폼은 140kg/m3의 밀도를 갖으며, 3가지 물성(인장, 전단, 및 압축)을 평가하였다. 이때, 시험편은 발사목과 마찬가지로 시험별로 5개의 시편은 준비하였으며, 평균값으로 결과를 정리하였다.
데이터처리
- 의 밀도를 갖으며, 3가지 물성(인장, 전단, 및 압축)을 평가하였다. 이때, 시험편은 발사목과 마찬가지로 시험별로 5개의 시편은 준비하였으며, 평균값으로 결과를 정리하였다. 기본물성시험 결과, 발사목의 θ, r방향의 기본물성과 유사한 결과가 도출되었다.
이론/모형
- 우레탄 폼의 인장시험은 ASTM D3574 규정에 의거하여 수행하였으며, 발사목의 인장시험은 ASTM D1623 규정에 의거하여 수행하였다. 발사목과 우레탄 폼의 압축시험은 ASTM C365규정에 의거하여 평가하였으며, 전단시험은 ASTM C273규정에 의거하여 평가하였다.(9~12) Fig.
- 우레탄 폼의 인장시험은 ASTM D3574 규정에 의거하여 수행하였으며, 발사목의 인장시험은 ASTM D1623 규정에 의거하여 수행하였다. 발사목과 우레탄 폼의 압축시험은 ASTM C365규정에 의거하여 평가하였으며, 전단시험은 ASTM C273규정에 의거하여 평가하였다.
성능/효과
- (1) 우레탄 폼은 등방성 재질로써 3가지 방향(인장, 압축, 그리고 전단)에 대한 기계적 물성을 도출하였으며, 발사목은 이방성 재질의 특성을 고려하여 z, θ, r방향별로 각각 3가지 방향 물성 즉, 9가지의 기계적 물성을 도출하였다.
- (2) 발사목과 우레탄 폼 완충재질의 기계적 특성은 발사목 θ, r방향, 그리고 우레탄 폼이 유사한 강성 및 강도를 갖으며, 발사목 z방향은 다른방향에 비해 7~8배 정도 높은 강성 및 강도를 갖는 것을 확인하였다.
- (3) 발사목과 우레탄 폼 심재 및 1mm 두께의 SUS304를 면재를 갖는 샌드위치 패널에 대한 저속충격 특성평가 결과, 발사목과 우레탄 폼 심재 및 샌드위치 패널의 저속충격특성은 유사한 거동을 보였으며, 우레탄 폼과 발사목의 θ, r방향에서 유사한 충격에너지 흡수율, 접촉하중, 그리고 손상영역이 발생하는 것을 확인하였다.
- 기본물성시험 결과, 발사목의 θ, r방향의 기본물성과 유사한 결과가 도출되었다.
- (4) 향후, 낙하사고 조건에 대한 사용후핵연료 수송용기 충격완충체의 설계를 위해서는 각각의 완충재질이 갖는 기계적 특성을 고려해야 할 것으로 판단된다. 모든 방향에서 동일한 충격거동, 높은 충격에너지 흡수효과, 그리고 우수한 난연성을 확보하기 위해서는 우레탄 폼 완충재질로 설계하는 것이 효과적이고, 충격완충체의 경량화를 위해서는 우레탄 폼에 비해 내충격성이 높은 발사목 성장방향이 충격면이 되도록 설계하는 것이 효과적이다. 그러나, 발사목의 경우 우레탄 폼에 비해 난연성이 떨어지기 때문에 이에 대한 대책 마련이 필요할 것으로 판단된다.
- 발사목과 우레탄 폼 심재에 대한 저속 충격시험 결과, 발사목 z방향이 우레탄 폼과 발사목 θ, r방향에 비해 높은 충격력을 갖고 있으며, 충격에 의한 손상깊이의 증가율이 매우 작은 것을 확인하였다.
- 발사목에 대한 기본물성시험 결과, 나이테에 수직한 방향인 z방향에 대한 기계적 물성이 θ, r방향에 비해 높게 나타났다.
- 이러한 충격특성은 완충재질의 강성 및 강도가 높을수록 충격에 대한 내충격성이 높아 발생되는 충격력이 높으며, 충격손상영역이 작아지는 것으로 판단된다. 완충재질별 심재에 대한 충격손상특성은 충격 발생부에 압괴가 발생하였으며, 발사목 z방향은 5J의 충격에너지에서는 충격 발생부에서부터 외곽으로 점진적인 균열(crack)이 발생하는 것을 확인하였다. Fig.
- 11은 충격에너지 증가에 따른 발사목과 우레탄 폼 샌드위치 패널의 충격손상영역을 나타내고 있다. 우레탄 폼과 성장방향(growth direction)을 제외한 발사목은 유사한 손상영역을 보였으며, 충격면에 발생한 손상영역은 충격에너지가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다.
- (3) 발사목과 우레탄 폼 심재 및 1mm 두께의 SUS304를 면재를 갖는 샌드위치 패널에 대한 저속충격 특성평가 결과, 발사목과 우레탄 폼 심재 및 샌드위치 패널의 저속충격특성은 유사한 거동을 보였으며, 우레탄 폼과 발사목의 θ, r방향에서 유사한 충격에너지 흡수율, 접촉하중, 그리고 손상영역이 발생하는 것을 확인하였다. 이때, 발사목 z방향은 충격에 대한 에너지 흡수율이 낮아 높은 접촉하중 및 낮은 손상깊이가 발생하는 것을 확인하였다.
- 이중 대표적인 5J의 충격에너지에 대한 충격에너지 흡수율은 우레탄 폼과 발사목 θ, r방향에서 유사한 특성을 나타냈으며, 발사목 z방향은 3.02J으로 가장 낮은 충격에너지 흡수율을 보였다.
후속연구
- (4) 향후, 낙하사고 조건에 대한 사용후핵연료 수송용기 충격완충체의 설계를 위해서는 각각의 완충재질이 갖는 기계적 특성을 고려해야 할 것으로 판단된다. 모든 방향에서 동일한 충격거동, 높은 충격에너지 흡수효과, 그리고 우수한 난연성을 확보하기 위해서는 우레탄 폼 완충재질로 설계하는 것이 효과적이고, 충격완충체의 경량화를 위해서는 우레탄 폼에 비해 내충격성이 높은 발사목 성장방향이 충격면이 되도록 설계하는 것이 효과적이다.
- 모든 방향에서 동일한 충격거동, 높은 충격에너지 흡수효과, 그리고 우수한 난연성을 확보하기 위해서는 우레탄 폼 완충재질로 설계하는 것이 효과적이고, 충격완충체의 경량화를 위해서는 우레탄 폼에 비해 내충격성이 높은 발사목 성장방향이 충격면이 되도록 설계하는 것이 효과적이다. 그러나, 발사목의 경우 우레탄 폼에 비해 난연성이 떨어지기 때문에 이에 대한 대책 마련이 필요할 것으로 판단된다.
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