[논문]고준위 폐기물 처분용기 내진 해석 모델 개발

최영철; 윤찬훈; 김현아; 최희주

doi:10.7474/tus.2014.24.4.316

고준위 폐기물 처분용기 내진 해석 모델 개발
Development of an Earthquake-Resistant Model for a High-Level Waste Disposal Canister 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.24 no.4, 2014년, pp.316 - 324

최영철 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 윤찬훈 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부) , 김현아 (신화정보기술) , 최희주 (한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부)

초록
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고준위 방사성 폐기물 처분시스템은 지하 500 m 심도에서 암반에 터널을 뚫어 고준위폐기물 처분용기를 넣고 주위를 완충재로 매우는 형태이다. 많은 통계 자료에 의하면 한반도에서 매년 지진이 증가하는 추세이며, 지진이 발생할 경우 지하에서 발생된 전단력에 의해 처분용기가 손상될 수 있다. 더 나아가 방사성 유해물질이 유출되어 큰 환경 문제가 유발될 수 있다. 이에 본 논문에서는 지진에 대해 안전하게 보호할 수 있는 방법으로 내진형 완충재를 개발하였다. 내진 성능에 영향을 미치는 주요인자를 분석하여 내진형 완충재를 설계하였고, ABAQUS를 이용하여 전단해석모델을 개발하여 내진형 완충재의 성능을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the underground 500 m depth, the high level radioactive waste disposal system is made by boring the tunnel in the base rock and putting the high level waste disposal canister that is the surrounding form with the buffer material. According to the many statistics, it is the tendency that the earthquake increases in the Korean peninsula every year. In case that the earthquake is generated, the disposal canister in the rock mass can be broken due to the shearing force in the underground. Furthermore, a major environmental problems can be caused by the radioactive harmful substances. In this study, the earthquake-proof type buffer material was developed with the protection method safely on the earthquake. The main parameter having an effect on the earthquake-resistant performance was analyzed and the earthquake-proof type buffer material was designed. The shear analysis model was developed and the performance of the earthquake-proof type buffer material was evaluated by using ABAQUS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

처분용기를 내진 성능이 좋도록 설계를 하는 방법이 있으나, 재료 및 처분공간의 제약으로 인하여 어려운 실정에 있다. 따라서 본 논문에서는 암반과 처분용기 사이에 있는 완충재의 설계를 변경하여 내진형 완충재를 개발하고자 한다. 지진이 발생할 경우 암반 절리가 발생하고, 암반의 전단힘이 완충재를 통하여 처분용기에 전달되게 된다.
내진형 완충재를 개발하기 위해서는 여러 가지 상황에서 내진성능 평가를 수행해야하고, 실규모 실험을 수행해야하므로 많은 제약이 따른다. 본 논문에서는 유한요소해석을 이용하여 전단해석용 모델을 개발하여 내진형 완충재의 내진성능을 분석하고자 한다. 우선 1/20 축소 전단모형 실험을 통해 개발된 해석 모델을 검증하여 내진 주요 성능인자를 분석한다.
여러 점토 물질 중 벤토나이트는 투수성이 매우 낮고, 여러 방사성 핵종에 대한 흡착력이 비교적 우수하기 때문에 벤토나이트를 완충재로 사용한다[이재완 외, 2009]. 본 논문에서는 지진발생시 처분용기를 지진에 대해 보호할 수 있는 내진형 완충재를 제안하고자 한다.
본 논문에서는 지진이 발생하였을 경우 고준위폐기물 처분용기를 안전하게 보호할 수 있는 방법에 대해 제안하였다. 지진이 발생할 경우 암반 전리가 발생하고, 암반의 전단힘이 완충재를 통하여 처분용기에 전달되게 된다.

제안 방법

Fig. 8의 전단해석 모델을 이용하여 지진이 발생하였을 경우, 즉 전단이 발생하였을 경우 완충재 및 처분용기의 동적거동을 분석하였다. Fig.
따라서, 처분용기에 전달되는 힘을 분산 시키거나 줄일 수 있는 “내진형 완충재”를 제안하였다.
또한, 시간(Time)에 대하여 적분(Integration)하는 방법에 따라 음적법(Implicit)과 양적법(Explicit)으로 구분할 수 있다. 본 해석에서는 해석시간을 줄이기 위하여 역 행렬(Matrix)이 필요 없는 상태의 빠른 해석결과를 위한 양적법의 적분 연산을 하였으나, 음적법의 시간적분 이론을 다음과 같이 서술한다.
본 논문에서는 유한요소해석을 이용하여 전단해석용 모델을 개발하여 내진형 완충재의 내진성능을 분석하고자 한다. 우선 1/20 축소 전단모형 실험을 통해 개발된 해석 모델을 검증하여 내진 주요 성능인자를 분석한다.
이러한 3가지 주요인자를 통하여 Fig. 15와 Fig. 16과같이 ABAQUS 전산해석을 수행하여 처분용기가 받는 압력분포를 계산하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 같은 지진이 발생하더라도 완충재의 주요인자에 따라 처분 용기가 받는 압력분포가 달라짐을 확인할 수 있었고, 따라서 이러한 주요인자 해석결과를 이용하여 완충재를 잘 설계를 한다면 지진이 발생하더라도 처분용기가 안전할 수 있음을 쉽게 짐작할 수 있다.
따라서, 처분용기에 전달되는 힘을 분산 시키거나 줄일 수 있는 “내진형 완충재”를 제안하였다. 이러한 아이디어를 검증하기 위해 1/20 축소 모형에 대해 실험을 수행한 후 전단 해석 모델링을 개발하였다. 해석 모델링을 통해 내진형 완충재의 주요인자는 완충재의 크기, 밀도, 강도임을 알 수 있었다.
2는 1/20 축소 전단모형에 대한 검증시험 장치를 보여주고 있다. 총 3개월 동안 물을 공급하여 완충재가 완전포화상태를 이루도록 하여 Fig. 3과 같이 전단실험을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

Von-mises 응력과 같이 양쪽 끝단 부위에서 큰 응력 분포를 나타내고 있으며, 또한 캐니스터의 중심에서 끝단 중간 부위에 큰 압력을 받고 있음을 확인할 수 있었다. 실험에 사용된 캐니스터의 경우 SUS304로써 강도가 매우 클 뿐만아니라, 단면에 비해 길이가 짧기 때문에 Fig. 11과 같이 변형이 생기지 않음을 확인할 수 있었다. Fig.
완충재인 벤토나이트 재료의 밀도는 2,000 kg/m3, 탄성계수는 150.2 MPa, 그리고 프와 송비(elastic Poisson’s ratio)는 0.25의 재료 물성치를 사용하였다.
해석 모델링을 교정하기 위하여 탄성계수를 2배, 3배 크게 한 결과, 실험으로 구한 탄성계수의 3배를 넣었을 경우 실험 결과와 일치함을 알 수 있었다. 포화된 완충재의 탄성계수를 구하는 것은 매우 어려운 일이기 때문에 실험으로 구한 탄성계수를 잘못 예측된 것으로 추정되며, 실제 해석에는 탄성계수 450.6 MPa로 대입하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

그 외 가장 좋은 결과를 나타내는 것이 완충재의 밀도를 변화시키는 것이다. CASE 3은 밀도가 작은 완충재를 처분용기 주위에만 배치시켰음에도 불구하고, 최대압력이 12 MPa로 16%나 감소함을 확인할 수 있었다. 이때 밀도가 작은 완충재는 일반 완충재 두께의 5%로 하였다.
10은 전단이 발생할 경우 완충재가 캐니스터에 가하는 압력분포를 보여주고 있다. Von-mises 응력과 같이 양쪽 끝단 부위에서 큰 응력 분포를 나타내고 있으며, 또한 캐니스터의 중심에서 끝단 중간 부위에 큰 압력을 받고 있음을 확인할 수 있었다. 실험에 사용된 캐니스터의 경우 SUS304로써 강도가 매우 클 뿐만아니라, 단면에 비해 길이가 짧기 때문에 Fig.
16과같이 ABAQUS 전산해석을 수행하여 처분용기가 받는 압력분포를 계산하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 같은 지진이 발생하더라도 완충재의 주요인자에 따라 처분 용기가 받는 압력분포가 달라짐을 확인할 수 있었고, 따라서 이러한 주요인자 해석결과를 이용하여 완충재를 잘 설계를 한다면 지진이 발생하더라도 처분용기가 안전할 수 있음을 쉽게 짐작할 수 있다.
두께를 얇게 한 이유는 완충재의 고유 기능을 유지하기 위함이다. 실험결과는 일반 완충재와 암반 혹은 일반 완충재와 처분용기 사이에 밀도가 작은 완충재를 넣음으로써 지진이 발생하더라도 처분용기를 보호할 수 있음을 의미한다. 따라서 밀도가 다른 완충재를 적절히 배치함으로써 내진에 강한 완충재를 개발할 수 있음을 쉽게 알 수 있다.
Von-mises 응력은 항복응력과 관계되어 있기 때문에 이 응력이 높은 곳에서 파손이 큰 가능성이 많다는 것을 의미한다. 실험에 사용된 캐니스터는 길이에 비해 짧기 때문에 Fig. 9와 같이 양쪽 끝단 부위에서 Von-mises 응력이 최대임을 알 수 있었다. Fig.
즉 탄성계수가 크면 기울기가 커지며, 반대로 탄성계수가 작으면 기울기가 작아지게 된다. 실험으로 구한 탄성계수인 150.2 MPa를 넣어서 해석한 결과가 Fig. 6의 녹색선으로 나타났으며, 기울기가 실험치에 비해 작음을 확인할 수 있었다. 해석 모델링을 교정하기 위하여 탄성계수를 2배, 3배 크게 한 결과, 실험으로 구한 탄성계수의 3배를 넣었을 경우 실험 결과와 일치함을 알 수 있었다.
7에서 보여주고 있다. 전단실험 결과에서 볼 수 있듯이 소성변형이 일어나는 힘이 약 13 kN이기 때문에 여러 가지 경우 중 마찰계수가 0.1일 때 가장 실험결과와 근접함을 알 수 있었다. 따라서 실험결과와 맞는 전단해석모델을 Fig.
해석 모델링을 통해 내진형 완충재의 주요인자는 완충재의 크기, 밀도, 강도임을 알 수 있었다. 특히, 밀도가 작은 완충재를 암반과 일반 완충재 사이에 얇게 넣을 경우, 완충재의 고유기능을 유지하면서 내진성능이 좋아짐을 확인할 수 있었다.
6의 녹색선으로 나타났으며, 기울기가 실험치에 비해 작음을 확인할 수 있었다. 해석 모델링을 교정하기 위하여 탄성계수를 2배, 3배 크게 한 결과, 실험으로 구한 탄성계수의 3배를 넣었을 경우 실험 결과와 일치함을 알 수 있었다. 포화된 완충재의 탄성계수를 구하는 것은 매우 어려운 일이기 때문에 실험으로 구한 탄성계수를 잘못 예측된 것으로 추정되며, 실제 해석에는 탄성계수 450.
이러한 아이디어를 검증하기 위해 1/20 축소 모형에 대해 실험을 수행한 후 전단 해석 모델링을 개발하였다. 해석 모델링을 통해 내진형 완충재의 주요인자는 완충재의 크기, 밀도, 강도임을 알 수 있었다. 특히, 밀도가 작은 완충재를 암반과 일반 완충재 사이에 얇게 넣을 경우, 완충재의 고유기능을 유지하면서 내진성능이 좋아짐을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한반도 연평균 지진발생 건수는 무엇인가?	한반도 연평균 지진발생 건수는 1978년 기상대 관측이후 1980년대 15.38회에서 2000년대에는 44.9회로 크게 늘고 있는 추세이다. 지난 30년간 한반도 연평균 지진 횟수가 3배 가까이 늘어 난 것이다[강익범, 2013].
	고준위 방사성 폐기물 처분시스템이란 무엇인가?	고준위 방사성 폐기물 처분시스템은 지하 500 m 심도에서 암반에 터널을 뚫어 고준위폐기물 처분용기를 넣고 주위를 완충재로 매우는 형태이다. 많은 통계 자료에 의하면 한반도에서 매년 지진이 증가하는 추세이며, 지진이 발생할 경우 지하에서 발생된 전단력에 의해 처분용기가 손상될 수 있다.
	지진이 발생하였을 경우 고준위폐기물 처분용기를 안전하게 보호할 수 있는 방법은 무엇인가?	본 논문에서는 지진이 발생하였을 경우 고준위폐기물 처분용기를 안전하게 보호할 수 있는 방법에 대해 제안 하였다. 지진이 발생할 경우 암반 전리가 발생하고, 암반의 전단힘이 완충재를 통하여 처분용기에 전달되게 된다. 따라서, 처분용기에 전달되는 힘을 분산 시키거나 줄일 수 있는 “내진형 완충재”를 제안하였다. 이러한 아이디어를 검증하기 위해 1/20 축소 모형에 대해 실험을 수행한 후 전단 해석 모델링을 개발하였다.

참고문헌 (7)

강익범, 2013, 중국 쓰촨성 지진과 한반도 지진, Journal of KOSHAM, Vol. 13, No. 2, pp. 4-10.

원문보기 상세보기
Rodney S. Read, 2011, Effects of earthquake induced rock shear on containment system integrity, RSREAD Consulting Inc., SKB R-11-21.
Jan Hernelind, 2014, Modelling of a canister with broken insert subjected to earthquake induced shear and subsequent glacial load, 5T Engineering AB, SKB public report, pp. 1-59.
Morimasa NAITO, Yuya SAITO, Kenjin TANAI and Mikazu YUI, 2009, "Experimental Study on the Effects of Fault Movement on the Engineered Barrier System," Journal of Power and Energy Systems, Vol. 3, No. 1.

상세보기
이재완, 조원진, 2009, 우리나라 고준위폐기물처분장 기준벤토나이트 완충재의 열적-수리적-역학적 특성치, KAERI 기술보고서, KAERI/TR-3729/2009
박정화, 이재완, 권상기, 조원진, 2006, 고준위 방사성 폐기물 처분 시스템 실증 실험용 KENTEX 장치에서의 열-수리-역학 연동현상 해석, Journal of the Korean Radioactive Waste Society, Vol. 4(2), pp. 117-131.
윤찬훈, 최영철, 권상기, 최희주, 2013, 지하처분연구시설(KURT) 내 암반의 온도 분포에 관한 연구 : 시추공히터시섬 결과의 검증, 터널과 지하공간, Vol. 23(4), pp. 297-307.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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