[논문]사용후 핵연료 수송용기 샌드위치 복합재 충격완충체의 유효등가 유한요소 모델 제시

강승구; 임재문; 신광복; 최우석

doi:10.7234/composres.2015.28.2.058

문제 정의

특히, 자연상태에서 성장하여 제공되는 발사목과 레드우드의 경우 직교이방성으로 가정하여 9개의 기계적 물성을 고려하지만, 실제로는 21개의 독립변수를 갖는 이방성 특성이므로 어떤 등가의 유한요소모델을 적용하느냐는 다른 완충재질보다 매우 중요한 변수가 된다. 따라서, 본 연구에서는 시험결과와의 수많은 비교분석을 통해 완충재질별로 최적의 등가 유한요소모델을 제시하고 평가하는 데 목적을 두었다.
본 논문에서는 사용후 핵연료 수송용기의 충격완충체에 적용되는 완충재질의 기계적 물성을 평가하고 이를 바탕으로 유효등가 유한요소모델을 제시하는 데 목적을 두고 있다. 샌드위치 복합재 패널에 대한 유효등가모델의 검증을 위해 저속충격 시험을 수행하였으며 해석모델과의 비교를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 완충재질로 고려되고 있는 발사목, 레드우드 그리고 우레탄폼에 대한 최적의 유효등가 유한요소모델을 제시하고 충격 특성을 비교하는 데 목적을 두고 있다. 이를 위해 실험적 방법에서는 완충재질의 방향별 기계적 물성 평가와 샌드위치 패널의 저속충격 시험을 수행하여 정적 및 동적 특성을 파악하는 데 목적을 두었으며, 해석적 방법에서는 저속충격 시험 결과와의 비교를 통해 완충재질별 최적의 등가 유한요소모델을 제시하는 데 목적을 두었다.
본 연구에서는 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 완충재질로 고려되고 있는 발사목, 레드우드 그리고 우레탄폼에 대한 최적의 유효등가 유한요소모델을 제시하고 충격 특성을 비교하는 데 목적을 두고 있다. 이를 위해 실험적 방법에서는 완충재질의 방향별 기계적 물성 평가와 샌드위치 패널의 저속충격 시험을 수행하여 정적 및 동적 특성을 파악하는 데 목적을 두었으며, 해석적 방법에서는 저속충격 시험 결과와의 비교를 통해 완충재질별 최적의 등가 유한요소모델을 제시하는 데 목적을 두었다.

가설 설정

우레탄 폼, 발사목 그리고 레드우드 샌드위치 패널의 저속충격 시험과 해석 결과를 비교해 보면 대부분의 경우에서 최대 10% 이내의 오차내에서 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있다. 발생한 오차의 원인은 우레탄 폼 샌드위치 패널의 경우, 우레탄 폼의 기공 상태가 모든 시편에 대해 동일하지 않기 때문에 발생하였으며 발사목과 레드우드 심재를 갖는 샌드위치 패널의 경우, 성장을 통해 생성되는 자연재료로써 이방성 물성을 가지나 해석을 수행하는데 이방성 물성을 적용할 수 없어 직교이방성 재료로 가정하여 발생된 것으로 판단된다.
본 연구에서는 중앙아메리카, 남아메리카 북부 원산으로 120 kg/m³의 밀도를 갖는 중밀도 발사목과 북아메리카 원산으로 355 kg/m³의 밀도를 갖는 레드우드 그리고 난연성을 향상시킨 140 kg/m³의 밀도를 갖는 반경질 우레탄 폼을 사용하였다. 이때 발사목과 레드우드는 이방성(Anisotropic)재료지만 직교이방성(Orthotropic) 재질로 가정하여 9-방향에 대한 기본물성을 도출하였다. 일반적으로 목재의 방향은 Fig.

제안 방법

(1) 사용후 핵연료 수송용기 충격완충제의 완충재질에 적용되는 발사목, 레드우드 그리고 우레탄 폼의 기계적 물성을 평가하였다. 이때, 자연상태에서 성장하여 제공되는 발사목과 레드우드는 직교이방성으로 가정하여 9-방향에 대해 기계적 물성을 평가하였으며, 우레탄 폼은 등방성 특성을 가지므로 3방향에 대한 기계적 물성을 평가하였다.
(2) 금속재 면재와 우레탄 폼, 발사목 그리고 레드우드 심재로 각각 구성된 샌드위치 패널들에 대한 충격특성을 평가하기 위해 저속충격시험을 수행하였다. 저속충격시험 결과, θ 방향의 발사목 심재를 갖는 샌드위치 패널이 가장 높은 충격 에너지 흡수 특성을 가졌으며, z 방향의 레드우드 심재를 갖는 샌드위치 패널에서 가장 낮은 충격 에너지 흡수 특성이 확인되었다.
(3) 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체에 적용되는 샌드위치 복합재 패널의 유효등가 유한요소 모델은 저속충격시험과의 비교를 통해 제시되었다. 샌드위치 복합재 패널의 유한요소 모델은 기존의 혼합모델링 기법보다는 면재와 심재 모두 솔리드요소를 사용하는 방법이 더 정확한 동적 해석 결과를 나타내는 것으로 확인하였다.
또한, 재료는 기계적 특성에 따라 고유의 댐핑계수를 갖는다. 그러나 본 연구에서 제시된 물성모델은 고유 댐핑계수의 적용이 불가능하여 발사목과 레드우드에 대한 댐핑계수는 충격면에 따라 변경 적용하는 방법을 적용하였다. 이때 완충재질의 경우, z 방향 0.
이러한 비선형적 요소를 고려한 충격해석을 위해 동적 외연 유한요소 해석(Dynamic explicit finite element analysis) 프로그램인 LS-DYNA 3D를 사용하여 수행하였으며, 앞 절의 기계적 물성 시험을 통해 도출된 각 방향별 물성을 적용하였다. 기존의 연구에서는 샌드위치 패널의 해석 수행시 면재에 쉘 요소(Shell element)를 적용하는 것이 더 정확한 해석결과를 얻을 수 있으나[14] 본 연구에서는 소성변형을 확인하기 위해 스테인리스 강판과 완충재질은 솔리드 요소(Solid element)를 사용하여 모델링을 수행하였으며, 경계조건으로 시편 고정장치와 시편에 접촉조건을 부여하였다. 충격체와 시편은 표면 접촉 알고리즘인 면대면(Surface to surface)접촉조건을 사용하였으며 시편 고정장치와 충격체는 강체로 모사하였다.
2와 같이 나이테를 기준으로 z, θ, r 방향으로 표현된다. 등방성 재질의 우레탄 폼은 인장, 압축, 전단시험을 통해 기계적 물성을 평가하였다.
이때, 우레탄 폼 심재를 갖는 충격시편은 일반적인충격시험 시편 규격인 100 × 100 × 25 (mm³)로 제작하였다. 발사목과 레드우드 심재를 갖는 샌드위치 패널의 경우는 일정 두께를 갖는 판재 형태로 수입되기 때문에 판재의 치수를 고려하여 시편을 제작하였다. 발사목은 z-방향은 75 × 75 × 25 (mm³), θ-방향은 100 × 100 × 25 (mm³) 그리고 r-방향은 50 × 50 × 25 (mm³)로 제작하였으며 레드우드는 75 × 75 × 25 (mm³)로 제작하였다.
이때 적용된 우레탄 폼의 물성카드는 MAT_165_PLASTIC _NON-LINEAR_KINEMATIC이며 이는 우레탄 폼을 모사할 수 있는 MAT_057_LOW_DENSITY_FOAM, MAT_083_ FU_CHANG_FOAM 그리고 MAT_063_CRUSHABLE_FOAM 물성카드와의 비교 결과, 우레탄 폼 샌드위치 패널의 저속충격 시험 결과와 가장 근사한 거동을 보여 선정하였다. 발사목과 레드우드의 물성카드는 MAT_WOOD 물성카드를 적용하였으며 이는 MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC, MAT_ COMPOSITE_DAMAGE 물성카드와의 비교를 통해 선정되었다. 선정된 물성카드는 본 논문과 유사한 연구 사례인 참고문헌[15]에서 선정된 물성카드와 동일한 결과임을 확인하였다.
발사목은 z-방향은 75 × 75 × 25 (mm3), θ-방향은 100 × 100 × 25 (mm3) 그리고 r-방향은 50 × 50 × 25 (mm3)로 제작하였으며 레드우드는 75 × 75 × 25 (mm3)로 제작하였다.
사용후 핵연료 수송용기 충격완충체에 적용되는 완충재질의 기계적 물성 평가는 방향별로 수행하여 평가하였다. 본 연구에서는 중앙아메리카, 남아메리카 북부 원산으로 120 kg/m³의 밀도를 갖는 중밀도 발사목과 북아메리카 원산으로 355 kg/m³의 밀도를 갖는 레드우드 그리고 난연성을 향상시킨 140 kg/m³의 밀도를 갖는 반경질 우레탄 폼을 사용하였다.
본 논문에서는 사용후 핵연료 수송용기의 충격완충체에 적용되는 완충재질의 기계적 물성을 평가하고 이를 바탕으로 유효등가 유한요소모델을 제시하는 데 목적을 두고 있다. 샌드위치 복합재 패널에 대한 유효등가모델의 검증을 위해 저속충격 시험을 수행하였으며 해석모델과의 비교를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
46 kg이며, 시편 고정 치구의 내경은 38 mm 이며, 가장 작은 충격 시편(50 × 50 × 25 mm³)을 지지하기에 충분한 치수를 갖는다. 시험은 3 J과 5 J에 대해 수행하였으며 손상영역과 손상깊이는 3차원 측정기로 측정하였다. Fig.
완충재질에 따른 유효등가 유한요소모델의 검증을 위해 저속충격 시험 결과와 충격해석 결과를 비교하였다.
우레탄 폼은 등방성 특성을 가지므로 인장, 압축 그리고 전단의 3가지 기계적 물성을 평가하였으며, Table 1은 우레탄 폼의 기본물성을 나타낸다. 발사목과 레드우드 모두 나이테에 수직한 방향인 z 방향이 θ와 r 방향에 비해 높은 기계적 물성을 가짐을 확인하였다.
(1) 사용후 핵연료 수송용기 충격완충제의 완충재질에 적용되는 발사목, 레드우드 그리고 우레탄 폼의 기계적 물성을 평가하였다. 이때, 자연상태에서 성장하여 제공되는 발사목과 레드우드는 직교이방성으로 가정하여 9-방향에 대해 기계적 물성을 평가하였으며, 우레탄 폼은 등방성 특성을 가지므로 3방향에 대한 기계적 물성을 평가하였다.
이때 국부적인 샌드위치 패널의 변형은 충격이 가해지는 영역에서 발생되며 충격체와 샌드위치 패널은 접촉 조건에 따라 비탄성 거동을 보이게 된다. 이러한 비선형적 요소를 고려한 충격해석을 위해 동적 외연 유한요소 해석(Dynamic explicit finite element analysis) 프로그램인 LS-DYNA 3D를 사용하여 수행하였으며, 앞 절의 기계적 물성 시험을 통해 도출된 각 방향별 물성을 적용하였다. 기존의 연구에서는 샌드위치 패널의 해석 수행시 면재에 쉘 요소(Shell element)를 적용하는 것이 더 정확한 해석결과를 얻을 수 있으나[14] 본 연구에서는 소성변형을 확인하기 위해 스테인리스 강판과 완충재질은 솔리드 요소(Solid element)를 사용하여 모델링을 수행하였으며, 경계조건으로 시편 고정장치와 시편에 접촉조건을 부여하였다.
저속충격 해석은 시험과 동일하게 3 J과 5 J의 충격에너지에 대해 수행하였으며, 발사목과 레드우드에 적용된 MAT_WOOD 물성카드는 재료의 파손 발생시 요소 제거(Element elimination)가 발생되는 옵션을 적용하여 수행하였다.
6과 같으며 25,758개의 절점과 12,953개의 요소로 구성되었다. 제시된 유효등가 모델은 저속충격 시험 결과와의 비교를 통해 검증하였으며, 완충재질에 따라 해당되는 등가의 유한요소모델만 변경시켜주면 되도록 배치파일(Batch file)을 작성하여 재료나 재료의 방향을 수정 시 LS-DYNA 3D에서의 부수적인 수정 없이 자동으로 입력파일(Input)을 수정하도록 하여 해석을 수행하였다.
충격완충체는 Fig. 1과 같이 스테인리스강판 케이스에 완충재질을 삽입하는 형태로 제작되며, 본 연구에서는 SUS304 금속재 면재와 각각 우레탄 폼, 발사목 그리고 레드우드 심재를 갖는 샌드위치 패널들에 대한 저속충격 특성을 평가하였다. 이때, 우레탄 폼 심재를 갖는 충격시편은 일반적인충격시험 시편 규격인 100 × 100 × 25 (mm³)로 제작하였다.

대상 데이터

사용후 핵연료 수송용기 충격완충체에 적용되는 완충재질의 기계적 물성 평가는 방향별로 수행하여 평가하였다. 본 연구에서는 중앙아메리카, 남아메리카 북부 원산으로 120 kg/m³의 밀도를 갖는 중밀도 발사목과 북아메리카 원산으로 355 kg/m³의 밀도를 갖는 레드우드 그리고 난연성을 향상시킨 140 kg/m³의 밀도를 갖는 반경질 우레탄 폼을 사용하였다. 이때 발사목과 레드우드는 이방성(Anisotropic)재료지만 직교이방성(Orthotropic) 재질로 가정하여 9-방향에 대한 기본물성을 도출하였다.
시험은 Dynatup 8250 낙하충격시험기를 사용하였으며, 충격 후 리바운드를 방지하여 수행하였다. 저속충격 시험에 사용된 충격체는 지름 16 mm의 반구형 강철로 질량 1.
저속충격 시험에 사용된 충격체는 지름 16 mm의 반구형 강철로 질량 1.46 kg이며, 시편 고정 치구의 내경은 38 mm 이며, 가장 작은 충격 시편(50 × 50 × 25 mm3)을 지지하기에 충분한 치수를 갖는다.

이론/모형

30의 댐핑계수를 적용하였다. 각각의 댐핑계수는 참고문헌[15]을 참고하여 적용하였다. 충격완충체에 적용되는 샌드위치 패널의 유효등가 유한요소 모델은 Fig.
발사목과 레드우드의 인장시험은 ASTM D1623 규정에 의거하여 수행하였으며, 우레탄 폼의 인장시험은 ASTM D3574 규정에 의거하여 수행하였다[10,11]. 발사목, 레드우드, 우레탄 폼의 압축시험은 ASTM C365 규정에 의거해 수행하였으며 전단시험은 ASTM C273 규정에 의거하여 수행하였다[12,13]. Fig.
발사목과 레드우드의 인장시험은 ASTM D1623 규정에 의거하여 수행하였으며, 우레탄 폼의 인장시험은 ASTM D3574 규정에 의거하여 수행하였다[10,11]. 발사목, 레드우드, 우레탄 폼의 압축시험은 ASTM C365 규정에 의거해 수행하였으며 전단시험은 ASTM C273 규정에 의거하여 수행하였다[12,13].
기존의 연구에서는 샌드위치 패널의 해석 수행시 면재에 쉘 요소(Shell element)를 적용하는 것이 더 정확한 해석결과를 얻을 수 있으나[14] 본 연구에서는 소성변형을 확인하기 위해 스테인리스 강판과 완충재질은 솔리드 요소(Solid element)를 사용하여 모델링을 수행하였으며, 경계조건으로 시편 고정장치와 시편에 접촉조건을 부여하였다. 충격체와 시편은 표면 접촉 알고리즘인 면대면(Surface to surface)접촉조건을 사용하였으며 시편 고정장치와 충격체는 강체로 모사하였다. 완충재질은 종류별 그리고 방향별 물성이 다르므로 어떤 등가의 유한요소 모델을 선택하느냐에 따라 결과에 많은 차이를 보이게 된다.

성능/효과

우레탄 폼 샌드위치 패널의 경우 3 J에서 약 12%의 오차가 발생하였으나, 발사목 샌드위치 패널의 경우, 3 J과 5 J 모두 약 1% 이하의 오차가 발생하여 손상영역의 크기가 매우 잘 일치는 것을 확인하였다. 레드우드 샌드위치 패널의 경우에는 약 3%의 오차가 발생하여 유효등가 유한요소 모델의 충격해석 결과가 저속 충격시험결과와 잘 일치함을 확인하였다.
발사목과 레드우드 모두 나이테에 수직한 방향인 z 방향이 θ와 r 방향에 비해 높은 기계적 물성을 가짐을 확인하였다.
(3) 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체에 적용되는 샌드위치 복합재 패널의 유효등가 유한요소 모델은 저속충격시험과의 비교를 통해 제시되었다. 샌드위치 복합재 패널의 유한요소 모델은 기존의 혼합모델링 기법보다는 면재와 심재 모두 솔리드요소를 사용하는 방법이 더 정확한 동적 해석 결과를 나타내는 것으로 확인하였다. 이는 금속재면재를 갖는 샌드위치 패널의 경우 충격에 의한 면재의 소성 거동을 모사하기에는 쉘 요소보다는 솔리드요소가 더 적합한 결과라 사료된다.
12는 저속 충격시험으로 발생된 손상영역과 충격해석을 통해 발생된 손상영역을 비교하여 나타낸 것이다. 우레탄 폼 샌드위치 패널의 경우 3 J에서 약 12%의 오차가 발생하였으나, 발사목 샌드위치 패널의 경우, 3 J과 5 J 모두 약 1% 이하의 오차가 발생하여 손상영역의 크기가 매우 잘 일치는 것을 확인하였다. 레드우드 샌드위치 패널의 경우에는 약 3%의 오차가 발생하여 유효등가 유한요소 모델의 충격해석 결과가 저속 충격시험결과와 잘 일치함을 확인하였다.
우레탄 폼, 발사목 그리고 레드우드 샌드위치 패널의 저속충격 시험과 해석 결과를 비교해 보면 대부분의 경우에서 최대 10% 이내의 오차내에서 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있다. 발생한 오차의 원인은 우레탄 폼 샌드위치 패널의 경우, 우레탄 폼의 기공 상태가 모든 시편에 대해 동일하지 않기 때문에 발생하였으며 발사목과 레드우드 심재를 갖는 샌드위치 패널의 경우, 성장을 통해 생성되는 자연재료로써 이방성 물성을 가지나 해석을 수행하는데 이방성 물성을 적용할 수 없어 직교이방성 재료로 가정하여 발생된 것으로 판단된다.
저속충격 시험 결과, 발사목과 레드우드 심재를 갖는 샌드위치 패널의 경우, z 방향 에너지 흡수율이 가장 낮은 것으로 확인되었는데, 이는 나무의 성장방향인 z 방향의 물성이 θ, r 방향보다 상대적으로 높기 때문으로 판단된다.
저속충격시험 결과, θ 방향의 발사목 심재를 갖는 샌드위치 패널이 가장 높은 충격 에너지 흡수 특성을 가졌으며, z 방향의 레드우드 심재를 갖는 샌드위치 패널에서 가장 낮은 충격 에너지 흡수 특성이 확인되었다.

후속연구

(4) 본 논문에서 제시된 샌드위치 복합재 패널의 유효등가 유한요소 모델은 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 동적 거동을 평가하기 위한 최적의 유한요소모델로 제안된다. 제안된 샌드위치 복합재 패널에 대한 유효등가 유한요소 모델은 심재의 종류에 따른 물성의 방향성과 파손거동 그리고 심재의 충격 후 소성 거동을 자동적으로 반영하도록 배치파일을 작성하여 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 해석 신뢰성 및 구조 건전성 확보에 기여할 것으로 판단된다.
원자력 에너지의 지속적 사용에 따라 사용후 핵연료의 발생량이 증가하고, 이에 따라 발전소 내의 사용후 핵연료 저장공간이 부족하게 되어 대규모 저장 시설로 이동하고 있는 실정이다[2]. 사용후 핵연료를 운반하는 수송용기는 아주 강한 방사선과 높은 열이 발출되는 고준위 방사성 물질로부터 인간과 환경을 보호하기 위해 안전성이 철저히 보장되어야 한다. 이에, 국제원자력기구에서는 안전규정[3]에 의거하여 가상 사고조건과 정상 사고조건에 대한 시험을 통해 구조 안전성을 평가하도록 규정하고 있다.
(4) 본 논문에서 제시된 샌드위치 복합재 패널의 유효등가 유한요소 모델은 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 동적 거동을 평가하기 위한 최적의 유한요소모델로 제안된다. 제안된 샌드위치 복합재 패널에 대한 유효등가 유한요소 모델은 심재의 종류에 따른 물성의 방향성과 파손거동 그리고 심재의 충격 후 소성 거동을 자동적으로 반영하도록 배치파일을 작성하여 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 해석 신뢰성 및 구조 건전성 확보에 기여할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력 에너지에 대한 수요가 증가하게 된 계기는 무엇인가?	최근 화석에너지의 고갈과 지구 온난화로 인해 에너지 효율이 높고 공기오염이 없는 원자력 에너지에 대한 수요가 증가하고 있다[1]. 원자력 에너지의 지속적 사용에 따라 사용후 핵연료의 발생량이 증가하고, 이에 따라 발전소 내의 사용후 핵연료 저장공간이 부족하게 되어 대규모 저장 시설로 이동하고 있는 실정이다[2].
	사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 역할은 무엇인가?	원자력 에너지의 지속적 사용에 따라 사용후 핵연료의 발생량이 증가하고, 이에 따라 발전소 내의 사용후 핵연료 저장공간이 부족하게 되어 대규모 저장 시설로 이동하고 있는 실정이다[2]. 사용후 핵연료를 운반하는 수송용기는 아주 강한 방사선과 높은 열이 발출되는 고준위 방사성 물질로부터 인간과 환경을 보호하기 위해 안전성이 철저히 보장되어야 한다. 이에, 국제원자력기구에서는 안전규정[3]에 의거하여 가상 사고조건과 정상 사고조건에 대한 시험을 통해 구조 안전성을 평가하도록 규정하고 있다.
	샌드위치 복합재 패널은 무엇으로 구성되어있는가?	본 논문에서는 샌드위치 복합재 패널로 제작되는 사용후 핵연료 수송용기 충격완충체의 유효등가 유한 요소모델을 제시하는데 목적을 둔다. 샌드위치 복합재 패널은 금속재 면재와 각각 우레탄 폼, 발사목 그리고 레드우드 심재로 구성되었다. 충격완충체의 유효등가 유한요소 모델은 샌드위치 복합재 패널의 저속충격 시험과 해석결과와의 비교를 통해 제시되었으며, LS-DYNA 3D를 사용한 동적 외연 유한요소해석에 의해 수행되었다.

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