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문제 정의
- 또한 단기운영공정은 시간에 따라 정해진 단계를 거치므로 어느 공정 하나에 초점을 맞춰 열전달해석을 수행하기가 난해하기 때문에 연료장전에서부터 시간에 따른 온도이력을 추적해야 한다. 이에 따라 본 장에서는 단기운영공정에 대한 열전달 안전성평가를 수행하고 그 결과를 제시하였다.
가설 설정
- 11) 방사성폐기물 배기계통 라인 및 탈염수 주입장치를 분리한다.
- 2) 환형 공간 씰에 주입된 공기를 빼고 환형 공간 씰을 분리한다.
제안 방법
- 1) 캐니스터 배기 및 배수포트 상부에 각각 포트커버를 장착하여 용접을 수행하고 용접검사 및 헬륨 누설시험을 수행한다.
- 10) 용기 측면하단 배수 포트커버와 뚜껑 배기 포트커버를 장착하고 누설검사를 수행한다.
- 2) 캐니스터 상부에 밀폐링을 장착하여 용접을 수행하고 용접검사를 수행한다.
- 금속겸용용기를 운반차량에 상차하고 충격완충체 및 보호용 후드를 설치한 후 규제기관의 운반검사를 받고 지정된 건식저장시설로 운반하여 저장한다.
- 미국의 규제지침인 NUREG-1536을 참고하여 금속겸용용기를 이용한 건식저장 시스템의 운영특성에 맞도록 세부 운영절차를 개발하였으며 주요 공정별로 용기의 주요 구성품 및 사용후핵연료의 구조 및 열적 안전성도 확인하였다. 단기운영공정은 총 21시간 내에 이루어지도록 절차를 수립하였고 단계별로 허용운전시간(15시간 습식공정, 3시간 배수공정, 그리고 3시간 진공공정)도 제시하였다.
- 원전의 사용후핵연료를 습식저장조에서 금속 겸용용기에 장전하여 건식저장시설로 운반하기 전까지의 공정 중 사용후핵연료 저장건물 내에서 이루어지는 일련의 단기운영공정은 공정별로 열전달 환경 및 모드가 변경되므로 시간이력 온도분포는 각 공정별로 서로 다른 경향을 보이게 되는데 습식공정 동안 용기 내부에서 물이 비등하지 않아야 하고 건식공정에서는 사용후핵연료 피복관 온도가 제한기준을 만족하여야 한다. 미국의 규제지침인 NUREG-1536을 참고하여 금속겸용용기를 이용한 건식저장 시스템의 운영특성에 맞도록 세부 운영절차를 개발하였으며 주요 공정별로 용기의 주요 구성품 및 사용후핵연료의 구조 및 열적 안전성도 확인하였다. 단기운영공정은 총 21시간 내에 이루어지도록 절차를 수립하였고 단계별로 허용운전시간(15시간 습식공정, 3시간 배수공정, 그리고 3시간 진공공정)도 제시하였다.
- 본 장에서는 금속겸용용기에 사용후핵연료가 장전된 상태에서 캐니스터 뚜껑을 용접하고 캐니스터 내부를 배수, 진공건조 및 헬륨 충진하여 저장시설로 운반하기 전까지 원전에서 수행되는 세부 운영절차를 기술하였다. 용기의 환형 공간에 환형 차폐체(annulus shield)를 장착하고, 자동용접기 받침판을 장착하여 추가적인 방사선 차폐를 수행한다.
- 사용후핵연료 21다발을 운반하여 저장하기 위한 금속겸 용용기에 대한 단기운영공정 열전달 해석은 최대 연소도 45,000 MWd/MtU의 최대 열부하 16.8 kW 조건을 기준으로 수행하였으며 캐니스터 내 매질 조건에 따라 습식공정, 배수 공정 및 진공건조공정으로 분리하여 과도상태 열전달 해석을 수행하였고 그 결과를 Fig. 3 및 Table 1의 단기운영공정 시간이력 온도분포에 제시하였다. 단기운영공정 중 습식공정은 원전 연료건물의 장전조에서 21다발의 사용후핵연료를 용기 내에 장전하고 제염조로 이동하여 캐니스터 용기 뚜껑을 용접하는 공정을 포함한다.
- 사용후핵연료를 저장한 금속겸용용기를 제염조로 이송하여 캐니스터 뚜껑 및 금속겸용용기 표면을 제염한다. 환형 공간 씰을 제거하고 환형 차폐체를 설치한다.
- 사용후핵연료의 장전이 완료된 후 수중에서 캐니스터 뚜껑을 안착하고 적절히 장착되었는지 확인한다. 캐니스터 뚜껑 장착이 완료된 후 장전조의 물을 배수하고 인양장치를 원격으로 금속겸용용기 트러니언에 연결하여 금속겸용용기를 작업자가 접근 가능한 높이까지 인양하고 금속겸용용기 및 캐니스터 상부표면의 방사선량을 측정한다.
- 이러한 공정은 캐니스터 내부가 물로 채워져 있는 상태이며 물의 비등이 발생하지 않도록 해야 한다. 습식공정은 15시간을 고려한 과도상태 열해석을 수행하였으며 해석결과 캐니스터 내부에 채워져 있는 물의 온도는 69.7℃ 피복관 표면 최대온도는 90.6℃로 비등은 발생하지 않는다. 또한 각 구성요소의 최대사용온도는 허용 온도 이내로 건전성이 확보되는 것으로 평가되었다.
- 3차원 모델은 금속겸용용기 각 구성요소를 포함하고 수직설치 상태에 대한 모델을 적용하였다. 열전달 해석은 공정작업시간을 고려한 과도상태 해석을 요하며 초기조건은 NUREG-1536에 제시된 46℃로 열평형 상태로 적용하였다. 습식공정에서 평가해야 할 주요 항목은 캐니스터 내부에 물이 채워져 있기 때문에 캐니스터 내부에서 물의 비등이 발생하지 않도록 해야 하고 최대 허용운전시간을 제시해야 한다.
- 본 논문에서는 미국의 원자력규제위원회의 규제지침인 NUREG-1536을 참고하여 용기 및 캐니스터의 내부 배수, 진공건조(vacuum drying) 및 매질 충진(backfilling) 등 단기운영공정 시 사용 후 핵연료 피복관의 온도를 제한규정 이하로 유지토록 하고 운영단계(연료장전, 배수, 진공건조, 내부매질 충진 등)별로 피복관 온도가 제한온도에 도달하기 전까지의 허용시간을 명시하도록 요구하고 있다[1]. 이에 따라 국내 원전의 시설 및 금속겸용 용기를 이용한 건식저장 시스템의 특성을 고려하여 세부 운영공정을 개발하였으며 운영단계별로 금속겸용 용기의 주요 구성품 및 사용후핵연료의 구조 및 열적 안전성을 평가하였다.
- 이러한 공정에서 금속겸용용기 캐니스터의 내부는 물로 채워진 상태이다. 장전조에서 사용후핵연료를 캐니스터 내부에 장전하는 과정에서의 열전달은 습식저장조 물의 온도와 평형을 이루므로 장전조에서의 공정에 대한 열전달 해석은 생략하였으며 제염조로 이동한 후 공정에 대한 열전달 해석을 수행하였다. 제염조에서의 주요 공정은 캐니스터 뚜껑을 용접하는 공정으로 금속겸용용기 외부표면은 원전 연료건물 내부 환경과 복사 및 대류 열교환이 발생한다.
- 이러한 진공상태는 열전달 성능이 가장 취약한 공정이므로 캐니스터 내부 온도는 급격하게 증가하게 된다. 진공건조공정 열전달 해석을 위해 작업시간은 3시간을 고려하였으며 과도상태 열전달 해석을 수행하였다. 진공건조공정 해석결과, 사용후핵연료 피복관 최대온도는 173.
- 용기 인양장치를 사용하여 캐니스터를 포함한 금속겸용 용기를 장전조 내로 이동시키고 장전조를 충수한다. 충수가 완료되면 미리 선별된 사용후핵연료를 캐니스터 바스켓에 장전하며 장전된 사용후핵연료의 이력을 확인 및 기록한다.
- 이는 환형 공간의 방사선에 대한 추가적인 차폐와 이물질 유입을 방지한다. 캐니스터 내부의 물을 약간 배수하고 캐니스터 뚜껑을 캐니스터 쉘에 용접절차에 따라 자동용접을 수행하며 용접부에 대한 비파괴 검사(액체침투탐상검사)를 수행한다. 캐니스터 뚜껑에 설치된 배수 라인을 이용해 캐니스터 내부 배수를 완료하고 진공건조장치(vacuum drying equipment)를 사용하여 캐니스터 내부를 충분히 건조시킨 후 헬륨 가스로 채워 캐니스터 내부의 열전달 성능을 보장하고 불활성 환경을 형성한다.
- 사용후핵연료의 장전이 완료된 후 수중에서 캐니스터 뚜껑을 안착하고 적절히 장착되었는지 확인한다. 캐니스터 뚜껑 장착이 완료된 후 장전조의 물을 배수하고 인양장치를 원격으로 금속겸용용기 트러니언에 연결하여 금속겸용용기를 작업자가 접근 가능한 높이까지 인양하고 금속겸용용기 및 캐니스터 상부표면의 방사선량을 측정한다. 금속겸용용기가 장전조에서 제염조로 이송되기 전에 금속겸용용기 표면에 탈염수를 살수하여 오염물질을 제거한다.
- 캐니스터 뚜껑부위의 이중 밀봉을 위해 포트커버 용접 후 밀폐 링 설치 및 용접을 수행하며 비파괴 검사를 수행한다. 캐니스터 상부의 오염물질 제거 및 표면오염도 검사를 수행한다.
- 캐니스터 뚜껑부위의 이중 밀봉을 위해 포트커버 용접 후 밀폐 링 설치 및 용접을 수행하며 비파괴 검사를 수행한다. 캐니스터 상부의 오염물질 제거 및 표면오염도 검사를 수행한다. 금속겸용용기의 뚜껑을 설치되고 규정된 토크에 따라 볼트를 체결한다.
이론/모형
- 0을 사용하였다. 3차원 모델은 금속겸용용기 각 구성요소를 포함하고 수직설치 상태에 대한 모델을 적용하였다. 열전달 해석은 공정작업시간을 고려한 과도상태 해석을 요하며 초기조건은 NUREG-1536에 제시된 46℃로 열평형 상태로 적용하였다.
- 이러한 열전달을 평가하기 위해서 보수적으로 캐니스터 내부에서의 자연대류는 무시하고 전도에 의한 열전달만을 고려하였다. 습식공정에 대한 열전달 해석을 위한 해석모델은 3차원 모델은 적용하고 해석 코드는 FLUENT 13.0을 사용하였다. 3차원 모델은 금속겸용용기 각 구성요소를 포함하고 수직설치 상태에 대한 모델을 적용하였다.
성능/효과
- 8) 용접열에 의해 탈염수의 비등이 일어나지 않도록 주의하여 캐니스터 뚜껑 용접을 수행한다.
- 6℃로 비등은 발생하지 않는다. 또한 각 구성요소의 최대사용온도는 허용 온도 이내로 건전성이 확보되는 것으로 평가되었다. 건식공정을 위한 배수공정은 진공건조공정을 수행하기 전 캐니스터 내부에 있는 물을 배수하고 건식환경을 제공하기 위한 공정이다.
- 그러나 열전달해석은 보수적으로 헬륨이 충진된 상태에서 수행하였다. 작업시간을 3시간으로 고려하였으며 해석 결과, 사용후핵연료 피복관 최대온도는 145.8℃로 제한온도인 400℃ 미만으로 평가되었으며 또한 각 구성요소의 최대온도는 허용온도 이내로 열적 건전성이 확보되는 것으로 평가되었다. 진공건조공정은 헬륨을 충진하기 전 캐니스터 내부의 수분을 제거하기 위한 공정으로 캐니스터 내부 환경이 진공상태이다.
- 진공건조공정 열전달 해석을 위해 작업시간은 3시간을 고려하였으며 과도상태 열전달 해석을 수행하였다. 진공건조공정 해석결과, 사용후핵연료 피복관 최대온도는 173.8℃로 제한온도인 400℃미만으로 평가되었으며 또한 각 구성요소의 최대온도는 Table 1에서 보는 바와 같이 허용온도 이내로 열적 안전성이 확보되는 것으로 평가되었다[3-5].
후속연구
- 이러한 단기운영공정은 공정별로 열전달 환경과 열전달 모드가 변경되므로 시간이력 온도분포는 각 공정별로 서로 다른 경향을 보이게 된다. 특히, 진공건조 공정은 사용후핵연료에서 발생한 열이 외부로 제거되는 능력이 가장 떨어지는 공정이므로 이에 대한 상세한 분석이 요구된다. 또한 단기운영공정은 시간에 따라 정해진 단계를 거치므로 어느 공정 하나에 초점을 맞춰 열전달해석을 수행하기가 난해하기 때문에 연료장전에서부터 시간에 따른 온도이력을 추적해야 한다.
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