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추락낙하 사고 시 지면과 충돌하는 고준위폐기물 처분용기의 비선형구조해석
Nonlinear Structural Analysis of the Spent Nuclear Fuel Disposal Canister Subjected to an Accidental Drop and Ground Impact Event 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.32 no.2, 2019년, pp.75 - 86  

권영주 (홍익대학교 기계정보공학과)

초록
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원자력발전의 최대 걸림돌은 사용 후 핵연료인 고준위폐기물이다. 높은 방사능과 발생하는 열은 사용 후 핵연료의 안전한 처분을 어렵게 하고 있다. 현재 유일한 처리방법은 심지층 처분기술이다. 본 논문은 이와 같은 심지층 처분기술의 핵심기술 중의 하나인 처분용기의 구조안전성 설계문제를 다루고 있다. 특히 처분장에서 처분용기 처분 시 사고로 운송차량에서 추락낙하 하여 지면과 충돌하는 경우 처분용기에 가해지는 충격력에 의하여 처분용기에 발생하는 응력 및 변형에 대한 비선형구조해석을 수행하였다. 해석의 주된 내용은 심지층 처분장에서 운반차량으로 처분용기 운반 중 사고로 추락낙하 하여 지면과의 충돌 시에 처분용기에 가해지는 충격력을 기구동역학해석 상용 컴퓨터코드인 RecurDyn으로 구하고 이 충격력에 의하여 처분용기에 발생하는 응력 및 변형을 유한요소 정적 구조해석 상용 컴퓨터코드인 NISA를 이용하여 구한 것이다. 해석결과는 충돌 충격 시간 중 발생하여 처분용기에 가해지는 충격력에 의하여 처분용기, 특히 처분용기의 위 덮개 혹은 아래 덮개에 큰 응력과 대변형이 발생함을 보여주고 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The biggest obstacle in the nuclear power generation is the high level radioactive waste such as the spent nuclear fuel. High level radioactivities and generated heat make the safe treatment of the spent nuclear fuel very difficult. Nowadays, the only treatment method is a deep geological disposal t...

주제어

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문제 정의

  • 본 논문에서 수행한 처분장에서 운반 중 운송차량에서 사고로 추락낙하 하는 처분용기가 지면과 충돌하여 발생하는 충격력을 구하는 기구동역학해석 및 이 충격력에 의하여 처분용기에 발생하는 응력 및 변형을 구하는 정적 구조역학해석은 이미 인용한 기 연구들(Kwon, 2011; 2013; 2017)에서수행되어 상세히 기술되어 있다. 따라서 본 논문에서는 인용한 논문들과 유사한 내용은 생략하고 본 논문에서 꼭 필요한 부분만 기술하고자 한다. 운송중 운반차량에서 추락낙하 하여 처분용기에 가해지는 충격력에 의하여 처분용기에 발생하는 구조적 변형에 대한 연구는 국내외에서 많은 연구가 수행되어 오고있다.
  • 앞 절에서 정의한 모델을 이용하여 여러 입력 데이터(바퀴와 지면과의 마찰계수, 처분용기와 지면과의 마찰계수, 초기속도)들에 대하여 기구동역학 전용 컴퓨터해석코드인 Recur Dyn을 사용하여 수치해석을 수행한다. 자세한 해석 방법 및 과정은 인용한 기 논문(Kwon, 2013)에 기술되어 있기 때문에 본 논문에서는 그 중 본 논문과 관련된 중요내용 및 해석 결과를 기술하였다. 앞 절에서 언급한 구조모델링과 함께 정확한 기구동역학해석에 중요한 것은 운송차량 운행 중 처분용기가 운송차량 위에서 움직여서 지면으로 추락낙하 시 발생하는 각 부분들의 접촉 상태의 모델링이다.

가설 설정

  • Table 1의 마찰계수 값들은 인용 논문(Kwon, 2013)의 연구시에도 사용된 동일 값들이다. 다른 접촉인 운송차량 바퀴와 지면, 처분용기와 충돌 지면과의 마찰계수는 너무 다양한 경우들이 존재하므로 여러 가지 경우들로 입력 데이터 값들을 가정하여야 한다. 따라서 수많은 경우의 수가 존재한다.
  • 본 연구에서도 마찬가지로 충격흡수체가 없는 특정한 원통형 처분용기가 운송차량에서 추락낙하 하여 지면과 충돌하여 발생하는 구조적 변형을 구하였다. 단 기존의 이론적인 연구에서 국부변형을 완전소성변형으로 가정한 것과는 다르게 본 연구에서는 좀 더 실제와 가까운 탄소성 정적 변형으로 가정하였다. 이에 추가하여 충격력에 의해 발생하는 국부적 변형 이외에 충격력과 동시에 충돌 시 처분용기에 가해지는 충격모멘트에 의해 처분용기에 발생하는 국부적 변형 이외의 변형을 구하였다.
  • 이 분포하중에 의해 처분용기에 정적인 구조변형이 발생한다고 사료된다. 따라서 본 연구에서는 정적인 구조해석 수행 시에 매우 짧은 시간(0.01초 이내) 중에 집중적으로 발생하는 이 분포하중의 합력을 처분용기에 충격력으로 가해준다. 이 분포하중의 합력을 구하면 충격량(impulse)과 일치하는데, 이는 매우 짧은 한 순간인 충돌시간 동안 물체에 가해지는 총 충격력이라는 의미이므로 정적 구조해석 수행 시 충돌시간 동안 처분용기에 충격력으로 가해주는 것이 타당하다고 사료된다.
  • 그러나 처분용기의 한 쪽 끝을 구속하고 다른 한 쪽 끝에 집중하중을 가하는 경우에 처분용기 내에 가장 큰 굽힘모멘트가 발생한다. 본 논문에서는 보수적인 설계관점에서 처분용기 내에 가장 큰 충격모멘트(굽힘모멘트)가 발생하도록 지면과의 충돌에 의하여 충격력이 가해지는 곳에서 제일 먼 곳(추락낙하 유형 1인 경우 아래 덮개 밑면 부분)을 지점으로 가정한다. 따라서 이곳에 강체운동을 구속하는 경계조건을 가해준다.
  • 이들 상수들은 각 접촉상태에 따라 또 처분용기의 모델에 따라 다른 값들을 갖는다. 본 해석에서는 처분용기가 운송차량에서 추락낙하 하여 지면과의 충돌 시 처분용기에 발생하는 충격력을 정확하게 구할 수 있도록 가능하면 실제상황과 유사한 경우로 가정하였다. 이에 대한 상세한 내용은 인용 논문(Kwon, 2013) 3.
  • NISA의 비선형구조해석 기능을 이용하여 해석을 수행한다. 이 때 처분용기의 재질은 실제상황에 맞게 탄소성체(elastoplasticmaterial)로 가정한다. Table 3~5의 물질상수 값들을 이용하여 비선형구조해석을 수행한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고준위폐기물 처분용기란? 사용 후 핵연료와 같은 고준위폐기물의 관리를 위하여 가장 가능하고 안전한 해결방법으로 현재 고려되고 있는 기술인심지층 처분기술(Kwon, 2010; Lee et al., 2007; Zhou etal., 2010)의 핵심기술 중 하나인 고준위폐기물 처분용기가 한국원자력연구원이 중심이 되어 개발되었다(Lee et al., 2007;Kwon et al.
국내 원자력안전법령체계의 구성은? 6, 1978) 등이 있다. 국내 원자력안전법령체계는 원자력 안전법, 시행령, 시행규칙, 원자력안전위원회 규칙 및 고시로 구성되어 있다. 원자력 안전규제 전문기관인 한국원자력안전기술원(KINS)에서는 규제실무에 적용할 수 있는 상세기준 및 지침(KINS/RS-N12.
충돌전용컴퓨터해석 프로그램의 단점은? 이와 같은 추락낙하 충돌반응에 대한 해석은 충돌전용컴퓨터해석 프로그램인 LS-DYNA3D나 ABAQUS/Explicit같은 프로그램으로 해석할 수 있다. 그러나 이와 같은 프로그램은 가격이 매우 고가이기 때문에 접근 이용하기가 쉽지 않고충돌 시 접촉 면적이 넓어 마찰의 영향이 큰 경우인 자동차 충돌사고 같은 해석에는 유용하지만 본 연구와 같이 원통형상의고준위폐기물 처분용기가 추락낙하 하여 지면과 충돌 시 주로점접촉이나 선접촉이 발생하여 마찰의 영향이 적은 경우에는크게 유용하지 않을 것으로 사료된다. 특히 충돌 시 극히 짧은시간 내에 처분용기에 가해지는 동적인 충격력에 의하여 충돌직후 처분용기에 동적인 구조적 진동이 발생할 수 있지만(Leeet al.
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