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문제 정의
- 최근 국내에서 육상 및 해상을 통한 소외 정상운반 시 진동 및 충격하중에 대한 사용후핵연료의 건전성 평가 기술 개발이 수행되고 있다. 이와 관련된 국내 연구사례는 전무하여 본 논문에서는 최근 진행된 해외연구사례를 조사하여 국내연구에 참고하고자 하였다.
- 2000년 이전 과거 미국의 사용후핵연료 정상운반 시진동 및 충격하중 관련 연구현황을 조사하였고, 최근 미국 SNL, 스페인 ENSA, 한국연구팀이 공동으로 수행한 복합운반시험에 대하여 자세히 기술하였다. 데이터 계측시스템을 구성하고, 어떤 절차에 의해 시험을 수행하였으며 시험결과는 어떠하였는지를 기술하였다.
제안 방법
- 미국 DOE 주관으로 SNL, PNNL, 스페인 ENSA 및 한국원자력연구원이 협력하여 상용 사용후핵연료 운반용기를 이용한 복합운반시험(Multi-modal Transportation Test)을 2017년에 수행하였다. 경수로 모의 핵연료집합체를 장입한 스페인 ENSA의 상용 사용후핵연료 운반용기 ENUN 32P를 지지대 위에 장착하여 도로, 철도, 해상으로 운반하며, 이 과정에서 발생하는 진동 및 충격하중이 운반플랫폼에서 운반용기를 거쳐 모의 핵연료집합체로 어떤 경로로 얼마나 전달되는지를 파악하였고, 측정된 모의 핵연료집합체의 변형률 데이터와 핫셀에서 측정된 사용후핵연료의 피로곡선을 바탕으로 사용후핵연료의 건전성을 실험적으로 평가하였다.
- 미국 DOE 주관으로 SNL, PNNL, 스페인 ENSA 및 한국원자력연구원이 협력하여 상용 사용후핵연료 운반용기를 이용한 복합운반시험(Multi-modal Transportation Test)을 2017년에 수행하였다. 경수로 모의 핵연료집합체를 장입한 스페인 ENSA의 상용 사용후핵연료 운반용기 ENUN 32P를 지지대 위에 장착하여 도로, 철도, 해상으로 운반하며, 이 과정에서 발생하는 진동 및 충격하중이 운반플랫폼에서 운반용기를 거쳐 모의 핵연료집합체로 어떤 경로로 얼마나 전달되는지를 파악하였고, 측정된 모의 핵연료집합체의 변형률 데이터와 핫셀에서 측정된 사용후핵연료의 피로곡선을 바탕으로 사용후핵연료의 건전성을 실험적으로 평가하였다.
- 3.1절의 단축가진시험에서 사용된 것과 동일한 17×17PWR 모의 사용후핵연료 집합체를 이용하여 Fig. 7과 같이 콘크리트블럭 트럭운반시험이 수행되었다[11].
- 이상적으로는 고연소도이면서 사용후핵연료 저장조에서 오랜 기간 동안 저장된 사용후핵연료 집합체를 사용하는 것이 가장 적절하지만, 이는 방사성 물질이기 때문에 작업자 등의 피폭을 방지하기 위해서 핫셀 내에서 시험이 수행되어야 하기에 천문학적인 비용을 필요로 한다. 따라서 해당 시험에서는 실제 사용후핵연료와 유사한 질량과 강성을 가진 모의 사용후핵연료집합체를 별도로 제작하여 시험이 수행되었다. 본 단축가진시험에는 Fig.
- 따라서 해당 시험에서는 실제 사용후핵연료와 유사한 질량과 강성을 가진 모의 사용후핵연료집합체를 별도로 제작하여 시험이 수행되었다. 본 단축가진시험에는 Fig. 5와 같이 납(lead)으로 제작된 봉(rod)으로 펠렛을 모사하였고 피복관은 대부분 구리로 모사하였으며 3개의 연료봉(Fig. 5에서 좌측 상단, 하단, 중앙에 위치한 연료봉)만 실제 피복관 재질인 Zircaloy로 모사하였다.
- 해당 시험에서는 Zircaloy-4 연료봉이 1개만 사용되었다. 실제 트럭 위에 운반용기의 질량을 모사한 대형 콘크리트 블록을 싣고 그 위에 바스켓과 모의 사용후핵연료 집합체를 Fig. 8에서와 같이 볼트로 결합하여 운반시험을 수행하였다. 운반시험은 미국의 Albuquerque지역에서 총 40.
- 미국에서는 철도를 통한 운반을 주된 운반경로로 여기고 있기 때문에 레일운반하중에 대한 가진시험을 추가로 수행하였다[15]. 기존의 SNL에서의 단축가진시험은 트럭에서 측정된 하중 중 수직방향하중만 고려하여 시험을 수행하였지만 다축가진시험에서는 기존의 트럭운반하중에 레일운반하중까지 고려하였으며, 수직방향뿐 아니라, 병진운동 3방향, 회전운동 3방향의 6자유도로 가진하여 집합체의 가속도 및 변형률을 측정하였다.
- 미국 DCL (Dynamic Certification Laboratory)의 6축 가진시험장치를 이용하여 수행하였으며, 트럭하중은 단축가진시험과 동일하게 NUREC-0128의 하중자료를 사용하였으며 레일의 경우 FCRD-UFD-2013-000325 [12] 보고서에 기술된 레일운반하중을 LS-DYNA로 유한요소해석을 수행하여 집합체에 가해지는 하중을 구하여 사용하였다. SNL의 단축가진시험의 경우 3 Hz 이상의 가진주파수만 적용 가능하였지만, DCL의 다축가진장치는 1 Hz 이상의 가진주파수가 적용이 가능하였다.
- SNL의 단축가진시험의 경우 3 Hz 이상의 가진주파수만 적용 가능하였지만, DCL의 다축가진장치는 1 Hz 이상의 가진주파수가 적용이 가능하였다. 기존에 수행된 시험에서는 사용후핵연료봉의 펠렛을 단순히 납봉으로만 모사한 것에 비해 본 다축가진시험에서는 봉이 아닌 실제로 펠렛을 Molybdenum과 납(lead)으로 모사하여 시험하였다. 추가적으로 열차차량을 연결 할 때 발생하는 충격(rail coupling shock event)와 관련된 시험 또한 수행하였지만, 이는 정상운반조건에 관한 시험은 아니다.
- 미국의 DOE의 주관으로 SNL, PNNL 및 스페인의 ENSA가 협력하여 상용 사용후핵연료 운반용기를 이용한 복합모드운반시험(Multi Modal Transportation Test, MMTT)이2017년에 수행되었다. ENSA에서 제공한 ENUN 32P 운반용기에 경수로 모의 핵연료집합체를 장입하여 도로, 철도, 해상으로 운반하여 이 과정에서 발생하는 진동 및 충격하중에 대한 모의 핵연료집합체의 건전성을 실험적으로 평가하였다.
- 2개의 40채널 Siemens사의 DAQ를 사용하여 운반시험 중 발생한 진동 및 충격하중을 계측하였다. 가속도계 40채널과 변형률측정게이지 37개, 총 77채널에서 데이터가 측정되었다.
- 18에 나타나 있다[17]. 가장 먼저 스페인 ENSA에서 운반용기조작시험(cask handling test)을 수행하였고, 스페인에서 도로트럭운반시험(heavyhaul truck test)을 수행하였다. 그리고 스페인에서 벨기에까지 해상으로 운송하는 연안항해시험(coastal sea shipment)을 수행하였으며 벨기에에서 미국 볼티모어로 해상 운송하는 대서양항해시험(ocean transport)이 진행되었다.
- 가장 먼저 스페인 ENSA에서 운반용기조작시험(cask handling test)을 수행하였고, 스페인에서 도로트럭운반시험(heavyhaul truck test)을 수행하였다. 그리고 스페인에서 벨기에까지 해상으로 운송하는 연안항해시험(coastal sea shipment)을 수행하였으며 벨기에에서 미국 볼티모어로 해상 운송하는 대서양항해시험(ocean transport)이 진행되었다. 그리고 미국에서는 철도를 통해 TTCI (Transportation Technology Center Inc.
- 처음 수행한 시험은 운반용기를 수직 위치에서 중간저장패드에 위치시키는 것을 모사하는 것으로 운반용기거치대(cradle)에 올려 놓는 운반용기조작시험을 시험하였다. 3명의 서로 다른 크레인 작업자에 의해 시험이 수행되었으며 콘크리트 패드에 운반용기가 놓일 때 그 힘의 크기를 다르게 하여 시험을 수행하였다.
- 처음 수행한 시험은 운반용기를 수직 위치에서 중간저장패드에 위치시키는 것을 모사하는 것으로 운반용기거치대(cradle)에 올려 놓는 운반용기조작시험을 시험하였다. 3명의 서로 다른 크레인 작업자에 의해 시험이 수행되었으며 콘크리트 패드에 운반용기가 놓일 때 그 힘의 크기를 다르게 하여 시험을 수행하였다.
- 도로트럭운반시험 이후 운반용기 및 거치대는 스페인의 Santander 항구에서 Autosky 호에 선적되었다. 트럭으로부터 선박 플랫폼으로 이동 시 운반용기 조작시험을 추가로 수행하였다. 그 결과 4일 동안 471 GB의 ASCII 데이터가 생성되었으며 측정 결과 집합체에 작용하는 하중은 0.
- 미국 볼티모어에 도착해서 1.3 TB의 데이터를 다운로드하고 30시간 정도 시간을 소요하여 베터리를 충전하였다. 벨기에 쩨브뤼헤항에서 Tarago 호에 선적하여 미국 볼티모어에 도착하였다.
- 2000년 이전 과거 미국의 사용후핵연료 정상운반 시진동 및 충격하중 관련 연구현황을 조사하였고, 최근 미국 SNL, 스페인 ENSA, 한국연구팀이 공동으로 수행한 복합운반시험에 대하여 자세히 기술하였다. 데이터 계측시스템을 구성하고, 어떤 절차에 의해 시험을 수행하였으며 시험결과는 어떠하였는지를 기술하였다. 현재 초기 시험결과분석결과를 살펴보면 정상운반시험에서 발생하는 하중에 의해 사용후핵연료봉에 발생하는 변형률은 피로 파괴를 발생시키기에는 매우 미미한 수준이다.
- 2013년 미국 SNL에서는 NUREC/CR-0128 [8]에 포함된 시험을 통해 측정된 하중자료를 이용한 단축가진시험이 수행되었다[9, 10]. 기존에 측정된 하중자료를 바탕으로 수직방향으로의 가진 함수를 생성하여 이를 사용후핵연료 집합체에 부과하여 도출되는 가속도 및 변형률을 측정하였다.
- 3.1절에서 소개된 단축가진시험과 3.2절에서 소개된 콘크리트블럭 트럭운반시험과 관련하여 PNNL에서 모델링과 해석을 수행하였다[12]. 여러 매개변수의 민감도 분석을 수행하여 결과에 크게 영향을 미치는 항목과 그렇지 않은 항목을 Table 3에서와 같이 정리하였다.
대상 데이터
- 시험은 Fig. 3과 같은 SNL에서 보유한 단축가진시험장치를 이용하여 수행되었으며, 17×17 모의 경수로 사용후핵연료 집합체를 제작하여 시험이 수행되었다.
- 사용된 하중자료는 700 mile (1,127 km) 동안 가속도계로 측정된 진동 및 충격 하중으로 시험 1은 56,000 lbs (25,400 kg), 시험 2는 44,000 lbs (19,960 kg) 하중으로 시험이 수행되었으며 샘플링 주기(sampling rate)는 충격하중시험의 경우 6,400 Hz, 진동하중의 경우 12,800 Hz이었고 운행속도는 0 ~ 55 mph (0 ~ 88.5 km·h-1) 이었다.
- 7과 같이 콘크리트블럭 트럭운반시험이 수행되었다[11]. 해당 시험에서는 Zircaloy-4 연료봉이 1개만 사용되었다. 실제 트럭 위에 운반용기의 질량을 모사한 대형 콘크리트 블록을 싣고 그 위에 바스켓과 모의 사용후핵연료 집합체를 Fig.
- 8에서와 같이 볼트로 결합하여 운반시험을 수행하였다. 운반시험은 미국의 Albuquerque지역에서 총 40.2 mile (65 km)의 거리 동안 진행되었다.
- 미국(SNL), 스페인(ENSA), 한국(한국원자력연료에서 모의 핵연료봉 제공)의 모의 핵연료집합체가 ENSA ENUN 32P 운반용기에 탑재되었다. 나머지는 dummy 핵연료집합체로 채워졌다.
- 2개의 40채널 Siemens사의 DAQ를 사용하여 운반시험 중 발생한 진동 및 충격하중을 계측하였다. 가속도계 40채널과 변형률측정게이지 37개, 총 77채널에서 데이터가 측정되었다. 전원이 공급되지 않는 환경에서의 원활한 데이터 계측을 위해 대용량의 배터리기반 전원공급시스템도 함께 제작되었다.
- 육상운송시험을 위해 16개의 축이 있는 110 ft (33.5 m) 길이의 트럭에 운반용기를 거치하였다. 트럭 트레일러에는 3세트의 3축 가속도계를 부착하였다.
- 트럭은 ENSA가 위치한 북스페인 Maliano에서 출발하여 Burgos를 거쳐 돌아왔다. 3일, 400 km의 여정이었다.
- 도로트럭운반시험 이후 운반용기 및 거치대는 스페인의 Santander 항구에서 Autosky 호에 선적되었다. 트럭으로부터 선박 플랫폼으로 이동 시 운반용기 조작시험을 추가로 수행하였다.
- 3 TB의 데이터를 다운로드하고 30시간 정도 시간을 소요하여 베터리를 충전하였다. 벨기에 쩨브뤼헤항에서 Tarago 호에 선적하여 미국 볼티모어에 도착하였다. 시험 결과 집합체에 작용하는 하중은 0.
데이터처리
- 또한 콘크리트블록 트럭운반시험 결과를 유한요소해석결과와 비교하였다. 그 결과 대부분의 해석결과가 시험결과와 비교하여 변형률 50 µs 이내임을 확인하였으며, 최대 200 µs 정도 차이를 보였다.
성능/효과
- 참고문헌 [3]에서는 측정된 시험자료로 사용후핵연료 해석모델을 개발하여 해석을 수행한 결과도 포함되어 있다. 해석 결과 최대인장응력은 155 MPa, 최대 spacer grid의 pinch force는 80.1 N 이라고 나타나 있다.
- 이러한 시험결과를 기반으로 해석적으로 검증하고 비교 평가하는 연구가 퍼시픽노스웨스트국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory, 이하 PNNL) 에서 수행되었는데, 도로, 트럭, 지지대, 운반용기, 바스켓, 핵연료집합체로 하중이 전달되는 과정에서 지면으로부터 발생된 운반하중이 증폭되거나 감소될 수 있다는 것이 확인되었다.
- 시험 결과 측정된 변형률은 35 ~ 213 µm·m-1이었으며 이는 Fig. 6에서와 같이 사용후핵연료의 파손을 일으키기에는 매우 작은 수준의 변형률이라고 기술되어 있다.
- 그 결과 대부분의 해석결과가 시험결과와 비교하여 변형률 50 µs 이내임을 확인하였으며, 최대 200 µs 정도 차이를 보였다.
- 9에 나타나 있다. 0 ~ 25 Hz 범위에서는 단축가진시험에서 도출된 가속도가 콘크리트블록트럭운반시험에서 발생한 가속도보다 큰 값을 가짐을 확인할 수 있다.
- 다축가진시험 수행 결과 이전의 수행된 시험에서와 마찬가지로 주어진 하중이 사용후핵연료의 건전성에 영향을 주지 않는다는 결론을 얻었다. 펠렛을 모사한 것과 그렇지않은 것의 결과 차이는 명확하게 나타나지 않았다.
- 전원이 공급되지 않는 환경에서의 원활한 데이터 계측을 위해 대용량의 배터리기반 전원공급시스템도 함께 제작되었다. 배터리의 중량은 약 4,000 lbs (1,814 kg), 배터리와 데이터계측시스템의 연결, 데이터계측시스템과 운반플랫폼, 운반용기, 내부구조물, 모의 사용후핵연료집합체에 설치된 77개의 가속도 및 변형률 센서를 연결하는 케이블의 총 길이는 약 1.17 mile (1.88 km) 에 달하였다. 운반용기와 각국의 모의 사용후핵연료집합체, 운반시스템에 부착된 변형률 및 가속도센서의 부착위치가 Fig.
- 그 결과 운반용기에서 측정된 최대 가속도는 0.15 g, 최대 변형률은 87 µm·m-1이었다.
- 시험 결과 집합체에 작용하는 하중은 0.2 g 이하, 변형률은 20 µm·m-1 이하로 매우 작은 크기의 변형률과 가속도가 측정되었다.
- 그 결과 4일 동안 471 GB의 ASCII 데이터가 생성되었으며 측정 결과 집합체에 작용하는 하중은 0.3 g 이하, 변형률은 20 µm·m-1 이하로 매우 작은 크기의 변형률과 가속도가 측정되었다.
- 그 결과 3일 동안 353 GB의 ASCII 데이터가 생성되었으며 이 때 집합체에서 측정된 최대 가속도는 0.74 g, 최대 변형률은 86 µm·m-1이다.
- 그래프 아래쪽 수평으로 그려진 선이 정상운반시험 중 측정된 최대변형률에 해당하는 응력값인데, 이 값이 Zircaloy-4 사용후핵연료 피복관의 피로곡선에 비해 현저히 낮은 값임을 확인할 수 있다. 따라서, 정상운반과정에서 측정된 변형률은 사용후핵연료 피복관에 손상을 일으키기에는 매우 미미한 정도의 변형률임이 확인되었다. 하지만 현재 결론은 일부 결과만을 검토한 예비 결론으로 측정 데이터에 대한 추가적인 세부검토가 진행 중이며 재료열화연구, 사용후핵연료봉의 피로곡선개발 연구 등 또한 현재 미국에서 진행 중이다.
후속연구
- 주로 미국 국립연구소 주관으로 운반 중 발생하는 하중측정이 2000년대 이전 주로 수행되었고, 최근 복합모드운반시험을 비롯하여 여러 관련된 시험이 수행되었다. 본 논문에서는 이러한 해외 연구사례를 요약하였으며 이는 국내에서 수행하는 시험에 기반자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그 중 연료봉은 외곽을 둘러싸는 환형 피복관(cladding)과 피복관 내부에 위치하는 핵연료(UO2) 펠렛으로 구성된다. 이상적으로는 고연소도이면서 사용후핵연료 저장조에서 오랜 기간 동안 저장된 사용후핵연료 집합체를 사용하는 것이 가장 적절하지만, 이는 방사성 물질이기 때문에 작업자 등의 피폭을 방지하기 위해서 핫셀 내에서 시험이 수행되어야 하기에 천문학적인 비용을 필요로 한다. 따라서 해당 시험에서는 실제 사용후핵연료와 유사한 질량과 강성을 가진 모의 사용후핵연료집합체를 별도로 제작하여 시험이 수행되었다.
- 향후에는 운반시스템의 설계가 변경되어도 현재 도출된 결론인 ‘정상운반조건에서 사용후핵연료봉의 건전성이 유지된다’ 는 결론이 유효한지를 확인하는 연구가 수행될 계획인 것으로 확인되었다[22].
- 따라서, 정상운반과정에서 측정된 변형률은 사용후핵연료 피복관에 손상을 일으키기에는 매우 미미한 정도의 변형률임이 확인되었다. 하지만 현재 결론은 일부 결과만을 검토한 예비 결론으로 측정 데이터에 대한 추가적인 세부검토가 진행 중이며 재료열화연구, 사용후핵연료봉의 피로곡선개발 연구 등 또한 현재 미국에서 진행 중이다.
- 미국의 경우에는 주요 운반모드로 철도를 고려하고 있기 때문에, 기초철도운반시험결과와 TTCI에서의 수행한 심화철도시험 결과를 중점적으로 분석 중이다. 국내에서는 아직 운반모드가 결정되지 않았지만, 지리적 여건에 따라 도로 또는 해상으로 운반할 것으로 예상되기 때문에 국내 정상운반시험 수행 및 데이터 분석 시 이러한 점을 고려하여 연구를 수행할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 현재 초기 시험결과분석결과를 살펴보면 정상운반시험에서 발생하는 하중에 의해 사용후핵연료봉에 발생하는 변형률은 피로 파괴를 발생시키기에는 매우 미미한 수준이다. 하지만 현재 미국에서 그 결과에 대한 세부검토가 진행되고 있으며 사용후핵연료봉의 피로곡선개발과 관련된 연구도 수행되고 있는 것으로 보이므로 향후에도 지속적으로 미국의 연구결과 발표를 관찰해야 할 것으로 판단된다.
- 본 논문에서 기술된 내용은 국내에서 수행할 예정인 정상운반시험에 유용한 기반자료로 활용될 수 있을 것으로 여겨지며 미국 연구팀이 겪었던 시행착오를 최소화할 수 있을 것으로 예상된다.
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