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NET 논문 소개

● 제목 : Seismic Analysis of Free-Standing Spent-Fuel Dry Storage Cask considering Soil–Concrete Pad–Cask Interaction

● 저자 : SEUNGPIL KIM(한국원자력연구원 운반저장기술개발실), SANG SOON CHO(한국원자력연구원 운반저장기술개발실)

배경

□ 사용후핵연료의 관리 및 저장을 위한 저장시설은 지상에 직립으로 설치되는 건식저장용기 저장 방법이 많이 적용 되고 있으며, 한국에서도 직립형의 건식저장용기 저장 방법을 적용될 가능성이 있다. 특히 건식저장용기가 고정 지지대 없이 놓여있는 자유 직립형 건식저장시설에서는 전도 및 미끄러짐에 대한 대책 또는 안전성 평가가 중요하다.
□ 자유직립형 건식저장용기의 전도 및 미끄러짐은 대부분 지진과 같은 강한 하중에서 발생하기 때문에 내진 해석이 필수적이다.
□ 자유직립형 건식저장용기의 전도 사고의 경우, 접촉과 같은 비선형성을 가지고 있어 비선형 전산해석이 필요하며, 지반-구조물-저장용기 상호작용을 고려한 시간 이력 해석이 필요하다.
□ 저장용기의 전도 여부를 파악하기 위해서는 다양한 마찰계수와 지진파 종류 및 크기에 대한 내진 해석을 수행하여야 하므로 해석 시간이 오래 걸리는 내진 해석을 수 십 번 수행하여야 한다.
□ 본 연구에서는 지반-구조물-저장용기 상호작용을 고려한 내진 해석 모델을 개발하고 해석 시간을 줄이는 방법을 제안하여 짧은 시간 안에 다양한 내진 해석을 수행하여 저장 용기의 전도 여부를 평가하였다.

제안된 유한요소 모델링 방법

□ 사용후핵연료 저정용기의 내진 해석을 위하여 아래 그림 1과 같은 지반-구조물-저장용기 해석 모델을 제작하였다.
□ 본 해석에서 저장용기 자체의 압력 및 변형은 고려하지 않았으며, 해석 시간을 줄이기 위해 저장용기를 강체의 실린더로 모델링하였다.
□ 철근을 포함한 철근 콘크리트 패드 해석 모델은 철근의 유한요소모델의 요소 크기 때문에 해석 시간이 늘어나기 때문에 철근 콘크리트 패드와 굽힘 강성이 동등한 일반 콘크리트 패드로 모델링하였다

연구 결과

□ 본 논문에서 제안한 해석 방법론과 상세한 철근 콘크리트 패드의 내진 해석 결과를 비교한 결과, 표 1과 같이 본 논문에서 제안한 해석 결과가 core time 기준 약 70배 이상의 빠른 해석 시간을 보여주었다.
□ 저장 용기의 전도 가능성을 판단하기 위해 콘크리트 패드의 마찰계수를 µ=0.2부터 µ=1.0까지 0.2 단위로 변경하여 총 5가지의 마찰계수를 사용하였고, 지진의 경우 Regulation Guide 1.60을 따르는 지진파를 수직 및 수평 3방향으로 동시에 입력하여 ZPA=0.2g부터 ZPA=0.8g 까지 0.1g 단위로 총 7가지의 지진파를 입력하여, 총 35번의 내진 해석을 수행하였다.
□ 내진 해석 결과, 그림 3과 표 2와 같이 ZPA=0.7g 까지는 전도가 발생하지 않았으며, ZPA=0.8g 지진파에서 µ=0.8 이상의 마찰계수를 가진 콘크리트 패드일 때 저장 용기의 전도가 발생하였다.

결론

□ 자유직립 사용후핵연료 저장 용기에 대한 내진 해석을 위하여 지반-콘크리트패드-저장용기 상호작용을 고려하였고, 해석시간을 줄일 수 있는 방법을 제안하였다.
□ 지반-콘크리트패드-저장용기 상호작용을 고려한 지진 해석을 총 35회 수행하였으며, 해석 시간도 32코어 기준 34 시간에서 16코어 기준 1시간으로 획기적으로 단축시켰다.
□ 내진 해석 결과, 0.8g 지진에서는 높은 마찰계수에서 전도가 발생 하였으나, 이보다 낮은 지진 가속도에서는 전도가 발생하지 않았다.