In order to construct and operate the dry storage systems, it is essential to confirm the safety of the systems through safety analysis. If the dry storage cask is damaged due to an accident, a large amount of radioactive material may be leaked to the outside and cause radiation exposure to surrounding workers and nearby public, so the effect thereof should be evaluated. Many input parameter are required in the confinement evaluation for accident condition, and in this study, the change in the confinement evaluation result according to the change of major input parameter is to be studied. In this study, we selected fractions of radioactive materials available for release from spent fuel, cooling time, and distance to exclusive area boundary as the major input parameter. In general, the release fraction suggested by NUREG-1536 has been used, but NUREG-2224 provides the fraction for high burn-up spent fuel in fire and impact accident conditions, unlike NUREG-1536 which provide a single value. In the case of the distance to exclusive area boundary, 100 to 800 m was considered, and in the case of the cooling time, 10 to 50 years was considered in this study. In order to compare the dose change by the parameter, we set up the hypothetical storage system. A storage cask of the system contain 21 PWR spent fuel assemblies with an initial enrichment of 4.5wt%, burnup of 45,000 MWD/MTU. During the accident condition, it is assumed that the cask is leaked at 1.0×10−7cm3·sec−1. Since the main dose criterion for accident conditions is 50 mSv of effective dose, effective doses are calculated in this study. In an accident condition, transuranic particulate contribute most of the doses, so the doses are determined according to the fraction for the particulate. Therefore, it was confirmed that the dose was almost the same as the fraction for the accident conditions in NUREG-1536 and the fraction for the impact accident conditions in NUREG-2224 is 3×10−5, but the dose was also 100 times higher as the fraction for the fire accident conditions in NUREG-2224 is 3×10−3. In the case of the cooling time, it was confirmed that the dose change according to the cooling time was not significant because the dose contribution of transuranic elements having very long half-life was very large. In the case of the distance, it was confirmed that the dose decreased exponentially as the atmospheric dispersion factor decreased exponentially with the distance.

Bird screen meshes are installed at the air inlet and outlet ducts of spent fuel storage casks to inhibit the intrusion of debris from the external environment. The presence of these screens introduces an additional resistance to air flow through the ducts. In this study, a porous media model was developed to simplify the bird screen meshes. CFD analyses were used to derive and verify the flow resistance factors for the porous media model. Thermal analyses were carried out for concrete storage cask using the porous media model. Thermal tests were performed for concrete casks with bird screen meshes. The measured temperatures were compared with the analysis results for the porous model. The analysis results agreed well with the test results. The analysis temperatures were slightly higher than the test temperatures. Therefore, the reliability and conservatism of the analysis results for the porous model have been verified.

월성원자력본부의 조밀건식저장시설인 MACSTOR/KN-400의 인허가 과정에서 사고조건에 대한 바스 켓의 안전성 평가를 위한 실증시험의 필요성이 제기되었다. 실증시험을 위한 낙하시험시설을 한국원자력 연구원에 설치하고 바스켓 낙하 실증시험을 수행하였다. 실증시험 결과 실린더 내 적재 바스켓의 상부 용 접부가 낙하 바스켓과 충돌하여 파손되고 누설이 발생하였다. 기존 바스켓이 실증시험에서 누설율 성능 요건을 만족하지 못함에 따라 바스켓의 설계 개선안 도출이 필요하게 되었다. 설계 개선을 위한 방향을 선정하고 이에 기초하여 6 종류의 설계 개선안을 도출하였다. 개별 설계 개선안에 대하여 구조해석 및 시편시험을 수행하였다. 구조해석 및 시편시험의 결과를 바탕으로 최종설계안을 확정하였다. 최종설계안은 바스켓의 중앙 포스트의 높이를 감소하여 낙하 바스켓과의 충돌속도를 감소시키는 설계안이었다. 최종설 계안에 대한 시험모델을 제작하여 낙하실증시험을 재수행한 결과 모든 성능요건을 만족하였다.

IAEA 및 국내의 방사성물질 운반 관련 규정에 따라 중·저준위 방사성폐기물 드럼 8개를 운반할 수 있는 IP-2형 운반용기를 개발하였다. IP-2형 운반용기는 낙하시험 및 적층시험을 거친 후 내용물의 유실 또 는 분산과 운반용기 외부표면에서의 방사선량률이 20 % 이상 증가할 수 있는 차폐능력의 상실이 없어야 한다. 본 연구의 목적은 적층시험조건에 대한 시험방법 및 절차를 수립하고 IP-2형 운반용기의 적층조건 에 대한 구조적 건전성을 평가하는데 있다. 운반용기의 원형시험모델을 이용하여 운반용기 중량의 5배 하중으로 24시간 동안 압축하는 적층조건에 대한 시험 및 전산해석을 수행하였다. 적층시험 시 운반용기 의 모서리기둥에서의 변형률 및 변위를 측정하였으며, 측정된 변형률 및 변위는 해석결과와 서로 일치하 였다. 컨테이너 바닥부의 처짐량은 측정이 어렵기 때문에 전산해석 방법으로 구하였다. 모서리기둥의 최 대 변위와 컨테이너 바닥의 최대 처짐은 법규에서 규정하는 허용치에 비하여 낮게 나타났다. 적층시험 전?후에는 운반용기의 외형치수, 차폐체 두께, 볼트토크 등을 측정하였으며, 그 값들을 비교분석한 결과 운반용기는 내용물의 유실 및 분산, 차폐체 두께의 감소가 나타나지 않았다. 따라서 적층시험조건에서 IP-2형 운반용기의 구조적 건전성이 입증되었다.

방사성물질 운반용기는 가상 사고조건에서 구조적 건전성이 유지됨을 실험 및 수치해석을 통해 입증하여야 한다. 가상 사고조건에 포함되는 파열낙하 조건에 대한 기존 유한요소해석의 경우 충격완충체에서 재료의 파손이 발생하기 때문에 일반적으로 유한요소모델에서 이 부분을 무시하고 해석한다. 본 논문에서는 파열낙하 해석에서 충격완충체의 변형으로 인한 낙하에너지 흡수의 효과를 고려하기 위해 요소의 적분점에서 응력이나 변형율이 재료의 파손 기준치에 도달하면 그 요소를 제거하는 방법을 제안한다. 본 해석방법의 효용성을 보이기 위해 한국원자력연구원에서 설계중인 핫셀 운반용기에 대해 파열낙하 해석을 수행하였으며, 요소제거 기법의 적용을 통해 낙하 에너지의 80% 정도가 충격완충체에서 흡수되는 것으로 계산되었다. 본 해석방법은 시험조건에 비해 보수성을 가지는 평가방법이며, 기존의 해석방법과 비교해 파열낙하 조건을 보다 근사적으로 해석할 수 있는 방법이다.

IP-2형 운반용기는 정상운반조건에서의 자유낙하시험 및 적층시험을 수행한 후에 운반내용물의 분산 및 유실이 없어야 하며 외부표면에서의 방사선량률이 20%이상 증가할 수 있는 차폐능력의 상실이 없어야 한다. 본 연구에서는 두꺼운 철판을 구조재로 사용하며 볼트체결방식의 뚜껑을 가진 IP-2형 운반용기에 대한 구조 안전성을 평가하기 위한 해석적인 방안을 제안하였다. 해석적인 방법을 통하여 원자력발전소에서 발생된 방사성폐기물 드럼을 폐기물 처리시설에서 임시저장고까지 운반하기 위한 두 종류의 IP-2형 방사성폐기물 운반용기에 대하여 자유낙하조건에서 운반내용물의 분산 및 유실과 차폐손실이 없음을 확인하였다. 자유낙하조건에서 운반내용물의 분산 및 유실을 평가하기 위하여 최대 볼트단면 평균응력값과 최대 뚜껑열림량을 볼트의 인장강도와 뚜껑부에 존재하는 단차와 비교 평가하였다. 또한 최대 차폐두께 감소량을 이용하여 차폐손실을 평가하였다. 자유낙하조건에 대한 동적충돌해석을 검증하고 구조 안전성을 시험적으로 평가하기 위하여 자유낙하시험을 다양한 방향으로 실시하였다. 자유낙하시험에서는 운반내용물의 분산 및 유실은 볼트체결방식의 뚜껑에서 볼트의 파손 및 플랜지의 변형 등을 검사하여 평가하였으며, 차폐손실은 초음파 두께 측정기를 이용한 차폐두께를 측정하여 평가하였다. 해석에 대한 검증을 위하여 시험에서 취득한 변형률과 가속도를 동일한 위치에서 얻어진 해석결과와 비교하였다. 해석결과는 시험결과에 비하여 보수적인 결과를 보여주므로 해석에서 입증한 IP-2형 방사성폐기물 운반용기의 안전성은 보수적인 결과이다. 마지막으로 유한요소해석을 통하여 적층조건에 대한 IP-2형 방사성폐기물 운반용기는 안전함을 입증하였다. 적층해석에서 차폐체의 응력은 항복응력에 비하여 1/3정도의 작은 값을 보였다. 두 종류의 IP-2형 방사성폐기물 운반용기는 정상운반조건에서의 자유낙하시험 및 적층시험에 대하여 안전함을 입증하였다.

사용후연료 건식저장용기의 전복사고조건에 대한 1/3 축소모델의 시험을 실시하여 전복해석에 대한 검증을 하였다. 전복해석은 전복각도에 따른 위치에너지와 동일한 운동에너지를 가지는 초기각속도를 이용하여 결정된 각 점에서의 속도를 충돌직전 모델에 대한 초기경계값으로 입력하여 해석하였다. 전복시험에 따른 캐니스터의 구조적 건전성을 확인하기 위하여 육안검사와 함께 액체침투법과 초음파 탐상법와 같은 비파괴검사를 실시하였다. 전복충격에 의하여 저장용기의 뚜껑 에 변형 이 발생되었지만 캐니스터의 구조적 건전성이 유지되었다. 시험에서 취득한 변형률과 가속도를 해석결과와 비교하여 해석 에 대한 검증을 실시하였다. 해석결과는 시험결과보다 대체로 두 배 정도의 큰 값을 주는 것으로 나타났다.

사용후핵연료 건식저장용기는 낙하사고조건에서 캐니스터의 건전성이 입증되어야 한다. 낙하사고조건은 캐니스터를 건식저장용기에 장입하기 위하여 저장용기의 상부에서 크레인으로 취급하는 도중에 캐니스터가 저장용기 내부의 받침대로 자유 낙하하는 조건이다. 저장용기 내부의 받침대는 이러한 조건에서 캐니스터의 구조적 건전성을 유지하도록 완충효과가 좋아야 한다. 본 연구에서는 다양한 저장용기 내부 받침대 에 대한 3차원 유한요소해석을 통하여 낙하사고조건에서 캐니스터의 구조적 건전성을 향상시킬 수 있는 구조를 결정하였다. 저장용기 내부 받침대는 탄소강으로 만들어진 원통 쉘의 내부에 콘크리트를 장입한 구조와 받침대 높이의 변화 없이 콘크리트 높이의 1/4정도에 탄소강과 폴리우레탄폼을 이용한 구조물을 사용하여 완충효과를 보완하고자 수정된 구조를 고려하였다. 완충체의 형상 및 구조를 결정하기 위하여 십자형상이나 원형의 탄소강 구조물을 받침대 상부에 위치하여 그 영향을 알아보았다. 이때 탄소강 구조물의 두께를 24 mm, 12 mm, 6mm로 변화를 주었다. 또한, 탄소강 구조물 사이에 충진하는 폴리우레탄폼의 밀도에 대한 영향을 알아보았다.

This study presents the thermal analyses of a spent fuel dry storage cask under normal and off-normal conditions. The environmental temperature is assumed to be 15 under the normal condition. The off-normal condition has an environmental temperature of 38 . An additional off-normal condition is considered as a partial blockage of the air inlet ducts. Two of the four air inlet ducts are assumed to be completely blocked. The significant thermal design feature of the storage cask is the air flow path used to remove the decay heat from the spent fuel. Natural circulation of the air inside the cask allows the concrete and fuel cladding temperatures to be maintained below the allowable values. The finite volume computational fluid dynamics code FLUENT was used for the thermal analysis. The maximum temperatures of the fuel rod and concrete overpack were lower than the allowable values under the normal and off-normal conditions.