원전 내 전기기기의 내진성능 평가는 안전성 확보에 매우 중요하다. 이 연구에서는 원전에 설치되는 전기기기의 동특성 및 현장조사 결과를 참고하여 모형 캐비닛과 앵커기초를 설계 및 제작하였다. 제작된 모형 캐비닛을 대상으로 진동대실험을 수행하였다. 실험 결과를 바탕으로 유한요소모델을 작성하고 지진응답해석을 수행하였다. 입력지진동이 커짐에 따른 실험 및 해석 결과를 비교하여 모형 캐비닛의 지진거동특성을 분석하였다. 두 결과에 대한 모형 캐비닛의 지진거동은 다르며 내진성능에 큰 차이가 발생할 수 있다. 따라서 캐비닛과 콘크리트 기초 사이의 상호작용을 고려할 수 없는 경우 캐비닛의 지진거동 특성은 실험적으로 평가하는 것이 적절할 것으로 판단하였다.

본 논문에서는 시간 의존적 거동을 고려하기 위한 크리프 거동 해석과 비탄성 해석법을 통해 기존의 설계기준 보다 정확하고 전 시 간 단계에서의 CFT 기둥의 해석을 가능하게 하는 수치 해석 모델을 제안하고, 기존의 CFT 기둥에 수행된 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 본 논문에서 제안된 수치 해석 모델의 결과가 기존의 설계 기준의 결과보다 정확한 추세를 나타낸다는 것을 파악 할 수 있었다. 검증 이후 세장비에 따른 수치 해석을 수행하여 전반적인 CFT 기둥 부재의 단기 및 장기 지속 하중 거동에 대한 극한 하중의 정도를 확인하였다.

본 연구에서는 레이더 관측 영역 내에 강수 에코(echo)가 없는 지역을 비강수 정보라고 정의하고 자료 동화에 활용하였다. 비강수 정보는 레이더로 관측할 수 있는 최대 영역 내에서 강수에 의한 에코가 나타나지 않고 레이더에서 관측할 수 없을 정도로 약한 강수나 구름 입자가 있거나, 강수 자체가 없다는 것을 의미한다. 기존의 레이더 자료를 동 화한 연구가 강수에 의한 반사도와 시선속도를 동화하여 모델 내의 강수를 만들어내는 것에 초점을 두었다면, 본 연구 에서는 에코가 없다는 것도 하나의 정보로 고려하고 이를 동화함으로써 모델 내에서 잘못 예측한 강수를 억제하였다. 비강수 정보를 자료동화에 적용시키기 위해 레이더 비강수 정보를 수상체와 상대습도로 변환하는 관측 연산자를 제시 하고 이를 Weather Research and Forecasting (WRF) 모델의 자료동화 시스템인 WRF Data Assimilation system (WRFDA)에 적용하였다. 또한 비강수 정보를 효과적으로 활용하기 위한 레이더 자료의 처리 방법을 제시하였다. 비강 수 정보가 모델 내에서 잘못 예측한 강수를 억제할 수 있는지 확인하기 위해 단일 관측실험을 수행하였으며 비강수 정 보가 수상체와 습도 그리고 기온을 낮춤으로써 대류가 억제될 수 있는 환경을 만들었다. 비강수 정보의 동화 효과를 실제 사례에 적용한 2013년 7월 23일 대류 사례 실험을 통해 9시간 예측을 수행하여 결과를 분석하였다. 레이더 비강 수 정보를 추가로 동화한 실험이 비강수 정보를 제외한 실험보다 Fractional Skill Score (FSS)가 증가하고 False Alarm Ratio (FAR)는 감소하여 모델의 강수 예측성을 향상시켰다.

Effective containment and disposal of high-level radioactive waste is critical to ensure long-term environmental and human safety. Especially bentonite, which is widely used as a buffer material due to its favorable characteristics such as swelling ability and low permeability, plays an important role in preventing the migration of radioactive waste into the surrounding environment. However, the long-term performance of bentonite buffer remains an area of ongoing investigation, with particular attention focused on erosion mechanisms induced by swelling and groundwater flow. The erosion of the bentonite buffer can significantly impact the integrity of buffer and lead to the formation of colloids, which could potentially facilitate the transport of radionuclides through groundwater. Therefore, quantification of bentonite buffer erosion based on an understanding of the underlying mechanisms and factors that influence bentonite buffer erosion, is essential for the safety assessment of high-level radioactive waste repositories. In this study, we aimed to develop a bentonite buffer erosion model using the Adaptive Processbased total system performance assessment framework for a geological disposal system (APro) proposed by the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI). The impact of bentonite erosion on performance assessment can be broadly divided into bentonite property degradation by the penetration of the bentonite buffer into rock fractures and the formation of pseudocolloids. To simulate this phenomenon, Two-region model based on a dynamic bentonite diffusion model is adopted, which can quantify the extent of bentonite intrusion and loss by erosion. Using this Tworegion model, a numerical model was developed to simulate the degradation of bentonite properties based on the amount of bentonite intrusion, as well as to simulate the migration of pseudocolloids in the near-field by deriving the amount of pseudocolloid production based on the loss of bentonite and the sorption rate of radionuclides. To check the applicability of the developed numerical model, preliminary analysis was performed for the effect of bentonite erosion in terms of process-based performance assessment. It is anticipated that this comprehensive model developed in this study will contribute to the accurate and reliable assessment of the long-term performance and safety of high-level radioactive waste repositories.

The Barcelona Basic Model (BBM) is an elasto-plastic model used to describe the coupled thermo-hydro-mechanical behaviors of unsaturated soil. BBM is frequently adopted to model the unique swelling behavior of bentonite, which is generally considered as the buffer material between the host rock and the canister containing high-level radioactive waste in deep geological repositories, under the changing thermal, hydraulic, mechanical and chemical conditions during the lifetime of repository. Therefore, a variety of the continuum-based numerical methods tried to add the BBM for modelling the multi barrier systems of geological repository and succeeded to describe the elasto-plastic deformation of bentonite. However, to demonstrate the entire barrier systems the host rock should be modelled simultaneously with the buffer materials, and the continuum-based methods may be limited in their ability to reflect the fracture networks in the host rock which could be the major flow channels of groundwater. This research applies BBM in 3DEC, a three-dimensional block-based discrete element method, and validates the model by comparing the change of specific volume and mean effective stress during three numerical test cases. Discontinuum-based numerical methods with BBM can be extended to describe the coupled thermo-hydro-mechanical processes of multi-barrier systems in geological repositories, with a focus on the interaction between the host rock and bentonite.

본 연구에서는 지역 영역 기상 수치 예보 모델의 여러 수평 영역 및 수평 해상도에 따른 이상적인 열대저기압 의 진로와 베타자이어의 민감도를 조사하였다. 모델의 이상적인 초기 조건은 경험적인 함수로 생성된 3차원 축대칭 모 조 소용돌이와 허리케인 활동 시기의 평균 대기 조건으로 구성된다. 이때 모델 설정에 따른 이상적인 열대저기압의 변 화를 분석하기 위하여 배경 흐름은 제거되었다. 수치 모델의 수평 영역 및 수평 해상도에 따른 이상적인 열대저기압의 민감도 실험을 수행하기 위해, 지역 영역 수치 모델로서 W RF (Weather Research a nd F orecasting) 모델을 사용하였다. 모의된 열대저기압의 바람장으로부터 베타자이어를 추출하기 위해, DFS (Double-Fourier Series) 국지 영역 고차 필터 를 사용하였다. 모델의 수평 영역의 크기가 감소할수록 베타자이어의 구조와 강도가 약해졌으며, 이는 열대저기압 진로 의 차이를 발생시켰다. 수평 영역의 크기를 본 연구의 실험에서 가장 작은 영역인 3,000 km3,000 km로 설정하였을 경 우에 베타자이어 통풍류의 서진 성분이 크게 감소하였으며, 수평 영역을 더 넓게 설정한 실험들에 비해 열대저기압의 진로가 동쪽으로 편향되었다. 본 결과는 열대저기압과 관련된 바람장 전체를 포함하지 못할 정도로 매우 작은 수평 영 역을 사용할 경우, 열대저기압의 진로가 적절히 모의 될 수 없음을 시사한다. 반면, 5,000 km5,000 km와 6,000 km 6,000 km의 수평 영역에서는 그 민감도가 매우 작게 나타났다. 수평 해상도가 감소할수록 이상적인 열대저기압의 진 로는 매우 서쪽으로 편향되었다. 베타자이어의 크기와 강도도 수평 해상도가 감소할수록 크고 더 강하게 나타났다.

본 연구에서는 부산신항에서 스크러버를 장착한 선박이 세정수를 배출하였을 때 인근 해역에 미치는 영향을 검토하기 위해 확산예측을 수행하였다. 세정수에 포함된 용존무기탄소(DIC)의 농도를 통제한 채로 세정수의 pH 조건별로 해역에 미치는 영향을 대조기 와 소조기로 나누어 평가하였다. 선박 1대에서 24시간 동안 세정수를 배출할 때, pH가 최대 0.076, 0.083 감소하였다. DIC의 경우 0.561mg/L, 0.612mg/L 증가하였다. 부산신항에 수용가능한 선박수인 24대를 전부 가정하여 실험하였을 경우 pH는 0.200, 0.545 감소하였고, DIC는 1.464mg/L, 3.629mg/L 증가하였다. 일반적으로 스크러버가 세정수를 처리하였을 때 pH 6.1인 것을 감안하여 선박 1대에서 pH 6.1인 조건으 로 24시간 동안 세정수를 배출하는 경우 우리나라 연근해의 연간 pH 변화량보다 약 33.7배 더 큰 폭으로 감소하는 것으로 계산되었다. 선 박이 24대일 경우에는 하루이상 표층의 성층화를 유발하고 수심 4m까지 영향을 주는 것으로 예측되었다.

선박의 설계과정에 있어, 선박의 중량은 유체역학적 성능에 큰 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 선박은 일반적으 로 최적의 흘수와 배수량을 갖는 하나의 조건으로 설계되지만, 실제로는 연료의 소비, 선박 평형수의 충전과 적재 조건과 같은 운항 활동 으로 인해 선박의 중량 및 흘수가 일정 범위 내에서 바뀐다. 본 연구에서는 소형선박을 대상으로 3가지 하중조건에 따른 선박의 저항성능 변화를 모형실험과 수치해석을 통해 연구하였다. 마지막으로 2050년까지 CO2 배출 가스를 50% 감축한다는 국제해사기구(IMO) 목표를 따 라 선박의 저항 성능을 개선하여 동력 요구 사항을 줄이기 위해 선박의 중량 변화에 따른 저항성능의 민감도를 연구하였다. 연구 결과, 선박의 중량변화에 따른 효과는 낮은 프루드 수에서 크게 나타나는 것으로 확인되며, 저항성능에 대한 연구 결과, 설계 흘수의 적재조건 을 기준으로 배수량이 11.1% 증가하고, 흘수가 5% 증가한 Over load의 적재조건에서 운항 시 선체의 총 저항이 모형시험과 CFD 시뮬레이 션에서 각각 15.97%, 14.31%까지 증가하는 것을 볼 수 있다.

과학과 기술의 발달로 복합재료, 합금, 고강도 탄소섬유, 고분자 재료 등 지능형 소재가 개발되고 있다. 다양한 엔지 니어링 분야에서 이러한 첨단 재료의 응용을 연구하기 위해 전 세계적으로 광범위한 연구가 진행되고 있다. 초탄성 형상기억합 금(SSMA)은 깃발 모양의 히스테리시스 거동을 가지며 추가적인 열처리 없이 응력 완화로 인한 잔류 변형이 거의 없는 신뢰성 이 높은 내진 재료이다. 그러나 공학 문제에서 SSMA 효율성을 연구하기 위한 수치 모델의 개발은 여전히 어려운 작업이다. 본 연구에서는 SSMA 인장시험의 실험결과를 통해 유한요소해석 프로그램인 Abaqus와 수치해석 프로그램인 OpenSEES를 이용하여 재료 모델을 구현한 후 해석결과의 거동 특성 및 에너지 소산을 분석하였다.

Flow prediction was carried out through observational survey and three dimensional multi-layered numerical diagnostic model experiment to clarify the time and spatial structure of tidal current and residual flow dominant in the sea exchange and material circulation of the waters around Geumo Islands in the southern waters of Korea. The horizontal variation of tidal current is so large that it causes asymmetric tidal mixing due to horizontal eddies and the topographical effect creating convergence and dispersion of flow direction and velocity. Due to strong tidal currents flowing northwest-southeast, counterclockwise and clockwise eddies are formed on the left and right sides of the south of Sori Island. These topographical eddies are created by horizontal turbulence and bottom friction causing nonlinear effects. Baroclinic density flows are less than 5 cm/s at coastal area in summer and the entire sea area in winter. The wind driven currents assuming summer and winter seasonal winds are also less than 5 cm/s and the current flow rate is high in winter. Density current in summer and wind driven current in winter have a relatively greater effect on the net residual flows (tidal residual current + density current + density driven current) around Geumo Islands Sea area.

Gases such as hydrogen can generate from the disposal canister in high-level radioactive waste disposal systems owing to the corrosion of cooper container in anoxic conditions. The gas can be accumulated in the voids of bentonite buffer around the disposal canister if gas generation rates become larger than the gas diffusion rate of bentonite buffer with the low-permeability. Continuous gas accumulations result in the increase in gas pressure, causing sudden dilation flow of gases with the gas pressure exceeding the gas breakthrough pressure. Given that the gas dilation flow can cause radionuclide leakage out of the engineered barrier system, it is necessary to consider possible damages affected by the radionuclide leakage and to properly understand the complicated behaviors of gas flow in the bentonite buffer with low permeability. In this study, the coupled hydro-mechanical model combined with the damage model that considers two-phase fluid flow and changes in hydraulic properties affected by mechanical deformations is applied to numerical simulations of 1-D gas injection test on saturated bentonite samples (refer to DECOVALEX-2019 Task A Stage 1A). To simulate the mechanical behavior of microcracks which occur due to the dilation flow caused by increase in gas pressure, a concept of elastic damage constitutive law is considered in the coupled hydro-mechanical model. When the TOUGH-FLAC coupling-based model proposed in this study is applied, changes in hydraulic properties affected by mechanical deformations combined with the mechanical damage are appropriately considered, and changes in gas injection pressure, pore pressures at radial filters and outlet, and stress recorded during the gas injection test are accurately simulated.

In recent years, the importance of the thermo-hydraulic-mechanical-chemical coupled processes is increasing in the performance assessment (PA) of the high-level radioactive waste repository. In the case of mechanical behavior, it is very important because it can affect fluid flow and radionuclide transport by changing the porosity and permeability of the medium. In particular, Excavation Damaged Zone (EDZ) should be considered essential in PA because the migration of radionuclide is affected by the enhanced hydraulic transmissivity and altered geomechanical behavior of EDZ. Furthermore, due to various thermo-hydraulic behaviors such as decay heat generated from radioactive waste, pore water pressure increase, and swelling pressure of bentonite buffer material, mechanical evolution is occurred which may change the size and physical properties of EDZ. Therefore, to solve this problem, analysis of coupled thermal-hydraulic-mechanical (THM) processes with the effect of long-term evolution of EDZ due to the mechanical behavior should be accompanied. In this study, numerical model for the long-term evolution due to mechanical behavior considering EDZ using the Adaptive Process-based total system performance analysis framework for a geological disposal system (APro) proposed by the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI). In the case of EDZ, the concept of Mazars’ damage evolution model was applied to simulate the behavior using the continuum model, and the change in hydraulic properties according to the degree of damage was considered. To investigate the importance of mechanical behavior in PA, the results were compared by performing numerical analysis according to the presence or absence of mechanical analysis. Finally, numerical analysis considering the mechanical evolution of EDZ was conducted using the model developed in this study to investigate the effect of EDZ.

The fabrication of waste forms with high thermal and structural stability is an essential technology for the safe management and disposal of radioactive wastes. In particular, the thermal characteristics of waste forms containing high heat-generating nuclides such as Cs and Sr can be used for the optimized design of the waste form to secure its thermal safety, and they also provide basic design data for the safe management of canisters, storage systems, and repositories. The Korea Atomic Energy Research Institute is actively developing processes and equipment for fabricating various types of high-level wastes into a stable glass or ceramic waste form. In previous research related to the thermal analysis of the waste form, a relatively simple analysis was performed by using the analytic solution of the one-dimensional steady-state heat conduction equation considering the decay heat properties of the waste. As a specific application study, the optimized diameter of the cylindrical glass waste form was proposed by evaluating the centerline temperature of the waste form. In this study, we extended previous research by introducing a more complicated model, and the main results are summarized as follows. First, an analytical solution was derived by applying the temperaturedependent thermal conductivity expressed in the general form of polynomial function to the onedimensional heat conduction problem previously studied. Second, the two-dimensional axisymmetric steady-state heat conduction problem with a more realistic cylinder model with finite length was modeled and solved by using the finite element method via Matlab’s PDE (partial differential equation) toolbox. Third, thermal analysis was performed on the SrTiO3 waste form, selected as a stable form of strontium nuclide, using the developed analytical and numerical methods. The differences in the temperature distribution and computation time were evaluated through a comparative study of both solutions. Although the problem considered in this study could easily be solved by using commercial CFD software such as ANSYS or SolidWorks, a code-based program was developed to facilitate parametric design study in conjunction with optimization algorithms. The analysis results could be used to evaluate the thermal stability of waste form and to optimize the shape and size of the waste form in consideration of the design constraints of storage systems or repositories.

환경시설물, 댐과 같은 유체를 저장하는 시설물을 대상으로 엄밀하게 지진 거동을 평가하기 위해서는 유체-구조물 상호작용을 고 려한 해석이 필요하다. 특히, 댐-호소 계와 같이 상류 방향으로 무한 영역을 가지는 경우에는 이를 적절히 고려해야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 댐-호소 계와 같은 반무한 유체 영역을 갖는 시스템을 대상으로 무한 영역의 파전파 해석 및 유체-구조물 상호작용 해석을 위한 실용적인 수치 모형을 제시하였다. 시간영역에 적용가능한 방법으로 정확하면서도 경계적인 해석이 가능하다. 무한 유체 영역 에 대해서는 일반 acoustic finite element 대신 작은 개수의 mid-point integrated acoustic finite element를 적용하고 최종 경계에는 점성 경계를 부과한다. 제안하는 방법의 유효성과 정확성을 검증하기 위해 강체 댐체를 가정한 반무한 호소계를 대상으로 적용하는 요소 의 개수, 모델링 영역 크기 등을 매개변수로 해석해와 비교·검증하였다. 제안된 방법을 적용하여 댐-호소 계의 유체-구조물 상호작용 을 부가질량을 사용하는 경우와 비교하였다.

본 논문에서는 폭발하중을 받는 부재의 저항성능 평가를 위한 모멘트-곡률 관계 기반 수치해석 기법을 소개한다. 직접전단 파괴 모 드를 고려하기 위하여 경험적인 직접전단응력-슬립양 관계를 기반으로 하는 무차원 스프링 요소를 도입하였다. 재료에 대해 정의된 동적증가계수 식을 바탕으로 단면의 모멘트-곡률 관계에 직접적으로 적용가능한 단면의 곡률 변화율에 따른 동적증가계수 식을 제작 하였다. 또한 부착슬립의 영향을 고려하기 위하여 소성힌지영역 내에 등가 휨강성을 도입하였다. 제안된 수치해석 모델의 타당성 검 증을 위하여 실험결과와의 비교연구를 수행하였으며, 단자유도계 모델의 해석결과와의 비교를 통해 본 수치해석 모델의 우수성을 확 인하였다. P-I 선도를 제작하여 부재의 휨 파괴 및 직접전단 파괴에 대한 저항성능을 평가하였으며, 매개변수 연구를 수행하여 P-I 선 도 및 저항성능의 변화를 확인하였다.