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1.서론
원자력발전소에서 연소이력을 겪은 핵연료는 사용후핵 연료로 분류된다. 이러한 사용후핵연료는 일정기간 동안 원 자력 발전소 내의 습식 저장조에 임시 저장되며, 일정기간 동 안 습식 냉각후 다양한 방식으로 소내외에서 저장된다. 국외 에서 상용화된 건식 저장방식으로 콘크리트 저장용기가 있 으며, 콘크리트 저장용기는 구조 및 방사선 차폐 건전성을 보 장하는 콘크리트 기반의 용기본체와 방사성 물질의 격납 건 전성을 유지하는 캐니스터로 구성된다.
캐니스터는 격납경계를 이루고 있으므로 ASME B&PV Code Section III Division 1 Subsection NB의 요건을 적용 하였다. 따라서, 캐니스터 용접부는 완전용입용접(Full Penetration Weld)되어야 하며, 비파괴검사(Nondestructive Inspection, NDE)로 육안 비파괴검사(Visual Testing, VT), 방 사선 비파괴검사(Radiographic Testing, RT) 또는 초음파 비 파괴검사(Ultrasonic Testing, UT) 및 침투 비파괴검사(Liquid Penetrant Testing, PT)를 수행해야 한다[1]. 그러나, 캐 니스터 뚜껑의 두께는 230 mm이고, 내부에 사용후핵연료가 장전되어있는 조건등을 고려할 때 여건상 완전용입용접을 할 수 없으므로, NUREG-1536에 따라 부분용입용접(Partial Penetration Weld)되며, 구조 및 운영특성상 초음파 비파괴 검사(UT) 적용이 어려울 수 있다[2]. 이를 위해 ASME B&PV Code의 대안으로 NUREG-1536은 캐니스터 뚜껑과 쉘 용접 의 비파괴검사에 대해 초음파 비파괴검사(UT) 또는 다층 침 투 비파괴검사(Multi-Pass PT)를 권고하고 있다. 실제 미국 AZZ WSI사에서는 2014년도에 미국 Zion 원전의 제염조에서 Holtec MPC-18 용기의 캐니스터 뚜껑, 포트와 Closure ring 용접에 자동용접장치를 이용하여 수행하였으며, 여기에 2~3회에 걸쳐 육안 비파괴검사(VT)와 침투 비파괴검사(PT) 를 수행한 적이 있다. 이외에도 캐니스터 뚜껑부, 포트와 Closure ring 용접에 다양한 캐니스터 타입의 용기에 대한 여러 사례가 있다.
제염조(Decontamination Pit)에서 모든 용접 층(Layer) 에 대하여 침투 비파괴검사(PT)를 수행할 경우 많은 시간을 필요로 하게 되며, PT 검사자의 피폭선량도 비례하여 증가 하게 된다. PT 검사자의 연 방사선 피폭선량이 규정되어 있 고, PT 검사인원도 제한적이기 때문에 PT 검사자의 피폭선 량과 캐니스터 뚜껑 용접부 전체 용접시간을 줄이고, 이에 따 른 캐니스터 용접부의 구조적 건전성을 확보하기 위한 방안 이 필요하다.
이에 본 논문에서는 콘크리트 저장용기의 정상, 비정상 및 사고조건에서 캐니스터 용접부 균열을 진전시키는 하중 에 의해 발생되는 균열깊이를 평가하여 PT를 최소한으로 수 행하기 위한 허용결함깊이를 평가하고자 한다.
2.콘크리트 저장용기 개요
콘크리트 용기본체는 사용후핵연료가 장전된 캐니스터 를 저장하기 위한 원통형 쉘(Shell)구조물로써 내외부의 탄 소강 쉘 사이에 차폐기능 역할을 하는 콘크리트가 채워지며, 용기본체의 상하부에는 사용후핵연료로부터 발생되는 붕괴 열을 자연대류에 의한 공기순환방식으로 제거하기 위하여 공기 흡배기구가 설치된다. 사용후핵연료를 장전하기 위한 캐니스터는 용접된 원통형 쉘 구조물로써 콘크리트 저장용 기에 대한 격납경계(Confinement Boundary)를 제공하며, 용접부 두께는 25~30 mm이다. 캐니스터는 사용후핵연료 집 합체 21다발을 장전하기 위한 21개의 정방형 셀(Cell)을 갖 는 바스켓집합체(Basket Assembly) 구조물이 설치되고, 캐 니스터 내부에 헬륨을 충진하여 장기간 저장 시 사용후핵연 료의 건전성이 유지되도록 한다.
콘크리트 저장용기의 콘크리트 용기본체는 캐니스터를 외부환경으로부터 보호하여 사용후핵연료의 건전성을 유지 할 수 있도록 하고, 캐니스터는 사용후핵연료를 장전하고 있 으며 격납경계를 유지하고 있다. 콘크리트 저장용기의 전체 중량은 약 145 ton이고, 직경은 3,266 mm, 높이는 6,030 mm 이다. 캐니스터를 포함한 내부 구성요소의 전체 중량은 약 33.7 ton이고, 직경은 1,686 mm, 높이는 4,580 mm이다. 콘 크리트 저장용기는 다음과 같은 부품으로 구성되며, 세부명 칭은 Fig. 1과 같다.
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용기본체 : 금속 원통형 쉘 내부에 콘크리트가 채워진 용기본체와 용기뚜껑
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캐니스터 : 격납경계를 유지하고 있는 원통형 용기 본체와 용기뚜껑
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캐니스터 내부 구성요소 : 바스켓 집합체, 디스크, 지지봉 및 중성자흡수체
3.결함깊이 평가 방법
콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부 결함깊이는 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용한 구조해석과 결함깊이 계산 에 의한 평가를 수행하였다. 캐니스터 용접부에서 발생하는 응력은 Fig. 2의 측정 위치에서 평가하였으며, 용접부에 발생 하는 응력 중 균열에 의해 발생하는 결함은 캐니스터 본체의 휨변형에 의해 반경방향(Fig. 2의 S22 방향) 막응력(Pm) 및 조합하중(Pm+Pb)이 가장 크게 발생하여 결함을 지배적으로 진전시키게 된다. 구조해석에서 구한 용접부의 응력을 기준 으로 ASME B&PV Code Section XI, Division 1, Appendix C 에 따라 결함깊이 계산을 수행하였으며, 이를 통해 캐니스터 용접부의 허용결함깊이를 평가하였다[3].
4.콘크리트 저장용기 구조해석
콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부에서 발생하 는 응력을 평가하기 위해 범용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS 6.10을 사용하여 구조해석을 수행하였다[4]. 구조 해석은 정상, 비정상 및 사고조건에서 각 하중에 대하여 하중 조합을 적용함으로써, 용접부의 결함깊이를 평가하기 위한 최대응력을 구하였다.
4.1.하중조합
콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부에 대한 응력평 가를 수행하기 위해 각 하중에 대한 구조해석을 수행하였 다. 콘크리트 저장용기에 대한 하중조합은 NUREG-1536, ANSI/ANS 57.9 및 ACI 349 기준에 따라 설정하였다[2, 5, 6]. 하중조합은 콘크리트 저장용기에 대한 정상, 비정상 및 사고조건으로 구분하였으며 Table 1과 같다.
4.2.재료의 역학적 특성
콘크리트 저장용기 본체는 콘크리트와 탄소강으로 구성 되며, 용기본체 이외의 부재는 스테인레스강으로 제작된다. 캐니스터는 저장조건에서 외부 환경에 의한 염해 저항성을 증가시키기 위하여 SA-240 316L 재질을 사용하였으며, 내부 구성요소는 SA-240(479) 304 재질을 사용하였다. 콘크리트 저장용기의 구조해석에 사용한 재료의 역학적 특성은 ASME B&PV Code Section II, Part A, D를 참조하여 적용하였으며, Table 2에 요약하여 나타내었다[7, 8].
4.3.구조해석 모델
콘크리트 저장용기 구조해석에 사용한 유한요소 해석모 델은 ABAQUS 유한요소 해석프로그램을 이용하여 구성하였 으며, 하나의 구조모델을 모델링 한 후 초기조건과 경계조건 을 달리 적용하여 모든 구조해석에 사용하였다. 해석모델은 용기의 대칭성을 고려하여 1/2 모델(용기의 180°부분만 나 타냄)로 구성하였다. 해석모델은 809,046개의 절점(Node) 과 556,905개의 솔리드요소(Solid Element)로 구성하였다. 해석에 사용한 솔리드요소는 ABAQUS에서 제공하는 사각 형 8절점 요소(C3D8R)를 사용하였다. 콘크리트 저장용기 는 전체모델에 접촉하는 조건으로 General Contact 조건을 사용하였고, 단위는 mm, ton, sec, ℃를 사용하였다. 해석모 델의 전체 형상 및 용접부 상세는 Fig. 3과 같다. 모든 구성요 소들은 중심에 위치하는 것으로 가정하였다. 용기뚜껑은 뚜 껑축이 용기의 축에 일치하도록 위치시켰고, 뚜껑볼트는 정 확히 볼트구멍의 중심에 위치시켰다.
4.4.하중 및 경계조건
콘크리트 저장용기 구조해석을 위한 하중조건은 NUREG- 1536에 따라 적용하였으며, 각 조건에 적용한 하중은 ‘콘크리트 저장용기 특정기술주제보고서’에 상세히 기술되 어있다[9]. 정상 및 비정상조건의 정적해석은 해당 조건에서 요구되는 하중을 용기에 가하였으며, 1/2 대칭 경계조건을 용기의 단면에 적용하였다. 또한 용기본체의 일부를 완전 고 정하여 해석을 수행하였다.
사고조건 중 낙하해석 시 발생하는 낙하충격은 콘크리트 저장용기가 콘크리트 패드에 충돌할 때 발생하게 된다. 낙하 높이에 따른 변수해석으로부터 최대 인양높이를 산정하였 으며 60 cm로 평가되었다. 해석에서 실제 낙하높이 60 cm 와 동일하게 콘크리트 저장용기와 콘크리트 패드 사이의 거 리를 적용하여 자유낙하 해석을 수행할 경우 해석 시간적인 측면에서 효율적이지 못하게 된다. 따라서 본 해석에서는 용 기의 에너지 보존법칙을 이용하여 60 cm에서 낙하한 것과 동일한 효과를 주기 위해 3,431 mm·s-1의 속도를 콘크리 트 저장용기가 콘크리트 패드와 충격이 발생하는 시점의 초 기속도로 적용하였다. 전체모델의 1/2 대칭 경계조건을 단 면에 적용하였으며, 콘크리트 패드는 충격 시 변위와 자유 도에 대한 변화가 없도록 완전 고정하였고, 캐니스터 및 내 부구성요소는 충격면 방향으로 이동하여 접촉시켰다. 전도 해석은 에너지 보존법칙을 이용하여 충격시점의 각속도인 1,488 rad·sec-1를 콘크리트 패드에 충격이 발생하는 시점의 초기각속도로 적용하였다.
4.5.구조해석
콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부 허용결함깊이를 평가하기 위하여 Table 1의 각 하중조건에서 구조해석을 수 행하였다. 구조해석 결과는 Fig. 2의 응력 측정위치에서 각 방향에 대한 응력성분 중 반경방향의 막응력 및 조합하중을 평가하였다. 각 하중에 대하여 하중조합을 수행한 해석결과 는 Table 3과 같다. 해석결과 비정상조건의 경우 비정상 내 부압력이 고려된 LC 3에서, 사고조건은 캐니스터 상부에 충 격이 직접적으로 발생하는 전도조건에서 가장 큰 응력이 발 생하였다. 각 조건에서의 최대 응력은 결함깊이 평가를 위한 초기 응력으로 적용하였다.
5.허용결함깊이 평가
콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부 결함깊이는 ASME B&PV Code Section XI, Division 1, Appendix C에 따라 평가하였으며, 다음과 같은 가정사항을 적용하였다.
결함깊이를 평가하기 위하여 ASME B&PV Code Section XI, Division 1, Appendix C에서는 모재의 종류에 따라 평가방법을 구분하고 있으며, 캐니스터의 경우 오스테나 이트계 재질이므로 Figure C-4210-1에 따라 해석방법을 선 정하였다[3]. 콘크리트 저장용기의 캐니스터는 단련제품 (Wrought product)이고, 용접재료에서 결함이 발생하며, 플럭스를 사용하지 않는 용접부이므로 C-5000에 따라 평가 를 수행하여야 한다. C-5000은 극한하중 기준의 완전소성 파괴 결함평가를 사용한 결함깊이 평가방법으로, 조합하중 에 의한 결함깊이 평가는 운전한계에 따라 C-5310-1~4를 적 용하였으며, 1차 막응력에 의한 결함깊이 평가는 C-5310-5 를 적용하였다. 막응력과 조합하중에 의한 결함깊이 평가 시 응력비와 결함길이의 관둘레에 대한 비가 필요하며 다음과 같이 계산하였다.
5.1.조합하중에 의한 결함깊이 평가
5.1.1.응력비
ASME Code C-5310-1~4를 사용한 조합하중에 의한 결함 깊이 평가 시 응력비는 다음과 같이 구할 수 있다.(1)
여기서,
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σm : 1차 막응력 (운전한계 A, B : σm ≤ 0.2σf 일 때 유효, 운전한계 C : σm ≤ 0.3σf 일 때 유 효, 운전한계 D : σm ≤ 0.4σf 일 때 유효)
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σb : 1차 굽힘응력
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σf : 유동응력(Flow stress)으로 ASME B&PV Section XI, Division 1, Appendix C-8000 에 따라 적용
5.1.2.유동응력
유동응력은 운전온도에서 측정된 항복강도 및 극한 인장 강도로 계산되어지며 오스테나이트(Austenite)계 재료의 경 우 다음과 같이 계산할 수 있다.(2)
여기서,
콘크리트 저장용기의 캐니스터의 각 조건에서 온도와 해 당온도에서의 응력 및 유동응력은 Table 4와 같다.
5.1.3.결함길이의 관둘레에 대한 비
콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부의 결함은‘5. 허 용결함깊이 평가’에서 쉘의 부분용접부에 360°방향의 원주 방향 결함이 발생하는 것으로 가정하였으므로 lf/πD=1 이다.
5.2.막응력에 의한 결함깊이 평가
5.2.1.응력비
ASME C-5310-5를 사용한 막응력에 의한 결함깊이 평가 시 응력비는 다음과 같이 구할 수 있다.(3)
여기서,
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SFm : 원주방향결함의 1차 막응력에 대한 안전계 수로써, ASME B&PV Section XI, Division 1, Appendix C-2621에 따라 적용(Table 5)
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σm : 1차 막응력
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σf : 유동응력(Flow stress)으로 ASME B&PV Section XI, Division 1, Appendix C-8000 에 따라 적용
5.2.2.유동응력
막응력에 의한 결함깊이 평가에 사용한 유동응력은 ‘5.1.2 유동응력’에서 평가한 결과와 같다.
5.2.3.결함길이의 관둘레에 대한 비
콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부의 결함은‘5. 허 용결함깊이 평가’에서 쉘의 부분용접부에 360°방향의 원주 이다.
5.3.결함깊이 해석결과
ASME B&PV Code Section XI, Division 1, Appendix C, C-5000에 따라 막응력과 조합하중에 대하여 결함깊이를 평 가하였으며, 평가결과는 Table 6과 같다. 해석결과 모든 하 중조건에서 표면결함 및 내부결함의 허용결함깊이는 18.75 mm로 평가되었다. 또한 NUREG-1536에서 권고하고 있는 대부분의 구조물 뚜껑 용접부에서의 임계결함깊이 9.5 mm 를 만족하고 있다.
6.결론
본 연구에서는 ASME B&PV Code Section XI에 따라 콘 크리트 저장용기의 캐니스터 뚜껑 용접부의 허용결함깊이를 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
해석결과 콘크리트 저장용기의 캐니스터 용접부에서의 허용결함깊이는 18.75 mm로 평가되었다. 평가된 허용결함 깊이는 NUREG-1536에서 권고하고 있는 임계결함깊이를 만 족하고 있는 것으로 나타나 캐니스터 용접부 허용결함깊이 를 9.5 mm로 적용 가능하다. 허용결함깊이를 고려하지 않 는 조건에서 캐니스터 용접부 30 mm 용접 시 매 층(Layer)마 다 용접을 수행하여야 하며, 1회(pass) 둘레 용접량을 3 mm 로 가정하였을 때 최소 10회의 침투 비파괴검사(PT)를 수 행하여야 한다. 그러나, 캐니스터 용접부의 허용결함깊이를 9.5 mm로 적용하고 첫 번째 층 용접두께를 1 mm로 가정하 였을 때, 침투 비파괴검사(PT)를 총 5회 수행할 수 있으며, 18.75 mm를 허용결함깊이로 할 경우 ISG-4에서 정하고 있 는 최소 3회의 침투 비파괴검사(PT)를 수행할 수 있다[10].
따라서 본 연구에서 수행한 허용결함깊이 평가를 통해 구조적 건전성을 유지하면서 침투 비파괴검사(PT) 횟수 감 소에 따른 작업시간 및 작업자 피폭선량을 줄일 수 있다. 또 한, 다른 용기 뚜껑 용접부 허용결함깊이 평가를 통해 기초자 료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
