KR101299069B1

KR101299069B1 - 운반용기 진단방법

Info

Publication number: KR101299069B1
Application number: KR1020110133873A
Authority: KR
Inventors: 이성식; 임재생; 유태영
Original assignee: 세이프텍(주)
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-08-27
Also published as: KR20120065956A

Abstract

운반용기에 대한 차폐계산시 차폐성능이 충분히 보장되며 운반용기의 구조적 건전성과 안전성을 보장할 수 있는 운반용기 진단방법을 제공한다. 운반용기의 9m 자유낙하에 대한 제어 프로그램을 메모리로부터 공급받아 제어부에서 동적해석을 수행하여 표시부로 표시하는 낙하충격 시험단계, 낙하충격 시험단계에서 낙하충격에 따른 운반용기의 속도(Vz), 가속도(g-value), 스트레인(strain) 및 응력강도(stress intensity)값을 계산하는 응력계산 단계, 운반용기와 충돌되는 강체의 충돌전후의 시간이력에 따라 운반용기의 응력강도값을 분석하여 분석된 응력강도값과 허용응력강도를 비교하여 운반용기의 구조적 건전성과 안전성을 평가하는 구조해석 평가단계, 및 낙하충격 시험단계 후 운반용기에 저장된 내용물이 외부로 누출되는지를 시험하는 누출시험단계를 포함한다.

Description

운반용기 진단방법{TRANSPORT CONTAINER DIAGNOSIS METHOD}

본 발명은 감마선을 이용한 가동 중 운반용기의 구조적 건전성과 안전성을 해석 및 평가할 수 있는 운반용기 진단방법에 관한 것이다.

방사성 동위원소를 운반하고 취급하는데 사용되는 운반용기(추적자 운반용기, RI-tracer transport container)는 산업용 비파괴검사 및 추적자 조사를 수행할 목적으로 개발되었다. 이 운반용기는 밀봉고체, 개방형 고체 그리고 앰플형 액체형태의 동위원소를 내부 캐비티(cavity)에 장전하여서 뚜껑으로 밀봉하고 구조적으로 안전하게 운반되어야 한다. 운반용기는 법규에서 요구하는 시험조건하에서도 내용물이 외부로 누출되지 않아야 한다. 또한 운반용기에서 나오는 방사선으로 부터 작업자가 법규에서 규정한 방사선량 기준치 이하에서 만족하는가를 확인해야 한다.

운반용기의 방사성물질(radioactive material)의 준위에 대한 기술기준은 국내 원자력법 과학기술부 고시집 "방사성물질등의 포장 및 운반에 관한 규정"을 참고로 하였다. 과학기술부 고시 제2001-23호 규정에 의거하여 A형 운반용기로 분류되고 있으며, 아울러 관련 규정에 의거하여 운반용기는 방사성물질 취급 및 운반시 안전성이 입증되어야 한다.

운반용기에 대한 차폐계산시 차폐성능이 충분히 보장되며 운반용기의 구조적 건전성과 안전성을 보장할 수 있는 운반용기 진단방법을 제공한다.

내부에 동위원소를 보호하고 장전하는 내부통, 내부통 주변에 둘러싸여진 원주형상의 차폐용기, 차폐용기 외부에 구비되어 외부충격에 동위원소가 안전하게 장전하여 운반할 수 있도록 충격 완충 기능을 하는 외부통을 포함하며, 동위원소를 운반하는 운반용기의 진단에 관련된 데이터를 입력하는 입력부, 운반용기 진단 제어를 위한 프로그램이 저장된 제어부, 운반용기의 진단에 관련된 프로그램 및 데이터를 저장하는 메모리, 제어부로부터 공급되는 표시 제어신호의 입력에 따라 해당되는 데이터를 표시하는 표시부를 포함한 운반용기 진단장치를 이용하여 운반용기를 진단하는 방법에 있어서, 운반용기의 9m 자유낙하에 대한 제어 프로그램을 메모리로부터 공급받아 제어부에서 동적해석을 수행하여 표시부로 표시하는 낙하충격 시험단계, 낙하충격 시험단계에서 낙하충격에 따른 운반용기의 속도(Vz), 가속도(g-value), 스트레인(strain) 및 응력강도(stress intensity)값을 계산하는 응력계산 단계, 운반용기와 충돌되는 강체의 충돌전후의 시간이력에 따라 운반용기의 응력강도값을 분석하여 분석된 응력강도값과 허용응력강도를 비교하여 운반용기의 구조적 건전성과 안전성을 평가하는 구조해석 평가단계, 및 낙하충격 시험단계 후 운반용기에 저장된 내용물이 외부로 누출되는지를 시험하는 누출시험단계를 포함한다.

낙하충격 시험단계는 운반용기의 9m 자유낙하에 대한 동적해석을 수행하여 낙하충격에 따른 운반용기의 속도(Vz), 가속도(Acceleration, g-value), 스트레인(strain) 그리고 응력강도(stress intensity) 값을 구하고, 운반용기가 충돌전후 운동 모드를 제대로 진행하고 있는지를 확인하기 위하여 시간이력(time history)에 따른 속도분포(Uz)를 분석하며, 시간이력에 따른 해석결과의 수렴을 유도하기 위하여 미세 시간 인터벌(time interval)을 △t=0.001sec로 하고, 충격후 시간이력은 t=0.15sec까지로 설정할 수 있다.

구조해석 평가단계는 운반용기의 내부에 열을 발생하는 방사성물질이 포함된 액체가 있을 경우를 가정한 내압조건 평가단계, 스틸 바가 운반용기 표면에 설정높이에서 수직으로 낙하하는 운동에너지를 계산하는 관통조건 평가단계, 운반용기 외부표면에 1시간 동안 50mm/hr 폭우가 쏟아질 때를 가정한 살수조건 평가단계, 및 운반용기 중량의 5배 하중을 운반용기 상단 모서리 4곳에 걸린다고 가정하여 직육면체의 3차원(x, y, z) 기하학구조로서 셸(shell), 솔리드 엘리먼트(solid element)를 적용하여 총 325개의 엘리먼트로 구성한 유한요소법 모델로 운반용기에 걸리는 응력강도분포를 검출하는 압축조건 평가단계를 포함할 수 있다.

살수조건 평가단계에서 열해석을 하며, 열해석을 위한 각종 계수 및 인자는 살수상태인 강제대류, 하절기 초기조건의 자연대류 열전달계수, 복사 및 방사열전달계수, 살수시간별 열전달계수 및 계수인자를 포함할 수 있다.

국내에는 고온에서 가동되는 거대설비인 유동층 촉매 분해유닛(FCCU) 내부에서 원료물질과 촉매 등에 개발 개별적인 동력학적 유동특성을 파악할 수단이 없는 실정인데, 연구개발 경험을 통하여 구축된 방사성 추적자 기반기술을 활용한다면 단기간 내에 기술의 확보가 가능하다.

또한, 국내 정유업계 및 석유화학 업계에서 기존의 기술로는 해결할 수 없는 시급하게 요구되는 공정의 감시기술을 제공함으로써 신규 기술수요시장을 창출할 수 있다.

또한, 막대한 외화를 절약함과 동시에 국내 주요 산업설비의 공정효율을 극대화시키는데 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 운반용기 진단장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 운반용기의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 운반용기 진단방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 운반용기에 대한 5배 하중조건의 FEM 모델을 도시한 도면이다.
도 5는 운반용기에 걸리는 응력강도분포를 도시한 도면이다.
도 6은 9m 낙하를 위한 해석모델을 도시한 도면이다.
도 7은 시간이력에 따른 속도분포를 도시한 도면이다.
도 8은 중력가속도 분포를 도시한 도면이다.
도 9는 운반용기의 9m 낙하충돌시 벡터(Vector)로 나타난 낙하 방향도를 도시한 도면이다.
도 10은 응력강도 윤곽의 변형 상태를 도시한 도면이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 운반용기 진단장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 운반용기 진단장치는 운반용기(10)의 진단에 관련된 데이터를 입력하는 입력부(102), 운반용기(10) 진단 제어를 위한 프로그램이 저장된 제어부(104), 운반용기(10)의 진단에 관련된 프로그램 및 데이터를 저장하는 메모리(106), 제어부(104)로부터 공급되는 표시 제어신호의 입력에 따라 해당되는 데이터를 표시하는 표시부(108)를 포함한다.

동위원소 사용시설에서 산업용으로 동위원소를 적절하게 사용하기 위하여 운반은 필연적으로 적용되는 기술기준이다. 동위원소의 안전사용 및 이동에 필수적인 장비는 운반용기(10)이다. 운반에 사용되는 운반용기(10)의 개략적인 형상, 구조 그리고 사용재료는 도 2에 도시한 바와 같다. 운반용기(10)는 3가지 종류의 주요구성을 포함한다. 도 2를 참조하면, 운반용기(10)는 내부에 동위원소를 보호하고 장전하는 내부통(12, inner can), 내부통(12) 주변에 둘러싸여진 원주형상의 차폐용기(14), 차폐용기(14) 외부에 구비되어 외부충격에 동위원소가 안전하게 장전하여 운반할 수 있도록 충격 완충 기능을 하는 외부통(16)을 포함한다.

운반용기(10)의 구조재는 주로 스테인레스강으로 만들어진다. 운반용기(10) 내부에 배치되는 내부통(12)은 동위원소 종류별로 이동 및 저장이 가능하다. 차폐용기(14)는 동위원소에서 방출되는 방사선으로 부터 차폐기능을 수행한다. 차폐용기(14)는 스테인레스강으로 원통을 만들어 내부에 텅스텐 차폐재를 가공하여 설치한다. 외부통(16)은 차폐용기(14)의 외부에서 충격흡수를 위하여 폴리우레탄(polyurethane) 충진재료로 채워진다. 운반용기(10)는 A형 운반물(A-type packaging)로 분류되므로써 법규의 규정에서 정하는 낙하, 외부충격 및 살수조건에서 방사선차폐 성능의 보장 및 방사성물질 누설이 없도록 설계된다.

운반용기(10)에 대한 구조설계기준은 A형 운반물의 일반기준과 정상운반조건의 시험항목으로 설정한다. 정상운반조건의 시험항목에 따라 하중조건을 세분한다. 이들 시험 하중조건에서 운반용기(10)가 구조적으로 영향을 받게되는 주요 인자는 응력(stress)과 변위량(strain)으로 구분한다. 특히 구조해석에서 나오는 응력강도값(stress intensity)을 허용응력강도와 비교하여 A형 운반용기의 구조적 건전성과 안전성을 평가한다. 운반용기(10)의 동위원소 내용물은 고체밀봉, 고체개봉 그리고 캡슐형 액체형이며, 이 동위원소는 운반용기(10)가 운반중에 외부충격, 낙하, 관통 그리고 살수시험조건하에서 안전하게 운반되어야한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 운반용기 진단방법을 도시한 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 운반용기 진단방법은 운반용기(10)의 9m 자유낙하에 대한 제어 프로그램을 메모리(106)로부터 공급받아 제어부(104)에서 동적해석을 수행하여 표시부(108)로 표시하는 낙하충격 시험단계(S110), 낙하충격 시험단계에서 낙하충격에 따른 운반용기(10)의 속도(Vz), 가속도(g-value), 스트레인(strain) 및 응력강도(stress intensity)값을 계산하는 응력계산 단계(S120), 운반용기(10)와 충돌되는 강체(20, 목표물)의 충돌전후의 시간이력에 따라 운반용기(10)의 응력강도값을 분석하여 분석된 응력강도값과 허용응력강도를 비교하여 운반용기(10)의 구조적 건전성과 안전성을 평가하는 구조해석 평가단계(S130), 및 낙하충격 시험단계 후 운반용기(10)에 저장된 내용물이 외부로 누출되는지를 시험하는 누출시험단계(S140)를 포함한다.

운반용기(10)의 설계에서 주요하게 고려되는 하중조건항목은 자유낙하충격이다. 여기서, 자유낙하충격은 동적거동(dynamic behavior)조건으로 기술되며 일반적으로 운반중 차량충돌 및 취급부주의를 모사하여 자유낙하 시험항목으로 분류한다. 이러한 낙하충격조건하에서도 운반용기(10)의 내부 스테인레스강판 셸(shell)의 구조적 건전성은 운반중 낙하충격에서도 차폐성능이 20% 이내에서 크게 손상되지 않아야한다. 아울러 내용물이 운반용기(10) 외부로 누출되지 않아야 한다. 운반용기(10)에 대한 정상시험항목은 과기부 고시집 2001-23호와 IAEA Safety Ser. No. 6에 기술되어 있다. 운반용기(10)의 구조설계기준은 A형 운반물 시험조건에 따라 분류하고 여기서, US Reg. Guide 7.6, ASME Sec. III 및 ANSI N14.6등에서 운반용기(10)에 부합되는 기준을 선별적으로 적용한다.

운반용기(10)의 구조재료는 내부통(12)에 사용하는 스테인레스강판(Stainless steel), 차폐용기(14)에는 텅스텐(Tungsten)이 사용된다. 그리고 외부통(16)에는 충격으로부터 보호하기 위하여 충격완충체 및 열차폐를 위한 폴리우레탄(polyurethane)이 사용된다. 그리고 충격완충체의 외부에는 구조재인 스테인레스강이 구성된다. 운반용기(10)의 설계 및 구조적 건전성을 해석하기 위하여 필요한 각종 기계적 및 열적 특성자료는 다음과 같다.

운반용기(10)의 구조해석 및 평가(S130)

(1) 내압조건(Internal pressure condition)

운반용기(10)의 내압조건에 대한 건전성평가는 운반용기(10)의 내부 구조 및 운전조건에 따라 다르게 분석 및 평가되고 있다. 일반적으로 운반용기(10)의 내부에 열을 발생하는 방사성물질이 포함된 액체가 있을 경우 내압조건을 해석하여 평가해야하지만 고체형과 앰플형 액체는 거의 열이 발생하지 않기 때문에 내압이 거의 발생하지 않는다.

(2) 관통조건(Penetration condition)

과기부 고시집 2001-23호 및 IAEA safety ser. No. 6 para. 624의 기술기준에 따르면 정상조건하에서 A형 운반용기는 취약부에 직경 3.2cm, 중량 6kg인 스틸 바(steel bar)를 1m 높이에서 수직으로 낙하할 때 그 충격조건에 대하여 구조적 건전성을 평가하도록 규정한다. 그러나 운반내용물이 액체인 경우, 과기부 고시집 제46조(A형 운반용기의 추가시험) 액체 및 기체를 운반하기 위한 A형 운반용기의 경우는 제45조 규정(정상운반조건에 대한 입증시험) 이외에 추가적으로 낙하 및 관통시험을 수행하도록 규정된다.

관통시험은 액체가 아닌 고체내용물인 경우에는 1m 거리에서 환봉(직경 3.2cm, 무게 6kg)을 운반용기(10)에 표면에 낙하시켜 관통을 시험하지만, 액체인 경우 높이 1.7m에서 낙하시키도록 한다. 관통시험은 내부에 있는 동위원소를 내부에 담고있는 텅스텐 용기의 외부표면에 대하여 다음과 같이 계산한다.

스틸 바가 운반용기(10) 표면에 1.7m 높이에서 수직으로 낙하하는 운동에너지 E는

E=WxH=6kgx170cm=1,020kg-cm

차폐용기(14)의 내부통(12)에 전단하는데 필요한 관통에너지 U는

U=KFt=Kτπdt2=0.39x1266x3.1415x3.2x0.52=1,240

여기서, F=전단력(shear force), t=shell thickness(0.5 cm), τ=0.6, Sy=1266kg/cm2(전단응력), 안전율 S는 S=1240/1020= 1.21로 계산된다. 따라서, 스틸 바의 자유낙하로 인한 충격에너지는 A형 운반용기의 셸 플레이트(shell plate)를 관통시킬 수 없으므로 관통충격의 하중조건에 운반용기(10)가 구조적으로 충분히 건전함을 나타낸다.

(3) 살수조건(Water spray condition)

IAEA Safety ser. No.6 및 과기부 고시집 2001-23호의 규정에서 A형 운반용기에 대한 정상운반조건 시험항목에 살수조건이 포함된다. 이 살수조건은 운반용기(10) 외부표면에 1시간 동안 50mm/hr 폭우가 쏟아질 때를 나타낸다. 그러나 추적자 A형 운반용기에서는 폭우가 내릴 때 열적으로 온도변화에 의한 구조적 영향은 거의 없다고 판단된다. 단지, 이 폭우시 운반용기(10) 내부에 빗물이 스며들지 않도록 오링 가스켓(O-ring gasket)을 설계할 수 있다. 온도변화에 따른 열적인 영향은 열해석에서 온도분포를 계산하여 제시한다.

(4) 압축조건(stacking condition)

IAEA Safety ser. No.6 및 과기부 고시집 2001-23호의 규정에서 A형 운반용기에 대한 압축조건은 다음과 같다. 실제 운반용기(10) 무게의 5배(5*W)에 해당하는 하중, 수직으로 투사된 포장물의 면적의 13KPa(0.13kg/cm2)을 곱한 값에 해당하는 하중이다. 여기서, 운반용기(10)에 대한 압축조건은 운반용기(10)의 중량의 5배 하중을 받을 경우에 대하여 안전성을 입증하였다. 운반용기(10)의 5배 하중(5*W load)에 따른 강도계산과 하중모델은 다음과 같다. 최대 예상하중조건은 350.5kg, 운반용기(10) 자체중량은 70kg*5(350kg), 내용물(동위원소)은 0.5kg, 적용하중의 구성모델은 운반용기(10) 상단 모서리 4곳이다. 즉 운반용기(10)에 대한 5배 하중조건은 운반용기(10) 상단 모서리 4곳에 걸린다고 가정하였으며, 계산에 사용된 유한요소법(FEM ; finite elements method) 모델은 직육면체의 3차원(x, y, z) 기하학구조로서 셸(shell), 솔리드 엘리먼트(solid element)를 적용하여 총 325개의 엘리먼트로 구성하며, 계산모델은 도 4와 같다. 이러한 유한요소법 모델로서 앤시스(ANSYS) 구조분석코드(structural analysis code)로 계산한 결과는 도 5에 운반용기에 걸리는 응력강도(stress intensity)분포로서 나타낸다.

최대 응력강도(maximum stress intensity)가 운반용기(10) 상부에 있는 상단 모서리에서 σSI = 29MPa로 주어진다. 이 결과는 스테인레스강 shell의 항복강도(Yield strength), σyield = 259MPa 보다 훨씬 낮은 값이다. 따라서 5배 하중에 대한 계산결과 운반용기(10)가 구조적으로 안전함을 보여준다.

추적자 A형 운반용기의 정상운반조건 시험항목 중에 구조적으로 가장 큰 하중조건은 IAEA Safety ser. No.6 및 과기부 고시집 2001-23호의 규정에서 명시된 운반물의 자유낙하이다. A형 운반용기의 자체 중량은 65kg이므로 낙하 높이가 1.2m이다. 그러나 과기부 고시집 제46조(A형 운반용기의 추가시험) 액체 및 기체를 운반하기 위한 A형 운반용기의 경우는 제45조 규정(정상운반조건에 대한 입증시험) 이외에 추가적으로 9m 낙하시험을 수행하도록 규정하고 있다. 따라서 정상운반조건 시험인 1.2m 자유낙하보다 충격력이 훨씬 큰 9m 자유낙하에 대한 구조해석을 수행하는 것이 타당하다.

낙하충격해석은 정적 분석(static analysis)이 아니고 시간변화에 따른 동적 분석(dynamic analysis)이므로 해석모델의 노드(node)나 엘리먼트수에 따라 전산용량 및 계산시간에 따른 제한을 받는다. 따라서 실제 운반용기의 모델에 가까운 실린더(cylinder)형으로 적절한 엘리먼트와 노드수를 고려하여 계산모델을 형성한다. 9m 낙하를 위한 앤시스 코드(ANSYS code) 해석모델은 도 6에 도시한다. 복잡한 운반용기의 구조를 3차원 기하학구조로 구조해석을 위한 FEM모델링하기가 용이하지는 않다. 낙하충격해석은 모델링의 종류와 구성에 따라 전산시간, 계산의 정확도 및 계산과정의 수렴성(convergence) 등의 문제가 뒤따른다. 전체 절점수(node)는 약 326노드 그리고 엘리먼트 수는 325개 정도인 3차원(x, y, z) 좌표로 한다.

9m 자유낙하시 강체(20, rigid body)인 바닥면과 충돌 순간 적용되는 운반용기(10)의 속도는 다음과 같은 초기속도식으로 추정할 수 있으며, 여기서 충돌속도는 V=13,280 mm/sec로 구한다.

구조재료의 기계적 특성자료와 낙하 해석모델로서 운반용기(10)에 대한 낙하충격 해석을 수행한다. 낙하충격 동적 분석에 사용된 전산코드는 범용 구조해석 프로그램인 앤시스(ANSYS) 코드를 사용한다. 구조해석은 바닥에 충돌시 큰 변형(large deformation)을 예측할 수 있도록 플라스틱 옵션(plastic option)을 적용하고 시간이력(time history)에 따른 해석결과의 수렴(convergence)을 유도하기 위하여 미세 시간 인터벌(time interval)을 △t=0.001sec로 한다. 충격후 시간이력은 t=0.15sec까지로 설정한다.

운반용기(10)의 9m 자유낙하에 대한 동적해석을 수행하여 낙하충격에 따른 운반용기(10)의 속도(Vz), 가속도(Acceleration, g-value), 스트레인(strain) 그리고 응력강도(stress intensity) 값을 구한다. 운반용기(10)가 충돌전후 운동 모드를 제대로 진행하고 있는지를 확인하기 위하여 시간이력(time history)에 따른 속도분포(Uz)는 도 7에 도시한다. 도 7을 참조하면, 낙하순간 시간변화에 따라 속도가 크게 변화하고 있음을 보여주고 있다. 속도는 낙하 충돌직전 t=0.018sec까지 V=-13,280 mm/sec로 진행되다가 충돌직후 속도는 V=0으로 멈추게 된다. 충돌순간의 충격력을 예측하는 중력가속도 g-value 분포는 도 8에 도시한다. 가속도는 낙하 충돌직전 t=0.0175sec까지 g=0으로 진행되다가 충돌직후 속도는 가속도 g값이 급격히 상승하여 짧은 시간대에 급격히 증가 및 감소한 후 다시 멈추게 된다. 여기서 최대 중력가속도 g-value는 시간 t=0.018 sec에서 최대 1,000g로 매우 높은 값을 나타낸다. 이것은 9m 자유낙하시 강체(20)에 충돌되는 순간 매우 큰 충격력이 있음을 보여준다.

운반용기(10)의 9m 낙하충돌시 벡터(Vector)로 나타난 낙하 방향도는 도 9에 그리고 응력강도 윤곽(stress intensity contour)으로 나타난 변형상태(deformed shape)는 도 10에 도시한다. 여기서 운반용기(10) 하단 충격흡수력이 우수한 충격완충체(urethane)인 외부통(16)이 크게 변형되어 일그러지는 모습을 알 수 있다. 그러나 내부의 운반용기(10)는 전혀 변형되지 않고 원래 모습으로 남아있음을 보여준다. 또한 운반용기(10)의 9m 자유낙하에서 비교적 낙하하는 각도에 따라 충격력이 다르게 나타난다. 따라서 운반용기(10a)의 낙하 경사각을 20도 정도로 하여 경사낙하에 대한 해석을 수행한다. 도 10에는 운반용기를 9m 경사낙하직후 변형되는 모습을 보여준다.

운반용기(10)의 구조적 안전성을 평가하기 위하여 충돌전후의 시간이력에 따라 구조물의 응력강도(σSI) 값을 분석하게 된다. 운반용기(10)의 구조적 평가대상은 내부통(12) 주구조재인 스테인레스 강판부분이다. 운반용기(10)의 낙하충격 구조해석 결과 충격완충체인 외부통(16)은 변형후 손상이 발생하더라도 내부에 있는 차폐용기(14)와 내부통(12)에 걸리는 최대 응력강도(stress intensity)는 t=0.11sec에서 σSI=341MPa로 나타났다. 이 값은 기술기준에 명시된 스테인레스강 구조재료의 극한강도(ultimate strength), Su = 489 MPa보다 훨씬 적은 값이다. 이 결과로서 운반용기(10)가 9m 자유낙하충격에서도 구조적으로 안전함을 충분히 입증하고 있다.

운반용기(10)의 열적 건전성을 유지시키기 위하여 과기부 고시 제2001-23호와 IAEA Safty Ser. No.6의 기술기준 항목중 A형 운반물에 대한 정상운전조건에서 운반용기(10)는 살수조건(Water spray)에서 열적으로 만족하도록 요구하고 있다. 이러한 살수조건(water spray)은 외부 온도가 하절기 섭씨 38도에서 태양복사열이 운반용기(10) 표면에 입사하고 있는 상태에서 갑자기 저온의 시간당 50mm의 폭우가 쏟아지는 조건이다. 1시간 후 폭우가 끝난 후 다시 섭씨 38도 고온조건으로 환원하는 시간변화 열적 조건이다.

운반용기(10)는 계산의 보수성을 위하여 외부 충격완충체가 있는 상태에서 운반용기(10)를 고려한다. 구조재, 충격완충체 그리고 차폐체는 스테인레스 스틸(Stainless steel), 폴리우레탄, 텅스텐(Tungsten) 재료를 사용한다. 열해석(Thermal Analysis)을 위한 각종 계수 및 인자는 살수상태인 강제대류(forced convection), 하절기 초기조건의 자연대류 열전달계수, 복사 및 방사열전달계수, 살수시간별 열전달계수 그리고 계수인자들을 입력자료로 준비한다. 운반용기(10)의 표면에서 일어나는 자연대류, 강제대류 그리고 복사계수는 다음식으로 주어진다.

1) 자연대류 열전달계수(Natural convection heat transfer coefficient) :

hnc = 1.2(Ts -Ta)0.33w/m2℃

2) 강제대류 열전달계수(Forced convection heat transfer coefficient) :

hf = 765(Ts -Ta)w/m2℃

3) 복사 열전달계수(Radiation heat transfer coefficient) :

qr = A σεF( Ts4 -Ta4)

여기서, qr = 열흐름(heat flow)(w), A = 단면적(surface area), σ = 스테판 볼츠만 상수(Stefan-Boltzmann constant), ε = 방사율(emissivity), F = 지오메트릭 뷰 펙터(Geometric view factor), Ts, Ta = 표면 & 대기 온도(Surface & Ambient temperature)

운반용기(10)의 모양은 3차원 원통형으로 구성되어있지만 원주방향으로 일정하다고 가정하면 2차원 열해석을 수행할 수 있으며, 실제를 모사할 수 있는 2차원적인 해석모델로 단순화시켜야 한다. 실제로 폐수지 운반용기(10)의 제원은 직경 36cm(R=18cm) 그리고 높이 40cm(H)이다. 2차원 해석모델로 구성하여도 열해석의 신뢰성을 보장할 수 있다. 2차원 좌표(r, z)로 단순화된 해석모델을 만들 수 있다. 이 단순화된 모델로서 열해석을 수행하면 계산결과는 3차원 실제 구조보다 더 보수적으로 계산된다. 해석모델에서 경계조건, 재료영역 그리고 영역분할선 등이 명시된다.

운반용기(10)의 살수조건 열해석은 정상상태뿐만 아니라 과도상태(transient state) 온도분포를 계산할 수 있는 열전도해석 코드인 히팅(HEATING) 코드를 사용하여 수행한다. 열해석은 먼저 하절기 고온조건에 대한 정상상태(steady state) 열해석을 수행하고 이 조건에서 1시간 동안의 살수조건에 대한 과도상태 열해석을 나누어 수행한다. 운반용기(10)의 살수조건에 대한 해석결과는 정상상태(t=0), 과도상태(0<t≤1.0hr) 그리고 살수후 과도상태(t>1.0hr)로 분리하여 용기의 각 부분에 대한 온도값을 계산한다. 태양복사열이 있는 정상상태에서 운반용기(10) 내부와 외부의 온도분포가 섭씨 71도에서 68도로 거의 같은 분포로 나타났다. 대기온도가 섭씨 38도일 때 운반용기(10)의 표면온도가 68도가 되는 것은 태양복사열에 의한 온도상승이다. 살수조건의 빗물의 온도는 섭씨 5도로 한다. 따라서, 살수가 진행되는 동안 외부표면의 온도는 급격히 하강하여 거의 5도 가까이 내려갔음을 볼 수 있다. 내부에 있는 텅스텐 용기의 구조재 스테인레스 강판 셸(shell)은 온도변화 차이가 2도 이하로 나타났다. 온도차가 미미하여 운반용기(10)의 구조재에 열응력을 유발시킬 가능성이 거의 없다고 판단된다. 따라서, 운반용기(10)가 살수조건하에서 열적으로 건전함을 보여준다.

운반용기(10)의 구조해석 평가가 완료된 상태에서 운반용기(10)의 누출시험인 방사선차폐해석을 한다.(S140) 운반용기(10)는 A형 운반물로 분류된다. 방사선원은 주로 강한 감마선을 방출하는 동위원소들로 구성된다. 동위원소의 종류는 형태별로 3가지로 다음과 같이 구분되며, 고체 밀봉형(Solid capsule), 고체 개봉형(Solid powder) 그리고 액체 앰플형 (Liquid ampule)로 분류된다. 이들 동위원소에 대한 방사선원의 종류와 세기 및 에너지 스펙트럼을 기술하며, 아울러 방사선차폐해석에 대한 선량율 기준과 차폐해석 모델을 제시한다. 차폐계산을 위한 방사선 선원은 각 형태별로 구분하여 정의하여 계산한다. 선량율 최대값은 이들중 선원강도 높은 것을 적용하여 계산된 값으로 한다.

차폐계산을 위한 해석모델은 운반용기(10)(RI tracer transport container)의 방사선차폐해석을 위한 계산모델은 A형 운반용기에 준하는 차폐재료와 구조로서 구성한다. 차폐해석 모델은 확률론적인 계산방법으로 차폐계산 다용도로 사용되고 있는 엠씨엔피 코드(MCNP code)에 적용할 2차원(r,z) 기하학 구조로 한다. 방사선차폐해석을 수행하기 위한 운반용기(10)의 엠씨엔피(MCNP) 계산모델을 참조하면, 방사선량율은 차폐체 표면과 표면에서 1m거리에 대하여 계산결과를 산정하도록 할 수 있다.

차폐계산 결과 및 분석을 위해 동위원소 추적자를 운반하는 A형 운반용기에 대한 방사선차폐 해석을 수행한다. 차폐해석은 계산의 신뢰성 및 안전성을 입증하기 위하여 여러번 반복하여 계산한다. 차폐해석에 대한 기술기준 및 규정은 운반용기(10)의 방사선종사자의 선량율 기준에 부합되도록 계산한다. 선량율 측정지점(dose detector point)은 운반용기(10) 차폐체의 표면과 표면에서 100cm 거리에서 방사선 선량율(dose rate)로 나타내어 비교한다. 3가지 선원 종류에 대한 1차 예비계산 결과 선원강도가 가장 높은 고체밀봉형 Co-60 선원으로 계산한 선량율 결과값이 높았다.

따라서, 운반용기(10)의 차폐성능을 평가하기 위하여 고체밀봉형 Co-60 선원에 대한 차폐계산 결과를 적용한다. 운반용기(10) 측면표면(#1)에서 76.9mrem/hr(0.76 mSv/h) 그리고 1m 거리(#4)에서 1.6mrem/hr(0.016 mSv/h)으로 계산된다. 그리고 바닥표면(Bottom #2)에서 55.2mrem/hr(0.552 mSv/h)이고 표면에서 1m 거리에서 1.4mrem/hr로 나타났으며, 상부(Top) 표면에서는 29.5 mrem/hr(0.295 mSv/h)이고 표면에서 1m 거리에서 0.66mrem/hr(0.0066 mSv/h)로 나타났으며, 계산된 선량율 결과는 규정에서 제시된 표면에서의 선량율 200mrem/hr(2 mSv/h)과 1m 거리에서 10mrem/hr(0.1 mSv/h) 값보다 훨씬 낮은 값으로 주어진다. 따라서, 운반용기(10)에 대한 차폐계산 결과 차폐성능이 충분히 보장되며 운반용기(10)의 안전성이 충분히 입증됨을 알 수 있다.

유동층 촉매 분해 유닛(FCCU ; Fluidized Catalytic Cracking Unit)는 벙커시유를 분해하여 가솔린, 디젤 등을 생산하는 고가의 고부가 정유공정으로, 가동 중에 이상이 발생되면 유지보수와 생산량 감소로 인하여 매우 큰 손실이 발생한다. 또한 하부공정(downstream)으로의 파급효과를 고려하면, 그 경제적 손실은 실로 막대하다. 따라서 유동층 촉매 분해 유닛(FCCU)의 공정 감시와 효율진단을 위한 첨단의 장비를 운용하고 있으나, 가동 중에 문제가 발생할 경우 그 원인은 물론 문제발생 영역에 대한 정보조차도 정확히 파악하기 어렵다. 유동층 촉매 분해 유닛(FCCU)는 내부온도가 600도 이상으로 매우 높은 상태에서 가동되면서 기화된 원료와 고체촉매의 매우 빠른 이동속도로 혼합되면서 반응을 하도록 되며, 시설의 크기도 방대하여 동위원소를 이용하는 추적자기술 외에는 다른 방법으로는 문제점 또는 결함의 원인을 규명할 수 없다.

유동층 촉매 분해 유닛(FCCU)의 유지보수 작업을 결정한 경우에도 고온의 거대설비의 운전을 정지시키고 작업이 가능한 조건에 도달하는데 수일 또는 수주가 소요된다. 적시에 정확한 진단이 가능한 기술을 보유함으로써 최적의 효율적인 유지보수 작업은 물론 공정의 운전효율 극대화에도 기여하게 된다. 중요한 설비의 효율적인 운용과 유지를 위하여 국내 대부분의 정유회사에서 막대한 비용을 지불하고 외국의 기술지원을 받고 있으나, 원자로에서 생산되는 단반감기 방사성동위원소와 현지 방사성물질 취급에 따른 인허가와 방사선안전관리 등을 위하여 국내 원자력 전문연구기관의 기술적 지원 및 행정적 지원이 연계된다. 감마선의 차폐와 계측에 필요한 막대한 무게의 부대설비를 산업계의 시급한 요청에 맞추기 위하여 항공으로 운송해야 하는 부대경비는 물론이고 짧은 일정의 진단실험 종료 후 결과해석에 오랜 시일이 소요됨은 물론 진단결과에 따라 요구되는 추가적인 실험을 수행하는 것은 불가능하다.

방사성추적자와 같이 개봉(open)형태의 단반감기(short half-life) 방사성핵종을 산업적으로 이용하는 기술은 각국의 전문 원자력연구기관의 주도하에 자체적으로 개발되고 산업적으로 지원하고 있다. 방사성동위원소를 이용한 진단기술의 경우 본 발명의 실시예의 수행을 통하여 방사성추적자를 이용한 유동층 촉매 분해 유닛(FCCU) 공정진단 기술을 확보함으로써 국내 기술수요를 충족시키고 신규 기술수요시장을 창출할 수 있다.

기술적 측면으로, 유동층 촉매 분해 유닛(FCCU) 공정 분석능력의 고급화로 장치운전기술 향상, 시설 가동 중 고장진단 및 시설의 최적화에 필요한 정보 획득의 효과가 있다. 경제적 측면 및 산업적 측면으로, 고가의 산업공정의 최적화에 따른 원가절감, 품질향상 및 공해발생억제, 외국에 의존하던 추적자 기술용역의 국내 대체로 신속성 확보 및 외화 절약의 효과가 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10 ; 운반용기 12 ; 내부통
14 ; 차폐용기 16 ; 외부통
20 ; 강체 102 ; 입력부
104 ; 제어부 106 ; 메모리
108 ; 표시부

Claims

내부에 동위원소를 보호하고 장전하는 내부통, 상기 내부통 주변에 둘러싸여진 원주형상의 차폐용기, 상기 차폐용기 외부에 구비되어 외부충격에 동위원소가 안전하게 장전하여 운반할 수 있도록 충격 완충 기능을 하는 외부통을 포함하며, 동위원소를 운반하는 운반용기의 진단에 관련된 데이터를 입력하는 입력부, 상기 운반용기 진단 제어를 위한 프로그램이 저장된 제어부, 상기 운반용기의 진단에 관련된 프로그램 및 데이터를 저장하는 메모리, 상기 제어부로부터 공급되는 표시 제어신호의 입력에 따라 해당되는 데이터를 표시하는 표시부를 포함한 운반용기 진단장치를 이용하여 상기 운반용기를 진단하는 운반용기 진단방법에 있어서,
상기 운반용기의 9m 자유낙하에 대한 제어 프로그램을 메모리로부터 공급받아 상기 제어부에서 동적해석을 수행하여 상기 표시부로 표시하는 낙하충격 시험단계;
상기 낙하충격 시험단계에서 낙하충격에 따른 상기 운반용기의 속도(Vz), 가속도(g-value), 스트레인(strain) 및 응력강도(stress intensity)값을 계산하는 응력계산 단계;
상기 운반용기와 충돌되는 강체의 충돌전후의 시간이력에 따라 상기 운반용기의 응력강도값을 분석하여 분석된 응력강도값과 허용응력강도를 비교하여 상기 운반용기의 구조적 건전성과 안전성을 평가하는 구조해석 평가단계, 및
상기 낙하충격 시험단계 후 상기 운반용기에 저장된 내용물이 외부로 누출되는지를 시험하는 누출시험단계를 포함하는 운반용기 진단방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 낙하충격 시험단계는 상기 운반용기의 9m 자유낙하에 대한 동적해석을 수행하여 낙하충격에 따른 상기 운반용기의 속도(Vz), 가속도(Acceleration, g-value), 스트레인(strain) 그리고 응력강도(stress intensity) 값을 구하고, 상기 운반용기가 충돌전후 운동 모드를 제대로 진행하고 있는지를 확인하기 위하여 시간이력(time history)에 따른 속도분포(Uz)를 분석하며, 시간이력에 따른 해석결과의 수렴을 유도하기 위하여 미세 시간 인터벌(time interval)을 △t=0.001sec로 하고, 충격후 시간이력은 t=0.15sec까지로 설정하는 운반용기 진단방법.
제3항에 있어서,
상기 구조해석 평가단계는
상기 운반용기의 내부에 열을 발생하는 방사성물질이 포함된 액체가 있을 경우를 가정한 내압조건 평가단계;
스틸 바가 상기 운반용기 표면에 설정높이에서 수직으로 낙하하는 운동에너지를 계산하는 관통조건 평가단계;
상기 운반용기 외부표면에 1시간 동안 50mm/hr 폭우가 쏟아질 때를 가정한 살수조건 평가단계, 및
상기 운반용기 중량의 5배 하중을 상기 운반용기 상단 모서리 4곳에 걸린다고 가정하여 직육면체의 3차원(x, y, z) 기하학구조로서 셸(shell), 솔리드 엘리먼트(solid element)를 적용하여 총 325개의 엘리먼트로 구성한 유한요소법 모델로 상기 운반용기에 걸리는 응력강도분포를 검출하는 압축조건 평가단계를 포함하는 운반용기 진단방법.
제4항에 있어서,
상기 살수조건 평가단계에서 열해석을 하며, 열해석을 위한 각종 계수 및 인자는 살수상태인 강제대류, 하절기 초기조건의 자연대류 열전달계수, 복사 및 방사열전달계수, 살수시간별 열전달계수 및 계수인자를 포함하는 운반용기 진단방법.