KR101603603B1 - 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치에 관한 것으로, 그 구성은 캐스크, 캐니스터 및 바스켓조립체를 서로 대응되도록 동일 비율로 축소한 형태의 시험용기; 상기 시험용기 저면을 지지하는 베이스; 상기 베이스 하부에 배치되어 일정량의 지진을 발생시키는 가진수단; 상기 시험용기 외부에 구비되어 가진수단을 통해 발생된 지진에 의해 유동하는 시험용기의 상태를 측정하는 측정수단; 및 상기 시험용기의 전도를 방지하는 견인수단;를 포함하여 구성된다.

Description

사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치{A seismic testing apparatus of Concrete containers for spent fuel}

본 발명은 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실제 사용되는 사용후핵연료용 콘크리트 용기에 비해 상대적으로 작은 크기의 용기를 이용해 자연환경상에서 지진이 발생하였을 경우에 미치는 영향을 실험을 통해 확인함으로써 지진시 발생할 수 있는 다양한 변화를 데이터화하여 설계된 콘크리트용기가 안전기준에 준하는지를 확인하고 실제 콘크리트용기 제작시 시험을 통해 얻어진 데이터를 활용할 수 있게 하는 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치에 관한 것이다.

원자력 발전소에서 소정 기간 사용된 후 연소를 종료하여 사용할 수 없게 된 핵연료를 사용후 핵연료라 한다. 사용후 핵연료는 냉각 과정을 거쳐 재처리 시설이나 저장소로 운반되는데, 사용된 핵연료라 해도 다량의 방사선과 붕괴열을 방출하는 방사성 물질이므로, 이를 수송 또는 저장하기 위해서는 외부의 충격에 대해 내용물을 안전하게 보호할 수 있으면서 방사선을 차폐하고 붕괴열을 원활히 방출할 수 있는 구조로 이루어진 전용의 용기를 필요로 한다.

통상적인 사용후 핵연료 수송 또는 저장용 용기는 대략 원통형으로 형성된 캐스크의 내부에 바스켓조립체가 수용된 구조로 이루어지며, 바스켓조립체는 사용후 핵연료가 수납된 다수의 바스켓이 격납부재에 의해 서로 소정 간격 이격되어 배열된 구조를 가진다.

사용후 핵연료 용기는 캐스크의 주재료에 따라 금속 용기와 콘크리트 용기로 구분된다. 이 중에서 금속 용기의 캐스크는 두꺼운 금속 벽체로 이루어진 캐스크 본체를 소정 두께의 중성자차폐재가 감싸는 구조를 갖으며, 상기 중성자차폐재는 캐스크본체의 외부를 감싸도록 이격되어 설치된 외부케이싱부의 내측 공간에 충전된 방식으로 구비되는 것이 일반적이다.

사용후 핵연료 용기는 저장 중에 다양한 자연재해조건에 놓여질 수 있다. 예를 들어 하절기에 태풍으로 인한 폭풍, 폭우로 인한 홍수 및 지진 등으로 인해 용기가 전도될 수 있다. 이러한 다양한 자연재해조건 하에서 내부에 수용된 사용후 핵연료를 안전하게 보호하는 것은 콘크리트 용기나 금속 용기 모두에게 공통적으로 요구되는 사항으로 구조적 건전성에 대한 검증이 더욱 중요한 문제가 된다. 이를 위해서는 규정에 따른 여러 가지 방식의 구조시험이 이루어져야 하는데, 실제의 사용후 핵연료 용기는 매우 크고 무거운 동시에 방사능 차폐를 위한 복잡한 구조물이기 때문에 그 설계 및 제작에 많은 비용과 시간이 소요된다. 이에 따라, 구조시험을 실제의 사용후 핵연료 용기를 이용하여 수행하는 것은 비용 면에서나 시간 면에서나 매우 비효율적인 것이 된다. 더욱이, 실제의 사용후 핵연료 용기를 이용할 경우 시험 환경을 다양하게 변경 및 조정하기도 어려워 시험의 신뢰성 및 편의성이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

이러한 신뢰성을 확보하기 위한 종래 기술로서 한국공개특허공보 제10-2014-0010626호 및 한국공개특허공보 제10-2010-0081865호가 개시되어 있다.

상기 종래의 기술에서는 열전도 시험 등에 대해서만을 시행하고 있을 뿐 지진에 대한 시험을 시행하고 있지 않아 지진에 대한 구조설계 조건을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 특성을 개선하기 위하여 제안된 것으로서, 실제 사용되는 사용후핵연료용 콘크리트 용기에 비해 상대적으로 작은 크기의 용기를 이용해 자연환경상에서 지진이 발생하였을 경우에 미치는 영향을 실험을 통해 확인함으로써 지진시 발생할 수 있는 다양한 변화를 데이터화하여 설계된 콘크리트용기가 안전기준에 준하는지를 확인하고 실제 콘크리트용기 제작시 시험을 통해 얻어진 데이터를 활용할 수 있게 하는 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치를 제공함에 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치는, 캐스크, 캐니스터 및 바스켓조립체를 서로 대응되도록 동일 비율로 축소한 형태의 시험용기; 상기 시험용기 저면을 지지하는 베이스; 상기 베이스 하부에 배치되어 일정량의 지진을 발생시키는 가진수단; 상기 시험용기 외부에 구비되어 가진수단을 통해 발생된 지진에 의해 유동하는 시험용기의 상태를 측정하는 측정수단; 및 상기 시험용기의 전도를 방지하는 견인수단;를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 가진수단은 시험용기를 상, 하, 좌, 우로 유동시키도록 한다.

또한 상기 가진수단은 1 ~ 9.9 까지의 진도(intensity)를 발생시킨다.

그리고 상기 측정수단은 시험장치의 기울기를 측정하는 변위각 센서와, 유동 속도를 측정하는 가속도 센서와, 이동 거리를 측정하는 변위 센서로 구성된다.

또한 상기 가속도 센서와 변위각 센서는 상기 시험장치의 상단과 하단에 각각 설치된다.

그리고 상기 변위센서는 상기 시험용기 상단에 서로 직교되는 방향에 대해 4개가 설치된다.

또한 상기 견인수단은 시험용기 상단에 결속되는 견인고리와, 상기 견인고리와 연결되는 와이어와, 상기 와이어를 천정에 연결시켜 시험용기를 지지하는 지지체로 구성된다.

그리고 상기 지지체는 천정에 형성된 레일을 따라 이동 가능하다.

본 발명에 따르면, 실제 사용되는 사용후핵연료용 콘크리트 용기에 비해 상대적으로 작은 크기의 용기를 이용해 자연환경상에서 지진이 발생하였을 경우에 미치는 영향을 실험을 통해 확인함으로써 지진시 발생할 수 있는 다양한 변화를 데이터화하여 설계된 콘크리트용기가 안전기준에 준하는지를 확인하고 실제 콘크리트용기 제작시 시험을 통해 얻어진 데이터를 활용할 수 있게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치를 나타내는 개략도.
도 2는 도 1에 도시된 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치를 나타내는 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 사용후핵연료용 콘크리트용기 전도시험장치의 전도 시험을 나타내는 도면.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.

이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치는 베이스(110), 시험용기(120), 가진수단(130), 측정수단(140) 및 견인수단(150)을 포함하여 구성되어 있다.

상기 베이스(110)는 일정한 두께를 가지는 콘크리트 패드로서 사용후핵연료 콘크리트용기가 실제 설치되는 장소와 동일한 조건으로 시험하기 위한 것으로 지진시험시 시험용기가 콘크리트 패드에서 마찰 등에 의해 발생되는 변수를 최소화하기 위한 구성이다.

또한 상기 베이스(110) 상면에는 도시하고 있지는 않지만 일정량 충격을 흡수할 수 있도록 완충패드를 설치할 수도 있으며, 완충패드로는 자체 탄성을 가지는 우레탄, 실리콘 등을 이용할 수 있다.

상기 시험용기(120)는 실제 사용후핵연료 용기 모델의 캐스크를 일정 비율, 예를 들어 1/4로 축소한 것으로, 검증 대상인 실제 사용후핵연료 용기 모델의 캐스크에 대해 크기만 축소되고 구조는 거의 동일한 형태를 갖는다. 즉, 상기 시험용기(120)는 내부에 상기 캐니스터가 수용되는 캐비티가 구비된 두꺼운 벽체 구조의 원통형 캐스크본체, 이 캐스크본체의 외주부에 결합된 외부케이싱, 상기 캐스크본체의 외부를 감싸도록 상기 외부케이싱의 내부에 충전된 차폐재를 포함하여 구성된다. 상기 차폐재는 실제 용기에 사용되는 중성자차폐재로 이루어질 수도 있고, 중성자차폐재와 유사한 물성을 갖는 다른 물질로 대체될 수도 있다.

즉, 본 발명에서 이용되는 시험용기는 실제 사용되는 사용후핵연료용 콘트리트용기를 축소하여 형성한 것이다.

또한 상기 시험용기(120)의 외부면에는 시험용기에 지진에 의해 진동이 발생하였을 경우 발생하는 변형, 움직임, 진동, 충격을 측정수단(140)이 배치되어 있으며, 상기 측정수단(140)은 시험용기 상단 둘레면에 배치되는 4개의 가속도 센서(142)와, 하단 둘레면에 배치되는 4개의 변위각 센서(141)와, 상단 둘레면에서 외부의 벽체(미도시)와 연결되는 변위 센서(143)로 구성되어 있다.

여기서 상기 변위 센서(143)는 벽체와 탄성을 갖는 와이어(미도시)에 의해 연결되어 시험용기가 위치 이동할 경우에도 그에 대해 탄력적인 대응할 수 있게 하고 있다.

상기 변위각 센서(141)는 시험용기(120)가 베이스 상에서 유동시 발생하는 변위각을 측정하는 센서이며, 상기 가속도 센서(142)는 베이스 상에서 시험용기(120)가 유동하는 속도 및 충격량을 측정하는 센서이고, 상기 변위 센서(143)는 시험용기(120)가 베이스 상에서 이동하는 거리를 측정하기 위한 센서이다.

즉, 상기 변위각 센서(141)는 가진수단(130)에 의해 발생되는 가진에 의해 유동시 시험용기가 어느 정도의 변동 각도에서 전도되는지를 확인하기 위한 수단이고, 상기 가속도 센서(142)는 가진수단에 의해 발생된 진동에 의해 시험용기가 얼마나 많은 충격을 받는지와 얼마나 빠른 이동 속도를 가지는지를 측정하는 수단이며, 상기 변위 센서(143)는 진동에 의해 이동한 거리를 측정하는 수단이다.

여기서 각각의 센서들은 시험용기에서 얻어지는 신호를 데이터화하여 사용자에게 표시할 수 있는 모니터링부(미도시)와 연결되고, 상기 모니터링부는 각 센서 및 가진수단을 제어하고 신호를 연산할 수 있는 프로그램이 설치되어 있다.

상기 가진수단(130)은 내부에 수평 방향과 수직 방향으로 진동을 발생시키기 위한 수단이 구성되어 있으며, 진동 발생 수단으로는 X,Y,Z 방향으로 각각 설치된 유압 실린더에 의해 이루어지게 하는 것이 가능하나 X,Y,Z 방향으로 움직이게 할 수 있는 구성이라면 어떠한 것도 포함할 수 있다.

또한 상기 가진수단(130)은 1 ~ 9.9의 진도를 가지는 정도로 가진을 발생시킬 수 있는 구성으로 한국원자력안전기술원에서 정하는 안전기준에 근거하였을 때 사용후핵연료의 보관용기의 안전 기준이 0.3G(진도 약 6 ~ 6.9)에서 안정적으로 유지될 수 있는지를 시험할 수 있게 하는 구성이다.

예컨대 본 발명에서의 가진수단은 안전기준 이상의 조건에서 지진을 발생시켰을 경우에 대해서도 시험용기를 통해 실험할 수 있기 때문에 시험용기를 통해 얻어지는 데이터를 근거로 용기를 다양하게 설계하는 것이 가능해진다.

상기 견인수단(150)은 시험용기(120)의 상단에 결속되는 견인고리(151)와, 상기 견인고리(151)와 연결되는 와이어(152)와, 상기 와이어(152)가 연결되며 천정을 따라 수평 방향 이동이 가능한 지지체(153)로 구성되어 있다.

상기 지지체(153)는 천정에 설치된 레일(미도시)을 따라 전기적 신호에 의해 수평 방향 이동이 가능한 구성으로, 지진 시험시 시험용기가 진동에 의해 넘어질 경우 이를 지탱해 주는 역할을 수행한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작상태를 설명한다.

우선 시험용기(120)를 이동수단(미도시)을 이용해 베이스(110) 위에 안치시킨고, 시험용기(120)가 넘어지는 것을 방지하기 위해서 견인고리(151)를 결속시켜 안정시킨다.

이 후 가진수단(130)을 X,Y,Z 방향으로 유동할 수 있도록 신호를 인가하여 동작시킨다. 이때 동작 신호는 지진의 규모 정도에 대해 사전에 설정된 값으로 동작하게 한다.

즉, 지진의 규모는 통상 0~2.9, 3~3.9, 4~4.9, 5~5,9, 6~6.9, 7~7,9, 8~8,9, 9 이상의 진도로 표지하고 있으므로 이를 근거로 설정하여 단계를 달리하며 시험용기에 진동을 전가하는 것이다.

예를 들어 진도 6~6.9가 되도록 가진수단을 동작시켰을 경우 설치된 시험용기가 정상적으로 위치하고 있는지 아니면 유동시 얼마나 많은 움직임을 가지는지를 테스트하는 것이다.

가진수단에 의해 진동이 발생하면 발생된 진동은 시험용기에 전달되어 베이스로부터 상, 하, 좌, 우 움직이게 되는데 이를 시험용기에 설치된 가속도 센서, 변위각 센서, 변위 센서를 이용해 각각 정보를 얻게 된다.

즉, 변위각 센서를 통해서는 유동하는 시험용기의 유동 각도를 측정하게 되고, 가속도 센서에는 유동에 따른 시험용기의 이동 속도와 시험용기에 가해지는 충격을 측정하며, 변위 센서는 진동에 따른 시험용기의 이동 거리를 측정하게 되는 것이다.

이를 통해 얻어지는 측정값들은 안전기준에 부합하는지를 판단할 수 있는 근거 데이터로 활용하게 되고, 만일 가진수단에서 발생된 진동에 의해 시험용기가 안정기준 이상 유동하며 전도되었을 경우 이를 근거로 안전 설계를 변경하여 실제 사용후핵연료용 콘크리트용기에 적용할 수 있게 된다.

이와 같이 시험용기를 이용해 지진에 의한 안정성을 미리 측정할 수 있게 함으로써 실제 사용되는 사용후핵연료용 콘크리트용기에 적용시 지진에 의한 안정성을 정확히 확보할 수 있게 되므로 사용후핵연료용 콘크리트용기에 대한 안정적인 운영이 가능하게 된다.

또한 실제 크기에 비해 상대적으로 작은 크기를 이용해 실험을 하기 때문에 실제 사용되는 용기를 사용할 경우에 비해 제작 원가를 대폭 절감할 수 있고 반복적인 시험이 가능하기 때문에 이를 통해 얻어지는 데이터의 활용을 다양하게 적용할 수 있게 된다.

따라서 더욱 안정적인 사용후핵연료 콘크리트용기를 설계하는 것이 가능해지므로 효율적인 사용후핵연료 콘크리트용기 운영이 가능해진다.

한편 본 발명에서는 콘크리트용기에 한정하여 기재하고 있지만 사용후핵연료를 보관하기 위한 용기(원형용기)에는 모두 적용하는 것이 가능하다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 내용에 대한 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.

즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

110 : 베이스 120 : 시험용기
130 : 가진수단 140 : 측정수단
150 : 견인수단

Claims (8)

1. 캐스크, 캐니스터 및 바스켓조립체로 구성된 사용후핵연료용 콘크리트용기를 서로 대응되도록 동일 비율로 축소한 형태의 시험용기;
   상기 시험용기 저면을 지지하는 베이스;
   상기 베이스 하부에 배치되어 일정량의 지진을 발생시키는 가진수단;
   상기 시험용기 외부에 구비되어 가진수단을 통해 발생된 지진에 의해 유동하는 시험용기의 상태를 측정하는 측정수단; 및
   상기 시험용기의 전도를 방지하도록 시험용기 상단에 결속되는 견인고리와, 상기 견인고리와 연결되는 와이어와, 상기 와이어를 천정에 연결시켜 시험용기를 지지하며 천정에 형성된 레일을 따라 이동하는 지지체로 구성된 견인수단;을 포함하며,
   상기 측정수단은 시험장치의 기울기를 측정하는 변위각 센서와, 유동 속도를 측정하는 가속도 센서와, 이동 거리를 측정하는 변위 센서로 구성되고, 상기 가속도 센서와 변위각 센서는 상기 시험용기의 상단과 하단에 각각 설치되며, 상기 변위 센서는 벽체와 탄성을 갖는 와이어에 의해 연결되어 시험용기가 위치 이동할 경우에도 그에 대해 탄력적인 대응이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가진수단은 시험용기를 상, 하, 좌, 우로 유동시키도록 하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가진수단은 1 ~ 9.9 까지의 진도(intensity)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 변위센서는 상기 시험용기 상단에 서로 직교되는 방향에 대해 4개가 설치되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료용 콘크리트용기 지진시험장치.
7. 삭제
8. 삭제

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