KR102033927B1 - 원전 운전 조건에 따른 냉각제의 유동을 고려한 원자로구조물의 지진해석방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원전 운전 조건에 따른 냉각제의 유동을 고려한 원자로구조물의 지진해석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동을 고려하여 지진해석모델의 정확성을 향상시키고, 구조노드로부터의 변위벡터를 도출하고 각각의 해석 응답에 따른 변위벡터를 합산하여, 합산된 변위벡터에 따른 정해석을 수행하여 최종 응력값을 도출함으로써, 유체-구조 연계해석에 따른 해석부하를 현저하게 감소시키며 높은 정확성을 갖는 원자로구조물의 지진해석방법에 관한 것이다.
Description
본발명은 원전 운전 조건에 따른 유동을 고려한 원자로구조물의 지진해석방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 원전 가동 조건을 고려하여 원자로 내에 유동하는 냉각수에 의한 원자로 용기 및 내부구조물에 인가되는 유체하중을 고려한 원자로구조물의 지진해석방법에 관한 것이다.
전력생산, 담수화시설, 열병합 발전 등의 원자력 발전시설에 구비되는 원자로는 매우 거대하고 질량이 큰 구조물이기 때문에 내진 시험을 위한 구조 가진이 어렵다는 문제점이 야기되어 왔다. 또한, 가진 시스템 및 측정 시스템을 구축하는 비용적인 측면뿐만 아니라, 시험을 수행하기 위한 인력 또한 매우 많이 요구된다. 또한, 실제 운전 중에 있는 원전에서는 시험을 수행할 수 없고 원전의 설계 단계에서만 시험 수행이 가능하다는 단점이 있다.
이에 따라서, 원자로의 지진에 의한 동특성을 시험하기 위해서 원자로의 축소 모형을 제작하여 시험을 수행하고 있으나, 이 또한 경제적으로 매우 큰 손실이 있으며, 원자력 시설의 변화에 따라 원자로의 축소 모형을 재제작하여야 하는 문제점이 발생되고, 이를 해결하기 위해 최근에는 원자로의 설계 단계에서 유한요소해석을 통해 원자로의 동특성을 분석하거나 지진응답을 분석하고 있다.
그러나, 종래의 원자로구조물의 지진응답해석에서는 원전 운전 상태에서의 내부 유체 거동을 고려하지 않고 구조적인 관점에서 지진응답을 분석하고 있다.
또한, 유체 거동에 관한 해석을 수행한 경우에는 지진에 의한 가진이 없는 정적인 상태에 대한 연구가 주로 수행되어 왔으며, 한국등록특허공보 제10-0957061호(3차원 전산유체역학을 이용한 원자로 열수력 안전해석 방법, 2010.05.03)에서는 원자로 유체채널에 대한 3차원 CAD 형상을 이용하여 입력되는 노드화(nodalization)의 위치정보에 따라 자동으로 유체채널의 형상정보를 추출하고, 추출된 유체채널의 형상정보와 이를 바탕으로 3차원 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)계산을 통해 얻어진 노드별 압력손실계수를 구하는 방법에 관하여 공지하고 있다. 또한, 이러한 3차원 CFD 소프트웨어들은 원자로 유체채널의 3차원 형상을 충분히 반영하여 계산이 가능하다는 장점이 있으나, 시간에 따라 유동양상이 변화하는 과도상태 해석(transient state analysis)을 수행하기에는 그 계산에 소요되는 시간이 과다하게 길기 때문에, 상기 문헌에서는 원자로 유체채널이 대한 형상 정보를 다공성 매질 모델로 모사하여 대체하여 분석하는 방법을 공지하고 있다.
이와 같이, 구조가 복잡하고 큰 원자로의 내부를 유동하는 유체를 고려한 유체-구조 연계해석에 있어서는 유체의 흐름에 의해 유발되는 동수압(hydrodynamic pressure)이 접하고 있는 구조체에 하중으로 작용하고 또한 유체의 동수압에 의한 구조체의 움직임은 유체가 차지하고 있는 기하학적 영역을 변화시킨다. 따라서, 유체가 구조물에 미치는 동수압은 구조물에 하중 경계조건(boundary condition)으로 반영되는 반면, 구조물의 거동은 유체 유동의 경계영역 및 경계에서의 속도로 반영된다. 이때, 원자로 내부를 유동하는 유체가 난류를 형성함에 따라, 과도하게 뒤틀린 요소가 발생하여 요소망 조정이 수반되어야 하며, 이 경우에는 유체의 자유표면을 파악하기 위한 수치기법이 추가로 요구되고, 정확도를 높이기 위해 요소크기가 작아지며 해석의 부하가 현저하게 증가하여 전산해석을 수행하기 위한 시간이 과도하게 발생한다는 문제점이 발생한다.
상기와 같이 해석 부하를 줄이기 위하여, 종래에서는 구조해석과 유체해석을 독립하여 수행함으로써 지진응답을 얻고 있으나, 이때 얻은 지진응답의 최대응력을 단순 합하여 원자로구조물이 과도 설계되고 있다는 문제점이 있으며, 원자로구조물의 구조적인 하중과 냉각제의 유동에 따른 유체해석이 연계되지 못하여 지진에 따른 원자로에서의 실제 거동과의 정확성이 떨어진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 원자로용기 및 내부구조물을 포함하는 원자로구조물에 원전 운전 상태에서의 내부 유체 거동을 고려하여 외부로부터의 지진 신호에 따른 원자로구조물의 지진해석방법을 제시하고자 한다.
본 발명은,원자로용기 및 내부구조물의 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동을 고려한 원자로구조물의 지진해석 방법에 관한것으로, 상기 원자로 용기 및 내부구조물의 형상에 따른 유한요소 해석모델을 모델링하는 구조물모델링단계, 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동하중에 따른 상기 해석모델의 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 유동하중 해석단계 및 지진에 의한 구조하중에 따른 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 구조하중 해석단계를 포함하는 변위벡터도출단계 및 상기 변위벡터도출단계에서 도출된 각각의 상기 구조노드에 대응되는 상기 변위벡터를 합산하고, 합산된 상기 변위벡터를 상기 해석모델의 각각에 대응되는 구조노드에 인가한 후, 합산된 상기 변위벡터가 인가된 해석모델에 따른 정해석을 수행하여 상기 구조노드에서의 최종응력을 도출하는 변위기반응력합도출단계를 포함하되, 상기 해석모델은 상기 변위벡터도출단계 및 상기 변위기반응력합도출단계에서의 구조노드에 경계가 일치되도록 구조, 하중 및 방향축이 동일한 단일 해석모델을 이용하며, 상기 변위기반응력합도출단계는 상기 변위벡터도출단계에서 독립적으로 수행되어 도출된 각각의 해석 응답에 따른 변위벡터를 상기 변위벡터에 대응되는 각각의 구조노드에 인가하고, 각각의 해석 응답에 따른 다수의 변위벡터가 합산된 상기 단일 해석모델에 대한 정해석을 수행하여, 상기 합산된 변위벡터에 따른 최종응력값을 도출함으로써, 원전의 운전 조건에 따른 냉각제의 유동을 고려한 유체-구조 연계해석에 따른 해석부하를 해소시켜, 원자로용기 및 내부구조물의 과도설계를 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조물모델링단계에서 상기 원자로용기 및 내부구조물의 유한요소 해석모델은 3차원의 형상을 갖는 솔리드요소를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유동하중 해석단계는 펌프 모터회전수 및 날개 통과 주파수에 의해 인가되는 상기 냉각제의 조화주파수로부터 발생하는 가진력으로 인한 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 주기적수력하중 해석 단계를 포함하며, 상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 펌프 모터회전수 및 날개 통과 주파수에 의해 인가되는 상기 냉각제의 조화주파수로부터 발생하는 가진력으로 인한 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한,상기 유동하중 해석단계는 상기 원자로구조물 내부에 유동하는 냉각제의 난류유동에 의한 상기 원자로구조물에 작용하는 압력을 파워 스펙트럼 밀도의 형태로 추출하여 상기 해석모델에 인가한 후, 랜덤진동해석을 수행하여 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 불규칙적수력하중 해석 단계를 포함하며, 상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 원자로구조물 내부에 유동하는 냉각제의 난류유동에 의한 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조하중 해석단계는 상기 해석모델에 거대질량법을 통해 지진신호를 인가하고, 상기 지진신호에 따른 시간이력해석을 수행하여 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하되, 상기 지진신호에 따른 냉각제의 유동해석 및 상기 원자로구조물의 구조해석을 독립하여 수행한 각각의 변위벡터를 도출하고, 상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 지진신호에 의해 각기 독립하여 도출된 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 변위벡터도출단계는 원전 가동에 상태에 따른 상기 원자로내부구조물의 열하중으로 인한 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 열하중 해석 단계를 포함하되, 상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 원자로내부구조물의 열하중에 의해 냉각제의 수축 또는 팽창에 따라 변형되는 냉각제의 유동하중에 의한 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 원전 가동 상태를 고려한 원자로구조물의 지진응답해석방법을 통하여 기존의 원자로구조물의 지진응답해석의 정확성을 향상시키며, 주기적수력하중, 불규칙적수력하중 및 지진에의한 구조하중에 따른 변위벡터를 합산하여, 유한요소 해석모델에 인가하여 정해석을 수행하는 변위기반응력합 도출 방법을 제시하여, 유체-구조 연계해석에 따른 해석부하를 현저히 감소시키며 높은 정확성을 갖는 원자로구조물의 지진응답해석방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원자로구조물의 지진해석방법을 도시한 순서도.
도 2는 원자로 용기 및 내부구조물을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유한요소 해석모델을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 원자로구조물의 지진해석방법을 도시한 순서도.
도 2는 원자로 용기 및 내부구조물을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유한요소 해석모델을 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 원자로구조물의 지진해석방법을 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 원자로구조물의 지진응답해석방법에 대한 순서도로서, 도 1을 참조하면, 원자로 용기 및 내부구조물의 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동을 고려한 원자로구조물의 지진해석 방법은, 원자로 용기 및 내부구조물의 형상에 따른 유한요소 해석모델(100)을 모델링하는 구조물모델링단계(S100)와 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동하중에 따른 상기 해석모델의 구조노드(111)에서의 변위벡터를 도출하는 유동하중 해석단계(S210) 및 지진에 의한 구조하중에 따른 상기 구조노드(111)에서의 변위벡터를 도출하는 구조하중 해석단계(S220)를 포함하는 변위벡터도출단계(S200) 및 상기 변위벡터도출단계(S200)에서 도출된 각각의 상기 구조노드(111)에 대응되는 상기 변위벡터를 합산하고, 합산된 상기 변위벡터를 상기 해석모델(100)의 각각에 대응되는 구조노드(111)에 인가한 후, 합산된 상기 변위벡터가 인가된 해석모델(100)에 따른 정해석을 수행하여 상기 구조노드(111)에서의 최종응력을 도출하는 변위기반응력합도출단계(S300)을 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는, 상술한 본 발명에 따른 원자로구조물의 지진해석방법을 각 단계별로 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 원자로 용기 및 내부구조물을 도시한 단면도이며, 도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 원자로구조물의 유한요소 해석모델을 도시한 사시도로서, 상기 도 2 내지 도3를 참조하면, 상기 원자로구조물의 내부를 유동하는 냉각수는 노심 상부에 설치된 입구노즐(10)을 통해 원자로에 유입되며, 노심을 둘러싸고 있는 배플(20)과 용기(30)벽 사이의 통로를 통하여 압력용기 하부로 흐른 다음, 하부공동을 거쳐 방향을 바꾸어 노심 상부로 향한다. 이때 냉각수는 노심의 연료봉(21) 사이 공간을 지나며 핵연료에서 발생한 열을 전달 받고 상부 안내 구조물을 거쳐 출구 노즐(40)을 통해 원자로 외부로 빠져나간다. 이때, 상기 도 2 및 도 3에 도시한 상기 원자로구조물 및 상기 해석모델은 본 발명의 지진해석을 수행하기 위한 일실시예에 따른 예시로써, 본 발명의 상기 해석모델의 형상 또는 구조는 본 발명의 요지에 벗어남 없이 다양한 형상 또는 원자로내부구조물을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 구조물모델링단계(S100)는 상기 원자로용기 및 내부구조물의 형상에 따른 유한요소 해석모델(100)을 모델링하는 단계로서, 전산을 이용한 유한요소해석을 수행하기 위해, 실제 원자로의 형상을 CAD등의 프로그램을 이용하여 3D의 형상으로 모델링한 후, 모델링된 3D모델에 유한개의 세부 영역(element)들로 분할한 요소망(110, mesh)을 형성하여 상기 유한요소 해석모델(100)을 모델링한다. 이때, 상기 요소망(110)은 해석이 이루어지는 각각의 구조노드(111, node)들로 이루어지며, 상기 CAD등의 3D모델링 프로그램으로 모델링된 CAD모델에 유한요소 프로그램에 내장된 자동요소망생성 기능을 이용하여 해석 대상 구조물의 특징과 해석의 목적 및 원하는 결과 요소를 적절하게 선택하여 구성할 수 있다.
본 발명의 상기 유한요소 해석모델(100)의 경우, 상기 원자로구조물은 육면체, 쐐기, 피라미드 또는 사면체등의 3차원의 형상의 갖는 솔리드요소로 형성되는 것이 바람직하며, 이때, 도 3에서 도시된 바와 같이 각각의 상기 구조노드(111)는 x, y 및 z축 방향으로의 자유도를 갖는다. 또한, 상기 원자로의 내부를 유동하는 냉각제를 포함하는 내부유체는 상기 내부유체가 차지하고 있거나 상기 내부유체로 둘러싸인 공간에 요소망을 생성하는 유체요소로 형성될 수 있다.
상기 변위벡터도출단계(S200)는 원전 가동 상태에서 발생하는 내부 냉각제의 유동을 고려한 지진응답해석을 수행하여 상기 해석모델(100)의 구조노드(111)에서 발생하는 변위벡터를 도출하는 단계로서, 주기적 수력 하중 해석단계(S210), 불규칙적 수력 하중 해석단계(S220) 및 지진에 의한 구조하중 해석단계(S230)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 각각의 해석에 따른 상기 해석모델(100)의 구조노드(111)에서 발생하는 변위벡터를 도출할 수 있다.
상기 원자로 내부의 냉각제의 유동은 주기적수력하중과 불규칙적수력하중으로 분류할 수 있고, 상기 주기적수력하중은 상기 원자로내부의 냉각제 순환을 위해 원자로 압력용기에 장착되는 냉각제펌프의 맥동하중으로 인해 발생하며, 이때, 상기 맥동하중은 펌프모터회전수(Rotor Frequency)와 날개 통과 주파수(Blade-passing Frequency)에 의해 발생한다.
따라서, 상기 주기적수력하중 해석단계(S210)에서는 상기 펌프모터회전수 및 날개 통과 주파수에 따른 조화주파수로부터 발생하는 가진력에 의한 내부구조물의 주기적인 하중을 고려하여야 하며, 상기 펌프모터회전수 및 날개 통과 주파수는 상기 냉각제펌프의 성능에 좌우된다. 이때, 상기 펌프의 가동범위를 고려하여 20Hz, 40Hz, 120Hz, 240Hz, 360Hz 또는 480Hz 중 선택되는 하나 이상의 조화주파수를 상기 해석모델 상의 유체요소에 인가하여 주기적 수력하중에 의한 원자로 및 원자로 내부구조물의 응답을 분석하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 주기적 수력하중은 상기 냉각제의 거동을 주파수 영역으로 변환시켜 주파수 별로 동적응답을 분석하는 주파수 응답 해석(Frequency response analysis)을 통하여 분석될 수 있다. (S210 ~ S211)
또한, 상기 불규칙적 수력하중은 상기 원자로 내부를 유동하는 냉각수의 난류에 의해 발생하기 때문에 통계학적인 접근을 통해 분석할 필요가 있다. 따라서, 상기 불규칙적 수력하중 해석단계(S220)는 상기 원자로 내부유체의 유동에 대하여, ANSYS CFX 등의 유동해석 프로그램을 사용하여 시간이력해석을 수행함으로써 상기 불규칙적 수력하중으로 인해 상기 원자로구조물에 작용하는 압력을 상기 원자로구조물의 주요 영역별로 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density, PSD)의 형태로 추출하여, 추출된 상기 파워 스펙트럼 밀도(PSD)를 상기 원자로구조물의 해석모델(100)의 표면에 인가한 후, 랜덤진동분석(Random Vibration Analysis)을 수행하여 상기 불규칙적수력하중에 의한 원자로구조물의 응답을 얻을 수 있다.(S220 ~ S221)
상기 시간이력해석은 외란을 받아 움직이는 물체의 동적거동을 시간적인 측면에서 분석하는 방법으로, 상기 원자로구조물의 해석모델(100)에서의 동응답을 분석하여 상기 해석모델의 각 구조노드(111)에서의 응답을 분석할 수 있다.
상기 파워 스펙트럼 밀도는 단위 시간당 에너지를 일률 혹은 파워(power)로 정의하며, 외란이 지속되는 시간동안 전달되는 에너지를 모두 합하여 외란을 통해 전달되는 총 에너지를 구할 수 있다. 이때, 상기 파워 스펙트럼 밀도란 시간 함수로 표현되는 에너지를 푸리에 변환을 통해 주파수 함수로 변환하였을 경우, 각 주파수 별 에너지의 크기를 나타낸다. 따라서, 상기 불규칙적수력하중 해석단계(S220)에서는 상기 원자로구조물의 주요 영역별로 나누어 각 영역마다 작용하는 압력에 대한 파워 스펙트럼 밀도를 산출하고, 상기 내부유체와 인접하는 상기 원자로구조물의 벽면에 상기 파워 스펙트럼 밀도를 인가하여, 상기 랜덤진동분석을 수행할 수있다.
상기 랜덤진동분석은 상기 내부유체의 난류로인한 복잡한 유체의 거동을 시간응답(time response)으로 분석하는 것을 말하며, 일반적인 동응답(dynamic response)해석과 마찬가지로 푸리에변환 등을 통하여 시간영역 혹은 주파수 영역으로 수행할 수 있다. 이와 같이, 상기 불규칙적 수력하중 해석단계(S220)는 상기 원자로 내부유체의 난류유동에 있어서, 상기 해석모델(100)의 각 구조노드(111)에서의 시간이력응답을 파워 스펙트럼 밀도의 형태로 산출하고, 산출된 상기 파워스펙트럼 밀도(PSM)를 상기 원자로구조물의 유한요소 해석모델(100)의 벽면에 인가하여, 시간응답에 따른 상기 내부유체의 난류유동에 대한 유동하중을 분석하여, 상기 해석모델의 각 구조노드(111)에서의 응답을 얻을 수 있다.
상기 지진에 의한 구조하중 해석 단계(S230)는 상기 원자로구조물의 유한요소 해석모델에 거대질량법(Large Mass Method)를 통해 지진 신호를 인가한 후, 상기 해석모델(100)에 따른 시간이력해석을 수행함으로써 상기 지진에 의한 구조하중에 대한 응답을 얻을 수 있다. (S230 ~ S231)
상기 거대질량법은 지반으로부터 전달되는 지진의 효과를 모사하기 위해 매우 큰 질량을 갖는 요소를 지정하고 구조물과 연성시켜 지진 입력 신호를 인가하는 방법으로, 피실험대상의 질량의 10^5 ~ 10^6 의 크기를 갖는 요소로 구성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 구조하중 해석단계(S230)은 상기 거대질량법에 의해 인가되는 지진신호에 따른 상기 원자로구조물 내부 냉각제의 유동에 의한 하중을 고려하여 더욱 정확한 해석 응답을 도출할 수 있으며, 바람직하게는 상기 냉각제의 유체요소를 상기 원자로구조물의 솔리드요소와 독립하여 각각의 요소에 거대질량법에 의한 변위벡터를 도출하고, 대응되는 각각의 상기 구조노드(111)에서의 변위벡터를 합산하여 유체-구조 연계해석에 따른 경계조건의 해석부하를 해소할 수 있다.
상기 변위기반응력합도출단계(S300)는 상기 변위벡터도출단계(S200)에서 도출된 변위 벡터의 합을 구하고, 이를 상기 해석모델(100)의 구조노드(111)에 인가 후, 정해석을 수행하여 최종응력을 도출하는 단게로서, 상기 주기적 수력하중 해석 단계(S210), 불규칙적 수력 하중 해석 단계(S220) 및 지진에 의한 구조하중 해석 단계(S230) 이후, 각각의 해석 단계에서 도출한 상기 해석모델(100) 각각의 구조노드(111)의 변위벡터를 합산하고, 상기 합산된 변위벡터를 상기 해석모델(100)의 대응되는 각 구조노드에 인가한 후, 정해석(Static Analysis)를 수행하여 최종적인 응력을 도출할 수 있다.(S310 ~ S320)
이때, 상기 변위벡터도출단계(S200) 및 상기 변위기반응력합도출단계(S300)에서의 상기 해석모델은 구조, 하중 및 방향 축이 동일한 하나의 해석모델(100)을 이용함에 따라서, 각각의 해석단계에서의 구조노드(111)의 경계가 일치되어 상기 구조노드(111)에 따른 상기 변위벡터를 합산할 수 있다.
또한, 상기 변위기반응력합도출단계(S300)는 상기 구조노드(111)에 인가되는 변위벡터 합산 값에 의해 상기 해석모델(100)에 압축, 인장 또는 비틀림과 같은 기하학적 형상의 변형이 발생하고, 상기 해석모델(100)의 각각의 구조노드(111)에 인가된 변위벡터의 크기 및 방향에 따라 전단응력, 인장응력 또는 압축 수직응력 등의 최종적인 응력을 도출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 원자로구조물의 지진해석 방법을 도시한 순서도로서, 도 4를 참조하면 상기 변위벡터도출단계(S200)는 원전 가동 상태에 따른 상기 원자로구조물의 열하중으로 인한 상기 구조노드(111)에서의 변위벡터를 도출하는 열하중 해석단계(S240 ~ S241)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 열하중 해석단계(S240)는 상기 원자로구조물 내부의 노심 및 상기 노심으로부터 열전달되어 상기 원자로구조물 내부를 유동하는 냉각제의 열변형에 의해 발생하며, 상기 원자로구조물 또는 냉각제의 수축 또는 팽창의 변형이 발생하고, 이때 상기 구조노드(111)에 인가되는 변위벡터를 도출하여 상기 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동하중 및 지진에 의한 구조하중에의해 도출된 변위벡터와 합산하여, 상기 해석모델(100)의 지진응답해석에 있어서 더욱 높은 신뢰성을 갖도록 할 수 있다.
상기한 방법에 따른 본 발명의 원자로구조물의 지진해석 방법은 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동을 고려하여 지진해석모델의 정확성을 향상시키고, 상기 구조노드(111)로부터의 변위벡터를 도출하여 최종응력을 도출하는 변위기반응력합도출 방안에 따라, 기존의 최대응력을 단순합하여 원자로용기 및 내부구조물이 과도설계되는 것을 방지하고, 유동하중 해석 및 구조하중 해석을 독립적으로 수행하고, 각각의 해석 응답에 따른 변위벡터를 합산하여 상기 해석모델(100)에 인가 후, 정해석을 수행하여 상기 합산된 변위벡터에 따른 최종응력값을 도출함으로써, 유체-구조 연계해석에 따른 해석부하를 현저하게 감소시키며, 높은 정확성을 갖는 효과가 있다. 이때, 상기 최종응력값은 기존의 각 구조노드에서의 최대응력의 합이 아닌, 변위벡터의 합산으로 산출하여, 상기 해석모델(100)에 인가하여 정해석을 수행함에 따라, 상기 변위벡터의 합산에 의해, 상기 구조노드(111)에서의 공진 또는 감진에 따른 정확한 응력값을 도출할 수 있어 원자로구조물의 지진해석에 있어 높은 신뢰성을 갖는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 유한요소 해석모델
110 : 요소망 111 : 구조노드
110 : 요소망 111 : 구조노드
Claims (7)
- 원자로용기 및 내부구조물의 원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동을 고려한 원자로구조물의 지진해석 방법에 있어서,
상기 원자로 용기 및 내부구조물의 형상에 따른 유한요소 해석모델을 모델링하는 구조물모델링단계;
원전 가동 상태에 따른 냉각제의 유동하중에 따른 상기 해석모델의 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 유동하중 해석단계, 및 지진에 의한 구조하중에 따른 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 구조하중 해석단계,를 포함하는 변위벡터도출단계; 및
상기 변위벡터도출단계에서 도출된 각각의 상기 구조노드에 대응되는 상기 변위벡터를 합산하고, 합산된 상기 변위벡터를 상기 해석모델의 각각에 대응되는 구조노드에 인가한 후, 합산된 상기 변위벡터가 인가된 해석모델에 따른 정해석을 수행하여 상기 구조노드에서의 최종응력을 도출하는 변위기반응력합도출단계;
를 포함하되,
상기 해석모델은 상기 변위벡터도출단계 및 상기 변위기반응력합도출단계에서의 구조노드에 경계가 일치되도록 구조, 하중 및 방향축이 동일한 단일 해석모델을 이용하며,
상기 변위기반응력합도출단계는,
상기 변위벡터도출단계에서 독립적으로 수행되어 도출된 각각의 해석 응답에 따른 변위벡터를 상기 변위벡터에 대응되는 각각의 구조노드에 인가하고, 각각의 해석 응답에 따른 다수의 변위벡터가 합산된 상기 단일 해석모델에 대한 정해석을 수행하여, 상기 합산된 변위벡터에 따른 최종응력값을 도출함으로써,
원전의 운전 조건에 따른 냉각제의 유동을 고려한 유체-구조 연계해석에 따른 해석부하를 해소시켜, 원자로용기 및 내부구조물의 과도설계를 방지하는 것을 특징으로 하는 원자로구조물의 지진해석 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 구조물모델링단계에서,
상기 원자로용기 및 내부구조물의 유한요소 해석모델은 3차원의 형상을 갖는 솔리드요소를 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로구조물의 지진해석 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 유동하중 해석단계는
펌프 모터회전수 및 날개 통과 주파수에 의해 인가되는 상기 냉각제의 조화주파수로부터 발생하는 가진력으로 인한 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 주기적수력하중 해석 단계,
를 포함하며,
상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 펌프 모터회전수 및 날개 통과 주파수에 의해 인가되는 상기 냉각제의 조화주파수로부터 발생하는 가진력으로 인한 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로구조물의 지진해석 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 유동하중 해석단계는
상기 원자로 내부구조물 내부에 유동하는 냉각제의 난류유동에 의한 상기 원자로 내부구조물에 작용하는 압력을 파워 스펙트럼 밀도의 형태로 추출하여 상기 해석모델에 인가한 후, 랜덤진동해석을 수행하여 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 불규칙적수력하중 해석 단계,
를 포함하며,
상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 원자로 내부구조물 내부에 유동하는 냉각제의 난류유동에 의한 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 내부구조물의 지진해석 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 구조하중 해석단계는
상기 해석모델에 거대질량법을 통해 지진신호를 인가하고, 상기 지진신호에 따른 시간이력해석을 수행하여 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하되,
상기 지진신호에 따른 냉각제의 유동해석 및 상기 원자로구조물의 구조해석을 독립하여 수행한 각각의 변위벡터를 도출하고,
상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 지진신호에 의해 각기 독립하여 도출된 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로구조물의 지진해석 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 변위벡터도출단계는
원전 가동에 상태에 따른 상기 원자로내부구조물의 열하중으로 인한 상기 구조노드에서의 변위벡터를 도출하는 열하중 해석 단계,
를 포함하되,
상기 변위기반응력합도출단계에서, 상기 합산된 변위벡터는 상기 원자로내부구조물의 열하중에 의해 냉각제의 수축 또는 팽창에 따라 변형되는 냉각제의 유동하중에 의한 변위벡터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로구조물의 지진해석 방법. - 삭제
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