KR102519109B1 - 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치 - Google Patents

방사성 물질 운반용기의 충격완충장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예는 방사성물질이 내부에 저장된 운반용기를 외부 충격으로부터 용이하게 보호하며, 기계적 물성의 변동폭을 줄여 충격완충효과 예측의 용이성과 정확성을 향상시킬 수 있는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치는 길이방향으로 길게 형성되어 방사성물질이 내부에 저장된 운반용기의 상부 또는 하부에 결합되어 운반용기로 전달되는 충격을 완충시키는 충격완충체를 포함하며, 충격완충체는 운반용기와의 결합위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 격자형 완충재를 포함한다.

Description

방사성 물질 운반용기의 충격완충장치{IMPACT LIMITER OF TRANSPORTATION CONTAINER FOR RADIOACTIVE MATERIALS}
본 발명은 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치에 관한 것이다.
방사성 물질(핵연료, 사용후핵연료 등의 방사성 물질)의 운반에는 운반용기가 사용된다. 방사성 물질 운반과정에서 발생할 수 있는 충돌사고를 대비하기 위해 방사성 물질 운반용기에는 충격완충체(Impact limiter)가 설치된다.
사용후핵연료 운반용기와 같은 B형 용기의 경우, 법규사고조건인 강체표면에서 9m 높이의 낙하에서 운반용기의 격납건전성이 보장되어야 한다. 이러한 충돌사고에서 충격완충체의 성능에 따라 운반용기로 전달되는 충격력이 결정되며, 운반용기 본체의 구조건전성에 영향을 미친다. 충격완충체에서 주로 사용되는 기존재질로는 발사(Balsa)나 레드(Red) 종 등의 나무재질이 사용되고 있다. 기존 충격완충체에 주로 사용되는 나무재질은 함수율이나 밀도 등에 따라 기계적 강도의 변동폭이 매우 크기 때문에 충격완충 성능상의 불확실성이 크다. 또한, 자연에서 획득하는 재료이므로 공급 불안정으로 인한 수급문제 발생 가능성이 존재한다. 또한, 요구되는 외형과 그레인(Grain) 방향에 맞추기 위해서 충격완충체의 제작과정에서 재료의 손실이 매우 크며, 기계적 강도를 변화할 수 없다. 따라서, 기계적 물성의 변동폭을 줄여 충격완충효과 예측의 용이성과 정확성을 향상시킬 수 있는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치 개발이 요구되고 있다.
관련 선행문헌으로 한국공개특허 2020-0084358는 "아키텍처된 층을 갖는 복합재의 제조 및 설계"을 개시한다.
한국공개특허 2020-0084358
본 발명의 한 실시예는 방사성물질이 내부에 저장된 운반용기를 외부 충격으로부터 용이하게 보호하며, 기계적 물성의 변동폭을 줄여 충격완충효과 예측의 용이성과 정확성을 향상시킬 수 있는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치는 길이방향으로 길게 형성되어 방사성물질이 내부에 저장된 운반용기의 상부 또는 하부에 결합되어 운반용기로 전달되는 충격을 완충시키는 충격완충체를 포함하며, 충격완충체는 운반용기와의 결합위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 격자형 완충재를 포함한다.
본 발명의 한 실시예는 운반용기와의 결합위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 격자형 완충재를 구비하여 방사성물질이 내부에 저장된 운반용기를 외부 충격과 열로부터 용이하게 보호하며, 금속이나 폴리머와 같은 공업 재질의 격자형 완충재를 사용함으로써 완충재의 공급 불안정 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 격자형 완충재의 서로 다른 격자 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 격자형 완충재를 3D 프린터로 형성한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제2 격자형 완충재의 서로 다른 격자 패턴을 도시한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제1 격자형 완충재의 서로 다른 격자 패턴을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 격자형 완충재를 3D 프린터로 형성한 도면이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제2 격자형 완충재의 서로 다른 격자 패턴을 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치는 길이방향으로 길게 형성되어 방사성물질이 내부에 저장된 운반용기(10)의 상부 또는 하부에 결합되어 운반용기(10)로 전달되는 충격을 완충시키는 충격완충체를 포함하며, 충격완충체는 운반용기(10)와의 결합위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 격자형 완충재를 포함한다.
충격완충체는 운반용기(10)의 상부 형상과 하부 형상에 대응하게 형성되어 운반용기(10)로 전달되는 외부 충격을 완충시킬 수 있다. 예를 들어, 충격완충체는 원기둥체 형상으로 형성되어 운반용기(10)의 상부 또는 하부와 대면되는 일면에서 중심과 동심을 이루며 오목한 단차 형상의 결합부가 구비될 수 있다. 그리고 충격완충체는 결합부에 운반용기(10)의 상부 또는 하부가 삽입되어 운반용기(10)의 일부를 감싸는 형상을 가질 수 있다. 충격완충체는 제1 충격완충체(100), 그리고 제2 충격완충체(200)를 포함할 수 있다. 제1 충격완충체(100)는 운반용기(10)의 상부가 결합되는 제1 결합부(102)를 갖고 운반용기(10)의 상부와 결합되는 위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 제1 격자형 완충재(110)를 포함하여 운반용기(10)의 상부로 전달되는 충격을 완충시키는 기능을 한다.
제2 충격완충체(200)는 운반용기(10)의 하부가 결합되는 제2 결합부(202)를 갖고 운반용기(10)의 하부와 결합되는 위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 제2 격자형 완충재(210)를 포함하여 운반용기(10)의 하부로 전달되는 충격을 완충시키는 기능을 한다.
격자형 완충재는 외곽을 형성하며, 기설정된 제1 밀도를 갖는 제1 완충부, 제1 완충부의 내측에 구비되며, 제1 밀도보다 더 높은 제2 밀도를 갖는 제2 완충부, 그리고 운반용기(10)의 상부 또는 하부 모서리부분과 접하는 위치에 구비되며, 제2 밀도보다 더 높은 제3 밀도를 갖는 제3 완충부를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 격자형 완충재는 격자 구조체의 밀도 다변화 설계로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 완충부를 제1 밀도로 낮게 유지함으로써 흡수 가능한 충격에너지가 낮아질 수 있다. 따라서, 충격강도를 낮게 유지하여 운반용기(10)로 전달되는 충격력을 낮게 할 수 있다. 이와 같이 제1 완충부의 밀도를 낮게 유지함으로써 열전달량이 낮아 단열효과를 높게 할 수 있다. 제1 완충부는 제2 완충부와 제3 완충부에 비해 가장 낮은 밀도를 가지는 구조체이다. 제1 완충부의 낮은 충격강도를 이용해 정상운반조건(0.3m~1.2m 낙하)의 낙하높이에서 운반용기(10)로 전달되는 충격력을 최소화시킬 수 있다. 또한, 낮은 열전달 특성을 이용해, 화재조건에서 운반용기(10)의 뚜껑을 효과적으로 단열할 수 있다. 즉, 단위 셀의 좁은 단면적과 내부의 캐비티(cavity)로 인해 화재사고에서 외부의 열로부터 운반용기(10)를 효과적으로 단열시킬 수 있다. 제2 완충부는 제1 완충부의 제1 밀도보다 높고, 제3 완충부의 제3 밀도보다 낮은 중간 밀도인 제2 밀도를 가지는 구조체이다. 제2 완충부는 대부분의 충격에너지를 흡수하는 기능을 한다. 제3 완충부는 제1 완충부와 제2 완충부에 비해 가장 높은 밀도를 가지는 구조체이다. 제3 완충부는 흡수 가능한 충격에너지가 높고, 구조체의 강도가 높게 형성될 수 있다. 따라서, 제2 완충부는 사고조건(9m 낙하)의 낙하에서 운반용기(10)의 타겟과의 직접적인 충돌을 최종적으로 저지하는 기능을 한다.
격자형 완충재는 금속 및 폴리머 재질 중 1개 이상을 포함할 수 있다. 금속이나 비금속의 폴리머와 같은 공업 재질을 사용함으로써 방사성 물질 운반과정에서 발생할 수 있는 충돌사고를 용이하게 대비할 수 있다. 격자형 완충재의 성능에 따라 운반용기(10)로 전달되는 충격력이 결정되며, 기존나무 재질에 비해 상당히 향상된 충격완충 성능이 가능하다. 예를 들어, 원재료의 기계적 물성치의 변동성이 기존의 나무 재료에 비해 매우 작아, 품질 관리 및 설계 상의 불확실성이 상당히 감소될 수 있다. 또한, 향상된 충격완충성능을 통해 외부 충격력을 경감시킬 수 있으므로 운반용기(10)의 무게와 제작비용을 절감할 수 있다. 따라서, 방사성물질의 운반용기(10), 특히 사용후핵연료를 운반하는 운반용기(10)의 무게 감소와 운반 및 취급비용의 획기적 저감이 가능하다.
그리고 격자형 완충재는 도 3에 도시된 바와 같이 3D 프린터로 출력하여 형성될 수 있다. 또한, 3D 프린팅을 이용해 만든 금형을 통해 주조품으로 제작할 수도 있다. 즉, 금속이나 폴리머와 같은 공업 재질로 충격완충체를 위한 격자구조의 제작 방법은 3D 프린팅으로 직접 출력하거나, 3D 프린팅을 이용해 만든 금형을 통해 주조품으로도 제작 가능하다. 3D 프린터로 출력된 격자 구조체를 완충재로 형성함으로써 충격완충체의 설계에서 요구되는 구조적 강도를 격자구조의 설계에 반영할 수 있으며, 다양한 요인에 의한 기계적 물성의 변동폭을 줄여, 충격완충효과 예측의 용이성과 정확성을 향상시킬 수 있다. 3D 프린팅을 이용하는 경우, 별도의 기계가공이나 용접 등과 같은 제작절차를 간소화할 수 있다. 또한, 3D 프린팅을 이용하는 경우 제작과정에서 버려지는 재료를 최소화할 수 있다. 즉, 높은 재료 이용률을 구현할 수 있다. 상기한 바와 같이 충격완충체를 형성하는 격자형 완충재는 금속이나 폴리머와 같은 공업 재질을 이용하여 3D 프린팅으로 직접 출력하거나, 3D 프린팅을 이용해 만든 금형을 통해 주조품으로 제작함으로써 단위 셀(unit cell)의 반복적인 패턴이 구현되도록 할 수 있다. 3D 프린터로 출력하여 격자구조를 형성할 수 있으므로 격자의 재료는 금속과 비금속 모두 적용 가능하다.
격자형 완충재는 제1 충격완충체(100)에 구비되는 제1 격자형 완충재(110), 그리고 제2 충격완충체(200)에 구비되는 제2 격자형 완충재(210)를 포함할 수 있다. 제1 격자형 완충재(110)와 제2 격자형 완충재(210)는 서로 동일한 구조로 형성될 수 있다.
제1 격자형 완충재(110)는 제1 충격 완충체의 외곽을 형성하며, 기설정된 제1 밀도를 갖는 제11 완충부(112), 제11 완충부(112)의 내측에 구비되며, 제1 밀도보다 더 높은 제2 밀도를 갖는 제12 완충부(114), 그리고 운반용기(10)의 상부 모서리부분과 접하는 위치에 구비되며, 제2 밀도보다 더 높은 제3 밀도를 갖는 제13 완충부(116)를 포함할 수 있다.
제2 격자형 완충재(210)는 제2 충격 완충체의 외곽을 형성하며, 기설정된 제1 밀도를 갖는 제21 완충부(212), 제21 완충부(212)의 내측에 구비되며, 제1 밀도보다 더 높은 제2 밀도를 갖는 제22 완충부(214), 그리고 운반용기(10)의 하부 모서리부분과 접하는 위치에 구비되며, 제2 밀도보다 더 높은 제3 밀도를 갖는 제23 완충부(216)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 운반용기(10)의 상부 또는 하부와 대면되는 위치에서 제1 격자형 완충재(110)와 제2 격자형 완충재(210)를 형성하는 단위 셀(unit cell)의 반복적인 패턴을 통해 서로 다른 밀도의 격자구조로 형성함으로써 운반용기(10)로 전달되는 충격을 용이하게 완충시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 격자형 완충재는 기존 나무 재질의 충격완충체를 대체하여 사용할 수 있다. 여기서, 단위 셀은 일률적으로 동일하게 형성할 필요가 없으며, 다양한 형태의 단위 셀들이 불규칙적인 패턴으로 구성될 수도 있다. 격자형 완충재의 격자구조는 단위 셀의 사이즈와 셀 구성요소의 단면적 등을 조절함으로써 사용자의 설계 의도에 맞는 밀도나 강성, 강도들을 용이하게 얻을 수 있다. 단위 셀의 밀도와 단면적 등의 설계 변수를 통해, 넓은 범위의 강도와 강성을 설계 의도에 맞춰 활용할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치는 운반용기(10)의 외부 충돌 시 단위 셀들의 변형이 충돌에너지를 단계적으로 완만히 흡수할 수 있는 격자구조이며, 이를 통해 운반용기(10)로 전달되는 충격력을 단계적으로 경감시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 ; 운반용기 100 ; 제1 충격완충체
110 ; 제1 격자형 완충재 112 ; 제11 완충부
114 ; 제12 완충부 116 ; 제13 완충부
200 ; 제2 충격완충체 210 ; 제2 격자형 완충재
212 ; 제21 완충부 214 ; 제22 완충부
216 ; 제23 완충부

Claims (7)

  1. 길이방향으로 길게 형성되어 방사성물질이 내부에 저장된 운반용기의 상부 또는 하부에 결합되어 상기 운반용기로 전달되는 충격을 완충시키는 충격완충체를 포함하며,
    상기 충격완충체는
    상기 운반용기와의 결합위치에 따라 내부의 캐비티(cavity)를 갖는 단위 셀(unit cell)의 반복적인 패턴으로 형성되어 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 격자형 완충재를 포함하며,
    상기 격자형 완충재는
    상기 단위 셀의 사이즈와 단면적을 포함한 설계 변수의 조절을 통해 기계적 강도를 변화시켜 상기 운반용기의 외부 충돌 시 상기 단위 셀들의 변형이 충돌에너지를 단계적으로 흡수시켜 상기 운반용기로 전달되는 충격력을 단계적으로 감소시키도록 형성되는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치.
  2. 제1항에서,
    상기 충격완충체는
    원기둥체 형상으로 형성되어 상기 운반용기의 상부 또는 하부와 대면되는 일면에서 중심과 동심을 이루며 오목한 단차 형상의 결합부가 구비되고, 상기 결합부에 상기 운반용기의 상부 또는 하부가 삽입되어 상기 운반용기의 일부를 감싸는 형상을 갖는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치.
  3. 제1항에서,
    상기 격자형 완충재는
    외곽을 형성하며, 기설정된 제1 밀도를 갖는 제1 완충부,
    상기 제1 완충부의 내측에 구비되며, 상기 제1 밀도보다 더 높은 제2 밀도를 갖는 제2 완충부, 그리고
    상기 운반용기의 상부 또는 하부 모서리부분과 접하는 위치에 구비되며, 상기 제2 밀도보다 더 높은 제3 밀도를 갖는 제3 완충부
    를 포함하는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치.
  4. 제3항에서,
    상기 격자형 완충재는 금속 및 폴리머 재질 중 1개 이상을 포함하는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치.
  5. 제3항에서,
    상기 격자형 완충재는 3D 프린터로 출력되는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치.
  6. 제3항에서,
    상기 충격완충체는
    상기 운반용기의 상부가 결합되는 제1 결합부를 갖고 상기 운반용기의 상부와 결합되는 위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 제1 격자형 완충재를 포함하여 상기 운반용기의 상부로 전달되는 충격을 완충시키는 제1 충격완충체를 포함하는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치.
  7. 제6항에서,
    상기 운반용기의 하부가 결합되는 제2 결합부를 갖고 상기 운반용기의 하부와 결합되는 위치에 따라 서로 다른 밀도의 격자구조 패턴을 갖는 제2 격자형 완충재를 포함하여 상기 운반용기의 하부로 전달되는 충격을 완충시키는 제2 충격완충체를 더 포함하는 방사성 물질 운반용기의 충격완충장치.
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