Reduction in Seismic Response of URANUS Liquid Metal Reactor by Using Three-Dimensional Seismic Isolator
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(2) 3차원 면진장치를 이용한 URANUS 액체금속로의 지진응답감소. (a). (b) Fig. 1 (a) Plant layout for URANUS and (b) Overall Reactor System 3D view. 므로 냉각재 펌프가 불필요하다. 이 원자로의 출력 은 35MWe이고, 원자로의 지름과 높이는 각각 4m와 10m이다. 원자로는 안전을 위하여 내부와 외부의 2 겹으로 되어 있으며, 각각의 두께는 5cm이다. 설계 수명으로 60년을 목표로 하고 있다. 노심 설계, 건식 처리, 원자로 재료 물성, 열-유동 해석, 안전 장치 해 석 등에 대한 개념 설계가 현재 진행 중에 있다. 최근 지진에 대한 안전성 문제가 원자력발전소 건 설에서 매우 중요한 현안으로 대두되고 있다. 또한. 31. 국내 및 국제적으로 내진 및 면진 규제 요건이 강화 되고 있다. URANUS는 액체 금속을 냉각재로 사용 하고 원자로의 두께가 상대적으로 얇기 때문에 적합 한 면진 설계가 이루어져야 한다. URANUS 액체금 속로는 기존의 중수로, 경수로와 비교하여 비교적 고 온인 400℃에서 작동되지만, 가압은 되지 않는다. 따 라서 고온 운전 설계 조건에서의 열응력을 최소화하 기 위해 원자로의 두께가 얇게 설계된다. 그리고 원 자로를 채우고 있는 냉각재인 LBE의 밀도는 물의 밀 도보다 약 10배 높다. 이와 같이 원자로 구조물의 박 막화와 LBE의 고밀도에 의해 원자로의 고유진동수 가 지진의 강진 주파수 대역 내에 위치한다. 원자로 의 박막화로 인하여 큰 외력에 취약한 특성을 가진다. 이러한 특성으로 인하여 원자로 구조물은 지진 하중 에 매우 취약한 특성을 나타내므로, 원자로 구조물과 지반 사이에 면진장치가 필수적으로 설치되어야 한 다. 1990년 이후부터 지반과 구조물 사이에 고무 등 으로 제작된 면진장치를 설치하여 지진에 의해 구조 물에 전파되는 지진 에너지를 최소화시키는 면진 설 2-9) 계 기법이 개발되었다 . 면진장치는 구조물의 고유 주파수를 인위적으로 짧게 하고 지진 에너지를 흡수 함으로써, 원자로에 가해지는 지진력의 크기를 크게 감소시키는 역할을 한다. 본 연구에서는 지반과 원자로 구조물 사이에 설치 된 이상적인 3차원 면진장치의 특성(감쇠, 고유진동 수)을 정하고 설계기준 지진 하중에 대한 원자로 구 조물의 건전성을 검증하였다. 다시 말해 URANUS 원 자로에 대해 면진 설계와 비면진 설계의 가속도 및 응 력 결과를 각각 비교 평가하여 지진하중에 대한 면진 설계의 안전성을 유한요소해석을 통해 입증하였다. 면 진 설계에 있어서, 수평 방향으로만 면진이 가능한 2 차원 면진장치의 효과와 수평 및 수직 방향으로 면 진이 가능한 3차원 면진장치의 효과를 비교하였다. 본 연구에 한국원자력연구원에서 개발 중인 액체금 4-10) 속로인 KALIMER의 면진장치 를 도입하여 URANUS 에 적용시켰다. 원자로의 면진 해석을 위해서 유한요 소 해석을 이용하였다. 면진 설계를 위해서 먼저 2장에서 면진장치의 감쇠 비과 고유진동수를 정하고 동역학적인 특성인 질량, 강성, 감쇠 등을 정량화하였다. 3장에서 원자로와 면 진장치의 동역학 해석을 위한 유한요소해석 모델을 설명하였다. 4장에서 가속도 응답 및 응력 해석 결과 를 보였다. 안전정지지진(SSE, safe shutdown earthquake). 한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월.
(3) 이국희 ․ 김윤재 ․ 류강묵 ․ 황일순 ․ 유 봉. 32. 에 대응하는 인공 지진파(ATH, artificial time history) 를 이 해석 모델에 가하여 지진 응답 특성을 구하였 다. 또한 지진 응답 특성으로 가속도, 변위, 응력을 구 하였다. 특히, 응력을 ASME Boiler & Pressure Vessel Code15-16)와 비교하여 응력 기준을 만족하는 지 검증 을 해야 한다. 이를 만족하면 지진 설계는 완료되지 만, 만족하지 않으면 기준을 만족시킬 수 있도록 원 자로를 재설계하거나 면진장치를 재설계해야 한다.. 2. 면진장치 Fig. 1(a)에서 볼 수 있듯이 면진장치는 원자로 건 물과 지반 사이에 배치된다. 면진장치 1개당 320톤의 무게를 지지할 수 있고, 건물과 원자로의 총 질량이 6635톤이므로 총 21개의 면진장치가 필요하다. 따라 서 설계 시에 건물 하단부에 적절한 무게 배분을 통한 면진장치의 배치가 필요하다. Fig. 2는 3차원 면진장 11) 치의 개략도를 나타낸다 . 2차원 면진장치는 수평 방향의 가진에 대응할 수 있는 고무와 금속을 적층한. Table 1 Equivalent properties of three-dimensional seismic isolation system (a) 2D-isolator for horizontal isolation direction. ζ. ωn (Hz). c (N-s/m). k (N/m). horizontal. 0.12. 0.5. 5.0E6. 6.55E7. vertical. 0.04. 21.0. 7.0E7. 1.16E11. (b) 3D- isolator for horizontal and vertical isolation direction. ζ. ωn (Hz). c (N-s/m). k (N/m). horizontal. 0.12. 0.5. 5.0E6. 6.55E7. vertical. 0.08. 1.1. 7.0E6. 3.17E8. 이고, ωn은 고유진동수이다. c와 k는 각각 감쇠 계수 와 스프링 상수이다. 여기서 감쇠 계수와 스프링 상수 는 개개의 면진장치의 값이 아니고, 21개의 면진장치 의 합인 전체 면진 시스템의 값이다. 면진 성능을 위 하여 먼저 감쇠비와 고유진동수가 결정되면, 감쇠계 수와 스프링 상수는 다음 식으로 계산될 수 있다.. 장치로 이루어져있다. 2차원 면진장치에 수직 방향의 가진에 대응할 수 있는 코일 스프링을 조합시킴으로 써 3차원 면진장치를 구성할 수 있다. 즉, 2차원 면진 장치는 수평 방향의 감쇠가 가능하고, 3차원 면진장치 는 수평 및 수직 방향의 감쇠가 가능하다. 한국원자력 연구원에서 개발 중인 4세대 액체금속로인 KALIMAER 에 사용될 고무-금속 적층식 면진장치의 특성들(고유 진동수, 감쇠비)을 본 연구의 수평방향 면진장치 특 성에 적용하여 사용하였다4-10). 수직 방향 면진장치 의 상세 설계를 수행하지 않았고, 면진장치의 이상적 인 진동 특성(고유진동수, 감쇠, 강성)을 결정하여 수 학적인 모델을 구성하였다. Table 1에 각각의 설계 임계 감쇠비와 목표 고유진 동수를 나타내었다. 여기서 ζ는 감쇠비(damping ratio). c＝ζ×2mωn 2. k＝mωn. (1a) (1b). 여기서, m은 원자로와 건물의 전체 질량으로 6635톤 6. (6.635×10 Kg)이다.. 3. 유한요소해석 모델 원자로 지름은 2.03m이며 높이는 10m이다. 원자로 의 두께는 5cm이며 원자로의 재료는 SS316L이다. 운 전설계조건인 400°C에서의 탄성계수와 밀도는 각각 170GPa, 8000kg/m3이다. LBE의 밀도는 10000kg/m3 이다. ABAQUS v6.9를 이용하여 유한요소해석을 수행하 였다12). 해석상의 효율성을 위해 원자로 모델과 집중 질량 요소로 구성된 shell 요소를 이용한 3차원 모델 을 구성하였다. Fig. 3(a)는 시간-가속도 해석을 위한 원자로 구조물의 3차원 모델이다. 건물 최하단층의 바 닥을 강체(rigid body)로 가정하였고, 이 최하단층 바 닥의 x, y, z축 방향의 회전과 z축 방향의 변위가 구 속되었다. 또한 이 최하단층의 바닥에 수평 및 수직. Fig. 2 Schematics for three-dimensional seismic isolator. Transaction of the KPVP, Vol. 7, No. 3. 방향 면진장치를 묘사할 수 있는 스프링 요소와 댐퍼.
(4) 3차원 면진장치를 이용한 URANUS 액체금속로의 지진응답감소. 33. 요소를 부착하고 여기에 수평 및 수직 방향의 인공지 진파(ATH)를 가하였다. Fig. 3(b)는 응답 스펙트럼을. 면에 배치시켰다. 수직 방향 모델에서 압력이 원자로 하부에 가해지므로 내부 구조물의 질량을 집중 질량. 이용한 응력 해석을 위한 원자로의 유한요소망이다. 정확한 응력을 계산하기 위하여 조밀한 요소망을 사 용하였다. shell요소를 사용하였으며, 두께 방향으로. 요소로 원자로 하부에 배치시켰다. 액체 금속 냉각재 의 슬로싱 효과는 무시하였다.. 5개의 적분점을 사용하였다. 1/2 대칭 모델을 사용하 여 해석 시간을 단축하였다. 응답 스펙트럼을 이용한 응력을 해석을 위해서 유한요소모델의 원자로 최상. 4. 해석 결과. 단부는 완전히 고정되었다. 원자로 내부 구조물인 냉각재, 노심과 각 제어시스 템은 집중 질량으로 절점에 부과하였다. 냉각재 LBE 를 포함한 원자로와 내부 구조물의 질량은 1,118,000kg 이다. 원자로 질량의 대부분이 액체이므로, 원자로의 수평 방향 모델과 수직 방향 모델을 각각 만들어서,. 4.1 고유진동수 URANUS 원자로의 고유진동수 및 모드 해석을 수 행하였다. 원자로를 면진장치 없이 지반에 고정시킨 상태에서 고유진동수를 계산하였다. 수평 방향 모델 의 수평 방향의 1차 고유진동수는 6.0Hz이다. 수직 방 향 모델의 수직 방향의 1차 고유진동수는 11.8Hz이다. 수직 및 수평 방향의 첫 번째 고유진동수의 모드 형상. 수평 및 수직 방향 하중에 대응하도록 하였다. 즉, 수 평 방향 모델에 압력이 원자로 수직 벽면에 작용하도 록 내부 구조물의 질량을 집중 질량 요소로 원자로 벽. (a). (b). (a). (c) (b) Fig. 3 Finite element meshes for (a) time history analysis and (b) stress analysis. Fig. 4 Mode shapes for the first mode; (a) horizontal, (b) vertical direction of the inner reactor vessel and (c) the plant structure. 한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월.
(5) 이국희 ․ 김윤재 ․ 류강묵 ․ 황일순 ․ 유 봉. 34. 13). 은 각각 Fig. 4(a)와 Fig. 4(b)이다. 일반적인 지진의 가 진 주파수가 2~15Hz 영역이므로, 지진이 발생한 경우. 는 4%로 정하고 Rayleigh 기법을 이용하여 유한요 소 해석에 적용하였다. Fig. 6은 이 인공지진파형의 가. 원자로는 공진에 의해서 매우 높은 가속도 응답과 응 력이 발생함을 예상할 수 있다. 따라서 원자로 구조물 의 수평 및 수직 방향으로의 3차원 면진 설계가 필수. 진 주파수 영역을 분석하기 위한 4% 감쇠비를 가진 단자유도 시스템에 대한 응답 스펙트럼이다. 인공지 진파형의 주파수에 따른 가속도 응답의 크기를 파악. 적이다. 원자로 건물의 1차 고유진동수는 13.0Hz이고 모드 형상은 Fig. 4(c)와 같다. 원자로 건물의 고유진동수. 할 수 있다. 강진 주파수 대역이 2Hz~15Hz임을 확인 할 수 있다. 비면진 시스템, 2차원 면진 시스템, 3차원 면진 시. 역시 지진의 가진 주파수 영역 내에 존재하므로, 공진 을 방지하기 위한 면진 설계가 필수적임을 알 수 있다.. 스템에 대한 각각의 지진 가속도 응답 해석을 통해. 4.2 가속도 응답 해석 본 논문에서는 운전기준지진은 고려하지 않고 안 전정지지진(SSE)만을 고려하였다. 본 연구에서 사용 된 안전정지지진의 인공지진파형은 Fig. 5에 볼 수 있 고, 수평 방향 0.3g와 수직 방향 0.2g의 최대 지반 가 속도(PGA, peak ground acceleration)를 가진다. 총 가 진 기간은 70초이다. 이 인공지진파형을 유한요소해 석에서 입력 가속도로 사용하였다. 원자로의 감쇠비. (a). (b) Fig. 5 (a) Horizontal and (b) vertical artificial time histories (ATH) for the safe shutdown earthquake (SSE). Transaction of the KPVP, Vol. 7, No. 3. Fig. 6 Response spectrums for the artificial time histories. (a). (b) Fig. 7 (a) Horizontal and (b) vertical acceleration responses at the bottom of the reactor without seismic isolator.
(6) 3차원 면진장치를 이용한 URANUS 액체금속로의 지진응답감소. 35. 3차원 면진 시스템이 가지는 면진 설계의 우수성을 입증하였다. 본 연구에는 원자로 최하단부에서의 가. 속도 응답이 작게나마 증가함을 알 수 있다. 즉, 수평 방향 면진을 위한 적층형 면진장치가 수직 방향으로. 속도 응답 해석 결과를 추출하였다. Fig. 7은 면진장치가 사용되지 않고 원자로 건물이 지반에 고정되어 있는 경우에 원자로 하단부에서의. 면진 및 감쇠를 할 수 없음을 보여주고 적층형 면진 장치는 수직 방향 응답을 일부 악화시키는 특성이 있다.. 수평 및 수직 방향 가속도 응답 해석 결과를 시간-가 속도 영역에서 보여준다. Fig. 7(a)는 수평 방향 응답 결과로 최대 가속도의 크기가 1.27g이고 입력 인공지. Fig. 9는 수평 및 수직 방향 면진이 가능한 3차원 면진장치가 사용된 경우에 원자로 하단부에서의 가속 도 응답 해석 결과이다. Fig. 9(a)는 수평 방향 응답. 진파의 최대 가속도의 크기보다 4.2배 증가하였다. Fig. 7(b)는 수직 방향 응답 결과로 최대 가속도의 크기가 0.42g이고 입력 인공지진파의 최대 가속도의 크기보. 결과로 최대 가속도의 크기가 0.24g이고, 이는 2차원 면진장치인 경우와 결과가 동일하다. Fig. 9(b)는 수직 방향 응답 결과로 최대 가속도의 크기가 0.24g이고 입. 다 2.1배 증가하였다. Fig. 8은 수평 방향의 면진만 가능한 2차원 면진장 치가 사용된 경우에 원자로 하단부에서의 가속도 응. 력 인공지진파의 최대 가속도의 크기보다 1.2배 증가 하였다. 주파수 응답 분석과 응력 해석을 위해서 위에서 구. 답 해석 결과이다. Fig. 8(a)는 수평 방향 응답 결과로 최대 가속도의 크기가 0.24g이고 입력 인공지진파의 최대 가속도의 크기보다 감소하였다. Fig. 8(b)는 수직. 한 가속도 응답을 응답 스펙트럼(response spectrum)으 14) 로 변환하였다 . 응답 스펙트럼은 1960년대부터 내 진설계 기술분야의 핵심적인 기술로 사용되어 왔다.. 방향 응답 결과로 최대 가속도의 크기가 0.44g이고 입 력 인공지진파의 최대 가속도의 크기보다 2.2배 증가 하였다. 지반에 고정되어 있는 경우보다 수직 방향 가. 응답 스펙트럼이란 지진에 의한 지반의 운동과 같은 동적 하중에 대해 단자유도 구조물이 가지는 응답(변 위, 속도, 가속도)는 감쇠율이 일정한 경우에 고유진. (a). (a). (b) Fig. 8 (a) Horizontal and (b) vertical acceleration responses at the bottom of the reactor with two-dimensional seismic isolator. (b) Fig. 9 (a) Horizontal and (b) vertical acceleration responses at the bottom of the reactor with three-dimensional seismic isolator. 한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월.
(7) 이국희 ․ 김윤재 ․ 류강묵 ․ 황일순 ․ 유 봉. 36. 동주기(고유진동수)에 따라 변하게 된다. 서로 다른 고유진동주기를 갖는 단자유도 구조물의 최대 응답. 차원 및 3차원 면진 설계된 원자로 구조물은 동일한 가속도 응답을 나타낸다. Fig. 10(b)는 수직 방향 지. 을 고유진동주기와 관련시켜 그린 그림을 응답 스펙 트럼이라 한다. 따라서 하나의 주어진 지진 가속도 기 록에 대해서 응답 스펙트럼이 얻어지면 그것을 이용. 진하중에 대한 응답 스펙트럼이다. 비면진 설계의 경 우 원자로 구조물의 1차 모드 고유진동수인 11.8Hz에 서 입력 대비 5배의 가속도 증폭이 발생함을 확인할. 하여 단자유도 구조물이 아닌 다자유도 구조물의 최 대 거동도 응답 스펙트럼으로부터 구할 수 있으며, 그 모드에 따른 최대 거동을 적절한 방법으로 조합하면. 수 있다. 2차원 면진 장치를 사용한 경우 수직 방향의 가속도 응답이 0.4g만큼 증폭되고 감쇠되지 않는다. 3차원 면진장치를 사용한 경우 11.8Hz에서 가속도 응. 구조물의 최대 거동을 쉽게 예측할 수 있다. Fig. 10은 안전정지지진이 가해지는 경우의 원자로 하단에서 가속도 응답 스펙트럼이다. Fig. 10(a)는 수. 답은 0.24g이고 영주기가속도는 0.12g로 입력 가속도 에 비해 0.04g만큼 증가한다. 정리하면 다음과 같다. 원자로의 고유진동수가 지. 평 방향 지진하중에 대한 응답 스펙트럼이다. 비면진 설계의 경우 원자로구조물의 1차 모드 고유진동수인 6.0Hz에서 입력 인공지진파형(ATH)에 비해서 약 12. 진의 가진 주파수 영역에 존재하므로, 면진장치가 사 용되지 않은 경우에는 지진 하중에 대해서 원자로는 매우 큰 가속도 응답 특성을 보인다. 수평 방향만 면. 배의 가속도 증폭이 발생함을 확인할 수 있다. 그러나 2차원 및 3차원 면진장치를 사용한 경우 6.0Hz에서 0.25g의 가속도 응답이 나타난다. 주파수가 증가하면. 진이 가능한 2차원 면진장치를 사용했을 경우에는 수 평 방향의 가속도 응답을 사용하지 않은 경우에 비해 서 크게 감소시킬 수 있지만, 수직 방향의 가속도 응. 서 가속도 응답은 일정한 값으로 수렴하는데, 이 값을 영주기가속도(ZPA, zero period acceleration)라고 정의 한다. 영주기가속도는 0.24g로 입력 가속도에 비해 증. 답을 감소시킬 수 없다. 수평 방향 가속도 응답을 감 소시키기 위해서 수직 방향과 수평 방향의 감쇠가 가 능한 3차원 면진장치를 사용하면 수직 방향의 가속. 폭되지 않고 0.06g만큼 감소한다. 수평 방향의 경우 2. 도 응답도 크게 감소시킬 수 있다.. (a). (a). (b). (b). Fig. 10 Response spectrums at the bottom of the reactor for each seismic isolator type. Fig. 11 (a) Horizontal and (b) vertical displacement of the 3D-isolator. Transaction of the KPVP, Vol. 7, No. 3.
(8) 3차원 면진장치를 이용한 URANUS 액체금속로의 지진응답감소. 4.3 변진 장치의 최대 변위 해석 면진장치의 최대 변위에는 한계가 있고 원자로 건 물 간의 움직임을 위한 공간이 필요하므로 변위 해석 을 수행하였다. Fig. 11(a)과 (b)는 각각 시간에 따른 3차면 면진장치의 수평 및 수직 방향의 움직임을 나. 37. 안전정지지진에 대한 응력 평가 기준은 ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Section III의 Division 1 Appendix F, Rules for Evaluation of Service Loadings 15) with Level D Service Limits 에 제시되어 있다. 가해 지는 응력이 다음 기준을 만족해야 한다.. 타낸다. 수평 방향으로 최대 0.23m 변위가 발생하고 전단 변형율은 90%이다. 적층형 면진장치의 최대 전. 1.5Pm＞PL＋Pb. (3a). Pm＝min(2.4Sm, 0.7Su)＝328MPa. (3b). 단 변형율은 300%이므로, 발생되는 전단 변형율이 안 전한 범위 내에 존재한다. 수직 방향으로 변위는 최대 0.05m 변위가 발생한다.. 4.4 원자로 응력 해석 가속도 해석으로부터 얻어진 응답 스펙트럼(Fig. 10) 을 이용하여 원자로에 대한 응력 해석을 수행하였다. 해석의 보수성을 가하고, 수치 해석상의 오류를 줄이. 그리고 지진 응력 여유도(stress margin)은 다음과 같 이 계산된다. Stress Margin . (4). 기 위해서 응답 스펙트럼은 최대치를 주파수 양쪽(높 은 쪽과 낮은 쪽)으로 15%씩 넓혀서 수정하여 응력 해석의 입력 자료로 사용하였다. 응력 평가 기준으로 ASME Boiler & Pressure Vessel 15). Code, Section III 을 사용하였다. 안전정지지진은 Level D에 해당한다. ASME Boiler & Pressure Vessel Code, 16). Section II 에서 제시하는 섭씨 400도에서 SS316L의 허용 응력(Sm)은 91MPa이고 인장응력(Su)은 422MPa 이다. ASME 코드에서는 하중에 의해 발생된 응력을 평가 하기 위해서 stress intensity를 사용하는데, 이는 Tresca. (a). 등가 응력과 동일하게 계산되므로 유한요소해석 결 과에서 Tresca 등가응력을 추출하였다. ASME 코드 에서 국부 1차 막응력(local primary membrane stress intensity, PL)와 1차 굽힘응력(primary bending stress intensity, Pb)의 합 응력이 평가 기준에 만족하는 지 확 인해야 한다. 본 연구에는 가속도에 대한 3개 방향의 응력들의 조합을 위해서 SRSS(square root of the sum of squares summation)법을 사용하였다. 자중에 의한 응력도 고려하였다. 남북 방향과 동서 방향의 수평 의 2개 가진에 의한 stress intensity(SH1, SH2), 수직 방 향 가진에 의한 stress intensity(SV)과 자중에 의한 stress intensity(SG)의 합(PL+Pb)을 다음과 같은 식을 사용하 여 계산하였다.. (2). (b) Fig. 12 (a) Seismic stress margin for SSE along (b) the distance for each seismic isolator type. 한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월.
(9) 이국희 ․ 김윤재 ․ 류강묵 ․ 황일순 ․ 유 봉. 38. 식 (3)의 평가 기준을 만족하기 위해서 응력 여유도 는 0보다 커야 한다.. 로 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 원자로의 고유진동수가 지진의 가진 주파수 영역 대에 존재하. Fig. 12(a)은 안전정지지진이 발생했을 경우에 원 자로의 각 지점에서의 응력 여유도를 면진장치 종류 에 따라서 나타내었다. Fig. 12(b)와 같이 그래프의 가 로축의 거리는 원자로 최상단을 기준으로 측정되었다. 면진장치를 전혀 사용하지 않으면 응력 여유도가 0 미만으로 식 (3)의 기준을 만족시키지 못함을 알 수 있다. 2차원 면진장치를 사용하면 9m지점에서 응력 여유도가 0.6이다. 3차원 면진장치를 사용하면, 전체 적으로 기준을 만족시키고 9m지점에도 응력 여유도 가 4.2로 충분한 여유가 있다. 즉, 면진장치를 사용하지 않으면 원자로의 모든 부 분에서 응력 기준을 만족시키지 않는다. 2차원 면진 장치를 사용하면 구조적 불연속부인 9m 지점에서 충 분한 응력 여유도가 없으므로 다소 위험하다. 3차원 면진장치를 사용하면, 모든 구간에서 충분한 응력 여 유도가 있으므로 지진에 대한 원자로의 신뢰성과 안 전성을 확보할 수 있다.. 므로, 면진장치가 사용되지 않은 경우에는 지진 하중 에 대해서 원자로는 매우 큰 가속도 응답 특성을 보 인다. 수평 방향만 면진이 가능한 2차원 면진장치를 사용했을 경우에는 수평 방향의 가속도 응답을 사용 하지 않은 경우에 비해서 크게 줄일 수 있지만, 수직 방향의 가속도 응답을 줄일 수 없다. 수직 및 수평 방 향 가속도 응답을 줄이기 위해서는 수직 방향과 수평 방향의 감쇠가 가능한 3차원 면진장치를 사용하면 수 직 및 수평 방향의 가속도 응답도 크게 줄일 수 있다. 면진장치의 변형량은 물리적인 한계가 있으므로, 이에 대한 해석도 수행하였다. 수평 방향으로 최대 0.23m 변위가 발생하고 전단 변형율은 90%이다. 적 층형 면진장치의 최대 전단 변형율은 300%이므로, 발 생되는 전단 변형율이 안전한 범위 내에 존재한다. 면진장치를 사용하지 않으면 원자로의 모든 부분에 서 응력 기준을 만족시키지 않는다. 2차원 면진장치 를 사용하면 구조적 불연속부에서 충분한 응력 여유 도가 없으므로 다소 위험하다. 3차원 면진장치를 사. 5. 결 론. 용하면, 모든 구간에서 충분한 응력 여유도(최소 4.2) 가 있으므로 지진에 대한 원자로의 신뢰성과 안전성. URANUS는 액체 금속 LBE(lead-bismuth eutectic) 을 냉각재로 사용하는 4세대 액체금속로다. 이 액체 금속로는 비교적 고온인 400℃에서 작동되며 열응력 의 최소화를 위해 박막구조가 요구된다. 원자로 구조 물의 박막화와 고밀도 LBE의 사용에 의해 원자로 구 조물은 지진하중에 매우 취약한 특성을 나타낸다. 따 라서 원자로 구조물과 지반 사이에 고무 등과 같은 면 진장치를 설치하여 구조물에 전파되는 지진에너지를 최소화시키는 면진 설계가 요구된다. 면진장치는 지 진의 특성을 이용하여 구조물의 고유주기를 인위적으 로 길게 함으로써 가속도에 의한 지진력의 크기를 감 소시키는 역할을 한다. 원자로의 수평 방향의 1차 고유진동수는 6.0Hz이고 수직 방향의 1차 고유진동수는 11.8Hz이다. 지진의 가진 주파수가 2~15Hz 영역 대이므로, 지진이 발생한 경우 원자로는 공진에 의해서 매우 높은 가속도 응답 과 응력이 발생함을 예측할 수 있다. 따라서 원자로 구조물의 수평 및 수직 방향으로의 3차원 면진 설계 가 필요하다. 수평 방향 0.3g와 수직성분 0.2g의 최대 지반 가속 도(PGA)를 가지는 안전정지지진(SSE)을 입력 지진파. Transaction of the KPVP, Vol. 7, No. 3. 을 확보할 수 있다. 따라서, 액체 금속 LBE(lead-bismuth eutectic)을 냉 각재로 사용하는 4세대 액체금속로인 URANUS에는 3차원 면진 시스템이 필요하다. 후속 연구로 수직 방 향 면진장치의 상세 설계를 위한 추가 연구가 필요 하다.. 후 기 본 연구는 지식경제부의 전력산업인력양성 사업의 핵변환에너지연구센터(NUTRECK) 연구의 일환으로 수행되었습니다.. 참고문헌 1. Choi, S., Cho, J.-H., Bae, M.-H., Lim, J., Puspitarini, D., Jeun, J.-H., Joo, H.-G. and Hwang, I.-S., 2011, “URANUS: Long burning small modular reactor based on natural circulation”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 241, pp. 1486-1499. 2. Fujita, T., 1991, “Seismic isolation rubber bearings.
(10) 3차원 면진장치를 이용한 URANUS 액체금속로의 지진응답감소. 3.. 4.. 5.. 6.. 7.. 8.. for nuclear facilities”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 127, pp. 379-391. Skinner, R. I., Robinson, W. H. and McVerry, G. H., 1993, An introduction to seismic isolation, John Wiley & Sons, Chichester, England. 유봉, 이재한, 구경회, 1995, 액체금속로용 고감쇠 면진베어링의 축소모델 시험결과 분석, KAERI/TR539/95 보고서, 한국원자력연구소. 유봉, 이재한, 구경회, 1996, 지반특성에 따른 면진 및 비면진구조물의 가속도응답 영향평가, KAERI/ TR-670/96 보고서, 한국원자력연구소. 유봉, 이재한, 구경회, 1997, 액체금속로용 축소규 모 고감쇠 및 납삽입 면진베어링의 특성시험결과 분석, KAERI/TR-8090/97 보고서, 한국원자력연구 소. Koo, G.-H., Lee, H.-Y. and Yoo, B., 1999, “Seismic design and analysis of seismically isolated KALIMER reactor structures”, Trans. of Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 3, pp. 75-92. Koo, G.-H., Lee, J.-H., Yoo, B. and Ohtori, Y., 1999, “Evaluation of laminated rubber bearings for seismic isolation using modified macro-model with parameter equations of instantaneous apparent shear modulus”, Engineering Structures, Vol. 21, pp. 594-602.. 39. 9. Yoo, B., Lee, J.-H., Koo, G.-H., Lee, H.-Y. and Kim, J.-B., 2000, “Seismic base isolation technologies for Korea advanced liquid metal reactor”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 199, pp. 125-142. 10. Koo, G.-H. and Lee, J.-H., 2007, “Development of seismic analysis model and time history analysis for KALIMER-600”, Trans. of Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 11, pp. 73-86. 11. Kulak, R. F. and Yoo, B., 2001, “Planned new applications of seismic isolation to Generation IV reactors”, 7th International seminar on seismic isolation, passive energy dissipation and active control of vibrations of structures, Assisi, Italy, Oct. 2-5, 2001. 12. ABAQUS Version 6.9, User’s Manual, 2009, Dassault Systèmes Simulia Corp., USA. 13. Stevenson, J. D., 1980, Structural analysis and design of nuclear plant facilities, Ch. 5, American Society of Civil Engineers, New York, USA. 14. Chopra, A. K., 2006, Dynamics of structures, 3th Edition, Prentice Hall, New Jersey, USA. 15. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section III, Appendix F, 2007, ASME, New York, USA. 16. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II, Part D, 2007, ASME, New York, USA.. 한국압력기기공학회 논문집 제7권 제3호 2011년 9월.
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