사용후핵연료 FE 모델링 기법 및 실험계획법을 이용한 핵연료집합체 연료봉 장입변수 최적설계

국문 초록 (Abstract)

핵연료집합체는 크게 구조건전성을 담당하는 골격체와 UO₂ 소결체를 포함하는 다수의 연료봉으로 구성된다. 각 연료봉은 골격체 내 지지격자 셀에 마찰력을 동반한 억지끼워맞춤으로 장입되고, 이때 발생한 장입하중에 의해 제조 후 집합체는 횡방향으로 변형된다. 각 지지격자 셀마다의 연료봉 장입력을 알아보기 위해 시험 및 해석을 수행하였고, 도출한 장입력을 바탕으로 장입 시 발생하는 골격체 부가하중 및 장입 후 발생하는 연료봉 탄성복원 하중을 산출하였다. 집합체 특성시험 결과를 기반으로 하는 사용후핵연료 FE 모델링 기법과 장입력을 바탕으로 산출한 하중들을 이용하여 집합체 전체 FE 모델을 최적화하였다. 최적 FE 모델과 직교배열표 기반 실험계획법을 이용하여, 집합체 변형 최소화를 목적으로 하는 최적의 연료봉 장입변수(장입순서 및 속도)를 도출하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nuclear fuel assembly (FA) typically comprises several fuel rods with UO₂ pellets and a skeleton that is responsible for structural integrity of the FA. When fuel rods are inserted into the grid cells of the skeleton, specific insertion forces are applied at the rods and skeleton, and the FA may be deformed by these forces after manufacturing. Tests and finite element (FE) analyses are performed to obtain the insertion forces of the fuel rods on the grid cells. The loads added at the skeleton during insertion and elastic recovery loads of the rods after insertion are calculated using the insertion forces. The FE model for the FA is then optimized using the spent nuclear fuel (SNF) FE modeling method and the two calculated loads; the SNF FE modeling method is based on characteristic tests of the FA. Further, the insertion variables of the fuel rods, i.e., insertion velocity and sequence, are optimized using the FE model and design of experiments based on an orthogonal array.

목차 (Table of Contents)

• 초록
• Abstract
• 1. 서론
• 2. 연료봉 장입공정
• 3. 현재공정에서의 집합체 변형량 분석
• 4. 연료봉 장입력 측정 시험 및 해석
• 5. 연료봉 장입공정에 의한 집합체 변형 하중 산출
• 6. 사용후핵연료 FE 모델링 기법을 이용한 집합체 FE 모델 최적화
• 7. 최적 FE 모델을 이용한 연료봉 장입 변수 최적설계
• 8. 결론
• 참고문헌(References)

참고문헌 (Reference)

1 Ha, D. G, "The Effect of the Fuel Rod Friction Force to the Fuel Assembly Lateral Mechanical Characteristics" 2012

2 Lee, S. K., "Study on the Fuel Assembly Mechanical Characteristics due to Grid Cell Nonlinear Irradiation with Fuel Rod" 2008

3 Mason, R. L, "Statistical Design and Analysis of Experiments" John Wiley & Sons, Inc. 2003

4 Lee, J. J., "Preliminary Study on Optimization of a Bulge Tool for Nuclear Fuel Manufacturing" 2076-pp. 2076~2085., 2017

5 Lee, J. J, "Preliminary Study on Optimization of Welding Position for Lateral Stiffness Increase of Nuclear Fuel Assembly using Design of Experiments" 13 : 13-, 2019

6 Shin, M. K., "Optimization of a Nuclear Fuel Spacer Grid Spring Using Homology Constraints" 238 (238): 2624-2634, 2008

7 Beer, F. P., "Mechanics of Materials" McGraw-Hill 2006

8 Gere, J. M., "Mechanics of Materials" Cengage Learning 2004

9 LS-DYNA, "LS-DYNA User’s Manual Ver. 971"

10 HyperWorks, "HyperWorks User’s Guide Ver. 2019"

11 Excel, "Help of Microsoft Office Excel Ver. 2013"

12 Kim, W. C., "General Statistics" Youngji Publishers 2007

13 Yoo, Y. I., "Finite Element Analysis of the Mechanical Behavior of a Nuclear Fuel Assembly Spacer Grid" 352 : 1-14, 2019

14 Yoo, Y. I., "Finite Element Analysis for Fuel Assembly Structural Behavior" 3 : V003T02A03-, 2018

15 Yoo, Y. I, "Development of Fuel Assembly Finite Element Model for Spent Fuel Drop Analysis" 2017

16 Park, G. J., "Analytical Methods for Design Practice" Springer-Verlag 2007

17 Ha, D. G, "Analysis of Control Rod Behavior based on Numerical Simulation" 2010

18 Ugural, A. C., "Advanced Strength and Applied Elasticity" Prentice Hall 2003

19 Lee, J. J, "A Study on the Dimension Analysis of the End-of-Life Grid" 2014

20 Jang, Y. K., "16×16 KAFD Fuel Assembly Mechanical Test Report" KEPCO Nuclear Fuel 2002