간극 요소를 이용한 3차원 핵 연료봉의 해석

Abstract

지구 온난화가 심각해지면서 전 세계적으로 온실 가스로 대표되고 있는 이산화탄소의 방출을 최소화하기 위하여 노력하고 있다. 그러한 노력들 중 하나로 화석연료를 이용한 발전을 대체하는 원자력 발전의 이용이 있다. 원자력 발전소의 경우 전기를 생산하면서도 이산화탄소를 발생시키지 않는 장점이 있다. 하지만 안전성이 검증되지 않은 원자력 발전소의 운영은 심각한 인명피해 사고 및 환경의 파괴로 이어질 수 있다. 원자력 발전소의 핵심부품인 핵 연료봉 또한 이와 같은 안전성을 검증하게 되는데, 컴퓨터 프로그래밍을 통한 검증방법이 널리 쓰이고 있다. 이러한 코드를 핵 연료봉 성능코드라 한다. 가장 잘 알려진 핵 연료봉의 특수현상으로 간극의 열 전도도가 있다. 이러한 현상은 핵 연료가 1000K을 넘는 고온에서 열 팽창을 하게 되어 생기는 현상이다. 이러한 간극 열 전도도는 간극 거리에 따라 값이 크게 달라진다. 핵 연료성능 코드는 이러한 현상을 해석해야 한다. 본 연구의 목적은 3차원 간극 요소를 이용하여 핵 연료봉을 해석하는 데 있다. 간극 요소를 이용하여 해석하는 이유는 라그랑지 승수법과 같이 특별한 방법이나 변수가 필요없기 때문이다. 본 논문에서는 반지름 방향으로 균열이 발생한 핵 연료와 같이 1차원 혹은 축대칭 해석으로 해석하기 힘든 형상을 간극 요소를 이용하여 3차원 해석을 하였으며, 실험값과의 비교를 통해 검증을 진행하였다.