Nuclear power plant, which generates the electricity using the thermal energy that is dissipated from the nuclear fission, plays a central role as a clean energy because it emits less carbon dioxide compared to the fossil fuel power plant. Nuclear fuel rod, which is an important component of a nuclear power plant, is composed of nuclear fuel and its cladding. The heat generated inside of the pellet is transferred to the coolant passing through the cladding and the gap, which is the void between the pellet and the cladding. The steam that comes from the nuclear fuel rod rotates the turbine and generates the electricity. The disasters of nuclear power plants, such as Chernobyl nuclear power plant of Ukraine in 1986 and explosions of Fukushima power plant of Japan in 2011 caused very serious problems. All of these accidents are caused from the overheated nuclear fuel rod. For example, the explosion of the Fukushima nuclear power plant happened because the coolant cooling down the nuclear fuel rod was released through the crack of the nuclear reactor after the tsunami. The safety of the nuclear fuel rod at the transient state is the very important factor. The regulation of the nuclear power plant gets strengthened because of those serious disasters. To verify the safety of the nuclear fuel rod, simulating the nuclear fuel rod using the computer program is the universal method. The computer program is called the fuel performance code.
One of the well-known special phenomenons of the nuclear fuel rod is gap conductance between the pellet and the cladding. The phenomenon is caused by the expanded nuclear fuel (pellet) by high temperature which is over 1000K. The gap conductance which is the heat transfer coefficient between the pellet and the cladding is very sensitive to the gap distance. The fuel performance code should include the effect.
The main objective of this study is to simulate the nuclear fuel rod behavior considering the gap conductance using the 3D gap elements. The reason for using the gap elements instead of another method is that it is easy to use because it does not adopt special methods or other variables, such as Lagrange Multiplier. In this work, the nuclear fuel with radial crack which cannot be simply simulated using axi-symmetry or 2D plane analysis have been simulated and compared with the experimental result.
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.
