This paper presents the results of a thermal analysis of the concrete canisters for interim dry storage of spent, irradiated Canadian Deuterium Uranium(CANDU) fuel. The canisters are designed to contain 6-year-old fuel safely for periods of 50 years in stainless steel baskets sealed inside a steel-lined concrete shield. In order to assure fuel integrity during the storage, fuel rod temperature shall not exceed the temperature limit. The contents of thermal analysis include the following : 1) Steady state temperature distributions under the conservative ambient temperature and insolation load. 2) Transient temperature distributions under the changes in ambient temperature and insolation load.
Accounting for the coupled heat transfer modes of conduction, convection, and radiation, the computer code HEATING5 was used to predict the thermal response of the canister storage system. As HEATING5 does not have the modeling capability to compute radiation heat transfer on a rod-to-rod basis, a separate calculating routine was developed and applied to predict temperature distribution in a fuel bundle. Thermal behavior of the canister is characterized by the large thermal mass of the concrete and radiative heat transfer within the basket. The calculated results for the worst case (steady state with maximum ambient temperature and design insolation load) indicated that the maximum temperature of the 6 year cooled fuel reached to 182.4℃, slightly above the temperature limit of 180℃. However, the thermal inertia of the thick concrete wall moderates the internal changes and prevents a rise in fuel temperature in response to ambient changes. The maximum extent of the transient zone was less than 75% of the concrete wall thickness for cyclic insolation changes. When transient nature of ambient temperature and insolation load are considered, the fuel temperature will be a function of the long term ambient temperature as opposed to daily extremes. The worst design condition set forth by the regulation could be relaxed for the concrete canister with large thermal mass.
CANDU 사용후핵연료의 중간건식저장시설인 콘크리트 캐니스터에 대한 열분석을 수행하고 그 결과를 제시하였다. 캐니스터는 탄소강 원주를 둘러 싼 콘크리트 차폐물로 구성되며, 그 내부에 스테인레스강의 배스켓이 장진되어 6년 냉각된 핵연료를 50년간 안전하게 저장할 수 있도록 설계되었다. 이때 핵연료의 건전성을 유지하기 위해서는 핵연료 최고온도가 온도제한치를 초과하지 않아야 한다. 수행된 열해석 내용은 다음과 같다.
1) 보수적인 대기온도 및 일사부하조건에서의 정상상태 온도분포
2) 대기온도와 일사부하조건 변화시 과도상태 온도분포
전도, 대류, 복사가 결합된 열전달해석을 위해 전산코드 HEATING5가 사용되었으며 그 결과 핵연료다발의 외곽표면온도가 계산되었다. HEATING5는 연료봉과 연료봉 사이의 열전달을 계산할 수 없기 때문에 핵연료다발내의 연료봉 온도분포계산을 위해서 별도계산을 수행하였다. 캐니스터의 열전달 특성은 콘크리트의 열중량과 배스켓내부의 복사열전달에 의해 결정된다. 보수적인 설계조건(최대 대기온도 및 설계일사부하)에서는 6년 냉각된 사용후핵연료의 경우 최대 182.4℃로서 제한치 180℃를 초과하였다. 그러나 실제조건에서는 콘크리트의 열관성이 내부온도변화를 완화시켜 대기온도 및 일사량 변화에 따른 배스켓내부의 핵연료온도변화를 억제하였다. 일사량변화시 온도변화는 콘크리트 뚜께의 75%를 넘지 않았다. 이러한 대기온도 및 일사량 변화에 따른 과도성질을 고려하면 배스켓내부의 사용후핵연료 온도분포는 매일의 극단치가 아닌 장기적인 온도변화의 함수로 예상되었다. 따라서 사용후 저장시설에 규제요건상 제시되는 최대대기온도 및 설계일사부하의 설계조건은 콘크리트 건식저장 시설에 대해서는 완화될 수 있다.
