The demand for dry storage of spent nuclear fuel (SNF) is continually increasing due to competitive advantages such as expandability, economical efficiency, safety, security, and public acceptance. In recent years, the safety and security of SNF storage facilities received a considerable attention as these facilities are seen as an attractive target for vicious man activities. The safety of storage system under design-basis accidents should be verified during the license application process. For the extra-regulatory accidents, the consequence of the accidents needs to be quantified and a plan for recovery and mitigation should be prepared. In general, structural damage evaluation of a SNF dry storage system under an impact condition is a very complicated process due to limited knowledge on important parameters relevant to design safety. In this dissertation, a systematic risk assessment framework is developed for one of the most severe impact events on an interim dry storage facility, an aircraft impact (AI), using a probabilistic safety assessment. The proposed assessment procedure includes the determination of loading parameters and reference impact scenario, structural response analyses of facility walls, cask containment, fuel assemblies, and a single fuel rod composite, as well as radiological consequence analysis with dose-risk estimation. A descriptive case study of the AI is performed to demonstrate the practical applicability of the proposed framework.
In this work, new damage evaluation methodologies of a detailed generic cask model in a simplified building structure under AI were presented through numerical structural analyses and an analytical fragility assessment. A detailed storage metal cask model was developed in order to accurately and efficiently evaluate the structural response by a finite element code that can encompass various impact conditions. The structural analyses included evaluation of the dynamic response of a cask lid closure system to calculate the leakage path area, the dynamic response of a fuel assembly to estimate the fraction of rods that fail during the impact, and the dynamic response of a single fuel rod to estimate the load carrying capacity with a realistic and descriptive prediction. The risks are estimated for three structural levels considering aging effects for a storage facility, and cask, as well as post-irradiated conditions for a fuel assembly to evaluate the influence of parameters relevant to design safety.
The superiority of this framework is seen in its flexibility to consider a range of parameters in order to evaluate dry storage system capability to withstand AI and the prediction of potential realistic risks; the framework also provides insight into epistemic uncertainty in the available data, and into the sensitivity of design parameters in terms of risk. Further, this risk model can be used with any other representative detailed parameters and reference design concepts for other comparable direct or indirect impact conditions onto the cask body. Lastly, the procedure and methodology developed for the structural analysis in regards of fuel assembly characteristics can be further extended to support the development of guidelines for safe storage and post-storage transportation of SNF when augmented by realistic data obtained experimentally.
사용후핵연료 건식저장은 확장성, 안전성, 보안성, 경제성, 및 사회적 수용성 측면에서의 우수한 경쟁력을 이유로 그 수요가 꾸준히 증가하여왔다. 최근에는 사용후핵연료 중간저장시설이 테러와 같은 악의적 공격의 대상이 될 수 있다는 인식으로부터 그 안전성과 보안성에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다. 사용후핵연료 저장시설의 설계기준사고에 대한 안전성은 인허가 과정에서 입증되어야 하며 설계기준외사고에 대해서는 사고의 영향을 정량적으로 평가하여 파급효과를 완화하며 사고 이전 상태로 복구하기 위한 구체적 조치가 마련되어야 한다. 일반적으로 사용후핵연료 저장시설의 충돌사고로 인한 구조 손상평가는 매우 복잡한 과정이며 많은 경우 정확한 평가를 위한 데이터가 부족한 실정이다. 본 논문에서는 건식저장시설에 발생할 수 있는 가장 가혹한 충돌사고의 하나인 항공기 충돌사고의 위험도를 평가하기 위한 체계를 확률론적 안전성평가 기법에 기반하여 구축하였다. 제안된 평가체계에는 항공기충돌 시나리오 및 충돌조건의 선정, 저장시설 벽체, 저장용기, 연료다발, 개별 연료봉의 구조응답 해석 및 방사선적 결말 및 위험도 분석의 광범위한 요소가 포함되었다. 제안된 평가체계의 유용성을 입증하기 위하여 구체적 참조사례를 선정하여 분석을 수행하였다.
이 연구에서는 수치적 구조해석 및 구조 취약성 평가기법을 활용하여 단순화된 건물 내 저장된 용기에 항공기 충돌로 인하여 발생하는 손상을 평가하는 새로운 방법론을 제시하였다. 다양한 충돌조건 하에서 저장용기의 구조적 거동을 정확하게 평가하기 위하여 저장용기의 상세 유한요소 해석 모델을 구축하였다. 구조평가에는 충돌 시 누설 면적 계산을 위한 용기뚜껑의 동적 거동평가, 충돌로 파손된 연료봉의 비율을 계산하기 위한 사용후핵연료 다발의 동적 거동평가, 현실적이고 구체적인 조사 연료봉의 특성을 고려하여 연료봉의 내충격성능을 평가하기 위한 단일 연료봉의 동적 거동평가가 포함된다. 사용후핵연료 저장건물 및 저장용기의 열화와 조사된 핵연료의 특성 및 상태를 고려하여 건식저장시설의 구조 저항성을 3단계로 구분하고 각각의 위험도를 평가하여 주요한 인자들의 위험도에 대한 영향을 분석하였다.
개발된 평가체계의 우수성은 저장시설의 항공기충돌 저항성 및 위험도를 정확히 평가하기 위하여 필요한 다양한 입력 인자를 유연하게 반영할 수 있다는 점에 있다. 이를 통하여 평가에 필요한 입력 데이터의 불확실성 및 이러한 인자들에 대한 최종 위험도의 민감도 정보를 제공해줄 수 있다. 더 나아가 개발된 평가 체계는 특정 저장시스템 및 충돌 시나리오에 국한되지 않고 다른 참조 저장시스템 및 입력 인자에 대해서도 공히 적용이 가능하다. 마지막으로 사용후핵연료의 충돌 저항성 평가를 위하여 개발된 방법론과 절차는 실험 등으로 사용후핵연료 특성 데이터만 보완되면 사용후핵연료의 안전한 저장 및 저장 후 운반을 위한 취급 지침 개발에 활용할 수 있다.
