제4세대 원자력에너지 시스템

이형연,Lee, Hyeong-Yeon 한국과학기술정보연구원 2007 지식정보인프라 Vol.26 No.-

소듐냉각 고속로 열교환기의 고온 설계

이형연(Hyeong-Yeon Lee),김종범(Jong-Bum Kim),어재혁(Jae-Huyk Eoh),이용범(Yong-Bum Lee) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

본 논문에서는 소듐냉각 고속로(sodium-cooled fast reactor, SFR)의 열교환기 고온 설계와 관련하여 2028년까지 건설 예정인 실증로, KALIMER-600 그리고 SFR 소듐 열유체 종합 실증시험시설인 STELLA(Sodium Integral Effect Test Loop for Safety Simulation and Assessment) 의 열교환기에 대해 현재의 설계 현황에 대해 기술하고 고온 설계 관련 예비해석을 수행하고, 기술 현안을 정리하였다. 현재 한국원자력연구원이 개발 중인 STELLA 시험장치 내 열교환기(DHX, AHX)의 고온 설계 및 제작과 관련하여 설계 단계에서의 상세한 설계 평가 및 예상되는 설계, 제작 부문의 기술 현안의 도출 및 해결이 요구된다. 고온 열교환기 설계 및 평가와 관련하여 ASME-NH와 프랑스의 RCC-MR RB-3900(열교환기)을 적용한 평가 및 해석 결과의 비교 분석이 향후 수행될 예정이다. The main heat exchangers in the Korean Generation Ⅳ demonstration sodium-cooled fast reactor are IHX(Intermediate heat exchanger), DHX(Decay heat exchanger), SG(Steam Generator) and AHX(Auxiliary heat exchanger). The tube shapes in current design of the IHX and DHX are straight while those of SG and AHX are helical. In KAERI, a large scale sodium test facility of the ‘STELLA’(Sodium Integral Effect Test Loop for Safety Simulation and Assessment) is under construction for the performance validation tests of heat exchangers as well as mechanical pump. In this study, high temperature design aspects of IHX, DHX and AHX are described, and preliminary stress analyses on the IHX and DHX operating at creep regime have been carried out. The materials of the shell and tube in IHX and DHX are Mod.9Cr-1Mo (ASME Grade 91) steel while the materials for tube and shell of AHX are 316SS and 304SS, respectively. Technical issues of creep-fatigue damage evaluation and actual welding for Gr.91 steel are highlighted.

원자력 수소 생산용 공정열교환기 모델의 고온설계 및 손상 평가

이형연(Hyeong-Yeon Lee),송기남(Kee-Nam Song),홍성덕(Sung-Deok Hong),김용완(Yong-Wan Kim),박홍윤(Hong-Yune Park) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

The generation of hydrogen using nuclear energy has become a viable means in producing an emission-free energy. A process heat exchanger (PHE) transfers the heat generated from a nuclear hydrogen reactor to a sulfur-iodine hydrogen production system in the NHDD (Nuclear Hydrogen Development and Demonstration). The inlet temperature in the primary side of the PHE mockup in this study is 950℃ with an internal pressure of 7MPa while the inlet temperature in the secondary side of the PHE is 500℃ with internal pressure of 4MPa. An evaluation of creep-fatigue damage on the PHE mockup has been carried out from finite element analysis with the full three dimensional model of the PHE. The candidate materials of the PHE are Alloy 617 and Hastelloy X. In this study, Alloy 617 was considered as PHE material because a very high temperature design guideline is currently available only for Alloy 617 as ASME draft code case. Based on the 3D finite element analysis on the PHE model, creep-fatigue damage evaluation at very high temperature was carried out according to the ASME Draft Code Case for Alloy 617.

ASME B31.1을 따른 크리프 영역 장기간 가동 고온 배관의 설계 비보수성 기술 현안

이형연(Hyeong-Yeon Lee),손석권(Seok-Kwon Son),정지영(Ji-Young Jeong) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.7

압력배관의 설계에 ASME B31.1이 널리 사용되고 있지만, 이는 고온 배관에 적용 시 명시적으로 크리프 영향을 고려하지 못하기 때문에 장기간 고온 크리프 환경에 노출되는 배관에 적용될 경우 비보수적 설계를 초래할 우려가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 일련의 고온 유지시간에 대한 민감도 분석을 통해 ASME B31.1의 보수성을 분석하였다. 동 분석을 위해 명시적으로 크리프 영향을 고려하는 원자력등급의 고온 배관설계 기술기준인 RCC-MRx를 사용하여 다양한 고온 유지시간에 따른 설계평가를 수행하고, ASME B31.1의 결과와 비교 분석하였다. 분석 결과 RCC-MRx 평가에서는 크리프 영역의 고온에서 유지시간이 점진적으로 증가하면 크리프-피로 파손이 발생하였지만, ASME B31.1에서는 고온 유지시간에 무관하게 건전성을 유지하는 것으로 나타났다. 따라서 장기간 크리프 환경에 노출되는 배관 설계에서는 ASME B31.1이 비보수적 설계를 초래할 수 있는 것으로 나타났다. ASME B31.1 is widely used in the design of power piping, but it does not explicitly consider creep effects. Therefore, there are concerns over non-conservative design for power piping undergoing long-term operation at high temperatures within the creep range. In this study, sensitivity analyses were conducted over a range of hold times at high temperatures to quantify the conservative qualities of ASME B31.1. For the analyses, a high-temperature nuclear esign code of RCC-MRx that explicitly considers creep was applied, and the two evaluation results were compared. Analysis using RCC-MRx showed that creep-fatigue failure occurred as the hold time at high temperature gradually increased, but integrity was maintained regardless of the hold time in the case of evaluations using ASME B31.1. It was therefore shown that ASME B31.1 might cause non-conservative design in the case of pipes subjected to long-term operation within the creep range.

열에너지 저장 시스템의 Type 316L강 700°C 고온 배관의 설계

이형연(Hyeong-Yeon Lee),남기언(Ki-Eun Nam),윤정(Jung Yoon),김현일(yeong-Il Kim),어재혁(Jahyuk Eoh) 대한기계학회 2022 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2022 No.11

열에너지 저장 시스템의 Type 316L강 700°C 고온 배관의 설계

이형연(Hyeong-Yeon Lee),남기언(Ki-Eun Nam),윤정(Jung Yoon),김현일(yeong-Il Kim),어재혁(Jahyuk Eoh) 대한기계학회 2022 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2022 No.11

소듐 시험루프 내 고온 압력용기의 크리프-피로 건전성 평가

이형연(Hyeong-Yeon Lee),이동원(Dong-Won Lee) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.8

본 연구에서는 한국원자력연구원 내에 설치될 예정인 소듐시험 시설인 SELFA(Sodium Thermalhydraulic Experiment Loop for Finned-tube Sodium-to-Air heat exchanger) 내에서 정상상태 가동온도가 510°C의 고온 압력용기인 팽창탱크에 대해 고온 건전성 평가를 수행하였다. 팽창탱크에 대해 3 차원 유한요소 해석에 기초하여 고온설계 기술기준인 ASME Section III Subsection NH 와 프랑스의 RCC-MRx 코드를 따라 크리프-피로 손상평가를 수행하였다. 평가결과 팽창탱크는 크리프-피로 설계 과도 하중 하에서 구조적 건전성을 유지하는 것으로 나타났다. 316L 스테인리스강 재질의 동 압력용기에 대해 정량적 코드 비교 분석을 수행하였다. In this study, high temperature integrity evaluation on a pressure vessel of the expansion tank operating at elevated temperature of 510°C in the sodium test facility of the SEFLA(Sodium Thermal-hydraulic Experiment Loop for Finned-tube Sodium-to-Air heat exchanger) to be constructed at KAERI has been performed. Evaluations of creepfatigue damage based on a full 3D finite element analyses were conducted for the expansion tank according to the recent elevated temperature design codes of ASME Section III Subsection NH and French RCC-MRx. It was shown that the expansion tank maintains its integrity under the intended creep-fatigue loads. Quantitative code comparisons were conducted for the pressure vessel of austenitic stainless steel 316L.

장기간 크리프 영역에서 가동되는 압력 기기 및 배관계통의 ASME Code (VIII Div.2 & B31.1)를 따른 설계의 비보수성 리스크

이형연(Hyeong-Yeon Lee),이제환(Jewhan Lee),김태완(Tae-Wan Kim) 대한기계학회 2019 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2019 No.11

ASME Section VIII Division 2(‘ASME VIII(2)’) and ASME B31.1 are widely used for design of not only lowtemperature but also high-temperature pressure vessels and piping, respectively operating at high temperature in creep range. In high-temperature design of a pressure vessel according to ASME VIII(2) and of a piping according to ASME B31.1, creep effects are not considered explicitly and the design evaluation results do not change depending on hold times at high temperature. In case of French high temperature design code of RCC-MRx, it explicitly takes creep hold time into account like the case of ASME Section III Division 5. Sensitivity analyses with various hold times at high temperature in design evaluations were conducted as per RCC-MRx to see the effects of hold times on design evaluations for a heat exchanger of IHX (intermediate heat exchanger) and a piping system in a sodium test facility. The conservatism of ASME VIII(2) and ASME B31.1 in case of long-term operation at high temperature in creep range have been quantified based on the comparisons in design evaluations as per ASME Codes with those of RCC-MRx which explicitly takes hold time into account. It was shown from the comparison that the results from ASME VIII (2) and ASME B31.1 exceeded the design limits of RCC-MRx if hold times exceed certain limits, which means ASME VIII (2) and ASME B31.1 might give non-conservative results in case of long time operation in creep range.

Mod.9Cr-1Mo 강 구조의 크리프-피로 균열 거동 평가법 개발

이형연(Hyeong-Yeon Lee),이재한(Jae-Han Lee) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.1

본 연구에서는 프랑스의 RCC-MR A16 절차에 기초하여 Mod.9Cr-1Mo 강(ASME Grade 91) 구조의 크리프-피로 균열 개시 및 성장 평가법을 확장 개발하였다. 현재의 A16 지침은 오스테나이트 스테인리스강에 대해서만 크리프-피로 균열 개시 및 성장 평가법을 제시하고 있지만, 현재 초초임계(USC) 화력발전소는 물론 미래형 원자로 시스템의 구조재료로서 폭넓게 채택되고 있는 Mod.9Cr-1Mo 강에 대한 지침은 제시하지 않고 있다. 본 연구에서는 FMS(페리틱-마르텐사이트강)에 대한 크리프-피로 균열 개시 및 성장 평가법을 제시하고 있고, 구조물에 대한 크리프-피로 균열 거동 평가를 수행하였다. 평가결과는 구조시험을 수행한 결과 얻은 관찰 이미지와 비교하였다. In this study, an assessment method on creep-fatigue crack initiation and crack growth for a Mod.9Cr-1Mo steel (ASME Grade 91) structure has been developed with an extension of the French RCC-MR A16 procedure. The current A16 guide provides defect assessment procedure for a creep-fatigue crack initiation and crack growth for an austenitic stainless steel, but no guideline is available yet for a Mod.9Cr-1Mo steel which is now widely being adopted for structural materials of future nuclear reactor system as well as ultra super critical (USC) thermal plant. In the present study an assessment method on creep-fatigue crack initiation and crack growth is provided for the FMS (Ferritic-Martensitic Steel) and assessment on the creep-fatigue crack behavior for a structure has been carried out. The assessment results were compared with the observed images from a structural test.

공공건축물의 감염병 예방설계 가이드라인 개선방향 연구

이형연(Hyeong-Yeon Lee),정지원(Ji-Won Jeong),김하영(Ha-Yeong Kim),장정우(Jeong-Woo Jang),정종근(Jong-Keun Jeong),유해연(Hae-Yeon Yoo) 한국산학기술학회 2022 한국산학기술학회논문지 Vol.23 No.10

코로나 장기화 및 새로운 감염병에 대비해 지속적인 감염병 예방설계가 요구되는 현 시점에서, 의료시설 대상의 기존 감염병 예방설계는 모든 건축물에 적용시킬 수 있는 보편성을 가지지 못하며 새로운 연구 및 사례들 또한 비교 분석을 통한 개선방향의 피드백이 이뤄지지 못하고 있다. 따라서 본 연구는 새로운 감염병 예방설계의 가이드라인 및 사례 분석을 통해 일반 건축물의 기본적 설계 요소로써 적용될 수 있는 감염병 예방설계 가이드라인의 개선방향을 제안하고자 한다. 공공을 통해 보편적 위생기준이 확립되는 감염병 예방설계 구축 시스템에 따라 본 연구는 정부 및 공신력을 가진 민간기업이 주체로 연구한 감염병 예방 설계 가이드라인과 공공건축물 사례를 비교 분석함으로써 일반 건축물에도 적용할 수 있는 보편적 가이드라인의 개선방향을 제안하고자 한다. 연구는 기존 가이드라인의 분류를 참고해 도출된 계획적 측면, 제도적 측면, 프로그램적 측면, 장비 및 설비 측면으로 분류하여 분석되었으며, 각 측면에서의 개선방향을 도출하였다. 이는 뉴노멀 시대에 무분별하게 등장하고 있는 감염병 예방설계들을 분석 및 정리함으로써 개선된 가이드라인의 후속연구에 이바지할 수 있으며, 공공건축물의 예방설계 가이드라인 분석을 통해 의료시설 대상의 기존 감염병 예방설계를 극복하며 일반시설에도 도입될 수 있는 일반성과 보편성을 가지므로 지속적인 감염병 예방설계를 제공한다는 측면에서 의의를 가진다. Design for continuous infectious disease prevention is required in preparation for prolonged COVID-19 and new infectious diseases. Existing design for infectious disease prevention in medical facilities does not have universality that can be applied to all buildings, and new studies and cases are not feedback on improvement through comparative analysis. Therefore, this study proposes a direction for improvement of guidelines that can be applied as basic design elements to general buildings through the analysis of other guidelines and cases of new infectious disease prevention design. A construction system for infectious disease-prevention design establishes universal hygiene standards through the public. According to the system, the proposed universal guidelines can be applied to general buildings. Aspects were classified into planning aspects, institutional aspects, program aspects, equipment, and facilities by referring to the classification of existing guidelines. We derived improvement directions in each aspect. This study could contribute to a follow-up study on improved guidelines by analyzing and organizing designs for infectious disease prevention that have emerged indiscriminately in the New Normal era.