사용후핵연료 저장용기 캐니스터는 일반적으로 오스테나이트계 스테인리스 강으로 제작되며 방사선 차폐 역할을 한다. 구조적으로 얇은 벽 두께와 큰 반경을 가지며 대규모 용접을 통해 제작되지만, 재료의 민감화 영향으로 인해 용접후열처리를 실시하지 않는다. 이로 인해 캐니스터 용접부에는 높은 잔류응력이 그대로 남아있게 된다. 또한, 저장소는 해안가에 위치하며 자연 대류를 통해 냉각시키기 때문에 환경적으로 염화물에 노출된다. 이러한 이유들이 복합적으로 작용하여 캐니스터 외부에 염화물로 인한 응력부식균열이 발생할 수 있다. 이러한 배경으로 캐니스터에 균열이 발생하였을 경우에 용접잔류응력을 고려한 파괴역학적 평가를 위한 방법론을 제시하였다.
논문의 구성은 크게 두가지 파트로 나뉘어져 있다. 첫번째로, 파괴역학적 평가를 위한 탄소성파괴역학 매개변수인 J-적분을 계산하기 위한 공학적 예측식을 참조응력 방법에 기반해 제시하였고, 유한요소해석을 통해 검증하였다. 내압 하중을 받는 축방향 균열에 대해서 R6 의 Tresca 기준 한계 하중을 참조응력으로 사용하는 것이 캐니스터의 J 예측에 적절함을 확인하였다. 해당 결론은 내부균열과 외부균열, 반타원형태의 균열과 사각형의 균열 모두에 적용가능함을 확인하였다. 인장 하중을 받는 원주방향 균열에 대해서는 기존의 예측식들이 캐니스터의 반경대비 두께비로 인해 오차가 크게 발생하는 것을 확인하였다. 이에 따라 반경대비 두께비를 반영한 수정식을 제시하였다. 또한 기존 예측식들은 관통균열에 대해 제시되어 있어 표면균열에 적용할 수 없는 한계가 있었고, 이를 보완하기 위해 균열 깊이 영향을 보정하는 수정식을 제시하였다. 참조응력 방법을 기반으로 수정 식을 제시하였고 유한요소해석을 통해 검증하였다. 제안한 식은 내부균열과 외부균열에 모두 적용될 수 있음을 확인하였고, 인장하중뿐만 아니라 굽힘하중에도 적용될 수 있음을 확인하였다.
두번째로, 캐니스터의 용접을 유한요소해석으로 모사하여 잔류응력 상태를 계산하기 위해 새로운 3 차원 열전달해석 방법을 제시하였다. 캐니스터와 같은 대형 구조물의 경우, 정확한 열전달과정과 3 차원적인 효과를 정확히 고려하기 위해 3 차원 해석 기법이 반드시 필요하다. 기존의 이동열원 모델을 사용하여 3 차원 유한요소해석을 통해 용접 과정을 모사할 경우 큰 구조물의 특성으로 인해 과도한 해석 시간이 소요된다. 하지만, 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 시간에 따른 온도 프로파일을 경계조건으로 입력하여 효율적인 해석을 가능하게 하는 열전달 해석 방법을 제시하였다. 제시한 방법은 2 차원 이동열원 모델을 통해 입열 과정에서 발생하는 시간에 따른 비드의 온도 프로파일을 분석하여, 이에 대응하는 열원의 온도 프로파일을 3 차원 모델에 입력한다. 시간과 좌표에 대응하는 온도 프로파일은 ABAQUS의 사용자정의 보조프로그램(Sub-routine)인 "DISP"를 통해 경계조건으로 구현하였다. 해석 모델은 실험에서 측정된 온도 결과와 비교하여 검증하였으며, 또한, 측정된 잔류 응력과 해석 모델을 비교하여 타당성을 검증하였다. 기존의 3 차원 이동열원모델과 비교하여 효율적인 해석이 가능한 것을 확인하였고, 이를 통해 입열량의 변화, 용접 속도의 변화 등에 의한 영향을 효과적으로 분석할 수 있게 되었다.
제시한 파괴역학매개변수와 잔류응력 해석기법을 통해 계산한 잔류응력 프로파일을 이용하여 실제 사용 중인 사용후핵연료 캐니스터를 대상으로 내압과 취급하중을 고려한 경우에 용접부에 존재하는 균열을 파손평가선 방법을 사용하여 임계균열길이를 계산하였다. 제안한 참조응력이 임계균열길이에 미치는 영향을 확인하기 위해 기존의 참조응력을 사용하여 임계균열길이를 계산하고 제안한 참조응력의 결과와 비교하여 분석하였다. 또한 잔류응력의 영향을 확인하기 위해 유한요소해석을 통해 계산한 결과와 기존의 코드에 제시되어 있는 잔류응력 프로파일을 사용한 경우를 비교하여 분석하였다. 제안한 참조응력은 캐니스터의 CISCC에 의한 수명을 약 2~13 년 내외의 범위에서 기존의 방법보다 짧게 예측하는 것을 확인하였으며, 잔류 응력은 CISCC에 의한 파손에 큰 영향을 보이는 것을 확인하였다.