• 핀치 하중(pinch load) 하에서 SNF 클래딩(cladding) 파손을 시뮬레이션하기 위한 새로운 방법을 제안한다. • 연성 손상(damage) 모델의 핵심 매개변수를 통계적 방법을 사용하여 식별한다. • 손상 매개변수는 메타모델(metamodel)을 활용한 전역 최적화로 보정한다. • 검증은 RCT 실험 데이터와의 비교를 통해 달성한다. 방사성폐기물(Spent Nuclear Fuel, SNF) 로드 클래딩의 파괴 저항은 운송 중 충격 하중(impact loads) 하에서 평가하는 것이 필수적이다. 파괴 저항은 반경방향 수소화물(radial hydride fraction, RHF)에 따라 달라지며, RHF가 높을수록 핀치 하중 하에서 모드-III(Mode-III) 파손에 대한 저항성이 유의하게 감소한다. 본 연구는 이러한 조건에서 클래딩의 파손 저항성을 평가하기 위한 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 연속체 손상역학(Continuum Damage Mechanics, CDM)을 링 압축 시험(ring compression test, RCT) 시뮬레이션에 사용하여 수소화물이 포함된 클래딩의 기계적 거동을 분석하였다. 그러나 제한된 실험 데이터와 수소화물 형상(hydride morphology)의 변동성으로 인해 손상 모델의 파괴 매개변수를 결정하는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위해, 이미지 기반 유한요소 모델을 사용하여 파괴 매개변수를 추정하는 프레임워크를 제안한다. 직접 시뮬레이션 기반 최적화의 높은 계산 비용을 극복하기 위해 메타모델링 기법을 도입하였다. 설계실험(design of experiments, DoE)을 통해 데이터셋을 구성하고, 분산분석(analysis of variance, ANOVA)을 통해 매개변수의 영향을 분석하였다. 이후 파괴 매개변수는 시뮬레이션과 실험의 하중–변위 곡선(load–displacement curves) 사이의 오차를 최소화하여 크리깅 메타모델(Kriging metamodel)로 보정하였다. 최적화된 매개변수는 균열 개시(crack initiation) 하중과 변위를 오차 2% 미만으로 성공적으로 예측하였다. 변형률 에너지 밀도(strain energy density, SED)와 같은 전역 지표에만 의존하는 기존 접근들과 달리, 본 방법론은 미세조직(microstructural) 특성을 포함하며 수소화물 형상으로부터 발생하는 파손 기준의 변동성을 고려할 수 있도록 한다. 본 프레임워크는 핀치 하중 하에서의 클래딩 파손을 이해하기 위한 강력한 도구를 제공한다.

Accident-Tolerant Fuel(ATF) 기술의 한 구성요소로서 피복 클래딩(coated cladding)은 고온·고압 조건에서 원자핵 연료의 기계적 및 열적 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력 때문에 상당한 주목을 받아왔다. 그러나 피복층에 의해 도입되는 복잡한 다중물리 상호작용으로 인해 피복 클래딩의 구조적 분석은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)은 복잡한 형상과 비선형 재료 거동을 처리할 수 있다는 점에서 널리 활용되고 있으나, 높은 계산 비용 때문에 대규모 또는 장기 시뮬레이션에서의 활용성이 제한된다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 연구에서는 유한차분법(Finite Difference Method, FDM)에 기반한 2차원 축대칭 구조 해석 모델을 제안하며, 특히 Cr 피복 ATF 클래딩의 기계적 거동을 모사하도록 설계하였다. 이 모델은 기판 및 피복층 모두에서 탄성, 소성 및 크리프 변형을 고려하여, 일반적인 원자로 운전 조건에서 계산 효율성과 예측 능력 사이의 유리한 균형을 달성한다. 해당 모델은 GIFT 핵연료 성능 코드에 성공적으로 구현되어 열-기계 연성 시뮬레이션을 통합할 수 있게 하였다. 상용 FEA 소프트웨어와의 검증을 통해 응력 및 변형률 예측에서 강한 일치가 확인되었다. 본 연구는 ATF 개발 과정에서 고도화된 피복 클래딩 시스템의 설계 및 평가를 지원하는 실용적이면서도 확장 가능한 모델링 접근법을 제시한다.