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기술의 정의
○ 원전 고부하(출력증가, 장주기운전, 부하추종운전) 운전 요구를 충족시킬 수 있는 핵연료 성능 평가 기술
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국내 기술개발 수준 및 현황
○ 24개월 장주기운전 수용을 위한 핵연료 인허가연소도 증가를 위한 기술개 발 수행 중임.
○ 부하추종운전 및 출력감발 조건에서 소결체-피복관 상호작용(PCI) 평가를 위한 유한요소기반 연료봉 해석코드 개발 중임.
○ 해석 체계의 검증을 위한 시험 기술과 실험 자료가 부족함.
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국외 기술개발 수준 및 현황
○ 미국 및 유럽 등 원전 선진국의 경우 고부하운전 요구를 충족하는 핵연료 성능 평가기술 확보 및 상용 적용 중임.
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미래동향 예측
○ 에너지전환 시대에 원전의 운전조건 변화 요구에 대응하기 위한 기술로 활용 될 것임.
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기술개발 수행체계
○ 핵연료 설계기술을 보유하고 있는 산업계 주도로 추진함.
- 1단계(5년) : 고부하 운전에 따른 핵연료 성능평가 기술 개발 및 검증자료 확보 - 2단계(3년) : 고부하 운전에 따른 핵연료 성능평가 기술 인허가
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세부기술의 구성 및 주요 내용
항목 주요 내용 개발대상 핵심 요소기술
Ÿ 출력증강/장주기운 전 핵연료
성능평가
Ÿ High Duty 핵연료 성능평가 기술 Ÿ 핵연료 인허가연소도 증가 영향 평가
Ÿ High Duty 운전에 의한 피복관 부식/수소화/크러드 영향 평가기술
Ÿ 고연소도 핵연료 정상상태/과도/사고 해석코드/방법론/검증 DB
1.1.4 기기 및 계측/제어 계통 성능 향상 가. 기술 개요
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이슈 및 문제점
○ 원전의 기기/전자/구조물 계통 및 계측제어 계통의 안전성 혁신을 위하여서 는 기존에 적용되고 있는 안전진단 기술의 고신뢰화 및 스마트 센싱 등을 이용한 빅데이터 구축, 인공지능 적용 등 ICT기술의 접목을 통한 지속적인 연구개발이 이루어져야 함.
○ 가동원전의 경우, 원전의 일차계통이 안전하게 운영되더라도 이차계통에서 예기치 않은 고장 또는 결함이 발생할 경우 기기류들의 연속적인 손상으로 원전의 안전성에 심각한 영향을 초래 할 수 있음.
○ 국내의 원전 및 수화력 플랜트의 경우 감시/진단 계통의 기기상태 감시용 센서류 및 측정 시스템은 전량 수입에 의존하고 있으므로, 최근 주목받고 있는 제4차 산업혁명 기술을 접목한 IoT 및 진단용 빅데이터 구축 등을 위 하여서는 우선적으로 감시/진단용 센싱 시스템에 대한 원천기술(신소재 및 신개념 적용 등) 확보가 되어야 함.
○ 가동원전 압력경계 기기/전자부품/기계시스템 및 제어계통의 안전성 혁신화 를 위해서는, 기존의 고전적인 감시범위를 확대하는 스마트 복합센싱 기술 을 적용하여, 계통의 결함과 고장을 조기에 정확하게 예측하기 위한 지능화 진단 기술의 개발 및 적극적인 활용이 요구됨.
○ 계측/제어 계통의 성능 향상은 원자력의 시스템의 운전 성능 및 건전성 향 상에 직결되는 하드웨어 부분으로 지속적인 연구개발로 그 효과를 직접적 으로 체감하고 수치화 할 수 있는 분야임.
○ 최근 국내 경주, 울산 지역 지진으로 인한 국민적 불안감이 확대되고 있고, 향후 강진으로 인한 중대사고 발생 가능성이 있으므로 계측/제어 계통 기술 의 성능 향상을 통한 안전성 확보가 시급함.
Ÿ 부하추종운전 핵연료 성능 평가
Ÿ 연료봉 PCMI 해석기술 개발
Ÿ 제어봉 기계적/건전성 평가기술 개발
Ÿ 연료봉 PCMI
해석코드/방법론/설계기준/
검증 DB
Ÿ 제어봉 마모/피로 시험 및 평가
○ 수 십여 년간 운전되는 원전에서 계측/제어 계통의 성능 개선과 안전성 증 대로 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있고 고통고장 원인 분석 및 대처 등 계통의 안전성 향상이 필요함.
○ 가동원전 또는 수출형 원전의 계측/제어 계통의 성능향상을 위해서 첨단 4 차 산업혁명 기술을 접목한 안전성 혁신이 현안으로 대두됨.
○ 컴퓨터의 발전과 인공지능 기술의 진보로 인해 운전 빅데이터 의 활용성이 필요성이 대두되고 있으며, 특히 Smart IoT Sensing 을 통해 다양한 실시간 데이터가 수집됨으로 인해 해석, 운전, 운영, 실시간 측정 데이터 등 다양한 발전소 운영 빅데이터를 저장 처리, 분석하기 위한 빅데이터 병렬 처리 기 술의 개발이 필수적임.
○ 기존의 안전진단 및 예측 기술은 해석적인 방법과 물리적 모델을 이용하였 으나, 컴퓨터의 발전과 인공지능 기술의 진보로 인해 안전진단 및 예측 기 술은 축적된 안전 진단 해석 빅데이터 및 운영 빅데이터를 이용한 빅데이터 활용 인공지능 기반 공정계측제어기기 고장진단예측 기술의 개발이 필요함.
○ 원전의 전 모드 자율운전을 위해서는 축적된 안전 진단 해석 빅데이터 및 운영 빅데이터를 이용한 사고상태를 자율 극복할 수 있는 운전 빅데이터 및 인공지능알고리즘을 적용한 사고상태 진단예측 기술의 개발이 필요함.
○ 4차 산업 도래에 따른 AI S/W에 대한 신뢰성 문제가 새롭게 제기고 있으며 인공지능 소프트웨어 대하여 설명 가능한 신뢰성 평가가 필요하고 신뢰성, 성숙성, 등 신뢰성 평가 기술을 향상시켜 신뢰성 평가 수준을 국제 수준으 로 운용할 필요성이 있음.
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기술개발 필요성
○ 원전의 가동 중에 압력경계 기기/구조물의 사고한 고장이나 결함이 사고로 확대되는 가능성을 사전에 차단하기 위해서는 ICT 기반 지능화된 감시/진단 /예측 플랫폼의 구축이 필요함.
○ 국내 가동원전 및 수출원전의 운영 안전성 혁신 및 사고의 예방을 위하여서 는 잠재적인 고장징후를 포함한 지능화된 안전진단 기술의 개발이 필요함.
○ 현재 노후화 및 이상상태 감시용 센서망은 주로 고가의 주요설비를 제외하 고는 설치되어 있지 않으며, 원전 내에 감시사각 지대가 존재함. 경제적인 비용으로 기존의 감시사각 지대를 해소할 수 있는 스마트센싱 기법을 개발 하여 가동원전에 적용할 필요가 있음.
○ 가동원전의 압력경계 구조물 내부 금속성 파편 및 이물질이 종종 발생하며, 이물질 발생 시 압력경계 내부 기기의 충격 및 마모 등 가동원전의 안전성 저하를 초래함. 원전 압력경계의 금속파편 및 이물질에 대한 실시간 감시기 술의 지속적인 고도화 개발로, 가동원전 1차 및 2차 계통 전반에 걸친 기기 의 건전성 저하 조기차단 필요함.
○ 가동원전의 경우 예기치 않은 밸브의 막힘, 누설, 이물질 발생, 지지조건 변 화 등으로 인하여 배관계, 회전체 및 밸브 등의 고진동 현상이 발생하여 주 요 고장 및 사고로 진행할 가능성이 있음. 기기의 고진동 현상의 규명 및 고 진동의 지속으로 인한 피로수명 단축 등에 대한 정확한 평가를 통한 가동원 전의 안전성 혁신이 필요함.
○ 원전의 안전운영에 대한 중요성이 부각되고 있으며, 특히 누설에 대한 사전 탐지 및 예방 필요성에 대한 관심이 높아지고 있음. 현재 누설감시 및 진단 기술은 미세한 누설이 발생한 후에 나타나는 특징(가스, 누설진동, 누설음 등)을 감지하여, 사후에 누설을 탐지하는 방식임. 누설을 사전에 예방하기 위해서는 복합센싱기술을 활용하여 누설 취약부에 대한 건전성 감시/진단/
예측 기술 개발이 필요함.
○ 기존의 원자로계통 구조건전성 감시/진단 시스템에서 균열감시 기능이 미흡 함. 원전의 가동연수 증가에 따른 사고를 조기에 차단하기 위하여 균열감시 에 대한 핵심 신기술 개발 및 규제 요건화가 필요함.
○ 원전 계통 기기의 안전을 상시적으로 감시하고 진단하기 위한 센서 기술은 고온/고압/방사선 환경에서 신뢰적으로 동작해야 하는 전략기술로서 전량 해외 선진 기술에 의존하고 있음. 특히, 후쿠시마와 같은 중대사고 발생의 경우 훨씬 가혹한 환경(초고온/고방사선/폭발)에서 원전 주요기기의 상태감 시를 통해 효과적으로 초기 대응이 가능하도록 하는 것이 매우 중요하나, 아직까지 관련기술이 개발되지 않음.
○ 최신 ICT 기술의 원자력 관련분야 도입 및 활용 최신설비에 스마트 센서망 도입에 의한 빅데이터 확보가능성 증대하므로, 누적되고 있는 데이터를 적 극적으로 활용한 정확한 현상 진단과 이의 지능적인 자동화가 요구됨.
○ 스마트 안전진단을 위해서는 무선센서 네트워크 구축이 필수적임. 이를 위 해서는 많은 센서를 분포시키는 것이 필요하나, 전력공급이 어려운 문제점 이 있음. 자가발전을 통한 전력공급 기술이 필요하며, 가혹환경에서 동작이 가능하고, 원전 기기/설비에서 직접 에너지원을 수확할 수 있는 자가발전용 소재/부품 기술이 필요함.
○ 고정센서 사용으로 인한 감시사각 지대 발생의 한계점을 극복 할 수 있는 센서 고밀도 융합센서의 중요성이 확대됨. 따라서 광역의 변위, 온도, 진동 에 대한 분포정보를 무전원 상태에서 상시 원격 모니터링 할 수 있는 고밀 도 원격 측정시스템의 필요성이 증대함.
○ 원전의 계측제어 장비들은 전자시스템 대체로 기능은 개선된 반면 반도체 소자의 방사선 열화로 인해 전자장비의 치명적 고장 가능성이 증대되고 있 음. 고방사선 환경에서의 방사선 열화를 전자장비 내부를 통하여 진단하고 운영환경에서의 정밀한 수명예측 진단기술의 개발이 필요함.
○ 계측/제어 계통 성능 향상을 통해 기존의 처리 범위보다 넓은 범위를 커버 할 수 있어 발전소 상태를 지속적이고, 더욱 정확하게 감시할 수 있음.
○ 계측/제어 계통은 그 기능과 성능을 확인하기 위해서는 다양한 (고온, 고압, 고방사선, 고습도) 시험 시설을 통해 실증해야 함. 원자력연구원은 고방사선 시험시설, 열수력시험시설, 중대사고시험시설, 다목적 연구로 시설을 보유 하고 있어 개발된 차세대 계측기의 실증시험이 원활하게 수행될 수 있음.
○ 기본적인 계측/제어 계통은 KNICS 사업을 통해 국산화가 완료되었지만 IoT 등 새로운 기술 개발을 접목하여 차세대 고성능/고안전 원천기술을 확보할 필요가 있고, SMART와 같은 소형 모듈 원전 (SMR) 등의 미래원전 기술 개 발을 위해서는 반드시 최신 기술의 계측제어 계통 설계 기술이 필요함.
○ 현재 디지털 안전 계측제어계통 평가관리 국가 표준 및 안전규제가 단순화, 표준화 및 일관성이 결여되어 있으며, IoT, 인공지능 및 빅데이터에 대한 평 가관리 국가 표준 및 안전규제 기술 개발이 시급히 필요함.
○ 최근 다양한 신기술들이 숨 가쁘게 발전하면서 디지털 계측제어 전반에 걸 쳐 변화의 물결이 몰려오고 있음. 변화의 핵심은 초연결화, 초자동화, 초융 합화로 요약할 수 있으며 이들의 새로운 디지털 계측제어 인프라의 패러다 임 전환에 따른 안전성을 확보할 수 인프라의 구축이 필요함.
○ 빅데이터 병렬 처리 기술은 Smart IoT Sensing을 통해 다양한 실시간 데이 터, 해석, 운전, 운영, 실시간 측정 데이터 등 다양한 발전소 운영 빅데이터 를 저장 처리, 분석을 가능하게 하여 데이터 기반 고장진단 및 예측기술, 자 율운전 기술 등 다양한 분야에 활용될 수 있음.
○ 빅데이터 활용 인공지능 기반 공정계측제어기기 고장진단예측기술은 Smart IoT 기술, 고속의 병렬처리 기술 및 고장 및 운영 빅데이터를 융합하여 기기 및 공정 이상상태를 신속하고, 조기에 진단 예측 가능하고 나아가 이를 통 해 자율운전을 달성할 수 있음.