Design of a simulation system for dismantling nuclear reactor barriers

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SPECIAL ARTICLES

원자로 차폐벽 해체를 위한 시뮬레이션 시스템 설계

https://doi.org/10.14190/MRCR.2021.16.3.021

1. 서론

1.1 시뮬레이션 시스템의 플랫폼 배경

방사화 콘크리트를 해체 시 발생되는 폐기물의 감축을 위해서는 방사화/비방사화 영 역의 분리, 그 중 특히 자체처분기준 이하의 방사화 영역 부분에 대한 분리가 중요하다.

본 고에서 소개하는 방사화 해체콘크리트의 가상해체 시뮬레이션 시스템은 콘크리트 블 록의 방사화 선량 평가 데이터를 기반으로 원전해체 블록의 방사화 영역 구분, 공정을 고 려한 물량산출, 실제 원전 해체 작업 시 작업자 시뮬레이션이 가능한 플랫폼을 개발하는 데 초점을 맞췄다.

3차원 모델 설계 및 검토를 위한 CAD 시스템은 크게 두 가지로 구분된다. 첫 번째, 범 용 CAD란 전용 CAD와는 달리 특정 분야의 업무만을 위한 프로그램이 아닌 거의 모든 분야에 적용될 수 있는 CAD 프로그램을 말한다. 두 번째, 전용 CAD란 Autodesk사의 AutoCAD Architecture, Bentley AECOsim, ArchiCAD 등과 같이 특정 분야의 업무를 보 다 쉽게 수행할 수 있도록 범용 CAD에 추가로 해당 분야의 라이브러리가 탑재되어 배포 되는 프로그램이다. 목적에 맞는 기능을 지원하는 원전구조물 전용 CAD 프로그램은 없 다. 따라서 범용 CAD 플랫폼 상에서 시뮬레이션 시스템을 개발하기로 하였다.

Autodesk사의 AutoCAD는 최초 2D 도면작성을 목적으로 개발되었으며, 버전이 업그 레이드되면서 3D 렌더링 엔진이 탑재되어 3D 솔리드 편집기능이 대폭 향상되었다. 그러 나 점진적으로 향상되고 추가되는 기능들이 많아지면서 프로그램 가용 속도가 현저하게 떨어지고 있다. 한편 Bentley사의 MicroStation은 본래 3D 플랫폼으로 개발되었으며, 3D CAD 플랫폼으로서 최적화되어 왔고 초기 개발 특성에 의해 AutoCAD보다 빠른 속도의 처리 성능을 보여준다. CAD 기반의 플랫폼과 MicroStation 플랫폼 기반의 대표적인 프 로그램은 분야별로 [표 1]과 같이 정리할 수 있다. 특정 응용 프로그램 개발에 있어서 AutoCAD가 MicroStation에 비해 가진 장점은 사용자 개발환경이 매우 공개되어 현재는 ADN(Autodesk Development Network)을 통해 개발자들 간의 의견을 공유할 수 있는 웹 환경이 구축되어 있었다는 것이었다. 최근 Bentley사의 MicroStation 또한

박남규 Nam-Kyu Park

㈜태성에스엔아이 기술연구소장

E-mail : [email protected]

한대희 Dae-Hee Han

㈜태성에스엔아이 기술개발부 책임연구원

김근호 Keun-Ho Kim

㈜태성에스엔아이 기술연구소 선임연구원

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분야 AutoCAD 플랫폼 계열 MicroStation 플랫폼 계열 건축 AutoCAD Architecture AECOsim Building Designer 도로/철도 AutoCAD Civil 3D PowerCivil Power InRoads 등 기계/전기/전자 AutoCAD MEP,

AutoCAD Electrical 등 Building Mechanical Systems, Building Electrical Systems 등 [표 1] 주요 범용 CAD 플랫폼 및 전용 CAD의 종류

개발 환경 시작품 구현을 위해 사용한 내용 플랫폼 Bentley MicroStation V8i (SELECT series 3)

개발 도구 설치 Visual Studio 2010 Visual Studio 2008 Express MicroStation SELECT series 3 SDK (08.11.09.365)

개발 언어 C#, C++

[표 2] 시작품 시스템 개발 환경

BDN(Bentley Development Network)을 웹 환경으로 구축하 고, .Net 프로그램 환경까지 지원하여 개발의 용이성 측면에 서 AutoCAD와의 차이를 좁혔다.

결론적으로 MicroStation은 대용량의 방사화 데이터를 활 용한 평가 결과를 가시화 하는데 있어 AutoCAD에 비하여 처 리속도 면에서 매우 유리하고, 개발의 용이성 측면에서도 AutoCAD와의 큰 차이점이 없다고 평가되어 본 과업에서는 개발 플랫폼으로 MicroStation을 사용하였다.

1.2 시뮬레이션 시스템의 개발 환경

초기 MicroStation에서 제공하는 API(Application Programming Interface)는 MDL(Microstation Development Language/Library) 로 불리는 자체 개발언어만을 지원하였으나 MicroStation V8MX 버전부터 Add-ins라 불리는 새로운 개발 방식을 지원하 였다. 시작품 시스템 개발 환경은 [표 2]와 같으며, Add-ins는 .Net Framework 기반에서 운영되어 C#, C++/CLI 또는 VB.Net 언어를 사용하여 MicroStation 기반의 새로운 프로그램 개발을 가능하게 하며, 일반 사용자들도 쉽게 접근할 수 있는 Windows Form을 사용자 인터페이스로 활용할 수 있다는 점에 서 기존의 MDL 방식보다 개발의 용이성 및 사용자 접근성이 매 우 개선된 환경을 제공한다(<그림1>). 따라서, 본 과업에서는 C#으로는 컨트롤러 역할을 하는 사용자 인터페이스 및 레포트 작성 등을 담당하는 로직을 작성하였고, MicroStation의 기본 기 능을 조합하여 복잡한 형상 계산을 요구하는 작업에는 MDL 함 수에 직접적인 접근을 위해 C++을 이용하였다. 두 프로그램의 컴파일 결과는 모두 동적 라이브러리(dll) 형태로 작성되며, 사 용자는 MicroStation 실행 후 C로 만들어진 라이브러리 파일을 Load하여 본 과업의 시뮬레이션 프로그램을 실행할 수 있다.

MicroStation DB (DGN) Common Function Library

MDL Library

MicroStation Platform

C# C++

.NET Framework 3.5

그림 1. MicroStation 플랫폼과 시뮬레이션 프로그램과의 연결관계

MicroStation V8i 버전에서 지원하는 .Net Framework 버전은 3.5로서 실제 코드를 작성하기 위해서는 Visual Studio 2010 버 전을 활용하였으나, 이전 버전의 MDL 함수를 이용하기 위해 Visual Studio 2008 Express 버전을 추가 설치하였다.

1.3 시스템 설계 및 기본 사항 정의

1.3.1 기본 프로세스 및 기본 사항

<그림 2>는 본 시스템 활용에 관한 기본 프로세스를 나타낸 다. <그림 2>에 나타난 바와 같이 처음 원전 구조물에 대한 3D 모델링은 MicroStation으로 구축되어 있어야 하며, 이후 구축 된 모델에서 방사화 해석을 위한 데이터가 Excel로 적재되어 있어야 한다. 해석될 단면도를 추출한 뒤, 방사화 데이터를 받 아 2D 형상화를 한 후, 2D 형상화를 MicroStation 기능을 통해 3D 형상화를 한다. 3D 형상화 이후, 방사화/비방사화 블록 수 량 산출을 위한 블록화 작업을 진행한 뒤, 마지막으로 엑셀파 일로 Report 작성을 하는 순차적인 프로세스로 설계되었다.

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구분 Level 명칭 목적 작성

해석 대상체 Analysis 해석 대상체 식별 사용자 정의

원자 핵종 NuclearCore 2D 변환 원점좌표 식별 사용자 정의

실린더 코어 Cylindrical core 해석 대상체 간섭 구조물 사용자 정의

해석 단면 SEC_[단면명] 해석 대상 단면 식별 프로그램 정의

2D Info_from 프로젝트 정보 내포 프로그램 정의

형상화 wall_Grid 해석 단면 영역 Grid화 프로그램 정의

3D Level_

[방사능 레벨]

해석 단면 방사화 영역 식별

결과 프로그램 정의

형상화 Revolve_Level_

[방사능 레벨] 방사화 영역 3D 가시화 프로그램 정의

블록화

Block_Mesh 해석 구조체 블록화 프로그램 정의 Pollution_Level_

[방사능 레벨] 블록별 방사화 영역 가시화 프로그램 정의 [표 3] 관리 정보 및 해당 Level 명칭 규칙

그림 2. 시스템 활용 기본 프로세스

- 해석 구조체 범위가 차폐 콘크리트이므로, 3D Modeling 시 차폐 콘크리트가 3D 모델 내에서 식별되어야 함 > 차폐 콘크리트 레이어(Level) 표준 정의

- 3D 모델 상에서 해석 단면이 어느 곳인지 식별 가능해야 함 > 단면 관리를 위한 레이어(Level) 표준 정의

- 2D 형상화의 방사화 데이터는 엑셀 시트내에 수치로 기 재되어 있어야 함

> 방사능 준위별 수치값 입력

- 3D 형상화 시 차폐 콘크리트 내 간섭을 발생시키는 구조물이 식별되어 있어야 함

> 간섭 구조물 영역 제외를 위한 레이어(Level) 정의 - 블록화 산출에는 제염/해체 공정 조건을 입력해야 함 - 레포트 작성은 엑셀파일로 출력되며, MicroSoft Excel이 설치되어 있어야 함

2. 시뮬레이션 시스템 개발 내용 2.1 표준 Level 명 정의

일반적으로 AutoCAD에서 명칭하는 Layer의 개념은 MicroStation에서 Level에 해당한다. Level은 모델 내에 있는 정보를 개념적으로 구분하여 관리할 수 있도록 지원한다. 앞 서 정의한 사항에 따라 본 시뮬레이션 시스템에서 사용하는 표준 Level 명칭을 정의하였으며, 정의된 내용과 목적은 아래 의 [표 3]과 같다.

원자로 차폐벽 해체를 위한 시뮬레이션 시스템 설계 Special Articles

전체 모델 중 해석 대상이 되는 차페 콘크리트 3D 모델은

“Analysis” 레벨명으로, 기준원점이 되는 원자 핵종은

“NuclearCore” 레벨명으로, 차폐 콘크리트 내부 간섭 구조물 인 실린더 코어는 “Cylindrical core” 레벨명으로 사용자에 의 해 정의되어야 한다.

2.2 방사화 해석 지원을 위한 단면도 추출

방사화 해석에 사용되는 해석 구조체의 단면도를 추출하는 기능은 <그림 3>과 같다. 수동으로 추출하는 방법 외에 각도 입력으로 단면을 자동 추출하는 방법은 <그림 4>와 같다. <그 림 4>에 나타낸 바와 같이 본 과정은 크게 단면 관리자 (Section Manager) 창을 통해 관리하게 되며, <그림 5>와 같 이 등록된 단면이 리스트에 나열된다. 단면의 정의는 <그림 6>, <그림 7>과 같이 추출된 단면을 확인할 수 있다.

단면 관리자는 해석 단면을 추출하는 기능 외에도 추출된 단면의 정보를 수정하거나 삭제할 수 있는 기능을 지니고 있다.

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그림 3. 단면 수동 추출 과정

그림 4. 단면 자동 추출 과정

그림 5. 단면 관리자의 사용자 인터페이스

그림 6. 단면 수동 추출 기능 사용 사례

그림 7 . 단면 자동 추출 기능 사용 사례

2.3 방사화 데이터의 2D/3D 형상화

방사화 데이터를 통하여 추출된 해석 단면(0도)에 방사능 준위별로 색상으로 2D 형상화를 <그림 10>과 같이 진행한 후, 해당 형상을 기준으로 해석 구조체의 간섭 구조물의 영역을 제외하여 <그림 11>과 같이 3D 형상화를 진행한다(<그림 8>).

방사화 데이터는 그림 9와 같이 방사능 오염 영역별 수치가 엑셀 파일로 정의되어야 로드를 할 수 있으며, 해당 데이터는 해석 단면의 기준점을 찾아 단면 위에 Grid 형식으로 표현한 다. <그림 11>과 같이 Gird 영역별 방사화 데이터의 수치를 기 준으로 색상이 대입되며, 접점이 있는 동일 준위의 레벨영역 들은 하나의 영역으로 합쳐지게 된다. 2D 형상화를 통해 얻은 결과를 핵종을 기준으로 하여 360도 회전하여 3D 가시화 한 다. 이때 간섭이 발생하는 실린더 코어의 영역은 제외한 후 형 상화를 완료하며 <그림 11>과 같이 표현된다.

그림 8. 3D 형상화 과정

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그림 12. 블록화 과정

그림 13. 블록화 사용자 인터페이스 그림 9. 방사화 데이터(Excel) 사례

그림 10. 2D 형상화 결과물 사례

그림 11. 3D 형상화 결과물 사례 그림 14. 블록화 준비 단계

2.4 방사화/비방사화 집계를 위한 블록화 작업

원전 콘크리트 제염/해체에 필요한 블록 형태의 방사화/비방 사화 수량을 집계하기 위한 기능이며 본 과정은 <그림 12>와 같다. 해석 구조체의 최대 좌표값과 최저 좌표값을 가져와서 블 록화 영역을 만든 후, <그림 13>과 같이 사용자가 입력한 블록 의 제원을 토대로 계산하여 기준이 될 더미블록을 생성한다.

더미블록은 사용자 입력사항 중 제한범위 안에서 계산되어 생성되며, 해석 구조체는 더미블록과 매칭 후 MicroStation 기 능으로 <그림 14 ~ 19>와 같이 과정을 진행하게 되며, 이후 더 비 블록은 자동으로 삭제된다.

오염 체크를 통해 3D 형상화에서 얻은 방사능 준위별 오염 도를 <그림 20>과 같이 순서대로 매칭하여 블록화된 해석 구조 체 내에 오염범위를 <그림 21>과 같이 표현한다.

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그림 15. 블록화 진행 단계 그림 19. 해석 구조체의 블록화(top View, iso View) 사례

그림 16. 해석 구조체 매칭 단계 그림 20. 방사능 준위별 순차적 오염체크 사례

그림 17. 더미 블록 삭제 단계 그림 21. 오염범위 블록화 결과 사례

그림 18. 해석 구조체의 블록화(top View, iso View) 사례

2.5 Report 작성

블록화를 통해 얻은 결과물들을 집계하여 엑셀 시트로 출 력하는 기능이며, 본 과정은 <그림 22>와 같다. 프로젝트 정보 는 현재 모델링 도면, 방사화 데이터 파일명 등 현재 시뮬레이 션 프로젝트 정보를 내포하고 있으며, 해당 정보들은 원점에 생성된 점(Level명 “Info_from”) 객체에 내부 데이터로 등록

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되어 있다. 이 점 객체는 본 작업 최초 2D 형상화시 함께 생성 되며, 단계별로 정보를 저장하게 된다.

바탕화면에 블록수량 집계를 실행하는 시간을 이름으로 하 여 엑셀 파일이 생성된다. 해당 엑셀 파일의 첫 번째 시트에는

<그림 23>과 같이 로드 된 프로젝트 정보의 내용이 적재적소 에 삽입되어 있고, 두 번째 시트는 <그림 24>와 같이 블록별 방사화 영역 정보가 포함되어 저장되어 있는 것을 확인할 수 있다.

그림 22. Report 작성 과정

그림 23. 프로젝트 정보 시트 사례

그림 24. 블록별 정보 확인 사례

그림 25. 해체 시뮬레이션 고도화

3. 결론

본 연구에서 적용하려는 원전 차폐벽에 가장 근접한 형태 의 3D 모델링으로 고도화하여 최종 도출하였다.

기존 원형의 차폐벽 방식에서 격벽으로 이루어진 형태의 차폐벽으로 바뀌었으며 원자로의 위치 및 연료봉의 형태 또한 실제와 매우 유사하게 모델링 하였다. 수정 보완된 모델을 기 본으로 구조물 해체/제염, 처리절차 표준을 시뮬레이션에 반 영하여 <그림 25>와 같이 고도화된 해체 시뮬레이션이 완성 되었다.

감사의 글

본 연구는 2020년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너 지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니 다. (No.20161510300420)0161510300420)

담당 편집위원 : 최명성(단국대학교)