[논문]지진해일에 의한 원자력발전소 소외변압기의 취약도 평가

김민규; 최인길; 강금석

지진해일에 의한 원자력발전소 소외변압기의 취약도 평가
Tsunami Fragility Evaluation for Offsite Transformer in Nuclear Power Plants 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.22 no.1, 2010년, pp.18 - 24

김민규 (한국원자력연구원 종합안전평가부) , 최인길 (한국원자력연구원 종합안전평가부) , 강금석 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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본 연구에서는 지진해일에 의한 원자력발전소의 확률론적 안전성 평가를 위하여 취약도 함수 도출에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 기존의 지진 등을 대상으로 한 외부사건에 대한 확률론적 안전성 평가방법을 분석하여 원자력발전소를 대상으로 한 지진해일의 취약도 평가방법을 제시하였으며 주요 설비 및 구조물에 대한 파괴모드 및 파괴기준을 검토하였다. 최종적으로 원자력발전소의 소외 변압기를 대상으로 지진해일 취약도 평가를 수행하였다. 결과적으로 원자력발전소의 소외변압기는 지진해일 발생시 동수압에 의한 전도와 미끄러짐과 같은 구조적인 손상 보다는 범람에 의한 기능적 손상에 의해서 파손될 가능성이 높은 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a tsunami fragility methodology was determined for a probabilistic safety assessment(PSA) induced tsunami event in Nuclear Power Plant(NPP) site. For this purpose, a fragility evaluation method was presented using previous external PSA method. Failure mode and failure criteria about major safety related equipments and structures were determined. Finally, a tsunami fragility assessment was performed for offsite transformer in NPP site. For the fragility evaluation, structural failure like overturning and sliding and functional failure induced by inundation. Through this study, it can be concluded that a functional failure according to inundation height was governed total probability of failure of offsite transformer in NPP.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

원자력발전소와 같이 해안가에 위치하고 있는 중요시설을 대상으로 하여 지진해일에 대한 안전성을 평가하기 위해서는 지진해일에 의한 범람고를 정확하게 산정하는 것도 중요하지만 지진해일시 동수압에 의한 구조물 또는 기기의 파괴확률을 산정하는 것이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 원자력발전소를 대상으로 하여 지진해일에 의한 확률론적 안전성 평가를 수행하기 위한 지진해일 취약도 평가방법을 제시하였다. 최종적으로는 지진해일의 발생시 피해가 예상되는 소외 변압기를 대상으로 취약도 평가를 수행하여 어느 정도의 파괴확률을 갖는지 평가하였다.
본 연구에서는 원자력발전소의 지진해일에 대한 안전성 평가기법을 개발하기 위하여 기존의 지진 등을 대상으로 한 외부사건에 대한 확률론적 안전성 평가방법을 분석하여 원자력발전소를 대상으로 한 지진해일의 취약도 평가방법을 제시하였으며 주요 설비 및 구조물에 대한 파괴모드 및 파괴기준을 검토하였다. 최종적으로 원자력발전소의 소외 변압기를 대상으로 지진해일 취약도 평가를 수행하였다.

가설 설정

구조적 손상인 전도와 미끄러짐 및 기능적 손상에 대한 취약도 평가를 위해서는 식 (6)을 이용하여 조건부 파손확률을 산정할 수 있으나 타당성 있는 불확실성 계수의 산정은 어려운 것이 현실이다. 따라서 기존에 변압기에 대한 전도와 미끄러짐에 대한 파괴확률 산정시 Hwang와 Huo(1998)의 연구에서 제시한 값인 0.5와 0.7을 사용하였으며, 기능적 손상의 경우는 손상기준의 산정은 불확실하지만 손상기준에 따른 불확실성은 오히려 그리 크지 않을 것으로 판단하여 불확실성 계수를 0.3으로 가정하였다. 각 파괴기준에 의한 파괴확률을 산정하고 최종적으로 변압기 전체에 대한 취약도 곡선을 도출하기 위하여 각 파괴확률을 독립사건으로 간주하여 Fig.
변압기의 기능적 파괴를 고려하기 위하여 한계수위를 결정하여 파괴기준으로 선택하여 취약도 평가를 수행하였다. 변압기는 기초면에서 수심이 1 m, 3 m, 5 m에 이르면 기능손상이 발생하는 것으로 각각 가정하여 취약도 평가를 수행하였다. 구조적 손상인 전도와 미끄러짐 및 기능적 손상에 대한 취약도 평가를 위해서는 식 (6)을 이용하여 조건부 파손확률을 산정할 수 있으나 타당성 있는 불확실성 계수의 산정은 어려운 것이 현실이다.
전술한 바와 같이 침수에 의한 기능적 손상은 단순히 기초면 으로부터 최대수심이 1 m, 3 m, 5 m인 경우를 평균파괴확률인 것으로 가정하고 불확실성계수는 0.3으로 가정하여 파괴확률을 도출하였다. Fig.

제안 방법

3장에서 정리한 바를 근거로 하여 실제 취약도 평가를 수행하였다. 취약도 평가는 구조적 손상과 기능적 손상의 발생이 모두 가능한 것으로 판단되었던 소외변압기를 대상으로 수행하였다.
3으로 가정하였다. 각 파괴기준에 의한 파괴확률을 산정하고 최종적으로 변압기 전체에 대한 취약도 곡선을 도출하기 위하여 각 파괴확률을 독립사건으로 간주하여 Fig. 5와 같은 고장수목(fault tree)을 사용하였다.
재해도 분석, 응답 분석(Response Analysis) 및 기기 취약도 분석에서 얻은 정보는 계통 모델의 입력자료로 사용되며, 계통 모델은 외부사건 분석을 위해서 내부사건에서 사용된 계통 모델을 적절하게 재구성한다. 그 다음 선정된 외부사건에 해당하는 사고경위별로 정량화를 수행하며, 각 사고경위별로 발생 빈도를 산출한다. 결과분석(Consequency Analysis)은 외부사건이 환경에 미치는 영향을 고려하기 위해서 결과 분석 모델을 사용한다.
변압기의 기능적 파괴를 고려하기 위하여 한계수위를 결정하여 파괴기준으로 선택하여 취약도 평가를 수행하였다. 변압기는 기초면에서 수심이 1 m, 3 m, 5 m에 이르면 기능손상이 발생하는 것으로 각각 가정하여 취약도 평가를 수행하였다.
변압기의 취약도함수를 도출하기 위하여 가능한 파괴모드를 전도, 미끄러짐 그리고 침수에 의한 기능적 손상으로 결정하였다. 각 파괴모드에 따른 지진해일 취약도함수를 도출하여 변압기에서의 지배 파괴모드를 결정하고 그에 따른 지진해일 취약도함수를 결정하여야 한다.
원자력발전소 소외 변압기에 대한 취약도 평가를 위해 식(6)을 이용하여 파괴확률을 산정하였다. 변압기의 파괴확률을 도출하기 위한 변수는 지진해일에 의한 범람고로서 평균해수면을 기준으로 하여 파괴확률을 도출하였다. 파괴확률 산정을 위한 변수는 Table 4에 정리하였다.
선별된 구조물/기기에 대하여 현장답사 결과를 중심으로 하여 발생가능한 파괴모드를 분석하였다.
소외변압기의 구조적 파괴를 산정하기 위하여 파력을 산정하였다. 파력의 산정을 위해서 FEMA(Federal Emergency Management Agency)에서 발간한 “Guidelines for Design of Structures for Vertical Evacuation from Tsunami”에서 제시하고 있는 방법을 사용하였다.
6에 도시하였다. 전술한 바와 같이 기능적 손상의 발생 기준을 기초면 으로부터 1 m, 3 m, 5 m인 경우에 대하여 각각 계산하여 비교하였다. 또한 각각의 기능적 손상기준에 대하여 변압기의 전체 파괴확률을 Fig.
지진해일 발생시 원자력발전소의 안전성에 영향을 미칠 수 있는 기기와 구조물을 선별하였다. 주요 구조물과 기기의 선별을 위하여 토목공학자와 시스템공학자가 팀을 구성하여 울진 5,6호기 원자력발전소에 대한 현장답사를 실시하였다. 현장답사 결과를 바탕으로 원자력발전소의 주요 기기를 옥내와옥외로 구분하여 검토대상 구조물과 기기를 선별하였다.
지진해일에 의한 원자력발전소의 취약도 평가를 위하여 전체 구조물/설비 중에서 소외변압기를 선택하여 구조적 손상 및 기능적 손상에 대한 취약도 평가를 수행하였다. 평가대상 변압기의 상세 도면과 제원은 각각 Fig.
본 연구에서는 원자력발전소의 지진해일에 대한 안전성 평가기법을 개발하기 위하여 기존의 지진 등을 대상으로 한 외부사건에 대한 확률론적 안전성 평가방법을 분석하여 원자력발전소를 대상으로 한 지진해일의 취약도 평가방법을 제시하였으며 주요 설비 및 구조물에 대한 파괴모드 및 파괴기준을 검토하였다. 최종적으로 원자력발전소의 소외 변압기를 대상으로 지진해일 취약도 평가를 수행하였다. 다만 본 연구는 많은 부분에서 자료 및 기존의 연구가 없는 상황에서 수행하였으므로 지진해일에 대한 취약도 방법론을 제시하였다는 의미가 있지만 예제로 도출한 변압기의 취약도 평가 결과는 최종결과인 것으로 보기 어려우며, 추후 상세한 분석이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 원자력발전소를 대상으로 하여 지진해일에 의한 확률론적 안전성 평가를 수행하기 위한 지진해일 취약도 평가방법을 제시하였다. 최종적으로는 지진해일의 발생시 피해가 예상되는 소외 변압기를 대상으로 취약도 평가를 수행하여 어느 정도의 파괴확률을 갖는지 평가하였다.
주요 구조물과 기기의 선별을 위하여 토목공학자와 시스템공학자가 팀을 구성하여 울진 5,6호기 원자력발전소에 대한 현장답사를 실시하였다. 현장답사 결과를 바탕으로 원자력발전소의 주요 기기를 옥내와옥외로 구분하여 검토대상 구조물과 기기를 선별하였다. 선별결과를 다음 Table 1에 정리하였다.

대상 데이터

지진해일 발생시 원자력발전소의 안전성에 영향을 미칠 수 있는 기기와 구조물을 선별하였다. 주요 구조물과 기기의 선별을 위하여 토목공학자와 시스템공학자가 팀을 구성하여 울진 5,6호기 원자력발전소에 대한 현장답사를 실시하였다.
3장에서 정리한 바를 근거로 하여 실제 취약도 평가를 수행하였다. 취약도 평가는 구조적 손상과 기능적 손상의 발생이 모두 가능한 것으로 판단되었던 소외변압기를 대상으로 수행하였다. 소외 변압기는 발전소에서 생산된 전기를 154 kV로 변환하여 외부로 송전하는 역할을 하는 기기로서 지난 2007년 일본의 가시와자키 가리와 원전의 지진피해시 화재가 발생하여 큰 주목을 받았던 기기이다.

이론/모형

그 다음 선정된 외부사건에 해당하는 사고경위별로 정량화를 수행하며, 각 사고경위별로 발생 빈도를 산출한다. 결과분석(Consequency Analysis)은 외부사건이 환경에 미치는 영향을 고려하기 위해서 결과 분석 모델을 사용한다. 각 평가요소에 대하여 기술하면 다음과 같다.
파력의 산정을 위해서 FEMA(Federal Emergency Management Agency)에서 발간한 “Guidelines for Design of Structures for Vertical Evacuation from Tsunami”에서 제시하고 있는 방법을 사용하였다.

성능/효과

6에서 보는 바와 같이 기능손상을 유발하는 최대수심이 증가할수록 전체파괴확률이 구조적인 손상에 영향을 받긴 하지만 전체적으로는 구조적인 손상확률이 변압기의 전체 손상확률에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 결과적으로 어느 정도의 침수에도 동작이 가능하도록 변압기를 제작한다면 지진해일에 의한 변압기의 손상확률을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 단 본 연구에서의 기능적 손상에 대한 파괴기준은 단순 가정에 의한 것이므로 변압기 제작사의 제작도면과 전기 전문가의 의견을 수렴하여 좀 더 정확한 파괴기준을 선정할 수 있을 것으로 판단된다.
구조적인 손상에서는 미끄러짐에 의한 파괴가 전도에 대한 파괴보다 파괴확률이 높은 것으로 나타났다. 소외변압기는 중량의 구조물이며 Fig.
구조적인 손상의 경우 변압기의 높이인 8 m를 초과하는 경우, 즉 평균해수면으로부터 18 m 이상의 범람이 발생할 경우는 변압기에 가해지는 동수압의 크기는 수위의 상승에 따라서 증가하지만 동수압이 작용하는 높이는 구조물의 크기 이상으로 증가하지 않으므로 변압기에 작용하는 동수압은 평균해수면에서 10 m에서 18 m까지와 18 m이후의 증가하는 경향에 차이가 발생하게 된다. 따라서 이를 고려한 해석을 수행하였으므로 최종적으로 전도와 미끄러짐에 의한 파괴확률 곡선이 평균해수면 18 m에서 다소 변화하는 것을 알 수 있다. 그러나 그림에서 보는 바와 같이 전체파괴확률은 기능적 손상에 의해서 지배되고 있는 것을 알 수 있다.

후속연구

최종적으로 원자력발전소의 소외 변압기를 대상으로 지진해일 취약도 평가를 수행하였다. 다만 본 연구는 많은 부분에서 자료 및 기존의 연구가 없는 상황에서 수행하였으므로 지진해일에 대한 취약도 방법론을 제시하였다는 의미가 있지만 예제로 도출한 변압기의 취약도 평가 결과는 최종결과인 것으로 보기 어려우며, 추후 상세한 분석이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
결과적으로 어느 정도의 침수에도 동작이 가능하도록 변압기를 제작한다면 지진해일에 의한 변압기의 손상확률을 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 단 본 연구에서의 기능적 손상에 대한 파괴기준은 단순 가정에 의한 것이므로 변압기 제작사의 제작도면과 전기 전문가의 의견을 수렴하여 좀 더 정확한 파괴기준을 선정할 수 있을 것으로 판단된다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방파제는 무엇인가?	방파제는 외해에서 발생하는 파고를 차단하는 가장 최전방의 구조물이다. 지진해일에 의해서 방파제가 파손될 경우 직접적인 원자력발전소의 손상이 발생할 수 있다.
	소외 변압기는 무엇인가?	소외 변압기는 옥외에 위치하고 있는 전기설비로서 구조적 파손과 기능적 파손이 모두 가능한 설비이다. 기능적 파손은 지진해일에 의한 수위상승으로 인하여 변압기의 기능이 정지되는 현상이다.
	외부사건 PSA를 하는 목적은 무엇 때문인가?	외부사건 PSA란 원자력발전소의 100% 출력 운전 중 외부적 요인 즉, 지진, 화재 및 침수 등에 의하여 초래될 수 있는 주요 노심손상 사고경위들을 파악하고 그 발생 빈도를 정량화 하는 것이다. 외부사건 분석 과정을 통하여 외부사건에 대한 원전의 안전성관점에서 구조물, 계통, 기기 및 운전원 직무의 상대적 중요도를 평가하며, 노심손상 사고에 대한 주요 영향 인자들을 파악하여 그 대처 방안을 제시함으로써 궁극적으로는 원전의안전성을 향상시키도록 하는 것이다(ANS and IEEE, 1982).

참고문헌 (10)

윤성범, 임채호, 김경희, 이동영 (2002). '1993 북해도 남서외해 지진해일 전파 수치모의', 대한토목학회논문집, 제22권, 제4-B호, 1, 573-582.
윤성범, 임채호, 배재석 (2007). '완변수심상 지진해일 전파 모의를 위한 분산보정 유한차분법', 대한토목학회논문집, 제27권, 제1B호, 1, 91-99.
최병호, 에핌 페리놉스키, 이제신, 우승범 (2002). '공백역 지진에 의한 동해에 연한 해안에서의 지진해일 위험도 산정', 한국지진공학회 논문집, 제6권, 제5호, 10, 1-17.

원문보기 상세보기
최병호, 에핌 페리놉스키, 홍성진 (2006). '병렬 FEM 모형을 이용한 1993년 동해 지진해일 시뮬레이션', 한국지진공학회 논문집, 제10권, 제3호, 6, 35-45.

원문보기 상세보기
한국수력원자력(주), 원자력환경기술원, 한반도 주변해양 및 원양의 지진해일에 의한 원전 안전성 평가, 2006-환경-단32,2006. 8.
ANS and IEEE (1982). PRA Procedure Guide-A Guide to the Performance of Probabilistic Risk Assessments for Nuclear Power Plants, US NRC, NUREG/CR-2300.
FEMA P646 (2008). Guidelines for Design of Structures for Vertical Evacuation from Tsunami.
Hwang, H.H.M and Huo, J.-R. (1998). Seismic Fragility Analysis of Electric Substation Equipment and Structures, Probabilistic Engineering Mechanics, Vol. 13, No. 2, pp. 107-116.

상세보기
IAEA (2006). Advanced nuclear plant design options to cope with external events, IAEA-TECDOC-1487, 2.
USNRC (2008). Tsunami Hazard Assessment at Nuclear Power Plant Sites in the United States of America, NUREG/CR-6966,PNNL-17397.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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