[논문]APR1400 원자로 내부구조물 종합진동평가프로그램용 측정센서 검토

고도영; 이재곤

doi:10.5050/ksnve.2011.21.1.047

문제 정의

그러므로 CP211과 CP103 모두 APR1400 RVI CVAP의 측정센서로 선정될 수 있다. 그러나 이 논문에서는 원자로 시운전 기간 중 미세한 동적 압력변화도 측정 가능한 CP103을 적용하는 것이 더 타당할 것으로 판단되어 이를 제안하고자 한다.
그러므로 CA602와 CA952 모두 APR1400 RVI CVAP의 측정센서로 선정될 수 있다. 그러나 이 논문에서는 원자로 시운전 기간 중 미세한 진동 측정이 가능한 CA952를 적용하는 것이 더 타당할 것으로 판단되어 이를 제안하고자 한다.
특히, APR1400 RVI CVAP의 측정프로그램은 원전 건설 주공정(critical path)에 해당되어 재측정이 불가능하기 때문에 반드시 성공이 보장되어야 한다. 이 논문에서는 이러한 측정프로그램의 성공을 보장하는 가장 중요한 요소 중 하나인 측정시스템의 측정센서를 선정하기 위해 Palo Verde 1호기, 영광 4호기, APR1400 원전(신고리 4호기)의 열수력 및 구조 설계 분석과 APR1400 RVI CVAP 측정구조물 선정에 관한 연구결과에 근거하여 APR1400 RVI CVAP 측정센서의 기본 요건을 제시하였다. 또한, Palo Verde 1호기와 영광 4호기 원전의 RVI CVAP 측정에 사용된 측정센서 검토와 최근 20년간 전 세계적으로 RVI CVAP를 위해 사용된 측정센서를 조사하여 비교분석 하였다.
따라서 적합한 측정센서의 선정에서부터 측정시스템 구축 및 작동성 시험, 시험절차서 작성, 측정용 구조물(측정용 케이블 도관, 측정센서 커버 등)의 설계/제작 및 영향 평가, 측정용 구조물의 설치 및 제거 등 몇 년에 걸친 매우 철저한 사전준비가 필수적이다. 이러한 RVI CVAP 측정프로그램의 사전준비의 일환으로, 이 논문은 APR1400 원전(신고리 4호기) RVI CVAP 측정시스템의 핵심기기인 측정센서에 대해 다양한 연구조사를 수행하였고 그 결과를 바탕으로 적합한 센서를 제안하고자 한다.
또한, Palo Verde 1호기와 영광 4호기 원전의 RVI CVAP 측정에 사용된 측정센서 검토와 최근 20년간 전 세계적으로 RVI CVAP를 위해 사용된 측정센서를 조사하여 비교분석 하였다. 이러한 다양한 연구결과를 바탕으로 APR1400 RVI CVAP 측정프로그램을 위한 측정센서를 제안하였다.

제안 방법

APR1400 RVI CVAP 측정센서를 도출하기 위해 1990년부터 최근까지 약 20년간 전 세계 원전에서 RVI CVAP 측정을 위해 사용된 센서를 조사하였다. 조사된 국가는 미국, 프랑스, 일본, 캐나다, 중국 등 총 13개국이며, 신규 원전 건설 또는 기존 원전의 출력증강을 위해 PWR 노형과 BWR(boiled water reactor) 노형에 사용된 센서들을 모두 조사한 후, 다시 APR1400 원자로 형태인 PWR 노형의 RVI CVAP 환경에서 사용된 측정센서를 정리하였다.
OPR1000은 영광 4호기 원전에서 신고리 4호기 원전과 동일하게 non-prototype category Ⅱ로 RVI CVAP를 수행하였다. 원형 원전인 Palo Verde 1호기에서는 해석, 광범위한 측정, 전체검사를 수행해야 했으므로, RVI의 주요 구성요소인 노심지지통(CSB), 상부안내구조물(UGS), 하부지지구조물(LSS : lower support structure)에 대해 모두 측정을 수행하였다.
원형 원전인 Palo Verde 1호기에서는 해석, 광범위한 측정, 전체검사를 수행해야 했으므로, RVI의 주요 구성요소인 노심지지통(CSB), 상부안내구조물(UGS), 하부지지구조물(LSS : lower support structure)에 대해 모두 측정을 수행하였다. 그러나 영광 4호기 원전에서는 non-prototype category Ⅱ로 수행함에 따라 해석과 전체검사 그리고 CSB와 UGS에 한하여 제한된 측정(LSS 제외)을 수행하였다.
APR1400은 가압경수로형(PWR) 원전으로써 미국 CE사의 system 80 원자로 설계에 기반하며, 우리나라의 OPR1000 원자로 설계를 개량한 원전이다. 그러므로 system 80의 원형(prototype) 원전인 미국의 Palo Verde 원전에서 RVI CVAP 측정프로그램을 수행한 1호기 원전과 OPR1000 RVI CVAP 측정프로그램을 수행한 영광 4호기 원전에서 사용된 측정센서에 대하여 각각 조사하였다.
이 논문에서는 이러한 측정프로그램의 성공을 보장하는 가장 중요한 요소 중 하나인 측정시스템의 측정센서를 선정하기 위해 Palo Verde 1호기, 영광 4호기, APR1400 원전(신고리 4호기)의 열수력 및 구조 설계 분석과 APR1400 RVI CVAP 측정구조물 선정에 관한 연구결과에 근거하여 APR1400 RVI CVAP 측정센서의 기본 요건을 제시하였다. 또한, Palo Verde 1호기와 영광 4호기 원전의 RVI CVAP 측정에 사용된 측정센서 검토와 최근 20년간 전 세계적으로 RVI CVAP를 위해 사용된 측정센서를 조사하여 비교분석 하였다. 이러한 다양한 연구결과를 바탕으로 APR1400 RVI CVAP 측정프로그램을 위한 측정센서를 제안하였다.
또한, 측정센서 케이블 길이 등을 도출하기 위해 APR1400 RVI 구조 설계를 분석하였다^(10~14). Table 2는 RVI CVAP 센서의 측정환경 도출과 관련된 APR1400 원전의 RVI 구조 설계를 나타낸 것이다.
한국표준형원전(OPR1000) 및 신형경수로 1400(APR 1400) 원전의 설계 원형은 system 80형이다. 미국 Palo Verde 1호기 원전은 system 80형 원전으로 건설된 최초 원전이었으므로, Fig. 1의 RVI CVAP 요약표에 따라 RVI CVAP를 prototype(해석, 광범위한 측정, 전체검사)으로 프로그램을 수행하였다. 또한, 한국표준형원전(OPR1000)의 최초 건설 원전인 영광 3, 4호기 건설시 영광 4호기는 Palo Verde 1호기 원전의 prototype 프로그램 수행을 근거로 non-prototype category Ⅱ(해석, 제한적 측정, 전체검사)로 수행된 바 있어, 국내에서 RVI CVAP의 측정프로그램이 최초로 수행된 것은 1995년이다.
원자로 내부구조물 진동측정 환경을 살펴보기 위해 APR1400 RVI 열수력 설계를 분석하였다^(10~14).
OPR1000은 영광 4호기 원전에서 신고리 4호기 원전과 동일하게 non-prototype category Ⅱ로 RVI CVAP를 수행하였다. 원형 원전인 Palo Verde 1호기에서는 해석, 광범위한 측정, 전체검사를 수행해야 했으므로, RVI의 주요 구성요소인 노심지지통(CSB), 상부안내구조물(UGS), 하부지지구조물(LSS : lower support structure)에 대해 모두 측정을 수행하였다. 그러나 영광 4호기 원전에서는 non-prototype category Ⅱ로 수행함에 따라 해석과 전체검사 그리고 CSB와 UGS에 한하여 제한된 측정(LSS 제외)을 수행하였다.
따라서 측정센서의 감도는 과거 RVI CVAP 측정에 성공한 측정센서를 참고하여 선정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 이 논문에서는 영광 4호기 RVI CVAP 측정시 사용된 측정센서의 감도를 적용하여 압력계는 232 pC/bar, 가속도계는 5 pC/g로 하였고, 변형률계는 감도를 나타내는 기준이 없고 유사한 개념으로 gage factor를 사용하는 것으로 조사되어 제외하였다. 다섯째, 측정센서의 주파수 응답 요건을 선정하기 위해 낮은 주파수는 RVI 구성요소의 고유진동수를 적용하여 산출하고, 높은 주파수는 주기적 가진 주파수를 적용하여 산출하여야 한다.
이 장에서는 APR1400 원전의 열수력(thermal-hydraulic) 및 구조(structure) 설계에 근거하여 RVI CVAP 측정환경 및 센서 구비요건에 대하여 제시하였다.
이 장은 APR1400 원전의 원형인 Palo Verde 1호기와 OPR1000 원전인 영광 4호기 원전 RVI CVAP에 사용된 측정센서에 대한 조사와 최근 사용된 실적이 있는 RVI CVAP 측정센서를 비교분석하였다.
APR1400 RVI CVAP 측정센서를 도출하기 위해 1990년부터 최근까지 약 20년간 전 세계 원전에서 RVI CVAP 측정을 위해 사용된 센서를 조사하였다. 조사된 국가는 미국, 프랑스, 일본, 캐나다, 중국 등 총 13개국이며, 신규 원전 건설 또는 기존 원전의 출력증강을 위해 PWR 노형과 BWR(boiled water reactor) 노형에 사용된 센서들을 모두 조사한 후, 다시 APR1400 원자로 형태인 PWR 노형의 RVI CVAP 환경에서 사용된 측정센서를 정리하였다.

대상 데이터

1995년 영광 4호기 원전에 사용된 RVI CVAP 압력계는 동적응답형으로 Vibro-Meter사의 CP103이 사용되었다. 측정센서가 설치된 원자로 내부로부터 원자로 외부까지 사용된 하드케이블은 RVI 구조 및 원자로 내부 운전온도와 운전압력을 반영한 MI케이블이 50 ft(15.24 m)가 사용되었다⁽¹⁶⁾.

성능/효과

원자로 내부구조물의 측정센서로 부터 원자로 외부의 소프트케이블 연결단자까지의 하드케이블, 연결단자부터 bridge adapter까지의 소프트케이블로 구성할 수 있다. KHC는 영광 4호기 및 최근 20년간 원전에서의 사용실적 그리고 이 논문에서 제시한 측정센서의 기본요건을 모두 만족하므로 APR1400 RVI CVAP 변형률계로 적합함을 알 수 있다.
20도 만족하여 적합한 센서로 판단된다. 감도가 232 pC/bar로 CP211에 비해 상대적으로 미세한 동적 압력변화를 측정할 때 더 적합한 것으로 검토되었고, RVI의 초기시험과 출력상승시험 등 시운전시 특히 많이 사용되었다. 그러므로 CP211과 CP103 모두 APR1400 RVI CVAP의 측정센서로 선정될 수 있다.
20⁽²⁾도 만족하여 적합한 센서로 판단된다. 그러나 감도가 25 pC/bar로 다른 압력계에 비해 상대적으로 다소 큰 동적 압력변화를 측정할 때 더 적합한 것으로 검토되었다. CP103은 온도, 압력, 주파수 응답특성을 모두 만족하고 U.
그러나 일반적으로 시스템(측정센서 포함)의 안정성을 나타내는 평균무고장시간(MTBF : mean time between failure) 또는 기기의 수명에 대한 기준이 제시된 코드나 지침은 없는 것으로 알려져 있다. 그러므로 이 논문에서는 과거 RVI CVAP에 성공적으로 사용된 측정센서를 고려하는 것으로 안정성을 확보하였다. 일곱째, 측정센서 선정시 가격도 고려의 대상이 되어야 하나, RVI CVAP의 측정은 원전 건설 주공정의 주어진 기간내에 성공적으로 완료되어야 하므로 이 논문에서는 측정센서의 가격은 크게 고려하지 않았다.
둘째, 가속도계는 Vibro-Meter사의 압전형 가속도계 CA602, CA952, CA962 그리고 CA606이 가장 많이 사용된 것으로 조사되었다.
넷째, 원자로 냉각재 유동으로 인한 유동가진 음파공진(flow-excited acoustic resonances) 및 유동 유발진동에 의한 잠재적인 부정적 효과(potential adverse flow effects)에 대한 압력 및 진동의 크기는 매우 작으므로 감도는 매우 중요하다. 따라서 측정센서의 감도는 과거 RVI CVAP 측정에 성공한 측정센서를 참고하여 선정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 이 논문에서는 영광 4호기 RVI CVAP 측정시 사용된 측정센서의 감도를 적용하여 압력계는 232 pC/bar, 가속도계는 5 pC/g로 하였고, 변형률계는 감도를 나타내는 기준이 없고 유사한 개념으로 gage factor를 사용하는 것으로 조사되어 제외하였다.
다섯째, 측정센서의 주파수 응답 요건을 선정하기 위해 낮은 주파수는 RVI 구성요소의 고유진동수를 적용하여 산출하고, 높은 주파수는 주기적 가진 주파수를 적용하여 산출하여야 한다. 따라서, 낮은 주파수는 RVI 구성요소 중 고유진동수가 가장 낮은 CSB를 해석한 결과 7.2 Hz로 파악되었다. 높은 주파수는 원자로냉각재펌프 blade passing frequency가 120 Hz이며 4대 이므로 480 Hz 이상 측정 가능한 센서가 선정되어야 할 것으로 판단된다.
신고리 4호기는 Palo Verde 1호기와 영광 4호기 대비 RVI 구성요소 중 UGS만 설계 변경이 되었으므로, UGS를 중심으로 자체 설계검증 및 기술 확보를 위해 제한된 측정을 수행하는 것이 바람직한 것으로 검토되었다. 또한, 영광 4호기(OPR1000) RVI CVAP 측정자료와 원형 원전인 Palo Verde 1호기 측정자료를 검토한 결과, UGS의 측정위치는 현재 진행 중인 유동 및 구조해석 결과와 측정 후 측정용 구조물 제거 가능 유무 등을 고려한 측정위치 선정기준이 수립된 이후에 최종 결정하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
7 m 정도이므로 센서가 설치되는 원자로 내부에서부터 원자로 외부까지의 고온 및 고압에 견딜 수 있는 하드케이블은 라우팅 길이를 감안하여 최소 20 m 이상 되어야 할 것이다. 또한, 하드케이블이 끝나는 원자로 외부에서부터 측정실의 신호 증폭기까지 연결할 소프트케이블은 최소 30 m 이상되어야 할 것으로 검토되었다.
마지막으로 원자로 내부의 하드케이블과 외부의 소프트케이블은 RVI 구조를 감안할 때 각각 최소 20 m와 30 m 이상 되어야 한다.
셋째, 변형률계는 다양하게 사용되었으나 최근에 원전의 변형률계로 가장 많이 사용된 센서는 KYOWA사의 capsule형으로 용접이 가능한 변형률계 KHCX, KHCS, KHCM 그리고 KHC 계열이었다.
둘째, 측정센서는 원자로 내부에 설치하고, 센서의 신호증폭 및 신호변환기는 원자로 외부에 설치할 수 있는 분리형태가 되어야 한다. 셋째, 측정케이블 중에서 원자로 내부에 설치되는 하드케이블은 고온 및 고압 환경에 견딜 수 있는 특수케이블(MI cable : mineral insulated cable)로 구성되어야 한다. 넷째, 원자로 냉각재 유동으로 인한 유동가진 음파공진(flow-excited acoustic resonances) 및 유동 유발진동에 의한 잠재적인 부정적 효과(potential adverse flow effects)에 대한 압력 및 진동의 크기는 매우 작으므로 감도는 매우 중요하다.
신고리 4호기는 Palo Verde 1호기와 영광 4호기 대비 RVI 구성요소 중 UGS만 설계 변경이 되었으므로, UGS를 중심으로 자체 설계검증 및 기술 확보를 위해 제한된 측정을 수행하는 것이 바람직한 것으로 검토되었다. 또한, 영광 4호기(OPR1000) RVI CVAP 측정자료와 원형 원전인 Palo Verde 1호기 측정자료를 검토한 결과, UGS의 측정위치는 현재 진행 중인 유동 및 구조해석 결과와 측정 후 측정용 구조물 제거 가능 유무 등을 고려한 측정위치 선정기준이 수립된 이후에 최종 결정하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
그러므로 이 논문에서는 과거 RVI CVAP에 성공적으로 사용된 측정센서를 고려하는 것으로 안정성을 확보하였다. 일곱째, 측정센서 선정시 가격도 고려의 대상이 되어야 하나, RVI CVAP의 측정은 원전 건설 주공정의 주어진 기간내에 성공적으로 완료되어야 하므로 이 논문에서는 측정센서의 가격은 크게 고려하지 않았다.
첫째, 압력계로 가장 많이 사용된 센서로는 Vibro-Meter사의 압전형(piezoelectric) 압력계 CP104, CP211 그리고 CP103으로 조사되었다.
크기와 무게가 CA602에 상대적으로 크지만, 측정대상이 원자로 내부구조물이기 때문에 무게가 수십 톤이며, 측정위치에 설치 및 제거도 가능한 것으로 검토되어 CA952의 크기와 무게는 문제가 되지 않음을 알 수 있다. 특히, 감도가 50 pC/g로 CAP602에 비해 10배 정도 우수한 것으로 조사되어 RVI CVAP 진동 측정에 더 적합한 것으로 검토되었다. CA962는 주파수 응답특성이 480 Hz 보다 작으므로 적합하지 않은 것으로 판단된다.

후속연구

이 논문에서 제안한 측정센서는 최초의 APR1400 원전인 신고리 3, 4호기 원전 중 신고리 4호기 시운전 단계의 RVI CVAP 측정센서로 충분히 적용 가능할 것으로 판단되나, 유동 및 구조해석 결과를 바탕으로 최종 측정위치 등을 고려하여 결정되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2009년 12월 27일, 우리나라가 역대 최대 해외수주 규모로 UAE에 수출하기로 계약한 원전은?	APR1400은 한국표준형원전(OPR 1000 : optimized power reactor 1000)의 설계, 건설, 운영 및 정비를 통해 축적된 경험과 기술을 기반으로 신개념 기술을 도입하여 안전성, 경제성, 운전 및 정비 편의성을 향상시켰다(1). 2009년 12월 27일, 우리나라가 역대 최대 해외수주 규모(400억달러)로 UAE에 수출하기로 계약한 원전이 바로 APR1400이다.
	신형경수로 1400은 무엇인가?	신형경수로 1400(APR1400 : advanced power reactor 1400)은 국내 기술로 개발한 전기출력 1,400 MWe의 신형 가압경수로(PWR : pressurized water reactor)이다. APR1400은 한국표준형원전(OPR 1000 : optimized power reactor 1000)의 설계, 건설, 운영 및 정비를 통해 축적된 경험과 기술을 기반으로 신개념 기술을 도입하여 안전성, 경제성, 운전 및 정비 편의성을 향상시켰다(1).

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