[논문]PRO-LOCA를 이용한 원전 배관의 파손확률에 대한 민감도 해석

조영기; 김선혜; 박재학

doi:10.14346/jkosos.2014.29.3.136

PRO-LOCA를 이용한 원전 배관의 파손확률에 대한 민감도 해석
Sensitivity Analyses of Failure Probability of Pipes in Nuclear Power Plants using PRO-LOCA 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.29 no.3, 2014년, pp.136 - 142

조영기 (충북대학교 안전공학과) , 김선혜 (한국원자력안전기술원 기계재료평가실) , 박재학 (충북대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently a new version of PRO-LOCA program was released. Using the program, failure probability of pipes can be evaluated considering fatigue and/or stress corrosion crack growth and the effects of various parameters on the integrity of pipes in nuclear power plants can be evaluated quantitatively. The analysis results can be used to establish an inspection plan and to examine the effects of important parameters in a maintenance plan. In this study, sensitivity analyses were performed using the program for several important parameters including sampling method, initial crack size, number of initial fabrication flaws, operation temperature, inspection interval, operation temperature and nominal applied bending stress. The effect of parameters on the leak and rupture probability of pipes was evaluated due to fatigue or stress corrosion crack growth.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

를 바탕으로 하여 여러 가지 조건에 변화를 주어 실시하였다. 본 연구에서는 BWR에 대한 해석 결과만 다룰 것이다. 해석에 사용된 컴퓨터의 운영체제는 Window 7 (64bit)이고, 메모리는 4G이다.

가설 설정

5는 피로균열성장에 대하여 제작결함이 관통균열 발생확률과 파단확률에 미치는 영향에 대하여 나타낸 것이다. Table 1과 같이 1/2 평균 결함길이 3 mm 표준편차 0.15 mm, 평균 결함깊이 1.5 mm 표준편차 0.075 mm의 제작결함을 가정하였다. 계산결과 제작결함이 고려된 경우 고려되지 않은 경우 보다 관통균열 발생확률과 파단확률이 높게 나타났으며 제작결함의 개수가 많을수록 관통균열 발생확률과 파단확률은 높게 나타나는 것을 확인하였다.
결과 값은 균열검사를 실시하였을 경우에 대한 것이다. 검사주기는 10년과 20년으로 가정하여 해석을 실시하였다. 10년 주기로 검사하는 것과 비교하여 20년 주기로 검사를 실시할 경우 파단확률이 높게 나타나는 것을 확인하였다.
BWR1의 기본 해석 조건은 Table 4와 같다. 결함은 배관의 Alloy 182 용접부에 가정하였다. 균열의 최대 생성 개수는 6개 이며 제작 시 발생한 결함의 개수는 0으로 가정하였다.
결함은 배관의 Alloy 182 용접부에 가정하였다. 균열의 최대 생성 개수는 6개 이며 제작 시 발생한 결함의 개수는 0으로 가정하였다. 배관의 외경은 457.
9는 피로균열성장에 대하여 일차굽힘응력이 관통균열 발생확률과 파단확률에 미치는 영향에 대하여 나타낸 것이다. 일차굽힘응력은 PRO-LOCA 상에서 일정하게 작용한다고 가정된다. 일차굽힘응력이 75 MPa 에서 100 MPa로 증가하였을 때 파단확률은 동일하게 나타났다.
6은 피로균열성장에 대하여 제작결함이 관통균열 발생확률과 파단확률에 미치는 영향에 대하여 나타낸 것이다. 피로균열성장과 같은 제작결함을 가정하였으며, 제작결함이 많을수록 관통균열 발생확률과 파단 확률은 높게 나타나는 것을 확인하였다.

제안 방법

PRO-LOCA를 이용한 민감도 해석을 실시하기 위하여 Recipe Document를 사용하여 각각의 경우에 맞는 해석 조건을 입력하였다. 기본 자료를 바탕으로 모든 조건은 동일하고 한 가지 변수에 변화를 주어 해석을 실시하였다.
해석에 소요된 시간은 반복 횟수(iteration)의 영향을 많이 받았으며, *.echo 파일을 통하여 입력 변수를 확인하였다. 결과 값은 Output 파일로 출력된다.
PRO-LOCA를 이용한 민감도 해석을 실시하기 위하여 Recipe Document를 사용하여 각각의 경우에 맞는 해석 조건을 입력하였다. 기본 자료를 바탕으로 모든 조건은 동일하고 한 가지 변수에 변화를 주어 해석을 실시하였다.
민감도 해석은 BWR에 대하여 실시하였으며, 기본 해석 자료(BWR1)¹⁰⁾를 바탕으로 하여 여러 가지 조건에 변화를 주어 실시하였다. 본 연구에서는 BWR에 대한 해석 결과만 다룰 것이다.
출력된 결과 값의 타당성을 확인하기 위해 Battelle사의 BWR 모델의 해석 결과 값과 비교하였다¹⁰⁾. 민감도 해석은 피로균열 성장과 SCC 균열성장에 대하여 실시하였다.
본 연구에서는 확률론적 건전성 평가 프로그램인 PRO-LOCA를 이용하여 원전 배관의 민감도 해석을 실시하였다.
이에 본 연구에서는 확률론적 평가 프로그램인 PRO-LOCA를 이용하여 BWR(boiling water reactor)에 대한 주요 변수의 변화가 관통 균열(through-wall crack, TWC), 및 파열(rupture) 확률 등에 대하여 민감도 해석을 실시하였다.

대상 데이터

균열의 최대 생성 개수는 6개 이며 제작 시 발생한 결함의 개수는 0으로 가정하였다. 배관의 외경은 457.2 mm이고, 두께는 25.4 mm이다. 항복강도(대수정규분포)는 평균 156 MPa에 표준편차 15.

데이터처리

결과 값은 Output 파일로 출력된다. 출력된 결과 값의 타당성을 확인하기 위해 Battelle사의 BWR 모델의 해석 결과 값과 비교하였다¹⁰⁾. 민감도 해석은 피로균열 성장과 SCC 균열성장에 대하여 실시하였다.

성능/효과

1) 적응적 표본추출법과 Monte Carlo 추출법은 관통 균열 발생확률과 파단확률이 동일하게 나타났다. 또한 반복시행 횟수가 증가할수록 파단확률이 이른 시간에 확인되었고 시간이 지날수록 파단확률은 유사한 값을나타냈다.
검사주기는 10년과 20년으로 가정하여 해석을 실시하였다. 10년 주기로 검사하는 것과 비교하여 20년 주기로 검사를 실시할 경우 파단확률이 높게 나타나는 것을 확인하였다. 그러나 관통균열 발생확률의 경우 일부구간에서 10년 주기로 검사하는 것이 높게 나타났다.
2) 초기결함의 크기와 제작결함의 개수는 관통균열 발생확률과 파단확률에 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 초기결함의 크기가 클수록, 제작결함의 개수가 증가할수록 파단확률은 증가하였다.
3) 온도와 일차굽힘응력은 피로균열성장의 경우 관통균열 발생확률과 파단확률에 영향을 미치지 않았다. 그러나 SCC성장의 경우 관통균열 발생확률과 파단확률 모두 영향을 받는 것으로 확인하였다.
4) 검사주기는 관통균열 발생확률과 파단확률에 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 검사주기가 짧을수록 파단확률은 감소하였다.
두 가지 추출법을 이용하여 동일하게 10,000회 반복계산을 실시한 결과 관통균열 발생확률 및 파단확률은 동일하게 나타났다. Monte Carlo 시뮬레이션법을 이용하여 100,000회의 반복계산을 실시한 경우 이른 시간에서도 확률을 예측하였으며, 초기에는 낮은 확률을 나타내고 시간이 지날수록 10,000회의 결과 값과 유사하게 나타났다. 또한 파단확률이 높아지다가 뚝 떨어지는 모습을 나타내고 있는데, 이것은 검사주기를 120개월로 설정하였기 때문에 검사 시기에 맞춰 파단확률이 낮게 나타나고 있다.
075 mm의 제작결함을 가정하였다. 계산결과 제작결함이 고려된 경우 고려되지 않은 경우 보다 관통균열 발생확률과 파단확률이 높게 나타났으며 제작결함의 개수가 많을수록 관통균열 발생확률과 파단확률은 높게 나타나는 것을 확인하였다.
3) 온도와 일차굽힘응력은 피로균열성장의 경우 관통균열 발생확률과 파단확률에 영향을 미치지 않았다. 그러나 SCC성장의 경우 관통균열 발생확률과 파단확률 모두 영향을 받는 것으로 확인하였다. 온도가 높아질수록, 일차굽힘응력이 증가할수록 파단확률이 증가하였다.
적응적 표본추출법이란 모든 부분에서 균일하게 표본을 추출하는 것이 아니라 중요한 부분에서 표본의 추출 개수를 늘려 불필요한 것을 줄이고 정확도를 향상시키는 방법이다. 두 가지 추출법을 이용하여 동일하게 10,000회 반복계산을 실시한 결과 관통균열 발생확률 및 파단확률은 동일하게 나타났다. Monte Carlo 시뮬레이션법을 이용하여 100,000회의 반복계산을 실시한 경우 이른 시간에서도 확률을 예측하였으며, 초기에는 낮은 확률을 나타내고 시간이 지날수록 10,000회의 결과 값과 유사하게 나타났다.
1) 적응적 표본추출법과 Monte Carlo 추출법은 관통 균열 발생확률과 파단확률이 동일하게 나타났다. 또한 반복시행 횟수가 증가할수록 파단확률이 이른 시간에 확인되었고 시간이 지날수록 파단확률은 유사한 값을나타냈다.
8은 SCC성장에 대하여 온도에 따른 관통균열 발생확률과 파단확률에 미치는 영향에 대하여 나타낸 것이다. 온도가 높아질수록 파단확률은 높게 나타났다. 피로균열상장의 결과와는 다르게 SCC의 경우 온도에 영향을 받는 것을 확인하였다.
그러나 SCC성장의 경우 관통균열 발생확률과 파단확률 모두 영향을 받는 것으로 확인하였다. 온도가 높아질수록, 일차굽힘응력이 증가할수록 파단확률이 증가하였다.
2) 초기결함의 크기와 제작결함의 개수는 관통균열 발생확률과 파단확률에 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 초기결함의 크기가 클수록, 제작결함의 개수가 증가할수록 파단확률은 증가하였다.
일차굽힘응력이 75 MPa에서 100 MPa로 증가하였을 때 파단확률은 소폭 증가하였다. 피로균열 성장과는 다르게 SCC성장의 경우 일차굽힘응력의 영향을 받는 것을 확인하였다.
4는 SCC성장에 대하여 초기균열의 크기가 관통 균열 발생확률과 파단확률에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 피로균열상장의 결과와 마찬가지로 초기균열의 크기가 커짐에 따라 관통균열 발생확률과 파단확률 모두 높게 나타나는 것을 확인하였다.
온도가 높아질수록 파단확률은 높게 나타났다. 피로균열상장의 결과와는 다르게 SCC의 경우 온도에 영향을 받는 것을 확인하였다.

후속연구

12는 SCC성장에 대하여 검사주기가 관통균열 발생확률과 파단확률에 미치는 영향에 대하여 나타낸 것이다. 피로균열성장과 마찬가지로 검사주기가 길어질 수록 파단확률은 높게 나타났으며, 일부구간에서는 이와는 다르게 나타났으므로 추가적인 분석이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확률론적 건전성 평가 방법의 장점은?	확률론적 건전성 평가 방법이란 원전 배관에 영향을 미치는 여러 가지 요인들의 특성을 확률론적으로 분석하여 평가에 적용시키는 방법이다. 이 방법의 장점은 불확실한 변수까지 적용할 수 있기 때문에 기존의 방법보다 여러 가지 변수에 대하여 접근이 용이하고, 결과 또한 정량적으로 평가가 가능하다는 것이다.
	확률론적 건전성 평가 방법이란?	이러한 한계를 극복하기 위해 최근 확률론적 건전성 평가 방법이 제시되고 있다. 확률론적 건전성 평가 방법이란 원전 배관에 영향을 미치는 여러 가지 요인들의 특성을 확률론적으로 분석하여 평가에 적용시키는 방법이다. 이 방법의 장점은 불확실한 변수까지 적용할 수 있기 때문에 기존의 방법보다 여러 가지 변수에 대하여 접근이 용이하고, 결과 또한 정량적으로 평가가 가능하다는 것이다.
	원전 배관 안전관리에 각별한 주의를 요하는 이유는?	원자력발전소의 안전성이 큰 이슈가 되는 만큼 설비의 구조 건전성을 유지하기 위해 각 부분에 걸쳐 여러 가지 평가가 이루어지고 있다. 특히, 원전 배관의 파손은 방사능 유출과 직결되므로 각별한 주의를 요한다. 이러한 이유로 원전 설계 시 배관의 안전성을 확보하기 위하여 여러 가지 안전장치를 마련하고, 구조적으로도 문제가 되지 않도록 설계하고 있다.

참고문헌 (10)

D.O. Harris and D. Dedhia, Win-PRAISE 98 : PRAISE Code in Windows, Technical Report TR-98-4-1, Engineering Mechanics Technology, Inc., 1998.
J. H. Park, J. B. Lee and Y. H. Choi, "Development of a Probabilistic Integrity Assessment Program for Pipes," KSME, Spring Conference, 2009.
Y. K. Cho and J. H. Park, "Effects of Crack Growth Equations and Leak Rate on Failure Probability of Pipes in Nuclear Power Plants," KSME, Spring conference, 2013.
S. H. Kim, J. S. Park, J. S. Kim, J. H. Lee, E. S. Yun, J. S. Yang, J. G. Lee, H. S. Park, Y. J. Oh, S. Y. Kang, K. S. Yoon and J. H. Park, "Current Status of an International Co-Operative Research Program, PARTRIDGE (Probabilistic Analysis as a Regulatory Tool for Risk-Informed Decision Guidance)," Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, Vol. 9, No. 1, 2013.
PRO-LOCA, 2012, V. 3.7.
P. Scott, R. Kurth, A. Cox, R. Olson and D. Rudland, PRO-LOCA-GUI user's Guide, BATTELLE, 2009.
W. Shack and T. F. Kassner, "Review of Environmental Effects on Fatigue Crack Growth of Austenitic Stainless Steels," NUREG/CR-6176, ANL-94/1, 1994.
L. A. James and D. P. Jones, "Fatigue Crack Growth Correlation for Austenitic Stainless Steels in Air," Proc. Conf. on Predictive Capabilities in Environmentally- Assisted Cracking, R. Rungta, ed., PVP Vol. 99, American Society of Mechanical Engineers, NY, pp. 363-414, 1985.
W. J. Shack, "Environmentally Assisted Cracking in Light Water Reactors: Semiannual Report, July-December 1999," NUREG/CR.4667 Vol. 29, ANL.00/23, pp. 47-64, 2000.
Sensitivity Analyses Results PRO-LOCA Version 3.7 November 2012, BATTELLE, 2012.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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