[논문]원전해체 가상훈련 시뮬레이터 개발

이스라엘; 강호중; 안영일; 김원식; 송동석; 김명호; 이성욱

doi:10.7236/jiibc.2024.24.5.195

초록
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고리 1호기 영구정지 이후 원전해체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 원자로발전소의 핵심설비(원자로압력용기, 증기발생기, 원자로냉각재펌프, 가압기)는 원자력발전소의 구조물 중 가장 높은 방사능을 가지고 있으며, 특히 핵심설비 중 원자로압력용기(RPV: Reactor Pressure Vessel)는 핵연료를 제외한 방사능이 가장 높은 대상물이다. 이를 해체하기 위해서는 해체 대상에 대한 정확한 사전정보(2D, 3D모델 등) 및 방사선학적 특성 분석 그리고 해체 장비, 해체 공정의 타당성 검토 등이 필요하다. 하지만 사전정보 및 방사선학적 특성 분석 만으로는 해체 공정 검토가 불가능하고, 물리적인 목업을 사용할 경우, 다양한 해체 장비 적용의 어려움으로 가상환경에서 시뮬레이션 및 훈련이 필요하다. 본 논문에서는 가상현실 및 햅틱 기술을 적용하여 원전해체 과정의 원격 해체 기술 및 해체 작업자의 해체 기술을 향상할 수 있는 원격 해체훈련 시스템을 개발하였다.

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Since the permanent shutdown of the Kori No. 1 reactor, research on nuclear power plant decommissioning has been actively conducted. The core facilities (reactor pressure vessel, steam generator, reactor coolant pump, and pressurizer) of a nuclear power plant have the highest radioactivity among the...

Since the permanent shutdown of the Kori No. 1 reactor, research on nuclear power plant decommissioning has been actively conducted. The core facilities (reactor pressure vessel, steam generator, reactor coolant pump, and pressurizer) of a nuclear power plant have the highest radioactivity among the structures of a nuclear power plant, and the reactor pressure vessel (RPV) is the most radioactive object other than the nuclear fuel. In order to dismantle them, accurate preliminary information (2D, 3D models, etc.) and radiological characterization of the dismantling object are required, as well as feasibility studies of dismantling equipment and dismantling processes. However, it is impossible to review the dismantling process with only prior information and radiological characterization, and when using physical mock-ups, simulation and training in a virtual environment are necessary due to the difficulty of applying various dismantling equipment. In this paper, we developed a remote decommissioning training system that can improve the remote decommissioning technology of the nuclear power plant decommissioning process and the decommissioning skills of decommissioning workers by applying virtual reality and haptic technology.

Keyword

표/그림 (16)

그림 그림 1. 원자력 압력용기 해체개요 Fig. 1. Nuclear Power Plant Decommissioning Overview
그림 그림 2. 훈련 시뮬레이터 구성도 Fig. 2. Training Simulator Diagram
그림 그림 3. 원전해체 훈련시스템 시나리오 메뉴 구성도 Fig. 3. Nuclear Decommissioning Training System Scenario Menu Diagram
그림 그림 4. 원전해체 튜토리얼 훈련 콘텐츠 Fig. 4. Nuclear Decommissioning Tutorial Training Content
그림 그림 5. 원전해체 기본훈련 훈련 콘텐츠 Fig. 5. Nuclear Decommissioning Basic Training Training Content
그림 그림 6. 원전해체 고급훈련 콘텐츠 Fig. 6. Nuclear Decommissioning High-Training Training Content
그림 그림 10. 마스터 슬레이브 통합 제어 시스템 구성도 Fig. 10. Master-slave integrated control system diagram
그림 그림 7. 해체훈련 콘텐츠 Fig. 7. Dismantling process training content
그림 그림 8. 원전해체 가상훈련 시작 및 종료 Fig. 8. Starting and ending a nuclear decommissioning exercise
그림 그림 9. 훈련 시뮬레이터 구성도 Fig. 9. Training Simulator Diagram
그림 그림 11. PP모드 양방향 원격제어 블록다이어그램 Fig. 11. PP Mode Bidirectional Remote Control Block Diagram
그림 그림 12. 슬레이브 로봇 끝단 회전각에서 마스터 시스템의 회전각으로 변환 과정 Fig. 12. Conversion process from slave robot end rotation angle to master system rotation angle
그림 그림 13. 개발된 원전해체 가상훈련 시뮬레이터 Fig. 13. Developed a virtual training simulator for nuclear power plant decommissioning
그림 그림 14. 통합 마스터 시스템의 힘 측정 결과 Fig. 14. Force measurement results for an integrated master system
그림 그림 15. 통합 마스터 시스템의 토크 측정 결과 Fig. 15. Torque measurement results of the integrated master system
표 표 1. 통합 마스터 시스템의 힘/토크 구현 가능 범위 Table 1. Force/torque realizable range for integrated master systems

AI 본문요약
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제안 방법

원전해체 가상훈련 시나리오는 원격제어를 바탕으로 훈련 시나리오를 기획 및 제작하였다. 원격제어는 시간 지연, 실제 물체를 대상으로 작업하기 힘든 작업성, 원격지 환경에 대한 정보부족 복잡한 조작법으로 인해 작업자 피로도 증가 등의 문제점을 가지고 있다.
그림 3은 원전 해체 훈련시스템 메뉴는 튜토리얼, 기본과정, 고급 과정, 원자력 발전소의 핵심설비 해체 과정을 경험할 수 있는 해체 공정 시나리오 및 기본 및 고급 과정의 시나리오를 편집할 수 있는 시나리오 편집으로 구성되어 있다. 튜토리얼 훈련 과정은 1명의 작업자가 매니퓰레이터 및 마스터 장비의 조작에 대한 친숙함을 높일 수 있도록 시나리오를 제작하였고, 기본과정은 1명 또는 2명의 작업자가 매니퓰레이터를 원격제어로 협업을 훈련을 할 수 있도록 제작하였다. 그리고 고급과정은 원자력 발전소의 1차 계통의 핵심 설비인 압력용기 절단과정을 훈련할 수 있고, 해체공정은 원자력압력용기 해체 절차에 대한 훈련을 진행할 수 있으며, 작업자의 숙달이 부족한 부분을 반복 및 훈련자 수준에 맞게 훈련 방법을 수정하여 반복 숙달을 향상할 수 있도록 전체 시나리오를 기획 및 제작하였다.
튜토리얼 훈련 과정은 1명의 작업자가 매니퓰레이터 및 마스터 장비의 조작에 대한 친숙함을 높일 수 있도록 시나리오를 제작하였고, 기본과정은 1명 또는 2명의 작업자가 매니퓰레이터를 원격제어로 협업을 훈련을 할 수 있도록 제작하였다. 그리고 고급과정은 원자력 발전소의 1차 계통의 핵심 설비인 압력용기 절단과정을 훈련할 수 있고, 해체공정은 원자력압력용기 해체 절차에 대한 훈련을 진행할 수 있으며, 작업자의 숙달이 부족한 부분을 반복 및 훈련자 수준에 맞게 훈련 방법을 수정하여 반복 숙달을 향상할 수 있도록 전체 시나리오를 기획 및 제작하였다.
원전해체 가상훈련 시나리오의 구성도로 2명의 훈련자와 한 명의 관리자로 구성되어 있으며, 훈련자는 가상의 환경 및 실 환경에서의 로봇 및 훈련을 수행할 수 있도록 구성되어 있으며, 가상의 환경에서 협업을 통한 훈련을 할 수 있도록 구성하였으며, 관리자는 가상의 환경에서 관전자 및 훈련자의 로그를 확인 후 훈련을 설정 할 수 있도록 구성되어 있고, 그림 9와 같이 훈련자가 마스터(햅틱 장치)를 이용하여 마스터의 장치의 좌표 값 및 힘-토크 값을 Robot Coordinator에 전달을 하면, Robot Coordinator에서 Robot Controller에 좌표 값으로 변환하여 전달을 하게 되고, Robot Controller에서 슬레이브 로봇을 움직이게 한다. 슬레이브 로봇에서 발생되는 힘-토크 값을 Robot Controller을 통하여 Robot Coordinator에 전달하면 Robot Coordinator는 힘-토크의 힘을 조절하여 마스터 장치로 보내게 된다.
슬레이브 로봇의 힘/토크를 마스터 장치에 전달하여 조작자가 로봇의 움직임을 피드백받기 위하여 양방향 원격제어(bilateral teleoperation) 알고리즘, PP (Position to Position) 모드를 적용하여 마스터 장치와 슬레이브 로봇 끝단의 6 자유도 위치가 동일하도록 제어하였으며, PP 모드 양방향 원격제어 알고리즘의 블록 다이어그램은 그림 11과 같다.
그림 14와 그림 15에서와 같이 측정 결과를 확인할 수 있으며 세부적인 결과 값을 표 1로 정리하였다. 그리고 양의 방향 및 음의 방향에 상관없이 모든 방향에서 목표치인 20 N, 150 mNm 이상의 힘/토크가 측정되어 훈련자가 슬레이브 로봇 및 가상환경에서 전달 받는 힘/토크를 구현하였다.
본 논문에서 제안하는 원전 해체 훈련시스템은 가상현실 기술과 햅틱 기술을 적용하여 작업자의 부하 및 숙련도를 향상하고, 훈련자의 훈련 데이터를 분석하여 평가의 신뢰성 및 부족한 훈련 부분을 보완할 수 있는 훈련 시뮬레이터 및 실제 부하인 힘-토크가 적용되는 것을 실험을 통하여 검증하였다. 하지만 원전의 세부 도면, 구조물 절단에 관련된 피드백, 절단 훈련 시나리오의 완성도가 부족하다.

대상 데이터

원전해체 훈련시스템은 그림 10과 같이 컨트롤 PC(Robot Coordinator)를 중심으로 마스터장치(7 DOF haptic 장치, 풋스위치), 가상환경 훈련 시나리오, 슬레이브 로봇(협동로봇)으로 구성되어 있다.
원전 해체 가상훈련 시뮬레이터는 그림 13과 같이 제작을 하였다. 원전 해체 가상훈련 시뮬레이터는 OS: Windows 10 Pro, 4개의 PC(CPU: Intel i9-12900k, GPU: GeForce RTX3070, RAM: 32GB), 마스터 장비(Hpatic device), force dimension delta.3 그리고 슬레이브 로봇(Manipulator)은 뉴로메카, Indy7으로 구성되어 있으며, 가상 환경은 Unity 2.4.4 버전으로 제작하였다.

참고문헌 (6)

Jee-Hyeong Kim, "Design and Implementation of Real-time Digital Twin in Heterogeneous Robots using OPC UA", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 23, No. 4, pp. 189-196, Aug 2023. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2023.23.4.189？

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Ki-Sook Chung, Woo-Sug Jung, "A Study on the Dataset Structure of Digital Twin for Disaster and Safety Management", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 23, No. 5, pp. 89-95, Oct 2023. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2023.23.5.89？

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Yujeong Choi, Seong-Cheol and Chang-Lak Kim, "Evaluation on radioactive waste disposal amount of kori unit 1 reactor vessel considering cutting and packaging methods", Nucl. Fuel Cycle Waste Technol, 2016, 14, pp. 1231-1234. DOI: https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2016.14.2.123？

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Jina Ok , Soonduck Yoo, Hyojin Jung, "A Study on the Dataset Structure of Digital Twin for Disaster and Safety Management", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 23, No. 5, pp. 89-95, Oct. 31, 2023. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2023.23.5.89？

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Jee-Hyeong Kim, "Evaluation on radioactive waste disposal amount of kori unit 1 reactor vessel considering cutting and packaging methods", Nucl. Fuel Cycle Waste Technol, 2016, No. 14, pp. 1231-1234. DOI:10.7733/jnfcwt.2016.14.2.123？

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Young Hwan Hwang, Seokju Hwang, Sunghoon Hong, Kwang Soo Park, Nam-Kyun Kim, Deok Woon Jung, and Cheon-Woo Kim, "A Study on Segmentation Process of the K1 Reactor Vessel and Internals", Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology, Vol. 17, No. 4, pp. 437-445, Oct 2017 DOI: https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2019.17.4.437

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