초록 ▼

현재 원전 시설의 안전진단은 노동집약적이고 고비용적인 문제를 가지고 있으며 손상으로 인한 재난 상황을 대비하기 위해서는 상시적이고 즉시적인 구조물 검사 시스템이 도입에 대한 중요성이 대두되고 있다. 본 연구는 레이저스캐닝, 내장형센싱, 통합손상감지, 손상정보추출 등을 기반으로 하여 원전기기 및 시설의 안전성을 실시간으로 검사하고 손상을 감지할 수 있는 원천기술을 개발함으로써, 궁극적으로는 원전기기 및 시설의 성능 및 안전성 평가 기술을 향상시키고자 한다. 이를 위하여 과제제안서에 근거하여 연구범위를 설정하고, 아래에 기술된 분야에서

현재 원전 시설의 안전진단은 노동집약적이고 고비용적인 문제를 가지고 있으며 손상으로 인한 재난 상황을 대비하기 위해서는 상시적이고 즉시적인 구조물 검사 시스템이 도입에 대한 중요성이 대두되고 있다. 본 연구는 레이저스캐닝, 내장형센싱, 통합손상감지, 손상정보추출 등을 기반으로 하여 원전기기 및 시설의 안전성을 실시간으로 검사하고 손상을 감지할 수 있는 원천기술을 개발함으로써, 궁극적으로는 원전기기 및 시설의 성능 및 안전성 평가 기술을 향상시키고자 한다. 이를 위하여 과제제안서에 근거하여 연구범위를 설정하고, 아래에 기술된 분야에서 연구 개발을 진행하였다.
● 레이저스캐닝시스템의 개발: 기존에는 초음파기법으로 구조물 손상을 감지하기 위하여 구조물 표면에 직접 부착할 수 있는 압전센서를 사용해왔다. 그러나 이러한 장비는 우수한 성능에도 불구하고 센싱 영역의 한계 때문에 규모가 큰 실제 원전구조물에 적용하기에는 어려움이 있다. 이런 단점을 개선하고, 원전구조물 내의 벽체-탱크 구조물과 같은 대형구조물의 초음파기반 모니터링을 수행하기 위하여 본 연구에서는 레이저스캐닝시스템을 개발하였다.
● 내장형센싱시스템의 개발: 기존의 압전센서는 퀴리온도의 한계로 인하여 고온환경에서의 활용에 제한이 있다는 단점이 있다. 그러나 실제 원전에 존재하는 파이프라인 구조물은 고온의 가동환경에 노출되어 있으므로, 이를 고려한 내장형센싱시스템을 개발하여야 목표 구조물에 효과적으로 초음파를 생성하고 계측할 수 있다. 본 연구에서는 a) 금속도파관을 이용한 방법과 b) 광섬유 기반의 레이저초음파기법 등 두 가지 기법을 바탕으로 하여 기술적 해결책을 제시하였다.
● 통합손상감지기법의 개발: 원전구조물에 대하여 손상감지기법을 효과적으로 적용하기 위해서는 목표구조물, 손상유형을 종합적으로 고려하여 기존의 손상감지기법을 최적화하여야 한다. 본 연구에서는 a) 유도파기법, b) 임피던스기법, c) 음향방출(acoustic emission)기법을 포괄할 수 있도록 관련 하드웨어와 소프트웨어 방법론을 개발하였다. 이를 바탕으로 개발된 기술의 적용성을 평가하기 위하여 실험적으로 검증하였다.
● 손상정보추출기법의 개발: 실제 원전시설물의 상시적인 모니터링을 수행하기 위해서는 검사인력이 손쉽게 손상의 존재유무와 위치를 쉽게 파악할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 개발된 요소기술을 바탕으로 하여 초음파를 생성/계측하고 이를 영상화하여 실제 구조물에 생기는 손상정보를 효과적으로 추출할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 영상화 알고리즘과 함께 다채널 초음파 계측시스템을 구축하였다. 개발된 손상감지기법을 통하여 소규모 원전사고도 미연에 방지함으로써 국가 전력공급의 중추적 역할을 담당하는 원자력 발전소의 안전성을 제고하고, 원전 사고 및 고장으로 인한 사회적 손실을 방지하고, 원전 기기 및 시설물 유지관리에 대한 국민의 신뢰도 및 이미지를 향상시킬 것으로 기대된다. 또한 개발된 기술을 항공 우주구조물, 사회기반시설물 및 녹색에너지 인프라의 모니터링에 확대 적용하기 위한 추가연구를 진행하고 있다.

Abstract

To facilitate the SHM of the future nuclear power plant, this study focuses on (1) Laser scanning, (2) Embedded sensing, (3) Integrated damage detection technique, (4) Ultrasonic imaging techniques.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목 차 ... 5
• 영문 요약서 ... 7
• CONTENTS ... 8
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 10
• 제1절 연구개발의 목표 및 범위 ... 10
• 제2절 연구개발의 필요성 및 목적 ... 11
• 1. 기술적 측면 ... 11
• 2. 경제 산업적 측면 ... 11
• 3. 사회 문화적 측면 ... 11
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 12
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 13
• 제1절 1차년도 평가를 반영한 연구수행내용 및 결과 ... 13
• 1. 적용대상 구조물 및 손상유형의 구체화 ... 13
• 2. 개발기술의 구체화 ... 15
• 가. 내장형센싱 기반 기술 ... 15
• 나. 레이저스캐닝 기반 기술 ... 18
• 3. 현장 적용성의 검토 ... 23
• 4. 실용화 추진계획 ... 24
• 제2절 1차년도 연구 성과 (2009년) ... 25
• 1. 일체형 압전센서 무선 초음파 가진/센싱 기술의 개발 ... 25
• 2. 압전센서와 광섬유를 이용한 초음파 생성/계측 시스템 개발 ... 32
• 3. 펄스레이저 기반의 센서네트워크 훈련기 개발 ... 36
• 제3절 2차년도 연구 성과 (2010년) ... 39
• 1. 초음파 계측을 위한 고온용 일체형 가진기 개발 ... 39
• 가. 도파관 (waveguide)을 활용한 기법 ... 39
• 나. 광섬유 기반의 레이저초음파기법 ... 42
• 2. 350℃급 고온용 변형률 무감 초음파센서의 개발 ... 44
• 3. 일체형 초음파센서의 다채널 복조 시스템 개발 ... 48
• 가. FBG 센서의 복조 알고리즘 ... 48
• 나. 도파관을 활용한 다채널 계측 시스템 ... 50
• 제4절 현장적용성 강화를 위한 추가연구 ... 54
• 1. 시간반전(time-reversal) 기반의 내부균열생성 감지기술 ... 54
• 2. 파이프라인에 대한 무기저 (baseline-free) 손상감지기법 ... 57
• 3. 도파관을 활용한 임피던스 기법 ... 59
• 4. 레이저 스캐닝을 활용한 감육손상의 가시화 ... 61
• 제4장 목표달성도 ... 63
• 제1절. 연구개발 달성도 ... 63
• 제2절. 주요 성과 달성도 ... 63
• 제3절. 특허 성과 ... 64
• 제4절. SCI 논문 성과 ... 65
• 제5절. 학회논문 성과 ... 67
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 72
• 제1절 추가 연구의 필요성 ... 72
• 제2절 타 연구에의 응용 방안 ... 73
• 1. 항공우주 분야 ... 73
• 2. 사회기반시설 분야 ... 75
• 3. 에너지 인프라 분야 ... 77
• 제3절 기업화(기술 사업화) 추진 방안 ... 78
• 1. 실용화 및 제품화 방안 ... 78
• 2. 사업화 및 기술 이전 방안 ... 78
• 제6장 참고문헌 ... 79