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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국원자력안전기술원 Korea Institute of Nuclear Safety |
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연구책임자 | 이공희 |
참여연구자 | 채장범 , 장경식 , 이용갑 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2023-01 |
과제시작연도 | 2022 |
주관부처 | 원자력안전위원회 Nuclear Safety and Security Commission |
과제관리전문기관 | 한국원자력안전재단 KOREA FOUNDATION OF NUCLEAR SAFETY |
등록번호 | TRKO202300029005 |
과제고유번호 | 1075001373 |
사업명 | 원자력안전연구개발 |
DB 구축일자 | 2023-12-26 |
키워드 | 가동중시험.해석코드.진단.열화.머신러닝.In-Service Test.Analysis Code.Diagnosis.Aging.Machine Learning. |
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 분야 현안 평가 기술 개발을 통한 가동원전 안전성 증진
○ 원전 가동중시험을 위한 펌프 및 밸브의 성능‧상태‧열화 진단방법론 개발
◼ 전체 내용
○ 가동중시험 분야 규제검증 평가를 위한 열유동 해석코드 적용성 평가
○ 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 현안 분석방법론 및 최적해석 지침 개발
○ 모터구동밸브/공기구동밸브의 상태‧열화 진단 방법 개발
○ 유압구동밸브의 성능‧상태‧열화 진단 방법 개발
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
○ 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 분야 현안 평가 기술 개발을 통한 가동원전 안전성 증진
○ 원전 가동중시험을 위한 펌프 및 밸브의 성능‧상태‧열화 진단방법론 개발
◼ 전체 내용
○ 가동중시험 분야 규제검증 평가를 위한 열유동 해석코드 적용성 평가
○ 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 현안 분석방법론 및 최적해석 지침 개발
○ 모터구동밸브/공기구동밸브의 상태‧열화 진단 방법 개발
○ 유압구동밸브의 성능‧상태‧열화 진단 방법 개발
○ 펌프의 성능‧상태‧열화 진단 방법 개발
○ 머신러닝 기술을 이용한 펌프 및 밸브의 상태기반 인공지능 진단 방법 개발
◼ 1단계
❏ 목표
○ [1차년도]
- 열유동 해석코드의 가동중시험 분야 적용성 평가 기반 구축
- 안전관련 기기의 현장 성능시험 측정 자료 분석 및 고장이력 조사
- 모터구동밸브/공기구동밸브 특성시험 설비 설계 및 제작
- 모터구동밸브 상태 진단 방법 개발 기반 구축
○ [2차년도]
- 가동중시험 분야 규제검증 평가를 위한 열유동 해석코드 적용성 평가
- 모터구동밸브 상태 진단 방법 개발
- 공기구동밸브 상태 진단 방법 개발
- 펌프 특성시험 설비 설계 및 제작
○ [3차년도]
- 가동중시험 분야 현안 분석을 위한 최적해석방법론 개발
- 모터구동밸브 상태기반 열화 진단 방법 개발
- 공기구동밸브 상태기반 열화 진단 방법 개발
- 유압구동밸브 성능 진단 방법 개발 기반 구축
- 펌프 성능‧상태 진단 방법 개발
❏ 내용
○ [1차년도]
- 가동중시험 이행 및 안전관련 기기 성능평가에 대한 현안 수집
- 가동중시험 분야 규제검증 평가에 필요한 주요 열유동 현상 정의 및 분류
- 가동중시험 분야 주요 열유동 현상 예비계산
- 성능시험 현장 측정 자료 분석
- 고장이력 DB 구축 및 고장 메커니즘 분석
- 모터구동밸브/공기구동밸브 진단 신호 측정을 위한 실험 장치 구성
- 상태 진단 변수 도출을 위한 실험 방법론 개발
- 모터구동밸브 진단 신호 측정 및 분석
○ [2차년도]
- 열유동 해석코드의 가동중시험 분야 적용성 평가 방안 수립
- 가동중시험 분야 규제검증 평가를 위한 주요 열유동 현상 분석
- 가동중시험 관련 기기/계통에서 발생하는 주요 열유동 현상에 대한 해석코드 적용성 평가
- 1차원 열수력 계통해석코드에 포함된 가동중시험 관련 기기 모델링 비교/분석
- 측정 신호 노이즈 제거 기술 개발
- 모터구동밸브 진단 신호 측정 및 분석
- 특성 시험 결과를 이용한 모터구동밸브 상태 진단 모델 개발
- 공기구동밸브 진단 신호 측정 및 분석
- 특성 시험 결과를 이용한 공기구동밸브 상태 진단 모델 개발
- 펌프 시험 설비 설계 및 제작
○ [3차년도]
- 가동중시험 관련 기기/계통 대상 열유동 해석코드 최적해석방법론 개발
- 가동중시험 관련 기기/계통 대상 열유동 해석코드 예측 결과 검증
- 1차원 열수력 계통해석코드에 포함된 가동중시험 관련 기기 모델링 개선 필요 사항 도출
- 기기의 결함과 스트레서 관계 조사 및 경향성 변화 조사
- 모터구동밸브의 진단 변수 도출 및 상태기반 열화 진단 모델 개발
- 공기구동밸브의 진단 변수 도출 및 상태기반 열화 진단 모델 개발
- 유압구동밸브 진단 신호 측정 및 분석
- 펌프 진동 신호 분석 방법 개발, 노이즈 제거 기술 개발
- 펌프 진단 신호 측정 및 분석
- 특성시험 결과를 이용한 펌프 성능‧상태 진단 모델 개발
◼ 2단계
❏ 목표
○ [1차년도]
- 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 분야 현안 분석
- 머신러닝 기술을 이용한 모터구동밸브/공기구동밸브 상태‧열화 진단 방법 개발
- 유압구동밸브 성능‧상태 진단 방법 개발
- 펌프 상태기반 열화 진단 방법 개발
○ [2차년도]
- 가동중시험 분야 규제검증 평가를 위한 최적해석 지침 개발
- 유압구동밸브 열화 진단 방법 개발
- 유압구동밸브 인공지능 진단 방법 개발
- 펌프 인공지능 진단 방법 개발
- 데모 장치 제작 및 진단 방법 검증
❏ 내용
○ [1차년도]
- 가동중시험 대상 기기 성능 및 이행 관련 현안에 대한 열유동 해석
- 가동중시험 관련 기기/계통 대상 열유동 해석코드 예측 결과의 불확도 평가 방법론 수립 및 예비평가
- 1차원 열수력 계통해석코드에 포함된 가동중시험 관련 기기 모델링 개선을 위한 열유동 해석 수행 및 해석 결과 활용
- 측정 신호 노이즈 제거 기술 개발
- 유압구동밸브 진단 변수 도출
- 특성시험 결과를 이용한 유압구동밸브 성능‧상태 진단 모델 개발
- 펌프 진단 신호 측정 및 분석
- 특성시험 결과를 이용한 펌프 상태기반 열화 진단 모델 개발
- 머신러닝 기술을 이용한 모터구동밸브/공기구동밸브 인공지능 진단 방법 개발
- 상태‧열화 진단 머신러닝 알고리즘 개발
- 진단 모델의 검증을 위한 테스트 데이터 확보
○ [2차년도]
- 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 대상 기기 성능 및 이행 관련 현안 분석을 위한 지침 개발
- 가동중시험 관련 기기/계통 대상 열유동 해석코드 예측 결과의 불확도 평가
- 1차원 열수력 계통해석코드에 포함된 가동중시험 관련 기기 모델링 개선안 제시
- 유압구동밸브 상태에 따른 열화 분석 및 모델 개발
- 유압구동밸브 상태에 따른 열화 진단 방법 개발
- 머신러닝 기술 기반 유압구동밸브 성능‧상태‧열화 진단 방법 개발
- 머신러닝 기술 기반 펌프 성능‧상태‧열화 진단 방법 개발
- 현장 데이터 및 실험 데이터를 이용한 개발된 진단 방법 검증
- 진단 방법 검증을 위한 데모 장치 제작 및 검증
□ 연구개발성과
1단계 총 3년(2020~2022년) 동안 다음과 같은 연구개발성과를 도출하였음.
○ 안전기술보고서(N-STAR) : 16건
- 가동중시험 분야의 규제현안 조사 및 전산코드를 활용한 예비분석
- 비상노심냉각수 주입에 따른 비정상 단상 열성층 해석을 위한 난류모델 예측성능 비교 연구(우수보고서)
- 역지밸브의 닫힘거동 분석을 위한 CFD 동적격자 방법론 비교
- 전산유체역학 소프트웨어 적용성에 관한 규제 지침 개발을 위한 오리피스 내부 캐비테이션 유동 수치해석
- 보조급수계통 다단오리피스 용접부 건전성 예비평가
- 모터구동밸브 주기적 성능확인 지침 개선 방안
- 공기구동밸브 주기적 성능확인 지침 개선 방안 등
※ 안전기술보고서 16건 중 유형②(방법론/장비 등 개발 및 비교검토) 11건, 유형③(규제화를 위한 분석,검증 결과) 5건 모두 규제 활용성을 제고한 연구 결과로 판단됨.
○ 논문 게재 : 11건
- 국내/국외 SCIE : 1건/1건
- 국내/국외 비SCIE : 8건/1건
○ 학술대회 발표 : 52건
- 국내 학술대회 : 34건
- 국외 학술대회 : 18건
○ 연구보고서 : 2건
- 시스템코드 펌프 및 밸브 모델 현황
- 고리 2호기 다단오리피스 구조 해석
2단계 총 2년(2021~2022년) 동안 다음과 같은 연구개발성과를 도출하였음.
○ 안전기술보고서(N-STAR) : 15건
- KEPIC MPT-19.5에서 권고한 벤투리 유량계 상류측 직관 길이의 적합성 검토 : 직경비 영향
- 캐비테이팅 벤투리의 확산부 형상에 따른 유동 및 진동해석 결과 비교 연구
- 가변적인 입구 유동분포에서 오리피스 유량계에 대한 CFD 기반 불확실도 정량화 등
- 열화 특성을 고려한 모터구동밸브 주기적 성능확인 주기 결정 방법론
- 원전 유압구동밸브 성능평가 방법론 개발 등
※ 안전기술보고서 15건 중 유형②(방법론/장비 등 개발 및 비교검토) 12건, 유형③(규제화를 위한 분석,검증 결과) 3건 모두 규제 활용성을 제고한 연구 결과로 판단됨.
○ 규제정책 활용 : 제안 3건, 반영 2건
- 동력구동밸브(MOV, AOV) 성능확인시험에 관한 규제지침 제정 (제안/반영)
- 원자력발전소 안전관련 열교환기 성능관리 규제지침 개정 (제안/반영)
- 전산유체역학 프로그램을 활용한 가동중시험 분야 해석 결과물에 대한 적절성 검토 규제지침 제정 (제안)
○ 논문 게재 : 14건
- 국내/국외 SCIE : 1건/8건
- 국내 비SCIE : 5건
○ 학술대회 발표 : 42건
- 국내 학술대회 : 32건
- 국외 학술대회 : 10건
○ 소프트웨어(프로그램) 등록 : 2건
- 전산유동해석 불확실성 정량화를 위한 순방향 문제용 GUI 프로그램 등
○ 포상 및 수상 : 3건
- 한국에너지학회 우수논문상(2022년)
- 한국압력기기공학회 최우수논문상(2021년) 등
○ OECD/NEA 보고서 개정본 작성 참여
- 보고서명: Best Practice Guidelines for the Use of CFD in Nuclear Reactor Safety Applications
- 보고서 개정본 반영 내용: 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 대상 기기 성능 및 이행 관련 현안 분석과 관련된 연구 결과
○ 위탁연구보고서 : 4건
- 가동중시험 분야에 대한 CFD 코드 해석 결과의 불확도 평가
- 판형 열교환기에서 발생하는 열성층 현상 수치해석 등
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 본 연구를 통해 개발되는 열유동 해석코드를 활용한 가동중시험 분야 현안 평가 기술은 기기 열화/손상에 의한 성능저하 및 안전관련 능동기기의 성능관리를 위한 가동중시험 이행 관련 현안 발생 시, 이를 정량적/정성적으로 평가하는데 활용될 수 있음.
○ 평가 결과는 원전 운영자의 가동중시험 분야 현안 발생 원인분석과 재발방지 대책의 적절성에 대한 규제자의 합리적이고 타당한 규제 의사 결정에 상당한 도움이 될 것으로 기대됨. 최종적으로는 가동원전 안전성 향상에 기여할 것으로 예상됨.
○ 안전관련 펌프 및 밸브의 상태기반 진단방법론은 기기의 성능 변화 또는 비정상 상태에 대한 예측 진단을 통해 규제 여부의 판단을 가능하게 하며, 원전 안전관련 기기의 성능신뢰도 유지관리에 대한 규제방향 제시를 통해 원전 안전성 증대에 기여함.
○ 머신러닝 기법을 이용한 진단방법의 도입을 통해 현장 측정 데이터 분석의 정확성과 객관성을 높이고, 원자력 안전규제기술에 4차 산업혁명을 이끌어가는 인공지능 기술의 접목을 통해 국내외 안전규제 분야를 선도함.
(출처 : 요약문 2p)
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