한국원자력연구원(원장 양명승) 원자력융합기술개발부 ‘원자로계통의 구조 건전성 통합 감시/진단시스템 개발’ 과제(총괄책임자 박진호)는 지난 2006년부터 3년간 한국수력원자력(주), 삼창기업(주)가 공동 참여한 연구를 통해 원자로 압력계통을 구성하는 기기 및 구조물을 온라인으로 검진해서 건전성 상태를 확인할 수 있는 통합형 원자로계통 구조건전성 감시시스템(I-NIMS)을 개발하는데 성공했다.

 ※ 원자로 압력계통(또는 원자로계통)은 격납용기 안에 위치하며, 원자로, 증기발생기, 냉각재펌프, 가압기 및 배관 등으로 구성된 원자력발전소의 핵심계통으로, 원자로에서 연료의 핵분열로 발생하는 열에너지를 전달하고 수송하는 냉각재계통이다.

 통합형 원자로계통 구조건전성 감시시스템(I-NIMS)은 원자로내부구조물진동감시시스템(IVMS; Internal Vibration Monitoring System), 금속파편감시시스템(LPMS; Loose Part Monitoring System), 음향누설감시시스템(ALMS; Acoustic Leak Monitoring System) 및 원자로냉각재펌프-진동감시시스템(RCP-VMS; Reactor Coolant Pump Vibration Monitoring System) 등 4개 부속 시스템으로 이뤄져 있다.

① 원자로내부구조물진동감시시스템(IVMS)은 원자로에 설치된 노외 중성자 검출기의 잡음신호를 분석해서 원자로 내부 구조물의 진동 특성 변화를 감시함으로써, 원자로 내부 구조물의 체결력 저하 또는 지지상태의 악화를 조기 검진할 수 있는 시스템이다.

◦ 원자로 내부 구조물들은 각기 고유한 진동 주파수를 가지고 있는데, 구조적으로 문제가 생기면 주파수 성분 및 크기가 변하게 돼 이를 정밀하게 관찰하면 이상 여부를 파악할 수 있다.

◦ 신체 내부의 장기에서 병이 발생하면 그 장기와 관련된 맥박의 주기 및 세기가 달라지듯, IVMS는 노심 지지통 및 핵연료 채널의 고유 주파수의 변화를 감시함으로써 이상 상태를 조기에 감지해낸다.

② 금속파편감시시스템(LPMS)은 원자로 계통의 외부 표면에 설치된 진동 가속도 센서를 이용해서 계통 내부 이물질에 의한 충격파를 탐지함으로써, 이물질의 진위여부, 발생위치 및 충격 에너지의 정도를 검진할 수 있는 시스템이다.

◦ 사람 혈액 속에 이물질이 생기면 혈관이 막히거나 심장으로 들어가 건강에 심각한 문제를 야기하듯, 원자로 내부에서 발생한 금속 파편도 고온고압의 환경에서 빠르게 움직이다 구조물에 부딪치면 냉각수 누출 등 원전 안전성에 심각한 영향을 미치는 사고가 발생할 수 있다.

◦ 박진호 박사팀은 고주파용 아날로그 신호격리 증폭기, 실시간 충격 신호 검출용 알고리즘을 내장한 고성능 다채널 디지털 신호처리 프로세서 등 하드웨어와, 시간-주파수 동시 분석방법을 적용한 소프트웨어를 개발함으로써 주변 잡음이 존재하더라도 이물질의 존재를 정확하게 진단하고 온라인으로 경보를 발생시키는 LPMS를 개발해냈다.

③ 음향누설감시시스템(ALMS)은 음향 방출(acoustic emission) 센서를 이용해서 원자로계통의 압력경계 면에서 균열 또는 냉각재의 누설이 발생할 경우 이를 온라인으로 신속하게 탐지할 수 있는 시스템이다.

◦ 사람의 혈관 벽에 지방이 축적되면 협심증이나 심할 경우 혈관이 파열되서 뇌졸중을 일으킬 수 있는데, 이를 조기에 발견해서 신속하게 병원으로 후송하면 목숨을 건질 수 있다.

◦ ALMS는 원자로계통의 균열 발생 또는 누수를 조기에 감지함으로써 원자로의 냉각재 유출과 같은 대형 사고를 조기에 차단, 원자력발전소의 안전성을 보장해주는 검진 장비이다.

④ 원자로냉각재펌프-진동감시시스템(RCP-VMS)은 진동 가속도 센서 및 비접촉 변위센서를 이용해서 원자로냉각재펌프 회전축의 이상 상태 및 지지 베어링의 결함을 온라인으로 조기에 감시하는 시스템이다.

◦ 사람의 몸에서 심장은 혈액을 순환시킴으로써 신체 곳곳에 산소와 영양분을 공급하는 역할을 하는데, 원자력발전소에서는 원자로 계통의 냉각재를 순환시키는 원자로냉각재펌프(RCP; Reactor Coolant Pump)가 심장의 역할을 하는 핵심 기기이다.

◦ 박진호 박사팀은 베어링이나 모터 등 원자로냉각재펌프의 부품에 결함이 발생했을 때 결함의 존재 여부와 이상상태를 분석할 수 있는 첨단 검진기법을 개발함으로써 RCP-VMS를 완성했다.

  원자로 압력계통 기기 및 구조물에 대한 종합적인 진단 시스템인 NIMS는 미국, 독일, 프랑스 등 선진국들이 1980년대부터 개발‧운용해오고 있으며, 국내 원전 일부에도 미국 웨스팅하우스사 제품이 장착돼 있다. 그러나 NIMS를 구성하는 4개 시스템이 연동되지 않는데다 신호 감지 능력 및 처리 속도가 떨어져 문제점으로 지적돼 왔다. 

  박진호 박사팀은 지식경제부의 지원으로 1998년 IVMS를 국산화하고, 2004년 기존의 선진국 제품에 비해 성능이 우수한 LPMS를 국산화하는데 성공한 데 이어, IVMS 및 LPMS의 기능을 더욱 개선시키고 ALMS 및 RCP-VMS를 추가 개발함으로써 전체 4개 시스템을 통합적으로 운용할 수 있는 혁신적인 첨단 NIMS(I-NIMS라고 명명함)를 개발하는 데 성공했다. I-NIMS는 첨단 신호처리 기법을 적용해서 신호 감지율과 정확도를 획기적으로 개선하고, 선진국 제품에는 포함돼 있지 않은  3차원 그래픽 기능, 첨단 감시기법 및 다차원 통합분석 기능을 포함시킴으로써 NIMS 전체 신호를 융합적으로 분석하고, 정밀 진단을 내릴 수 있는 세계 최초의 통합형 시스템으로 탄생했다.

  I-NIMS는 이례적으로 연구개발 기간 중 영광 3호기 원전에 설치해서 기존 시스템에 비해 향상된 성능과 신뢰성을 검증받은 데 이어, 영광 4호기에도 기존의 노후화된 선진국 제품을 대체할 예정이다. 순차적으로 국내 전체 원전에 교체 공급될 예정으로, 국내 원전에서 성능이 입증되면 해외 수출도 적극 추진할 계획이다. I-NIMS가 국내 원전 20기에 모두 장착될 경우 수입대체 효과는 약 400억 원이다.

  I-NIMS 개발과 관련, 국외 SCI(과학인용색인) 논문 3건을 게재하고 국내 특허 2건을 등록했으며 미국, 중국, 독일, 프랑스에 특허를 출원했다. 아울러 I-NIMS는 2008년 4월 지식경제부로부터 신기술 인증마크(NET; New Excellent Technology)를 획득했다.

<첨부> 통합형 원자로계통 구조건전성 감시시스템(I-NIMS) 사진