핵연료 취급장치 자동제어 시스템, 지식경제부 신기술 인증
두산중공업은(사장 박지원)이 개발한 원자력발전소 핵연료 취급장치 자동제어 시스템이 지난 8월 말, 지식경제부로부터 신기술 인증을 받았다.
핵연료취급장치는 원전에서 사용하는 핵연료의 인출과 재장전, 이송, 사용 후 연료 취급 등에 사용되는 장치를 말하는 것으로, 이를 자동 제어하는 시스템은 안전과 직결될 뿐만 아니라 원전의 가동률을 좌우하는 핵심 기술이어서 원전 운영에 관한 고도의 노하우를 필요로 한다.
두산중공업 박석빈 상무(원자력 설계)는 “그동안 핵연료 취급장치 및 제어 기술은 해외 기술에 의존해 왔으나 이번 기술개발로 우리나라의 차세대 신형 경수로인 APR1400에 적용할 수 있는 독자 모델을 갖게 됐다”면서 “이번 기술개발로 원전 1개 프로젝트당 300억원의 수입 대체 효과를 거두게 됐을 뿐만 아니라 원전의 가동률 향상으로 연간 40억원의 발전 효과 및 정비 비용 절감이 기대된다”고 말했다.
이번 신기술 인증으로 국내에서 신규로 건설되는 원전과 가동 중인 원전의 성능개선에도 이 기술이 적용될 예정이다.
두산중공업이 개발한 핵연료 취급장치 자동제어 시스템에 대해 살펴본다. <편집자 주>
1. 기술개발 내용 및 파급효과
□ 개발기술의 내용 및 특징
가. 개발기술의 내용
원자력 발전소의 노심에 장전된 연료가 해당 주기 동안 연소되어 연소도가 설계치에 이르면 신 연료와 교체하고 노심 내 연료위치를 이동시키는 핵연료 재장전 작업을 하게 되는데 이때 핵연료취급기기(Fuel Handling System Equipment)가 사용된다.
연료 인출 및 재장전 작업은 원자력 발전소에서 약 1.5년 주기로 실시하는 계획예방정비기간을 결정하는 임계공정이다.
원자력발전소 내의 많은 핵연료 취급기기 중에서 핵연료 교체 기간 중 사용되는 핵심장비로는 핵연료재장전기(Refueling Machine), 핵연료이송기(Fuel Transfer System), 사용후연료취급기(Spent Fuel Handling Machine)가 있다.
핵연료재장전기(Refueling Machine)는 격납건물에 설치되어 있다. 연료를 노심에 장전 및 인출하는 장비로 핵연료이송기에서 인수한 연료를 노심에 장전하고 노심에서 인출한 연료를 핵연료이송기로 이송하는 기능을 한다.
핵연료이송기(Fuel Transfer System)는 격납건물과 핵연료 건물 사이에 설치되어 있다. 핵연료재장전기에서 인수한 연료를 핵연료 건물로 이송하여 사용후연료취급기로 이송하고 역으로 사용후연료취급기에서 인수한 연료를 격납건물의 핵연료재장전기로 이송하는 기능을 한다.
사용후연료취급기(Spent Fuel Handling Machine)는 핵연료 건물에 설치되어 있다. 연료이송기에서 인수한 연료를 연료저장대로 이송하고 연료저장대에 임시 저장된 연료를 인출하여 연료이송기로 이송하는 기능을 한다.
본 개발기술은 그동안 외국기술에 전적으로 의존해 오던 핵연료취급설비 및 제어시스템을 국내최초로 국내 기술 및 부품을 이용하여 개발한 것이다.
나. 개발기술의 특징
본 개발기술은 140만KW급 신형경수로(APR1400)와 현재 가동 중인 한국형 표준원전의 성능개선에 적용될 국내 최초 고유기술 모델로 구동 및 제어시스템에 최신 기술을 개발하여 적용함으로써, 원전 유지보수 프로그램의 유연성 및 신뢰성을 확보하고, Man-Machine Interface System을 확대 개발하여 운전원의 편의 및 안전성을 향상시키고, 이송 중 운전원에게 미치는 방사선 피폭선량을 감소시켰다.
또한 국내 최초로 재장전모의반(Simulator) 및 재장전감시반(Supervisory Console)을 개발하여 장비 휴지기간 중 운전원 훈련 및 기기건전성 검사를 가능하게 하였으며, 관리자의 현장방문 없이도 원격지에서 각종 운전자료를 교환하고 운전정보의 획득이 가능해 졌다.
국내외 규제요건을 고려, 미국 원자력 안전인허가 요건, SRP 9.1.4(Standard Review Plan 9.1.4, Light Load Handling System) 및 ANSI/ANS-57.1, Design Requirements for Light Water Reactor Fuel Handling Systems[4], 과학기술부령 제 31호, 원자로 시설 등의 기술기준에 관한 규칙 등을 만족하였다.
개발 기술의 주요한 기술적 특징을 요약하면 다음과 같다.
- 운전제어반(Control Console) 제어시스템 개발 및 제작
- 운전제어반에서의 운전정보 감시기술 및 장치 운전기술 개발을 통한, MMI(Man-Machine Interface) 시스템 개발
- 원격지에서의 장치운전현황 감시기술 및 운전정보 데이터베이스 관리기술 개발을 통한 감시반(Supervisory Console) 개발 및 제작
- 디지털 및 아날로그 신호 통합을 통한 단일회선에 의한 원격지로의 디지털 및 아날로그 정보 동시 제공 기술 개발
- 제어반 외함 및 MMI 시스템에 대한 인간공학적 설계검증
- 핵연료 자동이송 운전로직 개발
- 핵연료 이격위치 운전로직 개발
- 모의운전로직 기술개발을 통한, 재장전 운전 모의장치(Refueling Simulator) 개발 및 제작
- Dual Reeving 호이스트 시스템을 반영, 안전에 대한 신뢰도를 향상한 시스템 개발
□ 개발기술의 기술적인 파급효과
현재 가동원전의 핵연료취급기기는 외국기술을 이용하여 제작되었기 때문에 유지 보수 등에 어려움이 많이 있다. 가동원전의 설비개선과 신규원전 건설의 경제적·효율적 추진을 위해 관련 국내 기술력의 자립이 끊임없이 요구되어 왔다.
핵연료취급기기 및 제어시스템을 국산화 개발함으로써 독자적인 원천기술을 확보하고, 기술자립을 실행하였다.
최신 제어기술을 적용한 정밀제어, 속도개선, 작업자의 방사선 피폭 감소 등의 기술을 개발하여 국내 원전에 적용함으로써 안전성 및 신뢰성을 향상시키고, 방사선 방출선량 평가 및 안전성 분석을 통해 과학적으로 분석된 안전성 데이터의 제시가 가능해지므로 원전의 안전성에 관한 사회적 인식을 크게 제고할 수 있을 것이다.
또한 핵연료취급시스템 설계, 제작, 운용을 책임질 수 있는 기술 인력이 국내에 확보되어 국가 원자력 분야 기술 발전 및 국민적인 신뢰감 형성에 크게 이바지 할 것이다.
□ 개발기술의 경제·산업적인 파급효과
국가 경제발전과 국민 삶의 질을 향상시키기 위해 전기에너지는 매년 그 수요가 증가하고 있고, 자원이 극히 부족한 우리나라에서는 대규모의 전기발전이 가능한 원자력 발전소의 추가 건설과 가동 중인 원자력 발전소의 가동률을 향상시켜 효율적인 전기 생산이 불가피한 실정이다. 현재 원자력 발전소의 핵연료 취급설비는 독점적인 해외업체에 의존하여 왔으며, 효율적인 측면이 많이 떨어졌다.
원자력 발전소 뿐만 아니라 원자력 산업 전반에 소요되는 핵연료취급설비를 국내 기술로 개발함으로써, 향후 신규원자력 사업의 해외기술의존도가 크게 완화되고 기존원전설비의 노후화에 따른 노후설비 교체와 후속원전 건설 시 국내 기술 인력으로 수행하고, 소모품 또한 국내기업에서 조달하여 연간 평균 100억 원의 수입대체 효과 및 국내 산업에 고용창출효과가 기대된다.
또한, 현재 미주와 유럽의 각각 1개사가 독점적으로 공급하고 있는 해외 시장의 진입이 용이함은 물론 연간 약 100억 원의 수출증대 효과가 기대된다.