본 연구에서는 액체금속로를 위한 개념 설계 툴의 방법론 및 구축 방안이 제시되었다. 액체금속로를 위한 개념 설계는 설계 요건과 인간 설계자의 지식에 기반한 요구 사항을 정량적인 설계 사양으로 도출하는 과정으로, 설계 사양의 도출이 순차적인 방법에 의해 도출되기 힘든 구조를 가지고 있다. 이를 해결하기 위하여 본 연구는 순차적인 설계 과정의 진행을 통해 설계 요건을 만족할 수 있는 최적화 영역으로 설계 사양을 수렴시키는 방법론을 제시하였다. 설계 과정을 설계 합성 및 설계 해석으로 구분하여 기존의 인증된 설계 요건 하의 설계 사양으로 수렴할 수 있는 액체금속로의 구조를 합성하고 합성된 액체금속로의 세부 설계 변수를 학습된 설계 변수 영역 내에서 도출하는 것이다. 도출된 설계 변수 영역에서는 인간 설계자의 설계 방향으로 수렴할 수 있는 최적화 방법론을 사용하여 특정 설계 변수를 도출하는 것이다.
이러한 설계 방법론을 위해 본 연구의 개념 설계 툴은 설계 합성, 설계 해석 및 안전 해석의 3단계로 설계 과정이 이루어지도록 구축되었다. 3단계의 설계 과정은 기존의 증명된 설계 자료와 인간 설계자의 지식 및 경험을 바탕으로 순차적 설계 과정의 결과가 최적화 영역으로 수렴하도록 하여 수많은 수치해석 과정이 필요로 하지 않도록 하는 것이므로, 이를 지원할 수 있는 설계 지원 시스템을 필요로 하게 된다. 따라서, 본 연구의 액체금속로를 위한 개념 설계 툴은 설계 합성, 설계 해석, 안전 해석 및 설계 지원 시스템으로 구성된다. 설계 합성은 액체금속로의 구조 및 시스템 배치를 결정하고 각 시스템의 규격을 제안하기 위한 것으로, BAM (Bi-directional Associative Memories)기반 배치 전문가 시스템 (BAM-Based Layout Expert System)을 기반으로 하고 있다. BAM 기반 배치 전문가 시스템은 양방향 학습 및 2차원 정보의 도출이 가능한 일종의 인공 신경망 시스템으로서, 액체금속로를 구성하는 시스템 사이의 근접성, 각 시스템의 접촉, 각 시스템의 면적 및 시스템 사이의 상대적 위치 정보에 기반한 뉴런 지식 정보를 입력하여 훈련시키고 최적화된 형태의 액체금속로의 배치를 도출한다. 이렇게 배치 구조를 통해 설계 합성이 이루어진 액체금속로는 설계 해석 과정을 통하여 설계 변수들을 도출한다. 설계 해석은 상사 법칙, 수치 결정법 및 최적화 변수 도출 방법론에 의해 이루어진다. 상사 법칙과 수치 결정법은 액체금속로의 규격과 열수력 변수를 간략화된 비교 상수에 의해 도출이 되도록 하는 것이다. 이러한 방법으로 구하지 못하는 복잡한 구조의 설계 변수는 최적화 변수 도출 방법론에 의하여 구해진다. 이는 광역 최적화 방법론과 협역 최적화 방법론으로 나누어지는데, 광역 최적화 방법론에 의해 구해진 설계 가능 영역에서 인간 설계자의 설계 방향에 의해 결정되는 설계 변수로 수렴되는 협역 최적화 방법론에 의해 완성된다. 광역 최적화 방법론은 설계 창의 생성을 통해 2차원적 설계 변수들의 설계 가능 영역을 결정짓기 위해 목적 함수와 이를 위한 제한 요건을 중심 방정식으로 이용하여 계산하도록 이루어진다. 이렇게 결정된 설계 가능 영역의 설계 변수들은 설계 가능 영역 내의 모든 설계 사양에 대해 수치 계산을 하지 않고도 인간 설계자가 요구하는 근접 지점으로 설계 변수를 도출하기 위하여 유전자 알고리즘에 의한 목적 함수의 적정지표에 대한 계산으로 최적화된 단일 설계 변수를 결정하게 된다. 이러한 설계 합성과 설계 해석의 방법론을 통해 도출된 설계 사양은 안전 해석의 단계를 통해 안전성 평가에 기초한 안전성 평가 과정을 거치게 된다. 본 설계 안전 해석 과정은 소듐 및 납 (또는 납-비스무스) 냉각재를 이용하는 액체금속로의 계통해석에 적합한 DSNP (Dynamic Simulator for Nuclear Power Plants)를 이용하여 수행된다. 일반적으로 액체금속로를 위한 결정론적 안전성 평가 방안으로 이용되는 LOHS (Loss of Heat Sink) 및 반응도 삽입 (Reactivity Insertion) 사건을 중심으로 수행된다.
본 연구를 통한 개념 설계 툴은 4세대 신개념 액체금속로인 ENHS (Encapsulated Nuclear Heat Source) 원자로에 적용되어 1.25m 원자로 노심의 개념 설계 가능성을 평가하였다. 이에 개념 설계 툴의 방법론이 액체금속로의 개념 설계를 효과적으로 수행할 수 있으며, ENHS 원자로는 타당한 설계 개념을 가짐을 확인할 수 있었다.
향후 액체금속로의 안전성 평가 이외에 경제성, 환경친화성 및 비핵확산성을 목적 함수로 평가할 수 있는 대안이 새로이 제안된다면 더욱 효과적인 개념 설계 대안을 제시할 것으로 보인다.
