This study aims to develop a laser-based nuclear power plant (NPP) monitoring system and techniques. The proposed system transmits laser beams for generation and sensing of ultrasound from the laser sources to any target inspection points. This system is designed to be applied even under the harsh environ-mental conditions of operating NPPs. This study also proposes several techniques that can measure guided waves and mechanical impedance for instantaneous damage detection of pipes in NPPs. First, this study de-velops an optical fiber guided laser ultrasound measurement system specifically designed for NPP pipelines exposed to high temperature and radiation. Ultrasound waves are generated using an Nd:Yag laser beam, which generates a localized thermal expansion on the pipe surface. The corresponding ultrasound responses are measured using a laser vibrometer, which measures the out-of-plane velocity of the surface. The laser beams are transmitted through optical fibers to target excitation and sensing points. There are two types of ultrasound responses of main interests in this study. The first one is laser-based guided waves (LGW), which is a transient response of the generated laser ultrasound. This response can be extracted within the several wave components from first to several reflection arrivals. It can also detect the signal changes from the direct ultrasound path. The other type of ultrasound response is laser-based mechanical impedance (LMI). The LMI is a steady-state response of the generated laser ultrasound, so the generated transient responses are converged into structural vibration responses. It can detect the changes of structural vibration induced by the existence of structural damage. Both the LGW and LMI responses are well observed through numerical simulation and experimental tests. Finally, an autonomous damage detection method is developed based on the axi-symmetry nature of pipe structures. Due to the axisymmetric nature, there are several ultrasound paths whose geometries are identical. The ultrasound signals with the same structural geometry should be, in theory, identical for the intact condition. However, this equality breaks down when a non-axisymmetric defect is introduced. A cross-correlation-based damage index (DI) can be computed based on this observation. After computing all DI values, a sequential outlier analysis with an adaptive threshold value is performed. Then, we can identify the DI values that are obtained from the wave paths, passing the damage area. The proposed damage detection techniques are experimentally verified using a pipe elbow specimen and wall thinning defects. To consider the environmental conditions in NPPs, a small-scale NPP test bed is constructed to change the temperature and pressure levels of the piping system.
본 연구는 가동 중인 원자력발전소의 구조적 건전성 모니터링을 위하여, 레이저 초음파 기반의 시스템과 방법론을 개발하는 것을 주요 목표로 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 레이저 광선을 활용하여 구조물의 원하는 지점에 초음파를 생성하고 계측하여, 초음파를 활용한 구조물의 상태를 진단하고자 한다. 원자력발전소라는 특성을 고려하여 개발된 시스템이 고온, 방사선, 고압 등 원전의 가동 환경에서도 적용될 수 있도록 설계하였다. 또한 구조물의 손상을 감지하기 위한 방법으로 레이저를 활용한 유도파와 기계적 임피던스를 주요 물리량으로 측정하였다. 이를 위하여 우선 본 연구에서는 원전 환경에서 레이저 초음파 기법의 적용이 가능하게 하기 위하여, 광섬유 유도 레이저 초음파 시스템을 개발하였다. 레이저 초음파 응답은 Nd:Yag 레이저 광원을 통하여 생성되고, 레이저 진동계를 통하여 계측된다. 이때 레이저 광선은 본 연구에서 개발된 광섬유 모듈을 통하여 유도되는데, 이를 통하여 복잡한 배관 구조물 상의 임의의 지점으로 레이저를 유도하여 초음파의 생성과 계측을 용이하게 할 수 있다. 또한 레이저 전송 경로가 특수 설계된 광섬유로 보호됨으로써 원전 내부의 극한 환경에서도 가동 가능하도록 하였다. 본 연구에서는 크게 두 가지 종류의 물리량을 측정하고자 하였다. 하나는 레이저 기반의 유도파 응답으로, 이는 레이저 초음파의 생성 초기에 판형 구조물을 통하여 파동이 전파하면서 생기는 과도(過渡) 상태 응답이다. 이러한 유도파 응답은 최초 도달 응답에서 수 차례 정도의 초기 반사 응답을 측정함으로써 얻을 수 있다. 초음파가 통과하는 구조물에 손상이 생길 경우, 이러한 유도파의 파형이 변화하게 된다. 다른 종류의 초음파 응답은 레이저 기반의 기계적 임피던스 응답이다. 유도파 응답과는 달리 임피던스 응답은 정상(定常) 상태 응답이다. 따라서 이러한 종류의 응답은 레이저 초음파가 생성된 이후, 여러 차례의 반사파가 서로 만나 중첩되고, 이 중첩된 응답이 구조물 진동 응답으로 수렴한 경우에 생기게 된다. 만일 구조물에 손상이 존재한다면, 고주파에서의 구조물 진동 양상이 달라지게 된다. 레이저 기반 유도파 및 임피던스 응답은 수치적, 실험적 검증을 통하여 명확하게 관찰되었다. 마지막으로 이러한 물리량을 활용하여 실제 구조물의 손상 여부를 판별할 수 있는 자동화된 손상 감지 기법을 개발하였다. 손상 감지 기법은 배관 구조물의 축대칭성에 착안하여 개발되었다. 배관 구조물을 그 형상이 축대칭이기 대문에, 동일 위상을 가지는 여러 개의 초음파 생성-계측 경로가 존재하게 된다. 따라서 구조물에 손상이 없는 경우에는 동일 위상 경로에서의 초음파 신호가 원칙적으로 모두 같게 된다. 그러나 구조물에 손상이 존재하게 되면 이러한 축대칭성이 붕괴되기 때문에, 동일 위상 경로라 하더라도 그 경로를 따르는 초음파 신호는 모두 다르게 된다. 이러한 특성을 바탕으로 상호 상관지수에 기반한 손상지수를 개발하였고, 계산된 손상지수를 활용하여 이상치 분석을 수행하였다. 이상치 분석을 통하여 실제 손상지수가 구조물 손상에 의한 것인지의 여부를 판별하게 된다. 실제 원전에서의 적용성을 고려하여, 고온-고압-유동 환경에서의 급수 배관을 모사한 테스트베드를 구축하여, 환경 영향에 따른 손상 감지 성능을 검증하였다.
