The safety of nuclear power plants (NPPs) has been treated as a major issue over the last few decades, and has been particularly emphasized in recent years. Safety systems that are fundamental to nuclear safety basically function to transfer residual heat from the core to the ultimate heat sink, and during this process, they control the flow path of coolant through the operation of various mechanical components such as motor-operated valves (MOV) and check valves (CV). In this context, for more reliable safety systems and safer NPPs, the availability of these critical standby components for coolant path control should be improved.
In order to deduce appropriate strategies for the availability improvement and also to correctly analyze the effects of them, a realistic and general component unavailability model is developed, which takes into account aging effects, test duration, and repair duration. Based on this model, strategies which can improve the availability of standby component are suggested. The strategies are broadly categorized as online status monitoring, which monitors failures occurring during standby and operation, and test interval adjustment, which adaptively manages the test interval for each standby turn. To analyze the effects of these strategies quantitatively, their influences are formulaically reflected to the general component unavailability model.
The feasibility of the proposed strategies is demonstrated via a case study for an MOV and a CV. As a result of the analysis, the average unavailability of the valves for their expected lifetimes can be greatly reduced to 51.28% and 12.36%, respectively, when compared to the cases with no improvement strategies. From the comparison between the MOV and CV cases, it is confirmed that the test interval adjustment strategy is meaningful as an auxiliary means for the online status monitoring strategy.
The impedance analysis technique is suggested and validated as a monitoring technique for standby MOV. For the purpose of monitoring integrity, the use of impedance analysis for the motor is a novel application. This application is expected to be especially useful in areas with access restriction, such as NPPs, as motor impedance can be measured from a distance without any interruption to the motor on site. Moreover, it can be applied to all the components that are operated by motors, not only MOVs but also motor-driven pumps and so on.
In order to apply the online status monitoring strategy to CVs during operation, a hybrid check valve is invented, which can be passively operated by pressure difference during normal situations and can also be actively operated by a motor. This hybrid check valve concept is confirmed to increase the availability of the CVs remarkably, as it can cover a large proportion of typical failures.
Even though the proposed strategies are developed for the availability improvement of standby components, they can also be applied to other topics, such as preventive maintenance plans, dynamic probabilistic safety assessments (PSA), and risk-informed regulations, as the strategies provide realistic standby component availabilities in contrast to current statistical-only approaches.
원자력발전소(이하 원전)의 안전성은 지난 수십 년 동안 중요한 쟁점으로 다루어 져 왔는데, 최근에 들어서는 그 중요성이 더욱 더 강조되고 있다. 원전 안전성의 근본이라 할 수 있는 안전시스템들은 기본적으로 노심으로부터 열을 제거하는 기능을 수행하는데, 본 과정 중에, 대기상태(standby)에 있던 모터구동밸브(MOV) 및 체크밸브(CV)를 작동시켜 냉각수 흐름의 유로를 조정하는 절차를 수반한다. 이러한 맥락에서 볼 때, 시스템의 신뢰성 더 나아가 원전의 안전성을 효과적으로 증진시키기 위해서는, 이러한 주요 유로조정에 쓰이는 대기 중 기기들의 가용도 개선이 뒷받침 되어야 하겠다.
대기 중 기기의 가용도 개선을 위해 올바른 전략을 세우고 또 전략들의 효과를 정확히 분석하기 위해서는, 일반적이고 실제적인 기기불가용도 모델을 도출할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는, 먼저 노화효과, 시험 및 수리소요시간을 고려하는 기기불가용도 모델을 도출하였다. 그리고 도출된 식에 기초하여, 대기 중 기기의 가용도를 개선하기 위한 전략으로, 대기 중 또는 가동중의 고장을 감시하는 온라인 상태감시(Online status monitor-ing), 각 순차의 시험 사이 시간간격을 조절하는 시험주기 조정(test interval adjustment)의 두 방법을 제시하였다. 다음으로, 제시된 전략들의 적용에 따른 불가용도 저감 정도를 정량적으로 분석하기 위해서, 각 전략들의 효과를 앞서 도출한 불가용도 모델에 반영하였다.
제시된 전략들의 실제적 실현가능성 및 적용효과를 확인 하기 위하여, 이들을 MOV와 CV에 적용시켜 보았다. 정량적 효과 분석결과, 가용도 개선을 위한 아무런 전략도 적용되지 않은 조건과 비교하여 볼 때, MOV와 CV의 기대수명 동안의 평균 불가용도가 각각51.28%, 12.36%까지 크게 저감될 수 있는 것으로 확인되었다. 두 기기 각각에 대하여, 불가용도 저감에 있어서 온라인 상태감시와 시험주기 조정방법의 상대적 기여도를 분석하여 보면, MOV의 경우 두 전략들이 상호 효과적으로 기여를 한 반면, CV의 경우에는 시험주기 조정방법이 온라인 상태감시방법에 비하여 큰 기여를 하지 못하는 것으로 확인 되었다. 이는 CV에 적용된 온라인 상태감시방법이 대기 중에 있을 수 있는 고장들의 대부분을 매우 짧은 감지주기로 확인함에 따라, 장시간 시험 없이 대기를 한다 하여도, 주기적 시험 사이에 발생하는 고장으로 인한 불가용 시간이 크게 늘지 않기 때문이다. 따라서 시험주기 조정방법은, 기기의 가용도 개선 정도의 측면에서 볼 때, 온라인 상태감시방법의 보조적 수단으로서 의미가 있다고 할 수 있겠다.
MOV의 대기상태에서 모터의 건전성을 확인하기 위한 모니터링수단으로 모터의 임피던스(Impedance) 분석방법이 제안 및 검증되었다. 이러한 목적, 즉 제작된 모터의 성능확인목적이 아닌 현장에 설치된 모터의 건전성을 정지상태에서 확인하기 위한 목적의 임피던스 분석법 적용은 새로운 활용이라고 할 수 있다. 모터 임피던스는 현장에 설치된 모터에 별다른 제약 및 추가적 장치 없이 원거리에서의 측정이 가능하므로, 접근에 제약이 있는 원전과 같은 곳에 적용하기에 특히 유용하다. 또한 본 방법은 MOV 뿐 아니라 모터를 구동력으로 하는 여타의 기기에도 그대로 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.
제안된 전략들 중, 기기의 동작간에 정상적 작동여부를 확인하고 이상감지 시 대체수단을 활용하는 온라인감시 방법을 CV에 적용하는 과정에서 Hybrid CV, 즉 정상 상황에서는 밸브 양단의 압력차이에 의해서 수동적으로 여닫히지만, 압력차이에 의한 정상적 작동이 안될 경우 이를 감지하고 모터의 구동을 통하여 능동적으로 작동하는 CV의 개념이 고안되었다. 실제적 적용에 있어서 자세한 검증 및 실험이 수반되어야 하겠지만, 본 개념이 적용될 경우에는, CV 고장사례들의 큰 비중을 차지하는 밸브의 고착 고장을 극복할 수 있게 됨에 따라, 앞서 정량적 분석결과와 같이 CV 가용도의 획기적 개선이 기대된다.
마지막으로, 제시된 전략들은 비록 대기 중 기기 불가용도의 개선을 위한 목적으로 도출되었지만, 이는 기기 건전성의 실제적 측정정보와 고장사례 및 기기가동이력을 통한 확률론적 정보를 종합하여 특정시점에서 기기의 보다 정확한 상태를 유추할 수 있는 장점을 가진다. 이러한 기능에 기반하여, 본 연구는 비용 또는 리스크를 감안한 pre-ventive management, 보다 현실적이고 정확한 원전상태를 반영하는 dynamic PSA, 그리고 위험도 정보 활용 원전규제(risk-informed regulation) 등의 연구들에도 응용 될 수 있겠다.
